The Complementary Strip-Slot: Analysis and Antenna Applications - Abdo-Sánchez, María Elena (Servicio de Publicaciones y Divulgación Científica, 2015)
Aunque el diseño de la antena en un sistema de comunicaciones pueda parecer un problema clásico, los servicios que han aparecido recientemente requieren nuevas funcionalidades, mayores anchos de banda, mejor eficiencia y directividad, así como bajo coste en la fabricación. Las antenas planares han sido unas de las más usadas y estudiadas en las últimas décadas y unas de las mejores candidatas para los nuevos servicios de telecomunicación. Sus ventajas son claras: poco peso, bajo coste y perfil, compatibilidad con la circuitería integrada, pequeño tamaño y reducido coste de fabricación. Sin embargo, su éxito se ha visto limitado por el escaso ancho de banda que presentan. Debido a la naturaleza resonante de la ranura y el parche alimentados por microstrip, sus anchos de banda en impedancia son insuficientes para la mayoría de los servicios de comunicaciones actuales. La mejora de este parámetro ha sido objeto de numerosas investigaciones; sin embargo, este problema sigue sin estar resuelto definitivamente y constituye una línea importante de investigación en antenas planares. Otra limitación de las antenas microstrip es la baja eficiencia de radiación comparada con otras antenas, que se supera combinando varios elementos para formar arrays. Una posibilidad para excitar el array es la alimentación en serie, que tiene las ventajas de simplicidad, menor espacio sobre el sustrato, pérdidas de atenuación más bajas y menor radiación espúrea, comparada con la alimentación corporativa. En esta tesis doctoral se ha propuesto un nuevo elemento radiante, el denominado strip-slot complementario, cuya principal característica es la eliminación de la naturaleza resonante de la antena de ranura excitada a través de línea microstrip por medio de introducir una strip (tira conductora) superpuesta a la ranura y en la cara de la microstrip. Con esta sencilla modificación, se crea una sección acoplada que puede diseñarse para presentar un comportamiento paso-todo. Las principales ventajas de la estructura son su simplicidad, que posee un único sustrato y que no necesita vías, lo que se traduce en bajo coste. Además, su alimentación en serie la hace muy apropiada para construir arrays de onda progresiva. Se ha analizado el comportamiento electromagnético de esta estructura y se ha obtenido un circuito equivalente basado en red en celosía que no sólo explica sus propiedades, sino que permite, además, establecer una eficaz metodología de diseño. Cabe destacar el trabajo relacionado con las redes en celosía. Se ha extraído una propiedad relevante sobre la independencia de las potencias disipadas en esta topología de circuito, que ha permitido explicar por qué la strip no altera las propiedades radiantes de la ranura. Además, esta red circuital se ha propuesto de una forma más general para el modelado de discontinuidades y componentes de LT simétricos, con la ventaja de garantizar la realizabilidad física de sus componentes, a diferencia de las ampliamente usadas redes en T o en π. Una vez caracterizado el elemento radiante propuesto, se ha ilustrado su potencial con una serie de novedosos diseños de arrays de antenas que se benefician de su elevado ancho de banda para proporcionar nuevas funcionalidades. En primer lugar, se estudia el concepto de array más inmediato, que consiste en cargar la línea microstrip con varios elementos strip-slot idénticos. Con un sencillo prototipo, se demuestra la capacidad de escaneo en frecuencia de atrás hacia delante del array (incluyendo broadside) en dos bandas distintas. Además, se diseña y construye un prototipo más sofisticado, que incluye desfasadores entre los elementos, con el objetivo de controlar el ángulo de apuntamiento de forma electrónica, sobre una banda ancha de frecuencias, sin necesidad de modificar la geometría del elemento radiante gracias a su gran ancho de banda. Esta antena representa una contribución importante a las propuestas del estado del arte. A continuación, se estudia el concepto de un array log-periódico basado en el elemento strip-slot, a través de un diseño y su correspondiente prototipo. Para ello, es necesario adaptar la metodología de diseño, concebida para elementos resonantes, y trasladarla al caso de elementos de banda ancha. La reconsideración de dicha metodología puede ser una aportación significativa, puesto que indica la posibilidad de reducción de tamaño (o anchos de banda mayores) cuando se utilizan elementos no-resonantes. Finalmente, se aborda el diseño de un array que implementa la técnica de rotación secuencial con los elementos strip-slot para proporcionar agilidad en polarización. Además, como aplicación del concepto, se incluye la propuesta de una novedosa antena con capacidad diplexora para la recepción simultánea de dos bandas de navegación por satélite, que no requiere de elementos pasivos o activos adicionales. Puesto que se ha presentado una nueva clase de antenas, basada en la estructura radiante de banda ancha strip-slot, y se han diseñado diferentes topologías con características atractivas que contribuyen al estado del arte y son de aplicación en diversos campos, se puede afirmar que esta tesis ofrece una perspectiva nueva para las antenas planares, basadas en elementos no-resonantes.
Keywords: Antenas - Diseño y construcción - Tesis doctorales; Diseño de circuitos; Dispositivos de microondas; Radiocomunicaciones