Análisis y diseño eficiente de antenas Fabry-Perot con escaneo cónico rápido

Abstract

Programar un código de análisis electromagnético para el diseño eficiente de antenas de tipo Fabry-Perot ('FPA, Fabry-Perot Antenna') con capacidad 'fast frequency beam scanning' o escaneo rápido de haces directivos por salto en frecuencia. La antena estará formada por dos circuitos impresos periódicos (parches impresos en FR4) separados una altura H. En el plano de masa, uno de los circuitos periódicos actuará de superficie de alta impedancia (HIS, High Impedance Surface) para controlar la velocidad de escaneo de la antena (ángulo de apuntamiento VS frecuencia). El circuito periódico colocado encima a una altura H actuará de superficie parcialmente reflectante (PRS, Partially Reflective Sheet), parar controlar la iluminación de la antena, y por tanto el ancho de los haces. Los diseños serán realizados con un código propio de análisis electromagnético de modos de fuga en cavidades Fabry-Perot, que debe permitir obtener la dispersión de los modos leaky-wave en los planos principales de la antena (plano H para el modo TE y plano E para el modoTM), y serán posteriormente validados con la herramienta de análisis electromagnético full-wave HFSS, y si es posible, con experimentos sobre un prototipo de antena fabricado. Resumen de la Oferta: Las antenas Fabry-Perot (FPA) fueron inicialmente propuesta por V. Trentini [1], y permiten obtener diagramas directivos en su dirección perpendicular con una estructura resonante sencilla formada por dos placas bidimensionales (una totalmente reflectantey otra parcialmente transparente, PRS partially reflective surface). El mecanismo de radiación está relacionado con la excitación y resonancia de un modo de tipo leaky wave adecuadamente sintonizado en la 'splitting condition' que da lugar a una coherencia de fase en toda la apertura generando alta directividad en la dirección perpendicular a la antena [2]. Al aumentar la frecuencia de operación en las FPA, elhaz tipo pincel dirigido en la dirección perpendicular se transforma en una haz cónico cuya dirección de máxima radiación es escaneada con la frecuencia siguiendo la dispersión del modo de fuga (leaky-wave) [2]. En las últimas dos décadas, se ha realizado un gran esfuerzo en la investigación de circuitos periódicos formados por parches o slots impresos para diseñar las superficies PRS y así poder sintonizar y diseñar las FPA de forma más versátil y práctica [3]-[6]. Algunos de estos diseños prácticos de FPA se están aplicando a redes inalámbricas como WiFi utilizando substratos de bajo coste como FR4 para los circuitos impresos [7], [8]. Normalmente las antenas FPA operan en un ancho de banda en el que su diagrama de radiación está apuntando en la dirección perpendicular o broadside (theta=0º). Sin embargo, también hay diseños de FPA que deben operar con un haz cónico dirigido en una determinada dirección fija distinta a la perpendicular (theta>0º) y operando en una frecuencia fija de nuevo [9]-[12]. En este proyecto, proponemos por primera vez el uso de una FPA que escanea su haz al variar la frecuencia de operación, es decir, usando la propiedad de conical-beam frequency-scanning (CBFS). La aplicación buscada es la estimación del ángulo de llegada (DoA, Direction of Arrival) de señales de redes inalámbricas de tipo WiFi o BLE. Por tanto la FPA deberá diseñarse para escanear el espacio en el mayor campo de visión (Field of View, FoV) posible, usando los canales de frecuencia disponibles en este tipo de redes de radiocomunicaciones. Para ello, la FPA deberá estar formada no sólo por un circuito impreso en su parte superior que actúe de PRS, sino también de otro circuito impreso en su plano de masa, que actúe como Superficie de Alta Impedancia (HIS, High Impedance Surface), tal y como se propuso en [13]-[14]. Como se demostró en [15], la HIS permite aumentar la sensibilidad o velocidad de escaneo de la antena FPA al variar la frecuencia, lo cual deber permitir aumentar el FoV para un determinado ancho de banda limitado. En este TFM se programarán circuitos equivalentes para el análisis electromagnético eficiente de antenas FPA formadas por PRS y HIS. Para ello, se implementarán las fórmulas de las impedancias y coeficientes de reflexión equivalentes de circuitos impresos actuando como PRS y HIS [16], siguiendo las expresiones presentadas en [17],[18]. El software debe proporcionar la dispersión de los modos de fuga TE y TM de este tipo de antenas FPA compuestas con circuitos PRS y HIS. Esta dispersión permitirá el diseño eficiente de dichas antenas, con el objetivo de sintetizar haces cónicos que escaneen un campo de visión (FoV) tan amplio como sea posible, usando el limitado ancho de banda de las redes inalámbricas WiFi o BLE. El método programado será validado comparando con diseños de antenas FPA con PRS y HIS presentadas anteriormente en la literatura [13]-[15]. Por otro lado, se propondrán nuevos diseños de FPA para redes WiFi o BLE, que mediante el uso de circuitos HIS y PRS permitan cubrir una región angular tan amplia como sea posible. Estos diseños serán validados mediante el software comercial de simulación electromagnética HFSS de Ansys [22], y si es posible, mediante experimentos sobre algún prototipo que pueda ser fabricado y medido.