Diseño y aplicaciones de antenas Código:  M1.606    :  5
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Este es el plan docente de la asignatura para el segundo semestre del curso 2023-2024. Podéis consultar si la asignatura se ofrece este semestre en el espacio del campus Más UOC / La universidad / Planes de estudios). Una vez empiece la docencia, tenéis que consultarlo en el aula. El plan docente puede estar sujeto a cambios.
En la asignatura Diseño y aplicaciones de antenas se profundiza en el estudio, diseño y fabricación de las antenas y sus posibles aplicaciones, así como de los equipos de software y medida de antenas. Teoría, fundamentos físico-matemáticos, diseño, análisis, métodos numéricos y aplicaciones prácticas son los ingredientes que conforman la asignatura, poniendo al alcance del estudiante una visión general de las aplicaciones más relevantes de las antenas en la sociedad actual.

Desde la primera antena diseñada por Heinrich R. Hertz en el año 1888 con la que demostraba la existencia de las ondas electromagnéticas postuladas por James C. Maxwell en 1865, el diseño de las antenas ha ido evolucionando. Se pasó de las primeras antenas de radiodifusión como las utilizadas por Guglielmo Marconi a antenas de radar embarcadas en aviones durante los albores de la revolución sin hilos. Con los avances en el campo computacional, los programas de simulación electromagnética han ido progresando y han permitido analizar antenas con geometrías cada vez más complejas, teniendo en cuenta además los materiales constituyentes, así como el entorno en el que se encuentran, como el cuerpo humano.

Una de las aplicaciones donde el éxito de la antena es extraordinario, es el de la telefonía móvil, que supera los mil millones de dispositivos cada año. Teniendo en cuenta que estos dispositivos están poblados de diversas antenas, la cifra del número de antenas es sorprendente. Por este motivo, la presente asignatura dedica el módulo “Tecnología de antenas para terminales móviles” a tratar el diseño y caracterización de antenas miniatura y multibanda para terminales móviles.

No solo en el campo de las antenas para terminales móviles sino en el campo de las antenas en general, es posible enfrentarse a problemas de diseño en los que intervienen numerosas variables. Imaginémonos, por ejemplo, el hecho de sintetizar un diagrama de radiación para que sea de una forma determinada a partir de la manipulación de las amplitudes, fases y distancias entre elementos de una agrupación. El problema puede abordarse mediante métodos analíticos, como el método de Fourier o Woodyard-Lawson por ejemplo, con las limitaciones inherentes. Una de ellas es que las amplitudes no están sujetas a restricciones y ello puede conllevar problemas a la hora de implementar una red de distribución. Existen alternativas que resuelven este y otros problemas, como los basados en métodos de optimización inspirados en la evolución natural de las especies propuesta por Charles Darwin, como es el caso de los algoritmos genéticos. Este método es tratado en el módulo “Optimización de antenas mediante algoritmos genéticos”, con el objetivo de entender el principio básico de funcionamiento y el campo de aplicación.

Con el aumento de la velocidad de computación y capacidad de memoria de los ordenadores, los métodos numéricos para la resolución de las ecuaciones de Maxwell han cobrado un protagonismo trascendental en las etapas de diseño de antena. Con el objetivo de entender las ventajas e idoneidad de dichos métodos, se presentan en el módulo “Métodos numéricos para la resoluciónCC-BY-NC-ND • PID_00175733 4 Diseño y aplicaciones de antenas de las ecuaciones de Maxwell” dos métodos ampliamente utilizados en la industria, como son el método de los momentos y el de las diferencias finitas en el dominio del tiempo.
Desde sus orígenes, las antenas estaban constituidas básicamente por conductores y dieléctricos. Bien conocido es el problema de tener antenas lineales eléctricamente cercanas a conductores eléctricos debido a una baja eficiencia en términos generales. Teóricamente, si dicho conductor eléctrico se sustituye por uno magnético, el problema se resuelve. Sin embargo, no existe en la naturaleza un conductor magnético.Afortunadamente, se puede sintetizar mediante estructuras periódicas entrando en el campo de lo que se conoce como metamateriales. Estos materiales sintéticos permiten, entre otros aspectos, diseñar conductores magnéticos en un cierto margen de frecuencias, conseguir índices de refracción negativos útiles para miniaturizar antenas y crear estructuras de banda prohibida para mitigar acoplamientos entre antenas. El módulo “Metamateriales” introduce los metamateriales de forma básica e ilustra el campo de aplicación.

