Desarrollo de lentes planas basadas en estructuras periódicas para imaging

Resumen

Un Transmitarray (TA) es una antena cuya estructura está formada por un elemento periódico, denominado celda unidad, que se repite en dos direcciones del espacio, de ahí el término lente plana. El objetivo de un TA es transformar una onda incidente, que procede de una antena alimentadora, en otra transmitida. En este sentido, se puede considerar un TA como el equivalente de bajo perfil de una lente dieléctrica, de forma que este tipo de estructuras pueden ser utilizadas en un mayor rango de aplicaciones debido a la versatilidad derivada de su bajo perfil y su más barata fabricación. Su elemento básico o celda unidad se encuentra normalmente compuesto por una serie de elementos resonantes que hacen que se transmita la mayor cantidad de potencia incidente posible mientras que se introduce el desfase necesario para obtener la fase progresiva que permita obtener el frente de onda objetivo. Dicha variación del desfase se consigue modificando uno o varios de los elementos que forman la estructura de la celda unidad. Así, como el objetivo es poder replicar cualquier fase progresiva, es necesario, que la variación de fase al realizar dicha modificación sea de 360 grados, mientras que la amplitud transmitida presenta una variación menor de 3 dB para limitar las pérdidas de la estructura. Así, la presente tesis se centrará el estudio de los TAs con el objetivo de encontrar nuevas estructuras de celda unidad que, además de cumplir las condiciones detalladas anteriormente, puedan ser modificadas para poder ser utilizadas en un mayor rango de aplicaciones. Así, se ha obtenido una celda unidad de 4 capas dieléctricas formada por cuatro parches cuadrados idénticos apilados y acoplados dos a dos por una ranura, la cual permite obtener el desfase objetivo necesario al modificar el tamaño de los parches mientras que se mantiene la variación de la amplitud transmitida. Sobre dicha estructura se han realizado, además, una serie de modificaciones que permiten adaptar su uso a un rango más amplio de estructuras. Por un lado, la primera de ellas tiene como objetivo la reducción del peso de la estructura completa para poder utilizar la antena en sistemas embebidos. Para ello, se realiza la reducción del número de capas a 2 (dos parches acoplados por ranura). Como ya no será posible obtener un desfase total de 360 grados mediante la variación del tamaño de los parches, se realiza una cuantificación del desfase que debe introducir cada celda unidad. De manera general, se puede utilizar cualquier número de niveles de cuantificación, pero, en este caso, se han utilizado solamente los correspondientes a 1- y 2-bits, ya que son aquellos que permiten obtener una estructura formada por 2 capas dieléctricas. Por otro lado, se ha añadido a la estructura inicial una ranura adicional, perpendicular a la primera, de forma que es posible acoplar una polarización ortogonal adicional. En dicha estructura, cada uno de los lados de los parches controlará el desfase introducido en cada polarización. Por tanto, los parches ya no serán cuadrados sino que tendrán forma rectangular. En este caso, se han presentado dos variaciones de dicha estructura. En la primera de ellas, ambas polarizaciones trabajan a la misma frecuencia (polarización dual), mientras que en la segunda lo hacen a frecuencias diferentes (frecuencia dual). Debido a la complejidad de una estructura formada por un TA y su antena alimentador, el análisis del la misma de manera eficiente es uno de los problemas más importantes, ya que los métodos de onda completa permiten obtener una solución precisa, pero requieren de un alto tiempo de ejecución. Por ello, en el presente trabajo se ha presentado un modelo que permite calcular el campo cercano o lejano de un TA de manera temporalmente eficiente. Para ello se divide el problema en diferentes sub-problemas más fáciles de analizar, de forma que en primer lugar se calcula el campo generado por el alimentador y la lente en el plano de la misma en una malla regular, para luego calcular el campo total a partir del anterior como si el sistema no estuviese presente. Con ello, es posible reducir drásticamente el tiempo de ejecución, aunque al realizar dichas simplificaciones se introducen una serie de errores que limitan el número de casos en lo que el modelo propuesto puede ser utilizado. No obstante, se ha comprobado que su efecto solamente no es significativo en los casos canónicos. Así, utilizando las celdas unidad y el modelo de análisis, se han diseñado y fabricado varios prototipos de antenas de campo lejano y cercano. Con ello, se ha podido validar tanto el proceso de fabricación de las mismas como el método seguido para su análisis. Entre dichas antenas se encuentran, tanto para campo cercano como lejano, TAs basados en las celdas unidad de 1 y 2 bits mostrando una buena concordancia entre medidas y simulaciones con el modelo. Además para el caso de campo cercano, se han propuesto y analizado satisfactoriamente una antena de doble polarización y doble frecuencia, y para campo lejano, una antena de polarización variable controlada a través del giro de una antena alimentadora de polarización lineal. Finalmente, un TA de campo cercano y otro de campo