Contribution to the Analysis, Design and Assessment of Compact Antenna Test Ranges At Millimeter Wavelengths - Contribución al Análisis, Diseño y Caracterización de Sistemas de Medida de Antenas en Rango Compacto para Frecuencias Milimétricas

This Doctoral Thesis entitled Contribution to the analysis, design and assessment of compact antenna test ranges at millimeter wavelengths aims to deepen the knowledge of a particular antenna measurement system: the compact range, operating in the frequency bands of millimeter wavelengths. The thesis has been developed at Radiation Group (GR), an antenna laboratory which belongs to the Signals, Systems and Radiocommunications department (SSR), from Technical University of Madrid (UPM). The Radiation Group owns an extensive experience on antenna measurements, running at present four facilities which operate in different configurations: Gregorian compact antenna test range, spherical near field, planar near field and semianechoic arch system. The research work performed in line with this thesis contributes the knowledge of the first measurement configuration at higher frequencies, beyond the microwaves region where Radiation Group features customer-level performance. To reach this high level purpose, a set of scientific tasks were sequentially carried out. Those are succinctly described in the subsequent paragraphs. A first step dealed with the State of Art review. The study of scientific literature dealed with the analysis of measurement practices in compact antenna test ranges in addition with the particularities of millimeter wavelength technologies. Joint study of both fields of knowledge converged, when this measurement facilities are of interest, in a series of technological challenges which become serious bottlenecks at different stages: analysis, design and assessment. Thirdly after the overview study, focus was set on Electromagnetic analysis algorithms. These formulations allow to approach certain electromagnetic features of interest, such as field distribution phase or stray signal analysis of particular structures when they interact with electromagnetic waves sources. Properly operated, a CATR facility features electromagnetic waves collimation optics which are large, in terms of wavelengths. Accordingly, the electromagnetic analysis tasks introduce an extense number of mathematic unknowns which grow with frequency, following different polynomic order laws depending on the used algorithmia. In particular, the optics configuration which was of our interest consisted on the reflection type serrated edge collimator. The analysis of these devices requires a flexible handling of almost arbitrary scattering geometries, becoming this flexibility the nucleus of the algorithmia’s ability to perform the subsequent design tasks. This thesis’ contribution to this field of knowledge consisted on reaching a formulation which was powerful at the same time when dealing with various analysis geometries and computationally speaking. Two algorithmia were developed. While based on the same principle of hybridization, they reached different order Physics performance at the cost of the computational efficiency. Inter-comparison of their CATR design capabilities was performed, reaching both qualitative as well as quantitative conclusions on their scope. In third place, interest was shifted from analysis - design tasks towards range assessment. Millimetre wavelengths imply strict mechanical tolerances and fine setup adjustment. In addition, the large number of unknowns issue already faced in the analysis stage appears as well in the on chamber field probing stage. Natural decrease of dynamic range available by semiconductor millimeter waves sources requires in addition larger integration times at each probing point. These peculiarities increase exponentially the difficulty of performing assessment processes in CATR facilities beyond microwaves. The bottleneck becomes so tight that it compromises the range characterization beyond a certain limit frequency which typically lies on the lowest segment of millimeter wavelength frequencies. However the value of range assessment moves, on the contrary, towards the highest segment. This thesis contributes this technological scenario developing quiet zone probing techniques which achieves substantial data reduction ratii. Collaterally, it increases the robustness of the results to noise, which is a virtual rise of the setup’s available dynamic range. In fourth place, the environmental sensitivity of millimeter wavelengths issue was approached. It is well known the drifts of electromagnetic experiments due to the dependance of the re sults with respect to the surrounding environment. This feature relegates many industrial practices of microwave frequencies to the experimental stage, at millimeter wavelengths. In particular, evolution of the atmosphere within acceptable conditioning bounds redounds in drift phenomena which completely mask the experimental results. The contribution of this thesis on this aspect consists on modeling electrically the indoor atmosphere existing in a CATR, as a function of environmental variables which affect the range’s performance. A simple model was developed, being able to handle high level phenomena, such as feed - probe phase drift as a function of low level magnitudes easy to be sampled: relative humidity and temperature. With this model, environmental compensation can be performed and chamber conditioning is automatically extended towards higher frequencies. Therefore, the purpose of this thesis is to go further into the knowledge of millimetre wavelengths involving compact antenna test ranges. This knowledge is dosified through the sequential stages of a CATR conception, form early low level electromagnetic analysis towards the assessment of an operative facility, stages for each one of which nowadays bottleneck phenomena exist and seriously compromise the antenna measurement practices at millimeter wavelengths.

Matriz de Butler de Banda Ancha en Banda X para Antenas Reconfigurables

The work presented in this document shows the complete simulation of a Butler matrix. This circuit will be used in the feeding of a steerable on board antenna in X band. The antenna consists of printed elements grouped in an array. This terminal works in a frequency band from 7.25 up to 8.4 GHz (15% of bandwidth), where both bands, reception (7.25 – 7.75 GHz) and transmission (7.9–8.4 GHz), are included simultaneously. The whole antenna reaches 31 dBi, with a beam width smaller than 10º and a dual circular polarization. This antenna also includes the capability of electronic steering in elevation ±45º and mechanically motorized junction 360º in azimuth.

Red Multihaz de Desfase Escalonado para el Control de un Array de Antenas.

This paper presents a general systems that can be taken into account to control between elements in an antenna array. Because the digital phase shifter devices have become a strategic element and also some steps have been taken for their export by U.S. Government, this element has increased its price to the low supply in the market. Therefore, it is necessary to adopt some solutions that allow us to deal with the design and construction of antenna arrays. system based on a group of a staggered phase shift with external switching is shown, which is extrapolated array.

