Diseño de antenas de ranuras en microondas y milimétricas para comunicaciones móviles y por satélite

Las ranuras en guías de ondas son un tipo importante de antenas de microondas con numerosas aplicaciones en sistemas de comunicaciones y radar, debido a su gran capacidad de potencia, alta eficiencia, poco peso, estructura compacta y bajos lóbulos laterales, lo anterior sumado a que pueden resistir radiación, altas temperaturas y vibración, los cuales son requisitos para aplicaciones aeroespaciales Un factor importante para el desarrollo de estas antenas es que las técnicas de modelamiento electromagnético han avanzado lo suficiente para permitir el diseño de estos arrays en un solo paso sin necesidad de iteraciones en el proceso de desarrollo. Teniendo en cuenta que las metodologías modernas de diseño de antenas deben ir en concordancia con los métodos y herramientas actualmente empleadas, uno de los objetivos de esta tesis es proporcionar una metodología de diseño de arrays lineales y planos que aparte de que esté basada sobre los fundamentos analíticos obtenidos en los últimos 60 años, utilice los métodos computacionales modernos para optimizar los diseños. Para comprender el comportamiento de los arrays lineales de guía de onda con alimentación lateral, en el segundo capítulo de la tesis se presenta el diseño, la simulación, estudios de tolerancia basados en el método de Monte Carlo y la medición de arrays lineales con alimentación lateral de ranuras resonante y no resonante en guías de onda, para operación en el rango de las microondas, utilizando técnicas de simulación por ordenador, en especial, el simulador electromagnético CST Microwave Studio. En el tercer capítulo se realiza un estudio del incremento del ancho de banda de arrays lineales utilizando alimentación central, donde se encuentra que separando las ranuras centrales de radiación una distancia mayor a landa medios se consigue un incremento en el ancho de banda. Adicionalmente se utilizan métodos de optimización multiobjetivos para encontrar los nuevos coeficientes de excitación que permitirán cumplir con la especificación de nivel de lóbulo primario a secundario (NLPS) requerido, dado que la separación entre las ranuras ya no es constante. En el cuarto capítulo se realiza el diseño y simulación de un array plano de antenas de ranuras en guías de ondas (Slot Waveguide Array Antenna o SWAA) para aplicación satelital en la banda de los 30 GHz. La antena será de aproximadamente 170x170 mm, constituida por 24x24 ranuras. La forma de alimentación se ha planteado mediante guías de onda en un estrato inferior acopladas a las guías radiantes mediante acoplos por ranuras. Se realizó el modelado de los distintos elementos que componen la red de alimentación como uniones en T y codos en los planos E y H. Uno de los problemas importantes en la fabricación de los SWAA es asegurar el contacto eléctrico entre las diferentes piezas metálicas a lo largo de toda la estructura de guía. Pequeñas zonas donde el contacto eléctrico sea malo o se realice en puntos alejados de la pared de la guía, supone un efecto inductivo en la guía que modifica radicalmente su funcionamiento, por lo tanto en el quinto capítulo de la tesis se propone añadir en la parte superior de la estructura un substrato dieléctrico, de forma que el contacto no se realice de forma física sino virtual. Se verificó mediante simulaciones un satisfactorio aislamiento entre guías así como la comprobación que los modelos clásicos de ranuras en guía se siguen cumpliendo, tanto para arrays lineales como planos, con el solo inconveniente que la longitud de la ranura presenta una disminución del 10% con respecto a su valor en el vacío. ABSTRACT Slotted waveguides are an important type of microwave antennas, widely used in communications and radar systems because of its efficiency, low weight, compactness, low side lobes and large power capacity. In addition, slotted waveguides can withstand radiation, vibration and high temperatures, as required for aerospace applications. Advances in electromagnetic modeling techniques has been a key factor in the development of these antennas, allowing the design of arrays in one step without iterations in the development process. Taking into consideration that modern antenna design methodologies must be consistent with the methods and tools currently employed, one objective of this thesis is to provide a design methodology of linear and planar arrays. The proposed methodology, besides being based on analytical resources developed during the last 60 years, uses modern computational methods to optimize the designs. The second chapter of this thesis shows an study of the performance of linear arrays of waveguides with end-feed. This chapter presents the design, simulation, tolerance studies based on Monte Carlo method and the measurement of end-feed linear arrays of resonant and non-resonant slots in waveguides for operation in the microwave range, using computer simulation techniques, especially, CST Microwave Studio electromagnetic simulator. The third chapter presents a study on increasing the bandwidth of linear arrays using central feed. The chapter shows that an increase in bandwidth is achieved when the distance between the central radiating slots is greater than a half wavelength. Additionally, multi-objective optimization methods are used to calculate new excitation coefficients to fulfill the required side lobe level (SLL), since slot spacing is no longer constant. The fourth chapter contains the design and simulation of a Slotted Waveguide Array Antenna (SWAA) for satellite application in the 30 GHz band. The antenna is approximately 170x170 mm, consisting of 24x24 slots. The use of waveguides in a lower layer, coupled to the radiating waveguides using slot-coupling, is proposed as the antenna feeding mechanism. The different elements of the supply network, such as T-joints and waveguide bends in E and H planes, were also modeled. One of the major problems in the manufacture of SWAA is to ensure electrical contact among the different metal parts along the entire guide structure. Small areas where electrical contact is bad, or is made at points away from the wall of the waveguide, produce an inductive effect in the guide that radically modifies its operation. Therefore in the fifth chapter of this thesis it is proposed to add on top of the structure a dielectric substrate, so that contact is not made physically but virtually. Simulations proved satisfactory insulation between guides. While a check of the classical models for slotted waveguides, for both linear and planar arrays, showed their validity with the only drawback that the length of the slot decreases 10% compared to its value in vacuum