Analysis and design of new electronically reconfigurable periodic leaky-wave antennas

[SPA] El principal objetivo de la tesis es el estudio de nuevas tecnologías en el campo de las antenas reconfigurables. En particular, la tesis se centra en explorar y explotar el potencial que presentan un tipo de antenas denominadas como ¿Antenas basadas en Modos de Fuga¿ para controlar electrónicamente su diagrama de radiación. La tesis desarrolla el análisis, diseño y fabricación de tres novedosas antenas basadas en modos de fuga capaces de variar mediante unas pocas señales de control y de forma continua su ángulo de apuntamiento. El mecanismo de reconfiguración electrónica principalmente se basa en el control de la dispersión de los modos de fuga excitados en dichas estructuras, mediante un control electrónico introducido empleando estructuras periódicas resonantes combinadas con elementos activos tales como diodos varactores. La tesis demuestra claramente la utilidad de estas antenas en el campo de la reconfiguración electrónica, proponiendo estas nuevas estructuras como alternativas a otras soluciones más clásicas (como antenas en array de fase reconfigurables o reflectores parabólicos mecánicamente re-orientables mecánicamente) y otras de actualidad (como reflectarrays, transmitarrays, antenas metamateriales o antenas pixeladas), las cuales todas ellas presentan otros problemas en términos de coste, complejidad de diseño o limitaciones de escalabilidad en frecuencia, aportando así esta tesis novedosos conceptos de reconfiguración electrónica.[ENG] The thesis aims the design of novel reconfigurable antennas with electronic beam-scanning. In particular, the antennas analyzed are known as Fabry-Perot Antennas (FPA) and are currently of high interest in the scientific community because of their high-directivity, low-profile and structure simplicity, what allow them to be an interesting alternative to other technologies (e.g. parabolic reflectors, phased arrays, etc.) which require of complex power distribution networks, bulky external sources or costly techniques to achieve reconfigurable capabilities. In this thesis, the integration of active components, such as varactor diodes, with FPRA structures, is exploited to achieve electronic control of their aperture illumination, which in turn results in the electronic steering of the radiation-pattern main beam. A modal analysis based on the leaky-wave theory has allowed to understand and predict the behavior of these structures. An equivalent circuit model was developed to design and optimize the dimensions of theses complex structures, saving computational cost and time. The antennas are based on the control of the frequency dispersion response and the electromagnetic band-gap (EBG) properties of periodic structures, employing specially designed Frequency-Selective Surfaces (FSS) loaded with varactor diodes. Three novel antenna prototypes were manufactured to demonstrate electronic steering capability operating at 5.5GHz. Continuous scanning in elevation (1D scanning) and also in elevation and azimuth simultaneously (2D scanning) have been achieved employing just a few control signals (between 1 and 4 signals). The antenna structures have been implemented in a low-cost technology based on parallel plate waveguides and printed circuit boards which have allowed to design antennas with a reduced profile. Theoretical, simulated and experimental results are shown for each prototype to demonstrate the concepts. Also, some future lines related to novel planar reconfigurable antennas in development are also outlined. One of the main potential advantages of the reconfiguring principles presented for future applications is their frequency scalability. This would allow to apply these concepts to other technologies, such as MEMS or graphene, to build new reconfigurable antennas able to operate at higher frequency bands (e.g. mm-bands) for future applications.Universidad Politécnica de Cartagen

Diseño de una Antena Leaky-Wave reconfigurable electrónicamenteen tecnología de guía de onda integrada en sustrato

El presente trabajo muestra los últimos avances en el campo de las antenas reconfigurables obtenidos por el Grupo de Electromagnetismo Aplicado a las Telecomunicaciones (GEAT). El paper presenta una novedosa antena leaky-wave (LWA) reconfigurable, diseñada en una tecnología planar de bajo coste denominada guía de onda integrada en sustrato (SIW). La antena se basa en el control electrónico de los modos de fuga excitados en la estructura, permitiendo controlar simultáneamente la dirección y el ancho de haz del lóbulo principal de radiación. En el trabajo se describen la metodología de análisis modal y se muestran resultados de simulación obtenidos a partir del diseño realizado para una frecuencia de operación de 5.5GHz.Centro Universitario de la Defensa. Escuela de Turismo de Cartagena. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial UPCT. Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación (ETSIT). Escuela de Ingeniería de Caminos y Minas (EICM). Escuela de Arquitectura e Ingeniería de Edificación (ARQ&IDE). Parque Tecnológico de Fuente Álamo. Navantia. Campus Mare Nostrum. Estación Experimental Agroalimentaria Tomás Ferr

Reduciendo el desenfoque de haz en antenas de onda de fuga escaneadas usando cavidades SIW acopladas

