English español
Search
 

Repositorio de la Universidad de Oviedo. > Producción Bibliográfica de UniOvi: RECOPILA > Tesis >

Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10651/40613

Title: Advanced techniques for the analysis and synthesis of reflectarray antennas with applications in near and for fields
Other title: Técnicas avanzadas para el análisis y síntesis de reflectarrays para aplicaciones de campo cercano y lejano
Author(s): Rodríguez Prado, Daniel
Advisor: Arrebola Baena, Manuel
Rodríguez Pino, Marcos
Other authors: Ingeniería Eléctrica, Electrónica, de Computadores y Sistemas, Departamento de
Keywords: Tecnologías de la información y comunicación en redes móviles
Antenas
Comunicaciones por satélite
Enlaces de microondas
Radiodifusión, sonido y televisión
Issue date: 7-Nov-2016
Format extent: 227 p.
Abstract: Esta tesis está dedicada al desarrollo de nuevas técnicas de análisis y síntesis de reflectarrays. Se pretende prestar especial atención a la eficiencia de dichas técnicas. En particular, las nuevas técnicas de análisis se centran en el desarrollo de algoritmos precisos y rápidos para el cálculo de diagramas de radiación, basadas en el uso de algoritmos como la Transformada Rápida de Fourier (Fast Fourier Transform, FFT) y la Transformada Rápida de Fourier No Uniforme (Non-Uniform Fast Fourier Transform, NUFFT). Por otro lado, se presentarán nuevas técnicas de síntesis para la optimización del diagrama contrapolar, así como síntesis en campo cercano. En relación al análisis de reflectarrays, se ha desarrollado por primera vez un análisis eficiente para reflectarrays aperiódicos basado en la NUFFT que modela los elementos como aperturas rectangulares, ganando en precisión y rapidez con respecto a otras técnicas. Asimismo, el análisis tanto para reflectarrays periódicos como aperiódicos ha sido generalizado asumiendo un campo incidente de variación continuo en vez de constante en cada elemento, manteniendo la eficiencia del análisis mediante del uso de la FFT en el caso periódico y de la NUFFT en el caso aperiódico. Finalmente, se ha mejorado el modelo de campo cercano de reflectarrays modelando el elemento como una apertura rectangular. Además, como el cálculo del campo cercano es más lento que el cálculo de campo lejano ya que no se puede emplear el algoritmo FFT, se ha presentado una estrategia para paralelizar su computación, acelerando los cálculos de simulación aprovechando los recursos disponibles en ordenadores modernos. La técnica más común de síntesis es la síntesis solo fase (Phase-Only Synthesis, POS), y solo tiene en cuenta requisitos de copolar. Además, típicamente emplean el Segundo Principio de Equivalencia para calcular el diagrama de radiación. En esta tesis se ha mejorado la formulación de los algoritmos POS desarrollando la formulación POS del Primer Principio de Equivalencia, y mediante la inclusión de un marco dieléctrico en el análisis del reflectarray en el proceso de síntesis. Ambas mejoras permiten calcular con mayor precisión el diagrama copolar radiado por reflectarrays. La formulación del Intersection Aproach para POS ha sido extendida para incluir requisitos de contrapolar. Esto se ha conseguido trabajando con matrices de coeficientes de reflexión en lugar de con distribuciones de fase. A pesar de ello, el algoritmo sigue siendo computacionalmente muy eficiente debido a que la operación más costosa es la FFT. Dicho algoritmo ha sido validado con varios ejemplos, mostrando buenos resultados. Otra opción para la síntesis de contrapolar en reflectarrays consiste en la optimización directa de la geometría del elemento de la antena usando un análisis de onda completa basado en periodicidad local. Para ello, se escogió un algoritmo nuevo, el Levenberg-Marquardt (LMA) debido a su simplicidad y capacidad de trabajar con problemas no lineales. Sin embargo, debido a la nueva capa de complejidad, primero se hizo una implementación POS para optimizar el algoritmo al máximo, obteniendo mejores resultados en menos tiempo en relación a otros trabajos de la literatura. También se extendió para realizar síntesis en campo cercano. Posteriormente, el LMA se extendió para realizar optimización de contrapolar con el Método de los Momentos (MoM) como técnica de análisis de onda completa. Se introdujeron nuevas estrategias para acelerar aún más el algoritmo y se validó con un ejemplo de diagrama LMDS. Sin embargo, el algoritmo presenta problemas de convergencia trabajando con antenas grandes, por lo que se cambió el algoritmo para mejorar los