Portable Test Equipment for verifying Radar Warning Systems

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Published on February 4, 2014

Author: AngelLuisLopezZaball

Source: slideshare.net

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Diseño de un generador de RF programable para la verificación de sistemas alertadores radar

A Nuria Sin su apoyo y comprensión este libro y estos estudios no habrían existido nunca Agradecimientos: A mis compañeros del departamento de Defensa y F.F.S.S. por su inestimable ayuda y colaboración en el desarrollo del prototipo, pero en especial a Juanjo por tener esta idea y ayudarme a iniciar el proyecto, Antonio y Luis por su labor de integración, Mari Carmen por su ayuda en la construcción y a Mikel por todas esas tardes que compartimos juntos resolviendo problemas hardware y software. Un sincero agradecimiento a todos ellos.

INDICE RESUMEN........................................................................................................................Pag 1 MEMORIA....................................................................................................................... Pag 3 1. INTRODUCCIÓN............................................................................................ Pag 4 2. DESCRIPCIÓN GLOBAL DEL SISTEMA 2.1 El alertador radar 2.1.1 Introducción....................................................................... Pag 6 2.1.2 Diagrama de bloques del alertador radar.......................... Pag 7 2.2. Parámetros de una señal radar.......................................................... Pag 10 2.3. El generador de emisores radar programable (GRP) 2.3.1 Introducción...................................................................... Pag 2.3.2 Partes fundamentales del GRP.......................................... Pag 2.3.3 Campo de aplicación......................................................... Pag 2.3.4 Nivel de innovación.......................................................... Pag 2.3.5 Fases de desarrollo............................................................ Pag 13 14 15 15 16 3. MÓDULO DE RADIOFRECUENCIA EN BANDA E/J 3.1 Planteamiento de diseño................................................................... Pag 18 3.2 Descripción de componentes de RF 3.2.1 Introducción...................................................................... Pag 3.2.2 Oscilador YIG................................................................... Pag 3.2.3 Atenuadores....................................................................... Pag 3.2.4 Acoplador direccional de 6dB........................................... Pag 3.2.5 Filtro Cuadruplexor.......................................................... Pag 3.2.6 Switch de RF SP5T........................................................... Pag 3.2.7 Amplificador de salida de RF............................................ Pag 3.2.8 Antena de bocina de banda ancha..................................... Pag 18 27 29 31 32 33 35 36 3.3 Cálculo de parámetros [S] 3.3.1 Introducción...................................................................... Pag 3.3.2 Parámetros del oscilador YIG........................................... Pag 3.3.3 Parámetros del atenuador de 10 dB................................... Pag 3.3.4 Parámetros del atenuador de 20 dB................................... Pag 3.3.5 Parámetros del acoplador direccional de 6dB................... Pag 3.3.6 Parámetros del Filtro Cuadruplexor.................................. Pag 3.3.7 Parámetros del Switch de RF SP5T.................................. Pag 3.3.8 Parámetros del amplificador de banda ancha.................... Pag 37 38 39 42 45 49 53 59

3.3.9 Parámetros de una línea de transmisión............................ Pag 61 3.4 Análisis de los coeficientes de reflexión 3.4.1 Introducción....................................................................... Pag 3.4.2 Coeficiente de reflexión del amplificador......................... Pag 3.4.3 Coeficiente de reflexión del switch SP5T.......................... Pag 3.4.4 Coeficiente de reflexión del filtro cuadruplexor................ Pag 3.4.5 Coeficiente de reflexión del atenuador de 20 dB............... Pag 3.4.6 Coeficiente de reflexión del acoplador direccional............ Pag 3.4.6.1 Análisis para funcionamiento monoemisión....... Pag 3.4.6.2 Análisis para funcionamiento multiemisión........ Pag 3.4.7 Coeficiente de reflexión del atenuador de 10 dB............... Pag 3.5 Análisis de la potencia generada 3.5.1 Introducción....................................................................... Pag 3.5.2 Potencia transmitida 3.5.2.1 Potencia emitida en modo monoemisión............ Pag 3.5.2.2 Potencia emitida en modo multiemisión............. Pag 3.5.3 Potencia radiada 3.5.3.1 Potencia radiada en modo monoemisión............. Pag 3.5.3.2 Potencia radiada en modo multiemisión............. Pag 64 65 67 70 73 76 78 80 81 83 84 84 85 87 4. TARJETA DE CONTROL DIGITAL 4.1 Planteamiento de diseño................................................................... Pag 90 4.2 Descripción de componentes 4.2.1 Microcontrolador PIC18F876............................................ Pag 4.2.2 Memoria EEPROM 24LC256............................................ Pag 4.2.3 Adaptador MAX233.......................................................... Pag 4.2.4 Oscilador TTL.................................................................... Pag 92 95 97 99 4.3 Diseño de la tarjeta de control............................................................ Pag 100 5. ESTUDIO DE CONSUMO DEL SISTEMA 5.1 Planteamiento de diseño.................................................................. Pag 107 5.2 Análisis de los consumos individuales 5.2.1 Alimentación del oscilador YIG....................................... Pag 108 5.2.2 Alimentación del switch SP5T.......................................... Pag 108 5.2.3 Alimentación del amplificador de RF............................... Pag 109 5.2.4 Alimentación de la tarjeta de control digital..................... Pag 109 5.3 Consumo global 5.3.1 Consumos de 24 voltios.................................................... Pag 110 5.3.2 Consumo de 15 (+) voltios................................................ Pag 110 5.3.3 Consumo de 15 (-) voltios................................................. Pag 110

5.3.4 Consumo de 5 (+) voltios.................................................. Pag 110 5.4 Potencia requerida por el sistema 5.4.1 Potencia de 24 voltios....................................................... Pag 111 5.4.2 Potencia de 15 (+) voltios.................................................. Pag 111 5.4.3 Potencia de 15 (-) voltios................................................... Pag 111 5.4.4 Potencia de 5 (+) voltios.................................................... Pag 111 5.5 Elección del convertidor DC-DC..................................................... Pag 112 5.6 Calculo de características de la batería............................................ Pag 114 5.7 Elección de la batería....................................................................... Pag 116 6. CONCLUSIONES.......................................................................................... Pag 117 PLANOS Y PROGRAMAS 1. PLANOS DE EJECUCIÓN............................................................................ Pag 119 1.1 Esquema. Diseño de la etapa de RF................................................. Pag 121 1.2 Lista de material. Componentes de RF ........................................... Pag 122 1.3 Fotografía: Modulo de radiofrecuencia ............................................ Pag 123 1.4 Esquema: Diseño de la tarjeta de control digital ............................. Pag 124 1.5 Lista de material: Componentes electrónicos de la tarjeta............... Pag 125 1.6 Fotografía: Tarjeta de control digital ................................................ Pag 126 1.7 Esquema: Diseño del modulo de alimentación................................ Pag 127 1.8 Lista de material: Componentes electrónicos .................................. Pag 128 1.9 Fotografía: Convertidores de alimentación ..................................... Pag 129 1.10 Fotografía: Equipo completo con antena ....................................... Pag 130 2. PROGRAMAS DE EJECUCIÓN................................................................... Pag 131 2.1 Software de la tarjeta de control 2.1.1 Lenguaje de programación................................................ Pag 132 2.1.2 Desglose de códigos fuente............................................... Pag 133 2.2 Software del interface de usuario..................................................... Pag 134 2.2.1 Lenguaje de programación................................................ Pag 134 2.2.2 Desglose de códigos fuente 2.2.2.1 Contenido del fichero datos.h............................ Pag 135 2.2.2.2 Contenido del fichero garp.h.............................. Pag 135 2.2.2.3 Contenido del fichero main.c............................. Pag 135 3.2.2.4 Contenido del fichero paneles.c......................... Pag 136 3.2.2.5 Contenido del fichero grp.uir............................. Pag 138

