Aplicaciones avanzadas de la tecnica de seis puertos a frecuencias opticas y de microondas

Resumen

TÍTULO DE LA TESIS: APLICACIONES AVANZADAS DE LA TÉCNICA DE SEIS PUERTOS A FRECUENCIAS ÓPTICAS Y DE MICROONDAS RESUMEN: 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; ¡i) 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 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 técnica 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-IF, 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 diferencial de medida de potencia, que proporciona por si 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.