Tesis doctoral de Alcino Castelo Boso
Desde hace mucho tiempo hay interés en desarrollar una formulación matemática que permita transformar las propiedades de radiación de una energía por una antena o un array de antenas desde la zona más próxima a las mismas a zonas lejanas. Este interés se ha debido a la necesidad de realizar medidas muy precisas para desarrollar antenas de altas prestaciones, a la mejora de los métodos de análisis de las mismas y a la imposibilidad de medir antenas de gran tamaño eléctrico directamente en campo lejano. el problema de la radiación consiste de forma genérica en encontrar los campos electromagnéticos exteriores a unas fuentes que se encuentran contenidas en una cierta región del espacio. El empleo de la formulación modal permite expresar los campos radiados como la superposición de ondas elementales planas, cilíndricas o esféricas. En particular, en esta tesis se desarrolla el problema con geometría cilíndrica. De este modo el problema de la radiación se reduce a obtener las amplitudes complejas de cada una de las ondas elementales que por superposición dan lugar a los campos radiados. El empleo de expansiones modales tiene como contrapartida que su aplicación esté limitada a casos que contengan formas geométricas canónicas, no obstante su aplicación soluciona cualquier problema electromagnético. Estas amplitudes complejas o coeficientes modales describen completamente los campos, con la ventaja de que permite un conjunto de valores escalares y es posible obtener los campos radiados en cualquier punto del espacio. La dependencia espacial de los campos viene dada por las funciones de onda, que son las soluciones de la ecuación de onda por separación de variables en el sistema. Las propiedades de las funciones de onda permiten que la formulación espectral esté especialmente bien adaptada al tratamiento de problemas electromagnéticos en que estén involucradas superficies que se definen por una o varias coordenadas constantes en el sistema de coordenadas empleado. La influencia de los errores de medida sobre el diagrama de radiación es importante al medir antenas con especificaciones muy estrictas en cuanto posicionado del haz principal y nivel de lóbulos secundarios. Es importante el estudio de errores de medida en campo próximo en coordenadas cilíndricas para sistematizar en lo posible la especificación de un campo de medida, proporcionando expresiones que relacionen el error en campo próximo y su efecto sobre el campo lejano. el primer capítulo hace una descripción resumida de los fundamentos teóricos de radiación de las antenas; se explican las formulaciones matemáticas de la teoría electromagnética de campos, se describen resumidamente las magnitudes físicas de campos vectoriales, y se describen las ecuaciones de maxwell que explican los fenómenos electromagnéticos, permitiendo predecir los campos electromagnéticos generados en cualquier punto del entorno, además de relacionar los campos eléctricos y magnéticos con las cargas y corrientes que los crean. el segundo capítulo describe y explica la superficie cilíndrica de medida utilizada para transformar el campo próximo calculado sobre la misma, al campo lejano. Se describe el método para llevar a cabo la transformación del campo próximo al campo lejano, con base en la teoría de la ecuación de onda en coordenadas cilíndricas y en descomposición de modos del campo a partir de la aplicación del teorema de reciprocidad de lorentz. Se aplica el método de corrección de antena sonda para evitar que el efecto de radiación de la misma afecta a la radiación de la antena bajo prueba, distorsionando así el campo resultante a obtener. en los capítulos tercer y cuarto, se explican y se simulan los errores mecánicos y eléctricos. Se mencionan algunas técnicas de automatización para evitar errores mecánicos de posicionamiento o eléctricos; en el análisis de errores eléctricos, hemos generalizado en esta tesis los errores debidos a posibles fallos en la alimentación de las antenas, o fallos por posicionamiento, que hemos demostrado mediante simulaciones haciendo comparaciones entre los diagramas de radiación, estableciendo así diagramas de referencia de un funcionamiento correcto. en el quinto capítulo, con base en el vector tridimensional de la expansión de onda cilíndrica de un campo electromagnético, y de las características ortogonales de los modos y de los coeficientes de la extensión modal obtenidas, se reconstruye el campo próximo. El método de la distribución del campo descrito en este capítulo permite calcular el campo próximo sobre un cilindro de cualquier medida. Además se ha generalizado el método que evita los errores de truncamiento, calculando el campo próximo sobre una superficie cilíndrica idealmente infinita a partir del campo medido sobre la superficie cilíndrica con dimensión conocida. abstract long there is interest in developing a mathematical