Radio-holografía de microondas para la optimización de la superficie de grandes antenas reflectoras

En el presente trabajo de tesis se afronta el problema de la optimización de la superficie de grandes antenas reflectoras. Es sabido que los grandes reflectores, formados por una superficie panelada, sufren deformaciones debidas al impacto del viento, a los cambios de temperatura y a los efectos gravitacionales derivados del gran peso de la estructura. Estos efectos hacen que los reflectores pierdan su forma ideal, generalmente de paraboloide, y se reduzca su eficiencia de apertura y, por tanto, se limite la máxima frecuencia de uso de los mismos. Es necesario, por tanto, disponer de técnicas que permitan medir el estado de la superficie de grandes reflectores, y derivar los ajustes necesarios a aplicar sobre los tornillos de soporte de cada uno de los paneles que conforman dicha superficie. De esta manera, se devolvería al reflector su forma óptima y aumentaría la eficiencia de apertura y el rango de frecuencias de uso. Hay que resaltar que el aumento de la eficiencia de un radiotelescopio supone una reducción en el tiempo de integración necesario para la detección de las debilísimas señales generadas por las radiofuentes naturales, ahorrando así valioso tiempo de observación. Además, el incremento en el rango de frecuencias permite la detección de nuevas líneas o especies moleculares en dichas radiofuentes. Tras un primer capítulo introductorio, se presenta, en el capítulo segundo, la geometría de estos grandes reflectores y la influencia de los distintos factores que afectan a la calidad de la superficie de los mismos, como la gravedad, el viento y la temperatura, particularizando para el caso del radiotelescopio de 40 metros del Centro Astronómico de Yebes. En el tercer capítulo, se presentan las diferentes técnicas metrológicas empleadas actualmente para abordar la determinación de estos ajustes, mostrándose las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas. Actualmente, la técnica metrológica más precisa y rápida para llevar a cabo esta tarea de caracterización de la superficie de un gran reflector, es la radio-holografía de microondas presentada en el capítulo cuarto. A partir de las medidas proporcionadas por esta técnica, realizadas con la ayuda de un transmisor, y mediante transformaciones de campo, se calculan los errores de la superficie del reflector, respecto al paraboloide ideal, y se derivan los ajustes necesarios. En los capítulos quinto y sexto se presentan los resultados de la aplicación de esta técnica a dos radiotelescopios: el de 30 metros de IRAM en Pico de Veleta (Granada) y los prototipos de 12 metros de las antenas del proyecto ALMA. Por su parte, el capítulo séptimo contiene el núcleo fundamental de esta tesis y presenta el desarrollo de la técnica de radio-holografía de microondas para optimizar la superficie del radiotelescopio de 40 metros del Centro Astronómico de Yebes. Para ello, ha sido necesario diseñar, construir e instalar un receptor de doble canal en banda Ku en foco primario, y la instrumentación asociada para hacer las medidas de amplitud y fase del diagrama de radiación. Además, ha sido necesario desarrollar el software para llevar a cabo las transformaciones de campo y derivar los ajustes de los paneles. De las medidas holográficas iniciales resultó un error de la superficie del radiotelescopio de 485 μm WRMS, respecto al paraboloide ideal en dirección normal. Tras varias iteraciones del proceso de medida y ajuste, se consiguió reducir dicho error a 194 μm WRMS. Esta notable mejora de la calidad de la superficie ha supuesto aumentar la eficiencia de apertura desde 2,6% al 38,2% a 86 GHz, para un receptor a esta frecuencia situado en el foco primario que produjese la misma iluminación que el receptor de holografía. In this thesis the problem of large reflector antenna surface optimization is faced. It is well known that large reflectors, which are made of a panelled surface, suffer from deformations due to the impact of wind, temperature gradients and gravity loads coming from the high weigth of the structure. These effects distort the ideal reflector shape, which is a paraboloid in most cases, hence reducing the aperture efficiency of the reflector and limiting the maximum frequency of operation. Therefore, it is necessary to have some techniques to measure the status of large reflector surfaces and to derive the adjustment values to be applied to the screws that connect the surface panels to the reflector back-up structure. In this way, the reflector would recover its optimum shape and the aperture efficiency and frequency range would increase. It has to be stated that an increment in the radiotelescope aperture efficiency would imply a reduction in the integration time needed to detect such weak signals coming from natural radiosources in space and, hence, an important saving in observation time. In addition, the increase in the frequency range of operation would allow the detection of new molecular lines in those radiosources. After the introduction, the second chapter shows the geometry of large reflector antennas and the impact on its surface quality of different factors like gravity, wind and temperature, particularly for the case of the Centro Astronómico de Yebes 40 meter radiotelescope. The third chapter deals with the different metrology techniques used to determine the panel adjustments, including the advantages and drawbacks of each one Currently, the most accurate and fast metrologic technique to carry out the characterization of large reflector surfaces is microwave radio-holography2, which is shown in chapter four. From the measurements provided by microwave radio-holography, performed with the help of a transmitter, and with the use of field transformations, the reflector surface errors are computed and the panel adjustments are derived. Chapters five and six show the results of holographic measurements applied to two first class radiotelescopes: the IRAM 30 meter radiotelescope and the 12 meter prototype antennas for the ALMA project. Chapter seven contains the main work of this thesis. It presents the development of the microwave radio-holography technique for the optimization of the Centro Astronómico de Yebes 40m radiotelescope. The work implied the design, construction and instalation of a prime focus Ku-band dual channel receiver, together with the associated instrumentation to measure the amplitude and phase of the radiotelescope radiation pattern. In addition, the software to carry out field transformations and screw settings computations was developed too. Initial holography measurements came up with an surface error of 485 μmWRMS in normal direction with respect to the best-fit paraboloid. After a few iterations of the measurementadjustment cycle, the surface error was reduced to 194 μm WRMS. This remarkable improvement in surface quality means an increment in aperture efficiency from 2,6% to 38,2% at 86 GHz, assuming a receiver at this frequency in prime focus position which produces the same illumination as the holography receiver.

