Design of Multi-feed UWB Antennas using the Theory of Characteristic Modes

Abstract

[ES] La Teoría de Modos Característicos (TCM), desarrollada por R.F. Harrington a mediados de los años 60, se ha convertido desde los inicios del siglo XXI, en una herramienta fundamental para el diseño sistemático de antenas, gracias a la visión física que aporta de los fenómenos de radiación. Actualmente, numerosos grupos de investigación a nivel mundial han adoptado esta teoría dentro de su metodología de diseño. No obstante, la teoría de modos característicos ha sido utilizada mayormente para el análisis de estructuras planas, existiendo pocos ejemplos de aplicación de la teoría a estructuras 3D, dada la dificultad que implica su análisis.

Esta tesis tiene como objetivo diseñar antenas multi-alimentadas con un gran ancho de banda usando la TMC. La principal novedad que aporta, es la aplicación de la teoría de modos característicos al análisis de estructuras 3D y el empleo de multi alimentación para excitar de forma selectiva modos concretos de radiación. Inicialmente se presenta un análisis de estructuras planas que interactúan entre sí, y se utiliza una combinación de puertos para forzar la excitación de ciertos modos con buen comportamiento radiante. Además, se demuestra que las resonancias de una antena, no solamente son causadas por un modo en resonancia, sino que también aparecen como resultado de la combinación de modos magnéticos y eléctricos.

En la tesis se proponen diseños de antenas con muy bajo perfil, obtenidas a partir del plegado progresivo de las estructuras planas previamente estudiadas. Con las técnicas de plegado se consiguen antenas compactas y de bajo perfil, fácilmente integrables, que presentan muy buenas características de radiación y una forma de excitación sencilla.

Se realiza un estudio sistemático de estructuras canónicas en 3 dimensiones, como las guías de onda rectangular y circular. En primer lugar, las guías de onda y cavidades equivalentes se analizan con un enfoque clásico, obteniendo los modos de campo transversal eléctrico TE y transversal magnético TM. A continuación, se analizan las mismas guías y cavidades aplicando la teoría de modos característicos, unificando y comparando por primera vez los dos tipos de analisis. Las conclusiones extraídas del análisis de las guías de onda rectangular y circular, se han aplicado para diseñar dos tipos de antenas, que proporcionan buen ancho de banda y características de radiación óptimas para aplicaciones 5G.

La tesis incluye un capítulo en el que se proponen distintos prototipos de antenas, diseñados a partir de la aplicación de la teoría de modos característicos. Se aprovechan las conclusiones obtenidas en cada uno de los capítulos de la tesis y se aplican a diseños específicos, demostrando que empleando la TCM, es posible diseñar antenas que tengan buenas características de radiación y que pueden integrarse fácilmente en dispositivos que operen con nuevas tecnologías, como 5G o IoT.

[CA] La Teoria de Modes Característics (TCM), desenvolupada per R.F. Harrington a mitjans dels anys 60, s'ha convertit des dels inicis de segle XXI, en una eina fonamental per al disseny sistemàtic d'antenes, gràcies a la visió física que aporta dels fenòmens de radiació. Actualment, nombrosos grups d'investigació a nivell mundial han adoptat aquesta teoria dins de la seva metodologia de disseny. No obstant això, la teoria de modes característics ha estat utilitzada majorment per l'anàlisi d'estructures planes, i hi ha pocs exemples d'aplicació de la teoria a estructures 3D, donada la dificultat que implica el su anàlisi.

Aquesta tesi té com a objectiu dissenyar antenes multi-alimentades amb un gran ample de banda usant la TMC. La principal novetat que aporta és l'aplicació de la teoria de modes característics a l'anàlisi d'estructures 3D i l'us de multi alimentació per excitar de forma selectiva modes concrets de radiació. Inicialment es presenta un anàlisi d'estructures planes que interactuen entre si, i s'utilitza una combinació de ports per forçar l'excitació de determinats modes amb bon comportament radiant. A més, es demostra que les ressonàncies d'una antena, no solament són causades per un mode en ressonància, sinó que també apareixen com a resultat de la combinació de modes magnètics i elèctrics.

A la tesi es proposen dissenys d'antenes amb molt baix perfil, obtingudes a partir del plegat progressiu de les estructures planes prèviament estudiades. Amb les tècniques de plegat s'aconsegueixen antenes compactes i de baix perfil, fàcilment integrables, que presenten molt bones característiques de radiació i una forma d'excitació senzilla.

Es realitza un estudi sistemàtic d'estructures canòniques en 3 dimensions, com les guies d'ona rectangular i circular. En primer lloc, les guies d'ona i cavitats equivalents s'analitzen amb un enfocament clàssic, obtenint els modes de camp transversal elèctric ET i transversal magnètic TM. A continuació, s'analitzen les mateixes guies i cavitats aplicant la teoria de modes característics, unificant i comparant per primera vegada els dos tipus d'anàlisi. Les conclusions extretes de l'anàlisi de les guies d'ona rectangular i circular, s'han aplicat per dissenyar dos tipus d'antenes, que proporcionen bon ample de banda i característiques de radiació òptimes per a aplicacions 5G.

La tesi inclou un capítol en el qual es proposen diferents prototips d'antenes, dissenyats a partir de l'aplicació de la teoria de modes característics. S'aprofiten les conclusions obtingudes en cada un dels capítols de la tesi i s'apliquen a dissenys específics, demostrant que emprant la TCM, és possible dissenyar antenes que tinguen bones característiques de radiació i que poden integrar-se fàcilment en dispositius que operen amb noves tecnologies, com 5G o IoT.

[EN] The Theory of Characteristic Modes (TCM), developed by R.F. Harrington in the mid 1960's, has become, since the beginning of the 21st century, a fundamental tool for systematic antenna design, thanks to the physical vision it provides of radiation phenomena. Currently, many research groups worldwide have adopted this theory as part of their design methodology. However, the theory of characteristic modes has been used mainly for the analysis of planar structures, and there are few examples of application of the theory to 3D structures, given the difficulty involved in its analysis.

This thesis aims to design multi-fed antennas with high bandwidth using TCM. The main novelty contribution is providing the application of characteristic modes theory to the analysis of 3D structures and the use of multi-feed to selectively excite specific radiation modes. Initially, an analysis of plane structures that interact with each other is presented, and a combination of ports is used to force the excitation of certain modes with good radiant behavior. Furthermore, it is shown that the resonances of an antenna are not only caused by a resonance mode, but also appear as a result of the combination of magnetic and electrical modes.

The thesis proposes antenna designs with very low profile, obtained from the progressive folding of the previously studied planar structures. With the folding techniques, compact and low-profile antennas are designed, easily integrated, with very good radiation characteristics and a simple form of excitation.

A systematic study of 3-dimensional canonical structures, such as rectangular and circular waveguides, is carried out. First, the waveguides and equivalent cavities with a classical approach are analyzed, obtaining the transverse electric TE and transverse magnetic TM field modes. Then, the same waveguides and cavities are analyzed applying the theory of characteristic modes, unifying and comparing for the first time the two types of analysis. The conclusions drawn from the analysis of the rectangular and circular waveguides have been applied to design two types of antennas, which provide good bandwidth and optimal radiation characteristics for 5G applications.

The thesis includes a chapter in which different antenna prototypes are proposed, designed from the application of the characteristic modes theory. The conclusions obtained in each chapters of the thesis are taken advantage of and applied to specific designs, showing that using TCM, it is possible to design antennas that have good radiation characteristics and that can be easily integrated into devices that operate with new technologies. like 5G or IoT.