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

García Vigueras, María

Guzmán Quirós, Raúl

Gómez Tornero, José Luis

Martínez Ros, Alejandro Javier

Spanish

Repositorio Digital de la Universidad Politécnica de Cartagena

Investigación ETSII Control Electrónico del Haz Radiado en Antenas Leaky Wave Activas Raúl Guzmán-Quirós, María García-Vigueras, Alejandro Javier Martínez-Ros y José Luis Gómez-Tornero Departamento de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones Universidad Poltécnica de Cartagena Cartagena 30202, España E-mail : raul.guzman@upct.es. maria.garcia@upct.es. alejandro.martinez@upct.es. josel.gomez@upct.es Resumen. 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 fzja 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. 1 Introducción Actualmente, las antenas planares reconfigurables continúan constituyendo una línea de investigación muy interesante por su utilidad tanto en aplicaciones militares en comunicaciones móviles o radar, como en aplicaciones más comerciales como redes wireless para entornos interiores. Las antenas reconfigurables [1] se conciben para adaptarse al medio. Algunos parámetros reconfigurables suelen ser la frecuencia de operación, el diagrama de radiación o una combinación de ellos. A diferencia de las antenas clásicas, esto les permite operar en diferentes bandas de frecuencia o modificar dinámicamente su funcionalidad según las condiciones de operación como la aparición de interferencias o fading. El principio de operación de las antenas L W A es bien conocido [2]. Las antenas leaky-wave cargadas con superficies selectivas en frecuencia (FSS, Frequency Seleective Surface [3]) constituyen una familia que ha recibido un creciente interés en los últimos años dada su utilidad para concebir antenas 2D con apuntamiento broadside, alta directividad y bajo perfil [4]. Por otra parte, la combinación de antenas unidimensionales (lD-LW A) con guía de onda y circuitos impresos ha demostrado su capacidad para controlar la velocidad de fase y la tasa de radiación de los modos de fuga (modos leaky) [5,6]. El principal inconveniente de las LWA pasivas en tecnología híbrida es la necesidad de rediseñar y fabricar los circuitos impresos cada vez que deseemos modificar el ángulo de apuntamiento, la tasa de radiación, o su frecuencia de operación, por lo que no son útiles en sistemas donde se requiera una reconfiguración dinámica de su funcionamiento. Por ello, la inserción de elementos activos en los circuitos impresos constituye una opción para añadir control electrónico. 94 Las superficies de alta impedancia (HIS, High Impedance Surface) son estructuras periódicas que poseen la interesante propiedad de variar el desfase introducido a una onda reflejada en función de su frecuencia y ángulo de incidencia. Así pues, son capaces de comportarse tanto como paredes eléctricas «hns = 180°) o magnéticas «j>¡.ns = 0°) [7,8]. La inserción de diodos varactores para conseguir HIS activas reconfigurables ha sido estudiada en diversos trabajos [9]. Este tipo de HIS activas han sido aplicadas en el diseño de antenas 2D-LWA multi-banda [4], redireccionables [12] y en reflectores activos (reflectarrays [10]), entre otras aplicaciones. a) L _ !le8;::::::;;;y ___ I::'L..:.Y~uP P PRS H e) Y,,· NIS b) Diodo Vatactor YOOWN Fig.l : a) Estructura lD-LWA Activa b) Circuito Equivalente Transverso de la lD-LWA Activa c) Modelo Celda Unidad de la HIS Activa. 2 Estructura y Mecanismo de Radiación de la lD-L W A Activa La estructura presentada posee la propiedad de escanear de forma continua el ángulo de apuntamiento de los modos leaky. La radiación de la IV Jornadas de Introducción a la Investigación de la UPCT estructura se debe, como en cualquier L W A, a la excitación de modos leaky caracterizados por una constante de propagación longitudinal compleja de la forma ky = fJy - jay- En esta expresión, fJy se corresponde con la constante de fase del modo, parámetro de gran interés para nuestro estudio por estar estrechamente relacionada con el ángulo de radiación principal eRAD (1). Por otro lado, ay modela la tasa de radiación del modo leaky, la cual determina, junto con la longitud de la antena LA, con la eficiencia de radiación T]RAD de la antena. (1) En la Fig.l-a se presenta un esquema general de la lD-LWA activa. El diseño estudiado se ha inspirado en el analizado