Resource allocation in GMD and SVD-based MIMO System

Singular-value decomposition (SVD)-based multiple-input multiple output (MIMO) systems, where the whole MIMO channel is decomposed into a number of unequally weighted single-input single-output (SISO) channels, have attracted a lot of attention in the wireless community. The unequal weighting of the SISO channels has led to intensive research on bit- and power allocation even in MIMO channel situation with poor scattering conditions identified as the antennas correlation effect. In this situation, the unequal weighting of the SISO channels becomes even much stronger. In comparison to the SVD-assisted MIMO transmission, geometric mean decomposition (GMD)-based MIMO systems are able to compensate the drawback of weighted SISO channels when using SVD, where the decomposition result is nearly independent of the antennas correlation effect. The remaining interferences after the GMD-based signal processing can be easily removed by using dirty paper precoding as demonstrated in this work. Our results show that GMD-based MIMO transmission has the potential to significantly simplify the bit and power loading processes and outperforms the SVD-based MIMO transmission as long as the same QAM-constellation size is used on all equally-weighted SISO channels.

Contribución a la caracterización espacial de canales con sistemas MIMO-OFDM en la banda de 2,45 Ghz

La tecnología de múltiples antenas ha evolucionado para dar soporte a los actuales y futuros sistemas de comunicaciones inalámbricas en su afán por proporcionar la calidad de señal y las altas tasas de transmisión que demandan los nuevos servicios de voz, datos y multimedia. Sin embargo, es fundamental comprender las características espaciales del canal radio, ya que son las características del propio canal lo que limita en gran medida las prestaciones de los sistemas de comunicación actuales. Por ello surge la necesidad de estudiar la estructura espacial del canal de propagación para poder diseñar, evaluar e implementar de forma más eficiente tecnologías multiantena en los actuales y futuros sistemas de comunicación inalámbrica. Las tecnologías multiantena denominadas antenas inteligentes y MIMO han generado un gran interés en el área de comunicaciones inalámbricas, por ejemplo los sistemas de telefonía celular o más recientemente en las redes WLAN (Wireless Local Area Network), principalmente por la mejora que proporcionan en la calidad de las señales y en la tasa de transmisión de datos, respectivamente. Las ventajas de estas tecnologías se fundamentan en el uso de la dimensión espacial para obtener ganancia por diversidad espacial, como ya sucediera con las tecnologías FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access) y CDMA (Code Division Multiplexing Access) para obtener diversidad en las dimensiones de frecuencia, tiempo y código, respectivamente. Esta Tesis se centra en estudiar las características espaciales del canal con sistemas de múltiples antenas mediante la estimación de los perfiles de ángulos de llegada (DoA, Direction-of- Arrival) considerando esquemas de diversidad en espacio, polarización y frecuencia. Como primer paso se realiza una revisión de los sistemas con antenas inteligentes y los sistemas MIMO, describiendo con detalle la base matemática que sustenta las prestaciones ofrecidas por estos sistemas. Posteriormente se aportan distintos estudios sobre la estimación de los perfiles de DoA de canales radio con sistemas multiantena evaluando distintos aspectos de antenas, algoritmos de estimación, esquemas de polarización, campo lejano y campo cercano de las fuentes. Así mismo, se presenta un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D en la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2,45 Ghz, el cual está preparado para caracterizar experimentalmente el rendimiento de los sistemas MIMO, y para caracterizar espacialmente canales de propagación, considerando los esquemas de diversidad espacial, por polarización y frecuencia. Los estudios aportados se describen a continuación. Los sistemas de antenas inteligentes dependen en gran medida de la posición de los usuarios. Estos sistemas están equipados con arrays de antenas, los cuales aportan la diversidad espacial necesaria para obtener una representación espacial fidedigna del canal radio a través de los perfiles de DoA (DoA, Direction-of-Arrival) y por tanto, la posición de las fuentes de señal. Sin embargo, los errores de fabricación de arrays así como ciertos parámetros de señal conlleva un efecto negativo en las prestaciones de estos sistemas. Por ello se plantea un modelo de señal parametrizado que permite estudiar la influencia que tienen estos factores sobre los errores de estimación de DoA, tanto en acimut como en elevación, utilizando los algoritmos de estimación de DOA más conocidos en la literatura. A partir de las curvas de error, se pueden obtener parámetros de diseño para sistemas de localización basados en arrays. En un segundo estudio se evalúan esquemas de diversidad por polarización con los sistemas multiantena para mejorar la estimación de los perfiles de DoA en canales que presentan pérdidas por despolarización. Para ello se desarrolla un modelo de señal