Diseño óptimo de antenas lente en microondas mediante métodos de simulación

El estudio de las antenas lente si bien no resulta novedoso, ha recibido un fuerte impulso producto de las nuevas tecnologías en estas últimas décadas. El uso de nuevos materiales y técnicas ha permitido implementar antenas lente en distintas aplicaciones de telecomunicaciones en la banda de microondas. Con el incremento de las capacidades computacionales actuales se ha hecho posible la simulación de antenas lente y ello ha permitido la optimización de sus diseños. Cuando las lentes son utilizadas en aplicaciones ópticas, éstas son estudiadas mediante técnicas asintóticas tales como el trazado de rayos, debido a que el tamaño de la lente es mucho mayor a la longitud de onda de la fuente. A frecuencias tales como las microondas otras técnicas deben ser aplicadas para lograr buenos resultados. En esta banda de frecuencias donde los resultados de la física óptica no son tan precisos, es fundamental contar con el aporte de datos y diseños obtenidos mediante software de simulación electromagnética basados en métodos full-wave. La mayoría de los softwares de simulación electromagnética comerciales actuales que emplean métodos full-wave, cuando se ejecutan en computadoras personales estándares, no permiten simular lentes de gran diámetro en relación a la longitud de onda aplicada. Sin embargo, los sistemas antenas lente, al requerir una importante ganancia, necesitan lentes de gran diámetro, lo cual implica que muchas veces los softwares comerciales no sean aptos para simularlas. El aporte de este trabajo de investigación es el estudio y el planteo de bases teóricas para el diseño y desarrollo de antenas lente para aplicaciones en la banda de microondas. Para el diseño de lentes dieléctricas se aplica un novedoso código de simulación electromagnética que utiliza un método full-wave y permite simular lentes de gran tamaño con gran exactitud y en reducidos tiempos de cómputo comparado con los softwares de simulación comerciales. Asimismo, se presentan diseños de antenas lente de vanguardia y resultados de mediciones de prototipos.Facultad de Ingenierí

Simulaciones full-wave en la banda de microondas

Las comunicaciones en la banda de frecuencias de microondas (1 GHz a 300 GHz) tienen su aplicación fundamentalmente en enlaces terrestres punto a punto así como también en los sistemas de comunicación por satélite, sistemas de radar y sistemas de radioastronomía. En dicho rango de frecuencias, las longitudes de onda son del orden de centímetros y milímetros. La utilización de antenas-lente, configuración que mejora la directividad y ganancia de radiación, tiene sus limitaciones en esta banda del espectro, debido precisamente al tamaño de sus componentes en relación con las longitudes de onda de trabajo. Para lograr una mejora en la ganancia las lentes a emplear resultan de diámetros de varias longitudes de onda, lo cual en términos absolutos para la banda de interés puede implicar lentes de gran diámetro (decenas de centímetros e inclusive metros) y por lo tanto gran peso y costo, siendo esta una de las limitaciones en su aplicación. Sin embargo el uso de nuevos materiales ha permitido reducir peso y con ello los costos en esta banda del espectro. Otra de las limitaciones que tienen este tipo de diseños y que hoy está siendo superada, es la de las simulaciones. Mientras el estudio de las lentes ópticas es comúnmente abordado desde la óptica geométrica, es decir a través del trazado de rayos, ello puede no resultar adecuado en la banda de microondas, ya que en este último caso las dimensiones de la lente son del orden de la longitud de onda o algo mayor. Al no ser el tamaño del objeto mucho mayor que la longitud de la onda que lo atraviesa, la óptica geométrica resulta muy limitada para observar los fenómenos que en él se presenten. Es por ello que en esta banda del espectro el empleo de software de simulación electromagnética basado en métodos full-wave es fundamental para el estudio de los conjuntos antena-lente. La posibilidad de contar con algoritmos computacionales confiables que permitan simular el comportamiento de los dispositivos y sistemas antes de que realmente se construyan, resulta imprescindible, no sólo porque permite ahorrar altísimos costos, sino porque habilita involucrarse en niveles de detalle y de optimización que serían incluso imposibles de realizar de manera experimental. En particular, contamos con un novedoso código desarrollado en MATLAB que permite resolver problemas con el método full-wave [1]. Este código permite obtener gráficos de módulo y fase del campo eléctrico cercano y diagramas de radiación de campo lejano, realizando simulaciones en 2D, en tiempos menores a los que requieren los software de simulación electromagnética comerciales. La disponibilidad de este código nos ha permitido la aplicación en varios estudios que han dado origen a diferentes trabajos publicados en congresos nacionales e internacionales [2-5]. El objeto de este trabajo es presentar los resultados de las simulaciones obtenidos en el diseño y caracterización de tres antenas-lente en la banda de microondas. Para lentes de diferente perfil esférico, hiperbólico y elíptico se analizan diversas variables tales como frecuencia, diámetro y distancia focal. Adicionalmente para la antena-lente de perfil hiperbólico se obtendrán a través de las simulaciones las características eléctricas del conjunto antena-lente (diagrama de radiación, ganancia, ancho de haz, relación frenteespalda, etc.).Sección: Electrotecnia.Facultad de Ingenierí

