Contribution to the efficient modeling and design of passive waveguide devices through methods based on modal decompositions of electromagnetic fields in unconventional geometries
- Autores: Ana Morán López
- Directores de la Tesis: Juan Corcoles Ortega (dir. tes.), Jorge Alfonso Ruiz Cruz (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2019
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 156
- Tribunal Calificador de la Tesis: Roberto Gómez Garcia (presid.), José Luis Masa-Campos (secret.), María García Vigueras (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Informática y de Telecomunicación por la Universidad Autónoma de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
La creciente demanda de mayor calidad de servicio ya es una realidad en los sistemas de telecomunicaciones. Con la llegada del 5G, la red de redes, esta tendencia es aún mas marcada. En general, los sistemas de telecomunicaciones han supuesto siempre un reto para los ingenieros de microondas, siendo los sistemas por satélite especialmente exigentes. Dichos sistemas no solo han de utilizar de forma eficiente el espectro disponible, sino que, además, deben lidiar con la limitada potencia disponible en el espacio o con fenómenos físicos propios del vacío como el conocido fenómeno de multipactor. En este contexto, los ingenieros de microondas necesitan herramientas de diseño asistido por ordenador potentes y eficientes, capaces de predecir en un tiempo de ejecución razonable el comportamiento de los dispositivos que diseñan. Hay dispositivos que han de analizarse por medio de métodos numéricos, siendo estos menos eficientes pero más genéricos que los analíticos. Los métodos de análisis modal pertenecen a este último grupo: son más eficientes que los numéricos y, por tanto, preferibles siempre que se apliquen a geometrías cuyos modos pueden expresarse de forma analítica o cuasianalítica. El objetivo de esta Tesis doctoral es contribuir al análisis electromagnético eficiente de geometrías poco convencionales. En particular, las guías estudiadas en este trabajo son la triangular equilátera y la parabólico-cilíndrica, presentes en la literatura desde hace varias décadas. Sin embargo, ambas fueron relegadas a un segundo plano en el diseño de dispositivos, probablemente debido a la falta del conjunto completo de modos en la guía triangular equilátera y a la ausencia de un método analítico y sistemático de resolución de modos en la guía parabólico-cilíndrica. En esta Tesis se aborda la aplicación del método de ajuste modal (Mode-Matching) para problemas electromagnéticos formados por bloques de guías triangulares equiláteras, para lo cual se ha hecho uso del conjunto completo de modos de esta guía publicado recientemente. Además, gracias a la formulación basada en ondas planas, la integración de la guía triangular equilátera en problemas de discontinuidades donde aparecen otras guías clásicas (como la circular, la rectangular o la elíptica) se resuelve de forma sencilla y homogénea. Asimismo, se han calculado las expresiones analíticas del factor de calidad Q típico de los filtros de microondas, lo que constituye una extensión a las expresiones ya existentes en la literatura para las cavidades clásicas (rectangular y circular) para el caso de la cavidad triangular equilátera. En lo que respecta al análisis electromagnético de la guía parabólico-cilíndrica, las herramientas existentes de caracterización analítica estaban menos desarrolladas que en el caso de la guía triangular equilátera. Tanto es así que, para la resolución analítica de su espectro modal, hasta ahora era necesario recurrir a métodos de intersección gráfica de curvas. Gracias al trabajo desarrollado en esta Tesis, se puede resolver por primera vez el conjunto completo de modos de esta geometría de forma plenamente robusta, con precisión y de forma sistematizada en una herramienta de diseño asistido por ordenador. Además de las dos geometrías estudiadas en esta Tesis, resulta evidente la posibilidad de que otras no convencionales lleguen a formar parte de los futuros dispositivos de comunicaciones. En aras de la exhaustividad, se propone una formulación eficiente para hibridar los métodos de elementos finitos en 2D y ajuste modal (2D Finite Element y Mode-Matching), basada en el uso de espacios anidados de funciones base de elementos finitos que reduce el número necesario de operaciones. De esta manera, cualquier dispositivo formado por secciones de guía (con solución modal analítica o numérica) puede ser analizado con el software que se ha desarrollado en esta Tesis. Las herramientas de análisis electromagnético diseñadas en esta Tesis permiten caracterizar una gran variedad de dispositivos de microondas y ondas milimétricas. En concreto, la segunda parte del trabajo realizado se centra en el diseño de filtros. Los filtros de microondas son los dispositivos que seleccionan los canales de información en los sistemas de telecomunicaciones, sistemas que, en el sector espacial concretamente, están sujetos a complejas restricciones de diseño. En esta Tesis se han diseñado dos prototipos inline en cavidades equiláteras triangulares y parabólico-cilíndricas, con resultados que demuestran la viabilidad de la integración en futuros dispositivos de estas geometrías poco convencionales. También se ha diseñado, fabricado, sintonizado y medido un prototipo dual-mode basado en cavidades triangulares equiláteras. Presentado como prueba de concepto, constituye una alternativa a los prototipos dual-mode clásicos de cavidades circulares, los cuales permiten alcanzar la misma selectividad que los dispositivos monomodo con la mitad de resonadores. Además del uso de resonadores multimodo, existen otras técnicas que permiten reducir el tamaño de los filtros de microondas sin renunciar a la respuesta objetivo requerida por el sistema de comunicaciones. En la última parte de esta Tesis se presentan dos estrategias: el uso de acoplos dispersivos y el uso de geometrías de sección transversal reducida. Los acoplos dispersivos se caracterizan por presentar una variación significativa en frecuencia, lo que permite generar ceros de transmisión adicionales fuera de la banda de paso. De esta manera, se consiguen niveles de rechazo de frecuencias indeseadas similares a los alcanzables mediante el uso de un mayor número de resonadores. En concreto, esta Tesis se centra en la aplicación de acoplos fuente-carga dispersivos en las topologías folded clásicas debido a su fácil implementación. Se han fabricado y medido dos prototipos en plano E y plano H en banda W con resultados muy prometedores. Finalmente, se propone el uso de la forma triangular equilátera en otro contexto: el de los resonadores dieléctricos. Debido a su limitada capacidad para manejar altas potencias, este tipo de filtros normalmente se emplea en los multiplexores de entrada de los sistemas de comunicaciones por satélite. A cambio, los filtros en resonadores dieléctricos ofrecen un tamaño y un peso reducidos. En ese contexto, en las últimas décadas se ha realizado una importante inversión en desarrollar resonadores dieléctricos multimodo que reducen más si cabe el volumen de los filtros. En esta Tesis, se proponen varias topologías que, aun siendo monomodo, se benefician de la reducida sección transversal inherente al resonador dieléctrico de forma triangular equilátera. Entre todas ellas, se ha elegido la topología hexagonal para mostrar un diseño a modo de prueba de concepto en la banda Ku, que es, además, el primer filtro de microondas en esta geometría hasta donde el autor sabe.