Estudio y aplicación de redes neuronales artificiales al análisis y diseño de antenas reflectarrays

En los últimos años, estamos siendo testigos de la alta implantación en la sociedad de dispositivos de comunicación. Lo que hace años estaba reservado a un público reducido, con claras necesidades en comunicación, se ha trasladado al público general, dado la amplia variedad de servicios que sobre los nuevos medios de comunicación se han desarrollado. De hecho, el mayor tráfico de datos en la actualidad no se produce al hilo de necesidades de máxima importancia, sino como producto de nuevos hábitos cotidianos. En este contexto de renovación tecnológica constante en busca de la eficiencia, las antenas reflectoras reflectarray (o, simplemente, los reflectarrays, RAs, [1]) se presentan como una opción competitiva contra los reflectores parabólicos metálicos. En su versión más simple, una antena reflectarray se trata de una estructura compuesta de un elemento alimentador radiante, como puede ser una bocina, y de una superficie plana, consistente en multitud de elementos individuales dispuestos en una rejilla periódica. Sobre esta superficie plana, los frentes de onda provenientes del alimentador son reflejados formando frentes de ondas planas, de una manera análoga a como lo hace un reflector parabólico. A partir de la configuración inicial, y centrándose en el principio de funcionamiento, se ha ido modificando el tipo de elemento RA empleado, consiguiendo RA cada vez más operativos. Es, sobre todo, con el nacimiento de la tecnología impresa cuando las antenas RAs vuelven a cobrar interés. Aunque el uso de tecnología impresa supuso un gran impulso en los RAs, también abrió otros desafíos en lo que al diseño de ellos se refiere. Desde el punto de vista del análisis, es común suponer que el elemento RA se encuentra en un ambiente infinitamente periódico, de forma que se puedan aplicar las condiciones de contorno de Floquet (suposición de periodicidad local). Desde un punto de vista funcional, en general, los elementos RA de tecnología impresa presentan un ancho de banda reducido, que condiciona el ancho de banda del RA completo. Entre las soluciones aportadas, es comúnmente aceptado que las estructuras multicapa, con resonadores a distintas frecuencias cercanas, pueden mitigar en parte el problema del ancho de banda. Por ello, en la actualidad, los elementos RA más comunes están compuestos por varios elementos resonadores, cuyas dimensiones constituyen los parámetros de diseño libres. Es decir, en función de dichas dimensiones, el elemento RA tendrá un valor del coeficiente de reflexión u otro. Esto supone un aumento en la complejidad a la hora de analizar dicho elemento por los métodos numéricos conocidos, como el Método de los Momentos (MoM) o el Método de Elementos Finitos (FEM, por las siglas de su traducción inglesa Finite Element Method), que redundará en un mayor tiempo de cómputo en el análisis. Por otra parte, como se muestra en la Figura R.1, el diseño de un RA conlleva analizar multitud de veces el elemento RA considerado. En efecto, se trata de un método de diseño indirecto, en donde las dimensiones de los parámetros geométricos libres de cada elemento RA se obtienen de manera iterativa usando un optimizador. Se ve claro, entonces, que el aumento en tiempo de análisis del elemento RA repercute en gran medida en el tiempo de diseño total, por lo que una reducción en el tiempo de análisis del elemento RA podría ser muy beneficioso. Uno de los métodos para conseguir reducir el tiempo de diseño de un RA, que se puede encontrar en la literatura, es emplear un modelo de la respuesta del elemento RA en función de los parámetros libres. La cuestión que aflora es cuál es la herramienta idónea para modelar la respuesta del elemento RA. En los últimos años se han propuestos varias formas. La primera de ellas consistía en encontrar un equivalente circuital. Esta aproximación está bien extendida para otras estructuras EM, donde los equivalentes circuitales con componentes LC ofrecen respuestas muy precisas con respecto a las que ofrecen las estructuras EM en sí. A raíz del carácter no lineal de la respuesta, hay autores que han propuesto para el diseño de RAs la creación de tablas de datos (look up tables) que, para cada parámetro de diseño de interés (suele ser el desfase introducido por el elemento) guardan las dimensiones de los parámetros geométricos libres asociados. De esta forma, consiguen un diseño rápido, pero poco versátil, ya que la tabla ofrece un único valor para cada entrada, por lo que es difícil jugar con más de una restricción de diseño. Más recientemente, se está comenzando a utilizar, para la caracterización de estructuras EM, unos sistemas llamados Redes Neuronales Artificiales (ANN, por sus siglas en inglés Artificial Neural Network). El uso fundamental de los mismos en EM es el de servir como interpoladores no lineales. Se trata de sistemas que admiten múltiples parámetros de entradas y múltiples parámetros de salida. Antes de poder ser usados como interpoladores, deben ser entrenados. Para ello, necesitan de un conjunto de pares de los parámetros de entrada a la red, con los valores de las salidas asociados. Algunos usos en electromagnetismo de las ANNs que se pueden encontrar en la literatura son: el modelado de filtros; la caracterización de dispositivos activos; la obtención de modelos que aceleran los algoritmos que calculan la dirección de llegada en antenas de radar; o el diseño de arrays de antenas. Volviendo al modelado de elementos RA, en este trabajo haremos uso de las ANNs para caracterizar distintos tipos de elementos RA. A lo largo de estos últimos años, se ha considerado esta posibilidad como una de las más prometedoras. De hecho, podemos encontrar algunas pocas referencias al respecto, varias de las cuales han sido publicadas por distintos autores durante la elaboración del trabajo recogido en esta Tesis. Como veremos, los resultados que vamos a presentar aportan novedades con respecto a la citada literatura. Particularmente, en este trabajo se ha realizado la caracterización de un elemento RA de tres capas, considerando hasta 9 parámetros de entrada (seis parámetros geométricos, las dos coordenadas del ángulo de incidencia, y la frecuencia) y 4 parámetros de salida complejos (los coeficientes de reflexión para dos polarizaciones ortogonales lineales). Haciendo uso de esta caracterización en el flujo de diseño de RAs, se ha realizado el análisis y el diseño de varias antenas RA con restricciones de diseño de comunicaciones espaciales. Los resultados fueron exitosos comparados con los resultados obtenidos por los métodos tradicionales. De manera puntualizada, podríamos resumir las aportaciones que se verán en esta Tesis como: Caracterización de distintos elementos RA mediante ANNs basadas en el Perceptrón Multicapa (MLP). En concreto, se ha realizado con éxito la caracterización de un elemento RA de parche acoplado a línea de retardo a través de apertura; la caracterización de un elemento RA basado en dipolos sobre substratos de distintas características eléctricas en el rango de centenas de GHz; y la caracterización de un elemento RA basado en 3 parches apilados, con 9 parámetros libres en su caracterización. Uso del FEM, de la técnica de segmentación en subdominios y de la generación y manipulación de accesos MAM para el análisis y la caracterización de elementos RA mediante ANNs. Desarrollo de una nueva técnica de obtención de muestras, para el caso de estructura multicapa cuyo estudio EM se pueda dividir en dos pasos: estudio de cada capa y conexión de capas. De esta forma, se ha podido reducir en varios órdenes de magnitud el tiempo necesario para obtener el set de entrenamiento de las ANNs. Valoración del uso de distintos métodos de entrenamiento de segundo orden para el entrenamiento de redes ANN MLP, en la caracterización de elementos RA. Desarrollo de una nueva técnica para realizar el entrenamiento de redes ANNs basadas en el MLP, denominada como Entrenamiento en Cascada. Dado el alto número de parámetros a caracterizar, era difícil conseguir una red que, partiendo del número de entradas deseado, proporcionara convergencia con precisión suficiente. Con el algoritmo propuesto y probado en esta Tesis, se consiguió entrenar redes de 8 parámetros de entradas (el noveno parámetro, la frecuencia, correspondía a redes diferentes para cada valor) con gran precisión. Desarrollo de un método adaptativo para mejorar la precisión de las ANNs en el análisis de antenas RA. Este método, basado en re-entrenar las ANNs para sub rangos de los parámetros de entrada en donde el error es mayor, aporta una precisión mayor, al mejorar el entrenamiento global de las ANNs, en un tiempo aceptable, ya que solo se incluyen nuevas muestras en torno a los valores donde el error es mayor. Análisis de antena RA completa, con cobertura según especificaciones de la misión AMAZONAS (haz conformado, banda Ku), usando las caracterización el elemento RA obtenida mediante ANNs. La mejora en tiempo de análisis conseguida con respecto al uso del MoM está en un factor 102, con precisiones comparables. Diseño de antenas RA completas, con especificaciones de haz pincel y EuTELSAT (banda Ku). De nuevo, la mejora en tiempo de diseño conseguida están en torno a 102. De todos los puntos anteriores, son de destacar los dos últimos, que forman el objetivo principal de esta Tesis. Esto es, el uso de modelos rápidos de elementos RA mediante ANNs para el análisis y el diseño de antenas para comunicaciones por satélite.

