Ingeniería Electrónica, Automática y Comunicaciones

Increase of the Bandwidth in 2.4 GHz Microwells Antennas with Insertion of Metamaterials

En este trabajo se presenta el estudio de la inserción de estructuras metamateriales en una antena de parche rectangular alimentado por línea de microcinta de polarización lineal para lograr un incremento del ancho de banda. Se analizan las principales características que presentan los materiales zurdos y se investiga su comportamiento dentro de la antena para obtener un aumento del ancho de banda y mejorar algunos de los parámetros fundamentales en el diseño de antenas de parche rectangular, aplicando la teoría de los mismos y sustentado en herramientas de simulación asistidas por computadora. Inicialmente se realiza un estudio de la influencia que realiza, la estructura de células compuesta por anillos resonadores abiertos complementarios de forma cuadrada con sus respectivos gaps asociada al parche y la posición de la misma, sobre los parámetros de interés de la antena de microcinta, especialmente el ancho de banda. Los resultados obtenidos permiten concluir que la ubicación del metamaterial asociado a la línea de alimentación ejerce una marcada influencia en la estructura radiante; se produce un aumento del ancho de banda y una disminución de la eficiencia respecto a la antena de microcinta convencional sin estructuras zurdas. Además, constatar que el incremento de las dimensiones de los anillos complementarios provoca una disminución de la frecuencia de resonancia. Finalmente, se presenta el diseño de una antena de microcinta con estructuras zurdas para la banda ISM 2.4 GHz.

In this paper is presented a study of the insertion of metamaterial structures in a rectangular patch antenna fed by microstrip line linear polarization to achieve increased bandwidth. The main characteristics of left-handed materials are analyzed and their behavior is investigated inside the antenna, which allows obtaining an increase bandwidth and improve some of the fundamental parameters in the design of rectangular patch antennas by applying the theory of themselves and simulation tools supported by computer-assisted. Initially a study of the influence that makes is performed, the cell structure composed by complementary ring resonators open square in shape with their respective "gaps" associated to the patch and position thereof on the parameters of interest microstrip antenna especially bandwidth. The results obtained allowed to conclusions that the location of metamaterial associated power line exerts a marked influence on the radiating structure; an increase in bandwidth and a decrease in efficiency over conventional microstrip antenna structures occur no left-handed. Besides confirm that the increased the dimensions of the complementary rings cause a decrease in the resonance frequency. Finally, the design of a microstrip antenna with left-handed structures for the 2.4 GHz ISM band is presented.

Wireless Sensor Network for "San José" greenhouse

En este trabajo se propone una red de sensores inalámbricos para medir en tiempo real temperatura, humedad relativa y radiación solar en las casas de cultivos protegidos San José de Santiago de Cuba. En estas instalaciones no se realizan estas mediciones por la falta de instrumentos. Para medir de forma automática estos parámetros se diseñó una red de 24 nodos sensores, ubicados en cada una de las casas de cultivo, y en la casa de posturas y una estación base ubicada en las oficinas de la administración del complejo, se decidió conectarlos formando una topología en cluster-tree y se escogieron los dispositivos de corto alcance de la plataforma eKo de Crossbow. La topología cluster-tree asegura tolerancia a fallos, escalabilidad y eficiencia energética y los nodos eKo aportan durabilidad porque las baterías son recargadas con paneles solares. Por último, se demostró en el simulador NS2 que la topología cluster-tree es la más adecuada para esta aplicación porque el modo de operación con balizas permite ahorrar energía de las baterías con una mejor razón de entrega de datos y latencia promedio. Este sistema de monitoreo y supervisión en tiempo real de las condiciones medioambientales en las casas de cultivo puede hacer que la producción agrícola sea más rentable y sostenible.

