Simulaciones full-wave en la banda de microondas

Abstract

Las comunicaciones en la banda de frecuencias de microondas (1 GHz a 300 GHz) tienen su aplicación fundamentalmente en enlaces terrestres punto a punto así como también en los sistemas de comunicación por satélite, sistemas de radar y sistemas de radioastronomía. En dicho rango de frecuencias, las longitudes de onda son del orden de centímetros y milímetros. La utilización de antenas-lente, configuración que mejora la directividad y ganancia de radiación, tiene sus limitaciones en esta banda del espectro, debido precisamente al tamaño de sus componentes en relación con las longitudes de onda de trabajo. Para lograr una mejora en la ganancia las lentes a emplear resultan de diámetros de varias longitudes de onda, lo cual en términos absolutos para la banda de interés puede implicar lentes de gran diámetro (decenas de centímetros e inclusive metros) y por lo tanto gran peso y costo, siendo esta una de las limitaciones en su aplicación. Sin embargo el uso de nuevos materiales ha permitido reducir peso y con ello los costos en esta banda del espectro. Otra de las limitaciones que tienen este tipo de diseños y que hoy está siendo superada, es la de las simulaciones. Mientras el estudio de las lentes ópticas es comúnmente abordado desde la óptica geométrica, es decir a través del trazado de rayos, ello puede no resultar adecuado en la banda de microondas, ya que en este último caso las dimensiones de la lente son del orden de la longitud de onda o algo mayor. Al no ser el tamaño del objeto mucho mayor que la longitud de la onda que lo atraviesa, la óptica geométrica resulta muy limitada para observar los fenómenos que en él se presenten. Es por ello que en esta banda del espectro el empleo de software de simulación electromagnética basado en métodos full-wave es fundamental para el estudio de los conjuntos antena-lente. La posibilidad de contar con algoritmos computacionales confiables que permitan simular el comportamiento de los dispositivos y sistemas antes de que realmente se construyan, resulta imprescindible, no sólo porque permite ahorrar altísimos costos, sino porque habilita involucrarse en niveles de detalle y de optimización que serían incluso imposibles de realizar de manera experimental. En particular, contamos con un novedoso código desarrollado en MATLAB que permite resolver problemas con el método full-wave [1]. Este código permite obtener gráficos de módulo y fase del campo eléctrico cercano y diagramas de radiación de campo lejano, realizando simulaciones en 2D, en tiempos menores a los que requieren los software de simulación electromagnética comerciales. La disponibilidad de este código nos ha permitido la aplicación en varios estudios que han dado origen a diferentes trabajos publicados en congresos nacionales e internacionales [2-5]. El objeto de este trabajo es presentar los resultados de las simulaciones obtenidos en el diseño y caracterización de tres antenas-lente en la banda de microondas. Para lentes de diferente perfil esférico, hiperbólico y elíptico se analizan diversas variables tales como frecuencia, diámetro y distancia focal. Adicionalmente para la antena-lente de perfil hiperbólico se obtendrán a través de las simulaciones las características eléctricas del conjunto antena-lente (diagrama de radiación, ganancia, ancho de haz, relación frenteespalda, etc.).