Antenas
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Autor/a:
Alarcón Vanegas, Juan Gregorio
Tutor/a:
Vico Bondia, Felipe
GANDIA, 2017
AGRADECIMIENTOS
Este documento supone el culmen de una etapa, mi etapa en el Grado en
Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación, Imagen y Sonido por la
Universidad Politécnica de Valencia en el Campus de Gandía.
Han sido 5 años (por suerte y desgracia) en los que he crecido tanto en lo
personal como en lo profesional, en los que he tenido la fortuna de conocer gente
que me ha aportado tanto que no sabría cómo agradecerlo (espero que este texto
aporte un poco), compañeras y compañeros de clase, de estudio y tardes de
biblioteca, con las que me he divertido tanto en descansos y que me han ayudado
a seguir adelante las largas sesiones de estudio en el CRAI o en la pecera; de piso,
con los que hemos lidiado ante problemas de la vida cotidiana preparándonos
para el día que echemos a volar y no dependamos de tuppers y ropa sin planchar;
y sobre todo de voleibol, ese deporte que me ha ayudado tanto a soportar tanto
la presión que he recibido en todo este tiempo, tantos golpes a la pelota
desquitándome de algún examen que ha salido mal, de una clase en la que no he
entendido nada, o alguna que otra discusión.
Agradecer a todos las profesoras y profesores que han tratado de
transmitirme lo máximo que han podido sus conocimientos. A Felipe Vico,
muchas por la confianza depositada en mí para poder llevar a cabo este proyecto,
y poder ahondar en un tema prácticamente desconocido para mí y del que creo
haber sacado bastantes conocimientos.
Y, por último, a Juan José y Luz Mery, gracias por sacrificaros tanto
durante estos años, por haber luchado y trabajado por darme un futuro digno,
por confiar en mí cada día, por confiar en que lograría tener un camino más fácil
que el que habéis recorrido vosotros. Espero que algún día podáis sentiros
orgullosos de vuestro hijo tanto como él lo está de vosotros. Os quiere, vuestro
hijo.
Trabajo final de Grado: Diseño y simulación de lentes
RESUMEN
Este proyecto se basa en el diseño y caracterización de tres lentes:
planoconvexa, heterogénea y lente de Fresnel planoconvexa. Estas forman junto
con una antena un sistema para mejorar la directividad y por otra parte realizar
la corrección de caminos y obtener un frente de ondas plano. Para ello son
modeladas mediante ecuaciones matemáticas, y después transcritas a un código
de programación que las evaluará mediante un algoritmo que calculará las
distribuciones del campo eléctrico y del frente de ondas dentro de un área
delimitada. También se dibujará el diagrama de radiación para analizar los
parámetros que se desean mejorar. Después de la caracterización de las lentes, se
le aplicará un filtro gaussiano en cada una de las lentes, con tal de mejorar aún
más la directividad u otros parámetros y proponiendo una nueva técnica de
diseño de lentes, basada en filtrado. La cantidad de variables disponibles para el
diseño de antenas deja cabida a realizar futuras ampliaciones a este proyecto con
el fin de conseguir mejores sistemas antena-lente.
PALABRAS CLAVE
Lente, foco, corrección de caminos, filtrado gaussiano, electromagnetismo
computacional
ABSTRACT
This Project is based on lenses design, three lenses: plane convex,
heterogeneous and Fresnel plane convex lens. These are joined in system with an
antenna to improve directivity and correction of wave front. First, lenses are
modelled by mathematics equations and implemented on a programming code,
the finality is an evaluation through algorithm to obtain an electric field
distribution on delimited area. Also, is plotted radiation path to analyse it
parameters. After characterization, is applied a gaussian filter in each lens, to
improve again directivity or other parameters. Finally, another characterization
forms are purposed according other parameters, lenses or filters. The number of
variables makes possible continue this project in future upgrades to obtain better
systems antenna-lenses.
