Tesis:
Contributions to the analysis, design, and prototyping of planar periodic structures for microwave applications = Contribuciones en el análisis, diseño, y manufactura de estructuras planas periódicas para aplicaciones de microondas
- Autor: VÁSQUEZ PERALVO, Juan Andrés
- Título: Contributions to the analysis, design, and prototyping of planar periodic structures for microwave applications = Contribuciones en el análisis, diseño, y manufactura de estructuras planas periódicas para aplicaciones de microondas
- Fecha: 2022
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: SEÑALES, SISTEMAS Y RADIOCOMUNICACIONES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70913/
- Director/a 1º: FERNÁNDEZ GONZÁLEZ, José Manuel
- Director/a 2º: RIGELSFORD, Jonathan M.
- Resumen: Las superficies selectivas en frecuencia (FSS) y los conductores magnéticos artificiales (AMC), enmarcados en el grupo de estructuras periódicas planas (PPS), se han investigado ampliamente durante las últimas décadas, en especial a finales de la segunda guerra mundial. Esta investigación ha dado lugar a estructuras con características muy apetecibles para la industria. Entre estas características se pueden encontrar la multi-resonancia, ultra-miniaturización, anchos de banda amplios, selectividad, invariabilidad angular, reconfigurabilidad y los bajos costes de fabricación, por mencionar las características más relevantes. En cuanto a las FSS, características como la multi-resonancia, anchos de banda amplios y selectividad llevan a diseñar y fabricar estructuras de tamaño eléctrico comparado a la mitad de la longitud de onda de la frecuencia de resonancia. Estas dimensiones reducen su uso para ciertos tipos de aplicaciones en las que el espacio es limitado o en aplicaciones donde el uso de substrato no es deseado. Por otro lado, los AMC vuelven a estar en el punto de mira de los investigadores y de la industria debido a su posible uso en las redes de generación 6G en superficies inteligentes reflectantes (RIS). Esta nueva oleada plantea nuevos retos en el diseño y control de la propagación de ondas electromagnéticas que inciden sobre estas superficies. Por tanto, esta tesis plantea contribuciones en el campo de diseño de FSS y AMC tomando en cuenta los retos planteados anteriormente. Tras introducir la teoría, el diseño, la simulación, la fabricación y las técnicas de medida de las PPS mencionadas, esta tesis ofrece al lector un conjunto de aportaciones centradas en la generación de estructuras multi-resonantes, miniaturizadas, de banda ancha y reconfigurables. Las aportaciones de esta tesis se aplican en tres escenarios. Control de propagación: Para ello se proponen y manofacturan dos FSS entrelazados con forma de hexágono en una sola capa y en configuración 2.5D. Las estructuras diseñadas presentan gran capacidad de miniaturización, gran ancho de banda y excelente respuesta a diferentes ángulos de incidencia. La principal contribución de este trabajo de investigación es el planteamiento de una celda unidad entretejida hexagonal, nunca antes propuesta por ningún autor, que ofrece gran ancho de banda fraccional (FBW) y estabilidad angular. El máximo FBW y estabilidad angular en ancho de banda que ofrece la estructura propuesta es de un 22% y 46.17%, respectivamente, superior comparado al mejor trabajo encontrado en la literatura de superficies entretejidas. Finalmente, como prueba de concepto, se diseña una estructura para el control de propagación de ondas electromagnéticas en la banda WiFi en interiores. Sub-reflectores inductivos dicroicos de tres bandas: Para ello se diseña y manofactura una Superficie Selectiva en Frecuencia Inductiva (IFSS) inductivo con características de multi-resonancia en las bandas Ku y K. Las diferentes bandas de operación se consiguen combinando estructuras entretejidas y miniaturizadas, en este caso, la cruz de Brígida y de Jerusalén, respectivamente. Aprovechando las características inductivas de esta estructura, se fabrica dos prototipos que carecen de dieléctrico. El prescindir de dieléctrico reduce las pérdidas de inserción, además de ofrecer estabilidad mecánica cuando la estructura es lo suficientemente gruesa y fabricada con metales no frágiles. La principal contribución de este trabajo de investigación es proporcionar una opción de diseño de IFSSs sin substrato, utilizando estructuras entretejidas combinadas con estructuras miniaturizadas. De esta manera, obtener un reflector dicroico con estructuras miniaturizadas, multi-resonante y mecánicamente estable. Finalmente, para incrementar las bandas de trabajo de la estructura, se investiga el arreglo en cascada de dos sub-reflectores dicroicos. Apuntamiento electrónico: Para ello, se ha diseñado y manufacturado un Conductor Magnético Artificial Activo (AAMC) reconfigurable y miniaturizado. La reconfigurabilidad de la AAMC se genera variando la capacitancia equivalente de los parches mediante diodos varactores colocados y polarizados en entre lo mismos. Los diodos son polarizados por circuitos de control que se encuentran en la parte posterior de la estructura. La miniaturización de las celdas unidad se consigue al combinar aire y substrato entre los parches y el plano de tierra. Adicionalmente, la capacitancia e inductancia que genera el diodo varactor permite miniaturizar aun más la estructura. La principal aportación de este trabajo de investigación es controlar la dirección de apuntamiento de un dipolo impreso, ubicado a una distancia de half-wavelenght sobre la estructura. El apuntamiento se obtiene al generar un gradiente de fase entre cada una de las columnas de la superficie AAMC. La estructura completa, la antena y la superficie refletora, son utilizadas como antennas de bajo perfil. El objetivo común de todas las contribuciones presentadas es proporcionar nuevas técnicas de diseño de PPS para mejorar la miniaturización, FBW