PLIEGO DE CONDICIONES 1. EXIGENCIAS TÉCNICAS........................................................................... Pag 141 2. ESPECIFICACIONES PARTICULARES.................................................... Pag 142 3. PROTOCOLO DE PRUEBAS 3 .1 Introduccción................................................................................... Pag 143 3 .2 Pruebas funcionales 3 .2.1 Verificación de la carga de librería.................................. Pag 144 3 .2.2 Verificación funcional de frecuencia............................... Pag 145 3 .2.3 Prueba funcional de modulación...................................... Pag 146 3 .2.4 Prueba funcional de Multiemisión................................... Pag 149 PRESUPUESTO 1. COSTE DE MATERIAL ............................................................................... Pag 150 2. COSTE DE LA MANO DE OBRA ............................................................... Pag 152 3. COSTE DE EJECUCIÓN .............................................................................. Pag 153 4. HONORARIOS .............................................................................................. Pag 154 5. PRESUPUESTO TOTAL DEL PROYECTO ............................................... Pag 155 MANUAL DE USUARIO 1.PROGRAMA DE CONTROL GARP 1.1 Introducción .................................................................................... Pag 158 1.2 Parámetros de los emisores 1.2.1 Frecuencia ........................................................................ Pag 159 1.2.2 Radiación monoemisión.................................................... Pag 159 1.2.3 Radiación multiemisión.................................................... Pag 160 1.2.4 Modulación ...................................................................... Pag 160 1.2.5 Tiempo de emisión ........................................................... Pag 160 1.2.6 Tiempo de silencio ........................................................... Pag 161 1.2.7 Activación ON/OFF ......................................................... Pag 161 1.3 Comunicación PIC .......................................................................... Pag 162 1.4 Control de emisión 1.4.1 Histograma de emisiones ................................................. Pag 164 1.4.2 Simulación ....................................................................... Pag 165

1.4.3 Radiar................................................................................ Pag 166 1.5 Administración de ficheros 1.5.1 Abrir librería ..................................................................... Pag 167 1.5.2 Guardar librería ................................................................ Pag 168 1.6 Control de programa 1.6.1 Información ...................................................................... Pag 169 1.6.2 Salir .................................................................................. Pag 169 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ Pag 170 ANEXO .......................................................................................................................... Pag 174

R E S U M E N

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar RESUMEN Se ha diseñado y construido un sistema capaz de generar múltiples señales de radiofrecuencia (RF) variables en frecuencia, modulación y tiempo de emisión, con el objeto de simular un emisor radar ficticio y así comprobar el funcionamiento de sistemas alertadores radar, los cuales están destinados a identificar emisiones generadas por otros radares. Dicho sistema está compuesto por un módulo de radiofrecuencia en la banda de microondas, una tarjeta de control digital basada en microcontroladores que permite controlar el módulo de RF y un aplicación software sobre LabWindows/CVI para reprogramar y controlar remotamente todo el sistema, además permite simular el funcionamiento sin necesidad de radiar ondas electromagnéticas. PALABRAS CLAVE: Generador, radiofrecuencia, Radar Warning, microondas, Electronic Warfare (EW), microcontrolador, RS-232, Labwindows, equipo de test. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 2

M E M O R I A

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar 1. INTRODUCCIÓN En situaciones de paz, los sistemas militares parecen relegados a un segundo plano. Pero tras los atentados del 11-S, 11-M y la Guerra de Irak, la inversión en armamento y en equipos bélicos ha vuelto a aparecer como prioridad en los presupuestos públicos de muchos países, lo cual ha propiciado que todos los sistemas destinados a la seguridad del personal civil y militar sean revisados. En este ámbito, el sistema alertador es un equipo utilizado con fines militares que puede estar ubicado en distintas plataformas ya sean aéreas, terrestres o marítimas. Su misión es detectar, analizar y clasificar señales radar procedentes de diferentes emisores ya sean conocidos o desconocidos, con el objetivo de determinar el grado de peligrosidad de dichos emisores (amenazas). Previo a exponer el sistema a una situación real y posiblemente peligrosa, es conveniente asegurar su correcto funcionamiento ya que un fallo del sistema provocaría irremediables consecuencias (víctimas humanas). Es por ello, que necesitaremos de una herramienta con la capacidad suficiente para simular la presencia de emisores reales y así verificar la respuesta del sistema alertador ante tales situaciones. Esta herramienta deberá ser un dispositivo capaz de generar una serie de señales variables en sus parámetros característicos: frecuencia, potencia y tipo de modulación. Dichos parámetros podrán ser programados según la necesidades del usuario del sistema alertador. Para conseguir este objetivo, se va a diseñar y construir un prototipo, el que se distinguen tres bloques principales: un módulo de RF, un módulo de control y una interface con el usuario. El módulo de RF, está constituido por un generador de señal basado en tecnología YIG, un sistema de canalización formado por filtros y conmutadores, y una etapa final de amplificación que se conectará a un sistema radiante (antena). En la memoria se ha descrito cada uno de los componentes de RF, realizando posteriormente un análisis matemático de cada elemento y el resultado de la conexión de todos ellos utilizando como base los parámetros ‘S’. El sistema se ha optimizado para conseguir el mínimo número elementos de RF manteniendo un sistema de alto rendimiento en un espacio reducido, debido entre otras cosas al elevado precio de los componentes de RF y al tamaño una característica importante en una unidad cuyo fin es la portabilidad. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 4

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar El módulo de control, estará constituido por un tarjeta digital que integra microcontroladores, memorias, adaptadores para comunicación RS-232 y todos las líneas necesarias por direccionar todos los componentes de RF, es definitiva el cerebro del sistema. Para realizar este módulo ha sido necesario construir una tarjeta prototipo que no dispone de pistas realizando todas las conexiones mediante hilos soldados, asegurandonos así su funcionamiento antes de realizar la producción. En la parte de la memoria destinada al módulo de control se describe cada uno de los componentes y se justifica cada una de las conexiones existentes. En la parte final de la memoria se describe también el software operativo utilizado por los microcontroladores. Incluyendose en el CD-R adjunto el código fuente al completo, por no aumentar innecesariamente el tamaño de esta memoria. En la memoria se ha incluido también un estudio de alimentación, analizándose todos los componentes que integran el sistema para extraer de ese modo las tensiones necesarias y los consumos asociados a esas tensiones. El objetivo es dimensionar de forma adecuada la batería y los convertidores de alimentación necesarios, detallándose la características necesarias que tienen que tener cada uno de los elementos Se ha desarrollado una aplicación software que sirve para controlar todo el sistema y al mismo tiempo de servir de interface de usuario utilizándose como herramienta de programación CVI/LabWindows. Mediante esta aplicación se puede gestionar todos los datos mediante librerías, cargar las librerías en la tarjeta de control digital y posteriormente activar remotamente el equipo para que comience a radiar. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 5

