Investigación en técnicas numéricas basadas en ecuación integral para el análisis y diseño de dispositivos de microondas para comunicaciones espaciales

Resumen

Resumen de la tesis: De entre todos los métodos numéricos para el análisis electromagnético de dispositivos de microondas descritos en la literatura técnica e implementados en herramientas software comerciales, esta tesis doctoral se centra en la técnica de Red Multimodal Equivalente (Multimode Equivalent Network, MEN, en inglés). El objetivo principal de este trabajo es extender el estado del arte de dicho método. Esta técnica se basa en la caracterización individual de las discontinuidades presentes en la estructura a analizar. Para cada discontinuidad, se comienza imponiendo las condiciones de contorno para obtener las ecuaciones integrales que definen el problema. Una vez resultas dichas ecuaciones integrales, la discontinuidad se modela usando una red equivalente, donde la interacción entre los modos a ambos lados de la discontinuidad se tiene en cuenta de forma rigurosa usando una matriz de acoplamientos de impedancia o admitancia. Finalmente, las redes equivalentes obtenidas para cada discontinuidad de la estructura se combinan para formar la red final que permite el análisis del dispositivo completo. Esta técnica se desarrolló originalmente para el análisis de componentes en tecnología de guía de onda. En estos problemas, la excitación de la estructura viene dada por los modos guiados a ambos lados de las discontinuidades. En esta tesis, primero se revisa dicha formulación, como punto de partida. Además, se proponen una serie de mecanismos para aumentar la eficiencia computacional de dicha técnica en problemas de guía de onda. Tras ello, con el fin de adaptar dicha técnica de análisis a otras tecnologías que están siendo utilizadas en la actualidad para ciertas aplicaciones (como microstrip o stripline), en esta tesis se desarrolla la formulación MEN para componentes planares encapsulados de una sola capa o multicapa. Para ello, comenzamos formulando la red equivalente de discontinuidades de espesor despreciable (zero-thickness, en inglés) compuestas por obstáculos metálicos rectangulares, que además contienen puertos de excitación en el plano transversal. Este primer desarrollo se basa en una formulación de campo eléctrico. La excitación lateral introducida permite modelar los conectores coaxiales que normalmente se usan como excitación en este tipo de dispositivos. La excitación de los componentes mediante estos puertos es la principal diferencia con respecto a la formulación MEN tradicional para dispositivos en guía. Esto se debe a que estos puertos introducidos son los que permiten analizar dispositivos en tecnología planar donde la excitación es lateral, en lugar de ser mediante los modos guiados como ocurre en tecnología de guía de onda. A continuación, en este documento, extendemos este análisis a discontinuidades zero-thickness que contienen dichos puertos laterales pero que están compuestas por metalizaciones con forma arbitraria (no sólo obstáculos rectangulares). Esto es posible gracias a la combinación de la formulación MEN basada en campo magnético y el método BI-RME (Boundary Integral-Resonant Mode Expansión). Esta extensión permite el análisis de una amplia variedad de componentes planares de microondas, tanto de una sola capa como multicapa, usando la técnica MEN. Cabe destacar que, en este desarrollo, también se han considerado puertos internos que pueden ser usados para la interconexión del circuito microstrip con otros elementos concentrados. Además, basándonos en esta formulación MEN de campo magnético, discutimos la consideración de pérdidas óhmicas en la discontinuidad. Una vez validada esta formulación, pasamos a extender esta técnica a dispositivos multicapa encapsulados formados por metalizaciones con espesor. Esta formulación es particularmente útil cuando se analizan dispositivos en los que el espesor de la metalización se vuelve eléctricamente grande. Es importante destacar que todas las extensiones MEN propuestas en este documento han sido implementadas en MATLAB. Para validar estas formulaciones, se han seleccionado ciertos componentes de ejemplo que son analizados con dichos códigos MATLAB. Tras ello, los resultados de análisis se comparan con las simulaciones obtenidas mediante otras herramientas (comerciales), con medidas de los prototipos (si están disponibles en la literatura técnica) o con resultados presentados en otros artículos científicos. La similitud entre los resultados MEN y el resto de resultados validan las formulaciones teóricas desarrolladas en esta tesis. Finalmente, durante este periodo de tesis, se han diseñado una serie de filtros de microondas en diferentes tecnologías (guía de onda rectangular, barras metálicas encapsuladas y microstrip) para diferentes aplicaciones. En este documento se explica tanto el diseño de dichos filtros como el análisis mediante las formulaciones MEN propuestas en esta tesis. Los resultados de simulación mediante la técnica de Red Multimodal Equivalente son similares a los obtenidos con otras herramientas de análisis electromagnético, así como a las medidas de los prototipos diseñados y fabricados. Esto también valida la utilidad de las extensiones MEN propuestas en esta tesis. Finalmente, en este documento de tesis se explica una herramienta (interfaz gráfica en MATLAB) creada para el análisis y diseño de dispositivos microstrip encapsulados. Esta herramienta incluye un módulo de optimización que permite el diseño de dichos componentes mediante sucesivos análisis MEN. http://repositorio.bib.upct.es/dspace/