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.

Desenvolvimento e otimização de antenas Vivaldi antipodais para aplicações a altas frequências.

Esta tese propõe a síntese e o estudo de uma nova técnica de cavidades de borda aplicada a antenas Vivaldi, com o intuito de melhorar suas características de diretividade. Embora as antenas do tipo Vivaldi possuam características diretivas, elas produzem radiações laterais indesejáveis, o que se reflete nos elevados índices de lóbulos laterais devido a correntes superficiais que fluem ao longo das bordas metalizadas nas laterais da antena. Estas correntes são a origem das radiações laterais que vêm sendo mitigadas pela aplicação de cavidades ressonantes, triangulares ou retangulares, que aprisionam tais correntes e, consequentemente, atenuam os lóbulos laterais, sem o incremento do lóbulo principal, uma vez que toda a energia dos lóbulos laterais é apenas confinada nos ressonadores e por isso literalmente perdida. Ao contrário desses esforços, este trabalho propõe cavidades radiantes tanto na forma de abertura exponencial, como na forma do fractais de Koch, que funcionam como radiadores auxiliares (antenas auxiliares), canalizando as correntes de borda e aproveitando-as para aumentar os níveis do lóbulo principal, mitigando os níveis de lóbulo lateral. A síntese desta nova técnica foi implementada em uma antena Vivaldi antipodal com características de baixa diretividade, como qualquer antena Vivaldi, o que foi corrigido e a aplicação da técnica de cavidades radiantes deu origem a duas novas antenas Vivaldis efetivamente diretivas. Os resultados foram obtidos através de simulações do modelo numérico no CST Microwave Studio e confirmados com medidas de laboratório, o que evidenciou a melhora das características de diretividade da antena pela aplicação da nova técnica de cavidades radiantes.

Desenvolvimento de estruturas integradas de filtros e antenas para aplicações em sistemas de comunicações sem fio

This paper presents a study of the integration of filters and microstrip antennas, yielding devices named as filtennas for applications in wireless communications systems. The design of these structures is given from the observation of filtennas based integration between horn antennas and frequency selective surfaces (FSS), used in the band X. The choice of microstrip line structures for the development of a new configuration filtennas justifies the wide application of these transmission lines, in recent decades, always resulting in the production of circuit structures with planar light-weight, compact size, low cost, easy to construct and particularly easy to integrate with other microwave circuits. In addition, the antenna structure considered for the composition of filtennas consists of a planar monopole microstrip to microstrip filters integrated in the feed line of the antenna. In particular, are considered elliptical monopole microstrip (operating in UWB UWB) microstrip filters and (in structures with associated sections in series and / or coupled). In addition, the monopole microstrip has a proper bandwidth and omnidirectional radiation pattern, such that its integration with microstrip filters results in decreased bandwidth, but with slight changes in the radiation pattern. The methods used in the analysis of monopoles, and filters were filtennas finite elements and moments by using commercial software Ansoft Designer and HFSS Ansoft, respectively. Specifically, we analyze the main characteristics of filtennas, such as radiation pattern, gain and bandwidth. Were designed, constructed and measures, several structures filtennas, for validation of the simulated results. Were also used computational tools (CAD) in the process of building prototypes of planar monopoles, filters and filtennas. The prototypes were constructed on substrates of glass-fiber (FR4). Measurements were performed at the Laboratory for Telecommunications UFRN. Comparisons were made between simulated and measured, and found good agreement in the cases considered

Uso de metamaterial em antenas de microfita com supercondutor

Metamaterials have attracted great attention in recent decades, due to their electromagnetic properties which are not found in nature. Since metamaterials are now synthesized by the insertion of artificially manufactured inclusions in a specified homogeneous medium, it became possible for the researcher to work with a wide collection of independent parameters, for example, the electromagnetic properties of the material. An investigation of the properties of ring resonators was performed as well as those of metamaterials. A study of the major theories that clearly explain superconductivity was presented. The BCS theory, London Equations and the Two-Fluid Model are theories that support the application of superconducting microstrip antennas. Therefore, this thesis presents theoretical, numerical and experimental-computational analysis using full-wave formalism, through the application of the Transverse Transmission Line – LTT method applied in the Fourier Transform Domain (FTD). The LTT is a full wave method, which, as a rule, obtains the electromagnetic fields in terms of the transverse components of the structure. The inclusion of the superconducting patch is performed using the complex resistive boundary condition. Results of resonant frequency as a function of antenna parameters are obtained. To validate the analysis, computer programs were developed using Fortran, simulations were created using the commercial software, with curves being drawn using commercial software and MATLAB, in addition to comparing the conventional patch with the superconductor as well as comparing a metamaterial substrate with a conventional one, joining the substrate with the patch, observing what improves on both cas

Estudo de arranjos de antenas de microfita com Patch quase-fractal para comunicações sem fio

In this dissertation, are presented two microstrip antennas and two arrays for applications in wireless communication systems multiband. Initially, we studied an antenna and a linear array consisting of two elements identical to the patch antenna isolated. The shape of the patch used in both structures is based on fractal geometry and has multiband behavior. Next a new antenna is analyzed and a new array such as initial structure, but with the truncated ground plane, in order to obtain better bandwidths and return loss. For feeding the structures, we used microstrip transmission line. In the design of planar structures, was used HFSS software for the simulation. Next were built and measures electromagnetic parameters such as input impedance and return loss, using vector network analyzer in the telecommunications laboratory of Federal University of Rio Grande do Norte. The experimental results were compared with the simulated and showed improved return loss for the first array and also appeared a fourth band and increased directivity compared with the isolated antenna. The first two benefits are not commonly found in the literature. For structures with a truncated ground planes, the technique improved impedance matching, bandwidth and return loss when compared to the initial structure with filled ground planes. Moreover, these structures exhibited a better distribution of frequency, facilitating the adjustment of frequencies. Thus, it is expected that the planar structures presented in this study, particularly arrays may be suitable for specific applications in wireless communication systems when frequency multiband and wideband transmission signals are required.