Contribution to the analysis and design of transmitarray lenses = Contribución al análisis de lentes tipo transmitarray

摘要

This Doctoral Thesis, entitled ‘Contribution to the Analysis and Design of Transmitarray Lenses’ aims to be continuation of the research line in antennas and radiating devices, with special interest in the area of reconfigurable antennas, in the Radiation Group (Grupo de Radiaci´on, GR) of the department of Signals, Systems and Radiocommunications (Se˜nales, Sistemas y Radiocomunicaciones, SSR) of the Technical University of Madrid (Universidad Polit´ecnica de Madrid, UPM). Considered the wide experience of the Group in the analysis, design and construction of all kind of antenna devices, specially in planar antennas, it is tried to deeply study planar type radiating structures known in technical literature as transmitarrays or constrained lenses. The research work contained in this Thesis is focused in the proper knowledge of design and prototyping techniques for radiative lens type structures, by means of antenna grouping (array of antennas) working as reception or transmission interface, and radiofrequency circuits inside the lens, for adequate signal processing of the received signal to be retransmitted. Initially, the study is centered in passive type structures, with fixed radiating features; afterwards active circuits are studied in order to integrate them into a lens device to provide reconfigurable functionality to it. The proper design of these active lens inner circuits are, in the same way, an essential portion of the entire work. In order to carry out the work contained in this Thesis, some guidelines have been followed and some hints have been achieved. All this is briefly outlined below, joined to some indications referred to contributions yielded in this work. First, a previous thorough revision work of current State of the Art has been carried out, which allows to focus the main topic in this Thesis and to sight the possible actuation lines in the work contained in it. Secondly, with the aim of analyzing deeply the devices under study along this Thesis, a broad electromagnetic study is presented and an analysis technique is implemented, turned into a basic tool when dealing all the rest of the work, regarding the design of the lens type devices and all their forming elements, including either transmission lines and circuits or radiating structures. Thirdly, it is tried to explore the design possibilities in a passive lens, applying different architectures, realizing existing limitations and possible solutions. Thus, two different architecture models for transmitarray lens are proposed, and a complete prototype for each architecture is carried out, from initial design stages to its final prototyping and measurements. In fourth place, it is studied diverse active circuits that allow the management of the ongoing processed signal (mainly, phase delay addition), in order to integrate them inside a lens type device, providing reconfigurability to it. For this reason two alternatives are studied, with completely different functioning principles. In fifth place, as summit of all the developed work, one of the architectures employed for the passive lens design is chosen and, with certain modifications, it is combined with some of the electronically reconfigurable circuits developed ad hoc in this Thesis. According to this, an active lens is designed and prototyped, with electronic control of the main beam steering of the lens and its radiation pattern. Therefore, the main objective of this Doctoral Thesis is to extend knowledge in the analysis, design and functioning of transmitarray devices, gradually introduced in this thesis in terms of complexity and lens functionality, to propose and provide new approaches and contributions in the study and design of this kind of devices, centre of this Thesis. Resumen El presente trabajo ‘Contribución al Análisis y Diseño de Lentes Radiantes de Tipo Transmitarray’ pretende continuar una de las líneas de investigación sobre antenas y dispositivos radiantes, con especial interés en el área de las antenas reconfigurables, dentro del Grupo de Radiación (GR) del departamento de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones (SSR) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). A partir de la amplia experiencia del grupo de radiación en el análisis, diseño y fabricación de todo tipo de antenas, en especial antenas de tipo plano, se pretende el estudio en profundidad de dispositivos radiantes de tipo plano conocidos en el mundo investigador como constrained lenses o transmitarrays. El trabajo contenido en la presente Tesis Doctoral se centra en el adecuado dominio de las técnicas de diseño y prototipado de estructuras tipo lente radiante por medio de agrupación de antenas como interfaz de recepción o transmisión y circuitos de radiofrecuencia en el interior de la lente, para el correcto procesado de la señal recibida y posteriormente retransmitida. Inicialmente el estudio se centra en estructuras de tipo pasivo, con características radiantes fijas para, con posterioridad, tratar de aplicar circuitos activos a dichos dispositivos, volviéndolos electrónicamente reconfigurables. El adecuado diseño de dichos circuitos internos a la lente activa son, de igual modo, una parte fundamental de este trabajo. Para llevar a cabo el desarrollo de la presente Tesis Doctoral se han seguido una serie de pautas y se han marcado una serie de hitos, descrito todo ello sucintamente a continuación, junto con una indicación de las aportaciones originadas a través de este trabajo. En primer lugar, se ha realizado un profundo estudio bibliográfico que permite centrar el tema fundamental de esta Tesis y nos permite entrever las posibles líneas de actuación posibles en el trabajo que ésta contiene. En segundo lugar, de cara a poder analizar en mayor profundidad los dispositivos objeto de estudio en esta Tesis, se realiza un profundo estudio electromagnético y se desarrolla una técnica de análisis que se convertirá en una herramienta inicial fundamental al afrontar el resto de trabajo, enfocado ya al diseño de los dispositivos tipo lente, y todos los elementos que las constituyen, ya sean circuitos de radiofrecuencia, líneas de transmisión o estructuras radiantes. En tercer lugar se trata de explorar las posibilidades de diseño de una lente pasiva, ensayando distintas arquitecturas, percibiendo las limitaciones existentes y posibles soluciones. Según esto, se proponen dos arquitecturas distintas para lente transmitarray y se desarrolla un prototipo completo para cada una de ellas, desde su diseño hasta su construcción y medida. En cuarto lugar se estudian distintos circuitos activos que permitan la manipulación de la señal que los atraviesa (fundamentalmente adición de desfase), de cara a su integración en un dispositivo tipo lente, dotándolo de reconfigurabilidad. Para ello se exploran dos alternativas con principios de funcionamiento totalmente diferentes. En quinto lugar, como cumbre del trabajo realizado, se toma una de las arquitecturas empleadas para el diseño de lente pasiva a la que, con ciertas modificaciones, se le añaden circuitos electrónicamente reconfigurables diseñados ad hoc. Según esto, se diseña y se desarrolla una lente activa con control electrónico de apuntamiento de diagrama de radiación. Por lo tanto, el objetivo fundamental de esta Tesis Doctoral es ampliar el conocimiento del análisis, diseño y funcionamiento de dispositivos tipo transmitarray, de modo gradual en su complejidad y funcionalidad, para proponer y aportar nuevos enfoques y contribuciones en el estudio y diseño de estos dispositivos, centro de la presente Tesis.