Lentes de Microondas de bajo perfil en la banda de ondas milimétricas

Abstract

[ES] Los sistemas de antenas de bajo perfil en la banda de ondas milimétrica han suscitado un creciente interés en los últimos años. Esta tesis presenta el diseño de antenas de bajo perfil basadas en lentes planas de microondas de doble polarización, con alta ganancia y con simetría en el diagrama de radiación. En concreto, la tesis se enfoca en lentes planas con dieléctricos artificiales, e iluminadas por bocinas de bajo perfil. Para mejorar esta iluminación, también se han diseñado alimentadores de bajo perfil con dieléctricos artificiales.

En esta Tesis se realiza una revisión de diferentes métodos para el control de la constante de propagación en celdas periódicas de superficies selectivas en frecuencia (FSS), así como de los parámetros más importantes que rigen su comportamiento electromagnético. Las FSS multicapa son idóneas para el diseño de lentes planas de microondas ya que permiten controlar la fase del coeficiente de transmisión con pocas pérdidas, y son fáciles de diseñar y construir. Las lentes diseñadas con este tipo de FSS son estructuras planas, de bajo perfil y peso reducido. Esto se debe a la capacidad de las FSS de modificar la constante de propagación por medio de una estructura que no requiere contacto entre capas.

Para poder iluminar las lentes apropiadamente, en esta tesis se analizan diversos tipos de alimentadores y se propone un alimentador de bajo perfil con gran pureza de polarización y alta eficiencia. Esto se consigue insertando corrugaciones radiales en las paredes de la bocina, con lo que se consigue excitar un modo híbrido cuya distribución de campo es prácticamente uniforme en toda la apertura.

Dado el coste computacional del análisis de onda completa de las lentes planas de microondas, en esta tesis se propone el diseño de las lentes usando gráficas paramétricas de las celdas unidad de las FSS. Estos diseños se han fabricado y medido, dando unos resultados experimentales excelentes, tanto en adaptación como en radiación. Estos resultados demuestran la viabilidad de usar FSS multicapa para el diseño de lentes planas de microondas.

[EN] Low-profile antenna systems in the millimeter-wave band have experienced an increasing interest in recent years. This thesis presents the design of low-profile antennas based on microwave flat lenses with double polarization, with high gain, and symmetric radiation pattern. In particular, the thesis focuses on flat lenses with artificial dielectrics, and illuminated by low-profile feeders. To improve this illumination, low-profile feeders with artificial dielectrics have also been designed.

In this thesis, a review of different methods for the control of the propagation constant in periodic cells of frequency selective surfaces (FSS), as well as the most important parameters that govern its electromagnetic behavior, is carried out. The multilayer FSS are ideal for the design of flat microwave lenses since they allow controlling the phase of the transmission coefficient with few losses and are easy to design and build. Lenses designed with this type of FSS are flat structures, low profile, and low weight. This is due to the ability of the FSS to modify the propagation constant through a structure that does not require contact between layers.

In order to be able to illuminate the lenses properly, in this thesis different types of feeders are analyzed and a low-profile feeder with high polarization purity, and high efficiency is proposed. This is achieved by inserting radial corrugations into the walls of the horn, which makes it possible to excite a hybrid mode whose field distribution is practically uniform throughout the aperture.

Given the computational cost of the full-wave analysis of microwave flat lenses, this thesis proposes the design of the lenses using parametric studies of the FSS unit cells. These designs have been manufactured and measured, giving excellent experimental results, both in matching and radiation. These results demonstrate the feasibility of using multilayer FSS for the design of microwave flat lenses.

[CA] Els sistemes d'antenes de baix perfil en la banda d'ones millimètriqueses han suscitat un creixent interés en els últims anys. Aquesta tesi presenta el disseny d'antenes de baix perfil basades en lents planes de microones de doble polarització, amb alt guany i amb simetria en el diagrama de radiació. En concret, la tesi s'enfoca en lents planes amb dielèctrics arti- ficials, i il luminades per botzines de baix perfil. Per a millorar aquesta il luminació, també s'han dissenyat alimentadors de baix perfil amb die- lèctrics artificials. En aquesta Tesi es realitza una revisió de diferents mètodes per al control de la constant de propagació en cel les periòdiques de superfícies selectives en freqüència (FSS), així com dels paràmetres més importants que regeixen el seu comportament electromagnètic. Les FSS multicapa són idònies per al disseny de lents planes de microones perquè permeten controlar la fase del coeficient de transmissió amb poques pèrdues, i són fàcils de dissenyar i construir. Les lents dissenyades amb aquesta mena de FSS són estructures planes, de baix perfil i pes reduït. Això es deu a la capacitat de les FSS de modificar la constant de propagació per mitjà d'una estructura que no requereix contacte entre capes. Per a poder il luminar el lent apropiadament, en aquesta tesi s'analitzen di- versos tipus d'alimentadors i es proposa un alimentador de baix perfil amb gran puresa de polarització i alta eficiència. Això s'aconsegueix inserint co- rrugacions radials en les parets de la botzina, amb el que s'aconsegueix excitar una mode híbrid amb una distribució de camp pràcticament uni- forme en tota l'obertura. Donat el cost computacional de l'anàlisi d'ona completa de les lents planes de microones, en aquesta tesi es proposa el disseny de les lents usant gràfi- ques paramètriques de les cel les unitat de les FSS. Aquests dissenys s'han fabricat i mesurat, donant uns resultats experimentals excel lents, tant en adaptació com en radiació. Aquests resultats demostren la viabilitat d'usar FSS multicapa per al disseny de lents planes de microones.