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Tecnologías de la información: Diseño De Un Medidor De Parámetros Eléctricos
De Antenas Basados En Radio Definida Por Software (SDR) Utilizando USRP
2944R.
Kevin Toapanta
1
; Geremy Novoa
2
; Erika Silva
3
; Jorge Yaulema
4
1
Tecnológico Universitario Vida Nueva – Campus Norte – Carrera de Tecnología Superior en Desarrollo de Software, Quito – Ecuador
2 Tecnológico Universitario Vida Nueva – Campus Norte – Carrera de Tecnología Superior en Electromecánica, Quito – Ecuador
3 Tecnológico Universitario Vida Nueva – Campus Norte – Carrera de Tecnología Superior en Mecánica Industrial, Quito – Ecuador
4 Escuela Politécnica del Chimborazo - Facultad de Ciencias – Carrera de Bioquímica y Farmacia, Riobamba – Ecuador
Resumen: En la actualidad la tecnología de SDR está en constante evolución siendo una plataforma
para un sinnúmero de aplicaciones especialmente en el área de las telecomunicaciones. Los sistemas de
comunicaciones físicos de las diferentes tecnologías de comunicaciones se han vistos reducidas a
sencillos módulos que son programables por software, como: GNU radio, Labview Communication; ya
que no se limitan a un solo esquema de modulación, ancho de banda, o frecuencias a la cual van a operar.
Esto implica la reducción de costos al tener un equipo que se pueda actualizar por software en vez de
tener varios equipos de diferentes tecnologías para un determinado uso (Gonzalez, 2019).
El presente trabajo se describe el diseño e implementación de un módulo medidor de parámetros
eléctricos de las antenas, empleado tecnología SDR mediante los USRP 2944R de National Instrument.
Los mismos que fueron programados en Labview Communication con el objetivo de evaluar los
parámetros de rendimiento de diferentes antenas en la frecuencia de 5GHz como: Patrón de Radiación,
Ancho de Haz, Directividad Ancho de Banda, Impedancia Característica, Ganancia, Polarización,
Eficiencia de Radiación, VSWR entre otros. El prototipo trabaja para la banda de 5GHz, está formado
por un equipo transmisor USRP 2499R que incorpora una base para fijación para las antenas Yagi y
dipolo y un receptor USRP 2944R constituido una antena tipo parche montada sobre una estructura
giratoria controlada a través de Arduino para el control de motor a pasos. Con la finalidad de recibir los
niveles de radiación que emite la antena transmisora para ser procesados y esquematizar los parámetros
de las antenas de estudio.
Palabras clave: dipolo, patrón de radiación, parámetros de dispersión, USRP, VSWR, Yagi.
Information Technologies: Design of an Electrical Parameter Meter for Antennas
Based on Software Defined Radio (SDR) Using USRP 2944R.
Abstract: Currently, SDR technology is constantly evolving and is a platform for countless applications,
especially in the area of telecommunications. The physical communications systems of the different
communications technologies have been reduced to simple modules that are programmable by software,
such as GNU radio, Labview Communication; since they are not limited to a single modulation scheme,
bandwidth, or frequencies at which they will operate. This implies cost reduction by having an
equipment that can be updated by software instead of having several equipment of different technologies
for a certain use (Gonzalez, 2019). The present work describes the design and implementation of a
module to measure the electrical parameters of the antennas, using SDR technology by means of the
USRP 2944R of National Instrument. The same that were programmed in Labview
Communication in order to evaluate the performance parameters of different antennas in the 5GHz
frequency such as: Radiation Pattern, Beamwidth, Bandwidth Directivity, Characteristic Impedance,
Gain, Polarization, Radiation Efficiency, VSWR among others. The prototype works for the 5GHz band,
consists of a USRP 2499R transmitter equipment that incorporates a base for fixing the Yagui and dipole
antennas and a USRP 2944R receiver consisting of a patch antenna mounted on a rotating structure
controlled through Arduino for stepper motor control. To capture the levels of radiation signals emitted
by the transmitting antenna which are necessary to scheme the parameters of the study antennas.
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1. INTRODUCCIÓN
En el capítulo I se detalla el problema de
investigación, el planteamiento del problema, 16
los objetivos, la justificación que motivaron a que
se realice este proyecto. En el capítulo II se
describe los aspectos teóricos sobre los
parámetros eléctricos de las características de
funcionamiento de: USRP, SDR simuladores
ANSYS y Lab-VIEW NXG.
El capítulo III contiene el diseño y simulación de
las antenas Dipolo y Yagi en el software de
simulación ANSYS HFSS. Además de la
estructura de programación en LabVIEW NXG
para establecer la comunicación con el USRP
2944 y el Arduino y por último la obtención de los
parámetros eléctricos de las antenas de estudio.
