Análisis y optimización eficiente de agrupaciones de ranuras en guía

Abstract

[EN] The present thesis develops an efficient and optimized design for large waveguide slot-arrays. Specifically, RLSA antennas on radial guides and classic arrays on monomode rectangular waveguides are considered. Besides, the standard performance of this kind of antennas is improved by adding parasitic dipoles above slots. This novelty allows on the one hand to alleviate the known drawbacks of RLSA antennas with linear polarization (LPRLSA). On the other hand, the new elements enable radiation of circular polarization by rectangular waveguide slot arrays, conceptually limited to linear polarization. The attainment of the aimed objectives is accomplished by following a three-stage sequential methodology. Firstly, an efficient and rigorous analysis method for each structure under study is implemented. This aspect turns out to be essential due to the huge size of involved antennas. Then, efficient design and optimization algorithms are conceived and developed, which must be suitable for arrays formed by a high number of elements. Finally, the achieved results are validated by means of the fabrication and measurement of several prototypes. New LP-RLSA topologies proposed in this thesis provide a desired advance in their limited performance, without sacrificing their original low-cost concept. This progress becomes a reality thanks to the development of dedicated optimization algorithms. The achieved experimental results confirm such advance, thus postulating as a promising approach to the performance exhibited by CP-RLSA antennas. Concerning rectangular waveguide slot arrays, an exhaustive and versatile optimization process is applied. This thesis also comprises a deep study about the attainable bandwidth of this kind of antennas, including the well-known detuning technique. As a result, a frequency optimization method is proposed, which aims to maximize the specifications' compliance within a targeted frequency band. Every proposed algorithm is extended to account for circular polarization arrays, given by the inclusion of parasitic dipoles. This modification enables this antennas to cover a wider scope of applications. Fabrication and measurement of several prototypes, envisaged for an actual deployment of different systems, confirm the conclusions of theoretical analysis.

[ES] La presente tesis desarrolla el diseño optimizado eficiente de grandes agrupaciones de ranuras en guía. Específicamente, se contemplan las antenas RLSA sobre guía radial y las clásicas agrupaciones en guías rectangulares monomodo. Adicionalmente, el funcionamiento estándar de este tipo de antenas es mejorado introduciendo unos dipolos parásitos sobre las ranuras. Esta novedad permite por un lado aliviar los conocidos inconvenientes de las agrupaciones RLSA con polarización lineal (LP-RLSA). Por otro lado, los nuevos elementos posibilitan la radiación de polarización circular por parte de las agrupaciones de ranuras en guía rectangular, limitadas conceptualmente a polarización lineal. La consecución de los objetivos planteados se lleva a cabo siguiendo una metodología secuencial de tres etapas. En primer lugar se implementa un método de análisis eficiente y riguroso de cada una de las estructuras bajo estudio. Este aspecto resulta fundamental debido al gran tamaño de las antenas consideradas. A continuación, se conciben y desarrollan algoritmos eficientes de diseño y optimización, adecuados para agrupaciones con un elevado número de elementos. Finalmente, se validan los resultados obtenidos mediante la fabricación y medida de varios prototipos. Las nuevas topologías de LP-RLSA concebidas en esta tesis proporcionan un ansiado avance en sus limitadas prestaciones, sin abandonar su filosofía original de bajo coste. Este progreso se hace realidad gracias al desarrollo de algoritmos de optimización dedicados. Los resultados experimentales obtenidos confirman dicho avance, suponiendo un prometedor acercamiento a las prestaciones ofrecidas por las agrupaciones CP-RLSA. Las agrupaciones en guía rectangular, por su parte, son objeto de un exhaustivo y versátil proceso de optimización. Esta tesis también incluye un profundo estudio sobre el ancho de banda de este tipo de antenas, incluyendo la conocida técnica de desintonización. Como resultado, se propone un método de optimización frecuencial, el cual pretende maximizar el cumplimiento de especificaciones en una determinada banda de frecuencias. Todos los algoritmos propuestos son además extendidos a agrupaciones con polarización circular, gracias a la inclusión de dipolos parásitos. Esta modificación habilita a estas antenas para cubrir un mayor espectro de aplicaciones. La fabricación y medida de varios prototipos, concebidos para el despliegue real de diferentes sistemas, confirman las conclusiones del análisis teórico.

[CA] La present tesi desenvolupa el disseny optimitzat i eficient de grans agrupacions de ranures en guia. Específicament, es contemplen les antenes RLSA sobre guia radial i les clàssiques agrupacions en guies rectangulars monomodo. Addicionalment, el funcionament convencional d'aquest tipus d'antenes és millorat introduint uns dipolos paràsits damunt de les ranures. Esta novetat permet per un costat alleujar els coneguts inconvenients de les agrupacions RLSA amb polarització lineal (LP-RLSA). D'altra banda, els nous elements possibiliten la radiació de polarització circular per part de les agrupacions de ranures en guia rectangular, limitades conceptualment a polarització lineal. La consecució dels objectius plantejats es du a terme seguint una metodologia seqüencial de tres etapes. En primer lloc s'implementa un mètode d'anàlisi eficient i rigorós de cadascuna de les estructures baix estudi. Este aspecte resulta fonamental a causa del gran tamany de les antenes considerades. A continuació, es conceben i desenvolupen algoritmes eficients de disseny i optimització, adequats per a agrupacions amb un elevat nombre d'elements. Finalment, es validen els resultats obtinguts per mitjà de la construcció i mesura de diversos prototips. Les noves topologies de LP-RLSA concebudes en esta tesi proporcionen el anhelat avanç en les seues limitades prestacions, sense abandonar la seua filosofia original de baix cost. Este progrés es fa realitat gràcies al desenvolupament d'algoritmes d'optimització dedicats. Els resultats experimentals obtinguts confirmen el esmentat avanç, suposant un prometedor acostament a les prestacions oferides per les agrupacions CP-RLSA. Les agrupacions en guia rectangular, per la seua banda, són objecte d'un exhaustiu i versàtil procés d'optimització. Esta tesi també inclou un profund estudi sobre l'amplada de banda d'aquest tipus d'antenes, incloent la coneguda tècnica de desintonització. Com a resultat, es proposa un mètode d'optimització freqüencial, el qual pretén maximitzar el compliment d'especificacions en una determinada banda de freqüències. Tots els algoritmes proposats són a més estesos a agrupacions amb polarització circular, gràcies a la inclusió de dipolos paràsits. Esta modificació habilita a estes antenes per a cobrir un major espectre d'aplicacions. La construcció i mesura de diversos prototips, concebuts per al desplegament real de diferents sistemes, confirmen les conclusions extretes del anàlisi teòric.