In this paper, we propose a Wireless Sensors Networks for "San José" greenhouse in Santiago de Cuba to measure in real time temperature, relative humidity, and solar radiation. These measurements are not carried out in these installations due to the lack of instruments. In order to measure these variables, it was designed a network of 24 short-range eKo sensors nodes distributed in the 24 greenhouses and 1 short range eKo base station located in the administration office, connected in cluster-tree topology. This topology provides fault tolerance, scalability, and energy efficiency and the eKo platform guarantees durability because the batteries are recharged with solar panels. Finally, a simulation in NS2 probed that cluster-tree topology is suitable for this application because beacon-enabled mode saves energy with a higher data delivery ratio and latency. Real-time monitoring of environmental condition will help to achieve greenhouse production of high quality and quantity

Calibration and adjust of power level measurements on DTMB monitoring tool based on a commercial STB

Actualmente en LACETEL®, Instituto de Investigación y desarrollo de Telecomunicaciones, está siendo desarrollada una herramienta para el monitoreo de la señal de televisión digital DTMB, usando el hardware de un receptor comercial. Dado que el resultado final consiste en modificar la funcionalidad del receptor para transformarlo en un instrumento de medición, se plantea entonces la necesidad de su calibración y ajuste para cada uno de los parámetros físicos a medir. El presente trabajo está centrado en la calibración y ajuste del instrumento para la medición de la potencia de la señal recibida. Luego de realizar una calibración inicial, se analizan los resultados de las mediciones obtenidas para cada canal, se identifica una relación funcional entre los valores, se ajustan las mediciones usando técnicas de regresión matemática y los ajustes obtenidos son incorporados al instrumento. Los resultados del ajuste son validados mediante una nueva calibración, verificándose una reducción en los errores sistemáticos del instrumento.

Currently in LACETEL®, Research & Development Telecommunications Institute, it is being developed a tool for monitoring DTMB digital TV signal, using the hardware of a commercial receiver. Since the final result is to transform a TV receiver into a measuring instrument, this implies the need for its calibration and adjustment for each of the physical parameters to be measured. The present work focuses on the calibration and adjustment of the instrument for the measurement of the received signals power. After performing an initial calibration, the results of the measurements obtained for each channel are analyzed in function of the reference signal. A functional relationship between the values is identified, the measurements are adjusted using mathematical regression techniques and the obtained adjustments are built into the instrument. The outcome of the adjustment is validated through a new calibration, verifying a reduction in the systematic errors of the instrument.

Calculation of the dielectric complex permitivity of the absorbent materials withlosses

En el presente trabajo se muestra un método de cálculo de la permitividad dieléctrica compleja de los materiales absorbentes de radiofrecuencia pasando por una exhaustiva etapa de medición de los parámetros de dispersión de una línea de transmisión coaxial construida para ver el comportamiento de la onda en modo Transverso electromagnético (TEM). Dicho método, cuyo análisis se realizó en la banda de 1-10GHz, fue orientado de forma tal que en él se hace uso de las teorías del Campo Electromagnético y la de Línea de Transmisión y su único requerimiento es una buena base experimental. En los cálculos se hace uso del material poliuretano dopado con carbón activado al 8%.

Presently work shows up a calculation method of the dielectric complex permittivity of radiofrequency absorbent materials, going by an exhaustive stage of measurement of the dispersion parameters of a line of coaxial built transmission to see the development of the electromagnetic wave in Transverse electromagnetic (TEM) mode. This method whose analysis was carried out in the band of 1-10GHz, it was guided in such way that in it use of the theories of the electromagnetic field is made and that of transmission line and its only requirement is an experimental good base. In the calculations use of the material poliuretanodopado is made with coal activated at the 8%.

Measurement of permittivity of biological tissues from 300 MHz to 3 GHz using an open-ended coaxial line

A comparative numerical study of three probe types with the same radial dimensions, three probe models, and five reference materials is presented for six biological tissues: liver, muscle, kidney, heart, blood and fat. The Probe-Model-Reference (PMR) combinations that lead to the most accurate results of the permittivity at frequencies from 300 MHz to 3 GHz are investigated for a coaxial probe without flange, a coaxial probe with flange, and a coaxial probe open into a propagation circular wave guide. The probe models considered are capacitive model, antenna model, and virtual line model. The reference materials are distilled water, 0.02 M NaCl(aq) solution, ethanol, methanol and 0.5 M NaCl(aq) solution. The results corroborates that when measuring the RF permittivity of biological materials using an open-ended coaxial line the proper selection of the probe type, probe model and reference material is crucial if good accuracy of measurements is expected. The presented methodology could be useful not only for the design of experiments, but also for the development of improved coaxial probes.