formulation that allows the properties of radiation energy by an antenna or an array of antennas from the area close to them to remote areas. This interest has resulted from demands of very precise measures to develop high performance antennas, improved methods for analyzing them and by the impossibility of measuring large antennas directly into electric far field. the problem of radiation consists of generic electromagnetic fields to find some external sources that are contained in a certain region of space. The use of the modal formulation allows expressing the radiated fields as the superposition of elementary plane waves, cylindrical or spherical. Thus the problem of radiation is reduced to obtain the complex amplitudes of each of the elementary waves that give rise to overlapping fields radiated. employment expansions and manners come at which their application is limited to cases that contain canonical shapes, however its application to solve any electromagnetic problem. These complex amplitudes or modal coefficients completely describe the fields and with the advantage that allows a finite set of scalar values, it is possible to obtain the radiated fields at any point in space. The spatial dependence of the fields is given by wave functions which are solutions of the wave equation by separation of variables in the system. The properties of wave functions allow the spectral formulation is particularly well suited to the treatment of electromagnetic problems that are involved in areas that are defined by one or more constant coordinates in the coordinate system used. the influence of measurement errors on the radiation patterns is important when measuring antennas with very strict specifications on positioning the main beam and side lobes level. It is important to the study of measurement errors in near-field in cylindrical coordinates where possible to standardize the specification of a measurement range, providing expressions that relate the error in near-field and its effect on the far field. the first chapter on the introduction makes a brief description of the theory of radiation from the antennas, is the mathematical formula of the theory of electromagnetic fields is described briefly, the physical quantities of vector fields, described by maxwell equations that explain electromagnetic phenomena, allowing to predict the electromagnetic fields generated anywhere in the environment, in addition to relating the electric and magnetic fields with the charges and currents that are created. the second chapter investigates, describes and explains the cylindrical surface of measurement used to transform the near-field calculated on the same far-field. It investigates and describes the method to carry out the transformation of the near-field far-field, based on the theory of wave equation in cylindrical coordinates and decaying modes of the field after the application of reciprocity theorem lorentz. Under the method of correction of antenna probe to prevent the effect of radiation affects the radiation from the antenna under test, thereby distorting the resulting field to be obtained. in the third and fourth chapters are explained and simulate electrical and mechanical errors. It mentions some automation techniques to avoid positioning errors mechanical or electrical failure in the electrical analysis of errors, we have generalized this idea due to possible errors in judgments of food dishes, or failures by positioning, we have shown through simulations making comparisons between the radiation patterns, thus, reference standards of proper operation. in the fifth chapter, based on the three-dimensional vector cylindrical wave expansion of an electromagnetic field, and the characteristics of the orthogonal modes and the coefficients of the expansion modes, is rebuilt the next field. The method of the field distribution is described in this chapter allows to calculate the near field on a cylinder of any measure. It has also been widespread method that avoids the truncation errors by calculating the near field on an infinite cylindrical surface ideally from field measured on the cylindrical surface with a known dimension.
Datos académicos de la tesis doctoral «Contribución a la transformación en sistemas cilíndricos de campo proximo a campo lejano. análisis de errores mecánicos y eléctricos y reconstrucción de campo«
- Título de la tesis: Contribución a la transformación en sistemas cilíndricos de campo proximo a campo lejano. análisis de errores mecánicos y eléctricos y reconstrucción de campo
- Autor: Alcino Castelo Boso
- Universidad: Politécnica de Madrid
- Fecha de lectura de la tesis: 10/11/2009
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Leandro De Haro Ariet
- Tribunal
- Presidente del tribunal: José Luis Besada sanmartín
- Luis enrique García muñoz (vocal)
- Antonio García pino (vocal)
- Fernando Las heras andrés (vocal)