Desarrollo de una antena banda ancha para sistemas de navegación por satélite

Abstract

Este Trabajo Fin de Grado trata sobre las implementaciones de mejoras al sistema diseñado como continuación del proyecto “Diseño de antenas para estaciones de GPS mediante parametrización de las corrugaciones de choke” [1]. Estas mejoras pasan por el diseño e implementación de un nuevo elemento radiante que cubra todas las bandas de los sistemas GNSS actuales y futuros, y la definición de una alimentación para polarización circular más apropiada para mejorar la relación axial de la antena. El objetivo principal de ese proyecto es implementar un sistema capaz de recibir las señales de las bandas comprendidas entre las frecuencias de 1.15 – 1.65 GHz, por medio de sistemas con estructuras de chokes 3D para la eliminación de los efectos multi-trayecto1 y ondas de bajo nivel de incidencia sobre la estructura. El sistema de antena de referencia anterior para GPS ha sido diseñado con una estructura de chokes 3D y un parche circular apilado con polarización circular a derechas, (RHCP). Por tanto, en este trabajo de fin de grado se busca la mejora de dicho parche para obtener un ancho de banda mayor comprendido entre 1.15 – 1.65 GHz, para las señales L1, L2, L5, E1, E2, E3, E4, E5 Y E6. Por lo anterior, es necesaria la optimización del ancho de banda y de su ancho de haz en el diagrama de radiación mediante la parametrización de los elementos finales que componen el parche. Intentando mejorar también la disminución del rizado en el centro de fase, obteniendo un centro de fase estable, y con ello la mejora de la ubicación en los diferentes sistemas de navegación. Los pasos seguidos en esta memoria son: en primer lugar, la explicación de los diferentes conceptos necesarios para el estudio y realización del sistema final, entre los que se comprende cada uno de los conceptos de antenas y el concepto de chokes 3D junto con las mejoras que presta esta estructura al sistema. En segundo lugar, realizar la búsqueda y estudiar los elementos capaces de cumplir con los requisitos, donde se ha obtenido un elemento de parche circular diseñado por los autores en el documento [1]. Este elemento se implementa con las condiciones creadas por el autor, y una vez visualizada la respuesta final se buscan las modificaciones necesarias para terminar de cumplir con los requisitos. Estas modificaciones son la introducción de cuatro coaxiales para la implementación de un sistema con polarización circular a derechas. En tercer lugar, tras diseñar este primer parche se estudia y se diseñan diversos elementos capaces de mejorar la respuesta en los parámetros S11, del diagrama de radiación y sobre todo la mejora del centro de fase final, el cual es necesario que sea estable para una correcta obtención de la ubicación final en los sistemas de navegación. Estas modificaciones hacen obtener un elemento radiante compuesto por un parche simple con dipolos parásitos apilados capaces de mejorar dicho centro de fase. Finalmente, tras la implementación de dicho parche con las características mencionadas se implementa el sistema final compuesto por el parche y la estructura de chokes 3D, nombrada anteriormente, para el estudio final de las soluciones y visualización de las posibles líneas futuras de investigación con el objetivo de mejorar los sistemas de navegación por satélite

This bachelor thesis is about the improvement of a system “Antennas design for GPS stations through parametrization of choke corrugations”. [1] These improvements include the design and implementation of a new radiant element that covers all bands of current and future GNSS systems. And define the new circular polarization feed to improve the axial ratio of the antenna. The aim of this work is to implement a system which receives some of the signal existing in GNSS systems, with frequencies in the range between 1.15 to 1.65 GHz. This goal is achieved through a structure of 3D Chokes. The structure 3D Chokes can regulate multipath effects and low-level waves that fall upon the structure to improve bandwidth and phase center. The structure has been implemented with 3D chokes and a staked circular patch with right circular polarization. As part of enhancement proposal from 2015-16 project, this improvement consists on increasing the bandwidth range to capture the signal´s, L1, L2, L5, E1, E2, E3, E4, E5, E6, in some frequencies between 1.15 to 1.65 GHz. The aim is to optimize the bandwidth and beamwidth in the radiation diagram by modifying the parameters of all the elements included in the radiation patch. Also, another improvements are to decrease the ripple in the phase center and achieving a satisfactory localization in the satellite navigation system by enhancing the stability of the phase center. The steps followed in this bachelor thesis are first, the explanation of concepts about antennas for good understanding and background, including the concept of 3D chokes and the improvements that it brings to previous proposed 2D solutions. And second, the explanation of radiant elements needed to meet the required specifications. Secondly, the initial analysis and this study chose to apply a circular patch as the final case of study, fully proposed and designed by the creators of this thesis [1]. After implementing this patch, some modifications are needed to meet our requirements, such as the introduction of four coaxial elements to implement a circular polarization system. In third place after obtaining the circular polarization new elements capable of improving the characteristics are mentioned. The modifications are a circular patch staked and dipoles parasites to meet a improve in a phase center. The next step after the first patch is designed, few new elements are studied and designed. These elements are capable of improving the S parameters response and the radiation diagram, enhancing mostly the final phase center of the Navigation systems. These improvements are built by inserting a stacked patch and parasite dipoles both capable of improving the phase center. Finally, after the final radiant element is finished, the last step is done. This step consists in the implementation of the radiant element together with the structure of 3D chokes. After visualizing the results, we proceed to the extraction of the conclusions and the possible improvements to be made in the future time