The Complementary Strip-Slot: Analysis and Antenna Applications

Aunque el diseño de la antena en un sistema de comunicaciones pueda parecer un problema clásico, los servicios que han aparecido recientemente requieren nuevas funcionalidades, mayores anchos de banda, mejor eficiencia y directividad, así como bajo coste en la fabricación. Las antenas planares han sido unas de las más usadas y estudiadas en las últimas décadas y unas de las mejores candidatas para los nuevos servicios de telecomunicación. Sus ventajas son claras: poco peso, bajo coste y perfil, compatibilidad con la circuitería integrada, pequeño tamaño y reducido coste de fabricación. Sin embargo, su éxito se ha visto limitado por el escaso ancho de banda que presentan. Debido a la naturaleza resonante de la ranura y el parche alimentados por microstrip, sus anchos de banda en impedancia son insuficientes para la mayoría de los servicios de comunicaciones actuales. La mejora de este parámetro ha sido objeto de numerosas investigaciones; sin embargo, este problema sigue sin estar resuelto definitivamente y constituye una línea importante de investigación en antenas planares. Otra limitación de las antenas microstrip es la baja eficiencia de radiación comparada con otras antenas, que se supera combinando varios elementos para formar arrays. Una posibilidad para excitar el array es la alimentación en serie, que tiene las ventajas de simplicidad, menor espacio sobre el sustrato, pérdidas de atenuación más bajas y menor radiación espúrea, comparada con la alimentación corporativa. En esta tesis doctoral se ha propuesto un nuevo elemento radiante, el denominado strip-slot complementario, cuya principal característica es la eliminación de la naturaleza resonante de la antena de ranura excitada a través de línea microstrip por medio de introducir una strip (tira conductora) superpuesta a la ranura y en la cara de la microstrip. Con esta sencilla modificación, se crea una sección acoplada que puede diseñarse para presentar un comportamiento paso-todo. Las principales ventajas de la estructura son su simplicidad, que posee un único sustrato y que no necesita vías, lo que se traduce en bajo coste. Además, su alimentación en serie la hace muy apropiada para construir arrays de onda progresiva. Se ha analizado el comportamiento electromagnético de esta estructura y se ha obtenido un circuito equivalente basado en red en celosía que no sólo explica sus propiedades, sino que permite, además, establecer una eficaz metodología de diseño. Cabe destacar el trabajo relacionado con las redes en celosía. Se ha extraído una propiedad relevante sobre la independencia de las potencias disipadas en esta topología de circuito, que ha permitido explicar por qué la strip no altera las propiedades radiantes de la ranura. Además, esta red circuital se ha propuesto de una forma más general para el modelado de discontinuidades y componentes de LT simétricos, con la ventaja de garantizar la realizabilidad física de sus componentes, a diferencia de las ampliamente usadas redes en T o en π. Una vez caracterizado el elemento radiante propuesto, se ha ilustrado su potencial con una serie de novedosos diseños de arrays de antenas que se benefician de su elevado ancho de banda para proporcionar nuevas funcionalidades. En primer lugar, se estudia el concepto de array más inmediato, que consiste en cargar la línea microstrip con varios elementos strip-slot idénticos. Con un sencillo prototipo, se demuestra la capacidad de escaneo en frecuencia de atrás hacia delante del array (incluyendo broadside) en dos bandas distintas. Además, se diseña y construye un prototipo más sofisticado, que incluye desfasadores entre los elementos, con el objetivo de controlar el ángulo de apuntamiento de forma electrónica, sobre una banda ancha de frecuencias, sin necesidad de modificar la geometría del elemento radiante gracias a su gran ancho de banda. Esta antena representa una contribución importante a las propuestas del estado del arte. A continuación, se estudia el concepto de un array log-periódico basado en el elemento strip-slot, a través de un diseño y su correspondiente prototipo. Para ello, es necesario adaptar la metodología de diseño, concebida para elementos resonantes, y trasladarla al caso de elementos de banda ancha. La reconsideración de dicha metodología puede ser una aportación significativa, puesto que indica la posibilidad de reducción de tamaño (o anchos de banda mayores) cuando se utilizan elementos no-resonantes. Finalmente, se aborda el diseño de un array que implementa la técnica de rotación secuencial con los elementos strip-slot para proporcionar agilidad en polarización. Además, como aplicación del concepto, se incluye la propuesta de una novedosa antena con capacidad diplexora para la recepción simultánea de dos bandas de navegación por satélite, que no requiere de elementos pasivos o activos adicionales. Puesto que se ha presentado una nueva clase de antenas, basada en la estructura radiante de banda ancha strip-slot, y se han diseñado diferentes topologías con características atractivas que contribuyen al estado del arte y son de aplicación en diversos campos, se puede afirmar que esta tesis ofrece una perspectiva nueva para las antenas planares, basadas en elementos no-resonantes

Application of Huygens’ Metasurfaces to the Arbitrary Design of a Leaky-Wave Antenna

