Analysis and design of hybrid leaky-wave antennas loaded with frequency selective surfaces

[SPA] En esta tesis se propone una nueva antena de tipo Leaky-Wave (Leaky Wave Antenna, LWA). Estas antenas han recibido mucha atención en las últimas décadas por ser altamente directivas. En concreto, constituyen una solución especialmente atractiva para aplicaciones que requieran altas prestacione...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: García Vigueras, María
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2012
País:España
Institución:Universidad Politécnica de Cartagena(UPCT)
Repositorio:Repositorio Digital UPCT
OAI Identifier:oai:repositorio.upct.es:10317/3197
Acceso en línea:http://hdl.handle.net/10317/3197
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Antenas
Tecnología electrónica
Tecnología de las comunicaciones
Electromagnetismo
Antennas
Communications
Leaky-Wave Antennas (LWAs)
Microwave
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description [SPA] En esta tesis se propone una nueva antena de tipo Leaky-Wave (Leaky Wave Antenna, LWA). Estas antenas han recibido mucha atención en las últimas décadas por ser altamente directivas. En concreto, constituyen una solución especialmente atractiva para aplicaciones que requieran altas prestaciones y precisión, como en sistemas de comunicación por satélite y radar. Concretamente, las LWAs consideradas en esta tesis se basan en la radiación producida por una onda de fuga que se propaga por una cavidad resonante. Estas LWAs se denominan de tipo Fabry-Perot, por su analogía con los interferómetros. En concreto, se propone una nueva antena donde la cavidad Fabry-Perot se crea entre dos superficies selectivas en frecuencia (Frequency Selective Surface, FSS), una situada en la parte superior y que actúa como superficie parcialmente reflectante (Partially Reflective Surface, PRS) y otra situada en la parte inferior actuando como superficie de alta impedancia (High Impedance Surface, HIS). Debido a esta composición, denominamos la antena como PRS-HIS-LWA. Las dos FSS consisten en un sustrato dieléctrico impreso con parches metálicos. La principal ventaja de la nueva antena es que permite controlar las características de su diagrama de radiación de una forma flexible y precisa no conocida hasta la fecha. En el primer capítulo se describe la motivación de esta tesis, los objetivos planteados y se clarifican sus principales contribuciones originales. El segundo capítulo se centra en la caracterización eficiente de las superficies periódicas (FSS) que formarán parte de la PRS-HIS-LWA. Se trata de un paso clave, que permitirá el análisis y diseño de forma eficiente de la antena en su totalidad. Se proponen diversos métodos originales para la caracterización de FSSs, y se demuestra su alta eficiencia y utilidad no sólo en el marco de esta tesis, sino en el estudio de muchos otros dispositivos. En el tercer y cuarto capítulos se realiza el análisis y diseño de PRS-HIS-LWAs, comenzando por el caso de una estructura unidimensional (1D) y pasando después al bidimensional (2D). Ambas estructuras son interesantes desde el punto de vista práctico. Las antenas 1D son útiles para aplicaciones donde sea necesario escanear el punto del espacio hacia el que se dirige la radiación (escaneo del haz). Por otro lado, las 2D poseen la capacidad de apuntar hacia el cenit (broadside) con un lóbulo de radiación tipo lápiz muy directivo. El tercer capítulo de la tesis se centra en el análisis y diseño de PRS-HIS-LWAs 1D y 2D uniformes, es decir, en ellas la geometría de la PRS y la HIS permanece constante a lo largo de toda la antena. Se lleva a cabo el análisis de la PRS-HIS-LWA mediante el uso de una red equivalente transversa (Transverse Equivalent Network, TEN) en la que se incluyen las expresiones presentadas en el capítulo 2. Este análisis posibilita el estudio de la influencia de la geometría de la PRS y la HIS en el comportamiento de la antena. En concreto, se concluye que la PRS controla principalmente la tasa de radiación de la antena (y por lo tanto su ancho de haz) y que la HIS proporciona el control sobre ángulo de apuntamiento. En el capítulo cuarto se realiza la síntesis del diagrama de radiación de la PRS-HIS-LWAs tanto en el caso 1D como 2D. A partir de unos requerimientos del diagrama de radiación (ángulo de apuntamiento, ancho de haz, nivel de lóbulo principal a secundario, eficiencia de radiación, eficiencia de iluminación) se obtiene la tasa de radiación y ángulo de apuntamiento que debe presentar la antena en cada punto de su apertura radiante. Para obtener estas características es necesario utilizar los resultados