Diseño de antena Fabry-Pérot para estimación cónica del ángulo de llegada en la banda de 5 GHz de Wi-Fi

Abstract

Los sistemas de posicionamiento global basados en constelaciones de satélites (GNSS), como el GPS, presentan una precisión habitual de unos pocos metros, lo cual es suficiente en multitud de aplicaciones y ha permitido su desarrollo comercial. Sin embargo, presentan limitaciones en entornos donde no alcanza la señal de los satélites y en aplicaciones que se requiere mayor precisión. En el caso de aterrizaje autónomo de drones donde la plataforma tiene unas dimensiones limitadas, un error de precisión supone la pérdida del dispositivo por lo que es necesario obtener una precisión mayor de la que ofrece un GPS convencional. Si bien los dispositivos GPS comerciales disponibles para drones anuncian precisiones de hasta 0.5 metros, en la realidad raramente se puede obtener esa precisión (suele ser menor, es decir, más metros de error). Para solventar este problema existen algunas alternativas, como los sistemas RTK (Real Time Kinematic), que también se basan en la señal emitida por la constelación de los satélites. Este tipo de sistemas presentan dos inconvenientes: por un lado, son bastante caros; por otro lado, para que funcionen requieren unas condiciones de visibilidad de los satélites que no siempre se pueden conseguir. Para abordar este problema, el presente trabajo de fin de grado pretende desarrollar un sistema de localización y aterrizaje autónomo de drones diseñando una antena Fabry-Pérot (FPA). En nuestro caso, la antena será de 23x23 parches y tendrá una longitud de 460x460 milímetros. Las antenas Fabry-Pérot generan diagramas de radiación muy directivos en su dirección perpendicular (broadside) con una estructura resonante sencilla formada por dos placas bidimensionales (una totalmente reflectante y otra parcialmente transparente). Además, tienen una característica inherente que nos proporciona un escaneo en frecuencia al variar esta, lo que permite emplearlas en aplicaciones de radar. El sistema estimará la localización del objetivo a partir de la recepción del nivel de señal (RSSI) usando un algoritmo de posicionamiento basado en la Dirección de Llegada (Direction of Arrival, DoA) también denominado Ángulo de Llegada (AoA). Para obtener un buen sistema de localización, la antena estará orientada hacia arriba; siendo esta la plataforma de aterrizaje, y dadas sus características inherentes dispondremos de un mismo diagrama de radiación en cada antena, con un escaneo para distintas direcciones de apuntamiento según la frecuencia de trabajo. Para ello se propone operar en la banda WiFi de 5 GHz para configurar un sistema monopulso (trabajaremos de 5 a 6 GHz), la cual cuenta con diferentes canales según el rango de frecuencia en el que nos encontremos [Anexo]. El sistema estimará la localización del dron cuando se encuentre próximo a la plataforma de aterrizaje a partir de la recepción del nivel de señal RSSI y utilizando un algoritmo de posicionamiento basado en la dirección de llegada DoA. En nuestro caso, no obtendremos la posición exacta del dron, pero sabremos a qué distancia estaremos respecto a la plataforma de aterrizaje. A partir de dicha distancia, sabremos si al moverse el dron estaremos más o menos cerca del centro respecto a la posición anterior. Iterando, seremos capaces de llevar al dron al centro de la plataforma. Con el uso de unas sencillas operaciones aritméticas de procesado 11 digital monopulso, obtendremos una función de error de localización, a partir de la cual se estimará la distancia mencionada anteriormente. Este trabajo propone el uso de una FPA que escanea su haz al variar la frecuencia de operación, es decir, usando la propiedad de "conical-beam frequency-scanning". Pasamos de hacer el estudio en 1D a 2D, cambiando el tamaño de los parches y la altura a la que situamos nuestro substrato FR4 para que los resultados sean los esperados. Finalmente, con los diagramas obtenidos se programará en Matlab una técnica para estimar el ángulo de llegada de la señal WiFi, usando técnicas de procesado monopulso basado en la potencia recibida en cada canal. Este proyecto es una continuación de los trabajos de fin de grado de Luis Miguel Martínez Tamargo y Eloy Andreu García. Luis Miguel utilizó una antena comercial que trabajaba en el canal WiFi de 5 GHz, mientras que Eloy mejora el diseño ampliando el FoV, usando antenas que escanean en frecuencia con un protocolo BLE sin comprometer la resolución angular usando antenas con haces muy anchos. Mi trabajo consiste en desarrollar esta vez una antena FabryPérot con las dimensiones adecuadas para ayudar también en el aterrizaje asistido del dron.