En el capítulo IV se realiza la prueba de
funcionamiento y el análisis de los datos
obtenidos y por último se presentan las
conclusiones y recomendaciones del proyecto.
2. METODOLOGÍA
2.1. DISEÑO Y SIMULACIÓN DE ANTENAS
En la figura 1 (a) se observa la antena Yagi de 3
elementos construidos con material de Cu (cobre),
que están sobre una base grilón, adicional esta
soportada con un cable coaxial rígido. En la figura
10 (b) se tiene a la antena Dipolo construida de
material de Cu soldado a un conector SMA e
incrustada a una base de grilón.
2.2. Diseño de la antena dipolo y Yagi de 3
elementos
Se utiliza el software de simulación ANSYS
HFSS para la simulación de las antenas
propuestas donde se observa y se analiza el
comportamiento de los campos eléctricos y
magnéticos, con la finalidad de analizar los
parámetros eléctricos en la región lejana de las
antenas propuestas.
2.2.1 Diseño de la antena dipolo
En la figura 2 se observa el diseño de una antena
dipolo de media onda, cada brazo tienen una
longitud de (
𝜆
) con un radio (
𝑅𝑎𝑑
) y una longitud
de separación del puerto 4 donde la antena recibe
la alimentación (
𝐺𝑎𝑝
).
2.3. Conexión USRP 2944R y Labview NXG
Algunos de los componentes que se utilizan para
este proyecto se pueden visualizar en la figura 3 y
se detallan a continuación:
En esta sección se explicará el diseño del módulo
medidor de parámetros de antenas. En la figura 4
se presenta el diagrama de bloques de la estructura
del prototipo para la medición de parámetros de
las antenas.
Bloque de transmisión.
Bloque de recepción.
Interfaces para el sistema de graficación de
diagrama de radiación mediante LabVIEW NXG.
Controlador del posicionamiento de antena
utilizando un motor a pasos.
Diagrama de flujo de codificación en Arduino.
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2.3.1 Bloque de Transmisión
La señal que se emite en la antena del bloque
transmisor esta subida en frecuencia de 5 GHz. Se
realiza una codificación en LabVIEW NXG para
la conexión con el USRP 2944R mediante el serial
que será el anebulo mismo que conecta el channel
y esta toma en cuenta la referencia de la antena, el
equipo mantiene un lugar de reset y también
cuenta con un properties que identifica el canal
activo, el cual verifica el error y los grados que
tiene que girar el motor a pasos como se presenta
en la figura 5.
2.3.2 Bloque de Recepción
Este bloque está formado por una PC instalada
LabVIEW NXG y el USRP 2944R que se conecta
con una interfaz PCIex. Y desde la interfaz de
LabVIEW NXG se controla la placa giratoria de
las antenas de transmisión.
Para la codificación final en LabVIEW NXG se
coloca dentro de un case una programación en
C++, para lo cual se toma el valor máximo del
lóbulo principal del patrón de radiación, donde
mediante las fórmulas de Ancho de haz,
Directividad, Eficiencia, Factor de calidad,
Ganancia y Ancho de banda descritas
anteriormente se realiza un bucle for, que a partir
de cada fórmula se deriva el valor de la otra y así
sucesivamente como se muestra en la figura 6.
Se realiza 3 bucles secuenciales en LabVIEW
NXG el primero es una codificación que saca la
media del patrón de radiación a partir de la
primera vuelta de motor a pasos y su regreso.
Después en el segundo bloque se realiza la
normalización del patrón de radiación, y en el
último se promedia los valores ida y vuelta de las
antenas en el motor a pasos de 0 y 360 grados esto
nos ayuda a que cuando la antena de transmisión
no se encuentre apuntando en el centro de la
antena de recepción el patrón de radiación salga a
cualquier costado del punto inicial, sino que su
grafica salga en el centro como se muestra en la
figura 7.
Se realiza una lógica de toda la programación de
LabVIEW mediante un diagrama de bloques para
mayor entendimiento de todo lo tratado mediante
la figura 8.
2.3.3 Controlador del posicionador de la
antena de transmisión
Se empleó una placa giratoria de 360° para
graficar el patrón de radiación y obtener los
parámetros de las antenas transmisoras. Para el
control de posicionamiento al momento del giro
de la antena transmisora, se incorporó un Arduino
que se conecta mediante comunicación serial con
NI LabVIEW NGX, el Arduino a su vez controla
el giro de un motor a pasos bipolar mediante el
driver A4988 como observa en la figura 9. El
control de posición está compuesto por un
Arduino Mega 2560, un driver A4988 y un motor
de pasos bipolar, como se muestra en la figura 9.