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar 2. DESCRIPCIÓN GLOBAL DEL SISTEMA 2.1 El alertador radar 2.1.1. Introducción La mayor parte de la evolución tecnológica ha tenido como inicio un objetivo militar, aplicandose posteriormente a fines civiles. El RADAR (Radio Detection And Rangin) es una prueba de ello. Hoy en día es un sistema que ha evolucionado utilizándose en multitud de plataformas civiles y militares. Figura 2.1. Emisión detectada por un alertador radar. El RADAR[31] es un equipo que obtiene información sobre objetos que se encuentran en posiciones no determinadas inicialmente, para conseguir este objetivo se emite un onda electromagnética y se aprovecha la onda reflejada por dicho objeto para conocer la distancia, la velocidad, la dirección y el tamaño del mismo. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 6

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar El Alertador RADAR es un sistema pasivo, es decir, no emite ninguna señal sin embargo aprovecha la emisión recibida procedente de un Emisor RADAR para conocer información del mismo. Una vez recibida la emisión, se procesa y se obtiene las características de la onda electromagnética recibida. Comparando dicha información con la almacenada por el propio sistema se puede determinar características del objetivo que la emitió. 2.1.2. Diagrama de bloques del alertador radar El alertador radar es un equipo integrado en distintas plataformas ya sean terrestres, marítimas o aéreas. Independientemente del grupo de proceso todos están compuestos por la misma estructura: Antena 1 Receptor 1 Antena 2 Receptor 2 Pantalla Controles BLOQUE DE PROCESO Otros sistemas Antena N Receptor N Librerías y registros Figura 2.2 Esquema de bloques genérico de un alertador radar. Bloque de Antenas: Este elemento capta la onda electromagnética emitida por el emisor radar y la envía al bloque receptor. El bloque de antena debe cubrir por completo todo el margen de frecuencias a explorar, para ello utiliza una o varias antenas para conseguir una antena de banda ancha. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 7

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar Receptor: Se utiliza un acoplador, aunque podría ser un divisor para obtener una muestra de la señal de entrada y tener así dos señales recibidas idénticas en frecuencia y modulación aunque con una pequeña diferencia de amplitud. El objetivo es realizar de forma independiente y simultánea la medida de frecuencia y la medida de los parámetros de modulación [31]: - La medida de frecuencia necesita realizarse en banda estrecha, por ello el objetivo del mezclador junto con el oscilador local es concentrar toda la banda en un margen estrecho variando el oscilador local. - La obtención de los parámetros de modulación se realiza con un detector logarítmico de vídeo (DLVA) obteniendo una señal de baja frecuencia (señal de vídeo) la cual se procesará posteriormente para obtener el PRI y PW, sin embargo cuando la señal no está modulada (CW) es decir portadora fija, el receptor la modula en amplitud con una moduladora interna contante para que el bloque de proceso sea idéntico que cuando la señal recibida está modulada. Figura 2.3. Esquema de bloques de uno de los receptores del alertador Bloque de proceso: A partir de la frecuencia intermedia enviada por el receptor y mediante procesado digital (DSP) se calcula la frecuencia recibida (F). La señal de vídeo es utilizada para calcular el AOA y los parámetros de modulación. Este Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 8

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar proceso se realiza mediante ADC´s(convertidores analógico digital) midiendo así la amplitud recibida por cada una de las antenas, esto permite mediante goniometría saber la dirección donde se recibe con máxima amplitud, asignándole a esta dirección un ángulo que tendrá como referencia un eje físico predeterminado, a esta diferencia de ángulo es lo que se conoce como AOA (ángulo de llegada). La obtención del PRI y PW tienen que tener como referencia a un reloj interno para los cálculos de tiempo. Con todos los parámetros recibidos se clasifica y almacena los emisores bajo el nombre de registros, posteriormente estos datos serán almacenados en la memoria del sistema para su identificación en futuras exploraciones del espectro. Esta memoria con emisores ya clasificados es lo que se conoce bajo el nombre de librerías. Pantalla: se utiliza para mostrar al usuario los emisores recibidos y sus parámetros. Controles: permiten inter actuar con el sistema para filtrar y almacenar los emisores recibidos. Comunicación de registros y librerías: permite descargar del sistema emisores almacenados y cargar en el sistema emisores pre-clasificados. Otros sistemas: en este bloque se contemplan los equipos de contramedidas. Algunos alertadores radar incorporan funciones de control sobre estos elementos activos. El objetivo es emitir señales que ayuden a la defensa del sistema ante un inminente peligro. De igual modo todos alertadores realizan las siguientes funciones: Detección: dependerá de la sensibilidad del receptor, cuando más sensible sea, más emisores detectará y a mayor distancia . Localización: haciendo uso de goniometría, se obtiene un parámetro conocido como AOA (ángulo de llegada) Identificación: en función de los parámetros medidos y de los datos almacenados por el sistema [31] Seguimiento: de los emisoras en la banda radar de trabajo, siempre y cuando lo permita la sensibilidad del receptor. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 9

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar 2.2 Parámetros de una señal radar Toda onda electromagnética está definida por su frecuencia, amplitud y fase. Modificando algunos de estos parámetros [31] obtendremos una señal completamente diferente. Básicamente existen dos formas de emitir una señal de radiofrecuencia, sin modulación y con modulación, solamente vamos a trabajar con modulaciones amplitud, aunque existan modulaciones en frecuencia y en fase, para nuestro procesado de señales radar sólo vamos a modular en amplitud. Llamaremos onda continua a aquella señal que no se le ha aplicado ninguna tipo de modulación en amplitud. Figura 2.4 Características de una onda no modulada Los parámetros más significativos que se pueden medir al recibir una señal electromagnética continua son los siguientes: Frecuencia: En la banda radar se utiliza desde 0.5 Ghz a 40 Ghz. Amplitud: Se mide en forma de potencia media, siendo habitual medir desde -80 dBm a 0 dBm. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 10

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar No se utiliza el periodo, dado que estamos trabajando con unidades muy pequeñas, las cuales no nos dan una idea aproximada de la frecuencia de trabajo. Figura 2.5. Representación de una onda pulsada. En las aplicaciones radar, la modulación más utilizada, es aquella realizada con un tren de pulsos, conocida como onda pulsada [31], que es en definitiva una onda modulada en amplitud por otra onda de frecuencia inferior. Los parámetros más significativos que se pueden medir al recibir una señal electromagnética modulada en amplitud son los siguientes: Frecuencia (F): igual que para la onda continua (Ghz) Amplitud (PA): La amplitud de pulso se obtiene de la envolvente de la señal modulada. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 11