en array con sensibilidad de polarización que toma en cuenta el campo electromagnético de ondas planas. Se realizan simulaciones MC del modelo para estudiar el efecto de la orientación de la polarización como el número de polarizaciones usadas en el transmisor como en el receptor sobre la precisión en la estimación de los perfiles de DoA observados en el receptor. Además, se presentan los perfiles DoA obtenidos en escenarios quasiestáticos de interior con un prototipo de medida MIMO 4x4 de banda estrecha en la banda de 2,45 GHz, los cuales muestran gran fidelidad con el escenario real. Para la obtención de los perfiles DoA se propone un método basado en arrays virtuales, validado con los datos de simulación y los datos experimentales. Con relación a la localización 3D de fuentes en campo cercano (zona de Fresnel), se presenta un tercer estudio para obtener con gran exactitud la estructura espacial del canal de propagación en entornos de interior controlados (en cámara anecóica) utilizando arrays virtuales. El estudio analiza la influencia del tamaño del array y el diagrama de radiación en la estimación de los parámetros de localización proponiendo, para ello, un modelo de señal basado en un vector de enfoque de onda esférico (SWSV). Al aumentar el número de antenas del array se consigue reducir el error RMS de estimación y mejorar sustancialmente la representación espacial del canal. La estimación de los parámetros de localización se lleva a cabo con un nuevo método de búsqueda multinivel adaptativo, propuesto con el fin de reducir drásticamente el tiempo de procesado que demandan otros algoritmos multivariable basados en subespacios, como el MUSIC, a costa de incrementar los requisitos de memoria. Las simulaciones del modelo arrojan resultados que son validados con resultados experimentales y comparados con el límite de Cramer Rao en términos del error cuadrático medio. La compensación del diagrama de radiación acerca sustancialmente la exactitud de estimación de la distancia al límite de Cramer Rao. Finalmente, es igual de importante la evaluación teórica como experimental de las prestaciones de los sistemas MIMO-OFDM. Por ello, se presenta el diseño e implementación de un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D autocalibrado con sistema de posicionamiento de antena automático en la banda de 2,45 Ghz con capacidad para evaluar la capacidad de los sistemas MIMO. Además, tiene la capacidad de caracterizar espacialmente canales MIMO, incorporando para ello una etapa de autocalibración para medir la respuesta en frecuencia de los transmisores y receptores de RF, y así poder caracterizar la respuesta de fase del canal con mayor precisión. Este sistema incorpora un posicionador de antena automático 3D (SPAA3D) basado en un scanner con 3 brazos mecánicos sobre los que se desplaza un posicionador de antena de forma independiente, controlado desde un PC. Este posicionador permite obtener una gran cantidad de mediciones del canal en regiones locales, lo cual favorece la caracterización estadística de los parámetros del sistema MIMO. Con este prototipo se realizan varias campañas de medida para evaluar el canal MIMO en términos de capacidad comparando 2 esquemas de polarización y tomando en cuenta la diversidad en frecuencia aportada por la modulación OFDM en distintos escenarios. ABSTRACT Multiple-antennas technologies have been evolved to be the support of the actual and future wireless communication systems in its way to provide the high quality and high data rates required by new data, voice and data services. However, it is important to understand the behavior of the spatial characteristics of the radio channel, since the channel by itself limits the performance of the actual wireless communications systems. This drawback raises the need to understand the spatial structure of the propagation channel in order to design, assess, and develop more efficient multiantenna technologies for the actual and future wireless communications systems. Multiantenna technologies such as ‘Smart Antennas’ and MIMO systems have generated great interest in the field of wireless communications, i.e. cellular communications systems and more recently WLAN (Wireless Local Area Networks), mainly because the higher quality and the high data rate they are able to provide. Their technological benefits are based on the exploitation of the spatial diversity provided by the use of multiple antennas as happened in the past with some multiaccess technologies such as FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access), and CDMA (Code Division Multiplexing Access), which give diversity in the domains of frequency, time and code, respectively. This Thesis is mainly focus to study the spatial channel characteristics using schemes of multiple antennas considering several diversity schemes such as space, polarization, and frequency. The spatial characteristics will be study in terms of the direction-of-arrival profiles viewed at the receiver side of the radio link. The first step is to do a review of the smart antennas and MIMO systems technologies highlighting their advantages and drawbacks from a mathematical point of view. In the second step, a set of studies concerning