Simulaciones full-wave en la banda de microondas

Las comunicaciones en la banda de frecuencias de microondas (1 GHz a 300 GHz) tienen su aplicación fundamentalmente en enlaces terrestres punto a punto así como también en los sistemas de comunicación por satélite, sistemas de radar y sistemas de radioastronomía. En dicho rango de frecuencias, las longitudes de onda son del orden de centímetros y milímetros. La utilización de antenas-lente, configuración que mejora la directividad y ganancia de radiación, tiene sus limitaciones en esta banda del espectro, debido precisamente al tamaño de sus componentes en relación con las longitudes de onda de trabajo. Para lograr una mejora en la ganancia las lentes a emplear resultan de diámetros de varias longitudes de onda, lo cual en términos absolutos para la banda de interés puede implicar lentes de gran diámetro (decenas de centímetros e inclusive metros) y por lo tanto gran peso y costo, siendo esta una de las limitaciones en su aplicación. Sin embargo el uso de nuevos materiales ha permitido reducir peso y con ello los costos en esta banda del espectro. Otra de las limitaciones que tienen este tipo de diseños y que hoy está siendo superada, es la de las simulaciones. Mientras el estudio de las lentes ópticas es comúnmente abordado desde la óptica geométrica, es decir a través del trazado de rayos, ello puede no resultar adecuado en la banda de microondas, ya que en este último caso las dimensiones de la lente son del orden de la longitud de onda o algo mayor. Al no ser el tamaño del objeto mucho mayor que la longitud de la onda que lo atraviesa, la óptica geométrica resulta muy limitada para observar los fenómenos que en él se presenten. Es por ello que en esta banda del espectro el empleo de software de simulación electromagnética basado en métodos full-wave es fundamental para el estudio de los conjuntos antena-lente. La posibilidad de contar con algoritmos computacionales confiables que permitan simular el comportamiento de los dispositivos y sistemas antes de que realmente se construyan, resulta imprescindible, no sólo porque permite ahorrar altísimos costos, sino porque habilita involucrarse en niveles de detalle y de optimización que serían incluso imposibles de realizar de manera experimental. En particular, contamos con un novedoso código desarrollado en MATLAB que permite resolver problemas con el método full-wave [1]. Este código permite obtener gráficos de módulo y fase del campo eléctrico cercano y diagramas de radiación de campo lejano, realizando simulaciones en 2D, en tiempos menores a los que requieren los software de simulación electromagnética comerciales. La disponibilidad de este código nos ha permitido la aplicación en varios estudios que han dado origen a diferentes trabajos publicados en congresos nacionales e internacionales [2-5]. El objeto de este trabajo es presentar los resultados de las simulaciones obtenidos en el diseño y caracterización de tres antenas-lente en la banda de microondas. Para lentes de diferente perfil esférico, hiperbólico y elíptico se analizan diversas variables tales como frecuencia, diámetro y distancia focal. Adicionalmente para la antena-lente de perfil hiperbólico se obtendrán a través de las simulaciones las características eléctricas del conjunto antena-lente (diagrama de radiación, ganancia, ancho de haz, relación frenteespalda, etc.).Sección: Electrotecnia.Facultad de Ingenierí

