Agrupaciones de antenas sobre redes de alimentación de bajas pérdidas en bandas milimétricas

• Autores: Eduardo García Marín
• Directores de la Tesis: José Luis Masa-Campos (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2021
• Idioma: español
• Número de páginas: 438
• Tribunal Calificador de la Tesis: Eva Rajo Iglesias (presid.), Juan Corcoles Ortega (secret.), Enrique Márquez Segura (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Informática y de Telecomunicación por la Universidad Autónoma de Madrid
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • El vertiginoso progreso tecnológico ha convertido al mundo en pocos años en un lugar muy interconectado. Teléfonos móviles, electrodomésticos, vehículos y multitud de otros dispositivos cuentan hoy en día con la capacidad de transmitir y recibir información, lo que habitualmente redunda en una mejora de los servicios que estos objetos prestan a las personas. En este contexto, se hace necesario un entorno de comunicaciones donde una enorme cantidad de dispositivos pueda transmitir grandes cantidades de datos de manera rápida y segura. Esto supone un reto para los ingenieros encargados de diseñar los módulos de comunicaciones, pues a la exigencia de alta velocidad de transmisión y bajo tiempo de respuesta se suma el incremento de las interferencias por la presencia de un ingente número de dispositivos transmitiendo a la vez. El incipiente estándar de comunicaciones 5G promete lidiar con este reto, para lo cual propone, entre otras cosas, el despliegue de una red más densa de estaciones base, la operación en frecuencias más elevadas y el uso de antenas inteligentes. A su vez este planteamiento conlleva dificultades, pues las frecuencias altas implican la necesidad de procesos de fabricación más precisos para implementar los componentes de radiofrecuencia requeridos en el enlace de comunicaciones. Habitualmente una mayor precisión en la fabricación es sinónimo de incremento de coste, que puede sumarse al introducido por la circuitería necesaria para dotar de inteligencia a las antenas, como pueden ser las redes combinadoras de un array MIMO (Multiple- Input Multiple-Output). Estos sobrecostes se agravan aún más teniendo en cuenta que deben multiplicarse por un número creciente de dispositivos de usuario conectados y un mayor número de estaciones base. Por ello, es imperativo explorar técnicas de fabricación alternativas que mejoren la rentabilidad económica del paradigma 5G.

    Otro eje vertebrador de las comunicaciones modernas son los satélites, presentes en el día a día en servicios como la geolocalización GPS o la radiodifusión de contenidos de televisión, entre otros. A los sistemas ya presentes se pueden añadir nuevos enlaces de comunicaciones 5G, que permitirían el acceso de alta velocidad en áreas remotas donde no es posible extender el despliegue terrestre de estaciones base. Esto permite salvar costes de infraestructura terrena y reducir el aislamiento que ya de por sí experimentan algunas de estas áreas. De manera similar, los enlaces fijos terrestres pueden establecer una comunica- ción inalámbrica entre dos puntos no excesivamente lejanos sin necesidad de una conexión cableada como la fibra óptica. Esto puede ser interesante para salvar ciertos accidentes geográficos sin perjudicar en exceso el rendimiento del canal de comunicación, lo cual es factible utilizando tecnologías punteras como 5G. Asimismo, la seguridad de todas estas comunicaciones debe ser garantizada: no sólo en términos de proteger la privacidad de los datos de los usuarios, sino también en cuanto a la protección de la integridad física de la infraestructura de comunicaciones. En concreto, los satélites son vulnerables a los impac- tos por parte de otros objetos que orbitan la Tierra, ya sean otros satélites o fragmentos de basura espacial. Existen sistemas terrestres que realizan un seguimiento de algunos de estos fragmentos, basados en la filosofía del radar. Asimismo, el siguiente paso sería dotar al satélite de un módulo radar embarcado capaz de detectar la proximidad de un impacto de cara a intentar evitarlo. Así, los sistemas de radiolocalización también juegan un papel fundamental en las comunicaciones actuales. No sólo eso: los radares están cada vez más presentes en el día a día, y un ejemplo muy destacado son los sistemas anticolisión que se encuentran en los vehículos modernos.