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar Periodo de la señal moduladora (PRI) [31]:es el intervalo de repetición de pulsos, siendo habitual trabajar en ( s o ms.). Ancho de pulso de la señal moduladora (PW): marca el ciclo de trabajo del tren de pulsos, siendo habitual trabajar en (ns o s). Tiempo de llegada (TOA): momento a partir del cual se recibe la señal. Ángulo de llegada (AOA): Ángulo respecto a un eje físico por el cual se considera se recibe la señal con mayor amplitud. Sobre estos parámetros básicos, y que se consideran fijos, se pueden hacer variaciones en tiempo real por parte del emisor RADAR, para que el alertador RADAR al no recibir una señal constante en sus parámetros realice mediciones falsas y así llegar a conclusiones erróneas sobre el emisor. A continuación se hace un clasificación general sobre los distintos parámetros de las señales, indicando cuál se puede tratar con el objetivo de confundir al alertador radar. Parámetros de la onda Tratamiento Frecuencia (F) Período de repetición de pulsos (PRI) Ancho de pulso (PW) Amplitud (PA) Ángulo de llegada (AOA) Tiempo de llegada (TOA) SI SI SI SI NO NO Con lo que se pueden recibir distintas señales en el alertador radar: Ondas pulsadas con PRI, frecuencia y amplitud fija. Ondas con PRI variable. Ondas con una sola frecuencia pero variable. Onda pulsadas en múltiples frecuencias. Onda pulsada y simultáneamente aplicando variaciones en amplitud. Onda continua sin ningún tipo de modulación. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 12

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar 2.3 El generador de emisores radar programable (GRP) 2.3.1. Introducción Este dispositivo tiene la capacidad de generar un conjunto de señales de RF en la banda de trabajo, con el fin de simular un emisor radar no existente y así verificar el correcto funcionamiento del alertador radar. Cada una de las señales que se pueden generar está definida por unos parámetros [31] que se detallan a continuación y que el sistema es capaz de modificar: Frecuencia (GHz). Los armónicos son los múltiplos de la portadora y se pueden eliminar o no. PRI es el período de la modulación ON/OFF . PW es el ancho de pulso de modulación ON/OFF. CW: onda continua es cuando no se aplica modulación de amplitud. Tiempo de emisión (ms) para cada emisor. Tiempo de silencio (ms) para cada emisor. La gestión de todos los parámetros se realiza a través de una aplicación bajo windows. Dicha aplicación es un panel de control virtual del Generador de RF, diseñado para editar las características de emisores que posteriormente emitirá el GRP en forma de radiación electromagnética. El generador es capaz de emitir cuatro ondas eletromagnéticas de forma consecutivas,.aunque modificándo la aplicación software podría ser más, la cantidad que nosotros determináramos.La única limitación es la memoria de la tarjeta de control que permite hasta 64. Los emisores se pueden almacenar en un fichero (librería) o se puede enviar al módulo de control inteligente (microcontrolador PIC) el cual recogerá esta información y configurará el sistema para que el funcionamiento de radiofrecuencia sea un reflejo fiel de lo configurado en el panel de control del bloque de RF. Dispone además de una función de simulación para ver lo que el generador va a emitir posteriormente, reflejándolo en un gráfica de frecuencia y tiempo. Esto se puede saber porque tiene asignado unos tiempos para cada emisor previamente. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 13

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar 2.3.2. Partes fundamentales del generador de RF programable A continuación se incluye un diagrama de bloques del " Generador de RF programable para la verificación de un sistema alertador ". Figura 2.6. Diagrama general del generador de RF programable Se puede observar cómo el sistema se alimenta de una batería, este elemento es lo que permite que el sistema sea portátil. Posteriormente el módulo de alimentación distribuirá cada alimentación a cada componente según las distintas necesidades. El módulo de control realiza dos funciones: Control de los elementos activos y programables, entre los que está el generador de RF y el switch, dado que el acoplador, el filtro cuadruplexor y el amplificador no necesitan señales de control. Función de interface mediante la aplicación que está ejecutándose en el PC y que comanda todo el sistema. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 14

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar 2.3.3. Campo de aplicación La mayor parte de la aplicaciones de detección radar de forma pasiva, tienen fines militares. El GRP pretende dar cobertura a la comprobación de estos sistemas, simulando situaciones reales y la respuestas de dichos sistemas ante tales señales (amenazas radar). Estos sistemas de guerra electrónica se verifican en laboratorios, con equipos montados en bancos de pruebas. El tamaño de estos bancos de pruebas no permite desplazarlos para cortos intervalos de tiempo, teniendo que diseñar nuevos equipos portátiles con prestaciones más ajustadas, pero con el mismo objetivo, la verificación completa antes de una misión. Dentro de este segmento se encuentra ubicado el GRP, un equipo de poco peso, con autonomía para más de una hora, y capacidad de prueba instantánea. 2.3.4. Nivel de innovación Actualmente este trabajo se desarrolla utilizando instrumentación exclusiva diseñada por marcas de reconocido prestigio (Agilent, Rhode, etc) [32], pero con un alto coste. Teniendo al mismo limitaciones propias de los trabajos de banco de pruebas de laboratorio como son el gran espacio requerido para ubicar dichos sistemas. Un característica destacable de este equipo es su bajo peso y autonomía, lo que le convierte en un equipo portátil y no portable, para disponer de él en cualquier ubicación. Permite tener almacenado las características de una serie de emisores y generarlos en el instante que se determine comandados por un PC portátil o de sobremesa. Es el complemento ideal para el mantenimiento de alertadores radar al disponer de salida externa de RF y vídeo pudiendo utilizarse también como un generador de RF y/o como un generador de pulsos portátil, es la herramienta ideal para dar un alertador radar como operativo instantes antes de comenzar una misión.. Es en definitiva un equipo que ofrece un conjunto de soluciones aplicables al trabajo dentro y fuera de laboratorio. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 15

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar 2.4 Fases de desarrollo A continuación se va a detallar las fases empleadas en el desarrollo de este proyecto, describiendo inicialmente cada uno de los módulos que componen el sistema. En la figura 2.7 se muestran los tres bloques más representativos del GRP: Figura 2.7. Esquema de los tres bloques que componen el sistema Diseño del módulo de radiofrecuencia Primero se decide la estructura del módulo de RF, los dispositivos a utilizar para cada función evaluando las distintas alternativas y eligiendo la tecnología a más adecuada a utilizar. A continuación se realizan los cálculos utilizando como base las hojas técnicas del fabricante de cada componente y teoría de microondas, dichos cálculos se comprobarán mediante medidas de parámetros [S] y medidas de potencia haciendo uso de un analizador de redes vectorial, cada uno de los procesos realizados en estos subapartados se detallará en el apartado dedicado al diseño del módulo de radiofrecuencia. Diseño del módulo de control Se decide la estructura general del módulo de control, los dispositivos a utilizar para cada función, evaluando las distintas alternativas de la elección hecha y eligiendo la tecnología a utilizar. A continuación utilizando como base las hojas técnicas del fabricante de cada componente se realiza el diseño. Para realizar éste módulo, se aplica conocimientos de circuitos digitales avanzados (microcontroladores), teniendo que dividir parte de la dedicación al diseño hardware de la tarjeta de control y parte al diseño software de la tarjeta, compaginar ambos desarrollos implica un esfuerzo añadido. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 16