Para seis tejidos biológicos -hígado, músculo, riñón, corazón, sangre y grasa- se presenta un estudio numérico comparativo de tres tipos de sonda con las mismas dimensiones radiales, tres modelos de sonda y cinco materiales de referencia. Se investigan las combinaciones Sonda-Modelo-Referencia (SMR) que conducen a los resultados más precisos de la permitividad a frecuencias desde 300 MHz hasta 3 GHz para una sonda coaxial sin pestaña, una sonda coaxial con pestaña, y una sonda coaxial abierta hacia una guía de onda circular. Los modelos de sonda considerados son el capacitivo, el de antena y el de la línea virtual. Los materiales de referencia son agua destilada, solución de NaCl(ac) 0.02 M, etanol, metanol y solución de NaCl(ac) 0.5 M. Los resultados corroboran que cuando se mide la permitividad de RF de materiales biológicos usando una línea coaxial abierta en un extremo la selección apropiada del tipo de sonda, del modelo de sonda y del material de referencia es crucial si se espera una buena exactitud de las mediciones. La metodología presentada pudiera ser útil no solamente para el diseño de experimentos, sino también para el desarrollo de sondas coaxiales mejoradas.

Non-Uniform Constellations in 1D for DTMB standard

El objetivo de este artículo es diseñar Constelaciones No-Uniformes en 1-Dimensión para el estándar DTMB y evaluar en cuanto mejora su desempeño con respecto a la utilización de la capacidad del canal. La utilización de dichas constelaciones ofrece una mayor eficiencia espectral, recepción a menores valores de Relación Señal a Ruido y acercar al estándar DTMB al límite teórico de Shannon. Dichas constelaciones, son diseñadas siguiendo el criterio de optimización de la capacidad del BICM. El sistema DTMB con las Constelaciones propuestas es validado mediante el análisis de las curvas BER, Capacidad y Eficiencia Espectral contra Relación Señal a Ruido, en todos los casos se compara contra el estándar original. Todas las pruebas son realizadas para las diferentes razones de código que permite el estándar, para 6 MHz de ancho de banda y siempre para un modelo de canal AWGN. En el artículo se presentan los fundamentos teóricos relacionados con la capacidad del canal y con las constelaciones Uniformes y No-Uniformes, así como se describe el algoritmo de diseño utilizado y se presentan las características de las constelaciones resultantes.

The aim of this paper is to design 1-Dimensional Non-Uniform Constellation for DTMB standard and evaluate their performance improvements with regard to channel capacity. The use of such constellations offers a biggest spectral efficiency, reception at lower Signal to Noise Ratio and a Shannon limit gap reduction. Such constellations are designed based on the BICM optimization criterion. The DTMB system with the proposed constellations is validated by mean the analysis of BER, Capacity and Spectral Efficiency vs. Signal to Noise ratio. The results are always compared with the original standard. The simulations take into account the different available code rates of the standard, 6 MHz of bandwidth and AWGN channel model. The paper present the theoricals fundamentals of channel capacity, Uniform and Non-Uniform constellations and the description of the design algorithm. Moreover, the characteristics of the resulting constellations are shown.

