Diseño de arreglos de antenas para entornos de 5G utilizando técnicas de simplificación en la red de alimentación

Design of antenna arrays for 5G environments using simplification techniques in the feeding network

ELIZVAN JUAREZ PACHECO (2023, [Tesis de doctorado])

En los últimos años, las redes de comunicaciones inalámbricas de quinta generación (5G) han tomado gran relevancia debido al crecimiento del número de usuarios móviles que se conectan a estas redes inalámbricas. Estas redes utilizan arreglos de antenas para generar haces de radiación directivos que pueden escanearse en una o múltiples direcciones en el espacio mediante el control de una red de alimentación. En una red de alimentación convencional cada elemento de antena se alimenta con un dispositivo amplificador y desfasador, lo que resulta en sistemas costosos y complejos de implementar. Por lo tanto, esta tesis de investigación propone nuevas técnicas de diseño que simplifican la red de alimentación al reducir el número de puertos de entrada y dispositivos desfasadores necesarios en el sistema de antenas. Las configuraciones propuestas consideran como requisitos de diseño el nivel de lóbulo lateral (SLL por sus siglas en inglés), rango de escaneo del haz principal y ancho de banda de operación adecuados para sistemas de 5G. Así, se introduce la técnica de bloques CORPS (Estructuras Periódicas de Radiación Coherente, en inglés) como una solución para simplificar la red de alimentación en arreglos lineales y planares. Esta técnica aprovecha la propiedad de interpolación de fase de las redes CORPS de una capa para generar los valores cofasales ideales necesarios para escanear el haz principal. Además, la aplicación de una excitación de amplitud de coseno alzado genera un haz de radiación con bajo SLL. Adicionalmente, se aplica la técnica de bloques CORPS en configuraciones con subarreglos para mejorar la reducción de desfasadores en comparación con la implementación individual de cada tecnología. Los resultados obtenidos mediante simulación electromagnética y mediciones experimentales validan los diferentes diseños propuestos. Todo esto contribuye al estado del arte al presentar diferentes diseños de arreglos de antenas que simplifican la red de alimentación manteniendo buenas características en el patrón de radiación en comparación con diseños tradicionales.

In recent years, fifth-generation wireless networks (5G) have become very relevant due to the exponential growth in the number of mobile users connecting to wireless networks. These networks employ antenna arrays to generate directional radiation beams that can be scanned in one or multiple directions in space by controlling a feeding network. In a conventional feeding network, each antenna element is fed with an amplifier and phase shifter device, which results in expensive and complex systems to implement. Therefore, this thesis proposes novel design techniques that simplify the feeding network by reducing the number of input ports and phase shifter devices required in the antenna system. The proposed configurations take into account requirements such as side lobe level (SLL), scanning range, and bandwidth appropriate for 5G systems. Thus, the CORPS (Coherent Radiation Periodic Structures) blocks technique is introduced as a solution to simplify the feeding network in linear and planar phased arrays. This technique takes advantage of the phase interpolation property of single-layer CORPS to generate the ideal cophasal values necessary for the main beam scanning. Furthermore, the application of a raised-cosine amplitude distribution generates a radiation beam with low SLL. Additionally, the CORPS blocks technique is applied in subarrays configurations to improve the phase shifters reduction compared to the individual implementation of each technology. The results obtained by electromagnetic simulation and experimental measurements validate the different proposed designs. This contributes to the state of the art by different designs of antenna arrays that simplify the feeding network while maintaining good radiation pattern characteristics when compared to traditional designs.

Arreglo de antenas, Red de alimentación, Quinta generación, Arreglo lineal, Arreglo planar Antenna array, Feeding network, Fifth Generation, Linear array, Planar array INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TECNOLÓGICAS TECNOLOGÍA DE LAS TELECOMUNICACIONES ANTENAS ANTENAS

Diseño de redes de conformación de haz para arreglos circulares de antena basadas en estructuras periódicas de radiación coherente

Design of beamforming networks for circular antenna arrays based on periodic coherent radiation structures

Itzel Mota Castañeda (2023, [Tesis de maestría])

