Contribution to the design of waveguide-fed compound-slot arrays by means of equivalent circuit modelling

Los arrays de ranuras son sistemas de antennas conocidos desde los años 40, principalmente destinados a formar parte de sistemas rádar de navíos de combate y grandes estaciones terrenas donde el tamaño y el peso no eran altamente restrictivos. Con el paso de los años y debido sobre todo a importantes avances en materiales y métodos de fabricación, el rango de aplicaciones de este tipo de sistemas radiantes creció en gran medida. Desde nuevas tecnologías biomédicas, sistemas anticolisión en automóviles y navegación en aviones, enlaces de comunicaciones de alta tasa binaria y corta distancia e incluso sistemas embarcados en satélites para la transmisión de señal de televisión. Dentro de esta familia de antennas, existen dos grupos que destacan por ser los más utilizados: las antennas de placas paralelas con las ranuras distribuidas de forma circular o espiral y las agrupaciones de arrays lineales construidos sobre guia de onda. Continuando con las tareas de investigación desarrolladas durante los últimos años en el Instituto de Tecnología de Tokyo y en el Grupo de Radiación de la Universidad Politécnica de Madrid, la totalidad de esta tesis se centra en este último grupo, aunque como se verá se separa en gran medida de las técnicas de diseño y metodologías convencionales. Los arrays de ranuras rectas y paralelas al eje de la guía rectangular que las alimenta son, sin ninguna duda, los modelos más empleados debido a la fiabilidad que presentan a altas frecuencias, su capacidad para gestionar grandes cantidades de potencia y la sencillez de su diseño y fabricación. Sin embargo, también presentan desventajas como estrecho ancho de banda en pérdidas de retorno y rápida degradación del diagrama de radiación con la frecuencia. Éstas son debidas a la naturaleza resonante de sus elementos radiantes: al perder la resonancia, el sistema global se desajusta y sus prestaciones degeneran. En arrays bidimensionales de slots rectos, el campo eléctrico queda polarizado sobre el plano transversal a las ranuras, correspondiéndose con el plano de altos lóbulos secundarios. Esta tesis tiene como objetivo el desarrollo de un método sistemático de diseño de arrays de ranuras inclinadas y desplazadas del centro (en lo sucesivo “ranuras compuestas”), definido en 1971 como uno de los desafíos a superar dentro del mundo del diseño de antennas. La técnica empleada se basa en el Método de los Momentos, la Teoría de Circuitos y la Teoría de Conexión Aleatoria de Matrices de Dispersión. Al tratarse de un método circuital, la primera parte de la tesis se corresponde con el estudio de la aplicabilidad de las redes equivalentes fundamentales, su capacidad para recrear fenómenos físicos de la ranura, las limitaciones y ventajas que presentan para caracterizar las diferentes configuraciones de slot compuesto. Se profundiza en las diferencias entre las redes en T y en ! y se condiciona la selección de una u otra dependiendo del tipo de elemento radiante. Una vez seleccionado el tipo de red a emplear en el diseño del sistema, se ha desarrollado un algoritmo de cascadeo progresivo desde el puerto alimentador hacia el cortocircuito que termina el modelo. Este algoritmo es independiente del número de elementos, la frecuencia central de funcionamiento, del ángulo de inclinación de las ranuras y de la red equivalente seleccionada (en T o en !). Se basa en definir el diseño del array como un Problema de Satisfacción de Condiciones (en inglés, Constraint Satisfaction Problem) que se resuelve por un método de Búsqueda en Retroceso (Backtracking algorithm). Como resultado devuelve un circuito equivalente del array completo adaptado a su entrada y cuyos elementos consumen una potencia acorde a una distribución de amplitud dada para el array. En toda agrupación de antennas, el acoplo mutuo entre elementos a través del campo radiado representa uno de los principales problemas para el ingeniero y sus efectos perjudican a las prestaciones globales del sistema, tanto en adaptación como en capacidad de radiación. El empleo de circuito equivalente se descartó por la dificultad que suponía la caracterización de estos efectos y su inclusión en la etapa de diseño. En esta tesis doctoral el acoplo también se ha modelado como una red equivalente cuyos elementos son transformadores ideales y admitancias, conectada al conjunto de redes equivalentes que representa el array. Al comparar los resultados estimados en términos de pérdidas de retorno y radiación con aquellos obtenidos a partir de programas comerciales populares como CST Microwave Studio se confirma la validez del método aquí propuesto, el primer método de diseño sistemático de arrays de ranuras compuestos alimentados por guía de onda rectangular. Al tratarse de ranuras no resonantes, el ancho de banda en pérdidas de retorno es mucho mas amplio que el que presentan arrays de slots rectos. Para arrays bidimensionales, el ángulo de inclinación puede ajustarse de manera que el campo quede polarizado en los planos de bajos lóbulos secundarios. Además de simulaciones se han diseñado, construido y medido dos prototipos centrados en la frecuencia de 12GHz, de seis y diez elementos. Las