the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles are addressed. The performance of several DoA estimation methods is assessed considering several aspects regarding antenna array structure, polarization diversity, and far-field and near-field conditions. Most of the results of these studies come from simulations of data models and measurements with real multiantena prototypes. In the same way, having understand the importance of validate the theoretical data models with experimental results, a 2,4 GHz MIMO-OFDM-SPAA2D prototype is presented. This prototype is intended for evaluating MIMO-OFDM capacity in indoor and outdoor scenarios, characterize the spatial structure of radio channels, assess several diversity schemes such as polarization, space, and frequency diversity, among others aspects. The studies reported are briefly described below. As is stated in Chapter two, the determination of user position is a fundamental task to be resolved for the smart antenna systems. As these systems are equipped with antenna arrays, they can provide the enough spatial diversity to accurately draw the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles, and therefore the source location. However, certain real implementation factors related to antenna errors, signals, and receivers will certainly reduce the performance of such direction finding systems. In that sense, a parameterized narrowband signal model is proposed to evaluate the influence of these factors in the location parameter estimation through extensive MC simulations. The results obtained from several DoA algorithms may be useful to extract some parameter design for directing finding systems based on arrays. The second study goes through the importance that polarization schemes can have for estimating far-field DoA profiles in radio channels, particularly for scenarios that may introduce polarization losses. For this purpose, a narrowband signal model with polarization sensibility is developed to conduct an analysis of several polarization schemes at transmitter (TX) and receiver (RX) through extensive MC simulations. In addition, spatial characterization of quasistatic indoor scenarios is also carried out using a 2.45 GHz MIMO prototype equipped with single and dual-polarized antennas. A good agreement between the measured DoA profiles with the propagation scenario is achieved. The theoretical and experimental evaluation of polarization schemes is performed using virtual arrays. In that case, a DoA estimation method is proposed based on adding an phase reference to properly track the DoA, which shows good results. In the third study, the special case of near-field source localization with virtual arrays is addressed. Most of DoA estimation algorithms are focused in far-field source localization where the radiated wavefronts are assume to be planar waves at the receive array. However, when source are located close to the array, the assumption of plane waves is no longer valid as the wavefronts exhibit a spherical behavior along the array. Thus, a faster and effective method of azimuth, elevation angles-of-arrival, and range estimation for near-field sources is proposed. The efficacy of the proposed method is evaluated with simulation and validated with measurements collected from a measurement campaign carried out in a controlled propagation environment, i.e. anechoic chamber. Moreover, the performance of the method is assessed in terms of the RMSE for several array sizes, several source positions, and taking into account the effect of radiation pattern. In general, better results are obtained with larger array and larger source distances. The effect of the antennas is included in the data model leading to more accurate results, particularly for range rather than for angle estimation. Moreover, a new multivariable searching method based on the MUSIC algorithm, called MUSA (multilevel MUSIC-based algorithm), is presented. This method is proposed to estimate the 3D location parameters in a faster way than other multivariable algorithms, such as MUSIC algorithm, at the cost of increasing the memory size. Finally, in the last chapter, a MIMO-OFDM-SPAA3D prototype is presented to experimentally evaluate different MIMO schemes regarding antennas, polarization, and frequency in different indoor and outdoor scenarios. The prototype has been developed on a Software-Defined Radio (SDR) platform. It allows taking measurements where future wireless systems will be developed. The novelty of this prototype is concerning the following 2 subsystems. The first one is the tridimensional (3D) antenna positioning system (SPAA3D) based on three linear scanners which is developed for making automatic testing possible reducing errors of the antenna array positioning. A set of software has been developed for research works such as MIMO channel characterization, MIMO capacity, OFDM synchronization, and so on. The second subsystem is the RF autocalibration module at the TX and RX. This subsystem allows to properly tracking the spatial structure of indoor and outdoor channels in terms of DoA profiles. Some results are draw regarding performance of MIMO-OFDM systems with different polarization schemes and different propagation environments.