En cuanto al módulo empleado es el 4988 o motor
a pasos identifica la variación de pasos tomando
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los datos de la posición en que se encuentra un
objeto. Y para controlar el motor se emplea una
codificación en Arduino. El mismo que con un
solo pin da pasos con un flanco de subida y flanco
de bajada. Otro punto es la conexión de equipos
que se puede emplear por medio de la
comunicación serial empleando Arduino y
Proteus.
2.3.4 Lógica de la codificación en Arduino
La lógica de control programa de Arduino se
muestra en el seudocódigo de la figura 10.
Lo que se busca con Arduino es controlar el giro
del motor y a su vez sincronizar el paso dado con
LabVIEW para tomar muestras del espectro de
potencia medido y de esta manera obtener puntos
del tipo (X, Y) donde X es el grado de giro e Y es
el valor medido del espectro de potencia en dB en
ese instante, y de esta manera almacenar los
puntos medidos para graficar el patrón de
radiación de las antenas y determinar a su vez los
parámetros de estas.
En LabVIEW es necesario establecer la
comunicación tanto para la USRP como para
Arduino (comunicación serial). Se muestra el
programa de transmisión desarrollado en
LabVIEW NGX, también se muestra la parte del
programa perteneciente a la comunicación con la
USRP y la parte del programa perteneciente a la
comunicación serial con Arduino en el receptor,
respectivamente.
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Diseño y Simulación de Antenas
Figura 1. (a) Antena Yagi de 3 elementos (b) Antena Dipolo.
Diseño de la antena dipolo
Figura 2. Variables de una antena dipolo que se modifican en el simulador.
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Conexión USRP 2944R y Labview NXG
Figura 3. Conexión de los USRP2944R (transmisor y receptor), a los computadores que con-tienen el software LabVIEW
NXG.
Sistema de Conexión
Figura 4. Sistema de conexiones completo para el funcionamiento del proyecto.
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Bloque de Transmisión
Figura 5. Conexión de los USRP2944R transmisor, a los computadores que contienen el software LabVIEW NXG.
Bloque de Recepción
Figura 6. Bloque de conexión del USRP 2944R con Labview NXG.
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Codificación final en LabVIEW NXG
Figura 7. Codificación de un bucle en C ++ utilizando las fórmulas de Ancho de haz, Directividad, Eficiencia, Factor de
calidad, Ganancia y Ancho de banda.
Bucle Secuencial
Figura 8. Bucle secuencial de 3 iteraciones media, normalización y promedio de los 200 pasos ida y vuelta del patrón de
radiación de la antena.
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Secuencia de Codificación
Figura 9. Secuencia de codificación insertada en LabVIEW NXG para el funcionamiento de una antena de recepción.
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Controlador del posicionador de la antena de transmisión
Figura 10. El sistema de control de posición permite al sistema hacer el giro de la antena para obtener el patrón de radiación
de una antena.
Lógica de la codificación en Arduino
Figura 10. Secuencia que sigue el Arduino en la programación insertada para su funcionamiento.
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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En este capítulo se compara los resultados de los
parámetros eléctricos de las antenas diseñas en el
software ANSYS HFSS con los resultados
experimentales obtenidos con los USRP2 944R a
una distancia entre 30 y 50 centímetros. Además,
se presenta la interfaz de control programada en
LabVIEW NXG.
3.1. Antena dipolo
Simulación ANSYS HFSS En la figura 11 se
visualiza el patrón de radiación de la antena
dipolo tomado en el software ANSYS HFSS,
donde se obtiene una ganancia de la antena
máxima de 2.1 dB en los extremos del contorno
codificados en una escala de color rojo, mientras
que los niveles más bajos de potencia se codifican
con la gama de colores verde y celeste y se ubican
en la parte más cercana a la antena indicando una
potencia reactiva de la antena.
3.1.1 Resultados experimentales con USRP
2944R
Primero se analizó la antena dipolo, esta fue
colocada en el módulo de la placa giratoria y la
antena Yagi como receptor en el módulo estático.
En la Figura 12 se muestra la plantilla de los datos
de los parámetros eléctricos de la antena dipolo a
una distancia de separación de 50 cm entre la
antena de transmisión y la de recepción.
En la Figura 13 se muestra la plantilla de los datos
de los parámetros eléctricos de la antena dipolo a
una distancia de separación de 30 cm entre la
antena de transmisión y la de recepción.
Los resultados muestran que hay una diferencia
en la ganancia de la antena dipo-lo de 44.10%
para 30 cm y 37.12% para 50 cm. Para un ancho
de banda se observa una diferencia significativa
entre la simulación y la parte experimental
aproximado del 99%. Respecto a la diferencia de
los valores de ganancia y el patrón de radiación
obtenidas por experimentación se deben a las
interferencias producidas por las vibraciones del
soporte giratorio. Otro factor para que no se tenga
una curva continua en el patrón de radiación es
que los datos obtenidos de los gráficos se van
uniendo punto a punto los valores y esto hace que
se observe una línea irregular.