La tesis se enfoca en abordar los desafíos en sistemas de comunicación inalámbrica, con el objetivo principal de diseñar redes de conformación de haz eficiente para un arreglo circular de antenas. Esta red debe reducir la dependencia de cambiadores de fase o dispositivos activos y cumplir con patrones de radiación específicos. Para lograr esto, se propone una solución que combina una red de excitación cofasal y una red CORPS cilíndrica. La red de alimentación cofasal, optimizada mediante algoritmos genéticos, demuestra la capacidad de generar un haz de radiación que puede ser escaneado en todo el plano azimutal. Esto se logra aprovechando las propiedades de rotación y simetría del arreglo circular. Además, se alcanza un rendimiento destacado en la supresión de lóbulos laterales, con una reducción significativa de -16 dB en comparación con el caso sin optimizar. Esta mejora en la calidad del haz de radiación es crucial para la transmisión confiable de señales en sistemas de comunicación. La red CORPS cilíndrica presentada en la investigación simplifica la red de alimentación en un 50%. Permite generar una cantidad distribuida de haces en todo el plano azimutal, y la dirección de escaneo de cada haz se ajusta según el número de puertos de entrada. Cada puerto de entrada controla un haz de radiación, lo que simplifica la complejidad del sistema y permite un mayor control sobre los lóbulos laterales. A medida que se aumenta el número de elementos y puertos de entrada en el arreglo, se mejora aún más el rendimiento en la supresión de lóbulos laterales. Esto ofrece la flexibilidad de ajustar el nivel de lóbulos laterales según los requisitos específicos de diseño. La investigación ha demostrado que la combinación de una red de alimentación cofasal optimizada y una red CORPS cilíndrica ofrecen una solución efectiva para la conformación de haz en arreglos circulares de antenas. Esta solución reduce significativamente la dependencia de dispositivos activos, mejora la calidad de la señal y simplifica la operación del sistema. Estos resultados abren oportunidades para futuras investigaciones y prometen mejoras en la industria de las comunicaciones inalámbricas.

This work is focused on the challenges in wireless communication systems, with the main objective of designing efficient beamforming networks for a circular antenna array. This network must reduce the reliance on phase shifters or active devices and meet specific radiation patterns. To achieve this, we propose two possible solutions: a cophasal excitation network and a cylindrical CORPS network. The cophasal feed network, optimized by genetic algorithms, generates a radiation beam that can be scanned in the whole azimuth plane. It is possible by taking advantage of the rotation and symmetry properties of the circular array. Furthermore, we achieve an outstanding performance in sidelobe suppression, with a significant reduction of -16 dB compared to the unoptimized case. This improvement in the quality of the radiation beam is crucial for the reliable transmission of signals in communication systems. The cylindrical CORPS network (presented in this research) simplifies the power network by 50%. It allows the entire azimuth plane to generate a distributed number of beams and adjust the scanning direction of each beam in according to the number of input ports. Each input port controls one radiation beam, simplifying the complexity of the system and allowing greater control over the side lobes. As the number of elements and input ports increases, sidelobe suppression performance is further improved. This proposal offers the flexibility to adjust the level of side lobes based on specific design requirements. Research has shown that the optimization of a cophasal feeder network and a cylindrical CORPS network offers an effective solution for beamforming in circular antenna arrays. This solution significantly reduces dependency on active devices, improves signal quality, and simplifies system operation. These results open up opportunities for future research and promise improvements in the wireless communications industry.

Arreglo circular de antenas, algoritmos genéticos, Red CORPS cilíndrica Circular array of antennas, Genetic algorithms, Cylindrical CORPS network INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TECNOLÓGICAS TECNOLOGÍA DE LAS TELECOMUNICACIONES ANTENAS ANTENAS

Arreglos de antenas para radiación tipo Isoflux en satélites LEO con diferentes alturas orbitales

Antenna arrays for Isoflux radiation in LEO satellites at various orbital altitudes

Paulina Díaz De la Paz (2023, [Tesis de maestría])