Metodología de trabajo

La lectura de los módulos debe completarse con las referencias bibliográficas adjuntas. Es necesario además que se tengan consolidados los conceptos básicos de teoría de antenas, pues muchos de los conceptos nuevos introducidos en la presente asignatura están fundamentados en la teoría clásica. De forma general deben tenerse consolidados los siguientes conceptos: ondas planas, índice de refracción, ondas planas en medios materiales, velocidad de grupo y de fase, vector de Poynting, impedancia de entrada, eficiencia, directividad, polarización, diagramas de radiación, campo cercano y lejano, ecuaciones de Maxwell, ecuaciones de radiación, forma de radiación de antenas elementales como dipolos, ranuras y antenas microstrip, teoría de imágenes, adaptación de impedancias y teoría de agrupaciones.

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La asignatura Diseño y aplicaciones de antenas pertenece al conjunto de asignaturas propias del Máster de Ingeniería de Telecomunicación de la UOC. La naturaleza de sus contenidos es ciertamente heterogénea, pues combinan elementos pertenecientes a campos tales como la electrónica, el procesamiento signatura avanzada tanto del área de conocimiento relativa al procesamiento de señal y los sistemas de comunicaciones, como a la relativa a la electrónica aplicada a las comunicaciones.

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Teléfonos móviles, tabletas digitales, ordenadores con conexión wireless, headsets, libros electrónicos, edificios inteligentes, aparatos médicos wireless, cámaras wireless, son algunos ejemplos de nuestra realidad sin hilos. Esta realidad le está otorgando a la antena un protagonismo y una responsabilidad nunca pensada. Es por tanto necesario que un ingeniero de telecomunicación tenga nociones básicas conjugadas con algunas dosis más específicas de este elemento que constituye una parte esencial de los sistemas de comunicaciones actuales.

El contenido de la asignatura está enfocado tanto para aquellos ingenieros que se dedicarán al campo del diseño de antenas y circuitos de microondas como a aquellos en que la antena constituirá parte esencial de un sistema de comunicaciones.

En el primer caso, la asignatura cubre un vasto campo profesional que engloba no sólo el diseño de las antenas como tal sino también el diseño de software electromagnético encargado de facilitar el análisis frecuencial de las mismas, así como el diseño de circuitos de microondas principalmente enfocados a  realizar adaptación de impedancias. Diseñar antenas es una tarea compleja fuertemente dependiente del tipo de dispositivo y servicio al que va enfocada, de este modo dentro del propio diseño de antenas pueden distinguirse varios perfiles como diseñadores de antenas para estaciones base, de antenas de banda ancha, o de antenas para dispositivos móviles por citar algunos ejemplos. El perfil requerido para este tipo de ingenieros se basa en la creatividad con una base tecnológica/científica muy amplia que permita detectar carencias del mercado y dar soluciones a las mismas. Los ingenieros más creativos con amplios conocimientos científico/tecnológicos constituyen piezas clave en empresas de base tecnológica donde los activos de la empresa son además del producto, la propiedad intelectual que genera el desarrollo del mismo. En este campo, los ingenieros tienen el rol relevante de la creación del portfolio de patentes de la empresa en el papel de inventores de nuevas tecnologías y técnicas de antenas.

En el segundo caso, los conocimientos de antenas proporcionados en esta asignatura tienen como objetivo proporcionar al ingeniero de sistemas la capacidad de conocer y entender las características generales, ventajas y limitaciones de una antena con el fin de poder optimizar el sistema en base a estas limitaciones (ej: funcionamiento, integración, costes). Este punto constituye una parte enormemente transcendental en la cadena de un sistema de telecomunicación. Y es que las antenas, en su vertiente de producto, acarrean intrínsecamente otros aspectos que el ingeniero debe tener en cuenta: robustez y estabilidad mecánica, materiales ligeros con pocas pérdidas, costes competitivos, facilidad de integración, representan algunos de estos aspectos.