obtenidos en el capítulo anterior y modular la geometría de la PRS y la HIS a lo largo de la estructura. De este modo se diseñan antenas no uniformes, o también llamadas “taper” donde la geometría de las superficies periódicas se ha modulado para sintetizar un determinado diagrama de radiación. Se propone una técnica sistemática totalmente novedosa para realizar esta síntesis, y se aplica en concreto en el caso de reducción de nivel de lóbulo principal a secundario en una antena 1D y en el caso de optimizar las eficiencias de radiación e iluminación en antenas 2D. En el quinto y último capítulo de esta tesis se presentan las conclusiones obtenidas del trabajo realizado así como las líneas futuras de investigación que sugiere. [ENG] This thesis proposes a new type antenna Leaky-Wave (Leaky Wave Antenna, LWA). These antennas have received much attention in the past decades to be highly directives. In particular, constitute an especially attractive solution for applications requiring high performance and precision, as in satellite communication systems and radar. Specifically, the Lwas considered in this thesis are based on the radiation produced by a leakage wave that propagates through a resonant cavity. These are referred Lwas Fabry-Perot type, by analogy with the interferometers. Specifically, it proposes a new antenna where Fabry-Perot cavity is created between two frequency selective surfaces (Frequency Selective Surface, HSS), one located at the top surface and serving as partially reflective (partially reflective surface, PRS) and one located on the bottom surface acting as a high impedance (High Impedance Surface, HIS). Because of this composition, called the antenna as PRS-HIS-LWA. The two FSS consist of a dielectric substrate with printed metallic patches. The main advantage of the new antenna is that it allows the characteristics of the radiation pattern of a flexible and precise unknown to date. The first chapter describes the motivation of this thesis, the objectives and clarified its main original contributions. The second chapter focuses on the efficient characterization of regular surfaces (FSS) that form part of the PRS-HIS-LWA. This is a key step that will allow the analysis and design of the antenna efficiently as a whole. Several methods are proposed to characterize original FSSS, and demonstrated its high efficiency and usefulness not only in the context of this thesis, but in the study of many other devices. In the third and fourth chapters of the study design and analysis of PRS-HIS-lwas, starting with the case of a one-dimensional structure (1D) and then moving to two-dimensional (2D). Both structures are interesting from a practical standpoint. 1D antennas are useful for applications where it is necessary to scan the space to the point that directs radiation (beam scanning). On the other hand, possess the ability 2D point toward the zenith (broadside) with a radiation lobe of highly directive pencil type. The third chapter of the thesis focuses on the analysis and design of PRS-HIS-1D and 2D Lwas uniform, ie, including the geometry of the PRS and HIS remains constant throughout the antenna. It carries out the analysis of the PRS-HIS-LWA using a network equivalent transverse (transverse Equivalent Network, TEN) which includes expressions presented in chapter 2. This analysis allows the study of the influence of the geometry of the PRS and the HIS antenna behavior. Specifically, it is concluded that the PRS mainly controls the rate of radiation of the antenna (and therefore its beamwidth) and which provides control over HIS pointing angle. The fourth chapter synthesis is performed radiation diagram of the PRS-HIS-Lwas both 1D and 2D case. From a radiation pattern requirements (pointing angle, beam width, main lobe level of secondary radiation efficiency, illumination efficiency) is obtained radiation rate and pointing angle of the antenna to be present in each radiant opening point. To obtain these characteristics it is necessary to use the results obtained in the previous chapter modular geometry HIS PRS and along the structure. Thus antennas are designed uniform, or so-called "taper" where the periodic surface geometry has been modulated to synthesize a particular radiation pattern. It proposes a completely novel technique for performing systematic this synthesis, and in particular applies in the case of reduction of main lobe level at an antenna side and in the case 1D optimize efficiencies in radiation and illumination 2D antennas. In the fifth and final chapter of this thesis presents the conclusions of the work and future lines of research that suggests.
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En concreto, se propone una nueva antena donde la cavidad Fabry-Perot se crea entre dos superficies selectivas en frecuencia (Frequency Selective Surface, FSS), una situada en la parte superior y que actúa como superficie parcialmente reflectante (Partially Reflective Surface, PRS) y otra situada en la parte inferior actuando como superficie de alta impedancia (High Impedance Surface, HIS). Debido a esta composición, denominamos la antena como PRS-HIS-LWA. Las dos FSS consisten en un sustrato dieléctrico impreso con parches metálicos. La principal ventaja de la nueva antena es que permite controlar las características de su diagrama de radiación de una forma flexible y precisa no conocida hasta la fecha. En el primer capítulo se describe la motivación de esta tesis, los objetivos planteados y se clarifican sus principales contribuciones originales. El segundo capítulo se centra en la caracterización eficiente de las superficies periódicas (FSS) que formarán parte de la PRS-HIS-LWA. Se trata de un paso clave, que permitirá el análisis y diseño de forma eficiente de la antena en su totalidad. Se proponen diversos métodos originales para la caracterización de FSSs, y se demuestra su alta eficiencia y utilidad no sólo en el marco de esta tesis, sino en el estudio de muchos otros dispositivos. En el tercer y cuarto capítulos se realiza el análisis y diseño de PRS-HIS-LWAs, comenzando por el caso de una estructura unidimensional (1D) y pasando después al bidimensional (2D). Ambas estructuras son interesantes desde el punto de vista práctico. Las antenas 1D son útiles para aplicaciones donde sea necesario escanear el punto del espacio hacia el que se dirige la radiación (escaneo del haz). Por otro lado, las 2D poseen la capacidad de apuntar hacia el cenit (broadside) con un lóbulo de radiación tipo lápiz muy directivo. El tercer capítulo de la tesis se centra en el análisis y diseño de PRS-HIS-LWAs 1D y 2D uniformes, es decir, en ellas la geometría de la PRS y la HIS permanece constante a lo largo de toda la antena. Se lleva a cabo el análisis de la PRS-HIS-LWA mediante el uso de una red equivalente transversa (Transverse Equivalent Network, TEN) en la que se incluyen las expresiones presentadas en el capítulo 2. Este análisis posibilita el estudio de la influencia de la geometría de la PRS y la HIS en el comportamiento de la antena. En concreto, se concluye que la PRS controla principalmente la tasa de radiación de la antena (y por lo tanto su ancho de haz) y que la HIS proporciona el control sobre ángulo de apuntamiento. En el capítulo cuarto se realiza la síntesis del diagrama de radiación de la PRS-HIS-LWAs tanto en el caso 1D como 2D. A partir de unos requerimientos del diagrama de radiación (ángulo de apuntamiento, ancho de haz, nivel de lóbulo principal a secundario, eficiencia de radiación, eficiencia de iluminación) se obtiene la tasa de radiación y ángulo de apuntamiento que debe presentar la antena en cada punto de su apertura radiante. Para obtener estas características es necesario utilizar los resultados obtenidos en el capítulo anterior y modular la geometría de la PRS y la HIS a lo largo de la estructura. De este modo se diseñan antenas no uniformes, o también llamadas “taper” donde la geometría de las superficies periódicas se ha modulado para sintetizar un determinado diagrama de radiación. Se propone una técnica sistemática totalmente novedosa para realizar esta síntesis, y se aplica en concreto en el caso de reducción de nivel de lóbulo principal a secundario en una antena 1D y en el caso de optimizar las eficiencias de radiación e iluminación en antenas 2D. En el quinto y último capítulo de esta tesis se presentan las conclusiones obtenidas del trabajo realizado así como las líneas futuras de investigación que sugiere. [ENG] This thesis proposes a new type antenna Leaky-Wave (Leaky Wave Antenna, LWA). These antennas have received much attention in the past decades to be highly directives. In particular, constitute an especially attractive solution for applications requiring high performance and precision, as in satellite communication systems and radar. Specifically, the Lwas considered in this thesis are based on the radiation produced by a leakage wave that propagates through a resonant cavity. These are referred Lwas Fabry-Perot type, by analogy with the interferometers. Specifically, it proposes a new antenna where Fabry-Perot cavity is created between two frequency selective surfaces (Frequency Selective Surface, HSS), one located at the top surface and serving as partially reflective (partially reflective surface, PRS) and one located on the bottom surface acting as a high impedance (High Impedance Surface, HIS). Because of this composition, called the antenna as PRS-HIS-LWA. The two FSS consist of a dielectric substrate with printed metallic patches. The main advantage of the new antenna is that it allows the characteristics of the radiation pattern of a flexible and precise unknown to date. The first chapter describes the motivation of this thesis, the objectives and clarified its main original contributions. The second chapter focuses on the efficient characterization of regular surfaces (FSS) that form part of the PRS-HIS-LWA. This is a key step that will allow the analysis and design of the antenna efficiently as a whole. Several methods are proposed to characterize original FSSS, and demonstrated its high efficiency and usefulness not only in the context of this thesis, but in the study of many other devices. In the third and fourth chapters of the study design and analysis of PRS-HIS-lwas, starting with the case of a one-dimensional structure (1D) and then moving to two-dimensional (2D). Both structures are interesting from a practical standpoint. 1D antennas are useful for applications where it is necessary to scan the space to the point that directs radiation (beam scanning). On the other hand, possess the ability 2D point toward the zenith (broadside) with a radiation lobe of highly directive pencil type. The third chapter of the thesis focuses on the analysis and design of PRS-HIS-1D and 2D Lwas uniform, ie, including the geometry of the PRS and HIS remains constant throughout the antenna. 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Thus antennas are designed uniform, or so-called "taper" where the periodic surface geometry has been modulated to synthesize a particular radiation pattern. It proposes a completely novel technique for performing systematic this synthesis, and in particular applies in the case of reduction of main lobe level at an antenna side and in the case 1D optimize efficiencies in radiation and illumination 2D antennas. 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