Contribución al desarrollo de técnicas CAD para el diseño de antenas impresas y dispositivos pasivos de microondas basadas en el método de elementos finitos

El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de herramientas numéricas basadas en técnicas de onda completa para el diseño asistido por ordenador (Computer-Aided Design,‘CAD’) de dispositivos de microondas. En este contexto, se desarrolla una herramienta numérica basada en el método de los elementos finitos para el diseño y análisis de antenas impresas mediante algoritmos de optimización. Esta técnica consiste en dividir el análisis de una antena en dos partes. Una parte de análisis 3D que se realiza sólo una vez en cada punto de frecuencia de la banda de funcionamiento donde se sustituye una superficie que contiene la metalización del parche por puertas artificiales. En una segunda parte se inserta entre las puertas artificiales en la estructura 3D la superficie soportando una metalización y se procede un análisis 2D para caracterizar el comportamiento de la antena. La técnica propuesta en esta tesis se puede implementar en un algoritmo de optimización para definir el perfil de la antena que permite conseguir los objetivos del diseño. Se valida experimentalmente dicha técnica empleándola en el diseño de antenas impresas de banda ancha para diferentes aplicaciones mediante la optimización del perfil de los parches. También, se desarrolla en esta tesis un procedimiento basado en el método de descomposición de dominio y el método de los elementos finitos para el diseño de dispositivos pasivos de microonda. Se utiliza este procedimiento en particular para el diseño y sintonía de filtros de microondas. En la primera etapa de su aplicación se divide la estructura que se quiere analizar en subdominios aplicando el método de descomposición de dominio, este proceso permite analizar cada segmento por separado utilizando el método de análisis adecuado dado que suele haber subdominios que se pueden analizar mediante métodos analíticos por lo que el tiempo de análisis es más reducido. Se utilizan métodos numéricos para analizar los subdominios que no se pueden analizar mediante métodos analíticos. En esta tesis, se utiliza el método de los elementos finitos para llevar a cabo el análisis. Además de la descomposición de dominio, se aplica un proceso de barrido en frecuencia para reducir los tiempos del análisis. Como método de orden reducido se utiliza la técnica de bases reducidas. Se ha utilizado este procedimiento para diseñar y sintonizar varios ejemplos de filtros con el fin de comprobar la validez de dicho procedimiento. Los resultados obtenidos demuestran la utilidad de este procedimiento y confirman su rigurosidad, precisión y eficiencia en el diseño de filtros de microondas. ABSTRACT The main objective of this thesis is the development of numerical tools based on full-wave techniques for computer-aided design ‘CAD’ of microwave devices. In this context, a numerical technique based on the finite element method ‘FEM’ for the design and analysis of printed antennas using optimization algorithms has been developed. The proposed technique consists in dividing the analysis of the antenna in two stages. In the first stage, the regions of the antenna which do not need to be modified during the CAD process are initially characterized only once from their corresponding matrix transfer function (Generalized Admittance matrix, ‘GAM’). The regions which will be modified are defined as artificial ports, precisely the regions which will contain the conducting surfaces of the printed antenna. In a second stage, the contour shape of the conducting surfaces of the printed antenna is iteratively modified in order to achieve a desired electromagnetic performance of the antenna. In this way, a new GAM of the radiating device which takes into account each printed antenna shape is computed after each iteration. The proposed technique can be implemented with a genetic algorithm to achieve the design objectives. This technique is validated experimentally and applied to the design of wideband printed antennas for different applications by optimizing the shape of the radiating device. In addition, a procedure based on the domain decomposition method and the finite element method has been developed for the design of microwave passive devices. In particular, this procedure can be applied to the design and tune of microwave filters. In the first stage of its implementation, the structure to be analyzed is divided into subdomains using the domain decomposition method; this process allows each subdomains can be analyzed separately using suitable analysis method, since there is usually subdomains that can be analyzed by analytical methods so that the time of analysis is reduced. For analyzing the subdomains that cannot be analyzed by analytical methods, we use the numerical methods. In this thesis, the FEM is used to carry out the analysis. Furthermore the decomposition of the domain, a frequency sweep process is applied to reduce analysis times. The reduced order model as the reduced basis technique is used in this procedure. This procedure is applied to the design and tune of several examples of microwave filters in order to check its validity. The obtained results allow concluding the usefulness of this procedure and confirming their thoroughness, accuracy and efficiency for the design of microwave filters.