Antenas básicas para comunicaciones móviles

Debido al gran auge en las comunicaciones móviles, los terminales cada vez son más finos a la par que más grandes, pues cada vez los usuarios quieren tener terminales delgados pero con pantallas mayores. Por ello, el objetivo principal del proyecto es aprender y analizar las antenas usadas en los teléfonos móviles, concretamente las antenas impresas. En los últimos años con el aumento de los servicios ofrecidos por los terminales móviles se han ido añadiendo distintas bandas de frecuencia en las que trabajan estos terminales. Por ello, ha sido necesario diseñar antenas que no funcionen únicamente en una banda de frecuencia, sino antenas multibanda, es decir, antenas capaces de funcionar en las distintas bandas de frecuencias. Para realizar las simulaciones y pruebas de este proyecto se utilizó el software FEKO, tanto el CAD FEKO como el POST FEKO. El CAD FEKO se empleó para el diseño de la antena, mientras que el POST FEKO sirvió para analizar las simulaciones. Por último, hay que añadir que FEKO aunque está basado en el Método de los Momentos (MoM) es una herramienta que puede utilizar varios métodos numéricos. Además del MoM puede utilizar otras técnicas (por separado o hibridizadas) como son el Métodos de Elementos Finitos (FEM), Óptica Física (PO), Lanzamiento de rayos con Óptica Geométrica (RL-GO), Teoría Uniforme de la Difracción (UTD), Método de las Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo (FDTD), ... ABSTRACT. Because of the boom in mobile communications, terminals are thinner and so large, because users want to thin terminals but with large screens. Therefore, the main objective of the project is to learn and analyse the antennas used in mobile phones, specifically printed antennas. In recent years with the rise of the services offered by mobile terminals have been adding different frequency bands in which these terminals work. For that reason, it has been necessary to design antennas that not work only in a frequency band, but multiband antennas, i.e., antennas capable of operating in different frequency bands. For performing simulations and testing in this project will be used software FEKO, as the CAD FEKO and POST FEKO. The CAD FEKO is used for the design of the antenna, whereas the POST FEKO is used for simulation analysis. Finally, it has to add that FEKO is based on the Method of Moments (MoM) but also it can use several numerical methods. Besides the MoM, FEKO can use other techniques (separated or hybridized) such as the Finite Element Method (FEM), Physical Optics (PO), Ray-launching Geometrical Optics (RL-GO), Uniform Theory of Diffraction (UTD), Finite Difference Time Domain (FDTD) …

Acondicionamiento de una cámara anecoica para medidas de radiofrecuencia y CEM

El objetivo de este proyecto es la instalación del equipamiento necesario y el desarrollo de una ampliación informática para facilitar las medidas de radiofrecuencia en una cámara anecoica. Dichas medidas se llevarán a cabo en la nueva cámara anecoica de la ETSIST. Con este planteamiento se escogieron y montaron algunos equipos que la instalación construida no disponía y se llevó a cabo la puesta en marcha de los mismos. Posteriormente se diseñó y desarrolló el programa informático que controlaba los equipos instalados y se encargaba de todo el proceso de medida. De entre todas las opciones posibles, se escogió la plataforma LabVIEW para desarrollar el programa. Este entorno facilitaba enormemente la comunicación con los equipos a través de GPIB y permitía diseñar un programa de forma rápida. Además, se simplificó la interfaz de usuario, desarrollándola de forma intuitiva, para que cualquier persona pudiera manejar el programa sin tener que realizar un estudio previo de su funcionamiento. Una vez construida la aplicación se probó el sistema y se realizaron medidas de diferentes antenas diseñadas para otros proyectos docentes y de investigación. ABSTRACT. The goal of this project is to install the necessary equipment and the development of a software to facilitate measurements in an anechoic RF camera. These measures will be carried out in the ETSIST anechoic chamber. With this approach were chosen and set up some devices that the built facility did not have and the implementation of them was held. Later, the control software was designed and developed to command the installed equipment and it was responsible for the entire measurement process. Of all the possible options, LabVIEW platform was chosen to develop the program. This environment greatly facilitated communication with computers through GPIB bus and it allowed to design a program quickly. In addition, the user interface was simplify, developing intuitive so that anyone could use the program without having to make a preliminary study of its operation. Once the application was built the system was tested and several measurements of different antennas designed for other educational and research projects were carried out.