En los últimos años, las constelaciones de satélites en órbita baja han ganado popularidad como infraestructura para ofrecer el servicio de Internet satelital, y se espera que su presencia siga en aumento. Para minimizar la latencia en la transmisión de datos, estos satélites suelen situarse en el rango inferior y medio de la órbita baja terrestre. Comúnmente, los satélites de estas constelaciones emiten una radiación que consiste en un único haz que concentra la potencia en una sola dirección. Sin embargo, debido a la curvatura de la Tierra, las ondas electromagnéticas radiadas por el arreglo de antenas abordo del satélite viajan distancias diferentes. Las ondas que se desplazan en dirección del nadir del satélite hacen un recorrido más corto en comparación con las que se propagan en las direcciones más distantes a este. Este fenómeno ocasiona pérdidas de potencia en los bordes del área de cobertura. Para compensar estas pérdidas, se propone el uso de arreglos de antenas de radiación tipo Isoflux. Estos arreglos distribuyen la densidad de potencia de manera uniforme en el área de cobertura, aumentando la ganancia en direcciones donde el trayecto es más largo. Lograr este tipo de radiación para satélites en órbita baja se vuelve más desafiante. Debido a la proximidad del satélite a la Tierra, es necesario que la radiación se extienda sobre una gran parte del plano de elevación, requiriendo un haz Isoflux que sobrepasa los 100 grados. Esta tesis presenta 18 diseños de arreglos de antenas para satélites en las alturas orbitales de 340 km, 550 km y 1150 km. Para el diseño de estos arreglos, se emplean las geometrías lineales, planares y anillos concéntricos, tanto periódicas como aperiódicas. La distribución de excitaciones de amplitud y la separación entre elementos de antena se optimizan utilizando algoritmos genéticos. La presente tesis incluye un análisis comparativo de las prestaciones de radiación y cantidad de elementos de los diseños presentados, categorizados por altura orbital.

In recent years, the utilization of low-Earth orbit satellite constellations as infrastructure for providing satellite Internet services has experienced substantial growth. The rise of this trend is likely to continue. These satellites are typically placed in the lower to mid-range of low-Earth orbit in order to reduce latency in data transmission. It is common for the antenna arrays on these satellites to emit a single radiation beam that concentrates power in a singular direction. Due to the curvature of the Earth, the electromagnetic waves radiated by the antenna array travel different distances. Waves traveling in the satellite’s nadir direction cover a shorter distance compared to those propagating in more distant directions. This phenomenon causes power losses at the edges of the coverage area. To compensate for these losses, the use of Isoflux radiation antenna arrays is proposed. These arrays distribute the power density evenly across the coverage area, increasing gain in directions where the path is longer. Achieving such radiation characteristics becomes more difficult for low-Earth orbit satellites. Due to the satellite’s proximity to Earth, radiation needs to extend over a large portion of the elevation plane, requiring an Isoflux beam that exceeds 100 degrees. This thesis presents 18 antenna array designs for satellites at the orbital altitudes of 340 km, 550 km, and 1150 km. Linear, planar, and concentric ring geometries are employed, with both periodic and aperiodic antenna element distributions. The distribution of amplitude excitations and the spacing between antenna elements are optimized using genetic algorithms. This thesis includes a comparative analysis of the radiation performance and the number of elements of the presented designs, categorized by orbital altitude.

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Modelación numérica de la advección y dispersión de solutos en redes de distribución de agua potable

Felipe Arreguin Velitchko Tzatchkov ALVARO ALBERTO ALDAMA RODRIGUEZ (2000, [Artículo])

Este trabajo presenta una solución numérica de tipo euleriano-lagrangiano para la ecuación de la dispersión advectiva de contaminantes en redes de distribución. La aplicación de los esquemas numéricos conocidos para resolver esta ecuación en una red produce grandes sistemas de ecuaciones lineales debido a la presencia del término que considera la dispersión. Para aliviar este problema se propone un nuevo método que emplea funciones de Green numéricas, desagregando el conjunto de ecuaciones en tres sistemas tridiagonales para cada tubería y otro de menor tamaño para los nodos de la red. De esta forma, el sistema de ecuaciones se resuelve eficientemente y el modelo numérico puede ser aplicado a redes grandes sin necesidad de un esfuerzo computacional excesivo. El modelo propuesto se aplicó para simular el transporte de flúor en una red de distribución real, para la cual se tienen publicados datos de mediciones de campo y de simulación con el paquete EPANET de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA), que sólo considera la advección. La comparación entre los resultados de los dos modelos muestra que el modelo aquí propuesto simula mejor la concentración del contaminante, especialmente en las tuberías que exhiben bajas velocidades del flujo.

