Procedimientos semipresenciales para el diseño y fabricación de filtros en asignaturas de RF y microondas.

pág. 0 Memoria de proyectos de innovación y buenas prácticas docentes A. Datos generales del proyecto de innovación y buenas prácticas docentes Título Procedimientos semipresenciales para el diseño y fabricación de filtros en asignaturas de RF y microondas. Código 20-68 Fecha de Realización: Curso 2020-2021 Coordinación Apellidos González Marín Nombre Enrique Tipología Tipología de proyecto 3. Adecuación de la docencia e innovación educativa a la sociedad actual. Rama del Conocimiento Electrónica Línea de innovación 3.1 Mejora de las competencias docentes en la universidad actual B. Objetivo Principal La docencia de asignaturas de radiofrecuencia y microondas, de marcado carácter multidisciplinar, está generalmente condicionada por un número de créditos limitado con respecto a un contenido de materia extenso, por lo que el proceso de aprendizaje autónomo del alumno/a es de capital importancia. Esta perspectiva, de autonomía e independencia del alumnado ha adquirido un carácter aún más marcado, si cabe, en el contexto de docencia semipresencial asociada a la crisis ocasionada por la pandemia de COVID-19. Este proyecto ha estado centrado en el estudio de viabilidad de la implantación de una herramienta docente, desarrollada por los miembros del equipo docente, para la mejora del proceso de enseñanza/aprendizaje semipresencial de asignaturas de electrónica de microondas y radiofrecuencia. La herramienta implantada consistía en un software de diseño de filtros sobre tecnología microstrip, con capacidad para exportar los layout de los diseños para su posterior fabricación y caracterización en las prácticas de laboratorio. C. Descripción del proyecto de innovación y buenas prácticas docentes Resumen del proyecto realizado: Objetivos, metodología, logros alcanzados, aplicación práctica a la docencia habitual, etc. La mayor parte de las sofisticadas y potentes herramientas disponibles dedicadas a la simulación de circuitos y sistemas de radiofrecuencia y microondas tienen como principales defectos un elevado coste y una baja pendiente de aprendizaje de alumnado, haciendo complicado su uso de cara a la formación semipresencial del estudiante con una alta carga de trabajo autónomo. Un segundo hándicap, más general, en el ámbito de la enseñanza de la ingeniería de microondas aparece en las deficiencias para conectar apropiadamente los marcos teórico y experimental del proceso de aprendizaje del estudiantado, cuestión que resulta especialmente delicada por la alta complejidad conceptual de las asignaturas en este campo. Para tratar de solventar estas dificultades, observadas a partir de la experiencia docente de los miembros del equipo, en esta propuesta se estudió la viabilidad de la implantación, en dos asignaturas de electrónica de microondas y radiofrecuencia, de un simulador de circuitos que permitía al alumno la construcción de filtros microstrip y su simulación mediante el modelado de cada una de sus partes para pág. 1 su posterior fabricación y medida en el laboratorio. La herramienta objeto de estudio debía cumplir con los siguientes objetivos: 1) Contribuir al aprendizaje autónomo de los alumnos/as, permitiéndoles autoevaluar su nivel de competencias y guiándolos en el proceso de adquisición de las mismas. El software empleado debía disponer de una interfaz de uso intuitivo con un número de herramientas limitado, lo que permitiría su uso completo tras un corto tutorial. Además, el software debía poder ser usado fuera del laboratorio, frente a herramientas con licencia comercial solo disponibles en las aulas de la Universidad, explotando sus posibilidades ante posibles escenarios de docencia semipresencial. 2) Ser una herramienta útil en el laboratorio para la realización de prácticas, así como para la conexión teórico-experimental de las asignaturas de microondas y radiofrecuencia. La capacidad del software de generar elementos hardware a partir de los diseños de los estudiantes, debía ayudar a construir relaciones entre los conocimientos teóricos y las habilidades prácticas (medida de circuitos en el laboratorio) del alumnado. 