Sobre la solución del problema de la radiación electromagnética

En la presente Tesis Doctoral se propone una posible solución al problema de la radiación electromagnética. Este es un problema científico estudiado desde hace mucho tiempo y que hasta el presente no se ha podido resolver de manera exacta. Aquí se redefine nuevamente el problema y se plantea el mismo partiendo un modelo de radiador formado por dos placas planas circulares paralelas, que por sus reducidas dimensiones eléctricas, se considerará para el estudio como un dipolo simétrico corto. Se obtienen las soluciones de las ecuaciones de Maxwell para la radiación electromagnética emitida por dicho sistema y se propone lo que sería el principio de formación de las ondas electromagnéticas. Con ayuda de este se ofrece una posible interpretación de las soluciones obtenidas. Luego a dicho sistema se le realizan correcciones en sus dimensiones a fin de ajustar las soluciones obtenidas al caso real de un dipolo simétrico de media onda. Además se analiza de una manera sencilla la naturaleza material del campo electromagnético y su estructura, lo que hace posible proponer una manera original de comprender las ecuaciones de Maxwell. Finalmente se propone un modelo sencillo mediante el cual se puede demostrar la Ley de Planck para la distribución espectral de la energía electromagnética radiada por los cuerpos calientes, pero desde las soluciones de las ecuaciones de Maxwell para la radiación de las antenas. Con esto podría ser aceptado que la solución del problema de la radiación electromagnética es única tanto para las antenas como para los cuerpos calientes en la naturaleza. ABSTRACT In this PhD thesis a possible solution to the problem of electromagnetic radiation is proposed. This is a scientific problem which has been studied for a long time and to this day has still not exactly been solved. The problem is redefined here again and it is stated using a model formed by two flat parallel circular plates as the radiator system, which due to its reduced electrical dimensions will be considered for the study as a short symmetrical dipole. The solutions of the Maxwell equations for emitted electromagnetic radiation are obtained by said system, and that which could be the principle formation of electromagnetic waves is proposed. Using this principle, a possible interpretation of the solutions obtained is presented. Then the system will perform corrections in size to adjust the solutions obtained to the real case of a symmetrical half-wave dipole. The material nature of the electromagnetic field and its structure is also analyzed in a simple way, making it possible to present an original way to understand the Maxwell equations. Finally, a simple model which can be used to prove Planck's law of spectral distribution of the electromagnetic energy radiated by hot bodies is proposed, but parting from the solutions of the Maxwell equations for the antennas radiation. With this it could be accepted that the solution to the problem of electromagnetic radiation is unique to both antennas and hot bodies on nature.

Contribución al análisis eficiente y a la mejora de prestaciones de antenas reflectarray