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar Desarrollo del módulo de Interface Para llevar a cabo el desarrollo de este interface hay que identificar claramente las funciones que debe realizar esta aplicación software. Se evalúa los distintos paquetes de programación existentes en el mercado y se realiza la elección más adecuada a los fines requeridos. Para desarrollar esta tarea se ha utilizado un lenguaje de programación muy familiar en el mundo de la ingeniería, lenguaje C, que va implementado y particularizado con aplicaciones especificas en el LabWindows/CVI. Montaje de interconexión de los distintos módulos Esta tarea aunque puede parecer la más sencilla no siempre lo es, debido a que en el proceso de ensamblado de todos los elementos se suelen encontrar dificultades técnicas que no se habían contemplado a la hora de realizar el diseño (modificaciones de cableado incompatibles con la ubicación de componentes), obligando a realizar en algunos casos a realizar un rediseño parcial. Pruebas finales del prototipo En el diseño final se tendrá presente que el conjunto debe cumplir los requerimientos, exigidos en el pliego de condiciones. Para ello se realizan distintas pruebas, variando todos y cada uno de los parámetros desde la aplicación software. Utilizando equipos de medida, analizador de espectro, osciloscopio, multímetro, se comprueba que se generan las señales de radiofrecuencia, señales de vídeo (tren de pulsos) y señales de control con los niveles adecuados. En el protocolo de pruebas anexo se reflejan los procedimientos utilizados para verificar que se cumple el pliego de condiciones. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 17

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar 3. MÓDULO DE RADIOFRECUENCIA EN BANDA E/J 3.1 Planteamiento de diseño Con el nombre de banda E/J_ se conoce en la nomenclatura militar a la banda de frecuencias entre 2 y 18 Ghz. El objetivo del siguiente diseño, es crear un módulo capaz de generar una señal de radiofrecuencia con las siguientes características [31]: Rango de frecuencia de emisión : 2 -18 Ghz (Banda E/J ) Potencia de emisión: > 20 dBm Modulación en amplitud por un tren de pulsos de: Amplitud constante (dBm). Periodo fijo pero programable para cada emisión (PRI). Ciclo de trabajo fijo pero programable para cada emisión (PW). Señal sin modulación es decir una portadora continua (CW) Para realizar el diseño del módulo de RF necesitamos identificar los bloques básicos necesarios para formar dicho sistema. La estructura del sistema tiene que estar compuesto por los siguientes bloques: Un elemento capaz de generar un portadora estable a la frecuencia que se determine, pero al mismo tiempo programable en amplio margen de frecuencias (2-18 Ghz). Un elemento capaz de alterar la portadora de formas diferentes: - Modulando en amplitud dicha portadora en función de un tren de pulsos externo. - No aplicando ningún tipo de modulación y dejando pasar la señal sin alternar su forma. Un elemento que adapte los niveles de amplitud a las exigencias requeridas. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 18

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar Existen pocos elementos capaces de generar un portadora estable a la frecuencia que se determine y al mismo tiempo programable en amplio margen de frecuencias debido a estar trabajando en banda de frecuencias de microondas. Por el contario si existen distintas soluciones para generar un única frecuencia de trabajo, pero no es el caso que nos ocupa. Las soluciones para generar un amplio margen de portadoras en banda E/J son las siguientes: Sintetizadores basados en PLL[33], utilizando como referencia un oscilador de alta precisión. Esta opción tiene como ventajas la estabilidad en frecuencia y la rapidez en la conmutación de un portadora a otra. El inconveniente es el elevado precio que hay que pagar para disponer de un elemento de estas características. Osciladores basados en tecnología YIG [16]. Esta solución consigue un estabilidad en frecuencia aceptable tras un periodo de calentamiento. El inconveniente que tiene es el tiempo necesario para conseguir estabilizar la portadora, con lo cual no permite cambios de frecuencia en cortos intervalos de tiempo. La ventaja es que el precio es bastante aceptable en relación calidad precio. Por lo cual la se opto por utilizar un oscilador basado en tecnología YIG. Este dispositivo permite generar un portadora variable dentro del margen de trabajo necesario, con una potencia de salida fija. Las variaciones de frecuencia son controladas por un driver especifico que adjunta el fabricante y que entre las muchas opciones, permite control a nivel TTL. El único inconveniente, es la necesidad de incluir un dispositivo externo adicional que controle el gran número de señales digitales de control. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 19

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar Una vez elegido el generador, con el cual podemos entregar la señal con la frecuencia que deseemos, el siguiente paso es adecuar las características de la señal, es decir alterar la portadora de dos formas diferentes: Modulando en amplitud dicha portadora en función de un tren de pulsos externo. No aplicando ningún tipo de modulación y dejando pasar la señal sin alternar su forma. Para modificar las características de señal en banda E/J es usual utilizar un switch de RF [20], este componente tienes dos modos de funcionamiento: Modo On: Switch habilitado, permite el paso a través de él de la señal de RF. Modo Off: Switch no habilitado, el cual no permite el paso a través de él de la señal de RF. Si en lugar de atacar directamente con una señal fija, lo hacemos con un tren de pulsos determinado, el resultado es una modulación de amplitud. La respuesta del switch tiene que ser lo suficientemente rápida para replicar la señal que se le está aplicando. Existen dos tipos de switch [33] para realizar esta función: Switch electromecánico, similar a un relé pero de alta frecuencia. El inconveniente de estos tipos de switch es la velocidad de conmutación, se suelen utilizar para cambios de estado lentos. La ventaja es que soportan potencias altas. Switch a diodo pin, utilizan tecnología basada en diodos pin para realizar esta función. Estos switch son muy rápidos y se utilizan para conmutaciones rápidas, el inconveniente que tienen es que no soportan potencias elevadas. Por lo que se opto por utilizar un switch a diodo pin, pero en la etapa previa a la etapa final para que la potencia que tuviera que soportar no fuese elevada. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 20