Redes de distribución de agua Análisis dinámico Flujo no permanente Modelos matemáticos INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

Modelo hidráulico para redes de agua potable con tomas domiciliarias

FELIPE IGNACIO ARREGUIN CORTES (2002, [Artículo])

Se presenta un modelo de simulación hidráulica para redes de agua potable en el cual se incluyen elementos que no se toman en cuenta actualmente, como las tomas domiciliarias, los tubos de distribución con gasto espacialmente variado y la red secundaria, resolviendo el número de ecuaciones que sería necesario plantear en un modelo convencional mediante un procedimiento indirecto para la solución de grandes sistemas de ecuaciones. En las tomas domiciliarias se considera que su funcionamiento depende de las presiones y la forma en que los usuarios operan las llaves de las mismas. Este planteamiento permite conocer mejor el funcionamiento de las redes de abastecimiento de agua potable y solucionar problemas que requieren de una simulación hidráulica más precisa, como el comportamiento de la calidad del agua, las fugas en las redes y la influencia reguladora de los tinacos de las casas.

Redes de distribución de agua Modelos hidráulicos Tomas domiciliarios Tubos a presión INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

Optimización de los diámetros de las tuberías de una red de distribución de agua mediante algoritmos de recocido simulado

HECTOR SANVICENTE SANCHEZ JUAN FRAUSTO SOLIS (2003, [Artículo])

La determinación de los diámetros de las tuberías en el diseño de menor costo de una red de distribución de agua es un problema con restricciones, fuertemente no lineal, con múltiples óptimos locales, cuyo espacio de soluciones posee muchas regiones no factibles. El algoritmo heurístico de optimización llamado recocido simulado (RS) es un método global que ha sido usado para hacer búsquedas estocásticas en el espacio de soluciones del problema, mejorando el desempeño de otros métodos. Este trabajo propone una formulación penalizada del problema que permite al algoritmo RS, entre otras ventajas, la posibilidad de que la caminata estocástica que efectúa sea menos sinuosa al cruzar regiones no factibles. Este enfoque mejora la eficiencia del algoritmo RS para un mismo nivel de error en relación con su desempeño para una formulación clásica del problema con restricciones.

Redes de distribución de agua Optimización Métodos estocásticos INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

Implementación de algoritmos basados en la teoría de grafos en proyectos de sectorización de redes de agua potable

Velitchko Tzatchkov VICTOR HUGO ALCOCER YAMANAKA (2011, [Artículo])

Los proyectos de sectorización de redes de agua potable, en proceso en diferentes ciudades mexicanas actualmente, consisten en dividir la red de la ciudad en varias subredes o sectores más pequeños con una o máximo dos entradas de agua por sector. Para diseñar los sectores se emplean modelos de redes de agua potable que revisan si la sectorización propuesta puede funcionar hidráulicamente de manera adecuada. Para los proyectos de sectorización en redes grandes se requieren, sin embargo, facilidades algorítmicas adicionales, como análisis de conectividad, zona de influencia y contribución de cada fuente sobre el consumo. En el presente artículo se discuten eficientes algoritmos de este tipo basados en la teoría de los grafos, implementados en un sistema de cómputo.

Modelos de redes de distribución Redes de distribución de agua Algoritmos sobre grafos INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

Modelación y diseño de redes de agua potable con demanda estocástica integrados con sistema de información geográfica: etapa 2

Velitchko Tzatchkov VICTOR HUGO ALCOCER YAMANAKA (2014, [Documento de trabajo])

Tabla de contenido: Introducción – Actividades, metas alcanzadas y resultados – Experimentos de mezcla del agua en depósitos (serie 2) – Modelación hidráulica integrada con sistemas de información geográfica (SIG) – Sistemas de modelación de redes de agua potable integrados con información geográfica – Programación de un sistema basado en EPANET con visualización de información geográfica (EPANET-IMTA) – Aplicación de los sistemas integrados con información geográfica en Tijuana, BC y en Xalapa, Ver. – Modelación de la demanda estocástica y comparación con resultados de mediciones – Mediciones continuas de demanda estocástica de agua potable con resolución fina en modelo de laboratorio – Sectorización de redes de agua basado en la teoría de Grafos e índices de rendimiento energéticos – Evaluación de un sistema de desinfección del agua en depósitos intradomiciliarios – Conclusiones.

