Tesis doctoral de Oscar Quevedo Teruel
Abstract: the initial purpose of this thesis was the study of microwave devices and antennas with enhanced performance by using novel forms of periodic structures (including metamaterials). In principle, the thesis was not focused on a particular type of device but it was mainly devoted to antennas and passive elements. The need of powerful optimization tools was from the beginning foreseen as one of the key aspects for the development of the thesis. Consequently, the initial work was targeted at the development of advanced optimization techniques based on evolutionary algorithms. In this sense, firstly, new versions of genetic algorithms based on hybrid techniques were explored and the no-free lunch theory was studied for a classical optimization problem: array design, as well as an introduction to the comparison of algorithms. In addition, new optimization algorithms based on ant colony concepts were developed (and applied for the first time to electromagnetic problems) with the same purpose, obtaining interesting results for a low number of iterations and individuals. Thereby, these last algorithms fit very well in problems where the cost of evaluating the goodness of a potential solution (fitness function) is computationally high, this being normally the case in electromagnetic designs. after this initial step and upon parallel learning of concepts related to the interesting properties of periodic structures (initially electromagnetic band gap (ebg)- type and subsequently also metamaterial (mm)-type), these optimization techniques were applied to the design of microwave devices that include such structures. Particularly, two different electromagnetic designs were optimized by using an aco (ant colony optimization) algorithm. The first one was the design of a planar ebg structure for the reduction of mutual coupling between patch antennas. The antennas were printed on a multilayer substrate (with high and low permittivity layers) in order to reduce the size of the periodic elements of the ebg (with a high permittivity material), but keeping a low total effective permittivity for the patches (as antennas typically require). Moreover, mutual coupling and its reduction were also investigated for other structures, such as stacked patches and loaded pifa (planar inverted f antennas) antennas. the second problem where the aco algorithm was applied was the design of a rectangular waveguide loaded with two lateral dielectric slabs on which srrs (split ring resonators) were printed. The loading with such metamaterials allows the propagation of new modes at frequencies below ordinary cut-off frequency of the waveguide (i.E. For miniaturization purposes) or can eliminate bands where traditionally the modes propagate. The use of the optimization tool to design the srrs with the purpose of having the most miniaturized waveguide for the new propagating mode was also successful. In addition to these previous examples, other possibilities of new structures were studied, such as ultra wide band antennas which were designed using aco algorithms with good results. Furthermore, once the waveguide with srrs was studied in depth, new designs of waveguide filters with multiple stop-bands in this technology were successfully presented. In all the investigations, the algorithm uses a full wave commercial simulator to evaluate the potential solutions. apart from the optimization techniques, new designs of patch antennas based on or inspired by metamaterials were also proposed within this thesis with the aim of obtaining compact designs. These antennas are based on truncated structures (with a low number of repeated elements) and can radiate at frequencies lower than conventional ones. The fundamental principles of operation of these antennas, and the validation of the theoretical results with measurements on fabricated prototypes are reported in this document. Two main types of structures were studied and characterized. The first comprises circular pifas loaded with semi-rings connected to the ground plane through an electric wall. One of the main advances of this class of antennas was to provide compact devices that depending on the application may provide different radiation patterns at each band of operation. The second group involves microstrip patch antennas based on short-circuited srrs that provide two bands of operation with a higher degree of miniaturization, although in principle, with the same radiation pattern for both bands. resumen: el propósito inicial de esta tesis fue el estudio de dispositivos de microondas y antenas cuyas prestaciones fueran mejoradas mediante el uso de estructuras periódicas, incluidas en el término metamateriales. En principio, la tesis no se ha restringido a un tipo particular