Integración de elementos activos en estructuras siw

Abstract

Esta tesis está dedicada a estudiar la viabilidad de integrar elementos activos en estructuras SIW, Substrate Integrated Waveguide. Para ello, en primer lugar, se ha estudiado en profundidad la tecnología SIW con el objetivo de conocer su funcionamiento interno y las limitaciones de su topología que imposibilitan la incorporación directa en su superficie de cualquier elemento que requiera ser polarizado. Conocido el comportamiento de dicha tecnología, se han diseñado dos tipos de estructuras, guías SIW, sobre las cuales se llevará a cabo el grueso del estudio de la integración de elementos activos, y bocinas SIW plano H multicapa, que serán empleadas para demostrar una de las múltiples ventajas y aplicaciones que se les puede dar a las estructuras SIW cuando se les integra elementos activos. En segundo lugar, con el fin de incorporar dispositivos que requieran distintos niveles de tensión sobre la metalización de las SIWs, se ha estudiado como eliminar la conexión a masa parcial o totalmente de la superficie metálica de las mismas. Se han presentado diversas topologías tanto con comportamiento radiante como reflectivo, y se ha desarrollado una tecnología novedosa, denominada SBFSS-SIW, Stop Band Frequency Selective Surface Substrate Integrated Waveguide, que permite sustituir la metalización superior e inferior de las estructuras SIW por superficies selectivas en frecuencia que operan en su banda de rechazo en el rango de funcionamiento de la estructura SIW sobre la que se integran. De esta manera, se dispone de pads aislados en la superficie de las estructuras SIW, cuyo tamaño y separación es ajustable, lo que permite integrar diversos elementos activos con distintos potenciales sobre la misma superficie. Para demostrar el funcionamiento de esta tecnología se han implementado tres guías en SIW y se ha realizado un estudio comparativo de su comportamiento en frecuencia con el de una guía SIW de iguales dimensiones pero con sus capas metálicas sin modificación alguna. Con los resultados obtenidos se demuestra que la tecnología SBFSS-SIW presenta un comportamiento semejante al de tecnología SIW en el rango de funcionamiento de la estructura diseñada, y que a frecuencias muy alejadas de dicho rango, las SBFSS-SIWs dejan de comportarse como las SIWs. Esto es consecuencia de que las FSSs se vuelven radiantes y la mayor parte de la potencia que se inyecta a las guías es radiada al exterior. Tras resolver las limitaciones físicas de integración inherentes a la tecnología SIW, se han estudiado las condiciones que deben verificarse para que al integrar un elemento activo en la superficie de una guía SIW, ésta actúe como mero soporte o en su defecto, mejore las propiedades del elemento activo incorporado. En base a los estudios realizados, se concluye que limitando la realimentación entre la entrada y la salida de la estructura SIW, la ganancia del sistema será la del elemento activo. Así mismo, al restringir la realimentación entre la entrada y la salida, el sistema puede ser diseñado con las técnicas de diseño de amplificadores, pudiendo diseñar de forma independiente la red de entrada de la guía, el elemento activo y la red de salida de la guía. Así mismo, se propone una técnica para el diseño de un sistema estable cuando las realimentaciones de la guía no son despreciables, así como un método de análisis para verificar si un sistema dado, formado por una guía SIW con realimentaciones con un elemento activo integrado, es estable. Para demostrar la veracidad de los estudios teóricos realizados, se han implementado varias guías con paredes metálicas en su centro, las cuales reducen los niveles de realimentación originales. Los resultados muestran que cuando se utiliza un número de vías centrales de dimensiones similares o superiores a la anchura del taper integrado en la superficie de la estructura, las realimentaciones de las guías son muy bajas, y presentan unos niveles de ganancia iguales o superiores a los del elemento activo que lo integran. Finalmente, para demostrar la aplicabilidad de integrar elementos activos en SIWs se han diseñado tres bocinas SIW plano H multicapa con distintas ubicaciones de elementos activos en su superficie. Los resultados demuestran que en función del número y de su localización varía el efecto que generan sobre la distribución de campo interna de la antena, provocando diferentes cambios de fase y de amplitud en su apertura, y como consecuencia de ello, en sus diagramas de radiación. Para mostrar la versatilidad que pueden llegar a ofrecer dichas antenas al integrarles elementos activos, se ha realizado un estudio en que se han polarizado en cada instante diferentes combinaciones de amplificadores en una misma estructura, y se muestran los efectos que tiene a nivel de campo cercano y campo lejano, los cuales pueden ser empleados para realizar conformación de haz. This thesis studies the viability of integrate active devices on SIW structures, Substrate Integrated Waveguide. First, the SIW technology has been extensively analysed, to understand its internal behaviour and its topology limitations that make the direct polarized devices integration on its surface not possible. Subsequently, two kind of structures have been developed, SIW guides and SIW multilayer H plane horns, which will be employed to show the multiple advantages and applications of the integration of active devices on SIW technology. To integrate devices with different voltage levels on the SIW metal surfaces, we have studied several alternatives to partially or totally remove the ground electrically connection of metal surfaces. We have developed multiple topologies with two main behaviours: radiating or reflective, and we have presented a new technology, called SBFSS-SIW, Stop Band Frequency Selective Surface Substrate Integrated Waveguide, that replaces the top and bottom metal surface by frequency selective surfaces operating in their stop band in the operation frequency range of the SIW. This topology presents isolated pads on SIW surface, whose size and distance is adjustable. That make possible the integration of active devices with different voltages on the same surface. Three SBFSS-SIW guides have been designed to illustrate the behaviour of the technology, and we have made a comparative study of the obtained results with those of a conventional SIW guide. The results show that the behaviour of SBFSS-SIW technology is similar to that of SIW in the operation frequency range of the designed structure, and at far frequencies from operating frequency, the behaviour of SBFSS-SIWs differs its SIWs counterparts. In these range, the FSSs become radiating and most of the power entering the guides is radiated outside them. Once physical integration restrictions of SIW technology is solved, it has been studied the SIW guide conditions for working as a support when an active device is incorporated on its surface, also it has been evaluated its conditions to improve the S parameters of the active element. Having low feedback between the input and the output of the SIW structure, the system gain is equal to the active element gain, and it can be employed the amplifiers design techniques to design the system. In addition, in these conditions the input network, the output network and the active device can be designed independently. Additionally, a technique for designing a stable system with significant feedback is proposed. A method to verify if a system composed by a feedback SIW guide with an active element is stable has also been proposed. To illustrate the truthfulness of the theoretical studies, it has been designed some SIW guides with metallic via holes in their middle, that minimize the original feedback. The results show that the guides have negligible feedback and the system gain is equal or higher than the active device, when the length of the metallic via holes are equal or higher than the taper width. Finally, three SIW multilayer H plane horns with active devices in different positions on their surface have been designed to illustrate the applicability of integrating active devices on SIW structures. The results show that the horn internal field distribution changes according to the position and number of active devices, causing aperture phase and amplitude variations, and therefore, their radiation patterns change. To show the versatility that present these structures when are integrated active devices on their surface, different combinations of amplifiers have been polarized on each SIW horn, and the variations of the near and far field have been analysed. Said effects could be used as beamformers.