New methods for the synthesis of radiation patterns of coupled antenna arrays = Nuevos métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas acopladas

El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas, en donde se realiza una caracterización electromagnética rigurosa de los elementos radiantes y de los acoplos mutuos existentes. Esta caracterización no se realiza habitualmente en la gran mayoría de métodos de síntesis encontrados en la literatura, debido fundamentalmente a dos razones. Por un lado, se considera que el diagrama de radiación de un array de antenas se puede aproximar con el factor de array que únicamente tiene en cuenta la posición de los elementos y las excitaciones aplicadas a los mismos. Sin embargo, como se mostrará en esta tesis, en múltiples ocasiones un riguroso análisis de los elementos radiantes y del acoplo mutuo entre ellos es importante ya que los resultados obtenidos pueden ser notablemente diferentes. Por otro lado, no es sencillo combinar un método de análisis electromagnético con un proceso de síntesis de diagramas de radiación. Los métodos de análisis de agrupaciones de antenas suelen ser costosos computacionalmente, ya que son estructuras grandes en términos de longitudes de onda. Generalmente, un diseño de un problema electromagnético suele comprender varios análisis de la estructura, dependiendo de las variaciones de las características, lo que hace este proceso muy costoso. Dos métodos se utilizan en esta tesis para el análisis de los arrays acoplados. Ambos están basados en el método de los elementos finitos, la descomposición de dominio y el análisis modal para analizar la estructura radiante y han sido desarrollados en el grupo de investigación donde se engloba esta tesis. El primero de ellos es una técnica de análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito. Su uso es indicado para arrays planos de grandes dimensiones con elementos equiespaciados. El segundo caracteriza el array y el acoplo mutuo entre elementos a partir de una expansión en modos esféricos del campo radiado por cada uno de los elementos. Este método calcula los acoplos entre los diferentes elementos del array usando las propiedades de traslación y rotación de los modos esféricos. Es capaz de analizar agrupaciones de elementos distribuidos de forma arbitraria. Ambas técnicas utilizan una formulación matricial que caracteriza de forma rigurosa el campo radiado por el array. Esto las hace muy apropiadas para su posterior uso en una herramienta de diseño, como los métodos de síntesis desarrollados en esta tesis. Los resultados obtenidos por estas técnicas de síntesis, que incluyen métodos rigurosos de análisis, son consecuentemente más precisos. La síntesis de arrays consiste en modificar uno o varios parámetros de las agrupaciones de antenas buscando unas determinadas especificaciones de las características de radiación. Los parámetros utilizados como variables de optimización pueden ser varios. Los más utilizados son las excitaciones aplicadas a los elementos, pero también es posible modificar otros parámetros de diseño como son las posiciones de los elementos o las rotaciones de estos. Los objetivos de las síntesis pueden ser dirigir el haz o haces en una determinada dirección o conformar el haz con formas arbitrarias. Además, es posible minimizar el nivel de los lóbulos secundarios o del rizado en las regiones deseadas, imponer nulos que evitan posibles interferencias o reducir el nivel de la componente contrapolar. El método para el análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito considera un array finito como un array infinito con un número finito de elementos excitados. Los elementos no excitados están físicamente presentes y pueden presentar tres diferentes terminaciones, corto-circuito, circuito abierto y adaptados. Cada una de estas terminaciones simulará mejor el entorno real en el que el array se encuentre. Este método de análisis se integra en la tesis con dos métodos diferentes de síntesis de diagramas de radiación. En el primero de ellos se presenta un método basado en programación lineal en donde es posible dirigir el haz o haces, en la dirección deseada, además de ejercer un control sobre los lóbulos secundarios o imponer nulos. Este método es muy eficiente y obtiene soluciones óptimas. El mismo método de análisis es también aplicado a un método de conformación de haz, en donde un problema originalmente no convexo (y de difícil solución) es transformado en un problema convexo imponiendo restricciones de simetría, resolviendo de este modo eficientemente un problema complejo. Con este método es posible diseñar diagramas de radiación con haces de forma arbitraria, ejerciendo un control en el rizado del lóbulo principal, así como en el nivel de los lóbulos secundarios. El método de análisis de arrays basado en la expansión en modos esféricos se integra en la tesis con tres técnicas de síntesis de diagramas de radiación. Se propone inicialmente una síntesis de conformación del haz basado en el método de la recuperación de fase resuelta de forma iterativa mediante métodos convexos, en donde relajando las restricciones del problema original se consiguen unas soluciones cercanas a las óptimas de manera eficiente. Dos métodos de síntesis se han propuesto, donde las variables de optimización son las posiciones y las rotaciones de los elementos respectivamente. Se define una función de coste basada en la intensidad de radiación, la cual es minimizada de forma iterativa con el método del gradiente. Ambos métodos reducen el nivel de los lóbulos secundarios minimizando una función de coste. El gradiente de la función de coste es obtenido en términos de la variable de optimización en cada método. Esta función de coste está formada por la expresión rigurosa de la intensidad de radiación y por una función de peso definida por el usuario para imponer prioridades sobre las diferentes regiones de radiación, si así se desea. Por último, se presenta un método en el cual, mediante técnicas de programación entera, se buscan las fases discretas que generan un diagrama de radiación lo más cercano posible al deseado. Con este método se obtienen diseños que minimizan el coste de fabricación. En cada