Contribución a los arrays de antenas activos en microondas = Contribution to active array antennas at microwave bands

Esta tesis que tiene por título "Contribución a los arrays de antenas activos en banda X", ha sido desarrollada por el estudiante de doctorado Gonzalo Expósito Domínguez, ingeniero de telecomunicación en el Grupo de Radiación del Departamento de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones de la ETSI de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid bajo la dirección de los doctores Manuel Sierra Castañer y José Manuel Fernández González. Esta tesis contiene un profundo estudio del arte en materia de antenas activas en el campo de apuntamiento electrónico. Este estudio comprende desde los fundamentos de este tipo de antenas, problemas de operación y limitaciones hasta los sistemas actuales más avanzados. En ella se identifican las partes críticas en el diseño y posteriormente se llevan a la práctica con el diseño, simulación y construcción de un subarray de una antena integrada en el fuselaje de un avión para comunicaciones multimedia por satélite que funciona en banda X. El prototipo consta de una red de distribución multihaz de banda ancha y una antena planar. El objetivo de esta tesis es el de aplicar nuevas técnicas al diseño de antenas de apuntamiento electrónico. Es por eso que las contribuciones originales son la aplicación de barreras electromagnéticas entre elementos radiantes para reducir los acoplamientos mutuos en arrays de exploración electrónica y el diseño de redes desfasadoras sencillas en las que no son necesarios complejos desfasadores para antenas multihaz. Hasta la fecha, las barreras electromagnéticas, Electronic Band Gap (EBG), se construyen en sustratos de permitividad alta con el fin de aumentar el espacio disponible entre elementos radiantes y reducir el tamaño de estas estructuras. Sin embargo, la utilización de sustratos de alta permitividad aumenta la propagación por ondas de superficie y con ellas el acoplo mutuo. Utilizando sustratos multicapa y colocando la vía de las estructuras en su borde, en vez de en su centro, se consigue reducir el tamaño sin necesidad de usar sustratos de alta permitividad, reducir la eficiencia de radiación de la antena o aumentar la propagación por ondas de superficie. La última parte de la tesis se dedica a las redes conmutadoras y desfasadoras para antenas multihaz. El diseño de las redes de distribución para antenas son una parte crítica ya que se comportan como un atenuador a la entrada de la cadena receptora, modificando en gran medida la figura de ruido del sistema. Las pérdidas de un desfasador digital varían con el desfase introducido, por ese motivo es necesario caracterizar y calibrar los dispositivos correctamente. Los trabajos presentados en este manuscrito constan de un desfasador reflectivo con un conmutador doble serie paralelo para igualar las pérdidas de inserción en los dos estados y también un conmutador de una entrada y dos salidas cuyos puertos están adaptados en todo momento independientemente del camino del conmutador para evitar las reflexiones y fugas entre redes o elementos radiantes. El tomo finaliza con un resumen de las publicaciones en revistas científicas y ponencias en congresos, nacionales e internacionales, el marco de trabajo en el que se ha desarrollado, las colaboraciones que se han realizado y las líneas de investigación futuras. ABSTRACT This thesis was carried out in the Radiation Group of the Signals, Systems and Radiocomunications department of ETSI de Telecomunicación from Technical University of Madrid. Its title is "Contribution to active array antennas at X band" and it is developed by Gonzalo Expósito Domínguez, Electrical Engineer MsC. under the supervision of Prof. Dr. Manuel Sierra Castañer and Dr. José Manuel Fernández González. This thesis is focused on active antennas, specifically multibeam and electronic steering antenas. In the first part of the thesis a thorough description of the state of the art is presented. This study compiles the fundamentals of this antennas, operation problems and limits, up to the breakthrough applications. The critical design problems are described to use them eventually in the design, simulation and prototyping of an airborne steering array antenna for satellite communication at X band. The main objective of this thesis is to apply new techniques to the design of electronically steering antennas. Therefore the new original contributions are the application of Electromagnetic Band Gap materials (EBG) between radiating elements to reduce the mutual coupling when phase shift between elements exist and phase shifting networks where special characteristics are required. So far, the EBG structures have been constructed with high permitivity substrates in order to increase the available space between radiating elements and reduce the size of the structures. However, the surface wave propagation modes are enhanced and therefore the mutual coupling increases when high permitivity substrates are used. By using multilayered substrates and edge location via, the size is reduced meanwhile low permitivity substrates are used without reducing the radiation efficiency or enhancing the surface propagation modes. The last part of the thesis is focused on the phase shifting distribution networks for multibeam antennas. This is a critical part in the antenna design because the insertion loss in the distribution network behaves as an attenuator located in the first place in a receiver chain. The insertion loss will affect directly to the receiver noise figure and the insertion loss in a phase shifter vary with the phase shift. Therefore the devices must be well characterized and calibrated in order to obtain a properly operation. The work developed in this thesis are a reflective phase shifter with a series-shunt switch in order to make symmetrical the insertion loss for the two states and a complex Single Pole Double Through (SPDT) with matched ports in order to reduce the reflections and leakage between feeding networks and radiating elements. The end of this Ph D. dissertation concludes with a summary of the publications in national and international conferences and scientific journals, the collaborations carried out along the thesis and the future research lines.

Estudio y aplicación de las antenas de exploración electrónica en el desarrollo de radares meteorológicos

En el presente documento se presenta un Proyecto de Fin de Carrera realizado en el contexto de una beca de colaboración en el Grupo de Microondas y Radar del departamento de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones de la ETSI de Telecomunicación (UPM). Parte del trabajo realizado en dicha beca se ha empleado en la realización de este proyecto, como son el desarrollo de una aplicación sobre MATLAB para el diseño y simulación de antenas de exploración electrónica (phased array) y la investigación del estado del arte en este tipo de antenas. Parte de esta investigación ha estado desde el principio ligada al observatorio meteorológico de Oklahoma, EEUU, debido a su uso pionero de un radar meteorológico de antena de exploración electrónica. Por tanto, la aplicación que se decidió estudiar en este proyecto es la meteorológica, analizando las particularidades de este tipo de señales frente a la detección de blancos tradicionales. El proyecto consta, como su nombre indica, de tres partes diferenciadas: Estudio, Aplicación y Desarrollo, donde a su vez el Estudio se divide en dos ramas. En primer lugar el estudio de los radares meteorológicos: su historia, la naturaleza de las señales meteorológicas, la estimación de la precipitación a través de ellas y el tipo de atenuación que presenta la señal. En segundo lugar, el estudio de las antenas de exploración electrónica y su aplicación inmediata en radares multifunción: constitución de las antenas, propiedades y prestaciones, y las ventajas de un radar meteorológico basado en ellas. Una vez concluido el Estudio de los radares meteorológicos tradicionales, de los radares multifunción basados en antena de exploración electrónica, y la Aplicación de los últimos a la meteorología, se pasa al Desarrollo de un radar meteorológico basado en este tipo de antenas. Para el diseño del phased array se ha empleado la herramienta previamente mencionada y para el análisis radar se han tenido en cuenta las necesidades de un radar meteorológico, llegando finalmente al diseño de un phased array para el uso meteorológico.

