Diseño de lentes metálicas usando la teoría de modos característicos

Abstract

[ES] En años recientes, el tráfico de datos a nivel mundial está creciendo significativamente. Debido a esto, los nuevos sistemas de telecomunicaciones buscan incrementar las velocidades de transmisión con amplia área de cobertura. Para los retos mencionados, las lentes y sus variantes son soluciones prometedoras. Las lentes tienen propiedades interesantes porque generalmente poseen bajas pérdidas y una gran directividad, que son los requisitos básicos que deben cumplir las antenas para estos nuevos sistemas de comunicaciones. El objetivo de esta tesis es proponer el uso de la Teoría de Modos Característicos para facilitar el diseño, la optimización y el análisis de lentes metálicas con alta ganancia sobre un gran ancho de banda, manteniendo un tamaño compacto en la estructura. El análisis mediante la Teoría de Modos Característicos se ha utilizado como punto de partida para evaluar el comportamiento modal y proporcionar una visión física de las características de radiación de la estructura metálica en un determinado rango de frecuencias. En este trabajo se realiza un estudio de los modos característicos de los principales cuerpos geométricos regulares con simetría de revolución, para ver su potencial en cuanto a ser empleados en el diseño de las lentes metálicas. Específicamente, se investiga la significancia modal, el ángulo característico y la contribución de cada modo a la potencia radiada total cuando incide una onda plana en el cuerpo conductor. Utilizando la información proporcionada por los autovalores, se optimiza la forma y el tamaño de la estructura metálica. Adicionalmente, se selecciona la estructura de alimentación óptima que permita excitar el modo deseado en la estructura. Seguidamente, se propone un método alternativo para el cálculo del punto focal de la estructura metálica. Además, en esta tesis se estudian los alimentadores de lentes más importantes que se han desarrollado en los últimos años y se proponen dos alimentadores prácticos con un bajo nivel de polarización cruzada, para operar en las banda de frecuencias de microondas y milimétricas. Al estudiar las lentes, se comienza comparando y describiendo las técnicas más utilizadas en el diseño de estas estructuras. Seguidamente, se aplica la Teoría de Modos Característicos para el diseño de diversos tipos de lentes metálicas. En primer lugar, se analiza las corrientes modales en diversas estructuras metálicas, para luego con esta información diseñar lentes de bajo perfil. Luego se aplica el mismo enfoque para antenas con estructuras de una sola capa, que tienen dimensiones físicas más grandes. Posteriormente, se estudia y diseña una lente metálica de dos capas, y se analizan diversas combinaciones de estructuras metálicas para conseguir mayor directividad en la antena. Además, se diseña una lente metálica de tres capas y una antena de una sola capa con doble alimentación. Finalmente, se propone una lente para una estación base dual en polarización y con posibilidad de obtener hasta cuatro modos de radiación ortogonales. En el último capítulo de esta tesis, se presentan los prototipos y se evalúan las prestaciones de las siguientes antenas: La lente de una capa formada por un anillo metálico central rodeado por un rodeado por un conjunto de ocho anillos pequeños, la antena formada por dos anillos de diferente diámetro distribuidos en dos capas, una nueva lente de bajo perfil formada por doce anillos metálicos distribuidos en una sola capa y dispuestos a lo largo de un círculo y una lente de bajo perfil formada por dos anillos con tiras metálicas cortocircuitando ambos anillos. En esta parte, se describen las principales medidas realizadas de ganancia, eficiencia y polarización cruzada de las lentes mencionadas. Los diseños son verificados, consiguiendo muy buenos resultados de ganancia en un amplio ancho de banda, validando de esta manera la técnica propuesta.