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Los conocimientos previos que conviene dominar antes de cursar Diseño y aplicaciones de antenas son los siguientes:

                  Competencias o Conocimientos previos                              Asignatura previa

       Introducción básica y general al mundo de las antenas y su                         Antenas

           utilización dentro de los sistemas de telecomunicación

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Cumplir los requisitos mínimos de matrícula de la asignatura Diseño y aplicaciones de antenas pasa por haber superado previamente la asignatura Antenas.

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Las competencias generales del Máster en las que se enmarca la asignatura son las siguientes:

      [15] Capacidad para desarrollar sistemas de radiocomunicaciones: diseño de antenas, equipos y subsistemas, modelado de canales, cálculo de enlaces y planificación.

      [16] Capacidad para implementar sistemas por cable, línea, satélite en entornos de comunicaciones fijas y móviles.

      [17] Capacidad para diseñar y dimensionar redes de transporte, difusión y distribución de señales multimedia.

Más concretamente, los objetivos fundamentales a adquirir por el estudiante que curse la asignatura son los siguientes:

      1. Adquirir una visión general del estado del arte en el diseño de antenas para terminales móviles.

      2. Entender los desafíos existentes en el campo.

      3. Conocer las prestaciones de los sistemas de medida para terminales móviles como cámaras anecoicas y reverberantes.

      4. Conocer las regulaciones SAR y HAC.

      5. Saber la utilidad de phantoms de cabeza y mano.

      6. Entender los parámetros pasivos y activos utilizados para caracterizar antenas de terminales móviles.

      7. Enlazar los conceptos de teoría de antenas con aplicaciones para el diseño de antenas miniatura y multibanda para terminales móviles.

      8. Comprender el principio de funcionamiento de un algoritmo genético (GA).

      9. Entender qué problemas de optimización puede resolver un GA.

      10. Conocer el uso de los conceptos de cruzamiento, mutación y elitismo.

      11. Conocer los diversos métodos numéricos para la resolución de las ecuaciones de Maxwell relacionados con el diseño de antenas y circuitos de microondas.

      12. Comprender el método de los momentos y el de diferencias finitas en el dominio del tiempo para la resolución de las ecuaciones de Maxwell.

      13. Conocer la idoneidad de cada método numérico y sus limitaciones.

      14. Disponer de la base suficiente para abordar actividades profesionales relacionadas con los métodos numéricos.

      15. Entender qué son los metamateriales.

      16. Conocer en qué campos se aplican los metamateriales.

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Módulo 1: Tecnología de antena para terminales móviles

En este módulo se da una visión general del estado del arte en el diseño de antenas para terminales móviles. Asimismo, se analizan los procedimientos de medida de los diferentes parámetros de una antena, se presentan diferentes tecnologías de caracterización pasiva y activa (cámaras anecoicas y de reverberación, SAR, PIMs, etc.) y se estudian los Phantoms hand/heads. Finalmente, se enlazan los conceptos de teoría de antenas con aplicaciones para el diseño de antenas miniatura y multibanda para terminales móviles.

Módulo 2: Optimización de antenas mediante algoritmos genéticos

En este módulo se describe la arquitectura de un algoritmo genético (GA) y se ilustra cómo utilizarlo. Tras lo cual, se trabaja una aplicación típica denominada "el problema del viajero" y se estudian ejemplos de aplicación de GA en la optimización del diseño de antenas.

Módulo 3: Métodos numéricos para la resolución de las ecuaciones de Maxwell

En este módulo se realiza una descripción de los métodos numéricos para la resolución de las ecuaciones de Maxwell y se detallan dos métodos de resolución de las ecuaciones de Maxwell de forma numérica (FDTD y MoM).

Módulo 4: Metamateriales

En este módulo se estudia el concepto y la definición de metamaterial (estructura periódica o cuasi-periódica fabricada con unas propiedades electromagnéticas controlables), se describen lo que se conoce como medios zurdos y se ilustran algunas aplicaciones de los metamateriales.