Antenas de bocina cónica corrugadas

En la era actual de la tecnología en la que nos encontramos se han experimentado una infinidad de avances. En concreto el interés por las comunicaciones por satélite y los, cada vez más exigentes, terminales móviles han provocado que se inicie líneas de investigación en el campo de las telecomunicaciones. En concreto el estudio de las Antenas de Bocina utilizadas como alimentadores en sistemas de satélite han generado gran interés por la comunidad académica y empresarial. En este Proyecto Fin de Carrera se realiza el estudio del Método de Análisis Modal, método por el cual podemos realizar el estudio del comportamiento de los campos en recintos cerrados y con discontinuidades. El tipo de discontinuidades que se estudia son geometrías cilíndricas en las que se practica un incremento abrupto en el radio de salida. El estudio para el caso inverso, es decir geometrías cilíndricas con radios de salida menores, también lo abordamos, es por esto que es posible la formación de corrugaciones. El proyecto es una continuación de otro anterior que se centra en la optimización de bocinas cónicas lisas. Aunque el método se puede aplicar a cualquier tipo de geometría en este proyecto lo aplicaremos sólo a geometrías cilíndricas dado que diseñaremos un alimentador de bocina cilíndrica con paredes corrugadas. Para el estudio y la implementación de las distintas formulaciones matemáticas haremos uso de la herramienta de cálculo MatLab, es así que podremos generar resultados como el diagrama de radiación de la antena diseñada. Dichos resultados serían contrastados con otro programa de análisis comercial. Se observaría que finalmente el método del análisis modal es una herramienta de cálculo robusta y consistente, que nos permite ahorrar tiempos de cálculo y nos presenta resultados similares a otras herramientas comerciales de análisis electromagnético. ABSTRACT. Technologies sector has made great progress . Specifically, in the area of the satellite communications and mobile communications . These have begun investigation lines in telecommunication areas. Particularly, the study about horn antennas use how feeders in satellite communications have generated high interest at University community and the space companies. The Final Project study is focused in the Method of Modal Analysis, this method allows to study the performance of Electromagnetic fields in closed places with discontinuities. This Project continues other project, where studied the optimization for smoothwall conical horns. In this work we will use this study for implemented a antenna cylindrical corrugated. For the study and implementation of special mathematical equations is necessary to use a calculus mathematical tool like MatLab, this software allows to draw the radiation pattern for antennas design. It should be emphasized that all results will be compare with others commercial softwares for Electromagnetic studies. Finally, we take a look at the method of modal analysis is a robust and consistent mathematical tool that save simulation time and show us similar results to other commercial softwares.

Consideraciones de diseño de adaptación activa para antenas cargadas con circuitos non-Foster

In this paper the use of the NDF is proposed as a general method suitable for analysing any oscillator topology. The most important advantage of this method is that it provides an unique procedure to analyse any oscillator. It also makes possible the phase noise optimization in the linear design phase for any oscillator. An additional advantage of this method is that it does not require any proviso verification as all classic methods need. The use of the NDF method is illustrated with the design of two examples. These two oscillators are manufactured and the simulation results are compared with the measurements showing good agreement. These results confirm the excellent possibilities of the proposed method for low noise oscillators design.

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) …

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.

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.

WiMAX,Technology and Market.

