Técnicas avanzadas de optimización y diseño electromagnético basado en un método híbrido elementos finitos - análisis modal para antenas y agrupaciones de antenas

Resumo

El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de métodos de análisis eficientes que permitan una caracterización electromagnética de manera rápida y rigurosa de estructuras radiantes y de técnicas de diseño eficientes que sean capaces de tener inherentemente en cuenta todos los efectos e interacciones electromagnéticas en antenas y agrupaciones de antenas (arrays) a lo largo de todo el proceso de diseño. A tal efecto, se propone y valida con un diseño real una novedosa metodología de diseño asistido por ordenador para antenas microstrip de parches apilados alimentados por sonda coaxial. La metodología hace uso de redes neuronales y algoritmos de optimización global, e incorpora el rigor del método de elementos finitos. En el campo de los arrays, se lleva a cabo el análisis modal a través de la Matriz de Dispersión Generalizada (MDG) de arrays finitos con elementos cuyo campo radiado se puede expresar individualmente en términos de modos esféricos, como aperturas de forma arbitraria, bocinas, monopolos, resonadores dieléctricos o parches impresos en cavidad. El método se basa en las propiedades de rotación y traslación de ondas esféricas. La validación numérica se realiza a través de la comparación con medidas. En lo que refiere a diseño, se presenta una optimización multiobjetivo de arrays planos con geometría arbitraria. La formulación del problema se realiza con funciones matriciales a partir de la MDG y expansiones en modos esféricos. Permite la maximización de la directividad sujeta a restricciones del Nivel de Lóbulos Secundarios (NLS), componente contrapolar, eficiencia de apertura, direcciones de campo nulo y margen dinámico. Para resolver el problema no lineal resultante, se desarrolla un método de punto interior primal-dual con filtrado específicamente adaptado a la formulación. Profundizando en el diseño de arrays basado en optimización, en este caso programación lineal, se desarrolla otra técnica de síntesis de diagramas con el mínimo NLS máximo dada una dirección de apuntamiento con una anchura de haz y direcciones de campo nulos. Esta técnica se amplía para diagramas con varias direcciones de apuntamiento con diferentes anchos de haz y diagramas de haz conformado con NLS controlable. Esta tesis también presenta un método flexible, basado en programación cuadrática, para compensar los efectos de los acoplos que pueden degradar el diagrama. Se usa para compensar el valor de las excitaciones obtenidas con una síntesis que asuma fuentes isotrópicas. Se pueden incorporar condiciones para definir direcciones de campo nulo. Dejando a un lado la optimización, se presenta una síntesis simple para arrays lineales equiespaciados, que se puede ver como la extensión de las técnicas clásicas de la Serie de Fourier (SF) o el método de Woodward-Lawson, al caso de considerar los diagramas individuales de cada elemento y los acoplos entre los mismos. Como otra técnica de diseño no basada en optimización, se presenta una síntesis exclusivamente basada en la manipulación de ondas esféricas a través de los teoremas de rotación y traslación. En lo que refiere al thinning de arrays, se presenta un procedimiento original para que un array cumpla, con el mínimo número de elementos activos, varias especificaciones de diseño como alcanzar una directividad mínima, obtener un diagrama con un NLS máximo o sintetizar un diagrama de haz conformado, junto a direcciones de campo nulo. Para realizar el thinning, se usa un algoritmo genético, mientras que las excitaciones se calculan con programación lineal o cuadrática. Finalmente, se presentan dos modelos para caracterizar sistemas MIMO con antenas. Los sistemas con visión directa (sin obstáculos) entre antenas se caracterizan a través de la MDG de cada antena y coeficientes de rotación y traslación de modos esféricos. Se desarrolla también un modelo de red modal para sistemas MIMO que se aplica a un escenario urbano. El modelo permite una reducción significativa del tiempo de simulación.