Agrupaciones planas reconfigurables sobre redes de alimentación de bajas pérdidas para sistemas de altas prestaciones

Resumen

Las comunicaciones actuales del siglo XXI necesitan cumplir ciertos requerimientos tales como alta velocidad de transmisión de datos, mayor cobertura o baja latencia con el fin de cubrir la demanda de nuevos servicios de calidad. Para ello, es imprescindible implementar sistemas cada vez más versátiles con el fin de optimizar los recursos disponibles, así como evitar la interferencia con otros sistemas en un entorno donde la coexistencia de varios sistemas de comunicaciones es cada vez mayor. En este sentido, los sistemas radiantes no son una excepción por lo que se hace necesario dotar a las antenas de ciertas capacidades de reconfigurabilidad que permitan incrementar la capacidad del sistema, reducir efectos de desvanecimiento e interferencias y así implementar una mejora global de las comunicaciones. De este modo, la aplicación de ciertas metodologías tales como la conformación del haz principal de radiación (beamforming), el control de la dirección de máximo apuntamiento (beam steering) o la implementación de técnicas de diversidad (espacial, temporal, de polarización, etc...) que permiten incrementar la ganancia del sistema, resultan totalmente imprescindibles en cualquier sistema de comunicaciones actuales. Además, debido a la gran saturación que sufre el espectro de frecuencia a día de hoy, se tiende a la implementación de sistemas en bandas de operación cada vez más elevadas donde las pérdidas por propagación en espacio libre son cada vez mayores. Este movimiento hacia bandas de frecuencias superiores provoca que los dispositivos con redes de alimentación de bajas pérdidas tomen un interés cada vez mayor. En este sentido, una de las estructuras más apropiadas para cumplir con los requerimientos de bajas pérdidas es la guía de onda metálica. Sin embargo, su integración con componentes reconfigurables para incrementar la versatilidad de los dispositivos radiantes aún presenta serias debilidades, sobre todo en cuanto a los niveles de pérdidas obtenidos. Por ello, durante gran parte de esta tesis doctoral se propone la integración de nuevos componentes de control sobre redes de alimentación de bajas pérdidas en guía de onda. Estos componentes no son más que tornillos metálicos comunes y pueden ser considerados como elementos de control mecánico de gran simplicidad, fácil integración, bajas pérdidas y bajo coste. A pesar de que los llamados tornillos de sintonía han venido siendo ampliamente utilizados durante los últimos años para el diseño y optimización de dispositivos de microondas pasivos (filtros, resonadores, etc...), su aplicación como elementos de control de antenas reconfigurables en guía de onda no ha sido propuesta ni experimentalmente evaluada en el estado del arte actual. Por ello, se propone el diseño y fabricación de múltiples estructuras de tipo array con alimentación en guía de onda con tornillos de sintonía. En concreto, se evaluarán las prestaciones de estos componentes de control mecánicos sobre una topología tipo serie, paralelo y radial. De este modo, se demostrará que los tornillos de sintonía pueden proporcionar capacidad de beamforming, beam steering o incluso pueden suponer un apoyo para compensar errores de fabricación o efectos de acoplo mutuo sobre un dispositivo ya fabricado, introduciendo un nivel de pérdidas casi despreciable sobre la estructura y, por lo tanto, permitiendo generar dispositivos radiantes reconfigurables con un nivel de eficiencia muy elevado. Por otro lado, también se desarrollarán algunos trabajos relacionados con el diseño de agrupaciones reconfigurables en tecnología microstrip con control digital mediante el uso de componentes electrónicos. De esta forma, además de presentar nuevas estructuras radiantes de bajo coste y peso reducido que permiten un control ágil del diagrama de radiación en cualquier dirección del espacio así como un incremento de la versatilidad de la antena respecto a otros diseños similares, también será posible establecer una relación con los tornillos de sintonía propuestos en la primera parte de la tesis. De esta manera, se presentarán agrupaciones conformadas de parches microstrip, así como el diseño de diferentes redes de alimentación en tecnología microstrip formadas por componentes electrónicos tales como conmutadores digitales o diodos PIN. La finalidad principal consistirá en implementar un control digital sobre la excitación proporcionada por dichas redes y, por ende, sobre los diagramas de radiación de los dispositivos finales. Se plantearán nuevas topologías de red que permitirán definir una antena muy compacta, de bajo coste, volumen reducido, gran versatilidad y gran modularidad con la capacidad de proporcionar rangos de cobertura muy diversos, habilidad que permite ofrecer un servicio localizado sobre un área específica y ajustado a las necesidades de un sistema de comunicaciones. Concretamente se trabajará en banda C, rango de frecuencias seleccionado para el despliegue de los primeros sistemas de comunicaciones 5G. Por último, también se han realizado estudios en lo referente a diseños de agrupaciones radiantes con polarización dual sobre redes de bajas pérdidas, con el fin de proponer nuevas estructuras radiantes más compactas que permitan la implementación de técnicas de diversidad de polarización. Es necesario tener en cuenta que la presencia de obstáculos, los efectos de multitrayecto o incluso la presencia de la ionosfera en enlaces satelitales pueden producir efectos de despolarización sobre las señales transmitidas o recibidas. Por ello, este tipo de metodologías permiten introducir una ganancia extra sobre el sistema de comunicaciones que supone una compensación adicional de este tipo de efectos. Nuevamente, la guía de onda metálica se puede considerar como la estructura más apropiada para la implementación de redes de bajas pérdidas. Sin embargo, la generación de los dos modos de propagación ortogonales se suele implementar mediante la duplicidad de redes en guía de onda rectangular, incrementando notablemente el volumen de la estructura final. Con la intención de compactar al máximo un diseño de este tipo y combinar ambas polarizaciones sobre una misma estructura física, se utilizará la estructura en guía de onda de sección cuadrada puesto que permite transportar dos modos degenerados y ortogonales entre sí, adecuados para la generación de una polarización dual. Aunque esta solución ya fue propuesta en el estado del arte, se considera que no fue suficientemente explotada por lo que se propondrá el estudio de prestaciones de agrupaciones con polarización dual excitadas mediante redes de alimentación en guía cuadrada con diferentes topologías. Como elementos radiantes se utilizarán ranuras en cruz sobre guía de onda, donde cada una de las dos ranuras proporcionarán la radiación de cada uno de las dos polarizaciones ortogonales. Además, también se propondrán nuevas estructuras radiantes que permitan mejorar las prestaciones y salvar las limitaciones de las ranuras en cruz convencionales. De este modo, se demostrará que gracias al uso de la guía cuadrada es posible confeccionar una estructura radiante con polarización dual muy compacta y de bajas pérdidas, aunque la necesidad de ajustar los dos modos degenerados de forma simultánea produce una reducción del ancho de banda global del dispositivo respecto a casos tradicionales.