Una contribución a las técnicas de diseño asistido por ordenador para antenas y dispositivos pasivos de microondas basadas en el método de los elemententos finitos

Abstract

En esta tesis doctoral desarrollamos una nueva metodología de diseño que permite la obtención de circuitos pasivos de microondas tipo plano-H o con simetría de revolución con perfiles arbitrarios. El proceso de diseño culmina con un resultado óptimo independiente del punto de partida. Para obtener una respuesta eléctrica con suficiente eficiencia como para ser utilizada en un ciclo iterativo, hemos desarrollado un método de onda completa basado en el Método de los Elementos Finitos (M.E.F.). Éste, analiza en dos dimensiones (2-D) estas estructuras, agilizando enormemente el proceso de cálculo respecto al caso 3-D. Hemos combinado la segmentación de circuitos, el barrido en frecuencia (a través de método de Padè via Lanczos) y el M.E.F. en 2-D, y lo hemos bautizado con sus siglas en inglés como S.F.E.L.P. 2-D. La versión de S.F.E.L.P. 2-D para circuitos plano-H permite analizar estructuras en guíaonda como desfasadores, codos, divisores de potencia, dipleores, etc... . Además, pueden incluirse materiales dieléctricos mientras preserven la simetría de la estructura. Los accesos a estos circuitos se hace a través de puertas planas rectangulares y/o puertas radiales. Incluyendo el número de modos preciso en cada puerta, S.F.E.L.P. obtiene la Matriz de Dispersión Generalizada (M.D.G.). A partir de esta matriz conocemos todos los parámetros de interés del dispositivo como las pérdidads de retorno, desfases, etc... . La versión de S.F.E.L.P. 2-D para circuitos con simetría de revolución permite analizar resonadores y diversos tipos de antenas como monopolos, reflectores y bocinas (incluidas aquellas cargadas con diélectrico o corrugadas). Cerramos el dominio de análisis con una puerta esférica sobre la que se imprime una expansión modal. De la misma manera que antes, obtenemos una M.D.G. que nos proporciona directamente el coeficientede reflexión y, a través de la propagación de modos esféricos, el diagrama de radiación y la directividad. Hemos desarrollado una técnica que permite desplazar puertas esféricas que, utilizada junto con la técnica de segmentación, permite el análisis eficiente de reflectores con S.F.E.L.P. 2-D. También hemos desarrollado un algoritmo de optimización que permite encontrar una solución globalmente óptima al problema electromagnético, teniendo en cuenta las restricciones tecnológicas de la técnica de fabricación con la que vayamos a construir el dispositivo. Empleamos una versión de Simulated Annealing (S.A.) que modifica todos sus parámetros de control a través del muestreo de algunos valores estadísticos. Hemos establecido una condición de parada que detiene el proceso en el menor número de iteraciones y, a la vez, permite obtener un diseño robusto frente a errores en su fabricación. Con esta herramienta hemos diseñado y fabricado un codo de 90 grados de longitud mínima y bajo coeficiente de reflexión en banda ancha. Además,hemos diseñado otros circuitos plano-H como desfasadores, divisores de potencia y un diplexor. Por último, hemos diseñado bocinas cargadas con dieléctrico con simetría de revolución en diferentes configuraciones, una bocina corrugada y un reflector parabólico. Todo esto para demostrar la bondad de este método de diseño constituido por S.F.E.L.P. 2-D y S.A..