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

Resumen

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. http://repositorio.bib.upct.es/dspace/