en [6], donde se propone una lD-L W A pasiva en tecnología híbrida donde una guía de onda cargada con dos FSS comprenden una cavidad Fabry-Perot a través de la cual el modo leaky se propaga, excitado mediante un modo TEo1 de la guía de onda rectangular. Al igual que en [6], la FSS superior de nuestra estructura es una FSS pasiva que actúa como una superficie parcialmente reflectante (PRS, Partially Reflective Surface) controlando con el módulo de su coeficiente de reflexión (PPRS) la magnitud de la tasa de radiación del modo leaky ay. Por otro lado, la FSS inferior está cargada con diodos varactores, y junto con el sustrato dieléctrico inferior apantallado por el plano de masa, conforma una HIS activa. Dicha estructura periódica, cuyo modelo de celda unidad se presenta en la Fig.l-c, se encarga de variar la constante de fase del modo leaky en función de la fase de su coeficiente de reflexión (PHIS.ACT). Los diodos varactores introducen una capacidad variable Cj dependiente de la tensión de polarización V p. Dicha capacidad afecta al punto de resonancia de la HIS, por lo que es la que permite establecer un control electrónico del desfase introducido por el coeficiente de reflexión de la HIS mediante V p, Y por tanto controlar la constante de fase de los modos. Por último destacar que la optimización de la altura de la cavidad Fabry-Perot (H) nos permite controlar la frecuencia de operación f a de la antena y el rango de escaneo máximo. 3 Método de Análisis Basado en una Red Eq uivalente Transversa El método de análisis utilizado se basa en la obtención del circuito equivalente transverso (TEN, Transverse Equivalent Network) presentado en la Fig.l-b, desarrollado para modos TE. Esta técnica ha sido ampliamente utilizada para el análisis de L W A [5,6]. La red presentada está formada por una cascada de admitancias en paralelo unidas por secciones de línea de transmisión. Las admitancias equivalentes YPRS( ky, LPRs) e YHls( ky, C) modelan la PRS y la HIS activa respectivamente en el modelo de la TEN. Estas admitancias se han obtenido mediante el método propuesto en [10]. Mediante este método se obtiene 95 una función racional de polos y ceros que relaciona la admitancia de las FSS con la constante de propagación ky a una frecuencia determinada, y además permite incluir la relación con parámetros fisicos de la estructura analizada. En el caso de la PRS, la expresión de su admitancia equivalente se obtuvo en función de ky y la longitud en el eje x de los parches metálicos que la conforman (LPRs ), por ser un parámetro a optimizar para el diseño final. Para la admitancia equivalente de la HIS activa, se incluyó la relación con ky y la capacidad de unión Cj de los diodos varactores, la cual está directamente relacionada con la tensión de polarización V p, dado que el principal objetivo es predecir la variación de eRAD con respecto a ClVp). Por último, la admitancia y RAD(f, ky) modela la abertura superior de las placas paralelas y se puede obtener analíticamente a partir de las expresiones cerradas de Marcuvilz [11]. El resto del modelo de la TEN se corresponde con las secciones de línea de transmisión equivalentes para modos TE, cuya longitud eléctrica es obtenida a partir de teoría básica de microondas. Teniendo en cuenta el esquema de la Fig.l-b, la ecuación de resonancia transversa (TRE, Transverse Resonance Equation) se puede expresar según (2): Dicha ecuación se resuelve mediante métodos numéricos y nos permite predecir la constante de propagación longitudinal ky del modo leaky que se propaga por la estructura a una frecuencia y parámetros fisicos determinados. 4 Resultados Resolviendo la TRE (2), se puede obtener las curvas de dispersión paramétricas con respecto a diferentes parámetros fisicos de diseño. En nuestro caso, se realizó un análisis dispersivo, a una frecuencia de operación de 5.5GHz, variando el único parámetro reconfigurable electrónicamente de la antena: la capacidad de unión de los diodos varactores (C j ) . En la Fig.2 se muestran las curvas de dispersión que relacionan el ángulo de apuntamiento y la tasa de radiación de los modos leaky con la variación de Cj. Las dimensiones de la estructura también se presentan. El diseño de las dimensiones de los parámetros no-reconfigurables de la estructura se obtuvo mediante un proceso de optimización que perseguía como principal objetivo