GEA
Las aplicaciones del electromagnetismo van desde los efectos biológicos al diseño de subsistemas en satélites de comunicaciones
José Antonio Encinar
Director del Grupo de Electromagnetismo Aplicado (GEA) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM)
El GEA tiene más de treinta años de experiencia en el diseño de componentes para satélites de comunicaciones. Para conocer mejor su trabajo, hablamos con su director, José Antonio Encinar.
¿Cuáles fueron los orígenes del grupo?
El GEA tiene sus orígenes en 1980, cuando un grupo de profesores de la ETS de Ingenieros de Telecomunicación de la UPM adoptaron el nombre de “Grupo de Electromagnetismo Aplicado” e iniciaron una línea de investigación enfocada en los efectos biológicos de las ondas electromagnéticas y sus aplicaciones terapéuticas. Se estudiaron los efectos producidos por las antenas de telefonía móvil y se contribuyó a definir las medidas de protección sanitaria frente a emisiones radioeléctricas. También se trabajó en la detección precoz del cáncer de mama, mediante termografía de microondas y su tratamiento mediante hipertermia, línea en la que continuamos trabajando.
Además de las aplicaciones médicas, ¿cuáles son sus principales líneas de investigación?
Fundamentalmente desarrollamos herramientas software para el análisis y diseño de dispositivos de radiofrecuencia y antenas. Hemos implementado métodos numéricos eficientes en electromagnetismo computacional, que han sido empleados en el diseño de componentes en satélites de comunicaciones como Hispasat, Astra y Eutelsat, o en misiones científicas como Mars Express y Venus Express. Además, el GEA es un referente mundial, reconocido por la Agencia Espacial Europea (ESA), en el desarrollo de antenas reflectarray para aplicaciones espaciales. Las antenas reflectarray presentan varias ventajas frente a los reflectores convencionales (bajo coste, operación multi-frecuencia y multi-polarización) y son fácilmente desplegables, incluso en satélites pequeños (como ha demostrado la NASA en las misiones ISARA y MARCO). El GEA ha liderado varios contratos de la ESA en los que se han desarrollado tecnologías innovadoras de reflectarray para antenas de satélites de difusión directa (televisión por satélite) y para coberturas multi-haz de acceso a Internet vía satélite (desde vuelos comerciales, cruceros o en situaciones de emergencia).
Pero no son las únicas líneas…
Otra de nuestras líneas de investigación consiste en el desarrollo de una tecnología de antenas que tienen la capacidad de cambiar sus características de radiación (dirección de apuntamiento y distribución de cobertura) de forma electrónica. El GEA ha demostrado una tecnología basada en reflectarrays de cristal líquido (LC-RA) para antenas de haz reconfigurable con un coste reducido. Esta tecnología tiene multitud de aplicaciones, como en futuras estaciones base de redes 5G, radares, o enlaces entre satélite y usuarios móviles.
¿Qué relación mantiene el GEA con otros grupos de investigación y con la industria?
El GEA mantiene una intensa actividad investigadora en colaboración con Universidades como Queen’s en Belfast, Queen’s en Kingston (Canadá), Univ. de California y Univ. de Toronto; con centros de investigación como la Fundación IT’IS (Suiza), el Instituto Fraunhofer, CNES y ESA-ESTEC; y con empresas como Telefónica, Airbus y Metawave (EEUU). Mediante varios contratos con la empresa “Airbus Espacio y Defensa”, hemos diseñado en los últimos años diferentes componentes para los satélites de comunicaciones KMIL, Amazonas 5 y SES-12.
¿Y en cuanto a producción científica?
Nuestro grupo tiene una alta producción científica, publicando los resultados de investigación en las revistas más prestigiosas a nivel internacional, como son las del Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). En los últimos 5 años hemos publicado más de 30 artículos en revistas del IEEE y más de 60 comunicaciones en congresos nacionales e internacionales. Los miembros del GEA son inventores en más de 10 patentes, algunas de ellas a nivel internacional.
¿Cuáles son los planes de futuro del GEA?
Nuestros planes pasan por continuar con las actuales líneas de investigación y por abordar nuevos retos en el desarrollo de tecnologías para comunicaciones por satélite y para futuras redes de 5G y 6G en ondas milimétricas. Recientemente hemos liderado la propuesta STELLA “Steerable Beam Reflectarray Antenna in Q, V/W bands for Gateway Links from LEO Satellites” con un consorcio de empresas europeas, presentada a la convocatoria de “Tecnologías de comunicaciones por satélite” de H2020. El objetivo de esta propuesta es demostrar una tecnología eficiente de antenas de haz reconfigurable en frecuencias de ondas milimétricas (40 y 50 GHz) basadas en LC-RA para proporcionar conectividad de banda ancha desde una constelación de satélites LEO.
Principales proyectos
– MYRADA (TEC2016-76070-C3-2-R). En este proyecto se han investigado diferentes soluciones tecnológicas para antenas que proporcionan acceso a Internet, bien desde satélite o en las futuras redes de comunicaciones 5G en ondas milimétricas.
Para las antenas de satélite, Se están desarrollando nuevos conceptos para dar mejor servicio a un mayor número de usuarios y para reducir el número de antenas necesarias en el satélite (actualmente 4) para proporcionar una cobertura multi-haz en 4 colores (2 frecuencias y 2 polarizaciones). Se ha diseñado una antena reflectarray que genera una cobertura Europea con haces elípticos que se van alternando en polarización (los reflectarrays permiten generar haces adyacentes en polarizaciones ortogonales). De esta manera, toda la cobertura se genera con una sola antena empleando haces en dos polarizaciones (solo dos colores). En cuanto a las antenas reconfigurables para redes 5G en ondas milimétricas, se ha diseño y fabricado un demostrador de antena LC-RA con capacidad de reconfiguración del haz a 94 GHz. Las medidas preliminares han sido satisfactorias, aunque es necesario reducir los tiempos de conmutación y las pérdidas para que la tecnología sea comercialmente competitiva.
– Nuevos métodos híbridos para la optimización de circuitos de alta frecuencia y de agrupaciones de antenas (TEC2017-83352-C2-1-P). En este proyecto se han desarrollado estrategias de escalado y pre-condicionamiento para resolver la Ecuación Integral de campo magnético y eléctrico en problemas multi-escala eléctricamente muy grandes, como en el caso de sistemas de antenas en un satélite.
– Nuevas tecnologías de fabricación aditivas para dispositivos pasivos en las bandas de microondas y milimétricas (TEC2016-76070-C3-2-R). Se centra en el diseño de dispositivos pasivos de microondas en tecnología de guía de onda para aplicaciones espaciales, combinadores de potencia y calentamiento, utilizado nuevas técnicas de fabricación aditiva.
– MARTA. Es un proyecto de la ESA en el que hemos demostrado que los cuatro reflectores empleados en los satélites que proporcionan acceso a Internet, pueden sustituirse por dos reflectarrays parabólicos, proporcionando un ahorro considerable de peso y volumen en la carga útil del satélite. Hemos diseñado, fabricado y medido un modelo a escala ½ de la antena real.
– ARIADNE. El GEA participa en el proyecto Artificial Intelligence Aided D-band Network for 5G Long Term Evolution (https://www.ict-ariadne.eu/), financiado por el Programa H2020. El objetivo es desarrollar e integrar tecnologías de radiofrecuencia e inteligencia artificial para comunicaciones inalámbricas de banda ancha, más allá del 5G. El GEA está desarrollando una antena, basada en LC-RA, capaz de adaptar electrónicamente la cobertura dentro de casas y edificios.
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