Diseño de una herramienta software para el desarrollo de lentes elípticas y hemisféricas extendidas para antenas de bocina

Abstract

El presente proyecto tiene como principal objetivo el análisis y el diseño de lentes hemisféricas extendidas y de lentes elípticas empleadas en antenas de apertura de
tipo bocina, con todas sus variantes, ya sea cónica o piramidal, para ello se desarrollará una herramienta en MATLAB que permita facilitar el diseño de dichas lentes. El análisis se llevará a cabo mediante el estudio de los principios básicos de la óptica referidos al diseño de lentes dieléctricas para antenas. La finalidad de este proyecto es estudiar las propiedades de este tipo de lentes y agilizar el proceso de elaboración de las mismas con el fin de optimizar al máximo los parámetros más importantes de la antena ya sea su directividad, ganancia, gausicidad…etc. Con el fin de obtener los mejores resultados en los objetivos planteados, utilizamos lentes dieléctricas para solventar problemas de directividad, tamaño y robustez del sistema entre otros para conseguir un buen sistema radiante. Uno de los
principales problemas que se nos plantean es, al utilizar lentes en el rango de ondas milimétricas y
sub-milimétricas, es el espesor elevado que presentan los sustratos de las antenas en términos de longitud de onda. Al utilizar lentes dieléctricas como sustrato se pone fin a este problema. La forma ideal de una lente
híper-hemisférica dieléctrica es la elipsoidal, con la fuente situada en el foco más lejano, pero, debido a la dificultad de elaboración la lente más utilizada es la hemisférica extendida que se compone de una semiesfera y un cilindro de longitud L. Debido a esta geometría, las características y el comportamiento de ambas lentes son similares. En este proyecto se presenta un método para estudiar lentes dieléctricas con geometría hemisférica extendida y elíptica. Esta aproximación consiste en obtener los parámetros básicos de una antena tales cómo dimensiones, permitividad relativa, frecuencia…etc. y utilizarlos como parámetros de entrada en un programa de creación propia utilizando la herramienta MATLAB. A continuación, se llevarán a cabo una serie de pruebas de los prototipos de lentes mediante el programa CST Microwave Studio, donde se comprobará el comportamiento
electromagnético de las lentes diseñadas con el propósito de ajustar cada uno de los parámetros de nuestro programa con el fin de optimizar y comprobar la finalidad del
mismo. Con el método descrito anteriormente, se proporcionará una herramienta óptima para el diseño y elaboración de lentes para antenas de apertura, en este caso de tipo bocina, de diferentes tamaños y geometrías.
Abstract:
The main objective of this project is the analysis and the design of extended hemispherical and elliptical lenses used in aperture antennas specifically in horn antenna, with all his variants, for both conical and pyramidal, for this will be developed a tool with the help of MATLAB software which allow us to facilitate the lens design. The analysis will be done with the study of the basic principles of the optic referred to the dielectric lens design for antennas. The finality of this project is to study the properties of this kind of lenses and streamline the fabrication process of that lenses with the purpose to optimize as much as possible the most important parameters of the antenna, for example directivity, gain, gausicity…etc. Furthermore, for obtain the best results in the showed objectives, we use dielectric lenses for solve their directivity problems, size and robustness of the system between others, for obtain the best radiant system as possible. However, one of the main problems planted is the elevated thickness of the antennas substrates in terms of wavelength when
millimeter and submillimeter lenses are used. When dielectric lenses as substrate are used, this problem is solved. The ideal shape of a dielectric hyper hemispherical lens is the ellipsoid form, with the source located in the most distant focus, but, due to the fabrication difficulty the most used lens is the extended hemispherical lens which one is composed by a semi-sphere and a cylinder of length L. Because of that geometry, the features and the behavior of both lenses are similar. In this project, a method for study dielectric lenses with extended hemispherical and elliptical geometry is presented. This approximation consists of obtain the basic parameters of the antenna as well, dimensions, relative permittivity, frequency between others and used as input parameters in an own creation program developed with the MATLAB tool. Then, some tests are going to be made with the CST Microwave Studio tool, the purpose of this tests is to check the electromagnetic behavior of the designed lenses with the end to adjust and optimize each one of the parameters of the main program and check the program reliability. With the method presented, an optimal tool for the design and the develop of aperture antenna lenses, in this case horn antenna kind, with different sizes and geometries is provided.