TY - JOUR 
A1 - Martínez Guillén, José Daniel
T1 - Design of Fabry-Perot antenna for conical angle-of-arrival estimation in Wi-Fi 5 GHz band

Y1 - 2020
UR - http://hdl.handle.net/10317/8466
AB - 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 
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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.
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