Wireless communication is the transfer of information from one place to another without using wires. From the earliest times, humans have felt the need to develop techniques of remote communication. From this need arose the smoke signals, communication by sun reflection in mirrors and so on. But today the telecommunications electronic devices such as telephone, television, radio or computer. Radio and television are used for one-way communication. Telephone and computer are used for two-way communication. In wireless networks there is almost unlimited mobility, we can access the network almost anywhere or anytime. In wired networks we have the restriction of using the services in fixed area services. The demand of the wireless is increasing very fast; everybody wants broadband services anywhere anytime. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) is a broadband wireless technology based on IEEE 802.16-2004 and IEEE 802.16e-2005 that appears to solve this demand. WIMAX is a system that allows wireless data transmission in areas of up to 48 km of radius. It is designed as a wireless alternative to ADSL and a way to connect nodes in wireless metropolitan areas network. Unlike wireless systems that are limited in most cases, about 100 meter, providing greater coverage and more bandwidth. WIMAX promises to achieve high data transmission rates over large areas with a great amount of users. This alternative to the networks of broadband access common as DSL o Wi-Fi, can give broadband access to places quickly to rural areas and developing areas around the world. This paper is a study of WIMAX technology and market situation. First, the paper is responsible for explaining the technical aspects of WIMAX. For this gives an overview of WIMAX standards, physical layer, MAC layer and WiMAX, Technology and Market Beijing University of Post and Telecommunications 2 WIMAX network architecture. Second, the paper address the issue of market in which provides an overview of development and deployment of WIMAX to end the future development trend of WIMAX is addressed. RESUMEN: Por comunicaciones inalámbricas se entiende la transferencia de información desde un lugar a otro sin la necesidad de un soporte físico como es por ejemplo el cable. Por lo que remontándose a los principios de la existencia del ser humano, nos damos cuenta de que el ser humano siempre ha sentido la necesidad de desarrollar técnicas para lograr comunicarse a distancia con sus semejantes. De dicha necesidad, surgieron técnicas tan ancestrales como puede ser la comunicación mediante señales de humo o por reflexión de los rayos solares en espejos entre otras. La curiosidad del ser humano y la necesidad de comunicarse a distancia fue la que llevó a Alexander Graham Bell a inventar el teléfono en 1876. La aparición de un dispositivo que permitía comunicarse a distancia permitiendo escuchar la voz de aquella persona con la que se quería hablar, supuso una revolución no solo en el panorama tecnológico, si no también en el panorama social. Pues a parte de permitir comunicaciones a larga distancia, solventó el problema de la comunicación en “tiempo real”. A raíz de este invento, la tecnología en materia de comunicación ha ido avanzando significativamente, más concretamente en lo referido a las comunicaciones inalámbricas. En 1973 se realizó la primera llamada desde un terminal móvil aunque no fue hasta 1983 cuando se empezó a comercializar dicho terminal, lo que supuso un cambio de hábitos y costumbres para la sociedad. Desde la aparición del primer móvil el crecimiento del mercado ha sido exponencial, lo que ha repercutido en una demanda impensable de nuevas aplicaciones integradas en dichos dispositivos móviles que satisfagan las necesidades que día a día autogenera la sociedad. Tras conseguir realizar llamadas a larga distancia de forma inalámbrica, el siguiente paso fue la creación de los SMS (Short Message System) lo que supuso una nueva revolución además de abaratar costes al usuario a la hora de comunicarse. Pero el gran reto para la industria de las comunicaciones móviles surgió con la aparición de internet. Todo el mundo sentía la necesidad de poder conectarse a esa gran base de datos que es internet en cualquier parte y en cualquier momento. Las primeras conexiones a internet desde dispositivos móviles se realizaron a través de la tecnología WAP (Wireless Application Protocol) hasta la aparición de la tecnología GPRS que permitía la conexión mediante protocolo TCP/IP. A partir de estas conexiones han surgido otras tecnologías, como EDGE, HSDPA, etc., que permitían y permiten la conexión a internet desde dispositivos móviles. Hoy en día la demanda de servicios de red inalámbrica crece de forma rápida y exponencial, todo el mundo quiere servicios de banda ancha en cualquier lugar y en cualquier momento. En este documento se analiza la tecnología WiMAX ( Worldwide Interoperability for Microwave Access) que es una tecnología de banda ancha basada en el estándar IEEE 802.16 creada para brindar servicios a la demanda emergente en la banda ancha desde un punto de vista tecnológico, donde se da una visión de la parte técnica de la tecnología; y desde el punto de vista del mercado, donde se analiza el despliegue y desarrollo de la tecnología desde el punto de vista de negocio. WiMAX es una tecnología que permite la transmisión inalámbrica de datos en áreas de hasta 48Km de radio y que está diseñada como alternativa inalámbrica para ADSL y para conectar nodos de red inalámbrica en áreas metropolitanas. A diferencia de los sistemas inalámbricos existentes que están limitados en su mayoría a unos cientos de metros, WiMAX ofrece una mayor cobertura y un mayor ancho de banda que permita dar soporte a nuevas aplicaciones, además de alcanzar altas tasas de transmisión de datos en grandes áreas con una gran cantidad de usuarios. Se trata de una alternativa a las redes de acceso de banda ancha como DSL o Wi-Fi, que puede dar acceso de banda ancha a lugares tales como zonas rurales o zonas en vías de desarrollo por todo el mundo con rapidez. Existen dos tecnologías de WiMAX, WiMAX fijo (basado en el estándar IEEE 802.16d-2004) y WiMAX móvil (basado en el estándar IEEE 802.16e-2005). La tecnología fija está diseñada para comunicaciones punto a multipunto, mientras que la fija lo está para comunicaciones multipunto a multipunto. WiMAX móvil se basa en la tecnología OFDM que ofrece ventajas en términos de latencia, eficiencia en el uso del espectro y soporte avanzado para antenas. La modulación OFDM es muy robusta frente al multitrayecto, que es muy habitual en los canales de radiodifusión, frente al desvanecimiento debido a las condiciones meteorológicas y frente a las interferencias de RF. Una vez creada la tecnología WiMAX, poseedora de las características idóneas para solventar la demanda del mercado, ha de darse el siguiente paso, hay que convencer a la industria de las telecomunicaciones de que dicha tecnología realmente es la solución para que apoyen su implantación en el mercado de la banda ancha para las redes inalámbricas. Es aquí donde entra en juego el estudio del mercado que se realiza en este documento. WiMAX se enfrenta a un mercado exigente en el que a parte de tener que dar soporte a la demanda técnica, ha de ofrecer una rentabilidad económica a la industria de las comunicaciones móviles y más concretamente a las operadoras móviles que son quienes dentro del sector de las telecomunicaciones finalmente han de confiar en la tecnología para dar soporte a sus usuarios ya que estos al fin y al cabo lo único que quieren es que su dispositivo móvil satisfaga sus necesidades independientemente de la tecnología que utilicen para tener acceso a la red inalámbrica de banda ancha. Quizás el mayor problema al que se ha enfrentado WiMAX haya sido la situación económica en la que se encuentra el mundo. WiMAX a comenzado su andadura en uno de los peores momentos, pero aun así se presenta como una tecnología capaz de ayudar al mundo a salir hacia delante en estos tiempos tan duros. Finalmente se analiza uno de los debates existentes hoy en día en el sector de las comunicaciones móviles, WiMAX vs. LTE. Como se puede observar en el documento realmente una tecnología no saldrá victoriosa frente a la otra, si no que ambas tecnologías podrán coexistir y trabajar de forma conjunta.

Distributed collaborative processing in wireless sensor networks with application to target localization and beamforming