[ESP] El diseño sistemático de antenas de onda de fuga (LWA) planas, directivas, de banda ancha usando cavidades acopladas mediante guías de onda integradas en substrato (SIW) se reporta en este trabajo. El método de diseño está basado en teoría de filtros. Un ancho de banda de escaneo a 3dB de 1.5GHz con 10dBi de directividad a la frecuencia central de 15GHz (10% de ancho de banda fraccional) es conseguido para un ángulo de escaneo de 30º en elevación. Esto es mucho mayor que el 1.7% de ancho de banda fraccional normal en el mismo tipo de antenas con una sola cavidad SIW. [ENG] The systematic design of broadband, directive, scanned planar leaky-wave antennas using coupled-cavity substrate integrated waveguide technology is reported in this work. The design methodology is based on the optimization of the corresponding transverse resonance phase equation, so that a constant scanning angle condition is satisfied for a wide frequency band. A 3dB scanned pattern bandwidth of 1.5GHz with 10dBi directivity at a central frequency of 15GHz (10% fractional bandwidth), is reported for 30º elevation scanning angle. This is a much higher bandwidth than conventional 1.7% bandwidth associated to the same type of antenna with a single SIW cavity.Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación (ETSIT), Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica (ETSIA), Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial (ETSII), Escuela Técnica Superior de Arquitectura y Edificación (ETSAE), Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos y de Ingeniería de Minas (ETSICCPIM), Facultad de Ciencias de la Empresa (FCCE), Parque Tecnológico de Fuente Álamo (PTFA), Vicerrectorado de Estudiantes y Extensión de la UPCT, Vicerrectorado de Investigación e Innovación de la UPCT, y Vicerrectorado de Internacionalización y Cooperación al Desarrollo de la UPCT

Control de la directividad en broadside en antena leaky-wave 1D

En este artículo se propone un método de diseño para controlar el ancho de haz en una antena leaky-wave ID cargada con una superficie selectiva en frecuencia. En concreto, esta antena posee la ventaja de apuntar en broadside porque está alimentada por el centro.Centro Universitario de la Defensa. Escuela de Turismo de Cartagena. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial UPCT. Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación (ETSIT). Escuela de Ingeniería de Caminos y Minas (EICM). Escuela de Arquitectura e Ingeniería de Edificación (ARQ&IDE). Parque Tecnológico de Fuente Álamo. Navantia. Campus Mare Nostru

Control electrónico del haz radiado en antenas leaky wave activas

En el siguiente artículo se presenta una novedosa antena leaky-wave (LWA) activa. La estructura es capaz de reconfigurar electrónicamente su haz de radiación principal trabajando a una frecuencia fija de operación. Dicha propiedad de redireccionamiento electrónico se introduce gracias a la utilización de una superficie de alta impedancia (HIS) activa cargada con diodos varactores. La recorifiguración del haz se basa en el control del desfase introducido por la HIS activa al variar la tensión de polarización aplicada a los diodos. Dicha variación cambia la constante de fase de los modos de fuga (modos leaky) que se propagan a través de la estructura, modificando el ángulo de radiación. La antena se ha analizado mediante un método basado en la Técnica de Resonancia Transversa (TRE), analizando una Red Equivalente Transversa (TEN) de la estructura. Para validar los resultados obtenidos, se han desarrollado y simulado varios diseños trabajando a 5.5GHz.Centro Universitario de la Defensa. Escuela de Turismo de Cartagena. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial UPCT. Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación (ETSIT). Escuela de Ingeniería de Caminos y Minas (EICM). Escuela de Arquitectura e Ingeniería de Edificación (ARQ&IDE). Parque Tecnológico de Fuente Álamo. Navantia. Campus Mare Nostru

Control de la radiación de una antena leaky-wave cargada con una superficie selectiva en frecuencia

This work presents a novel leaky-wave antenna (LWA), conceived from the insertion of a dipole-based frequency selective surface (FSS) into a top-open rectangular waveguide. It is explained how the printed circuit has the ability to control the radiation rate of the leaky modes that propagate through this structure at a certain frequency. This attribute makes possible the tapering of the radiation diagram of the LWA. In particular, it is possible to reduce the sidelobes level. This feature will be illustrated by performing a cosine tapered design. Good agreement is observed when comparing the results obtained from leaky-mode theory with full-wave simulations. Finally, the limitations of this tapering procedure will also be presented.Este trabajo ha sido posible gracias al proyecto nacional TEC2007-67630-C03-02/TCM, el proyecto regional de la fundación Séneca 08833/PI/08, la beca nacional ―Salvador de Madariaga‖ (ref.PR2009-0336) y la beca regional PMPDI-UPCT-2009

On differential imaging using electromagnetic simulation for vehicular antenna signature analysis

