Tesis doctoral
| Título | Aplicaciones avanzadas de la técnica de seis puertos a frecuencias ópticas y de microondas |
| Estado | Finalizado |
| Autor | Pablo Eduardo Pérez Lara |
| Director/es | Gonzalo Wangüemert Pérez , Íñigo Molina Fernández |
| Universidad | Universidad de Málaga |
| Centro | Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación |
| Departamento | Ingeniería de Comunicaciones |
| Fecha lectura | 22-10-2010 |
| Archivo |
Desde la década de 1970 la técnica de seis puertos se ha utilizado ampliamente en
laboratorios metrológicos para la medida de parámetros de scattering a frecuencias de microondas
y milimétricas. En el caso más sencillo de un reflectómetro de seis puertos, el instrumento consta
de un circuito pasivo six-port y cuatro detectores de potencia. El coeficiente de reflexión complejo
del dispositivo bajo prueba se halla con precisión a partir de las cuatro lecturas de potencia por
medio de robustos procedimientos matemáticos. Las principales ventajas de este sistema se
encuentran en la simplicidad y bajo coste del hardware necesario, cuyas imperfecciones se pueden
compensar mediante sofisticados algoritmos de calibración. Esta Tesis Doctoral se divide en dos
partes distintas, donde se estudian las aplicaciones de esta tecnología en i) analizadores de redes
ópticos y ii) receptores de bajo coste para comunicaciones inalámbricas.
En cuanto a la primera parte de la Tesis, dedicada a aplicaciones en el ámbito de la
fotónica, conviene resaltar que los métodos actualmente disponibles para la caracterización de la
respuesta en amplitud y retardo de grupo de dispositivos ópticos persiguen un compromiso entre
parámetros como el alcance, la resolución (espacial y espectral), la velocidad, la exactitud y el
rango dinámico de medida. Sin embargo, entre todos ellos sobresale la reflectometría óptica
coherente en el dominio de la frecuencia (C-OFDR), dado que satisface aceptablemente los
requisitos de la mayoría de las aplicaciones habituales.
Tanto el alcance como la sensibilidad de medida de los sistemas C-OFDR están limitados
por: i) el ruido de fase de la fuente láser sintonizable; ii) las no linealidades del barrido de
longitudes de onda y iii) las imprecisiones en los instantes de muestreo de los interferogramas. Si
bien las técnicas de diversidad de fase disponen varios fotodetectores en el montaje de medida para
paliar este problema, lo cierto es que su efectividad está restringida por las imperfecciones del
hardware. Con el objeto de superar este obstáculo, en este trabajo se propone un novedoso método
C-OFDR con diversidad de fase para la caracterización de componentes fotónicos, que se basa en
el reflectómetro óptico de seis puertos. El instrumento se compone, esencialmente, de cuatro
IV
medidores de potencia óptica y un circuito fotónico six-port en tecnología integrada, que se ha
diseñado previamente en el seno del grupo de investigación. La principal aportación a frecuencias
ópticas de la Tesis consiste en el desarrollo de algoritmos convenientes para la calibración del
reflectómetro óptico, que minimizan la cantidad requerida tanto de interconexiones como de
cargas patrón. Gracias a estos algoritmos se reduce el impacto de las no idealidades del hardware
sobre el resultado de la medida, lo que redunda en una mejora de prestaciones frente al resto de
técnicas C-OFDR con diversidad de fase.
Con respecto a las arquitecturas de receptor inalámbrico de bajo coste, que se investigan
en la segunda parte de la Tesis, en el presente gozan de un éxito notable las topologías homodina y
low-I F , porque ofrecen una gran facilidad de integración monolítica en comparación con el
receptor heterodino tradicional. No obstante, el rendimiento de ambas propuestas se degrada
fuertemente por las no idealidades del demodulador en cuadratura. Es preciso destacar que tal
circuito resulta especialmente difícil de construir con exactitud cuando la frecuencia de
funcionamiento se adentra en el rango de las microondas y milimétricas. Por esta razón, en la
década de 1990 se planteó reemplazar dicho elemento por un demodulador multipuerto, cuyas no
idealidades se corrigen mediante calibración. Las desventajas de esta solución son un peor rango
dinámico de trabajo y una mayor vulnerabilidad ante los interferentes característicos de un entorno
inalámbrico.
Gran parte del esfuerzo investigador en el campo de los receptores multipuerto se ha
centrado en el desarrollo de métodos software de calibración y demodulación que sean aptos para
terminales de comunicaciones móviles. La clave para alcanzar este objetivo reside en sacrificar
parte de la capacidad de corrección de errores en aras de una mayor eficiencia computacional.
Como contrapartida, aumenta la sensibilidad del receptor a los defectos del hardware. En esta
Tesis se analiza esta relación por medio de simulaciones de tasa de error para dos técnicas
simplificadas de calibración muy populares. Los resultados de este estudio permiten especificar el
grado de imperfección del hardware tolerable para cumplir con los requisitos del sistema.
Otra importante línea de trabajo relacionada con esta clase de receptores se encuentra en la
implementación en tecnología integrada de demoduladores de banda ultra-ancha y bajo consumo
para transceptores multibanda. Hay que resaltar que las topologías tradicionales de receptor
multipuerto no son adecuadas para este propósito por dos razones: i) su ancho de banda de
funcionamiento no suele superar una o dos octavas y ii) una difícil integración monolítica a
frecuencias inferiores a los 6 GHz, donde se ubica la inmensa mayoría de los servicios de
radiocomunicación. En contraste con los circuitos clásicos, en esta Tesis se proponen dos nuevos
receptores multipuerto donde se sustituyen los detectores unipolares habituales por un esquema
V
diferencial de medida de potencia, que proporciona por sí solo un gran aislamiento OL-RF en todo
el rango de frecuencias de trabajo. El circuito pasivo multipuerto se compone de cuatro
desfasadores, que se pueden diseñar para obtener prestaciones de funcionamiento aceptables en un
ancho de banda teórico de hasta una década. A fin de demostrar la viabilidad de este enfoque se
han construido y caracterizado dos prototipos.
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