3) Facilitar la compresión y transferencia de conocimiento a los alumnos. La herramienta de visualización debía ayudar a comprender el flujo de diseño y los procedimientos involucrados a los alumnos permitiéndoles hacer las conexiones pertinentes entre los layout en que consisten los circuitos de alta frecuencia y su aprendizaje previo a baja frecuencia en los primeros cursos del grado. Asimismo, debía servir de apoyo en las clases teórico-prácticas al docente para abordar y ejemplificar los diseños. Para llevar a cabo el proyecto se contó con un equipo de trabajo con experiencia docente demostrada en el ámbito de la ingeniería de microondas y radiofrecuencia, estructurado en torno a la realización de las siguientes tareas: 1. Diseño de un programa de prácticas soportado en el software de simulación. Uno de los objetivos de este proyecto fue estudiar la integrabilidad del software de simulación dentro de los programas de prácticas de las asignaturas de microondas y radiofrecuencia. En particular, en la primera fase de estudio se consideraron las asignaturas de Electrónica de Microondas del Grado de Ingeniería en Tecnologías de Telecomunicación y Electrónica de Alta Frecuencia y Optoelectrónica del Master Universitario en Ingeniería de Telecomunicación. El software permitiría enriquecer el contenido de los seminarios de laboratorio actualmente en activo y buscar cubrir las carencias que el profesorado de estas asignaturas ha detectado en la conexión teórico-experimental de los contenidos de la asignatura. 2. Desarrollo de un guía de trabajo autónomo para el uso del software de simulación Se creó una guía de aprendizaje autónomo para el diseño de filtros de microondas que usaba como soporte la herramienta el software desarrollado. Adicionalmente se desarrollaron guiones de laboratorio para el diseño de los filtros con el objetivo de potenciar el posible trabajo autónomo en una situación de confinamiento. Para facilitar el trabajo independiente y evitar escenarios injustos en el desarrollo del trabajo del estudiantado los diseños contenidos en estos guiones fueron particularizados para cada estudiante, por ejemplo, fijando la frecuencia de diseño del filtro en función de las cifras de su documento de identidad. pág. 2 3. Revisión y actualización del software didáctico y comprobación de su compatibilidad con los elementos hardware. En esta tarea se revisó y actualizó el paquete software objeto de estudio en este proyecto para su aplicación en clases, prácticas y como herramienta de trabajo autónomo para los alumnos. Se trata de un paquete ya desarrollado por un alumno de la extinta Ingeniería de Telecomunicación durante su Proyecto Fin de Carrera cuya capacidad de simulación y de exportación de layout fueron verificadas. En esta tarea se comprobó y actualizó el software para garantizar su compatibilidad en la exportación de layout. 4. Caracterización de los filtros sobre tecnología microstrip Los diseños realizados mediante el software y los layout para su fabricación se compararon con diseños ya fabricado sobre tecnología microstrip disponibles en el laboratorio. Estos circuitos son los que actualmente están a disposición de los estudiantes para su medida y comparación con los resultados teóricos durante las sesiones presenciales de laboratorio. 5. Evaluación del proyecto Finalmente se implementaron las herramientas de consulta y evaluación necesarias para conocer cual sería la experiencia de los alumnos ante una implantación de la herramienta desarrollada y detectar deficiencias. Summary of the Project (In English): Most of the sophisticated and powerful tools dedicated to the simulation of radiofrequency and microwave circuits systems have as their main defects: a high cost and a low slope of student learning, making their use difficult for the student's self-learning specially when they carry with a high load of autonomous work. A second and more general handicap in the field of microwave engineering teaching regards the deficiencies to properly connect the theoretical and experimental frameworks during the student's learning process, an issue that is especially delicate due to the high conceptual complexity of the subjects in this field. In order to try to solve these difficulties, observed from the teaching experience of the team members, this proposal studied the implementation viability in two subjects of microwave and radio frequency electronics of a circuit simulator that allowed the student to build microstrip filters and simulate them by modeling each of its parts for subsequent fabrication and measurement in the laboratory. The studied tool should be intended to meet the following objectives: 1) To contribute to the autonomous learning of students, allowing them to self-assess their level of skills and guiding them in the process of learning. The software should have an intuitive user interface with a limited number of tools, which allowed its full use after a short tutorial. The possibility of using the software outside the laboratory, contrary to those tools with a commercial license only available in University classrooms, should enhance its possibilities in the face of possible mixed teaching scenarios. 