3.2. Antena Yagi
En la figura 14 se visualiza el patrón de radiación
de la antena Yagi tomado en el software ANSYS
HFSS, donde se obtiene una ganancia de la antena
máxima de 8.6 dB en los extremos del lóbulo
principal codificado en una escala de color rojo,
mientras que los niveles más bajos de potencia se
codifican con la gama de colores verde y celeste
y se ubican en la parte más cercana a la antena
indicando una potencia reactiva de la antena. En
la parte posterior de la antena se observa una
pequeña área del lóbulo posterior que se codifica
con una mezcla del color rojo y amarillo.
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3.2.1 Resultados experimentales con USRP
2944R.
En la Figura 15 se muestra la plantilla de los datos
de los parámetros eléctricos de la antena Yagi a
una distancia de separación de 30 cm entre la
antena de transmisión y la de recepción.
En la Figura 16 se muestra la plantilla de los datos
de los parámetros eléctricos de la antena Yagi a
una distancia de separación de 50 cm entre la
antena de transmisión y la de recepción.
Como se observa las gráficas del patrón de
radiación de las figuras 21 y 25, no son similares,
entre la simulación del ANSYS HFSS y el
medidor de parámetros con el USRP 2944R. Se
presenta un lóbulo de máxima radiación en 0
grados con dos lóbulos laterales y un lóbulo
posterior. En su gráfica se observa niveles de
señales que varían considerablemente de una
posición a otra, por efecto de interferencias
producidas por las vibraciones del soporte
giratorio. Otro factor para que no se tenga una
curva continua es que los datos obtenidos se unen
punto a punto cada 1.8° y esto hace sé que se
observe gradas continuas.
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Antena Dipolo
Figura 11. Patrón de radiación de una antena dipolo.
Resultados experimentales con USRP 2944R
Figura 12. Plantilla con datos de los parámetros eléctricos de la antena dipolo.
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Resultados experimentales con USRP 2944R
Figura 13. Plantilla con datos de los parámetros eléctricos de la antena dipolo.
Antena Yagi
Figura 14. Patrón de radiación de una antena Yagui.
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Resultados experimentales con USRP 2944R
Figura 15. Plantilla con datos de los parámetros eléctricos de la antena Yagi.
Resultados experimentales con USRP 2944R.
Figura 16. Plantilla con datos de los parámetros eléctricos de la antena Yagi.
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4. CONCLUSIÓN
Los algoritmos del software LabVIEW NXG y el
hardware USRP 2944R, permitieron el
funcionamiento del medidor de parámetros
eléctricos de antenas Yagi y Dipolo; en la
ganancia, eficiencia no superan el 44.10%,
mientras que en la antena Yagi las medidas
superan el 27.9%. Los resultados muestran que
hay una diferencia en la ganancia de la antena
dipolo de 44.10% para 30 cm y 37.12% para 50
cm. Y para la antena Yagi hay una diferencia en
la ganancia para 30 cm de 279.07% y 61.39 %
para 50 cm esto es debido a la variación de
factores externos como: diseño de las antenas,
vibración del soporte.
En la parte experimental se llevó a cabo el
funcionamiento para el cálculo de parámetros de
antenas mediante el USRP2944R, como resultado
se obtuvo tomas de medidas de los niveles de
potencia que permiten graficar de los patrones de
radiación de las antenas y en base al máximo valor
de energía obtenida se realiza el proceso de la
obtención de los parámetros eléctricos.
Las antenas Yagi y dipolo que se construyeron en
la frecuencia de 5GHz, que fue-ron sometidas a
pruebas de campo en el medidor de parámetros de
antenas con el SDR USRP 2944R, presentan una
gráfica del patrón de radiación de la antena Dipolo
similar al obtenido en el ANSYS HFSS, con
ligeras variaciones en las tomas de medidas que
son efecto de interferencias causadas por el
movimiento del motor paso a paso que produce
vibraciones en la estructura giratoria. Mientras
que el patrón de radiación de la antena Yagi no es
similar comparando entre el ANSYS HFSS y el
módulo diseñado. Esta distorsión se debe al tipo
de construcción que se realizó, donde no existía
un perfecto alineamiento de los dipolos, reflector
y directores; también afecto los cortes en las
terminaciones de los elementos que con-forman la
antena y la suelda que se utilizó en la unión de los
terminales de los polos con el conector SMA, que
provocaron el alargamiento de los elementos de la
antena. Estas son las causas que no permitieron
una eficiencia de la antena Yagi del 99.22% que
se obtiene en el ANSYS HFSS.
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