uno de las diferentes técnicas propuestas en la tesis, se presentan resultados con elementos reales que muestran las capacidades y posibilidades que los métodos ofrecen. Se comparan los resultados con otros métodos disponibles en la literatura. Se muestra la importancia de tener en cuenta los diagramas de los elementos reales y los acoplos mutuos en el proceso de síntesis y se comparan los resultados obtenidos con herramientas de software comerciales. ABSTRACT The main objective of this thesis is the development of optimization methods for the radiation pattern synthesis of array antennas in which a rigorous electromagnetic characterization of the radiators and the mutual coupling between them is performed. The electromagnetic characterization is usually overlooked in most of the available synthesis methods in the literature, this is mainly due to two reasons. On the one hand, it is argued that the radiation pattern of an array is mainly influenced by the array factor and that the mutual coupling plays a minor role. As it is shown in this thesis, the mutual coupling and the rigorous characterization of the array antenna influences significantly in the array performance and its computation leads to differences in the results obtained. On the other hand, it is difficult to introduce an analysis procedure into a synthesis technique. The analysis of array antennas is generally expensive computationally as the structure to analyze is large in terms of wavelengths. A synthesis method requires to carry out a large number of analysis, this makes the synthesis problem very expensive computationally or intractable in some cases. Two methods have been used in this thesis for the analysis of coupled antenna arrays, both of them have been developed in the research group in which this thesis is involved. They are based on the finite element method (FEM), the domain decomposition and the modal analysis. The first one obtains a finite array characterization with the results obtained from the infinite array approach. It is specially indicated for the analysis of large arrays with equispaced elements. The second one characterizes the array elements and the mutual coupling between them with a spherical wave expansion of the radiated field by each element. The mutual coupling is computed using the properties of translation and rotation of spherical waves. This method is able to analyze arrays with elements placed on an arbitrary distribution. Both techniques provide a matrix formulation that makes them very suitable for being integrated in synthesis techniques, the results obtained from these synthesis methods will be very accurate. The array synthesis stands for the modification of one or several array parameters looking for some desired specifications of the radiation pattern. The array parameters used as optimization variables are usually the excitation weights applied to the array elements, but some other array characteristics can be used as well, such as the array elements positions or rotations. The desired specifications may be to steer the beam towards any specific direction or to generate shaped beams with arbitrary geometry. Further characteristics can be handled as well, such as minimize the side lobe level in some other radiating regions, to minimize the ripple of the shaped beam, to take control over the cross-polar component or to impose nulls on the radiation pattern to avoid possible interferences from specific directions. The analysis method based on the infinite array approach considers an infinite array with a finite number of excited elements. The infinite non-excited elements are physically present and may have three different terminations, short-circuit, open circuit and match terminated. Each of this terminations is a better simulation for the real environment of the array. This method is used in this thesis for the development of two synthesis methods. In the first one, a multi-objective radiation pattern synthesis is presented, in which it is possible to steer the beam or beams in desired directions, minimizing the side lobe level and with the possibility of imposing nulls in the radiation pattern. This method is very efficient and obtains optimal solutions as it is based on convex programming. The same analysis method is used in a shaped beam technique in which an originally non-convex problem is transformed into a convex one applying symmetry restrictions, thus solving a complex problem in an efficient way. This method allows the synthesis of shaped beam radiation patterns controlling the ripple in the mainlobe and the side lobe level. The analysis method based on the spherical wave expansion is applied for different synthesis techniques of the radiation pattern of coupled arrays. A shaped beam synthesis is presented, in which a convex formulation is proposed based on the phase retrieval method. In this technique, an originally non-convex problem is solved using a relaxation and solving a convex problems iteratively. Two methods are proposed based on the gradient method. A cost function is defined involving the radiation intensity of the coupled array and a weighting function that provides more degrees of freedom to the designer. The gradient of the cost function is computed with respect to the positions in one of them and the rotations of the elements in the second one. The elements are moved or rotated iteratively following the results of the gradient. A highly non-convex problem is solved very efficiently, obtaining very good results that are dependent on the starting point. Finally, an optimization method is presented where discrete digital phases are synthesized providing a radiation pattern as close as possible to the desired one. The problem is solved using linear integer programming procedures obtaining array designs that greatly reduce the fabrication costs. Results are provided for every method showing the capabilities that the above mentioned methods offer. The results obtained are compared with available methods in the literature. The importance of introducing a rigorous analysis into the synthesis method is emphasized and the results obtained are compared with a commercial software, showing good agreement.