Simulaciones full-wave en la banda de microondas

Las comunicaciones en la banda de frecuencias de microondas (1 GHz a 300 GHz) tienen su aplicación fundamentalmente en enlaces terrestres punto a punto así como también en los sistemas de comunicación por satélite, sistemas de radar y sistemas de radioastronomía. En dicho rango de frecuencias, las longitudes de onda son del orden de centímetros y milímetros. La utilización de antenas-lente, configuración que mejora la directividad y ganancia de radiación, tiene sus limitaciones en esta banda del espectro, debido precisamente al tamaño de sus componentes en relación con las longitudes de onda de trabajo. Para lograr una mejora en la ganancia las lentes a emplear resultan de diámetros de varias longitudes de onda, lo cual en términos absolutos para la banda de interés puede implicar lentes de gran diámetro (decenas de centímetros e inclusive metros) y por lo tanto gran peso y costo, siendo esta una de las limitaciones en su aplicación. Sin embargo el uso de nuevos materiales ha permitido reducir peso y con ello los costos en esta banda del espectro. Otra de las limitaciones que tienen este tipo de diseños y que hoy está siendo superada, es la de las simulaciones. Mientras el estudio de las lentes ópticas es comúnmente abordado desde la óptica geométrica, es decir a través del trazado de rayos, ello puede no resultar adecuado en la banda de microondas, ya que en este último caso las dimensiones de la lente son del orden de la longitud de onda o algo mayor. Al no ser el tamaño del objeto mucho mayor que la longitud de la onda que lo atraviesa, la óptica geométrica resulta muy limitada para observar los fenómenos que en él se presenten. Es por ello que en esta banda del espectro el empleo de software de simulación electromagnética basado en métodos full-wave es fundamental para el estudio de los conjuntos antena-lente. La posibilidad de contar con algoritmos computacionales confiables que permitan simular el comportamiento de los dispositivos y sistemas antes de que realmente se construyan, resulta imprescindible, no sólo porque permite ahorrar altísimos costos, sino porque habilita involucrarse en niveles de detalle y de optimización que serían incluso imposibles de realizar de manera experimental. En particular, contamos con un novedoso código desarrollado en MATLAB que permite resolver problemas con el método full-wave [1]. Este código permite obtener gráficos de módulo y fase del campo eléctrico cercano y diagramas de radiación de campo lejano, realizando simulaciones en 2D, en tiempos menores a los que requieren los software de simulación electromagnética comerciales. La disponibilidad de este código nos ha permitido la aplicación en varios estudios que han dado origen a diferentes trabajos publicados en congresos nacionales e internacionales [2-5]. El objeto de este trabajo es presentar los resultados de las simulaciones obtenidos en el diseño y caracterización de tres antenas-lente en la banda de microondas. Para lentes de diferente perfil esférico, hiperbólico y elíptico se analizan diversas variables tales como frecuencia, diámetro y distancia focal. Adicionalmente para la antena-lente de perfil hiperbólico se obtendrán a través de las simulaciones las características eléctricas del conjunto antena-lente (diagrama de radiación, ganancia, ancho de haz, relación frenteespalda, etc.).Sección: Electrotecnia.Facultad de Ingenierí

Diseño, simulación y medición de una antena lente binaria de zonas de Fresnel

A principios del siglo XIX Agustín Fresnel, basándose en el fenómeno de difracción de la radiación al pasar a través de una abertura, publicó un trabajo en frecuencias ópticas en el que definió el concepto de zonas que alternadamente producen interferencia constructiva e interferencia destructiva en el punto de recepción, hoy conocidas como zonas de Fresnel. A partir de sus enunciados fue posible diseñar antenas planas de zonas de Fresnel (Fresnel Zone Plate, FZP por sus siglas en inglés) que fueron empleados en varias aplicaciones en un amplio rango del espectro. Sin embargo, recién en los últimos años ha habido un interés renovado en este tipo de diseño para aplicaciones en las bandas de microondas y hasta los Teraherz, donde ofrecen atractivas ventajas sobre las antenas lentes y antenas parabólicas tradicionales, entre las que se incluyen simplicidad de construcción, espesor muy reducido, peso ligero y bajo costo. La antena FZP más difundida es la antena lente plana de zonas de Fresnel circular binaria (Circular Fresnel Zone Plate Lens, CFZPL por sus siglas en ingés) que consiste en zonas anulares concéntricas que alternan zonas transparentes con zonas opacas (material conductor). La lente FZP actúa como una rejilla de difracción. El radio, el ancho y la separación entre anillos permite igualar caminos eléctricos hacia un punto focal dado. La característica distintiva es su propiedad multifocal, debido a su naturaleza difractiva. Los anillos opacos de material conductor coinciden con las zonas alternas de fase igual a 180° en la superficie de la apertura de la antena. Éstos bloquean las ondas electromagnéticas (EM) de la fuente, colocadas en el foco de la lente, que están desfasadas 180° en relación con el centro de la apertura. Las ondas EM que iluminan las regiones transparentes se difractan y se combinan para colimar un haz en el campo lejano.Facultad de Ingenierí

