Diseño de un array de ranuras a 28 GHz con red de alimentación corporativa

En este proyecto se describen las diferentes etapas o pasos que se han llevado a cabo para el diseño de dos arrays de antenas de ranura en tecnología microstrip, un array de dimensiones 4 x 4 y otro array de dimensiones 8 x 8, así como las distintas pruebas o variaciones que se han llevado a cabo en su diseño para conseguir que los resultados de dichos arrays sean óptimos, es decir, para conseguir que nuestros arrays de antenas de ranura estén adaptados a una frecuencia de 28 GHz, aumentando todo lo posible el valor del ancho de banda en la frecuencia asignada, proporcionando la máxima directividad posible a esa misma frecuencia y consiguiendo que la red de alimentación de dicho array tenga una impedancia característica de 50 Ohmios. Para realizar todos estos diseños y sus posteriores variaciones u optimizaciones se ha utilizado el programa CST Microwave Studio, una herramienta especializada en simulación que permite realizar el análisis preciso y rápido de dispositivos de alta frecuencia. Este tipo de antenas cobra cada día mayor protagonismo, ya que aportan soluciones versátiles en múltiples sistemas, como pueden ser sistemas de radar de microondas, aplicaciones de navegación o en el estándar 802.11 en redes WLAN ya que son antenas fáciles de integrar y permiten alcanzar directividades altas. Para comenzar el diseño, el primer paso a realizar es la creación exclusivamente de una antena de ranura básica por separado, para posteriormente construir a partir de esta los dos arrays deseados, realizando un diseño inicial adaptado a 28 GHz y cuya red de alimentación tenga una impedancia característica de 50 Ohmios. Posteriormente, se crea una antena de ranura de banda ancha a partir del diseño de la antena de ranura anterior, obteniendo el diseño óptimo de una antena de ranura de banda ancha mediante una optimización. Para crear los arrays deseados, inicialmente se debe crear la red de alimentación que dividirá la potencia de entrada de forma equitativa en las 16 ó 64 salidas del array nal. Para crear esta red de alimentación nal, se comienza diseñando el divisor inicial de la línea de transmisión 1 a 2, para a partir de este, mediante distintas con guraciones, ir aumentando progresivamente el diseño hasta conseguir obtener una red de alimentación divisora de 1 a 16 para el array 4 x 4 y una red divisora de 1 a 64 para el array de antenas de ranura 8 x 8. El objetivo es que las ranuras estén alimentadas todas con la misma amplitud y fase. Tras la creación de todos estos divisores, se crean los dos arrays deseados 4 x 4 y 8 x 8 además de todos los arrays intermedios. Para ello, en los diseños de estos divisores se deben añadir las ranuras necesarias en cada caso, siendo dichas ranuras del mismo tamaño a la ranura optimizada en el diseño de la antena de ranura de banda ancha por separado. Posteriormente, se diseña una estructura periódica realizada con pines que evite acoplamientos entre las distintas líneas de transmisión y también la radiación hacia atrás, añadiendo esta estructura a ambos arrays de antenas de ranura. En este punto se observa que los resultados no son tan buenos como se esperaban, por lo que se varía el tamaño y la periodicidad de los pines creados, para nalmente conseguir que el array 4 x 4 proporcione una directividad de 18.1 dB y que en el array 8 x 8 se consigan 20.7 dB de directividad. Tras realizar el diseño óptimo de los dos arrays 4 x 4 y 8 x 8, se procede a su fabricación. En este caso, la estructura de pines del array 4 x 4 se ha fabricado mediante impresora 3D metálica, mientras que para fabricar la estructura de pines del array 8 x 8 se ha utilizado la técnica de fresado. Igualmente, se han mandado fabricar los circuitos de ambos arrays de antenas de ranura que no se han podido realizar en las instalaciones de la universidad por las reducidas dimensiones de algunas líneas, pero aún no se han recibido dichos prototipos. El objetivo fundamental de este proyecto era el diseño y fabricación de un array de antenas de ranura 8 x 8 con amplitudes y fases uniformes y con elementos separados menos de λ para evitar "grating lobes". La optimización lograda en los dos diseños realizados ha sido aceptable, ya que se buscaba para el parámetro S11 unos niveles por debajo de -10 dB, valor que se ha superado en el rango de frecuencias en el que trabaja nuestro array de antenas. De este modo, se han conseguido unos niveles de directividad muy buenos, ya que en el diseño de menor tamaño se han conseguido 18 dB y en el diseño de mayor tamaño unos 20 dB.This project explains the di erent stages or steps that have been carried out for the creation of two arrays of slot antennas in microstrip technology, an array of dimensions 4 x 4 and another array of dimensions 8 x 8, as well as the different tests or variations that have been carried out in its design to make the results of said arrays are optimal. This project aims to meet the following objectives: Frequency: The array of slot antennas to be optimized must be adapted to a frequency of 28 GHz. Bandwidth: The bandwidth value at the assigned frequency is to be increased as much as possible. Directivity: The nal array design should provide the highest directivity possible. Power line characteristic impedance: The power supply network to be designed must have a reference impedance of 50 Ohms. In order to realize all these designs and their subsequent variations or optimizations, the CST Microwave Studio program has been used, a specialized tool in simulation that allows the accurate and fast analysis of high frequency devices such as antennas, lters or couplers. In this case, this project will use the Transient Solver simulator, which provides propagation in the time domain, as well as the use of Waveguide Port ports and the use of certain speci c boundary conditions depending on the design stage of our array in which we are, since in the beginning these conditions of contour will be varied so that our antenna only radiate towards Z positive and does not have radiation towards back, changing those conditions when the pins are introduced so that the antenna from that moment radiate to all directions of space. To better understand the design of our array, you rst have to understand the concept of slot antenna. Antennas are devices that radiate or receive electromagnetic waves, also considered as transducers that couple the waves that propagate in free space to a waveguide or transmission line. The antennas are part of the wireless communications systems in point-to-point radio-relay, mobile telephony, navigation systems, communications between satellites and several military applications.Ingeniería de Sistemas de Comunicacione