[CA] En anys recents, el tràfic de dades a nivell mundial està creixent significativament. A causa d'això, els nous sistemes de telecomunicacions busquen incrementar les velocitats de transmissió amb àmplia àrea de cobertura. Per als reptes esmentats, les lents i les seues variants són solucions prometedores. Les lents tenen propietats interessants perquè generalment posseeixen baixes pèrdues i una gran directivitat, que són els requisits bàsics que han de complir les antenes per a aquests nous sistemes de comunicacions. L'objectiu d'aquesta tesi és proposar l'ús de la Teoria de Modes Característics per a facilitar el disseny, l'optimització i l'anàlisi de lents metàl·liques amb alt guany sobre una gran amplada de banda, mantenint una grandària compacta en l'estructura. L'anàlisi mitjançant la Teoria de Modes Característics s'ha utilitzat com a punt de partida per a avaluar el comportament modal i proporcionar una visió física de les característiques de radiació de l'estructura metàl·lica en un determinat rang de frequències. En aquest treball, es realitza un estudi dels modes característics dels principals cossos geomètrics regulars amb simetria de revolució, per a veure el seu potencial quant a ser emprats en el disseny de les lents metàl·liques. Específicament, s'investiga la significança modal, l'angle característic i la contribució de cada mode a la potència radiada total quan incideix una ona plana en el cos conductor. Utilitzant la informació proporcionada pels autovalors, s'optimitza la forma i la grandària de l'estructura metàl·lica. Adicionalment, se selecciona l'estructura d'alimentació òptima que permeta excitar el mode desitjat en l'estructura. Seguidament, es proposa un mètode alternatiu per al cálcul del punt focal de l'estructura metàl·lica. A més, en aquesta tesi s'estudien els alimentadors de lents més importants que s'han desenvolupat en els últims anys, i es proposen dos alimentadors pràctics amb un baix nivell de polarització creuada, per a operar en les banda de frequències de microones i mil·limètriques. En estudiar les lents, es comenca comparant i descrivint les tècniques més utilitzades en el disseny d'aquestes estructures. Seguidament, s'aplica la Teoria de Modes Característics per al disseny de diversos tipus de lents metàl.liques. En primer lloc, s'analitzen els corrents modals en diverses estructures metàl.liques, per a després amb aquesta informació dissenyar lents de baix perfil. Després s'aplica el mateix enfocament per a antenes amb estructures d'una sola capa, que tenen dimensions físiques més grans. Posteriorment, s'estudia i dissenya una lent metàl.lica de dues capes, i s'analitzen diverses combinacions d'estructures metàl·liques per a aconseguir major directivitat en l'antena. A més, es dissenya una lent metàl·lica de tres capes i una antena d'una sola capa amb doble alimentació. Finalment, es proposa una lent per a una estació base dual en polarització, i amb possibilitat d'obtindre fins a quatre modes de radiació ortogonals. En l'últim capítol d'aquesta tesi, es presenten els prototips i s'avaluen les prestacions de les seguents antenes: Una lent metàl·lica d'una capa formada per un anell metàl·lic central envoltat per un conjunt de huit anells xicotets, una antena formada per dos anells de diferent diàmetre distribuits en dues capes, una nova lent de baix perfil formada per dotze anells metàl·lics distribuits en una sola capa i disposats al llarg d'un cercle, i una lent de baix perfil formada per dos anells amb tires metàl·liques curtcircuitant tots dos anells. En aquesta part, es descriuen les principals mesures realitzades de guany, eficiència i polarització creuada de les lents esmentades. Els dissenys són verificats, aconseguint molt bons resultats de guany en una àmplia amplada de banda, validant d'aquesta manera la tècnica proposada.

[EN] In recent years, the worldwide data traffic is increasing significantly. Consequently, the new telecommunications systems seek to increase the data transmission rate with a wide coverage area. To cope with these challenges, lens antennas and their variants are promising solutions. Lenses have interesting properties because they have generally low losses and great directivity, which are the basic requirements that antennas must satisfy for these new communications systems. The aim of this thesis is to propose the use of the Theory of Characteristic Modes to facilitate the design, optimization and analysis of metallic lenses with high gain in a large bandwidth, achieving a compact size for the structure. The analysis with the Theory of Characteristic Modes has been used as a starting point to evaluate the modal behavior and provide a physical insight of the radiation characteristics of the metallic structure in a certain frequency range. In this work, a study of the characteristic modes of the main regular geometric objects with symmetry of revolution is carried out, to investigate its potential to be employed in the design of the metallic lenses. Specifically, the modal significance and characteristic angle is investigated, along with the contribution of each mode to the total radiated power when illuminating the conducting body by a plane wave. Using the information considered by the eigenvalues, the shape and size of the metallic structure is optimized and the optimal feeding is determined, which allows to excite the desired mode in the structure. Then, an alternative method is proposed to calculate the focal point of the metallic structure. Furthermore, in this thesis we study the most important lens feeders that have been developed in recent years, and two practical feeders with low cross polarization level are proposed to operate in microwave and millimeter-wave frequencies. When studying the lenses, we begin to compare and describe the techniques most used in the design of these structures. Then, the Theory of Characteristic Modes is applied to the metallic lenses design. First, the modal currents are analyzed in various metallic structures, and then this information is used to design low profile lenses. The same approach is then applied to antennas with single-layer structures, which have larger physical dimensions. Subsequently, a two-layer metallic lens is studied and designed, and various combinations of the metallic structures are analyzed to achieve greater directivity. In addition, a three-layer metallic lens and a single-layer antenna with double feeder are designed. Finally, a lens is proposed for a dual-polarization base station, with the possibility of obtaining up to four orthogonal radiation modes. The last chapter of this thesis presents the prototypes and the performance of the following antennas: a single-layer lens formed by a central circular metallic ring surrounded by a set of eight metallic rings, an antenna formed by two metallic rings of different diameter distributed in two layers, a new low-profile metallic lens antenna formed by twelve metallic rings distributed in a single layer and arranged along a ring, and a lowprofile lens antenna formed by two metallic rings with strips short-circuiting both rings. In this part, the main measurements of gain, efficiency and cross polarization are presented for the aforementioned lenses. The designs are verified, obtaining good results in a wide bandwidth, thus validating the proposed technique.