2) To be a useful tool in the laboratory to carry out practical lessons, as well as to enhance the theoretical-experimental connection for microwave and radio frequency subjects. The ability of the software to generate hardware elements from the students' designs would help to build connections pág. 3 between the theoretical knowledge and the practical skills (measurement of circuits in the laboratory) of the students. 3) To facilitate the understanding and transfer of knowledge to students. The visualization tool would help students understand the design flow and the procedures involved on it, allowing them to make the pertinent connections between the layouts of the high-frequency circuits and their previous lowfrequency knowledge in the first years of the degree. Likewise, it would serve as support in the theoretical-practical classes for the teacher to approach and exemplify the designs. In order to carry out the project, there was a work team with demonstrated teaching experience in the field of microwave and radio frequency engineering, structured around the following tasks: 1. Design of a lab syllabus supported by the simulation software. One of the objectives of this project was to study the integration of the simulation software within the practical programs of microwave and radio frequency courses. In particular, in the first phase of the implementation viability, the Microwave Electronics course of the Engineering Degree in Telecommunication Technologies and the High Frequency Electronics and Optoelectronics course of the Master Degree in Telecommunications Engineering were considered. The software was used to enrich the content of the currently active laboratory seminars and sought to cover the gaps that the teachers of these subjects have detected in the theoretical-experimental connection of the subject's contents. 2. Development of an autonomous work guide for the use of the simulation software An autonomous learning guide for the design of microwave filters was created, using the developed software as support. Additionally, laboratory scripts were developed for the design of the filters in order to promote the possible autonomous work in a lock-down situation. In order to facilitate the student independent work and avoid unfair scenarios in its development, the designs contained in these scripts were individualized for each student, for example, by setting the filter design frequency based on the figures on their identity document. 3. Review and update of the didactic software and check its compatibility with the hardware elements. In this task, the software package used in the project was reviewed and updated for its application in the lessons, lab practices and as an autonomous work tool for students. It is a package already developed by a student of the old Telecommunication Engineering Degree during his Final Degree Project whose simulation and layout export capacity were verified. In this task the in-house software was checked and updated in order to validate its compatibility with the layout exportation. 4. Characterization of the filters on microstrip technology The designs made using the in-house software and their layout for their fabrication were compared with designs already manufactured using microstrip technology available in the laboratory. These circuits are the ones that are currently available to students for their measurement and comparison with the theoretical results during the laboratory sessions. pág. 4 5. Project evaluation Finally, the necessary consultation and evaluation tools were implemented to find out what the students' experience would be in the case of an implementation of the developed tool and detect deficiencies. D. Resultados obtenidos En este apartado se detallan los resultados obtenidos a partir del proyecto de innovación docente. En primer lugar, se ha desarrollado un programa de prácticas coordinado para las asignaturas de Electrónica de Microondas (3º Ingeniería en Tecnologías de Telecomunicación) y Electrónica de Alta Frecuencia y Optoelectrónica (Máster en Ingeniería de Telecomunicación). Puesto que la educación en competencias está íntimamente relacionada con la experiencia práctica, con la necesidad de relacionar y usar conocimientos para lograr un fin determinado, el programa práctico de la asignatura constituye una herramienta esencial en el proceso de aprendizaje en el EEES. Por ello, el objetivo más importante que se planteó constituía el diseño de un programa de prácticas adecuado a las necesidades de las dos asignaturas desde una perspectiva semi-presencial. Actualmente se está trabajando en la redacción de un manual de laboratorio de radio-frecuencia y microondas que cubra las necesidades del programa de prácticas desde esta perspectiva. En segundo