Active Phase Shifter for Phased Array of Uniform Amplitude

En el presente trabajo se diseña e implementa un desplazador de fase activo de tipo cuadratura basado en transistores de efecto de campo (FET) a la frecuencia de 2.44 GHz. El desplazamiento de fase es obtenido por la adición de dos vectores ortogonales, variando adecuadamente los voltajes de control a amplitud constante. Se muestran los resultados de las simulaciones del diseño mediante el software Microwave Office y el desfasaje alcanzado por este diseño utilizando sustrato ARLON 25N es de 89.45°, valor muy próximo al esperado teóricamente (90°) y una ganancia de aproximadamente 7.7 dB. Desafortunadamente, su implementación práctica en una placa de circuito impreso de FR4, provoco una disminución del desfasaje a 79°, ypérdidas de inserción, debido a que el sustrato FR4 introduce pérdidas cercanas a 7 dB. No obstante, se comprueba su funcionamiento. Este desplazador puede ser utilizado en arreglos faseados de amplitud uniforme pues se obtiene en Matlab una función que describe el comportamiento de los voltajes de control para mantener la amplitud a la salida constante.

In this work, a quadrature type active phase shifter based on field effect transistors (FET) is designed and implemented at the frequency of 2.44 GHz. The phase shift is obtained by the addition of two orthogonal vectors, varying adequately control voltages at constant amplitude. The results of the design simulations are shown by the Microwave Office software and the phase shift achieved by this design using the ARLON 25N substrate is 89.45°, a value very close to that theoretically expected (90°) and a gain of approximately 7.7 dB. Unfortunately, its practical implementation on a printed circuit board of FR4, caused a decrease of the phase shift to 79°, and insertion losses, because the FR4 substrate introduces losses close to 7 dB. However, its operation is checked. This phase shifter can be used in phased arrays of uniform amplitude because a function is obtained in Matlab which describes the behavior of the control voltages to maintain the amplitude at the constant output.

Characterization of diaphragmatic activity during the study of mechanical breathing

La ventilación asistida es una técnica aplicada a pacientes graves con problemas respiratorios debido a múltiples factores patológicos empleada en salas de cuidados intensivos y quirófanos. Los sistemas actuales de respiración asistida (ventiladores inteligentes), suelen incorporar sondas invasivas complejas con múltiples sensores, los cuales son colocados vía esofágica lo que presupone elevados daños para el p6aciente durante su colocación y uso. Además, suelen ser empleados como conductos para garantizar la alimentación de los sujetos durante largos períodos de recuperación clínica, lo cual impone la necesidad de su reposición periódica (< 5 días) debido a su deterioro ante el ataque de los líquidos del sistema digestivo. Este trabajo aborda el diseño de una alternativa no invasiva para el estudio y caracterización de la actividad diafragmática relacionada con la respiración controlada neuralmente, a partir de la selección de un arreglo de electrodos colocados adecuadamente en el tórax, conectados a un Kit de adquisición (ADS1298ECG-FE) controlado por una interfaz que permite la representación de todos los canales de entrada. Con ayuda de una herramienta de procesamiento basada en MATLAB, se pudo comprobar la correlación (> 98 %) existente entre los registros torácicos y la medición nasal de la frecuencia respiratoria, lo cual permite simplificar el proceso (medición no invasiva) de seguimiento de la mecánica respiratoria en individuos con ventilación asistida controlada neuralmente.

Assisted ventilation is a technique applied to patients with complicated respiratory problems due to multiple pathologic factors, specially applied in surgery rooms and intensive care rooms. Actual assisted ventilation systems (smart ventilators), used to incorporated complex invasive catheter with several sensors, located through esophagus, which enhance the probability of patient damage during positioning medical procedure and device use. They are used as ducts to assure patient nourishment during long times of clinical recovery, for that reason they require periodical replacement, because the biomaterial employed for they manufactory cant be expose to digest systems liquids for high used times (< 5 days).These paper shows the design of an alternative non-invasive for the study and characterization of diaphragmatic activity related with neural controlled respiration, from an electrode array selection placed properly on the thorax, connected to acquisition Kit (ADS1298ECG-FE) controlled by an interphase that allowed all inner channel representation. Helped by a processing tool based on MATLAB, could be check the existing correlation (> 95%) between respiratory frequency thoracic record and the nasal measure, that allowed simplified the following process of respiratory mechanic on subjects with neural assisted ventilation.