Nuevas directrices ICNIRP 2020. Coincidencias y modificaciones con respecto a ICNIRP 1998

El procedimiento que aplica la ICNIRP para fijar los valores límites parte de detectar un efecto biológico asociado a una frecuencia, una cantidad física y un mecanismo de interacción. Para dicha cantidad física se establecen las llamadas “cantidades dosimétricas” que fijan el umbral a partir del cual aparecen los efectos adversos para la salud. A partir de estos umbrales y a través de factores de reducción se establecen “restricciones básicas”. Las restricciones básicas limitan cantidades físicas dentro de un cuerpo expuesto, que por lo general no se pueden medir fácilmente. Para evitar este inconveniente la ICNIRP, a través de modelos computacionales y mediciones, deriva, a partir de las restricciones básicas que deben cumplirse al interior del cuerpo, cantidades físicas de exposición ambiental que deben verificarse en el ambiente de manera de asegurar que las restricciones básicas no se están superando al interior de cuerpo. Estas cantidades físicas de exposición ambiental resultan de fácil medición en el ambiente, y evitan tener que realizar mediciones al interior del cuerpo. A estas cantidades de exposición se las denomina "niveles de referencia". A continuación, se realiza un análisis cualitativo de los cambios introducidos en el tipo de restricciones básicas que ambas definen, y sus condiciones de medición, para luego pasar a los cambios tanto en el tipo como en las condiciones de medición de los niveles de referencia.Facultad de Ingenierí

Aplicación de la teoría de modos característicos al estudio de antenas fractales

Las antenas llamadas fractales, constituidas sobre la base de la repetición de un patrón geométrico, tienen un comportamiento multibanda gracias a su propiedad de autoescalabilidad. Contenida dentro de la forma externa de la estructura fractal se encuentra la misma forma, o similar, repetida en varias escalas menores. La primera antena fractal multibanda construida fue el monopolo de Sierpinski. El desarrollo de las tecnologías en telefonía móvil y comunicaciones por microondas ha encontrado en este tipo de antenas características ventajosas para su diseño y aplicación, como por ejemplo su reducido tamaño. Por otro lado, la expansión de una cantidad física en una serie de funciones base es un recurso matemático ampliamente utilizado. Una posible expansión, que ofrece un interesante enfoque para la comprensión del fenómeno físico, es la Teoría de los Modos Característicos (TMC o CMA según sus siglas en inglés: Characteristic Mode Analysis). Esta teoría fue enunciada por Garbacz en 1968 y posteriormente mejorada por Harrington y Mautz en 1971. Sin embargo, su eficiente aprovechamiento no llegó antes del desarrollo del Electromagnetismo computacional (CEM Computational Electromagnetics) basado en la aplicación de los métodos numéricos, así como el desarrollo de computadoras cada vez más poderosas. En el año 2007 Cabedo Fabres aplicó esta teoría para el análisis del diseño de antenas, presentándolo como un enfoque novedoso para el entendimiento físico del comportamiento radiante de estos dispositivos. Con este enfoque analizaremos una antena fractal, monopolo de Sierpinski, en su desarrollo más elemental, es decir para un par de iteraciones. Se realizarán simulaciones con el software de simulación electromagnética FEKO, el cual posibilita no sólo un estudio clásico del diagrama de radiación según la frecuencia, sino que ofrece un análisis basado en la TMC. Esto permite estudiar el comportamiento natural de la antena independientemente de toda excitación externa.Facultad de Ingenierí

Remarks on Screening in a Gauge-Invariant Formalism

In this paper we display a direct and physically attractive derivation of the screening contribution to the interaction potential in the Chiral Schwinger model and generalized Maxwell-Chern-Simons gauge theory. It is shown that these results emerge naturally when a correct separation between gauge-invariant and gauge degrees of freedom is made. Explicit expressions for gauge-invariant fields are found.Comment: 13 pages, 1 figure, to appear in PR