    En este contexto, esta tesis realiza un aporte en el ámbito de los sistemas radiantes que demandan los servicios actuales de radar y de comunicaciones terrestres y satelitales. En la primera parte del documento (Capítulos 2 y 3), se van a proponer diseños de antena en tecnología de sustrato impreso. A pesar de que va en perjuicio de la eficiencia de antena en comparación con otras tecnologías como la guía de onda, el circuito impreso es una solución de bajo coste, algo altamente deseable en despliegues masivos como el de 5G. No obstante, en el Capítulo 2 se va a evaluar la tecnología de guía de onda en sustrato impreso (SIW) como posible alternativa de bajas pérdidas y bajo coste. En concreto, esta pregunta se va a tratar de responder en un diseño en banda Ku de antenas de array plano de parches apilados con alimentación corporativa en SIW. Se realizará un diseño alternativo con alimentación microstrip para comparar ambas tecnologías de transmisión. Por otro lado, la tecnología de sustrato impreso también destaca porque es relativamente sencillo integrar circuitería electrónica en la antena, facilitando la obtención de nuevas capacidades como el desapuntamiento del haz principal de radiación. En este sentido, en el Capítulo 3 se van a estudiar los desfasadores a reflexión en tecnología microstrip, con una carga reflectiva compuesta de un diodo varactor. Este componente genera un desfase variable en función de una tensión de alimentación externa. Gracias a ello, se va a proponer un array lineal de parches en banda Ku con desapuntamiento variable por medio de estos desfasadores controlables por tensión. En último lugar, también en el Capítulo 3, se va a proponer un diseño de antena con múltiples haces directivos y distinto apuntamiento cada uno. Para ello, se utilizará una lente dieléctrica de permitividad variable (lente GRIN) que generará los haces directivos al ser excitada por los alimentadores de parche.

    En la segunda parte de la tesis, se utilizará la guía de onda como medio de transmi- sión de bajas pérdidas para obtener antenas de alta eficiencia que mejoren el aprovecha- miento de potencia, reduciendo así el consumo y por ende los costes. Tradicionalmente los componentes en guía de onda se han fabricado por técnicas de mecanizado como el fresado. No obstante, en esta tesis se van a contemplar métodos alternativos como la fabricación aditiva. La estereolitografía (impresión 3D en plástico) se utilizará en el Capítulo 4 para fabricar una antena de ranuras en banda Ku alimentada por onda progresiva mediante una guía de onda corrugada. Este medio de transmisión permitirá generar apuntamiento broadside sin presencia de lóbulos de difracción, lo que unido al desapuntamiento fre- cuencial del haz posibilitaría usar la antena en radares de automóviles. Por otro lado, el Capítulo 5 se centrará en el diseño y fabricación de arrays planos con alimentación corporativa en guía de onda en las bandas Ku y Ka. Además de la estereolitografía, se recurrirá a la impresión 3D metálica (DMLS, Direct Metal Laser Sintering) para fabricar las antenas. También se realizarán prototipos mecanizados por fresado convencional, que se utilizarán como referencia de rendimiento para evaluar los resultados obtenidos en los prototipos impresos en 3D. En este Capítulo 5 se utilizará polarización circular de cara al uso en comunicaciones por satélite, para lo cual se recurrirá a un elemento radiante novedoso, sencillo y con bajas pérdidas, que proporciona buena pureza de polarización en un ancho de banda considerable. Estas antenas de array son estructuras multicapa con una compleja estructura interna, por lo que se tratará de implementar los prototipos en el menor número de piezas posible, idealmente en una sola. El motivo es evitar las posibles fugas que pueden ocurrir en la interfaz entre las capas. Con vistas a mitigarlas, se pro- pondrán diseños alternativos en tecnología gap waveguide, donde una metasuperficie de postes metálicos impide las fugas aunque los contactos entre capas sean pobres. El reto de los escapes en estructuras multicapa, unido a la dificultad de fabricación de esta retícula de postes en frecuencias elevadas, conduce al Capítulo 6, donde se propone una antena de array para un radar de detección de basura espacial embarcado en un satélite. Este radar operaría en banda W, lo que posibilita implementar una apertura de muy alta directividad en un espacio físico razonable para un satélite. En este trabajo se propondrá como prueba de concepto un array de alta directividad con polarización circular y red de distribución corporativa en guía de onda. Para fabricar la antena se recurrirá al proceso de diffusion bonding, una técnica con tintes de fabricación aditiva que permite implementar una es- tructura multicapa intrincada en una sola pieza, lo que elimina el riesgo de fugas de señal. Además, el prototipo constituye de láminas metálicas finas que luego se apilan y unen, lo cual permite usar técnicas de ataque químico que imprimen con alta precisión el patrón en cada lámina. La técnica se utilizará posteriormente para fabricar un segundo prototipo con capacidad de generar diagramas de radiación monopulso en dos planos, gracias a la adición de una red combinadora.