Resumen de Design, fabrication and measurement of EBG structures and their application in antennas field and reflecting surfaces
Juan Carlos Iriarte Galarregui
En esta Tesis se ha estudiado el uso de la tecnología EBG (Electromagnetic BandGap) como alternativa a la tecnología convencional. En el punto de arranque de este trabajo se podían encontrar muchos diseños en la literatura que mostraban las nuevas posibilidades ofertadas por los materiales EBG a los diseñadores. Sin embargo, había una carencia de diseños orientados a cumplir las especificaciones de aplicaciones concretas. Por lo tanto, el objetivo principal de esta Tesis es colaborar con la evolución de la tecnología EBG, centrándose en el diseño, fabricación y medida de prototipos capaces de competir con los diseños existentes en tecnología convencional. La tecnología EBG ha experimentado un gran crecimiento en estos años, debido a trabajos como los aquí presentados, siendo actualmente una alternativa real a la tecnología convencional para los diseñadores.Se han intentado cubrir diferentes aplicaciones aprovechando distintas propiedades de los materiales EBG, como son: la existencia de un rango frecuencial en el que la propagación esta prohibida (bandgap); la creación de cavidades resonantes que se pueden utilizar para aumentar la superficie de radiación de las antenas con el consiguiente incremento de directividad; ó por último la propiedad que presentan los EBG-AMCs (Artificial Magnetic Conductor) de reflejar las ondas incidentes con un desfase de 0º, a su frecuencia de funcionamiento, actuando como un conductor magnético perfecto.De esta manera, en la primera parte de la Tesis, se utiliza la prohibición de propagación en el interior del bandgap juntamente con el uso de materiales de alta constante dieléctrica (¿r=37), con el fin de obtener diseños de agrupaciones de antenas que no sufran de dos de los problemas típicos de las agrupaciones a la hora de escanear el haz, como son los -grating lobes- y el -scan blindness-. Al aumentar la constante dieléctrica del material, aumentan los modos de substrato, aumentado por tanto el acoplo entre los elementos que forman el array y por consiguiente el -scan blindness-. Por otro lado, este aumento de constante dieléctrica, reduce el tamaño de los elementos, posibilitando el acercamiento de estos en una agrupación a distancias inferiores a 0.5¿0 en la frecuencia de trabajo, con lo que se elimina el efecto de los -grating lobes-. Si se introduce una estructura EBG entre los elementos del array haciendo coincidir su banda prohibida con la de funcionamiento de las antenas, se reducirá el acoplo entre elementos, reduciendo por tanto el -scan blindness-. Por lo tanto mediante la utilización de estos substratos EBG de alta constante dieléctrica se mitigan ambos efectos a la vez. Se ha diseñado una antena parche sobre un substrato EBG de alta constante dieléctrica para validar el uso de estos substratos EBG, obteniendo diagramas de radiación simétricos que reflejan la ausencia de radiación debida a modos de substrato en el material y se consiguen valores de eficiencia de radiación aceptables. Se muestra el estudio de un array NxN con el que se comprueba la eliminación de los efectos de -scan blindness- y de los -grating lobes- para las agrupaciones de antenas utilizando esta configuración de substratos EBG de alta constante dieléctrica. Finalmente, se muestra el diseño de una agrupación array 2x2 que ha sido fabricada y medida obteniendo muy buena concordancia entre las simulaciones y las medidas.En la segunda parte de la Tesis se ha diseñado una antena capaz de cumplir con todas las especificaciones de un sistema de navegación por satélite de alta precisión, como es el WAAS (Wide Area Augmentation System), que simplifica los complejos arrays diseñados por MDA corporation en tecnología convencional. En los diseños presentados se han utilizado los EBGs como superstratos de antenas parche, creando una cavidad tipo Fabry-Perot que incrementa el área efectiva de radiación, incrementando por tanto la directividad. Se han utilizado diferentes configuraciones de antenas para alimentar el superestrato EBG. Finalmente, un solo parche y una agrupación de 2x2 elementos presentaban las mejores propiedades. Con un solo parche se consigue cumplir las especificaciones de directividad y Axial Ratio del sistema WAAS, pero no se cumple con la estabilidad del centro de fases requerida, que una de las condiciones más críticas del WAAS. Una agrupación de 2x2 antenas consigue satisfacer todas las condiciones del sistema WAAS. Por lo tanto, se ha conseguido un diseño que cumple íntegramente todos los requerimientos de la aplicación, simplificando la red de alimentación, reduciendo la altura y abaratando los costes en comparación a las antenas comercializadas hasta el momento por -MDA Corporation- en tecnología convencional.Por último, se presenta una novedosa estructura plana que reduce la sección radar recta (RCS). El campo incidente a dicha superficie se redirige a direcciones distintas de la especular. Para ello se aprovechan los 0º de desfase introducidos por un AMC y los 180º introducidos por un metal para crear una interferencia destructiva (180º desfase entre ondas reflejadas). Mediante una disposición en forma de tablero de ajedrez, en el que las celdas negras quedan cubiertas por metal y las blancas por una estructura AMC se puede conseguir la reducción de la reflexión en la dirección especular. La frecuencia de funcionamiento de la estructura está controlada por la diagonal de la celda del tablero de ajedrez y por los 180º de desfase entre celdas contiguas. Una de sus limitaciones es el ancho de banda de funcionamiento, pero la sustitución de las celdas metálicas por otro AMC operando a distinta frecuencia permite la realización de diseños con doble banda de funcionamiento en el que se obtiene un mayor ancho de banda.
