Contribución al desarrollo de herramientas CAD para el análisis y diseño de antenas de banda ultra ancha mediante el método de elementos finitos : Contribution to the development of CAD tools for the analysis and design of ultra-wideband antennas by means of the finite element method

摘要

RESUMENud-------ud Esta tesis doctoral está dedicada al desarrollo de herramientas de diseño asistido por ordenador (CAD) y de optimización de antenas de banda ultra ancha (UWB) mediante el método de elementos finitos (FEM). El objetivo de este trabajo es adecuar una técnica de análisis numérico versátil, fiable y precisa como es el FEM, pero a su vez sumamente costosa en términos de recursos de computación, para su uso en conjunción con algoritmos de optimización y la creación de herramientas CAD. Así, gracias a la versatilidad proporcionada por el método de análisis, se pueden abordar optimizaciones ciegas sobre formas arbitrarias, de forma que se puedan explorar y estudiar nuevas geometrías con mejores prestaciones que ayuden a evolucionar el estado del arte en antenas UWB. Es, por tanto, también objetivo de este trabajo el diseño y optimización de geometrías de antena UWB novedosas cuyas prestaciones las sitúen a la cabeza del estado del arte.ud Teniendo en cuenta estos objetivos, este trabajo se ha dividido en dos partes principales: una dedicada a los fundamentos teóricos que permiten aumentar la eficiencia del FEM de manera que pueda ser integrado en rutinas de optimización, y una segunda dedicada al diseño de antenas de banda ultra ancha con las herramientas desarrolladas. Acompañando estos dos bloques temáticos principales se encuentran también una introducción, cuyo objetivo es presentar los antecedentes y motivaciones del trabajo, y unas conclusiones, cuyo objetivo es resaltar las contribuciones originales de este trabajo y las líneas de trabajo futuras abiertas por este trabajo.ud Dentro del primer bloque temático, se presentan dos metodologías diferentes cuyo objetivo es dotar de una mayor efiencia al método del elementos finitos: la formulación SFELP y el análisis mediante matrices de admitancia multipropósito (MAM). La primera se basa en el desarrollo de una formulación que permite la obtención de la matriz de admitancia generalizada (GAM) de una estructura electromagnética de una forma eficiente, de manera que puede realizarse la segmentación del dominio mediante la conexión de las GAM de los diferentes segmentos. El análisis mediante MAM se basa, en cambio, en la resolución de problemas electromagnéticos utilizando puertas artificiales, mediante las cuales se pueden establecer condiciones de contorno variables que pueden fijarse a posteriori una vez realizado el análisis electromagnético, mediante simples y eficientes manipulaciones circuitales. De esta manera puede abordarse la optimización de estructuras muy complejas de una forma muy eficiente.ud El segundo bloque temático se adentra en el diseño y estudio de geometrías de antena UWB con perfiles optimizados para mejorar sus prestaciones. Este bloque se divide en cuatro capítulos en los que se presenta el diseño y optimización de otros tantos tipos de estructura de banda ultra ancha. En el primero de esos capítulos se aborda el estudio y optimización del perfil de antenas de tipo monopolo (tanto estructuras con perfil plano como estructuras tridimensionales) con el objetivo de minimizar las pérdidas de retorno. Como evolución de dichas estructuras, el siguiente capítulo presenta el diseño y optimización de monopolos con perfil plano y banda rechazada mediante la optimización de ranuras en el perfil. En el tercer capítulo se trata el diseño de una antena de apertura con polarización dual con perfil de alimentación optimizado para minimizar las pérdidas de retorno en la banda UWB. Por último, el cuarto diseño aborda la posibilidad del conformado del haz de radiación mediante la optimización del perfil de un dieléctrico utilizado a modo de recubrimiento en una antena de tipo monopolo.ududABSTRACTud--------ud This thesis is devoted to the development of computer aided design (CAD) tools for the optimization of Ultra Wide-Band antennas by means of the Finite Element Method (FEM). The objective of this work is to adequate the versatile and accurate but costly in terms of computational resources, the FEM is, for its use together with optimization algorithms and other CAD tools. Hence, thanks to the versatility provided by the analysis method, blind optimizations can be carried out over arbitrary profiles, so that new geometries can be explored and studied in order to make the state of the art in UWB antennas evolve. Therefore, the design and optimization of novel UWB antennas with performances which make them situate in the head of the state of the art, is another objective of this work.ud Keeping in mind these objectives, this work has been divided into two main parts: one dedicated to the theoretical basis which allow to increase the efficiency of the FEM so that it can be used together with optimization routines, and a second one dedicated to the design of ultra-wideband antennas with the developed tools. Together with these two main thematic blocks there is also an introduction, whose objective is to present the background and motivations of this work, and a conclusion chapter, whose objective is to highlight the original contributions of this thesis and the future research work related to this thesis.ud In the first part, two different methodologies are presented, in order to provide the finite element method with a higher efficiency: the SFELP formulation and the MAM-based analysis. The first one is based on the development of a formulation which allows to obtain the GAM of an electromagnetic structure in an efficient way, so that a segmentation of the domain can be performed by means of the connection of the GAM of the different segments. The MAM analysis is based in the use of artificial ports when computing an electromagnetic problem, which allow to establish variable boundary conditions which can be fixed a posteriori once the electromagnetic analysis has been completed, by means of simple and efficient circuital manipulations. Hence, the optimization of very complex structures can be carried out in a very efficient way.ud The second part presents the design and study of UWB structures with optimized profiles for better performances. This part is divided into four chapters in which the design and optimization of four types of ultra-wideband antennas is performed. The first chapter is devoted to the study and optimization of monopole-like (both planar and non-planar profiles) antennas designed to minimize return losses. As an evolution of these structures, the second chapter presents the design and optimization of frequency notched planar profile monopole antennas in which the notches of the antenna are optimized for optimal performance. The third chapter treats the design of a dual polarized aperture antenna an optimized profile feed for minimum return losses in the UWB band. Finally, the fourth design deals with the possibility of radiation pattern conforming by means of an optimized profile dielectric coating in a monopole antenna.