El diseño de una antena reflectarray bajo la aproximación de periodicidad local requiere la determinación de la matriz de scattering de estructuras multicapa con metalizaciones periódicas para un gran número de geometrías diferentes. Por lo tanto, a la hora de diseñar antenas reflectarray en tiempos de CPU razonables, se necesitan herramientas númericas rápidas y precisas para el análisis de las estructuras periódicas multicapa. En esta tesis se aplica la versión Galerkin del Método de los Momentos (MDM) en el dominio espectral al análisis de las estructuras periódicas multicapa necesarias para el diseño de antenas reflectarray basadas en parches apilados o en dipolos paralelos coplanares. Desgraciadamente, la aplicación de este método numérico involucra el cálculo de series dobles infinitas, y mientras que algunas series convergen muy rápidamente, otras lo hacen muy lentamente. Para aliviar este problema, en esta tesis se propone un novedoso MDM espectral-espacial para el análisis de las estructuras periódicas multicapa, en el cual las series rápidamente convergente se calculan en el dominio espectral, y las series lentamente convergentes se calculan en el dominio espacial mediante una versión mejorada de la formulación de ecuaciones integrales de potenciales mixtos (EIPM) del MDM. Esta versión mejorada se basa en la interpolación eficiente de las funciones de Green multicapa periódicas, y en el cálculo eficiente de las integrales singulares que conducen a los elementos de la matriz del MDM. El novedoso método híbrido espectral-espacial y el tradicional MDM en el dominio espectral se han comparado en el caso de los elementos reflectarray basado en parches apilados. Las simulaciones numéricas han demostrado que el tiempo de CPU requerido por el MDM híbrido es alrededor de unas 60 veces más rápido que el requerido por el tradicional MDM en el dominio espectral para una precisión de dos cifras significativas. El uso combinado de elementos reflectarray con parches apilados y técnicas de optimización de banda ancha ha hecho posible diseñar antenas reflectarray de transmisiónrecepción (Tx-Rx) y polarización dual para aplicaciones de espacio con requisitos muy restrictivos. Desgraciadamente, el nivel de aislamiento entre las polarizaciones ortogonales en antenas DBS (típicamente 30 dB) es demasiado exigente para ser conseguido con las antenas basadas en parches apilados. Además, el uso de elementos reflectarray con parches apilados conlleva procesos de fabricación complejos y costosos. En esta tesis se investigan varias configuraciones de elementos reflectarray basadas en conjuntos de dipolos paralelos con el fin de superar los inconvenientes que presenta el elemento basado en parches apilados. Primeramente, se propone un elemento consistente en dos conjuntos apilados ortogonales de tres dipolos paralelos para aplicaciones de polarización dual. Se ha diseñado, fabricado y medido una antena basada en este elemento, y los resultados obtenidos para la antena indican que tiene unas altas prestaciones en términos de ancho de banda, pérdidas, eficiencia y discriminación contrapolar, además de requerir un proceso de fabricación mucho más sencillo que el de las antenas basadas en tres parches apilados. Desgraciadamente, el elemento basado en dos conjuntos ortogonales de tres dipolos paralelos no proporciona suficientes grados de libertad para diseñar antenas reflectarray de transmisión-recepción (Tx-Rx) de polarización dual para aplicaciones de espacio por medio de técnicas de optimización de banda ancha. Por este motivo, en la tesis se propone un nuevo elemento reflectarray que proporciona los grados de libertad suficientes para cada polarización. El nuevo elemento consiste en dos conjuntos ortogonales de cuatro dipolos paralelos. Cada conjunto contiene tres dipolos coplanares y un dipolo apilado. Para poder acomodar los dos conjuntos de dipolos en una sola celda de la antena reflectarray, el conjunto de dipolos de una polarización está desplazado medio período con respecto al conjunto de dipolos de la otra polarización. Este hecho permite usar solamente dos niveles de metalización para cada elemento de la antena, lo cual simplifica el proceso de fabricación como en el caso del elemento basados en dos conjuntos de tres dipolos paralelos coplanares. Una antena de doble polarización y doble banda (Tx-Rx) basada en el nuevo elemento ha sido diseñada, fabricada y medida. La antena muestra muy buenas presentaciones en las dos bandas de frecuencia con muy bajos niveles de polarización cruzada. Simulaciones numéricas presentadas en la tesis muestran que estos bajos de niveles de polarización cruzada se pueden reducir todavía más si se llevan a cabo pequeñas rotaciones de los dos conjuntos de dipolos asociados a cada polarización. ABSTRACT The design of a reflectarray antenna under the local periodicity assumption requires the determination of the scattering matrix of a multilayered structure with periodic metallizations for quite a large number of different geometries. Therefore, in order to design reflectarray antennas within reasonable CPU times, fast and accurate numerical tools for the analysis of the periodic multilayered structures are required. In this thesis the Galerkin’s version of the Method of Moments (MoM) in the spectral domain is applied to the analysis of the periodic multilayered structures involved in the design of reflectarray antennas made of either stacked patches or coplanar parallel dipoles. Unfortunately, this numerical approach involves the computation of double infinite summations, and whereas some of these summations converge very fast, some others converge very slowly. In order to alleviate this problem, in the thesis a novel hybrid MoM spectral-spatial domain approach is proposed for the analysis of the periodic multilayered structures. In the novel approach, whereas the fast convergent summations are computed in the spectral domain, the slowly convergent summations are computed by means of an enhanced Mixed Potential Integral Equation (MPIE) formulation of the MoM in the spatial domain. This enhanced formulation is based on the efficient interpolation of the multilayered periodic Green’s functions, and on the efficient computation of the singular integrals leading to the MoM matrix entries. The novel hybrid spectral-spatial MoM code and the standard spectral domain MoM code have both been compared in the case of reflectarray elements based on multilayered stacked patches. Numerical simulations have shown that the CPU time required by the hybrid MoM is around 60 times smaller than that required by the standard spectral MoM for an accuracy of two significant figures. The combined use of reflectarray elements based on stacked patches and wideband optimization techniques has made it possible to design dual polarization transmit-receive (Tx-Rx) reflectarrays for space applications with stringent requirements. Unfortunately, the required level of isolation between orthogonal polarizations in DBS antennas (typically 30 dB) is hard to achieve with the configuration of stacked patches. Moreover, the use of reflectarrays based on stacked patches leads to a complex and expensive manufacturing process. In this thesis, we investigate several configurations of reflectarray elements based on sets of parallel dipoles that try to overcome the drawbacks introduced by the element based on stacked patches. First, an element based on two stacked orthogonal sets of three coplanar parallel dipoles is proposed for dual polarization applications. An antenna made of this element has been designed, manufactured and measured, and the results obtained show that the antenna presents a high performance in terms of bandwidth, losses, efficiency and cross-polarization discrimination, while the manufacturing process is cheaper and simpler than that of the antennas made of stacked patches. Unfortunately, the element based on two sets of three coplanar parallel dipoles does not provide enough degrees of freedom to design dual-polarization transmit-receive (Tx-Rx) reflectarray antennas for space applications by means of wideband optimization techniques. For this reason, in the thesis a new reflectarray element is proposed which does provide enough degrees of freedom for each polarization. This new element consists of two orthogonal sets of four parallel dipoles, each set containing three coplanar dipoles and one stacked dipole. In order to accommodate the two sets of dipoles in each reflectarray cell, the set of dipoles for one polarization is shifted half a period from the set of dipoles for the other polarization. This also makes it possible to use only two levels of metallization for the reflectarray element, which simplifies the manufacturing process as in the case of the reflectarray element based on two sets of three parallel dipoles. A dual polarization dual-band (Tx-Rx) reflectarray antenna based on the new element has been designed, manufactured and measured. The antenna shows a very good performance in both Tx and Rx frequency bands with very low levels of cross-polarization. Numerical simulations carried out in the thesis have shown that the low levels of cross-polarization can be even made smaller by means of small rotations of the two sets of dipoles associated to each polarization.