y estabilidad angular. También, en dos de los papers publicados se analiza las técnicas de fabricación utilizadas y su efecto en la estructura final. Adicionalmente, en cada uno de los trabajos de investigación presentados en esta tesis, se ha identificado nuevas líneas futuras de investigación los cuales se describen en trabajos futuros. Por último, los resultados de la investigación obtenidos en esta tesis no se limitan a los casos de estudio descritos sino también a una amplia variedad de aplicaciones, donde el objetivo principal es controlar la propagación de las ondas electromagnéticas en espacios confinados. ----------ABSTRACT---------- Frequency selective surfaces (FSS) and artificial magnetic conductors (AMC), framed in the group of planar periodic structures (PPS), have been extensively investigated during the last decades, especially at the end of the Second World War. This research has led to structures with characteristics that are highly desirable to the industry. Among these characteristics, we can find multi-resonance, ultra-miniaturization, wide bandwidths, selectivity, angular invariance, reconfigurability, and low fabrication costs, to mention the most relevant features. As for FSSs, features like multi-resonance, wide bandwidths, and selectivity lead to designing and manufacturing structures with electrical size compared to half the resonant frequency wavelength. However, these dimensions reduce their usability for certain types of applications where space is limited or in applications where substrate use is not desired. On the other hand, AMCs are once again in the spotlight of researchers and industry due to their potential use in 6G generation networks on reflective intelligent surfaces (RIS). However, the previous poses new challenges in designing and controlling electromagnetic waves impinging on these surfaces. Therefore, this thesis presents contributions to FSS and AMC design, considering the challenges raised above. After introducing the theory, design, simulation, fabrication, and measurement techniques of the mentioned PPSs, this thesis offers the reader a set of contributions focused on generating multi-resonant, miniaturized, broadband, and reconfigurable structures. Finally, the contributions of this thesis are applied in three scenarios. Propagation control: For this purpose, two hexagon-shaped interleaved FSSs in a single layer and 2.5D configuration are proposed. The designed structures present high miniaturization capabilities, broad bandwidth, and excellent response at different angles of incidence. The main contribution of this research work is the approach of a hexagonal intertwined unit cell, never proposed before by any author. The intertwined hexagonal structure offers high fractional bandwidth (FBW) and angular stability. The maximum FBW and bandwidth angular stability offered by the proposed structure are 22% and 46.17%, respectively, superior to the best work found in the literature on interwoven structures. Finally, as a proof of concept, two structures are designed to control electromagnetic wave propagation in the indoor WiFi band. Three-band dichroic inductive sub-reflectors: For this purpose, an Inductive Frequency Selective Surface (IFSS) with multi-resonance capabilities in Ku and K bands is designed. The different operating bands are achieved by combining interwoven and miniaturized structures, in this case, the Brigid and Jerusalem cross, respectively. Taking advantage of the inductive characteristics of this structure, two prototypes are manufactured without the dielectric. The absence of dielectric reduces insertion losses, in addition to offering mechanical stability when the structure is sufficiently thick and made of non-fragile metals. The main contribution of this research work is to provide a design option for substrate-less IFSSs using interwoven structures combined with miniaturized structures. Therefore, obtaining a dichroic reflector with miniaturized structures, multi-resonant and mechanically stable. Finally, to increase the working bands of the structure, the cascade arrangement of two dichroic sub-reflectors is investigated. Electronic beam steering: For this purpose, a reconfigurable and miniaturized Active Artificial Magnetic Conductor (AAMC) has been designed and prototyped. The reconfigurability of the AAMC is generated by varying the equivalent capacitance of the patches utilizing varactor diodes placed and biased in between them. The diodes are biased by control circuits located at the rear of the full structure using Arduino modules. Miniaturization of the unit cells is achieved by combining air and substrate between the patches and the ground plane, increasing the equivalent inductance of the structure. In addition, the capacitance and inductance generated by the Varactor diode allow further miniaturization of the structure. The main contribution of this research work is to control the beam steering of a printed dipole located at a half-wavelength distance above the structure. The beam steering is obtained by generating a phase gradient between each of the columns of the AAMC surface. The antenna and the surface are meant to be used as a furniture antenna. The common objective of all the contributions presented is to provide new PPS design techniques to improve miniaturization, FBW, and angular stability. In addition, two of the published papers discuss the fabrication techniques used and their effect on the final structure. Moreover, in each of the research papers presented in this thesis, new research future lines have been identified and described in the future work section. Finally, the research results obtained in this thesis are not limited to the case studies described but also to a wide variety of applications, where the main objective is to control the propagation of electromagnetic waves in confined spaces.