Dy Ad A IB 2017 2 PEC2 SOL - PEC2 Diseño y aplicación de antenas PDF

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de Telecomunicación Estudios de Informática, Multimedia y TelecomunicaciónSolución de la PECTabla de respuestas a rellenar por el estudiante:PreguntaRespuesta correcta1 C2 D3 B4 A5 C6 A7 C8 D9 B10 D11 B12 D13 C14 -Respuestas justificadas ¿Cuántas celdas puede llegar a tener un problema en el que se ...

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M1.506 · Diseño y Aplicaciones de Antenas · PEC2 · 2017-2 · Master en Tecnologías de Telecomunicación Estudios de Informática, Multimedia y Telecomunicación

Solución de la PEC2 Tabla de respuestas a rellenar por el estudiante:

Pregunta

Respuesta correcta

1

C

2

D

3

B

4

A

5

C

6

A

7

C

8

D

9

B

10

D

11

B

12

D

13

C

14

-

Respuestas justificadas 1. ¿Cuántas celdas puede llegar a tener un problema en el que se desee simular una antena de telefonía móvil con una cabeza teniendo en cuenta que el tamaño de la celda es x=y= z=/10 y que se desea obtener resultados fiables en el margen de 600MHz a 3GHz? Asuma una cabeza cúbica de 20 cm de lado y que se incluye en un dominio cúbico de simulación de 0.5 metro de lado. a) Del orden de 100 b) Del orden de 1000 c) Del orden de 100000 d) Del orden de 1000000

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Justificación: El número de celdas se calcula a partir de la longitud de onda más pequeña pues es la más restrictiva por ser la más pequeña. Dado que la frecuencia máxima de simulación es de 3GHz, el tamaño de la celda es de 10 mm. Puesto que el dominio total es de 0.5metro de lado, el número de celdas teniendo en cuenta que x=/10 es de 50 x 50 x 50 dando como resultado 125000 de celdas. 2. En el problema del caso anterior, el hecho de doblar la frecuencia máxima de simulación, implica que el problema: a) Se doble en cuanto al número de celdas b) Se triplica en cuanto al número de celdas c) Se cuadriplica en cuanto al número de celdas d) Ninguna de las anteriores Justificación: El hecho de doblar la frecuencia, provoca que el tamaño de la celda se reduzca a x’=x/2, donde x es el tamaño para la frecuencia original. Por tanto, el problema presenta un tamaño de celdas de L3/x’3= 8·L3/x3, es decir, se multiplica por 23 el problema siendo ninguna de las anteriores la opción cierta. 3. Se desea simular mediante MoM una antena microstrip cuadrada sobre substrato r=7 de forma que opera en su modo fundamental a la frecuencia de 2GHz. Debido a que el plano de masa es infinito y que el parche se excita con una sonda coaxial de la cual se puede despreciar el número de celdas, ¿de qué tamaño aproximado es la matriz de impedancias si se decide mallar con un tamaño de celda de /10 en el medio? a) 10 x 10 b) 25 x 25 c) 49 x 49 d) Ninguna de las anteriores Justificación: El parche en su modo fundamental tiene unas dimensiones de 28.3 mm x 28.3 mm y dado que el tamaño de celda es de 5.6 mm, resulta en 5 x 5 celdas. Esto resulta en una matriz cuadrada de 25 x 25 pues la matriz de impedancias tiene en cuenta la interacción de una celda con ella misma y todas las demás. 4. Supongamos que se desea simular los diagramas un dipolo de banda ancha como el de la figura, para un conjunto de frecuencias tal que englobe el margen de frecuencias de [0.5·f0, 10·f0] siendo f0=900MHz y que se desean simular 10000 frecuencias en dicho margen. ¿Qué método es más rápido bajo unas condiciones de mallado similares y mismas prestaciones computacionales? a) FDTD b) MoM c) Los dos son similares porque 2

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d) No tiene sentido FDTD pues no puede simular los diagramas sobre la antena

Justificación: Como hay que simular 10000 frecuencias, en este caso el método FDTD es más rápido pues con una simulación mediante una excitación con un pulso de banda ancha es suficiente a pesar de que se tenga que mallar no únicamente el dipolo sino todo el volumen alrededor. En caso de que se quisiese simular pocas frecuencias, el método MoM podría ser más rápido. 5. Se dispone de un código MoM para simulación de antenas y se desea combinar con optimización mediante algoritmos genéticos, ¿qué opción es cierta? a) No es posible combinar ambos métodos b) Es posible únicamente si la antena presenta estructuras planas c) Es posible d) Es posible combinarlo pero únicamente es posible optimizar la impedancia de entrada Justificación: Es posible combinar dichos métodos. De hecho el algoritmo GA llama a MoM para que éste evalúe las prestaciones de cada individuo de la población. En base al resultado, la función de coste del GA tratará de ordenar los individuos de mejor a peor para posteriormente cruzar y mutar. No está limitado a impedancia de entrada pues cualquier parámetro que se pueda evaluar (directividad, eficiencia,…) por la función de coste permite combinar GA + MoM para la optimización de antenas. 6. Una empresa desea dimensionar las necesidades de un laboratorio para poder analizar antenas de telefonía móvil a fin de obtener parámetros como el SAR. ¿Qué opción es cierta? a) Es posible encontrar programas comerciales basados en FDTD que simulen el SAR 3