Análisis de reflectores en MatLab

Sabor, Software de Análisis de BOcinas y Reflectores, es una herramienta didáctica la cual es utilizada en los laboratorios de la escuela para realizar prácticas de la asignatura Antenas y Compatibilidad Electromagnética, esta herramienta da a los alumnos una visión gráfica de lo que se enseña en clase de teoría de lo que son los campos en las aperturas de los reflectores. El proyector pretende sustituir al primer Sabor , ya que se queda obsoleto debido al sistema operativo, ya que funciona solo para Windows XP y con ordenadores de 32 bits, y también realizar mejoras y corregir errores de la versión anterior. El proyecto se ha desarrollado en Matlab que es un software matemático con grandes ventajas en cuanto a cálculo, desarrollo gráfico, y a la creación de nuevos algoritmos en su propio lenguaje y además está disponible para las plataformas Unix, Windows, Mac OSX y GNU/Linux. El objetivo del proyecto ha sido implementar, al igual que las versiones anteriores, cinco tipos de reflectores, como son: Parabólico, Offset, Cassegrain y los dos Dobles Offset, Cassegrain y Gregorian, y han sido analizados con un alimentador ideal ,cos-q, y por último los resultados obtenidos se han comparado con las versiones anteriores de Sabor, como son Sabor 3.0 y el primer Sabor. El proyecto consta de partes muy bien diferencias como son :  La interpretación correctas de las formulas que se han utilizado para la realización de este proyecto ,dichas formulas han sido las dadas por el proyecto fin de carrera titulado Sabor3.0 de Francisco Egea Castejón.  GUIDE, the graphical user interface development environment, con el que se creó: GUI, graphical user interface, que es la parte de Matlab dedicada a crear interfaces de usuario , herramienta utilizada para crear nuestras distintas ventanas dedicadas para la obtención de datos para analizar los distintos reflectores y para mostrar por pantalla los distintos resultados.  Programación Orientada a Objetos de Matlab y sus distintas propiedades como son la herencia lo cual es muy útil para ocupar menos memoria ya que con un único método podemos realizar distintos cálculos con los distintos reflectores, objetos, solo cambiando las propiedades de cada objeto  Y por último ha sido la realización de validación de los resultados con la ayuda de las versiones anteriores de Sabor, que están detallados en el capítulo 5 y la unión con bocinas del proyecto fin de carrera Análisis de Bocinas en Matlab de Javier Montero. Por otra parte tenemos las mejoras realizadas a las antiguas versiones como son: realización de registros que el usuario puede guardar y cargar con las distintas variables, también se ha realizado un fichero .txt en el que consta la amplitud del campo con su respectiva theta para que el usuario pueda visualizarlo en cualquier plataforma gráfica de datos como por ejemplo exel. ABSTRACT. Sabor, Software de Análisis de BOcinas y Reflectores, is a teaching tool, which is used to do laboratory practice in the subject of Antennas y Compatibilidad Electromagnética, this tool gives students a graphic view of the knowledge that are given in theory class in regard to aperture field of reflectors. This project intend to replace the first Sabor, because it is outdated, due to the operating system, because Sabor works only with Widows XP and computer with 32 bits, and to make improves and correct errors that were detected in the last version of Sabor too. This project has been carried out in Matlab, which is a mathematical software with high-level language for numerical computation, visualization and application development, and furthermore it is available to different platforms such as Unix, Windows ,Mac OSX and GNU/Linux This project has focused on implementing, the same as last versions, five kind of reflectors, such as : Parabolic, Offset, Cassegrain and two offset dual reflector Cassegrain y Gregorian ,and these were analysed with a cos-q ideal feed, and finally the results were checked with the versions of Sabor, as well as Sabor 3.0 and the first Sabor. This project consist of four parts:  The correct interpretation of the formulas , which were used to do this project, from the final project Sabor3.0 by Francisco Egea Castejón.  GUIDE, the graphical user interface development environment, tool that was used to create : GUI, graphical user interface, part of Matlab dedicated to create user interface.  Object Oriented Programming of Matlab and different properties like inheritance, that is very useful for saving memory space because with only one method we can analyse different kind of reflectors, object, only change the properties of the object.  At finally, the results were contrasted with the results from the previous versions and the link reflectors with horns from the final project Análisis de Bocinas en Matlab by Javier Montero. On the other hand, we have the improvements such as: registers and .txt file. The registers are used by user to save and load different variables and .txt file is useful because it allows to the user plotting in different platforms for example exel.