The current trend in vehicles is to integrate a wide number of antennae and sensors operating at a variety of frequencies for sensing and communications. The integration of these antennae and sensors in the vehicle platform is complex because of the way in which the antenna radiation patterns interact with the vehicle structure and other antennae/sensors. Consequently, there is a need to study the radiation pattern of each antenna or, alternatively, the currents induced on the surface of the vehicle to optimize the integration of multiple antennae. The novel concept of differential imaging represents one method by which it is possible to obtain the surface current distribution without introducing any perturbing probe. The aim of this study was to develop and confirm the assumptions that underpin differential imaging by means of full-wave electromagnetic simulation, thereby providing additional verification of the concept. The simulation environment and parameters were selected to replicate the conditions in which real measurements were taken in previous studies. The simulations were performed using Ansys HFSS simulation software. The results confirm that the approximations are valid, and the differential currents are representative of the induced surface currents generated by a monopole positioned on the top of a vehicle.This research was funded by the Ministry of Education and Science, Spain (PID2019-107885GB-C33 / Agencia Estatal de Investigación AEI / 10.13039/501100011033), and the Catalan Research Group 2017 SGR 219

Antena "leaky-wave" en guía-onda basada en metamateriales: método de análisis y diseño, y validación experimental

En este artículo se presenta una novedosa antena "leaky-wave" en guía de onda, basada en metamateriales. Para ello, la guía-onda se ha cargado con "slots" y "via-holes ", de tal forma que proporciona constantes de propagación tanto negativa como positiva, enfunción de lafrecuencia. Esta antena es capaz de modificar la dirección de la radiación en jimción de la frecuen cia de entrada, proporcionado un barrido completo del espacio. Para su análisis y diseño, se ha propuesto un método modal, combinado con condiciones de contorno de Floquet. De esta manera se consigue diseñar y analizar este tipo de antenas en cuestión de pocos minutos, evitando recurrir a herramientas de onda completa comerciales, que presentan unos tiempos de diseño de horas e incluso días. Medidas experimentales confirman el fenómeno de radiación previsto para la nueva antena, y validan la herramienta de análisis propuesta.Asociación de Jóvenes Investigadores de Cartagena, (AJICT). Universidad Politécnica de Cartagena. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial UPCT, (ETSII). Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, (ETSIA), Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación (ETSIT). Escuela de Ingeniería de Caminos, Canales, y Puertos y de Ingeniería de Minas, (EICM). Fundación Séneca, Agencia Regional de Ciencia y Tecnología. Parque Tecnológico de Fuente Álamo. Grupo Aquilin

Filtros de microondas de una sola pieza realizados mediante fundido selectivo por láser

Este paper presenta filtros en guía de onda realizados mediante una innovativa técnica de fabricación conocida como "Selective Laser Melting" ó SLM. Se han fabricado dos tipos de filtros de quinto orden en guía de onda y con un ancho de banda de 0.9%. Ambos diseños tienen la misma respuesta en frecuencia pero diferentes geometrías internas. El segundo diseño hace uso de la libertad de geometría que ofrece esta nueva tecnología por lo que se han empleado técnicas de modelado de geometría para ayudar a reducir pérdidas. Gracias a la optimización de la geometría, es posible mejorar el factor de calidad en al menos un 15%.Asociación de Jóvenes Investigadores de Cartagena, (AJICT). Universidad Politécnica de Cartagena. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial UPCT, (ETSII). Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, (ETSIA), Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación (ETSIT). Escuela de Ingeniería de Caminos, Canales, y Puertos y de Ingeniería de Minas, (EICM). Fundación Séneca, Agencia Regional de Ciencia y Tecnología. Parque Tecnológico de Fuente Álamo. Grupo Aquilin

Escaneo electrónico Backward-a-Forward en Antenas Leaky Wave 1D con excitación central

En el artículo se demuestra la posibilidad de ampliar el rango de escaneo electrónico de antenas leaky wave unidimensionales (ID-LWA) activas basadas en cavidades Fabry-Perot (FP) cargadas con superficies selectivas en frecuencia. En concreto, se parte de una FP 1D-LWA excitada por el inicio capaz de escanear electrónicamente su ángulo de apuntamiento en forward a una frecuencia fija de operación. Se demuestra como mediante una excitación simétrica de la estructura original y el control de la dispersión y de las propiedades de band gap electromagnético (EBG) de la cavidad FP es posible ampliar el rango de escaneo electrónico, barriendo de forma continua desde backward a foward, incluyendo broadside, y llegando así a duplicar el rango de escaneo de la FP 1D-LWA de partida.Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación, (ETSIT). Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, (ETSIA). Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial (ETSII). Escuela de Arquitectura e Ingeniería de Edificación (ARQ&IDE). Escuela de Ingeniería de Caminos y de Minas, (EICM). Centro Universitario de la Defensa, CUD. Parque Tecnológico de Fuente Álamo Campus Mare Nostrum