Desarrollo de técnicas de análisis de síntesis de arrays alimentados espacialmente para aplicaciones emergentes de campo cercano"/ "development of techniques for the analysis and synthesis of spatially-fed arrays for emerging applications in near-field

Abstract

La evolución de las tecnologías inalámbricas ha requerido evolucionar sus diferentes subsistemas, en particular, las antenas. Se busca que las antenas satisfagan especificaciones más exigentes que, mejoren la capacidad y calidad de los sistemas inalámbricos. Por otro lado, las aplicaciones de campo cercano han incrementado su interés a lo largo de los últimos años, siendo de alto interés en la comunidad científica. Clásicamente, las antenas de campo cercano se utilizaban para concentrar la potencia en un punto o área. Sin embargo, nuevas aplicaciones demandan antenas que mejoren sus prestaciones de campo cercano, como por ejemplo generar haces no difractados o haces conformados similares a campo lejano. Las comunicaciones inalámbricas 5G han establecido como parámetro clave la eficiencia energética, siendo las antenas un subsistema elemental para poder lograr este objetivo. El nuevo paradigma que se origina con las comunicaciones 5G y, más concretamente, en las comunicaciones en interiores, ha generado un especial interés en antenas que sean capaces de controlar su diagrama en la zona de Fresnel para poder mejorar las capacidades de estos sistemas, siendo especialmente importante en el despliegue de comunicaciones en bandas milimétricas. Tomando como referencia diferentes tipos de comunicaciones ya existentes, terrestres o espaciales, las antenas de apertura parecen ser una alternativa muy interesante para estas nuevas comunicaciones y, más concretamente, los arrays alimentados espacialmente. La principal motivación de esta tesis es el desarrollo de técnicas de análisis y síntesis de este tipo de antenas, con el objetivo de evaluar sus prestaciones en aplicaciones emergentes de campo cercano, tales como comunicaciones interiores y sistemas de caracterización de dispositivos. Ambas enfocadas en comunicaciones 5G en banda milimétrica. De acuerdo con esta línea, la tesis presenta dos bloques. Primero, se presenta un modelo de cálculo del campo cercano de un array alimentado espacialmente. Este modelo se utiliza para desarrollar una técnica de síntesis solo fase (phase-only) para estas antenas. Esta técnica permite imponer condiciones en la amplitud del campo cercano radiado y, por primera vez, sobre la fase. Segundo, se analizan, fabrican y testean diferentes antenas, especialmente transmitarrays y reflectarrays, para evaluar sus características aplicaciones de campo cercano que requieren conformado de amplitud o, incluso de fase. Los resultados presentados en esta tesis demuestran que la técnica propuesta de análisis y síntesis son válidas para el diseño de estas antenas. A través de los prototipos desarrollados, se puede observar que este tipo de antena tiene capacidades suficientes para aplicaciones de campo cercano, destacando su uso como estaciones base y, haciendo una mención especial a su capacidad de poder controlar tanto la amplitud, como la fase del campo cercano radiado. The evolution of wireless technologies has sparked a need to evolve different subsystems, particularly, the antennas’ subsystem to satisfy tighter requirements and improve the capacity and quality of wireless systems. Conversely, near-field applications have increased their popularity throughout the last years, becoming a current topic in research activity. The classical use of a near-field antenna is to concentrate the power within a certain spot or area. However, intensive research is done on designing near-field antennas with different performances within their near-field region, such as the generation of non-diffractive beams or radiating shaped beams similar to the ones used in far-field applications. Conversely, the new generation of communications (5G) and wireless communications have established energy efficiency as a key factor. Hence, the antenna plays an important role to achieve this goal. The new challenges of 5G and the use of indoor communications have arisen a special interest in the design of antenna whose near-field pattern can be controlled to enhance the performances of these communication systems. Especially, the communications deployed at millimeter frequencies. Like terrestrial and space communications, aperture antennas are a potential candidate for these wireless communications. Moreover, spatially-fed arrays are s suitable solution to address the new challenges. The main motivation of this thesis is the development of techniques to analyze and synthesize spatially-fed array antennas to use them in near-field applications. Particularly, spatially-fed array antennas are suitable for emerging applications such as indoor communications and antenna measuring systems. Both applications focus on the future 5G communications at the millimeter band. In this line, the thesis is divided into two blocks. First, a novel approach to compute the radiation of a spatially-fed array within its Fresnel region is presented. This model Is used to develop a phase-only synthesis technique for spatially-fed array antennas. This approach allows imposing specifications in the amplitude of the radiated near-field, as well as in the phase for the first time. Second, several spatially-fed array antennas are analyzed, manufactured, and tested to evaluate their performances in novel applications that demand shaped-beam patterns, or even shaped-phase patterns within the Fresnel region. Mainly, two types of spatially-fed arrays are analyzed: transmitarray and reflectarray antennas. The results presented in this thesis have validated the analysis and synthesis technique proposed. In addition, the capability of spatially-fed array antennas has been demonstrated for emerging applications that require shaped patterns in the near-field. It is important to highlight the use of these antennas as base stations in indoor communications and make a special emphasis on the possibility of controlling both amplitude and phase of the radiated field.