medidas de pérdidas de retorno y diagrama de radiación revelan excelentes resultados, certificando la bondad del método genuino Method of Moments - Forward Matching Procedure desarrollado a lo largo de esta tésis. Abstract The slot antenna arrays are well known systems from the decade of 40s, mainly intended to be part of radar systems of large warships and terrestrial stations where size and weight were not highly restrictive. Over the years, mainly due to significant advances in materials and manufacturing methods, the range of applications of this type of radiating systems grew significantly. From new biomedical technologies, collision avoidance systems in cars and aircraft navigation, short communication links with high bit transfer rate and even embedded systems in satellites for television broadcast. Within this family of antennas, two groups stand out as being the most frequent in the literature: parallel plate antennas with slots placed in a circular or spiral distribution and clusters of waveguide linear arrays. To continue the vast research work carried out during the last decades in the Tokyo Institute of Technology and in the Radiation Group at the Universidad Politécnica de Madrid, this thesis focuses on the latter group, although it represents a technique that drastically breaks with traditional design methodologies. The arrays of slots straight and parallel to the axis of the feeding rectangular waveguide are without a doubt the most used models because of the reliability that they present at high frequencies, its ability to handle large amounts of power and their simplicity of design and manufacturing. However, there also exist disadvantages as narrow bandwidth in return loss and rapid degradation of the radiation pattern with frequency. These are due to the resonant nature of radiating elements: away from the resonance status, the overall system performance and radiation pattern diminish. For two-dimensional arrays of straight slots, the electric field is polarized transverse to the radiators, corresponding to the plane of high side-lobe level. This thesis aims to develop a systematic method of designing arrays of angled and displaced slots (hereinafter "compound slots"), defined in 1971 as one of the challenges to overcome in the world of antenna design. The used technique is based on the Method of Moments, Circuit Theory and the Theory of Scattering Matrices Connection. Being a circuitry-based method, the first part of this dissertation corresponds to the study of the applicability of the basic equivalent networks, their ability to recreate the slot physical phenomena, their limitations and advantages presented to characterize different compound slot configurations. It delves into the differences of T and ! and determines the selection of the most suitable one depending on the type of radiating element. Once the type of network to be used in the system design is selected, a progressive algorithm called Forward Matching Procedure has been developed to connect the proper equivalent networks from the feeder port to shorted ending. This algorithm is independent of the number of elements, the central operating frequency, the angle of inclination of the slots and selected equivalent network (T or ! networks). It is based on the definition of the array design as a Constraint Satisfaction Problem, solved by means of a Backtracking Algorithm. As a result, the method returns an equivalent circuit of the whole array which is matched at its input port and whose elements consume a power according to a given amplitude distribution for the array. In any group of antennas, the mutual coupling between elements through the radiated field represents one of the biggest problems that the engineer faces and its effects are detrimental to the overall performance of the system, both in radiation capabilities and return loss. The employment of an equivalent circuit for the array design was discarded by some authors because of the difficulty involved in the characterization of the coupling effects and their inclusion in the design stage. In this thesis the coupling has also been modeled as an equivalent network whose elements are ideal transformers and admittances connected to the set of equivalent networks that represent the antennas of the array. By comparing the estimated results in terms of return loss and radiation with those obtained from popular commercial software as CST Microwave Studio, the validity of the proposed method is fully confirmed, representing the first method of systematic design of compound-slot arrays fed by rectangular waveguide. Since these slots do not work under the resonant status, the bandwidth in return loss is much wider than the longitudinal-slot arrays. For the case of two-dimensional arrays, the angle of inclination can be adjusted so that the field is polarized at the low side-lobe level plane. Besides the performed full-wave simulations two prototypes of six and ten elements for the X-band have been designed, built and measured, revealing excellent results and agreement with the expected results. These facts certify that the genuine technique Method of Moments - Matching Forward Procedure developed along this thesis is valid and trustable.