obtener el máximo rango de escaneo posible para el rango de Cj permisible según las especificaciones para varactores de tipo híper-abrupto de GaAs modelo Aeroflex Metellics MGV 125-20-0805-2. Analizando los resultados de la Fig.2-b, según el método de la TRE, la antena es capaz de conseguir un escaneo entre 9° y 40° aproximadamente. Investigación ETSII Fig.2 Curvas de dispersión a 5.5GHz con ~especto a Cj- a) Tasa de radiación normalizada, b) Angulo de apuntamiento. El decrecimiento de la tasa de radiación observado en la Fig.2-a conforme el ángulo de apuntamiento aumenta, se debe al acoplamiento existente entre la tasa y el ángulo de radiación, lo que es coherente con el comportamiento natural de los modos leaky [2] . Los diagramas de radiación full-wave que se muestran en la Fig. 3 demuestran la capacidad de escaneo del haz radiado a una frecuencia de operación fija variando Cj. También se exponen los valores de tensión de polarización asociados a cada caso de Cj. _C¡ = O.09p F; vp = 20V __ c¡ = O.15pF; V p = 12.2V •••• c¡ = O.18pF; V p = 10.2V -90' ........... ............. .. ... . . Directivity 60' 90' Fig.3 Diagramas de Radiación en Plano H a 5.5GHz para cuatro valores de Cj diferentes. 5 Conclusiones En este trabajo se ha demostrado la capacidad de reconfiguración electrónica de una novedosa estructura 1D-LWA activa a una frecuencia fija de operación. La estructura se ha inspirado en la estructura pasiva investigada en [6], con la diferencia de que se ha introducido una BIS activa cargada con diodos varactores. Esto ha permitido introducir la capacidad de reconfiguración electrónica del ángulo de radiación principal. El método utilizado para analizar la estructura se basa la resolución de la TRE planteada a partir del análisis de una sencilla TEN de la estructura. El método se ha validado comparando resultados Full-Wave obtenidos para diferentes valores de e a la frecuencia de 5.5GHz, mediante J • 1 simuladores comerciales de gran coste computaclOna en comparación a nuestro sencillo método. Los resultados han demostrado ser muy satisfactorios. 96 Referencias [1] 1 T. Bernhard, K. Chang, Ed., "Reconfigurable antennas," in The Wiley Encyclopedia [2] A.A Oliner, "Leaky-wave antennas", in Antenna Engineering Handbook, 3rd ed, R.C. Johnson, Ed. New York, McGraw-Hill, 1993, Ch. 10. [3] G. V. Trentini, "Partially Reflective Sheet Arrays," IRE Trans. Antennas Propag., vol. AP-4, pp. 666-671,1956. [4] AR. Weily, T.S. Bird, and Y. Jay Guo, "A Reconfigurable High-Gain Partially Reflecting Surface Antenna", IEEE Trans. Antennas Propagat., Vo1.56, No. 11 , pp.3382-3390, November 2008. [5] 1 L. Gómez, D. Cañete and A Álvarez-Melcón, "Printed-Circuit Leaky-Wave Antenna with Pointing and IIIumination Flexibility", IEEE Microwave and Wireless Components Lett.,Vol.15, No.8, pp.536-538, August 2005. [6] M. García-Vigueras, lL. Gómez-Tomero, G. Goussetis, A. R. Weily, and Y.l Guo, "lD-Leaky Wave Antenna Employing Parallel-Plate Waveguide Loaded with PRS and BIS", IEEE Trans. Antennas Propag., in press . [7] D. Sievenpiper, L. Zhang, F. 1 Broas, N. G. Alexopulos, and E. Yablonovitch, "High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band," IEEE Trans. Microw. Theory Tech, vol. 47, no. 11, pp. 2059-2074, Nov. 1999. [8] G. Goussetis, A.P. Feresidis, le. Vardaxoglou, "Tailoring the AMC and EBG Characteristics of periodic metallic arrays printed on grounded dielectric substrate," IEEE Trans. Antennas Propag, Vol. 54, No. 1, pp. 82-89, Jan. 2006. [9] [10] S. V. Hum, M. Okoniewski, and R. 1 Davies, "Modeling and designof electronically tunable reflectarrays," IEEE Trans. Antennas Propag.,vol. 55, no. 8, pp. 2200- 2210, Aug. 2007. M. García-Vigueras, lL. Gómez-Tom,ero, G. Goussetis, lS. Gómez-Diaz, and A Alvarez-Melcón, "A modified pole-zero technique for the synthesis ofwaveguide leaky-wave antennas loaded with dipole-based FSS", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 6, pp.1971 -1979, June 2010 [11] N. Marcuvitz, "Waveguide Handbook". New York: McGraw-Hill, 1951, pp. 179-18l. 

Control electrónico del haz radiado en antenas leaky wave activas

https://repositorio.upct.es/bitstream/10317/1724/1/ceh.pdf

Control electrónico del haz radiado en antenas leaky wave activas

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Repositorio Digital de la Universidad Politécnica de Cartagena