Técnicas de inteligencia computacional para el diseño robusto de dispositivos radiantes

La tesis doctoral propone una nueva estructura de antena adecuada para ser utilizada en las bandas de frecuencia donde se proveen los principales servicios de telefonía móvil, y su proceso de optimización posterior, empleando algoritmos de programación evolutiva. La creciente demanda de ofrecer servicios de datos de alta velocidad, ha generado la necesidad de incrementar el ancho de banda de las antenas empleadas. Los elementos radiantes empleados tradicionalmente en el sector de las comunicaciones inalámbricas, dadas sus reducidas dimensiones y los bajos niveles de tasa de absorción específica (SAR), son las conocidas antenas planares de F invertida y las antenas de parche. Uno de los principales inconvenientes en este tipo de dispositivos es su reducido ancho de banda lo que imposibilita su uso en las nuevas generaciones de telefonía móvil. No obstante, al combinar ambas antenas en una única estructura, el ancho de banda mejora notablemente, al mismo tiempo que sus dimensiones se ven reducidas considerablemente con respecto a su tamaño original. La tecnología en la que se han implementado estos dispositivos es una variante de las líneas microstrip, conocida como coplanar waveguide (CPW). El substrato empleado ha sido uno de reducido coste como es el FR4. Sin embargo, el comportamiento de este material empeora conforme aumenta la frecuencia. Para analizar los posibles efectos adversos que este comportamiento desfavorable puede provocar en nuestro prototipo, y dado que en torno a los 5.6GHz se encuentra la frecuencia de trabajo del servicio WIFI UNII, se ha realizado un estudio tanto teórico como práctico del comportamiento de la antena propuesta. El análisis teórico se ha llevado a cabo mediante la simulación del dispositivo empleando materiales con diferentes tangentes de perdidas. La parte experimental se ha realizado mediante la construcción y medida del prototipo con un material de altas prestaciones como es Ro4320. Tanto en el estudio teórico como en el experimental, los resultados obtenidos demuestran que el comportamiento de la antena no se ve afectado significativamente, por el empleo de un substrato de bajas prestaciones. La antena propuesta está formada a partir de la hibridación de una antena parche y una antena PIFA, alimentada de modo único mediante una línea CPW. Con anterioridad al proceso de optimización, y debido a la cantidad de parámetros que conforman la antena bajo estudio, es necesario conocer cuáles son los que debemos modificar para conseguir nuestro objetivo. Para ello se ha realizado un estudio paramétrico. Este estudio nos ha permitido determinar que son seis las variables: longitud (Lg) y anchura (Wg) del plano de masa, longitud (B) y anchura (A) del lado estrecho que conforma el plano de radiación de la antena PIFA, radio de la antena parche (ri) y radio de la circunferencia de separación entre el parche y el plano de masa (ro), que será necesario ajustar para conseguir incrementar el margen de frecuencias de funcionamiento. Además del proceso de hibridación, que dio lugar a la conformación del prototipo propuesto en esta tesis, ante la ausencia de un modelo equivalente que permita ajustar la respuesta conjunta de la antena, el empleo de las técnicas de inteligencia computacional va a permitir el proceso de optimización necesario para el ajuste de la respuesta en frecuencia de la antena. La respuesta de la programación evolutiva tras la optimización, ha dado lugar a un dispositivo capaz de dar servicio de voz y datos, al cubrir el margen de frecuencia definido para GSM, DCS, UMTS y WLAN, además de otros servicios inalámbricos como son GPS y Bluetooth que, por otro lado, se han convertido en usuales en los terminales de última generación. Con el objeto de comparar el rendimiento, y dado que el simulador empleado dispone de un modulo propio de optimización, se ha realizado este proceso mediante el empleo de una técnica clásica como es el método Nelder Mead Simplex. El principal inconveniente de este algoritmo, es que a pesar de ser un método bastante robusto, resulta inestable cuando se emplean más de cuatro variables. Atendiendo a los resultados obtenidos, se puede observar una mejora en el ancho de banda de la zona inferior, a costa de empeorar ligeramente el margen superior. Puesto que existe una interdependencia de las respuestas en ambas bandas, las modificaciones de las variables afectan a la respuesta conjunta. El criterio de optimización definible en simulador electromagnético no permite independizar o ponderar ambas respuestas. La inclusión de otros métodos exteriores permitirá estos ajustes. El empleo de la programación evolutiva para el proceso de optimización ha implicado elaborar una plataforma de comunicación entre el simulador empleado (CST Microwave Studio) y el programa en el que se encuentra implementado el algoritmo evolutivo. El proceso de optimización puede ser llevado a cabo mediante otras técnicas de inteligencia computacional, a través de esta plataforma de conexión del simulador con otros programas externos. Finalmente, la antena desarrollada posee unas dimensiones de 57 x 24 x 6 mm y consigue un ancho de banda a 10dB de pérdidas de retorno del 49% en la banda inferior (1800MHz) y 11.25% en la banda superior (5200MHz), con unos valores de ganancia de 3 y 4.2 dBi respectivamente.