Analysis and design of hybrid leaky-wave antennas loaded with frequency selective surfaces

En esta tesis se propone una nueva antena de tipo Leaky-Wave (Leaky Wave Antenna, LWA). Estas antenas han recibido mucha atencion en las ultimas decadas por ser altamente directivas. En concreto, constituyen una solucion especialmente atractiva para aplicaciones que requieran altas prestaciones y precision, como en sistemas de comunicacion por satelite y radar. Concretamente, las LWAs consideradas en esta tesis se basan en la radiacion producida por una onda de fuga que se propaga por una cavidad resonante. Estas LWAs se denominan de tipo Fabry-Perot, por su analogia con los interferometros. En concreto, se propone una nueva antena donde la cavidad Fabry-Perot se crea entre dos superficies selectivas en frecuencia (Frequency Selective Surface, FSS), una situada en la parte superior y que actua como superficie parcialmente reflectante (Partially Reflective Surface, PRS) y otra situada en la parte inferior actuando como superficie de alta impedancia (High Impedance Surface, HIS). Debido a esta composicion, denominamos la antena como PRS-HIS-LWA. Las dos FSS consisten en un sustrato dielectrico impreso con parches metalicos. La principal ventaja de la nueva antena es que permite controlar las caracteristicas de su diagrama de radiacion de una forma flexible y precisa no conocida hasta la fecha. En el primer capitulo se describe la motivacion de esta tesis, los objetivos planteados y se clarifican sus principales contribuciones originales. El segundo capitulo se centra en la caracterizacion eficiente de las superficies periodicas (FSS) que formaran parte de la PRS-HIS-LWA. Se trata de un paso clave, que permitira el analisis y diseno de forma eficiente de la antena en su totalidad. Se proponen diversos metodos originales para la caracterizacion de FSSs, y se demuestra su alta eficiencia y utilidad no solo en el marco de esta tesis, sino en el estudio de muchos otros dispositivos. En el tercer y cuarto capitulos se realiza el analisis y diseno de PRS-HIS-LWAs, comenzando por el caso de una estructura unidimensional (1D) y pasando despues al bidimensional (2D). Ambas estructuras son interesantes desde el punto de vista practico. Las antenas 1D son utiles para aplicaciones donde sea necesario escanear el punto del espacio hacia el que se dirige la radiacion (escaneo del haz). Por otro lado, las 2D poseen la capacidad de apuntar hacia el cenit (broadside) con un lobulo de radiacion tipo lapiz muy directivo. El tercer capitulo de la tesis se centra en el analisis y diseno de PRS-HIS-LWAs 1D y 2D uniformes, es decir, en ellas la geometria de la PRS y la HIS permanece constante a lo largo de toda la antena. Se lleva a cabo el analisis de la PRS-HIS-LWA mediante el uso de una red equivalente transversa (Transverse Equivalent Network, TEN) en la que se incluyen las expresiones presentadas en el capitulo 2. Este analisis posibilita el estudio de la influencia de la geometria de la PRS y la HIS en el comportamiento de la antena. En concreto, se concluye que la PRS controla principalmente la tasa de radiacion de la antena (y por lo tanto su ancho de haz) y que la HIS proporciona el control sobre angulo de apuntamiento. En el capitulo cuarto se realiza la sintesis del diagrama de radiacion de la PRS-HIS-LWAs tanto en el caso 1D como 2D. A partir de unos requerimientos del diagrama de radiacion (angulo de apuntamiento, ancho de haz, nivel de lobulo principal a secundario, eficiencia de radiacion, eficiencia de iluminacion) se obtiene la tasa de radiacion y angulo de apuntamiento que debe presentar la antena en cada punto de su apertura radiante. Para obtener estas caracteristicas es necesario utilizar los resultados obtenidos en el capitulo anterior y modular la geometria de la PRS y la HIS a lo largo de la estructura. De este modo se disenan antenas no uniformes, o tambien llamadas ? taper? donde la geometria de las superficies periodicas se ha modulado para sintetizar un determinado diagrama de radiacion. Se propone una tecnica sistematica totalmente novedosa para realizar esta sintesis, y se aplica en concreto en el caso de reduccion de nivel de lobulo principal a secundario en una antena 1D y en el caso de optimizar las eficiencias de radiacion e iluminacion en antenas 2D. En el quinto y ultimo capitulo de esta tesis se presentan las conclusiones obtenidas del trabajo realizado asi como las lineas futuras de investigacion que sugiere. http://repositorio.bib. upct.es/dspace/