Leaky-wave antennas are guiding structures that leak power along their length. Their radiation is mainly characterized by the propagation constant (leakage factor and phase constant) of the traveling wave. In this contribution, a leakywave antenna based on parallel-plate waveguide is proposed. Arbitrary control of the leakage factor and the phase constant is achieved by replacing the top plate by an omega-type bianisotropic Huygens’ metasurface, which implements the desired field transformation. The theoretical derivation and design methodology are briefly described. Several designs with different pointing angles (phase constants) and leakage rates have been carried out. Electromagnetic simulation results validate the theoretical derivation, highlight the capabilities of the structure and confirm the flexibility in the design parameters.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

Leaky-Wave antennas with arbitrary radiation based on bianisotropic Huygens’ metasurfaces

In this contribution, we present the application of Huygens’ metasurfaces (HMS) to the arbitrary design of leaky-wave antennas (LWAs). These metasurfaces have demonstrated their capabiity to tailor the electromagnetic waves at will. We use them to design LWAs consisting on a parallel-plate waveguide in which the top cover is replaced by a HMS, which implements the desired field transformation. By introducing bianisotropy of the omega type into the metasurface, we have the required degrees of freedom to achieve arbitrary control of the LWA radiation parameters: leakage factor and pointing angle (phase constant). The theoretical derivation of the concept and the design methodology will be described. Moreover, the flexibility in the design will be highlighted with results of two examples of broadside radiation with different directivities.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech.This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Sklodowska-Curie grant agreement No 706334

A Broadband Bow-Tie Cavity-Backed Slot for Traveling-Wave Arrays in the Millimeter-Wave Band

The use of bow-tie geometries to enhance the characteristics of a radiating element previously proposed by the authors is presented. The previous element consisted of a broadband cavity-backed slot in transmission configuration. The bow-tie shape of the cavity improves the bandwidth of the element and the bow-tie slot keeps constant the amount of power radiated. The structure is designed for the millimeterwave band. The enhancement of the element performance is shown through simulation results. A fractional bandwidth of more than 100% is achieved in the 70 GHz band, and the radiated power remains almost constant throughout 30 GHz of the bandwidth. These results show a great improvement over the original radiating element. The radiating structure has the ideal characteristics for building series-fed reconfigurable arrays for wide-band applications in the millimeter-wave band.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech. This work was supported in part by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Sklodowska-Curie grant agreement No. 706334, in part by the Spanish Ministerio de Educaci´on, Cultura y Deporte (Programa para la Formaci´on del Profesorado Universitario) under Grant FPU15/06457 and in other part by the Spanish Ministerio de Econom´ıa y Competitividad, under the project ADDMATE TEC2016-76070-CR3-3-R

On the use of bianisotropic huygens' metasurfaces to build leaky-wave antennas

The Electromagnetics AcademyHuygens' metasurfaces are considered a powerful tool to achieve anomalous electromagnetic field transformations. They consist of an artifcial surface built of pairs of collocated electric and magetic dipoles that force the boundary conditions for the desired transformation to be ful lled [1]. Despite their possibilities, the achievable transformations must ful l some conditions. In [2] it was shown that Huygens' metasurfaces with passive and lossless particles can achieve an arbitrary field transformation provided that the power is conserved at each point of the metasurface and there is wave impedance matching. However, it was shown in [3], that by introducing bianisotropy of the omega-type, the matching condition can be suppressed, which allows the control of both the transmission and rejection coe cients on the metasurface.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

Experimental Verification of a Leaky-Wave Antenna Based on Bianisotropic Huygens’ Metasurface

Abstract—In this communication, the experimental verification of a leaky-wave antenna that uses a Huygens’ metasurface to have a control on the radiation parameters is addressed. The antenna consists of a parallel-plate waveguide in which the top plate has been replaced by an omega-type bianisotropic Huygens’ metasurface, in order to transform the guided mode into the desired leaky-mode with arbitrary choice of the leakage rates, pointing direction and waveguide height. The physical implementation of the metasurface is explained. Two design examples, radiating at broadside with different leakage factors, are implemented, manufactured and measured. Simulated and experimental results of the achieved directivity, scanning performance and radiation patterns are provided, experimentally corroborating the conceptUniversidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech. This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Sklodowska-Curie grant agreement No 706334

Equivalent Circuit Modelling of Non-Symmetric Reciprocal Lossy Electromagnetic Structures

Lattice-network-based equivalent circuits of lossy symmetric reciprocal electromagnetic structures have shown superior performance when compared to other topologies like the T- or PI- networks. This is due to the realizability of their elements and the orthogonal-mode decomposition, which, in most cases, provides a deep physical insight into the behaviour of the modelled structure. The aim of this contribution is to provide a short description of these equivalent circuits and to compare their performances by modelling a misaligned complementary strip-slot element.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech. Marie Sklodowska-Curie grant agreement No 706334. Spanish Ministerio de Economía y Competitividad and the European Regional Development Funds under Grants TEC2016-76070-CR3-2-R and TEC2016-76070-CR3-3-R (ADDMATE)