Design of broadband transmitarray unit cells with comparative study of different numbers of layers

A generalized methodology to design low-profile transmitarray (TA) antennas made of several stacked layers with nonresonant printed phasing elements is presented. A study of the unit cell bandwidth, phase-shift range and tolerances has been conducted considering different numbers of layers. A structure with three metalized layers with capacitive and inductive elements enabling a phase range of nearly 360° and low insertion loss is introduced. A study of the four-layer structure shows improvement in the performance of the unit cells in terms of bandwidth from 2% to more than 20% and a complete phase coverage. Implementations on a flexible substrate of TAs with progressive phase shift operating at 19 GHz are used for validation.

A source reconstruction technique for planar arrays of wide slots

A method to reconstruct the excitation coefficients of wide-slot arrays from near-field data is presented. The plane wave spectrum (PWS) is used for reconstruction, and the shape of the field distribution on a wide slot is considered in the calculation of the PWS. The proposed algorithm is validated through the reconstruction of the excitation coefficients of a wide-slot array with element failures from the simulated nearfield data. The element failures are clearly located by the proposed algorithm

Análisis de las herramientas ORCC y Vivado HLS para la Síntesis de Modelos de Flujo de Datos RVC-CAL

En este Proyecto Fin de Grado se ha realizado un estudio de cómo generar, a partir de modelos de flujo de datos en RVC-CAL (Reconfigurable Video Coding – CAL Actor Language), modelos VHDL (Versatile Hardware Description Language) mediante Vivado HLS (Vivado High Level Synthesis), incluida en las herramientas disponibles en Vivado de Xilinx. Una vez conseguido el modelo VHDL resultante, la intención es que mediante las herramientas de Xilinx se programe en una FPGA (Field Programmable Gate Array) o el dispositivo Zynq también desarrollado por Xilinx. RVC-CAL es un lenguaje de flujo de datos que describe la funcionalidad de bloques funcionales, denominados actores. Las funcionalidades que desarrolla un actor se definen como acciones, las cuales pueden ser diferentes en un mismo actor. Los actores pueden comunicarse entre sí y formar una red de actores o network. Con Vivado HLS podemos obtener un diseño VHDL a partir de un modelo en lenguaje C. Por lo que la generación de modelos en VHDL a partir de otros en RVC-CAL, requiere una fase previa en la que los modelos en RVC-CAL serán compilados para conseguir su equivalente en lenguaje C. El compilador ORCC (Open RVC-CAL Compiler) es la herramienta que nos permite lograr diseños en lenguaje C partiendo de modelos en RVC-CAL. ORCC no crea directamente el código ejecutable, sino que genera un código fuente disponible para ser compilado por otra herramienta, en el caso de este proyecto, el compilador GCC (Gnu C Compiler) de Linux. En resumen en este proyecto nos encontramos con tres puntos de estudio bien diferenciados, los cuales son: 1. Partimos de modelos de flujo de datos en RVC-CAL, los cuales son compilados por ORCC para alcanzar su traducción en lenguaje C. 2. Una vez conseguidos los diseños equivalentes en lenguaje C, son sintetizados en Vivado HLS para conseguir los modelos en VHDL. 3. Los modelos VHDL resultantes serian manipulados por las herramientas de Xilinx para producir el bitstream que sea programado en una FPGA o en el dispositivo Zynq. En el estudio del segundo punto, nos encontramos con una serie de elementos conflictivos que afectan a la síntesis en Vivado HLS de los diseños en lenguaje C generados por ORCC. Estos elementos están relacionados con la manera que se encuentra estructurada la especificación en C generada por ORCC y que Vivado HLS no puede soportar en determinados momentos de la síntesis. De esta manera se ha propuesto una transformación “manual” de los diseños generados por ORCC que afecto lo menos posible a los modelos originales para poder realizar la síntesis con Vivado HLS y crear el fichero VHDL correcto. De esta forma este documento se estructura siguiendo el modelo de un trabajo de investigación. En primer lugar, se exponen las motivaciones y objetivos que apoyan y se esperan lograr en este trabajo. Seguidamente, se pone de manifiesto un análisis del estado del arte de los elementos necesarios para el desarrollo del mismo, proporcionando los conceptos básicos para la correcta comprensión y estudio del documento. Se realiza una