lugar, se ha comprobado y actualizado un paquete de herramientas software (MWSim) destinado a cubrir las distintas fases de la formación del alumnado con el propósito de: a) Apoyar la docencia teórica y práctica con la visualización de los fenómenos físicos que gobiernan el comportamiento de los circuitos de muy alta frecuencia o la simulación de dichos circuitos. b) Mejorar del proceso de formación autónoma del alumnado mediante herramientas software de simulación numérica que permitan la fijación de los conceptos introducidos en clase. Estas herramientas deben solventar los problemas existentes (ya mencionadaos) en las que se encuentran actualmente disponibles que son herramientas comerciales. El objetivo de esta segunda acción está básicamente relacionado con la fijación del conocimiento a través de experiencias prácticas y ejemplos de circuitos reales con interés en el diseño de circuitos de alta frecuencia. Con respecto al primer punto: el diseño del programa de prácticas se dividió esencialmente en dos partes: el laboratorio de instrumentación y el laboratorio de simulación numérica. a) En el laboratorio de instrumentación, se desarrolló un sistema de prácticas que optimiza el uso de los recursos hardware del laboratorio, potenciando el trabajo en grupo del alumnado. Los alumnos acceden al uso de algunos de los principales instrumentos en el rango de las microondas, como el Analizador de Redes, el Analizador de Espectros o el Analizador de Figura de Ruido. b) Para el laboratorio de simulación numérica, se estudiadaron las denominadas versiones de pág. 5 evaluación ofrecidas por programas profesionales de diseño de circuitos (PSpice, Ansoft Designer, Microwave Studio…). Se comprobó que las principales herramientas disponibles de forma gratuita, como Agilent ADS y Ansoft Designer, son versiones de funcionalidad limitada, que no permiten realizar algunas de las funciones deseadas en el programa de prácticas. En particular, carecen de un sistema adecuado de importación/exportación de datos y geometrías de circuitos. Sin embargo, el uso de cualquiera de estos dos programas para la comparación con los resultados de simulaciones con el simulador MWSim es muy útil y por tanto altamente recomendado su uso en un laboratorio avanzado de microondas. Sin embargo, para la realización del proceso de diseño/optimización/fabricación que se considera en una potencial implantación del porgrama prácticas, se consideró el paquete de herramientas MWSim. Con respecto al segundo punto, de comprobación y actualización del software MWSim, se resumen a continuación las principales características del mismo. Simulador básico de microondas MWSim Existen numerosas herramientas comerciales de simulación de circuitos de RF y microondas. La mayor parte de ellas consisten en la integración de simuladores electromagnéticos 3D o 2.5D (simuladores 2D que tienen en cuenta la presencia del plano de tierra en estructuras microstrip) en el diseño de sistemas basados en bloques (mediante modelado de parámetros S, en este caso). Algunos ejemplos de este tipo de paquetes comerciales son el sistema de Agilent Advanced Design System (ADS), AWR Corp. Microwave Office o el programa Ansoft Designer. Sin embargo, el uso adecuado de estas herramientas hace necesario un entrenamiento intenso que no se puede alcanzar en un curso introductorio de microondas. Además, como ya se ha mencionado sólo algunos de estos códigos están disponibles en versiones de estudiantes, y estas versiones están habitualmente truncadas de forma que buena parte de su funcionalidad desaparece. Como la solución de las ecuaciones de Maxwell mediante métodos numéricos es inherentemente necesaria en el diseño de antenas, hemos considerado que la docencia de microondas debe centrarse en el modelado mediante parámetros de scattering y que por tanto el diseño CAD (Computer-Aided Design) en la asignatura de microondas se centraría en la simulación basada en modelos de líneas de transmisión planares. Un código excelente basado en modelos de líneas de transmisión y de marcado carácter docente es PUFF. Este código fue desarrollado a finales de la década de 1980 y ha sido usado durante casi tres décadas con asiduidad en el entorno académico. Sus principales ventajas respecto a los códigos comerciales son: 1. Es más intuitivo, pues permite a los estudiantes ver el circuito que simulan, en contraste con otros simuladores basados en modelo (por ejemplo, el de ADS). 2. Los modelos implementados son simples pero suficientemente precisos para un curso introductorio. 