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- Lectura de artículos científicos del ámbito.

- Software MATLAB para ejercicios prácticos.

- Módulos de la asignatura Antenas (material complementario).

- Módulo 2 (Parámetros S) de la asignatura Circuitos de microondas (material complementario).

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El proceso de evaluación se fundamenta en el trabajo personal del estudiante y presupone la autenticidad de la autoría y la originalidad de los ejercicios realizados.

La falta de autenticidad en la autoría o de originalidad de las pruebas de evaluación; la copia o el plagio; el intento fraudulento de obtener un resultado académico mejor; la colaboración, el encubrimiento o el favorecimiento de la copia, o la utilización de material, software o dispositivos no autorizados durante la evaluación, entre otras, son conductas irregulares en la evaluación que pueden tener consecuencias académicas y disciplinarias graves.

Estas conductas irregulares pueden comportar el suspenso (D/0) en las actividades evaluables que se definan en el plan docente -incluidas las pruebas finales- o en la calificación final de la asignatura, sea porque se han utilizado materiales, software o dispositivos no autorizados durante las pruebas, como por ejemplo redes sociales o buscadores de información en internet, porque se han copiado fragmentos de texto de una fuente externa (internet, apuntes, libros, artículos, trabajos o pruebas de otros estudiantes, etc.) sin la citación correspondiente, o porque se ha llevado a cabo cualquier otra conducta irregular.

Así mismo, y de acuerdo con la normativa académica, las conductas irregulares en la evaluación también pueden dar lugar a la incoación de un procedimiento disciplinario y a la aplicación, si procede, de la sanción que corresponda, de conformidad con lo establecido en la normativa de convivencia de la UOC.

En el marco del proceso de evaluación, la UOC se reserva la potestad de:

  • Solicitar al estudiante que acredite su identidad según lo establecido en la normativa académica.
  • Solicitar al estudiante que acredite la autoría de su trabajo a lo largo de todo el proceso de evaluación, tanto evaluación continua como evaluación final, por medio de una prueba oral o los medios síncronos o asíncronos que establezca la universidad. Estos medios tendrán por objeto verificar los conocimientos y las competencias que garanticen la autoría; en ningún caso implicarán una segunda evaluación. Si no es posible garantizar la autoría del estudiante, la prueba será calificada con D, en el caso de la evaluación continua, o con un Suspenso, en el caso de la evaluación final.

    A estos efectos, la UOC puede exigir al estudiante el uso de un micrófono, una cámara u otras herramientas durante la evaluación; será responsabilidad del estudiante asegurar que tales dispositivos funcionan correctamente.

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Puedes superar la asignatura a través de dos vías:

  1. Con evaluación continua (EC) y una prueba de síntesis (PS):
    • Si superas la evaluación continua y en la prueba de síntesis obtienes la nota mínima necesaria, la nota final será la ponderación que se especifique en el plan docente.
    • Si superas la evaluación continua y en la prueba de síntesis no obtienes la nota mínima necesaria, la calificación final será la nota cuantitativa que obtengas en la prueba de síntesis.
    • Si superas la evaluación continua y no te presentas a la prueba de síntesis, la nota final será un No presentado.
    • Si suspendes la evaluación continua, la nota final será un No presentado.
    • Si no te presentas a la evaluación continua, la nota final será un No presentado.

  2. Con examen (para seguir esta vía no es necesario haber superado la evaluación continua para hacer el examen):
    • Si no has presentado la evaluación continua, la nota final será la calificación numérica obtenida en el examen.
    • Si en la evaluación continua has obtenido una nota distinta a un No presentado, la nota final será el cálculo más favorable entre la nota numérica del examen y la ponderación de la nota de la evaluación continua con la nota del examen, según lo establecido en el plan docente. Para aplicar este cálculo, es necesario obtener una nota mínima de 4 en el examen (si es inferior, la nota final de la asignatura será la calificación del examen).
    • Si no te presentas al examen, la calificación final será un No presentado.

 

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