lejano han sido usados en aplicaciones de imaging, de forma que ha sido posible detectar la presencia de diferentes objetos sobre un plano de masa o de un arma sobre escondida bajo la ropa de una persona. A Transmitarray (TA) is an antenna formed by a periodic element, known as unit cell, which forms a two-dimensional quasi-periodical lattice. The aim of one of these antennas is to transform an impinging wave, originated by a feeding antenna, into a transmitted one which matches the requirements of the systems. In this sense, a TA can be considered as the low-profile equivalent of a dielectric lens, in a way that these structures can be utilized in a wider range of applications due to their lower profile and inexpensive manufacturing process. The unit cell of TA is generally made of a series of resonant elements in order to maximize the amount of transmitted power through the antenna, while at the same time, the necessary phase-shift to reconstruct the progressive phase is introduced. In all cases, this phase-shift is obtained by varying the size of one or more of the elements forming the structure. Since it is necessary to be able to obtain any progressive phase, a 360⁰ phase-shift is required by changing one or several elements of the unit cell. At the same time, a variation of the less than 3dB in the transmitted amplitude is required. Therefore, the aim of the present doctoral thesis is to find new unit cell structures for their use in a TA antenna. Apart from matching the requirements above, it should be possible to introduce some variations in their structure in order to allow its further use in a wider range of applications. Thus, in the first place, a four dielectric layer structure based on 4 square stacked patches, coupled two-by-two by a slot, is presented. In this case, the transmitted phase is controlled by the size of the four patches, which are identical, making it possible to obtain the required phase-shift while the amplitude goes through little variation. Some changes have made to this structure in order to adapt its function to a wider range of situations. On the one hand, the first of these modifications is based on the objective of reducing the overall weight of the structure formed by the lens and the supporting system, so it can be used in embedded systems. In order to do that, the number of layers is reduced to 2 (two patches coupled by a slot). As it would be no longer possible to obtain a 360⁰ variation of the transmitted phased, a quantification to the phase-shift introduced by each cell is applied. Generally speaking, any number of levels can be used, nevertheless on this case only a 1- or 2-bit quantification is used since the aim is a two-dielectric-layer structure. On the other hand, an additional slot in the perpendicular direction to the first one is added in order to adapt the structure to a second orthogonal polarization. In this new structure, each side of the patches will control the phase-shift introduce by each one of the polarizations, thus they will no longer be square, but rectangular. In this sense, two different variations can be made. In the first one, both polarizations work at the same frequency (dual-polarized) and, in the second one, they do it at different ones (dual frequency). Due to the complexity of a system formed by the TA and the feeding antenna, the analysis of the system in a timely fashion is one of the most important problems, since the Full-Wave methods are capable of yielding accurate solutions, but a high execution time is required. Consequently, during the present work a model for calculating the Far- or Near-Field of a TA in timely fashion has been presented. In order to do that, the overall problem is divided into several sub-problems, which are easier to solve. This way, the field generated by the feeder and the lens in the plane of the TA is firstly calculated in a regular mesh and then, from its value, the final Far- or Near-Field of the overall structure is calculated as if the rest of the antenna were not present. By doing this, it will be possible to drastically reduced the required execution time, although some inaccuracies, that limit the number of situation in which can be used, may appear. Nonetheless, it has been proven that the effects caused by this factor are only significant outside the canonical cases. Thus, by making use of the proposed unit cells and analysis model, several Near- and Far-Field prototypes based on a TA have been designed and manufactured. Therefore it has been possible to validate the fabrication process, as well as, the model used in the analysis. Among these antennas, 1- and 2-bit TAs, for both Near- and Far-Filed, have been fabricated and measured showing good concordance between the model and measurement data. Besides, a dual-polarized dual-frequency antenna for Near-Field and a polarized agile TA, controlled by the rotation angle of the linearly polarized feeding antenna, are also proposed and analyzed showing good results. Finally, two TAs, one for Near-Field and other for Far-Field, have been proposed and used in an imaging application, and it has been possible to detect the presence of different objects over a metallic ground plane or a concealed weapon hidden underneath the clothes of a person.