3. Es una herramienta gratuita, en contraste con los carísimos códigos comerciales. Sin embargo, PUFF fue diseñado para MS-DOS y por tanto su estética y manejo difieren de los estándares actuales. Siguiendo el ejemplo de PUFF, en este proyecto de innovación docente se ha chequeado y actualizado MWSim, un simulador basado en modelos. Sus principales diferencias con PUFF son: pág. 6 i) interfaz gráfico actualizado a los estándares actuales. ii) una mayor variedad de modelos microstrip, lo que le permite obtener resultados más precisos similares a los de herramientas comerciales. iii) un formato de entrada/salida totalmente compatible con el estándar Touchstone (que permite el uso de técnicas de embedding y de-embedding con medidas del analizador vectorial de redes (VNA) del laboratorio, con simuladores electromagnéticos y con los datos proporcionados por fabricantes de semiconductores. iv) incluye la posibilidad de exportar ficheros al formato Gerber. La última característica es especialmente importante pues permitirá a los estudiantes exportar sus diseños a ficheros de geometría y fabricarlos usando máquinas automáticas de fresado, como las existentes en el laboratorio 3.11 de la ETSIIT. Las figuras 1 y 2 muestran dos de las pantallas del simulador (introducción de datos y resultados). En las figuras 3 y 4 se muestra un filtro paso bajo diseñado que fue fabricado haciendo uso de las características de exportación de MWSim. Se han redactado manuales de ayuda y de explicación del método numérico empleado. Figura 1. Interfaz de usuario del simulador MWSim pág. 7 Figura 2. Pantalla de resultados del simulador MWSim Figura 3. Filtro paso bajo fabricado a partir de un diseño realizado en MWSim Figura 4. Respuesta del filtro diseñado y fabricado con MWSim y medido con el VNA. pág. 8 Results obtained (In English) This section details the results obtained from the teaching innovation project, which consists of: In the first place, a coordinated program has been developed for the subjects of Microwave Electronics (3rd Engineering in Telecommunications Technologies) and High Frequency Electronics and Optoelectronics (Master in Telecommunications Engineering). Since education in skills is closely related to practical experience, with the need to relate and use knowledge to achieve a specific purpose, the practical program of the subject is an essential tool in the learning process in the EHEA. For this reason, the most important objective that was raised was the design of a laboratory syllabus adapted to the needs of the two subjects from a semi-face-to-face perspective. Currently, work is being done on the drafting of a radio-frequency and microwave laboratory manual that covers the necessities of the laboratory syllabus from this perspective. Secondly, a software tool package (MWSim) has been checked and updated to cover the different phases of student training in order to: a) Support theoretical and practical teaching with the visualization of the physical phenomena that govern the behavior of very high frequency circuits or their simulation. b) Improve the process of autonomous training of students through numerical simulation software tools that allow the assimilation of the concepts introduced in class. These tools should solve the existing problems in commercial tools. The objective of this second action is basically related to the establishment of knowledge through practical experiences and examples of real circuits with an interest in the design of high frequency circuits. Regarding the first point: the design of the practical program has been essentially divided into two parts: the instrumentation laboratory and the numerical simulation laboratory. a) In the instrumentation laboratory, a system has been developed to optimize the use of the laboratory hardware resources, enhancing the group work of the students. Students have access to the use of some of the main instruments in the microwave range, such as the Network Analyzer, the Spectrum Analyzer or the Noise Figure Analyzer. b) For the numerical simulation laboratory, the so-called evaluation versions offered by professional circuit design programs (PSpice, Ansoft Designer, Microwave Studio…) have been considered. The main tools available for free, such as Agilent ADS and Ansoft Designer, have been found to be limited-functionality versions, which do not allow you to perform some of the desired functions in the lab syllabus. In particular, they lack an adequate system for importing / exporting data and circuit geometries. However, the use of either of these two programs for comparison with the simulation results with the MWSim simulator is very useful and therefore highly recommended for use in an advanced microwave laboratory. However, to carry out the design / optimization / manufacturing process that is intended to be carried out in the lab, the MWSim tool package has been considered.