Este informe describe el desarrollo de la segunda y última etapa del proyecto sobre modelación y diseño de redes de agua potable con demanda estocástica integrados con sistema de información geográfica. El objetivo general del proyecto ha sido desarrollar un sistema computacional que integre un modelo de análisis y diseño de redes de agua potable con sistemas de información geográfica, demanda estocástica, sectorización apoyada en la teoría de los grafos y modelación de los tanques de regulación, e incluya los nuevos adelantos en la materia y las nuevas necesidades de la Comisión Nacional del Agua, basadas en su nuevo manual de modelación hidráulica y de la calidad del agua en redes de distribución.

Introducción – Actividades, metas alcanzadas y resultados – Experimentos de mezcla del agua en depósitos (serie 2) – Modelación hidráulica integrada con sistemas de información geográfica (SIG) – Sistemas de modelación de redes de agua potable integrados con información geográfica – Programación de un sistema basado en EPANET con visualización de información geográfica (EPANET-IMTA) – Aplicación de los sistemas integrados con información geográfica en Tijuana, BC y en Xalapa, Ver. – Modelación de la demanda estocástica y comparación con resultados de mediciones – Mediciones continuas de demanda estocástica de agua potable con resolución fina en modelo de laboratorio – Sectorización de redes de agua basado en la teoría de Grafos e índices de rendimiento energéticos – Evaluación de un sistema de desinfección del agua en depósitos intradomiciliarios – Conclusiones.

Redes de distribución de agua Modelos hidráulicos Sistemas de Información Geográfica INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

Modelo de la calidad del agua en redes de distribución con flujo permanente

Velitchko Tzatchkov FELIPE IGNACIO ARREGUIN CORTES (1996, [Artículo])

Se presenta una metodología para la simulación de la calidad del agua potable en redes de distribución, estructurada con un modelo hidráulico y un modelo fisicoquímico. Considerando flujo y concentraciones permanentes y redes con varias fuentes, se presentan algoritmos para los siguientes casos: a) cálculo de la concentración en los nodos con sustancias conservativas y no conservativas; b) cálculo de la contribución de cada fuente sobre el consumo en los nodos; c) tiempo mínimo de residencia del agua en la red. Se propone una variante del algoritmo de Dijkstra del análisis combinatorio; d) tiempo máximo de residencia del agua en la red. Se propone una variante del algoritmo de Ford-Bellman del análisis combinatorio; e) tiempo promedio de residencia del agua. Se comenta el programa MOCARD, el cual realiza los algoritmos propuestos.

Redes de distribución de agua Modelos matemáticos Calidad del agua Simulación INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

Sistema de cómputo para el análisis y diseño óptimo de redes de distribución de agua potable

Velitchko Tzatchkov JORGE LUIS IZURIETA DAVILA (1996, [Artículo])

Se presenta un nuevo sistema de cómputo que automatiza y optimiza el diseño de redes de agua potable, con las siguientes posibilidades: digitalización, análisis estático y dinámico, selección óptima de los diámetros, diseño de cruceros, cálculo del costo, despliegue de los resultados en tablas y gráficas, isolíneas, superficies piezométricas, impresión de los resultados y dibujo de planos del proyecto ejecutivo. El sistema divide al plano de la localidad en un mosaico de segmentos según la escala deseada, con lo cual puede procesar proyectos de ciudades grandes en escalas de proyecto ejecutivo. El sistema corre dentro de AutoCAD 12. Para el cálculo hidráulico de la red se utiliza la solución de Newton-Raphson, con incógnitas en las cargas piezométricas de los nodos. En el análisis dinámico se ejecuta el cálculo hidráulico para cada hora del día considerando la variación de la demanda y el llenado y vaciado de los tanques. La selección de los diámetros se realiza por un procedimiento de enumeración de variantes, guiándose por el cumplimiento de las condiciones hidráulicas de velocidades admisibles y presión requerida.

Sistemas de computación Redes de distribución de agua Agua potable INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA