Análisis de modos de fuga en estructuras planares apantalladas lateralmente y diseño de nuevas antenas "leaky-wave" en tecnología híbrida impresa-apantallada

Resumen

En esta tesis doctoral se estudian los modos de fuga en un tipo de guías de onda en tecnología híbrida. Esta tecnología híbrida consiste en combinar una guía rectangular dieléctrica apantallada lateralmente con circuitos planares impresos sobre el substrato de la guía dieléctrica. Se ha desarrollado un método de análisis electromagnético modal basado en el desarrollo de la función de Green de la guía de placas paralelas, en el que se resuelven las correspondientes ecuaciones integrales de campo eléctrico y/o magnético usando el método de los momentos. Este método tiene una alta carga analítica sin perder la rigurosidad de los resultados debido a su naturaleza de método de onda completa ("full-wave"). La búsqueda numérica de las constantes de propagación complejas de los modos de fuga es la tarea más costosa. Por ello se ha desarrollado un algoritmo iterativo para acelerar la búsqueda de los ceros complejos asociados a las soluciones de los modos de fuga, dotando de una enorme robustez al método de análisis propuesto. Los resultados obtenidos en este análisis modal son usados para diseñar nuevas antenas "leaky-wave" en la mencionada tecnología híbrida. El objetivo fundamental desde el punto de vista del diseñador de antenas es el de poder conseguir sintetizar una determinada respuesta eléctrica (dirección de apuntamiento, ancho de haz, eficiencia de radiación y nivel de lóbulos secundarios). Los resultados obtenidos demuestran que se puede controlar la respuesta de las antenas con mucha precisión y libertad. Se presentan diseños usando circuitos planares impresos de tipo "slot" (ranuras) y "strip" (tiras metálicas) en la banda de 5GHz y 50GHz. Los resultados obtenidos con el método propuesto se comparan con los obtenidos con una herramienta comercial de análisis electromagnético tridimensional basada en el método de elementos finitos. De esta manera se han validado todos los diseños, demostrando las mejoras de las antenas propuestas. También se ha expandido el método de análisis a circuitos impresos periódicos, usando una expansión en modos de Floquet para expresar la función de Green de la celda unidad. De esta manera se han propuesto nuevas antenas periódicas basadas en la tecnología híbrida. La tecnología propuesta presenta interesantes mejoras de fabricación y una mayor flexibilidad de diseño respecto de otras antenas "leaky-wave" propuestas en anteriores trabajos de investigación. Por último, en esta tesis se presentan dos programas desarrollados para asistir en el análisis de los modos de fuga y en el diseño de antenas "leaky-wave". La interfaz gráfica e interactiva de estos programas permite obtener resultados rápida y visualmente, en comparación con programas comerciales de análisis electromagnético, que al ser más genéricos necesitan de un mayor tiempo de cálculo. La presente tesis doctoral deja varias líneas futuras abiertas, entre la que cabe destacar el análisis y diseño de circuitos y antenas de microondas con propiedades zurdas ("metamateriales").