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b) No es posible simular el valor de SAR, ya que el parámetro SAR sólo puede ser medido c) Es posible encontrar programas comerciales basados en FDTD que simulen el SAR, pero se requiere una inversión en sistemas computacionales el coste de la cual lo hace inviable para una pequeña empresa d) Ninguna de las anteriores Justificación: Es posible encontrar programas comerciales basados en FDTD tal y como se menciona en los módulos de la asignatura. El problema puede abordarse con un ordenador convencional pues el número de celdas puede rondar los millones como se ha comentado en esta PEC.

7. Con el objetivo de simular el acoplo mutuo (S21) en un cierto margen frecuencial entre dos antenas parches microstrip tal y como indica la figura, ¿qué opción es cierta? a) Dado que se FDTD malla no únicamente los conductores sino además el espacio entre parches a diferencia del MoM, puede utilizarse FDTD pero no MoM b) Dado que FDTD trabaja en el dominio del tiempo, no puede obtenerse el S21 en función de la frecuencia c) Es posible utilizar tanto FDTD como MoM d) Ninguna de las anteriores

Feeding probe patch

Feeding probe

patch

1,1

Ground plane

Justificación: Mediante FDTD, al mallar todo el volumen parece intuitivo que pueda calcularse el acoplo mutuo, pues se dispone de información de los campos en todos los puntos del dominio. Con MoM, sin embargo, no es tan intuitivo. De todas formas, pensando en la esencia de MoM, hay que tener en cuenta que MoM es la resolución de una ecuación integral. Como es posible encontrar una expresión que vincule los campos al excitar un parche y los campos en el otro parche, puede plantearse una ecuación integral para analizar el problema. Dicha ecuación integral puede resolverse por ejemplo con el MoM. Es por tanto cierta la opción c. 4

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8. Se desea simular una guía de ondas en la cual hay un material que tiene una constante dieléctrica que depende de la posición del tipo r(z)=sin(z) donde z es la dirección de propagación de la onda dentro de la guía de ondas. ¿Qué opción es cierta? a) No puede simularse este escenario, únicamente medirse b) Puede simularse mediante FDTD si la variación de la permitividad no fuese en z c) Puede simularse mediante FDTD pero requiere un coste computacional muy elevado debido a una complicación excesiva de las ecuaciones espaciotemporales que conforman el método FDTD d) Ninguna de las anteriores Justificación: Como se ha demostrado, en FDTD es sencillo asignar a cada posición del espacio qué permitividad tiene. Por tanto, el problema radica más en asignar los valores de permitividad en cada punto del espacio que en complejidad numérica. 9. La empresa donde trabaja se dedica al diseño de antenas embarcadas en aviones. Está en fase de crecimiento y desea adquirir un programa de simulación electromagnética. Teniendo en cuenta tamaños de aviones comerciales y frecuencias de operación de las antenas en la banda de 2.4 a 2.5GHz, ¿qué opción escogería? a) Un programa de simulación electromagnética basado en FDTD b) Un programa de simulación electromagnética basado en MoM c) Cualquier programada basado en MoM y FDTD sería una buena opción d) No se pueden simular antenas embarcadas a dichas frecuencias Justificación: Dado que FDTD necesita mallar no sólo el avión sino un volumen mayor para tener información de campos cercanos y poder posteriormente encontrar campos lejanos, el número de celdas se dispara en este caso. Por ejemplo, asumiendo un volumen cúbico de 25 metros x 25 metros x 25 metros y dado que la longitud de onda menor es la referida a 2.5GHz, el número de celdas resultante es de 9x109 celdas lo cual necesita una memoria para almacenar los campos E y H en sus tres coordenadas espaciales mucho mayor que la memoria que necesita MoM.. 10. ¿Qué opción de las siguientes proporcionan los metamateriales y los hacen útiles para el diseño de antenas y circuitos de microondas? a) Permiten obtener materiales con 0 b) Permiten obtener materiales con >0 y >0 c) Permiten obtener materiales con >0 y ...