KEYWORDS
Lens, focus, wave front correction, gaussian filter, computational
electromagnetism
1
Juan Gregorio Alarcón Vanegas
Trabajo final de Grado: Diseño y simulación de lentes
ÍNDICE DE CONTENIDOS
LISTADO DE FIGURAS .......................................................... 3
LISTADO DE TABLAS............................................................. 5
1. INTRODUCCIÓN ..................................................... 6
1.1. ESTRUCTURA DEL PROYECTO................................. 6
2. BASE TEÓRICA ......................................................... 7
2.1. PRINCIPIOS FÍSICOS .................................................... 7
2.1.1.1. REFLEXIÓN INTERNA TOTAL .......................................... 8
2.2. ANTENAS ......................................................................... 9
2.2.1.1. PARÁMETROS DEL DIAGRAMA DE RADIACIÓN .... 11
2.3. LENTES ............................................................................ 14
2.3.1. TIPOS DE LENTES .................................................................... 14
2.3.2. CORRECIÓN DE CAMINOS .................................................. 15
2.3.3. LENTES DE FRESNEL .............................................................. 16
2.4. FILTRADO GAUSSIANO Y CONVOLUCIÓN 2D 17
3. ALGORITMO UTILIZADO Y SIMULACIÓN . 19
3.1. CONDICIONES DE SIMULACIÓN.......................... 20
4. DISEÑO DE LENTES ............................................. 20
4.1. LENTE PLANOCONVEXA .......................................... 21
4.2. LENTE HETEROGÉNEA.............................................. 24
4.3. LENTE DE FRESNEL PLANOCONVEXA ................ 27
4.3.1. ANÁLISIS DEL ANCHO DE BANDA .................................. 28
4.4. COMPARACIÓN ENTRE LENTES ........................... 30
5. FILTRADO DE LENTES ........................................ 31
5.1. LENTE PLANOCONVEXA FILTRADA ................... 33
5.2. LENTE HETEROGÉNEA FILTRADA ....................... 36
5.3. LENTE DE FRESNEL PLANOCONVEXA
FILTRADA 38
6. EVALUACIÓN DEL FOCO .................................. 40
7. LINEAS FUTURAS ................................................. 42
8. CONCLUSIONES.................................................... 43
9. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA ..................... 44
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LISTADO DE FIGURAS
Fig. 1 Reflexión especular (izquierda) y reflexión difusa (derecha) ....................... 8
Fig. 2 Onda incidiendo sobre un medio con ángulo crítico, lo que provoca que se
desplace por la superficie del medio. ......................................................................... 8
Fig. 3 Rayo incidente sobre un medio con diferente índice de refracción ............. 9
Fig. 4 Diferentes tipos de antenas: Bocina rectangular (izquierda), bocina circular
con lente (centro) y dipolo (derecha) .......................................................................... 9
Fig. 5 Diagrama de radiación tridimensional omnidireccional ............................ 10
Fig. 6 Diagrama de radiación en coordenadas polares vertical (izquierda) y
horizontal (derecha) .................................................................................................... 10
Fig. 7 Diagrama de radiación en coordenadas cartesianas .................................... 11
Fig. 8 Diagrama de radiación cartesiano con los principales valores a obtener
señalados ....................................................................................................................... 11
Fig. 9 Diagramas de radiación en 3D isotrópico (izquierda), omnidireccional
(centro) y directivo (derecha) ..................................................................................... 12
Fig. 10 Eficiencia total a partir de la eficiencia de iluminación y desbordamiento
para un reflector con f/Da =0.25, cuya mayor eficiencia es 0.5 .............................. 13
Fig. 11 Recorrido de la onda desde el foco hasta la salida de la lente ................. 14
Fig. 12 Lentes planoconvexa (izquierda), biconvexa (centro), cóncavoconvexa
(derecha)........................................................................................................................ 14
Fig. 13 Recorrido de la onda desde el foco hasta la salida de la lente ................. 15
Fig. 14 Lentes planocóncava (izquierda), bicóncava (centro), convexa cóncava
(derecha)........................................................................................................................ 15
Fig. 15 Recorrido de las ondas esféricas hasta verse afectadas por el índice de
refracción de la lente, el cual producirá la igualación de caminos ....................... 16
Fig. 16 Transformación de una lente planoconvexa a una lente de Fresnel........ 17
Fig. 17 Representación en 3D dimensiones de una distribución gaussiana ........ 17
Fig. 18 Proceso de convolución bidimensional de dos matrices 3x3 .................... 18
Fig. 19 Simplificación de la matriz de filtrado a dos matrices unidimensionales.
