Diseño de antenas de ranuras en microondas y milimétricas para comunicaciones móviles y por satélite

Resumo

Las ranuras en guías de ondas son un tipo importante de antenas de microondas con numerosas aplicaciones en sistemas de comunicaciones y radar, debido a su gran capacidad de potencia, alta eficiencia, poco peso, estructura compacta y bajos lóbulos laterales, lo anterior sumado a que pueden resistir radiación, altas temperaturas y vibración, los cuales son requisitos para aplicaciones aeroespaciales Un factor importante para el desarrollo de estas antenas es que las técnicas de modelamiento electromagnético han avanzado lo suficiente para permitir el diseño de estos arrays en un solo paso sin necesidad de iteraciones en el proceso de desarrollo. Teniendo en cuenta que las metodologías modernas de diseño de antenas deben ir en concordancia con los métodos y herramientas actualmente empleadas, uno de los objetivos de esta tesis es proporcionar una metodología de diseño de arrays lineales y planos que aparte de que esté basada sobre los fundamentos analíticos obtenidos en los últimos 60 años, utilice los métodos computacionales modernos para optimizar los diseños. Para comprender el comportamiento de los arrays lineales de guía de onda con alimentación lateral, en el segundo capítulo de la tesis se presenta el diseño, la simulación, estudios de tolerancia basados en el método de Monte Carlo y la medición de arrays lineales con alimentación lateral de ranuras resonante y no resonante en guías de onda, para operación en el rango de las microondas, utilizando técnicas de simulación por ordenador, en especial, el simulador electromagnético CST Microwave Studio. En el tercer capítulo se realiza un estudio del incremento del ancho de banda de arrays lineales utilizando alimentación central, donde se encuentra que separando las ranuras centrales de radiación una distancia mayor a landa medios se consigue un incremento en el ancho de banda. Adicionalmente se utilizan métodos de optimización multiobjetivos para encontrar los nuevos coeficientes de excitación que permitirán cumplir con la especificación de nivel de lóbulo primario a secundario (NLPS) requerido, dado que la separación entre las ranuras ya no es constante. En el cuarto capítulo se realiza el diseño y simulación de un array plano de antenas de ranuras en guías de ondas (Slot Waveguide Array Antenna o SWAA) para aplicación satelital en la banda de los 30 GHz. La antena será de aproximadamente 170x170 mm, constituida por 24x24 ranuras. La forma de alimentación se ha planteado mediante guías de onda en un estrato inferior acopladas a las guías radiantes mediante acoplos por ranuras. Se realizó el modelado de los distintos elementos que componen la red de alimentación como uniones en T y codos en los planos E y H. Uno de los problemas importantes en la fabricación de los SWAA es asegurar el contacto eléctrico entre las diferentes piezas metálicas a lo largo de toda la estructura de guía. Pequeñas zonas donde el contacto eléctrico sea malo o se realice en puntos alejados de la pared de la guía, supone un efecto inductivo en la guía que modifica radicalmente su funcionamiento, por lo tanto en el quinto capítulo de la tesis se propone añadir en la parte superior de la estructura un substrato dieléctrico, de forma que el contacto no se realice de forma física sino virtual. Se verificó mediante simulaciones un satisfactorio aislamiento entre guías así como la comprobación que los modelos clásicos de ranuras en guía se siguen cumpliendo, tanto para arrays lineales como planos, con el solo inconveniente que la longitud de la ranura presenta una disminución del 10% con respecto a su valor en el vacío.