de dispositivo, aunque los estudios se centraron principalmente en antenas y elementos pasivos. Uno de los aspectos clave en el origen de la tesis, fue la necesidad de herramientas de optimización adecuadas para los problemas a estudiar. Para ello, el trabajo inicial se centró en desarrollar técnicas avanzadas de optimización basadas en algoritmos evolutivos. En este sentido, se exploraron nuevas versiones de algoritmos genéticos basadas en técnicas híbridas, siendo estudiadas para un problema de optimización clásico como es el diseño de arrays, todo ello dentro de la denominada teoría del no-free lunch que permite una comparación de los algoritmos. Por otro lado, con el mismo propósito, se desarrollaron nuevos algoritmos de optimización basados en colonias de hormigas que fueron aplicados por primera vez a problemas electromagnéticos, obteniéndose resultados prometedores para un número bajo de iteraciones e individuos. De esta forma, estos algoritmos se adecuan perfectamente a problemas donde el coste de evaluar las posibles soluciones es computacionalmente elevado, siendo esto lo que habitualmente ocurre en diseños electromagnéticos. después de este paso inicial, se procedió a estudiar las propiedades de ciertas estructuras periódicas, a las cuales se aplicaron las técnicas de optimización antes mencionadas. Principalmente se optimizaron dos diseños electromagnéticos mediante algoritmos de colonias de hormigas. El primero fue el diseño de ebg (electromagnetic band gap) planas para la reducción del acoplo mutuo entre antenas de parche. Las antenas se dispusieron sobre un sustrato multicapa (con capas de alta y baja permitividad) para reducir el tamaño de los elementos periódicos de la ebg (con un material de alta permitividad), pero manteniendo una baja permitividad efectiva para los parches (tal y como las antenas típicamente requieren). Por otro lado, se investigó también el acoplo mutuo en otras estructuras como antenas de parche apiladas y antenas pifa (planar inverted f antenna) cargadas, así como la forma de reducirlo. el segundo problema, donde el algoritmo de colonia de hormigas se aplicó, fue el diseño de una guía rectangular cargada lateralmente con dos tiras de srr (split ring resonators) impresas. Dichas tiras producen la propagación de nuevos modos a frecuencias inferiores a la de corte en guías de ondas, permitiendo por tanto, miniaturizar los dispositivos. Del mismo modo, dichas tiras pueden eliminar bandas donde tradicionalmente los modos se propagan, tal y como fue presentado también en esta tesis. Tras un previo estudio de la estructura, se planteó el uso de herramientas de optimización para diseñar los srr y así obtener la mayor miniaturización posible de la guía de ondas. además de estos ejemplos, se estudiaron otras posibilidades. Por ejemplo, se diseñaron antenas de banda ultra ancha mediante el uso de algoritmos basados en colonias de hormigas, obteniendo resultados prometedores. En todos estos ejemplos, se utilizó un simulador de onda completa para evaluar las posibles soluciones potenciales. más allá de las técnicas de optimización, también se propusieron en la presente tesis nuevos diseños de antenas de parche inspiradas en metamateriales para la obtención de diseños compactos. Estas antenas están basadas en estructuras periódicas truncadas (con un bajo número de elementos repetidos) y pueden radiar a frecuencias menores que las antenas convencionales. En este documento se presentaron tanto su principio fundamental de operación, como resultados experimentales que sirvieron para validar los resultados obtenidos. Principalmente, se estudiaron dos estructuras. La primera fue una pifa circular cargada con anillos semicirculares conectados al plano de masa a través de un muro eléctrico. Uno de los principales avances de esta clase de antenas fue el de proporcionar dispositivos compactos que dependiendo de la aplicación, pudieran radiar con diferentes diagramas en cada banda de operación. Por otro lado, la segunda propuesta fue una antena de parche basada en srr cortocircuitados que proporcionan dos bandas de operación con un mayor grado de miniaturización, aunque en principio, con el mismo diagrama de radiación en cada banda.
Datos académicos de la tesis doctoral «Innovative electromagnetic designs making use of periodic structures and advanced optimization tools«
- Título de la tesis: Innovative electromagnetic designs making use of periodic structures and advanced optimization tools
- Autor: Oscar Quevedo Teruel
- Universidad: Carlos III de Madrid
- Fecha de lectura de la tesis: 22/02/2010
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Eva Rajo Iglesias
- Tribunal
- Presidente del tribunal: magdalena Salazar palma
- stefano Maci (vocal)
- christos Christodoulou (vocal)
- zvonimir Sipus (vocal)