Abstract The proliferation of wireless sensor networks and the variety of envisioned applications associated with them has motivated the development of distributed algorithms for collaborative processing over networked systems. One of the applications that has attracted the attention of the researchers is that of target localization where the nodes of the network try to estimate the position of an unknown target that lies within its coverage area. Particularly challenging is the problem of estimating the target’s position when we use received signal strength indicator (RSSI) due to the nonlinear relationship between the measured signal and the true position of the target. Many of the existing approaches suffer either from high computational complexity (e.g., particle filters) or lack of accuracy. Further, many of the proposed solutions are centralized which make their application to a sensor network questionable. Depending on the application at hand and, from a practical perspective it could be convenient to find a balance between localization accuracy and complexity. Into this direction we approach the maximum likelihood location estimation problem by solving a suboptimal (and more tractable) problem. One of the main advantages of the proposed scheme is that it allows for a decentralized implementation using distributed processing tools (e.g., consensus and convex optimization) and therefore, it is very suitable to be implemented in real sensor networks. If further accuracy is needed an additional refinement step could be performed around the found solution. Under the assumption of independent noise among the nodes such local search can be done in a fully distributed way using a distributed version of the Gauss-Newton method based on consensus. Regardless of the underlying application or function of the sensor network it is al¬ways necessary to have a mechanism for data reporting. While some approaches use a special kind of nodes (called sink nodes) for data harvesting and forwarding to the outside world, there are however some scenarios where such an approach is impractical or even impossible to deploy. Further, such sink nodes become a bottleneck in terms of traffic flow and power consumption. To overcome these issues instead of using sink nodes for data reporting one could use collaborative beamforming techniques to forward directly the generated data to a base station or gateway to the outside world. In a dis-tributed environment like a sensor network nodes cooperate in order to form a virtual antenna array that can exploit the benefits of multi-antenna communications. In col-laborative beamforming nodes synchronize their phases in order to add constructively at the receiver. Some of the inconveniences associated with collaborative beamforming techniques is that there is no control over the radiation pattern since it is treated as a random quantity. This may cause interference to other coexisting systems and fast bat-tery depletion at the nodes. Since energy-efficiency is a major design issue we consider the development of a distributed collaborative beamforming scheme that maximizes the network lifetime while meeting some quality of service (QoS) requirement at the re¬ceiver side. Using local information about battery status and channel conditions we find distributed algorithms that converge to the optimal centralized beamformer. While in the first part we consider only battery depletion due to communications beamforming, we extend the model to account for more realistic scenarios by the introduction of an additional random energy consumption. It is shown how the new problem generalizes the original one and under which conditions it is easily solvable. By formulating the problem under the energy-efficiency perspective the network’s lifetime is significantly improved. Resumen La proliferación de las redes inalámbricas de sensores junto con la gran variedad de posi¬bles aplicaciones relacionadas, han motivado el desarrollo de herramientas y algoritmos necesarios para el procesado cooperativo en sistemas distribuidos. Una de las aplicaciones que suscitado mayor interés entre la comunidad científica es la de localization, donde el conjunto de nodos de la red intenta estimar la posición de un blanco localizado dentro de su área de cobertura. El problema de la localization es especialmente desafiante cuando se usan niveles de energía de la seal recibida (RSSI por sus siglas en inglés) como medida para la localization. El principal inconveniente reside en el hecho que el nivel de señal recibida no sigue una relación lineal con la posición del blanco. Muchas de las soluciones actuales al problema de localization usando RSSI se basan en complejos esquemas centralizados como filtros de partículas, mientas que en otras se basan en esquemas mucho más simples pero con menor precisión. Además, en muchos casos las estrategias son centralizadas lo que resulta poco prácticos para su implementación en redes de sensores. Desde un punto de vista práctico y de implementation, es conveniente, para ciertos escenarios y aplicaciones, el desarrollo de alternativas que ofrezcan un compromiso entre complejidad y precisión. En esta línea, en lugar de abordar directamente el problema de la estimación de la posición del blanco bajo el criterio de máxima verosimilitud, proponemos usar una formulación subóptima del problema más manejable analíticamente y que ofrece la ventaja de permitir en¬contrar la solución al problema de localization de una forma totalmente distribuida, convirtiéndola así en una solución atractiva dentro del contexto de redes inalámbricas de sensores. Para ello, se usan herramientas de procesado distribuido como los algorit¬mos de consenso y de optimización convexa en sistemas distribuidos. Para aplicaciones donde se requiera de un mayor grado de precisión se propone una estrategia que con¬siste en la optimización local de la función de verosimilitud entorno a la estimación inicialmente obtenida. Esta optimización se puede realizar de forma descentralizada usando una versión basada en consenso del método de Gauss-Newton siempre y cuando asumamos independencia de los ruidos de medida en los diferentes nodos. Independientemente de la aplicación subyacente de la red de sensores, es necesario tener un mecanismo que permita recopilar los datos provenientes de la red de sensores. Una forma de hacerlo es mediante el uso de uno o varios nodos especiales, llamados nodos “sumidero”, (sink en inglés) que actúen como centros recolectores de información y que estarán equipados con hardware adicional que les permita la interacción con el exterior de la red. La principal desventaja de esta estrategia es que dichos nodos se convierten en cuellos de botella en cuanto a tráfico y capacidad de cálculo. Como alter¬nativa se pueden usar técnicas cooperativas de conformación de haz (beamforming en inglés) de manera que el conjunto de la red puede verse como un único sistema virtual de múltiples antenas y, por tanto, que exploten los beneficios que ofrecen las comu¬nicaciones con múltiples antenas. Para ello, los distintos nodos de la red sincronizan sus transmisiones de manera que se produce una interferencia constructiva en el recep¬tor. No obstante, las actuales técnicas se basan en resultados promedios y asintóticos, cuando el número de nodos es muy grande. Para una configuración específica se pierde el control sobre el diagrama de radiación causando posibles interferencias sobre sis¬temas coexistentes o gastando más potencia de la requerida. La eficiencia energética es una cuestión capital en las redes inalámbricas de sensores ya que los nodos están equipados con baterías. Es por tanto muy importante preservar la batería evitando cambios innecesarios y el consecuente aumento de costes. Bajo estas consideraciones, se propone un esquema de conformación de haz que maximice el tiempo de vida útil de la red, entendiendo como tal el máximo tiempo que la red puede estar operativa garantizando unos requisitos de calidad de servicio (QoS por sus siglas en inglés) que permitan una decodificación fiable de la señal recibida en la estación base. Se proponen además algoritmos distribuidos que convergen a la solución centralizada. Inicialmente se considera que la única causa de consumo energético se debe a las comunicaciones con la estación base. Este modelo de consumo energético es modificado para tener en cuenta otras formas de consumo de energía derivadas de procesos inherentes al funcionamiento de la red como la adquisición y procesado de datos, las comunicaciones locales entre nodos, etc. Dicho consumo adicional de energía se modela como una variable aleatoria en cada nodo. Se cambia por tanto, a un escenario probabilístico que generaliza el caso determinista y se proporcionan condiciones bajo las cuales el problema se puede resolver de forma eficiente. Se demuestra que el tiempo de vida de la red mejora de forma significativa usando el criterio propuesto de eficiencia energética.