descripción de los lenguajes RVC-CAL y VHDL, además de una introducción de las herramientas ORCC y Vivado, analizando las bondades y características principales de ambas. Una vez conocido el comportamiento de ambas herramientas, se describen las soluciones desarrolladas en nuestro estudio de la síntesis de modelos en RVC-CAL, poniéndose de manifiesto los puntos conflictivos anteriormente señalados que Vivado HLS no puede soportar en la síntesis de los diseños en lenguaje C generados por el compilador ORCC. A continuación se presentan las soluciones propuestas a estos errores acontecidos durante la síntesis, con las cuales se pretende alcanzar una especificación en C más óptima para una correcta síntesis en Vivado HLS y alcanzar de esta forma los modelos VHDL adecuados. Por último, como resultado final de este trabajo se extraen un conjunto de conclusiones sobre todos los análisis y desarrollos acontecidos en el mismo. Al mismo tiempo se proponen una serie de líneas futuras de trabajo con las que se podría continuar el estudio y completar la investigación desarrollada en este documento. ABSTRACT. In this Project it has made a study of how to generate, from data flow models in RVC-CAL (Reconfigurable Video Coding - Actor CAL Language), VHDL models (Versatile Hardware Description Language) by Vivado HLS (Vivado High Level Synthesis), included in the tools available in Vivado of Xilinx. Once achieved the resulting VHDL model, the intention is that by the Xilinx tools programmed in FPGA or Zynq device also developed by Xilinx. RVC-CAL is a dataflow language that describes the functionality of functional blocks, called actors. The functionalities developed by an actor are defined as actions, which may be different in the same actor. Actors can communicate with each other and form a network of actors. With Vivado HLS we can get a VHDL design from a model in C. So the generation of models in VHDL from others in RVC-CAL requires a preliminary phase in which the models RVC-CAL will be compiled to get its equivalent in C. The compiler ORCC (Open RVC-CAL Compiler) is the tool that allows us to achieve designs in C language models based on RVC-CAL. ORCC not directly create the executable code but generates an available source code to be compiled by another tool, in the case of this project, the GCC compiler (GNU C Compiler) of Linux. In short, in this project we find three well-defined points of study, which are: 1. We start from data flow models in RVC-CAL, which are compiled by ORCC to achieve its translation in C. 2. Once you realize the equivalent designs in C, they are synthesized in Vivado HLS for VHDL models. 3. The resulting models VHDL would be manipulated by Xilinx tools to produce the bitstream that is programmed into an FPGA or Zynq device. In the study of the second point, we find a number of conflicting elements that affect the synthesis Vivado HLS designs in C generated by ORCC. These elements are related to the way it is structured specification in C generated ORCC and Vivado HLS cannot hold at certain times of the synthesis. Thus it has proposed a "manual" transformation of designs generated by ORCC that affected as little as possible to the original in order to perform the synthesis Vivado HLS and create the correct file VHDL models. Thus this document is structured along the lines of a research. First, the motivations and objectives that support and hope to reach in this work are presented. Then it shows an analysis the state of the art of the elements necessary for its development, providing the basics for a correct understanding and study of the document. A description of the RVC-CAL and VHDL languages is made, in addition an introduction of the ORCC and Vivado tools, analyzing the advantages and main features of both. Once you know the behavior of both tools, the solutions developed in our study of the synthesis of RVC-CAL models, introducing the conflicting points mentioned above are described that Vivado HLS cannot stand in the synthesis of design in C language generated by ORCC compiler. Below the proposed solutions to these errors occurred during synthesis, with which it is intended to achieve optimum C specification for proper synthesis Vivado HLS and thus create the appropriate VHDL models are presented. Finally, as the end result of this work a set of conclusions on all analyzes and developments occurred in the same are removed. At the same time a series of future lines of work which could continue to study and complete the research developed in this document are proposed.