El nuevo escenario global y un modelo de negocio para la industria naval militar del 2025

Los retos y oportunidades a los que se enfrentan las organizaciones y administraciones de las primeras décadas del siglo XXI se caracterizan por una serie de fuerzas perturbadoras como la globalización, el avance de las tecnologías emergentes y el desequilibrio económico, que están actuando como impulsores de la transformación del mercado. La acción conjunta de estos factores está obligando a todas las empresas industriales a tener que trabajar con mayores y más exigentes niveles de productividad planteándose continuamente como mejorar y lograr satisfacer los requerimientos de los clientes. De esta situación surge la necesidad de volver a plantearse de nuevo ¿quién es el cliente?, ¿qué valora el cliente? y ¿cómo se pueden generan beneficios sostenibles? La aplicación de esta reflexión a la industria naval militar marca los objetivos a los que esta tesis doctoral busca dar respuesta. El primer objetivo, de carácter general, consiste en la definición de un modelo de negocio sostenible para la industria naval militar del 2025 que se adapte a los requisitos del cliente y al nuevo escenario político, económico, social, tecnológico y ambiental que rodea esta industria. El segundo objetivo, consecuencia del modelo general, trata de desarrollar una metodología para ejecutar programas de apoyo al ciclo de vida del “buque militar”. La investigación se estructura en cuatro partes: en la primera se justifica, por un lado, la necesidad del cambio de modelo y por otro se identifican los factores estructurantes para la definición del modelo. La segunda parte revisa la literatura existente sobre uno de los aspectos básicos para el nuevo modelo, el concepto Producto-Servicio. La tercera parte se centra totalmente en la industria naval militar estudiando los aspectos concretos del sector y, en base al trabajo de campo realizado, se identifican los puntos que más valoran las Marinas de Guerra y como estas gestionan al buque militar durante todo su ciclo de vida. Por último se presentan los principios del modelo propuesto y se desarrollan los pilares básicos para la ejecución de proyectos de Apoyo al Ciclo de Vida (ACV). Como resultado de la investigación, el modelo propuesto para la industria naval militar se fundamenta en once principios: 1. El buque militar (producto de alto valor añadido) debe ser diseñado y construido en un astillero del país que desarrolla el programa de defensa. 2. El diseño tiene que estar orientado al valor para el cliente, es decir, se tiene que diseñar el buque militar para que cumpla su misión, eficaz y eficientemente, durante toda su vida operativa, asegurando la seguridad del buque y de las personas y protegiendo el medio ambiente de acuerdo con las regulaciones vigentes. 3. La empresa debe suministrar soluciones integrales de apoyo al ciclo de vida al producto. 4. Desarrollar y mantener las capacidades de integración de sistemas complejos para todo el ciclo de vida del buque militar. 5. Incorporar las tecnologías digitales al producto, a los procesos, a las personas y al propio modelo de negocio. 6. Desarrollar planes de actuación con el cliente domestico a largo plazo. Estos planes tienen que estar basados en tres premisas: (i) deben incluir el ciclo de vida completo, desde la fase de investigación y desarrollo hasta la retirada del buque del servicio; (ii) la demanda debe ser sofisticada, es decir las exigencias del cliente, tanto desde la óptica de producto como de eficiencia, “tiran” del contratista y (iii) permitir el mantenimiento del nivel tecnológico y de las capacidades industriales de la compañía a futuro y posicionarla para que pueda competir en el mercado de exportación. 7. Impulsar el sector militar de exportación mediante una mayor actividad comercial a nivel internacional. 8. Fomentar la multilocalización ya que representa una oportunidad de crecimiento y favorece la exportación posibilitando el suministro de soluciones integrales en el país destino. 9. Reforzar la diplomacia institucional como palanca para la exportación. 