Contribución al análisis y diseño de redes de distribución de potencia en frecuencias de microondas y ondas milimétricas

• Autores: Raúl Vivnicio Haro Baez
• Directores de la Tesis: Jorge Alfonso Ruiz Cruz (dir. tes.), Juan Corcoles Ortega (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2023
• Idioma: español
• Número de páginas: 167
• Tribunal Calificador de la Tesis: Manuel Arrebola Baena (presid.), Bazil Taha Ahmed Salih (secret.), José Luis Martínez Fernández (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Informática y de Telecomunicación por la Universidad Autónoma de Madrid
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de las telecomunicaciones
  • Sociología
    • Comunicaciones sociales
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • Esta tesis se enmarca en el campo de las redes de distribución de potencia de circuitos de alta frecuencia. Mas específicamente, esta tesis se enfoca al análisis y diseño de redes de distribución de potencia en guía de onda en las bandas de frecuencia de microondas y ondas milimétricas. Las contribuciones realizadas en este trabajo se pueden dividir en dos aspectos: por un lado, mejorando en prestaciones diseños cuya topología ya era conocida, y, por otro lado, desarrollando nuevas configuraciones de dispositivos con ventajas eléctricas y/o mecánicas respecto de los que se encuentran en el estado del arte. Estos dispositivos son esenciales en los sistemas móviles de comunicaciones de nueva generación, así como en otros sistemas de microondas y milimétricas como el radar o la radioastronomía. En comunicaciones por satélite, tanto en el segmento embarcado, como en el terreno, son dispositivos clave en la etapa del conocido como front-end de comunicaciones. Para lograr este objetivo, esta tesis está dividida en dos partes principales: 1) el modelado de onda completa de dispositivos en guía de onda, que se ha utilizado también para caracterizar propiedades dieléctricas de materiales, y 2) el diseño de divisores/combinadores de potencia con gran número de puertos. La primera parte de la tesis está enfocada al modelado de dispositivos de dos puertas con el método de ajuste modal (Mode Matching en nomenclatura inglesa). Se ha realizado una aplicación novedosa de este método para la caracterización de propiedades dieléctricas que se basa en dos técnicas: i) una técnica de medición extrayendo un parámetro relacionado con las propiedades dieléctricas a través de las medidas de un problema de dos puertos; y ii) una técnica de análisis electromagnético, como el ajuste modal en el caso de este trabajo, que proporciona estimaciones de los resultados de esa medición para un material bajo prueba. Gracias a la combinación de estas dos técnicas se obtienen resultados en el estado del arte del problema, y con una gran eficiencia. En este trabajo, los cálculos se realizan aplicando particularidades de las condiciones de contorno para obtener resultados más rápidamente, lo que resulta en una gran ventaja respecto de otros enfoques. La segunda parte de esta tesis está dedicada a diferentes diseños de redes de distribución de potencia con gran número de puertos y para distintas aplicaciones: divisores radiales de un número arbitrario de puertos, acopladores direccionales de un número arbitrario de puertos, y conversores de modo. Para el diseño y validación de los prototipos que se han obtenido se han utilizado varias herramientas software de diseño asistido por computador (Computer Aided Design, CAD de manera abreviada) optimizadas para estos dispositivos, como el ajuste modal y el Método de Elementos Finitos 2D (Finite Element Method - FEM), así como el software comercial CST Microwave Studio y el High Frequency Structure Simulator (HFSS). Con estas herramientas CAD se han desarrollado diferentes dispositivos: divisores radiales de ocho puertos en guía de onda rectangular, diseños en guía de onda tipo ridge, una red de alimentación con divisor radial para una antena omnidireccional, acopladores direccionales de ocho puertos y conversores de modo en diferentes configuraciones. Finalmente, el diseño de redes de distribución de potencia se ha validado mediante la construcción de prototipos experimentales: un divisor radial, una antena omnidireccional, un acoplador direccional de ocho puertos y un conversor de modo con excitación de pared lateral en la guía de onda circular. Para la fabricación del prototipo de acoplador direccional se utilizó un método de fabricación muy reciente (fabricación aditiva con plástico) que luego fue metalizado en plata. Los resultados obtenidos en el laboratorio de la caracterización de estos diseños se han comparado con los resultados esperados con éxito. Por todo ello, se considera que el enfoque utilizado en la tesis tanto en el ámbito de los métodos de análisis como de diseño presentan un gran potencial para abordar las redes de distribución de potencia de los sistemas de alta frecuencia que se vayan a desplegar en los próximos años