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar Una vez adecuada la forma de onda debe de disponer de la potencia necesaria para el fin deseado. En este caso el fin nuestro es emitir una onda electromagnética, en una determinada dirección. Luego debemos de inyectar suficiente potencia, para que la atenuación del medio, la ganancia de la antena transmisora y receptora permita al receptor detectar dicha señal.Según las especificaciones requeridas debe generar una potencia superior a +20 dBm, luego nuestro amplificador tiene que tener un punto de compresión superior a esta potencia para que no trabaje en zona no lineal, y una pequeña ganancia dado que el oscilador YIG entrega una potencia de salida alta. En el mercado existen infinidad de modelos que cumplen estas características [33]. Es decir el fabricante entrega una amplia variedad de productos que trabajan en la frecuencia de trabajo, con distintas ganancias, punto de compresión alto, todo ello encapsulado y conectorizado según la necesidades del usuario. Con todo ya tenemos los tres elementos básicos de nuestro "Generador de RF programable". SWITCH OSCILADOR YIG AMPLIFICADOR RF RF IN OUT POTENCIA control digital E Figura 3.1. Diagrama de partida del diseño del Generador de RF programable El siguiente paso es adecuar los distintos niveles de señal, para que ningún elemento activo trabaje en saturación. Evidentemente el elemento que va a marcar el nivel de inicio va a ser el oscilador YIG. El fabricante del switch, entre sus datos no nos informa de la potencia máxima de entrada que puede soportar. La experiencia obtenida a partir de componentes de la misma familia, nos hace saber que el Switch soporta potencias de entrada algo superiores a la entregada por el oscilador YIG. De todas formas siempre es aconsejable hacer trabajar los componentes, lo más lejos de su limite máximo de funcionamiento, lo cual lo conseguiremos introduciendo un elemento que introduzca una atenuación extra. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 21

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar SWITCH OSCILADOR YIG AMPLIFICADOR ATENUADOR RF IN OUT POTENCIA E control digital Figura 3.2. Adaptación de niveles entre oscilador y switch De igual modo hay que adaptar los niveles de salida del switch y del amplificador. En este caso sin embargo, el interés radica en obtener la máxima potencia de salida, sin saturar el amplificador, haciéndolo trabajar al limite del punto de compresión, es decir donde acaba la zona lineal de trabajo, siempre y cuando la potencia de salida del switch sea suficiente. Dado que estamos trabajando con dispositivos de banda ancha, su respuesta, va a tener ligeras modificaciones a lo largo de toda la banda de trabajo, por ello el modo más efectivo es realizar una medida empírica, insertado un atenuador variable con suficiente margen de variación y resolución entre el switch y el amplificador. El atenuador elegido [19]para esta prueba varía de 0 a 60 dB en pasos de 1dB, obteniendo como valor óptimo, el valor que atenuado 1 dB no produzca a la salida del amplificador una diferencia de 1 dB, consideraremos entonces que está fuera de la zona lineal. SWITCH ATENUADOR AMPLIFICADOR IN OUT VARIABLE POTENCIA E Figura 3.3. Configuración para obtener valor del atenuador entre switch y amplificador Una vez finalizada esta prueba, insertamos un atenuador fijo, con el valor obtenido en dicha prueba. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 22

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar Podría parecer que el diseño ha finalizado, pero habríamos obviado un detalle bastante importante en esta aplicación, la generación de armónicos por el oscilador YIG. Dichos armónicos (segundo y tercero) de la portadora, son de una potencia suficiente para que el amplificador, detecte y amplifique dichas señales generando nuestro sistema señales no deseadas. Se debe rediseñar el sistema y aprovechar esa deficiencia para sacar una virtud de un defecto inicial del equipo. En este caso el generador de RF está orientado a verificar el funcionamiento de un sistema alertador. Todo alertador tiene como misión detectar, analizar y clasificar señales radar procedentes de diferentes emisores, luego si nuestro sistema emite la portadora junto a los armónicos, el sistema identificaría a 3 emisores diferentes. Una aplicación bastante interesante, siempre y cuando se quiera verificar como responde ante tres estímulos simultáneos. Evidentemente no podemos dejar que el sistema funcione únicamente de este modo, eso si, lo vamos a utilizar como complemento al resto de funciones. Por lo tanto hay que replantear de nuevo el diseño del conjunto, con el objeto de eliminar dichos armónicos, cuando no se deseen. Se introduce nuevos componentes de RF para separar estos dos modos de funcionamiento: Modo Multiemisión: generación de portadora y armónicos. Modo Monoemisión: generación de portadora y supresión de armónicos. Por un lado se introduce un acoplador direccional para obtener una muestra de la señal generada ( podría haberse utilizado un divisor) y así tener dos fuentes de la señal generada una más atenuada que la otra. La salida directa será utilizada en el modo Monoemisión y deberá eliminar posteriormente los armónicos, mientras que la salida acoplada será utilizada en modo Multiemisión y no eliminará los armónicos. También se incluye un filtro cuadruplexor, este componente tiene como misión filtrar y canalizar un ancho de banda determinado, es decir todas las componentes espectrales de 2 a 18 GHz serán filtradas por 4 filtros que están incluidos dentro del encapsulado con el nombre de filtro cuadruplexor. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 23

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar OSCILADOR YIG ATENUADOR 10 dB ACOPLADOR IN OUT 6 dB CUADRUPLEXOR SWITCH SP5T AMPLIFICADOR RF BANDA 1 P1 P2 ATENUADOR 20 dB BANDA 2 COMUN P3 IN OUT P4 IN BANDA 3 P5 POTENCIA BANDA 4 Figura 3.4. Diagrama general del modulo de RF excepto antena Las distintas sub-bandas están dividas del siguiente modo: Banda 1: la salida del filtro Paso-Bajo esta en el intervalo de 2 a 4 GHz Banda 2: la salida del filtro Paso-Banda esta en el intervalo de 4 a 8 GHz Banda 3: la salida del filtro Paso-Banda esta en el intervalo de 8 a 12 GHz Banda 4: la salida del filtro Paso-Alto esta en el intervalo de 12 a 18 GHz La razón de la canalización es obvia, evitar el segundo y tercer armónico producido por el oscilador YIG. Una vez que tenemos canalizada cada banda, el switch de RF debe de habilitar la entrada correspondiente a la banda de donde proceda la portadora quedando de este modo los armónicos fuera de la banda de emisión. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 24

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar Siendo los componentes del sistema de banda ancha (2-18 GHz): Oscilador YIG Atenuadores fijo Acoplador direccional de 6dB Filtro cuadruplexor (entrada) Switch SP5T Amplificador Antena de bocina Excepto las salidas del filtro cuadruplexor, se ha dejado un entrada del switch destinada a trabajar con toda la banda de trabajo de este modo aprovechamos los armónicos del oscilador YIG para convertir el generador en un sistema multiemisión. Las características de la multiemisión están limitadas a los múltiplos de la portadora principal generada (armónicos). AMPLIFICADOR IN OUT CABLE DE RF FLEXIBLE BOCINA RF POTENCIA Figura 3.5. Ultima etapa del generador de RF La última etapa corresponde a la salida del amplificador que entregará toda la potencia generada a la antena a través de una línea de transmisión, que es un cable de RF. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 25