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 and demonstration of an electronically scanned reflectarray antenna at 100 GHz using multiresonant cells based on liquid crystals

The design, fabrication and measured results are presented for a reconfigurable reflectarray antenna based on liquid crystals (LC) which operates above 100 GHz. The antenna has been designed to provide beam scanning capabilities over a wide angular range, a large bandwidth and reduced Side-Lobe Level. Measured radiation patterns are in good agreement with simulations, and show that the antenna generates an electronically steerable beam in one plane over an angular range of 55º in the frequency band from 96 to 104 GHz. The Side Lobes Level is lower than -13 dB for all the scan angles and -18 dB is obtained over 16% of the scan range. The measured performance is significantly better than previously published results for this class of electronically tunable antenna, and moreover verifies the accuracy of the proposed procedure for LC modeling and antenna design.

A Transportable Reflectarray Antenna for Satellite Ku-band Emergency Communications

The design of a Ku-band reconfigurable reflectarray antenna for emergency satellite communications is presented. Bidirectional high data rate satellite links are needed in emergency conditions where other telecommunication infrastructures are not available. In order to operate in this type of scenario, an antenna should be deployable, transportable, and easily repointable. The need of an automatic and fast satellite location and pointing system leads to a completely electronic reconfigurable antenna. The operative bandwidth is from 10.7 to 12.5 GHz for reception and from 14 up to 14.5 GHz for transmission (30% of relative bandwidth). The selected antenna architecture is based on a dual reflectarray system comprising a passive subreflectarray and an active main reflectarray made of reconfigurable 1-bit elementary cells based on PIN diodes.

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

Induced Damping on Vibrating Circular Plates Submerged in still Fluid

When a structure vibrates immersed in a fluid it is known that the dynamic properties of the system are modified. The surrounding fluid will, in general, contribute to the inertia, the rigidity and the damping coefficient of the coupled fluid-structure system. For light structures, like spacecraft antennas, even when the fluid is air the contribution to the dynamic properties can be important. For not so light structures the ratio of the equivalent fluid/structure mass and rigidity can be very small and the fluid contribution could be neglected. For the ratio of equivalent fluid/structure damping both terms are of the same order and therefore the fluid contribution must be studied. The working life of the spacecraft structure would be on space and so without any surrounding fluid. The response of a spacecraft structure on its operational life would be attenuated by the structural damping alone but when the structure is dynamically tested on the earth the dynamic modal test is performed with the fluid surrounding it. The results thus are contaminated by the effects of the fluid. If the damping added by the fluid is of the same order as the structural damping the response of the structure in space can be quite different to the response predicted on earth. It is therefore desirable to have a method able to determine the amount of damping induced by the fluid and that should be subtracted of the total damping measured on the modal vibration test. In this work, a method for the determination of the effect of the surrounding fluid on the dynamic characteristics of a circular plate has been developed. The plate is assumed to vibrate harmonically with the vacuum modes and the generalized forces matrix due to the fluid is thus computed. For a compressible fluid this matrix is formed by complex numbers including terms of inertia, rigidity and damping. The matrix due to the fluid loading is determined by a boundary element method (BEM). The BEM used is of circular rings on the plate surface so the number of elements to obtain an accurate result is very low. The natural frequencies of the system are computed by an iteration procedure one by one and also the damping fluid contribution. Comparisons of the present method with various experimental data and other theories show the efficiency and accuracy of the method for any support condition of the plate.