TY - JOUR 
A1 - Martínez Guillén, José Daniel
T1 - Optimization of Fabry-Perot antennas with fast conical-beam frequency-scanning for angle of arrival estimation in 5 GHz Wi-Fi Wireless networks

Y1 - 2021
UR - http://hdl.handle.net/10317/10079
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 Máster pretende desarrollar un
sistema de localización y aterrizaje autónomo de drones diseñando una antena Fabry-Pérot
(FPA), así como su alimentación. 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).
En cuanto a la alimentación, estará formada por un conector SMA que tendrá soldado un
monopolo orientado en el eje Y, a través del cual se radiará toda la potencia. Al final de la
memoria aparecerá el datasheet de dicho conector [Anexo].
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, 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. Para usar las técnicas de la
FPA hay que modularla generando haces conformados (broad-beam patterns) tal y como se
muestra en. Para ello, habría que modular sus circuitos impresos (modulando 
convenientemente los tamaños de los parches de la PRS y de la HIS) usando técnicas de control
local del modo leaky-wave que permita controlar de manera flexible su ángulo de apuntamiento
y su tasa de radiación. En el presente trabajo no se ha diseñado una antena
FPA modulada para generar haces conformados, pero se propone para líneas futuras.
Con la antena desarrollada en este proyecto no se obtendrá la posición exacta del dron, pero sí
que se sabrá a qué distancia estará respecto a la plataforma de aterrizaje. A partir de dicha
distancia, se podrá saber si al moverse el dron estará situado más o menos cerca del centro
respecto a la posición anterior. Iterando, será capaz de llevar al dron al centro de la plataforma.
Con el uso de unas sencillas operaciones aritméticas de procesado digital monopulso se
obtendrá 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". Se partirá de una FPA con
unas medidas determinadas, comprobado su funcionamiento previamente, y se colocará la
alimentación que se usaríoa al fabricarla. Una vez hecho esto, se modificarán ciertas
dimensiones de la antena y de la alimentación para que los resultados sean los esperados.
Después, 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. Finalmente, se desarrollará una interfaz para tener una mejor
forma con la que mostrar los resultados y poder ver lo que se obtendría según dónde está
situado el dron.
Este proyecto es una continuación de los Trabajos de Fin de Grado de Luis Miguel Martínez
Tamargo, Eloy Andreu García y el que yo mismo realicé. 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. En mi Trabajo de Fin
de Grado se diseñó una antena Fabry-Pérot con las dimensiones adecuadas para ayudar también
en el aterrizaje asistido del dron, y el presente proyecto tiene como objetivo la implementación
de la alimentación para poder fabricar dicha antena y poder probarla en un futuro.
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