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar 3.2 Descripción de componentes de RF 3.2.1 Introducción Los dispositivos de microondas utilizados en el modulo de RF son en definitiva circuitos de alta frecuencia formado por componentes discretos, líneas de transmisión en el caso de los circuitos pasivos y la inclusión de diodos y transistores polarizados por distintas tensiones para el caso de los dispositivos activos. Los circuitos pasivos de RF [3] utilizados en este sistema están caracterizados siempre suponiendo que su terminación [1] será Zo = 50 ohmios,de igual modo el generador que inyecta la señal tiene una impedancia Zg = Z o = 50 ohmios, y la matriz de parámetros S del dispositivo esta referenciada a Zo. Los circuitos activos de este sistema, como el amplificador, trabajan de un modo estable con una ganancia de potencia constante siempre que se trabaje en la zona lineal. Los diodos de igual modo, siempre que no se supere la potencia de entrada máxima, y exista una potencia mínima de entrada para su excitación trabajarán en la zona lineal. A continuación se va describir las características de cada uno de los componentes utilizados en el modulo de RF del GRP. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 26

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar 3.2.2 Oscilador YIG El funcionamiento se basa en que el material de ferrita resuena a la frecuencia de microondas cuando está inmenso en un campo magnético de corriente continua. Esta resonancia es directamente proporcional a la cantidad de campo aplicado siendo muy lineal. Esta linealidad le permite utilizarlo en aplicaciones de banda ancha, al poder funcionar en múltiples octavas. El campo magnético es generado utilizando materiales electromagnéticos, materiales que son magnéticos permanentemente o usando combinación de ambas tecnologías. El YIG (Yttrium Iron Garnet) [16] es un cristal con un factor Q muy elevado. El alto valor de Q hace que tenga un ruido de muy fase muy bajo, y además permite que un mismo dispositivo oscile en múltiples octavas, para conseguirlo con otros dispositivos sería necesario aunar las capacidades de varios elementos. La fabricación se realiza a partir de pequeños cubos no uniforme de material YIG, siendo esta no uniformidad lo que le permite que el circuito resuene. Todos estos pequeños cubos YIG, se meten dentro de un recipiente esférico. El tamaño de esta esfera varía entre 10 y 30 milímetros y está montada generalmente en el centro barra metálica curvada. Las razones de la composición de su estructura son las siguientes: La barra actúa como sintonizador para orientar la esfera YIG y que así resuene el circuito. Figura 3.6. Imagen de la ubicación de la esfera YIG. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación Conseguir un mejor rendimiento, manteniendo la temperatura constante, la barra es un conductor que proporciona calentamiento de dicha esfera YIG. 27

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar Para controlar y generar la corriente que creará campo magnético, existen tres tipos básicos de topología, utilizando: Transistor FET con puerta común, el drenador actúa como salida. Transistor bipolar con base común, siendo habitual en este tipo de configuración que el colector actúe como salida. Transistor FET con fuente común, en este caso por la puerta circulará la corriente, que proporcionalmente creará un campo magnético. La topología utilizada por el oscilador elegido es en puerta común, dado que es la que dispone de más ancho de banda. Figura 3.7. Topologías utilizadas para controlar el campo magnético. De todas las especificaciones que indica el fabricante, se han obviado las referentes a la fase porque no son de nuestro interés para esta aplicación. OSCILADOR YIG Frecuencia PDG min Incremento PDG Pmin 2ºArmonico Pmin 3ºArmonico Pmin Espureos = 2-18 GHz = +13 dBm = ± 3 dB = -12 dBc = -12 dBc = -60 dBc Figura 3.8. Esquema del oscilador YIG a nivel de RF Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 28

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar 3.2.3 Atenuadores Los atenuadores son redes resistivas puras o bien filtros LC que introducen perdidas de inserción definidas entre los elementos que se introducen. En nuestro caso es un elemento que se vende ya conectorizado SMA [19]y existen multitud de fabricantes con características similares, hemos elegido la marca Mini-Circuits por la variedad que dispone en valores de atenuación. Lo destacable de estos elementos, sobre todo cuando se trabaja en banda ancha, en nuestro caso de 2-18 GHz, es que sea lo más uniforme posible en todo el margen de trabajo, y con unas perdidas por retorno bajas (ROE). ATENUADOR 10 dB Figura 3.9. El atenuador es considerado un elemento pasivo de 2 puertas Frecuencia Mhz 2000,00 4000,00 6000,00 8000,00 10000,00 12000,00 14000,00 16000,00 18000,00 Atenuación (dB) Media 9,95 9,99 10,01 10,05 10,12 10,18 9,97 9,97 10,04 Desviación 0,02 0,01 0,01 0,01 0,03 0,10 0,15 0,18 0,21 VSWR Media 1,03 1,04 1,06 1,05 1,10 1,10 1,16 1,22 1,19 Desviación 0,00 0,00 0,01 0,01 0,02 0,03 0,04 0,04 0,04 Se muestra en la tabla anterior los valores para un atenuador de valor nominal 10 dB, ofrecida por el fabricante Los valores están definidos sólo para frecuencias discretas dentro de toda la banda de trabajo. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 29

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar Para un valor de atenuación nominal de 20 dB, la tabla adjunta es distinta, no sólo por el valor nominal, sino también por las diferencias de ROE y perdidas de inserción. ATENUADOR 20 dB Figura 3.10. El atenuador es considerado un elemento pasivo de 2 puertas. Frecuencia Mhz 2000,00 4000,00 6000,00 8000,00 10000,00 12000,00 14000,00 16000,00 18000,00 Atenuación (dB) Media 19,64 19,67 19,71 19,80 19,81 19,81 20,06 20,17 20,30 Desviación 0,07 0,08 0,09 0,13 0,14 0,16 0,26 0,29 0,32 VSWR Media 1,01 1,02 1,03 1,05 1,06 1,05 1,06 1,10 1,11 Desviación 0,00 0,00 0,00 0,01 0,01 0,01 0,00 0,00 0,01 Los valores están definidos sólo para frecuencias discretas dentro de toda la banda de trabajo, al igual que para el atenuador de 10 dB. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 30

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar 3.2.4 Acoplador direccional de 6 dB Este dispositivo esta fabricado con líneas microstrip lo cual limita su rango de frecuencias a 18 GHz,, se ha elegido un modelo de la marca Narda [13]por sus bajas perdidas.Dispone de cuatro puertas de acceso, aunque una de ellas en concreto la menos privilegiada no se utiliza. Se ha utilizado como puerta de entrada la puerta directa y la puerta acoplada con 6 dB menos que la directa. La potencia que estamos inyectando por la puerta de entrada sale por la puerta directa atenuada solamente por las perdidas de inserción del componente. Por ello a la hora de elegir un componente se ha buscando que tuviera un perdidas de inserción mínimas dentro de la banda de trabajo, considerando que es un dispositivo de banda ancha. ACOPLADOR DIRECCIONAL 6dB Especificaciones del acoplador direccional de 6 dB: Frecuencia = 2-18 GHz = 6 dB Acoplamiento Directividad 2-12.4GHz = 15 dB Directividad 12.4-18GHz = 12 dB = 2 dB L. inserción MAX = 1.5 dB VSWR MAX Figura 3.11. El acoplador direccional es considerado un elemento pasivo de 4 puertas. Otra característica muy importante es que el dispositivo consiga que las perdidas por reflexión en cada una de las entradas sea mínimas para ello el valor de VSWR debe ser mínimo idealmente una relación de 1:1. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 31

