Filtenna analysis and design for improving frequency selectivity of array elements

Abstract

Los sistemas radar actuales tienen múltiples aplicaciones, desde radares de tráfico y escáneres médicos hasta control de tráfico aéreo y radares militares. Dada la creciente demanda de innovación en este ámbito, Thales Nederland se dedica a mejorar y desarrollar sistemas militares de radar. El presente trabajo se plantea en este contexto con la finalidad de explorar nuevas técnicas para mejorar dichos sistemas. Las antenas microstrip son una parte clave de los sistemas radar, ya que actúan como interfaz entre el transmisor/receptor y el entorno. Por tanto, mejorar los parámetros y el rendimiento de las antenas puede tener un impacto significativo sobre el sistema final. Teniendo esto en cuenta, se han fijado dos objetivos principales: dotar de capacidad de filtrado a una antena funcionando a 3 GHz, e incrementar el roll-off de la banda de operación. Dado que la frecuencia de operación es de 3 GHz, se definieron dos bandas de frecuencia que la filtena debería rechazar: una en torno al segundo armónico, situado en 6 GHz (banda de 4-7 GHz), y otra en torno al tercer armónico, situado en 9 GHz (banda de 7-11 GHz). Para ello se han planteado varias opciones, como estructuras de filtrado existentes y técnicas CMA (Characteristic Mode Analysis). Se ha decidido emplear las estructuras EBG (Electromagnetic Band Gap) por su carácter innovador y el potencial que han mostrado en diferentes estudios. Se ha estudiado su modelo analítico, prestando especial atención a los parámetros impedancia de Bloch y banda prohibida. Tras considerar varias estructuras, se optó por el mEBG (mushroom EBG) por su flexibilidad y propiedades de banda prohibida. A continuación, se modeló la celda unidad de la estructura, empleando tanto MatLab como ANSYS HFSS. Se variaron sus parámetros físicos para determinar su impacto en la banda prohibida. Después se realizó un estudio para investigar la posible integración del mEBG con una línea microstrip y una antena de parche para conseguir funcionalidad de filtrado. Se analizaron distintas configuraciones, obteniendo una respuesta óptima (banda de rechazo de 7-11 GHz) para una fila de mEBG situada bajo la línea microstrip y paralela a ella. La estructura se ajustó a un múltiplo impar de un cuarto de longitud de onda para conseguir buena adaptación de impedancia a la frecuencia de operación. También se posicionó en el plano de masa por el mismo motivo. Luego se variaron los parámetros diámetro de vía, permitividad del sustrato y altura del mEBG para aumentar su banda prohibida. El filtro mEBG diseñado, en combinación con técnicas CMA para reducir los niveles del segundo armónico (4-7 GHz), generó resultados satisfactorios en el diseño final de la filtena. Por último, se concluyó que, aunque el factor de roll-off de la antena no se vio directamente afectado por la estructura mEBG, sí se obtuvo con éxito la funcionalidad de filtrado, por medio de un diseño compacto y con niveles de rechazo significativos. Se validó el potencial del mEBG como filtro, en teoría posibilitando reemplazar las técnicas CMA para el rechazo de los armónicos de segundo orden en futuros diseños de filtena.