10. Potenciar el liderazgo tecnológico tanto en producto como en procesos con políticas activas de I + D+ i. 11. Reforzar la capacidad de financiación con soluciones innovadoras. El segundo objetivo de esta tesis se centra en el desarrollo de soluciones integrales de Apoyo al Ciclo de Vida (ACV). La metodología planteada trata de minimizar la brecha entre capacidades y necesidades a lo largo de la vida operativa del barco. Es decir, el objetivo principal de los programas de ACV es que la unidad conserve durante toda su vida operativa, en términos relativos a las tecnologías existentes, las capacidades equivalentes a las que tendrá cuando entre en servicio. Los ejes de actuación para conseguir que un programa de Apoyo al Ciclo de Vida cumpla su objetivo son: el diseño orientado al valor, la ingeniería de Apoyo al Ciclo de Vida, los proyectos de refresco de tecnología, el mantenimiento Inteligente y los contratos basados en prestaciones. ABSTRACT On the first decades of the 21st century, organizations and administrations face challenges and come across opportunities threatened by a number of disruptive forces such as globalization, the ever-changing emerging technologies and the economic imbalances acting as drivers of the market transformation. This combination of factors is forcing all industrial companies to have more and higher demanding productivity levels, while bearing always in mind how to improve and meet the customer’s requirements. In this situation, we need to question ourselves again: Who is the customer? What does the customer value? And how can we deliver sustainable economic benefits? Considering this matter in a military naval industry framework sets the goals that this thesis intends to achieve. The first general goal is the definition of a new sustainable business model for the 2025 naval industry, adapted to the customer requirements and the new political, economic, social, technological and environmental scenario. And the second goal that arises as a consequence of the general model develops a methodology to implement “warship” through life support programs. The research is divided in four parts: the first one justifies, on the one hand, the need to change the existing model and, on the other, identifies the model structural factors. On the second part, current literature regarding one of the key issues on the new model (the Product-Service concept) is reviewed. Based on field research, the third part focuses entirely on military shipbuilding, analyzing specific key aspects of this field and identifying which of them are valued the most by Navies and how they manage through life cycles of warships. Finally, the foundation of the proposed model is presented and also the basic grounds for implementing a Through Life Support (TLS) program are developed. As a result of this research, the proposed model for the naval industry is based on eleven (11) key principles: 1. The warship (a high added value product) must be designed and built in a shipyard at the country developing the defense program. 2. Design must be customer value oriented, i.e.warship must be designed to effectively fulfill its mission throughout its operational life, ensuring safety at the ship and for the people and protecting the environment in accordance with current regulations. 3. The industry has to provide integrated Through Life Support solutions. 4. Develop and maintain integrated complex systems capabilities for the entire warship life cycle. 5. Introduce the product, processes, people and business model itself to digital technologies. 6. Develop long-term action plans with the domestic customer. These plans must be based on three premises: (i) the complete life cycle must be included, starting from the research and development stage throughout the ship’s disposal; (ii) customer demand has to be sophisticated, i.e. customer requirements, both from the efficiency and product perspective, "attract" the contractor and (iii) technological level and manufacturing capabilities of the company in the future must be maintained and a competitive position on the export market has to be achieved. 7. Promote the military exporting sector through increased international business. 8. Develop contractor multi-location as it entails an opportunity for growth and promote export opportunities providing integrated solutions in the customer's country. 9. Strengthen institutional diplomacy as a lever for export. 10. Promote technological leadership in both product and processes with active R & D & I policies (Research & Development & Innovation) 11. Strengthen financing capacity through innovative solutions. The second goal of this thesis is focused on developing integrated Through Life Support (TLS) solutions. The proposed methodology tries to minimize the gap between needs and capabilities through the ship operational life. It means, the main TLS program objective is to maintain the ship’s performance and capabilities during operational life, in relative terms to current technologies, equivalent to those the ship had when it entered service. The main actions to fulfill the TLS program objectives are: value-oriented design, TLS engineering, technology updating projects, intelligent maintenance and performance based contracts.