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar 3.2.5 Filtro cuadruplexor Este componente está compuesto por la suma cuatro filtros integrados en un mismo encapsulado y que se distribuyen a través de las 4 puertas de salida que tiene, sin embargo como todo filtro sólo tiene una puerta de entrada. La particularidad de este filtro radica en el uso de sistemas donde sea necesario una canalización. Es decir este dispositivo [33]es el equivalente a un divisor de 4 salidas, salvo que la potencia en cada una de las salidas no es 6 dB menos, sino solamente 1.5, el motivo es que no existe potencia en todas las puertas simultáneamente, sino sólo en 1, la correspondiente a la banda de trabajo utilizada. FILTRO CUADRUPLEXOR 2-18 GHz 2-4 GHz 4-8 GHz 8-12 GHz 12-18 GHz Todo esto permite canalizar toda la banda de trabajo, que en nuestro caso es de 2-18 GHz, en 4 sub-bandas. Especificaciones cuadruplexor: Frecuencia Aislamiento Puerta 1 Puerta 2 Puerta 3 Puerta 4 Puerta 5 L. ins. M AX VSWR MAX del filtro = 2-18 GHz > 60 dB = 2 - 18 GHz = 2 - 4 GHz = 4 - 8 GHz = 8 - 12 GHz = 12 - 18 GHz < 1.5 dB = 1.5 Figura 3.12 El filtro cuadruplexor se encarga de canalizar toda la banda de trabajo en cuatro sub-bandas. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 32

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar 3.2.6 Switch de RF SP5T Se ha utilizado un switch a diodo pin de la marca Sierra Microwave [20] por su relación calidad-precio. Este dispositivo es capaz de utilizarse como conmutador para el control de la señal de radiofrecuencia. Dependiendo del número de señales que controle tendrá una siglas, clasificándose del siguiente modo: SPST (single): Este componente tiene una sola puerta de entrada y otra de salida. SPDT (double): Con este nombre hacemos referencia a los conmutadores, dispone de una puerta de entrada y dos de salida o 1 de salida y dos entrada siempre que el dispositivo sea bidireccional. SP3T (3): Este tipo de conmutadores se caracteriza por disponer de 3 puertas seleccionables, dispone de una puerta de entrada y tres de salida o 1 de salida y 3 de entrada siempre que el dispositivo sea bidireccional. SP4T (4): Este modelo hace referencia a los conmutadores de 4 puertas seleccionables el funcionamiento es análogo a los anteriores. SP5T (5): Con este otro nombre se caracteriza el componente seleccionado debido a que dispone de 5 entradas y 1 salida. El motivo es que tenemos que extraer la señal procedente de 5 fuentes distintas, cuatro de ellas procedentes del filtro cuadruplexor (cuatro sub-bandas) y la otra procedente de la salida acoplada que entrega toda la banda completa. Este elemento necesita alimentación para su funcionamiento además de un señales de control que permitirán habilitar cada una de las puertas siguiendo un tabla de verdad entregada por el fabricante. El siguiente paso a la hora de elegir un switch es requerir que funcione dentro de la banda de trabajo, en nuestro caso no funciona de 2 a 18 GHz, sino que funciona de 0.5 a 18 Ghz, la razón es que se dispone de un stock mayor en el mercado lo que permite obtener un precio más bajo, esto no supone ningún problema porque no vamos a generar señales por debajo de 2 GHz. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 33

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar Las especificaciones del switch de RF SP5T son las siguientes: P1 SWITCH SP5T P2 P4 P5 = 0.5 -18 > 60 dB L. inserción 0.5 - 4GHz L. inserción 4 8 GHz L. inserción 8 12GHz L. inserción 12 18GHz = 2.1 dB = 2.7 dB = 2.8 dB = 3.7 dB VSWR 05 P0 Frecuencia (Ghz) Aislamiento P3 = 2.01 18GHz MAX Figura 3.13. El switch SP5T dispone de 5 entradas y una salida de RF. Al igual que el resto de dispositivos de RF tiene todas sus puertas con impedancia referenciada a 50 ohmios, el valor VSWR debe de ser el menor posible, en este caso el fabricante indica un valor máximo sin especificar en que sub-banda de trabajo (0.518GHz) se comporta peor aunque evidentemente podemos suponer que a medida que aumentamos la frecuencia aumenta la desadaptación por lo que también aumentará las perdidas por inserción Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 34

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar 3.2.7 Amplificador de salida de RF Se ha elegido un amplificador de la marca Narda [14] para disponer de una etapa final de potencia constante en un amplio ancho de banda (2-18GHz), en este caso la potencia de salida no es una potencia muy elevada en comparación con otras aplicaciones (comunicaciones por satélite, Emisores Radar) donde la potencia puede ser de decenas o miles de watios. En nuestro caso la potencia de salida es de tan sólo medio watio, el motivo es que la distancia de trabajo se reduce a unas pocas decenas de metros, y el equipo receptor que vamos a verificar tiene una gran sensibilidad porque está preparado detectar señales lejanas. La potencia de salida está limitada por el punto de compresión, siendo la ganancia constante en la banda de trabajo, deberemos ajustar mediante un atenuador la potencia de entrada al amplificador de este modo conseguimos que el amplificador trabaje en el limite del punto de compresión y así aprovechar de un modo más eficiente las características del amplificador. AMPLIFICADOR RF IN OUT POTENCIA Especificaciones del amplificador: Frecuencia = 2 -18 GHz = 30 dB Ganancia mínima Punto de compresión= +27 dBm Producto I. 3er orden = +35 dBm = 2.0 VSWR(IN) MAX VSWR(OUT) MAX = 2.0 Figura 3.14. El amplificador de RF es considerado un elemento de RF de 2 puertas. Haciendo trabajar al amplificador dentro de la zona lineal se evitará que se produzcan productos de intermodulación, por ello debe trabajar al final de la zona lineal pero justo antes del punto de compresión. Evidentemente el amplificador debe ser de banda ancha (2-18Ghz). Como todo dispositivo de RF las perdidas por retorno deben ser las mínimas fijando el fabricante el valor máximo de ROE en toda la banda de trabajo. Ángel Luis López Zaballos I.T.T. Sistemas de Telecomunicación 35

Trabajo fin de carrera Diseño de un generador de RF programable para la verificación sistemas alertadores radar 3.2.8 Antena de bocina de banda ancha Dado que el generador de RF está orientado a verificar alertadores que trabajan en banda ancha, la antena [15] debe tener la capacidad de radiar ondas electromagnéticas en todo el ancho de banda del alertador, manteniendo una ganancia media en toda la banda suficiente para excitar al alertador. Este es el caso de la antena del fabricante BAE SYSTEM. Especificaciones de la antena de bocina: Rango de frecuencia = 2 -18 GHz Ganancia media isótropa = 11 dBi = 2.5 VSWR TYP Figura 3.15. Antena de bocina Las antenas de ranuras son elementos que poseen anchos de banda pequeños pero pero si se agrandan mediante abocinamientos se consiguen anchos de banda grandes. Incrementar más dicha banda de trabajo de una bocina se consigue introduciendo longitudinalmente

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