resultados. Con el Intersection Approach generalizado se mejora sustancialmente la convergencia y se validó con dos ejemplos, uno con diagrama isoflux para cobertura global de la Tierra, y otro con una cobertura europea para aplicaciones DBS, obteniendo buenos resultados. RESUMEN (en Inglés) This thesis is devoted to the development of new analysis and synthesis techniques for reflectarrays. Special effort is made in the efficiency of those techniques. In particular, the new analysis techniques focus on an accurate and fast method of computation of the far fields based on the use of the Fast Fourier Transform (FFT) and the Non Uniform FFT (NUFFT). On the other hand, new techniques are proposed for the copolar and crosspolar optimization of reflectarray antennas as well as near field optimizations. Regarding the reflectarray analysis, for the first time an efficient analysis technique has been developed for aperiodic reflectarrays using the NUFFT and modeling the elements as rectangular apertures, improving accuracy and speed with regard to other techniques. In addition, the analysis for periodic and aperiodic reflectarrays has been generalized assuming a continuous variation of the incident field at each unit cell, instead of a constant field, keeping the analysis efficiency by using the FFT for the periodic case and the NUFFT for the aperiodic one. Finally, a new improved near field model has been proposed that models the reflectarray unit cell as a rectangular aperture. Also, since the computation of the near field is slower than the far field since the FFT cannot be used, a strategy for the parallelization of its computation has been presented, speeding up the simulation of the near field taking advantage of the resources available in modern computers. The most common technique for the synthesis of reflectarray antennas is the Phase-Only Synthesis (POS), which only deals with copolar requirements. This technique is usually employed along with the Second Principle of Equivalence for the computation of the radiated fields. In this thesis, this technique has been improved by developing the POS formulation of the First Principle of Equivalence and by including in the synthesis process a dielectric frame analysis. Both improvements allow better accuracy in the computation of the radiated fields by reflectarrays. The Intersection Approach formulation for POS has been extended to include crosspolar requirements. This has been possible by working with full matrices of reflection coefficients instead of phases. Despite this, the algorithm is still computationally highly efficient since the most time consuming operation if the FFT. This algorithm has been validated through several examples, showing good results. Another option for the synthesis of the crosspolar in reflectarrays consists in the direct optimization of the element geometry by employing a full-wave analysis technique based on local periodicity. To do this, a new algorithm has been chosen, the Levenberg-Marquardt (LMA) which has been selected as a reasonable trade-off between complexity, robustness and performance on minimization tasks. However, due to the new layer introduced, a POS version was first developed in order to optimize the algorithm, speeding it up as much as possible, obtaining better results in less time with regard to other works in the literature. Also, this algorithm was extended to perform near field synthesis. Afterwards, the LMA was extended to perform crosspolar optimization using the Method of Moments (MoM) as full-wave analysis techniques. New strategies were introduced to further speed up the algorithm, which was validated with an example of an LMDS pattern. However, the algorithm presents convergence issues working with large antennas, so the algorithm was changed to improve the results. With the generalized Intersection Approach, convergence is substantially improved and it was validated with two examples, one with an isoflux pattern for global Earth coverage, and another with a European coverage for DBS applications, obtaining good results.
URI: http://hdl.handle.net/10651/40613
Local notes: DT(SE) 2016-271
Appears in Collections:Tesis
Tesis doctorales a texto completo

Files in This Item:

File Description SizeFormat
TD_DanielRodriguez.pdf8,14 MBAdobe PDFView/Open


Exportar a Mendeley


This item is licensed under a Creative Commons License
Creative Commons

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

 

Base de Datos de Autoridades Biblioteca Universitaria Consultas / Sugerencias