Técnicas de barrido electrónico por frecuencia con agrupaciones de antenas de banda milimétrica y submilimétrica

Resumen

El trabajo realizado en esta Tesis Doctoral está centrado en el estudio de agrupaciones de antenas de escaneo de haz mediante barrido en frecuencia en las bandas de ondas milimétricas y submilimétricas. Este tipo de agrupaciones de antenas de barrido electrónico se caracterizan porque su ángulo de apuntamiento varía cuando se modifica la frecuencia de operación. El documento se ha estructurado en cuatro capítulos. En el primero se ha realizado un análisis de las técnicas presentes en la literatura científica que son de aplicación directa en el análisis y estudio de las agrupaciones de antenas que son objeto de este trabajo. En el conjunto de las soluciones presentadas se han incluido métodos relacionados con las agrupaciones de antenas, con los haces gaussianos y con las pérdidas de propagación en los medios de transmisión Finalmente, se han introducido los métodos de simulación electromagnética utilizados. En el capítulo 2 comienzan las novedosas aportaciones científicas que el autor ha realizado. Este capítulo está centrado en agrupaciones de antenas cuyo haz varía en una única dimensión al barrer la frecuencia de operación. Dos son las tecnologías de fabricación utilizadas, la guía de onda metálica rectangular y la línea microstrip. En total, en este capítulo se presentan cuatro agrupaciones de antenas de escaneo de haz mediante barrido en frecuencia en guía metálica rectangular. En la primera se emplea una red desfasadora basada en tramos de guía de distintas longitudes. Cada uno de ellos está terminado por una apertura, obteniéndose un total de ocho elementos radiantes. Con la utilización de esta topología se ha conseguido un rango de variación angular de 50º al barrer la frecuencia de. Esta agrupación de antenas sirve de punto de partida para otras dos que comporten el mismo objetivo: estrechar el haz de la agrupación en el plano ortogonal a la misma. En una de ellas las aperturas utilizadas como elementos radiantes en la primera agrupación son combinadas con unas antenas de varilla dieléctrica. La otra agrupación consigue reducir el ancho de haz formando una pila de ocho agrupaciones originales. De esta forma, se llega a una agrupación de 8×8 aperturas con escaneo a lo largo de una dimensión mediante barrido en frecuencia. Con el objetivo de minimizar las pérdidas en la transmisión de la señal se plantea la alternativa de utilizar una antena en guía ranurada. La mayor sencillez de esta solución conlleva que el rango de escaneo se reduzca hasta un máximo de 22º. Finalmente, en el capítulo 2 se presentará una agrupación de antenas en línea microstrip. Como elemento radiante se utiliza una antena antípoda cuyo diseño ha sido mejorado para reducir el espacio requerido entre los elementos de la agrupación En el capítulo 3 se analizan agrupaciones de antenas con escaneo en dos dimensiones. El primer diseño presentado en este capítulo es una agrupación de 8× 8 aperturas en la que el escaneo bidimensional se consigue mediante dos redes de distribución. El rango de escaneo obtenido es de 45º × 60º al barrer la frecuencia de operación. Las otras dos agrupaciones estudiadas utilizan como elementos radiantes guías ranuradas, con lo que para conseguir el escaneo bidimensional solo precisan de una red de distribución. La segunda agrupación de antenas presentada utiliza como elementos radiantes ocho guías ranuradas idénticas a las analizadas en el capítulo 2. La alimentación se realiza mediante una red de distribución en paralelo. Este diseño es más compacto, pero su rango de escaneo está limitado a 20º × 60º. Empleando las guías de onda ranuradas descritas hasta el momento no es posible escanear con su haz a ambos lados del eje transversal de la guía. La tercera agrupación de antenas se diseñó con el objetivo de sobrepasar esta limitación. En este caso las guías ranuradas se alimentan mediante una red de distribución serie. En el capítulo 4 se presentan dos sistemas de adquisición de imágenes que utilizan como elemento transmisor agrupaciones de antenas descritas en los capítulos previos. El primero emplea una topología en reflexión y se emplea como transmisor la agrupación de $8\times 8$ aperturas de escaneo de unidimensional haz mediante barrido en frecuencia. Por otra parte, en el sistema de adquisición de imágenes basado en la agrupación de 8× 8 aperturas de escaneo bidimensional de haz mediante barrido en frecuencia utiliza una topología en transmisión. Las capacidades de ambos sistemas han sido validadas empleando piezas metálicas como objetos bajo medida. RESUMEN (en Inglés) This Doctoral Thesis is focused on the study of frequency scanning antenna arrays in the millimeter and submilimeter wave bands. The sweep of the wave front of this type of antennas is achieved changing its operating frequency. The document has been structures in four chapters. In the first chapter a customized study of the techniques and methods present in the scientific literature related with frequency scanning antenna arrays in the millimeter and submillimeter wave band has been performed. In the set of solutions presented have been included methods related with antenna arrays, Gaussian beams, and with the propagation loss in the transmission lines used. Finally, a description of the electromagnetic simulation algorithms applied to design the antenna arrays has been included. The second chapter is centered on frequency scanning antenna arrays with beam variation along one dimension. Two fabrication technologies have been used in this chapter: the metallic rectangular waveguide and the microstrip line. Four different antennas have presented using rectangular waveguides. In the first one a feeding network based on different length paths is used to obtain the frequency scanning behavior. The radiating elements of this array are eight apertures. Based on the first design two more antenna arrays have been implemented. One of them uses dielectric rods as radiating elements. The other reduces the beam width piling eight of the linear frequency scanning antenna arrays already described. Thus, a frequency scanning antenna array of 8×8 apertures is obtained. Willing to minimize the propagation loss of the signal along the feeding network a slotted waveguide antenna array is also used. Although this solution is simpler, the beam scanning range is reduced. Finally, a frequency scanning antenna array based on linearly tapered slot antennas is presented. The third chapter is focused on frequency scanning antennas array beam scanning capable in two dimensions. The first design presented is an array of 8×8 apertures. The two dimensional scanning behavior is achieved using two feeding networks. The other two antenna arrays implemented are based on slotted waveguides. The radiating elements of the first one are the slotted waveguides described in the second chapter. A parallel feeding network is used to obtain the desired two dimensional beam scanning behavior. Due to the characteristics of the design it is not possible to scan on both sides of the transversal axis of the waveguide using the proposed solution. To overcome this limitation a third antenna arrays has been designed. In this case, the slotted waveguides are fed using a series feeding network. In the fourth chapter two imaging systems based on the previously described frequency scanning antennas arrays are presented. The first imaging system uses a reflection topology and the frequency scanning 8×8 apertures array described in the second chapter is utilized as transmitter. On the other hand, the second imaging system proposed uses a transmission topology. In this case, the transmitter is the two dimensional frequency scanning antenna based on 8×8 apertures. The performance of both systems has been validated using metallic pieces as objects under test.