........................................................................................................................................ 19
Fig. 20 Lente planoconvexa con los parámetros necesarios para calcular la
corrección de caminos ................................................................................................. 21
Fig. 21 Campo eléctrico en el área delimitada para una lente (izquierda) y
desplazamiento del frente de ondas (derecha)........................................................ 23
Fig. 22 Diagrama de radiación cartesiano de la lente planoconvexa ................... 23
Fig. 23 Permitividad eléctrica en función de la longitud de la lente .................... 24
Fig. 24 Lente heterogénea con los parámetros necesarios para calcular la
corrección de caminos ................................................................................................. 24
Fig. 25 Campo eléctrico en el área delimitada para la lente (izquierda) y
desplazamiento del frente de ondas(derecha)......................................................... 25
Fig. 26 Diagrama de radiación cartesiano de la lente heterogénea ...................... 26
Fig. 27 Índice de refracción variante según la posición de la lente ...................... 26
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Juan Gregorio Alarcón Vanegas
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LISTADO DE TABLAS
Tabla 1 Parámetros para calcular lente planoconvexa ........................................... 22
Tabla 2 Datos del diagrama de radiación de la lente planoconvexa .................... 23
Tabla 3 Parámetros predeterminados para la creación de la lente ....................... 25
Tabla 4 Datos del diagrama de radiación de la lente heterogénea ....................... 26
Tabla 5 Parámetros predeterminados para la lente de Fresnel ............................. 27
Tabla 6 Datos del diagrama de radiación de la lente de Fresnel .......................... 28
Tabla 7 Directividades máximas en cada lente filtrada en función de NN (filas) y
1/σ (columnas) .............................................................................................................. 34
Tabla 8 Directividades máximas en cada lente filtrada en función de NN (filas) y
1/σ (columnas) .............................................................................................................. 37
Tabla 9 Directividades máximas en cada lente filtrada en función de NN (filas) y
1/σ (columnas) .............................................................................................................. 38
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Juan Gregorio Alarcón Vanegas
Trabajo final de Grado: Diseño y simulación de lentes
1. INTRODUCCIÓN
Una lente es un sistema óptico con dos superficies refractantes que
generalmente posee un índice de refracción diferente al del medio en el que se
trabaja por el que puede entrar una onda incidente y ser desviada en diferentes
direcciones. Son clasificadas en convergentes y divergentes (2.3.1), de acuerdo
con la forma en la que refractan la onda incidente. Además, las superficies
refractantes pueden ser de tres tipos, convexa, cóncava y plana.
Las lentes son usadas en el campo de telecomunicaciones como elementos
complementarios a una antena que permiten generar superficies radiantes con
campos en fase1. Un elemento similar a las lentes son los reflectores, elementos
que se encargan de recibir una señal y por medio de una reflexión en su superficie
enviarla en dirección a una antena receptora. La diferencia principal entre lentes
y reflectores es la propiedad física en la que se basan, las primeras en la refracción
(2.1.1), y los segundos en la reflexión (2.1.2).
En este proyecto se analizarán tres tipos de lentes, planoconvexa, heterogénea
y lente de Fresnel, y como su complementación junto con una antena pueden
crear un diagrama de radiación (2.2.3) bastante directivo. Para la simulación y
caracterización de las lentes se ha tomado como base un algoritmo (3)
programado por el profesor Felipe Vico en MATLAB, un software de cálculo
matemático muy utilizado en el campo de la ingeniería. El programa aportado
ha sido ampliado y modificado para poder recabar datos y generar gráficas que
servirán para analizar el comportamiento de las lentes.
Los cálculos usados en este proyecto se realizan en unidades adimensionales
para así tener la mayor escalabilidad posible, siendo el límite la fabricación final
de las lentes.
2. BASE TEÓRICA
2.1. PRINCIPIOS FÍSICOS
2.1.1. REFLEXIÓN
Fig. 2 Onda incidiendo sobre un medio con ángulo crítico, lo que provoca que se desplace por la
superficie del medio.
2.1.2. REFRACCIÓN
Para calcular el ángulo de refracción se hace uso de las leyes de Snell, las
cuáles relacionan, el ángulo de incidencia, el primero, y los índices de refracción
de ambos medios (3). También puede usarse la velocidad para realizar el cálculo,
puesto que el índice de refracción es la relación entre la velocidad de la luz en el
vacío y la velocidad de la luz en el medio que se esté utilizando (4).
𝑠𝑒𝑛 𝜃2 𝑛1 𝑣2 (3)
= =
𝑠𝑒𝑛 𝜃1 𝑛2 𝑣1
𝑐 (4)
𝑛=
𝑣
2.2. ANTENAS
Fig. 4 Diferentes tipos de antenas: Bocina rectangular (izquierda), bocina circular con lente
(centro) y dipolo (derecha)
10
Juan Gregorio Alarcón Vanegas
Trabajo final de Grado: Diseño y simulación de lentes
Fig. 8 Diagrama de radiación cartesiano con los principales valores a obtener señalados
11
Juan Gregorio Alarcón Vanegas
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2.2.2. DIRECTIVIDAD
𝑃𝑎 (7)
𝜂𝑠 =
𝑃𝑟
𝐴𝑒𝑓 (8)
𝜂𝑖𝑙 =
𝐴𝑔𝑒𝑜𝑚
2.3. LENTES
Una lente en el área de telecomunicaciones es un elemento con una
constante de propagación distinta al aire que permite realizar una igualación de
los caminos procedentes de un punto emisor7. El uso de una lente sobre una
antena permite concentrar la radiación de la segunda sobre una determinada
dirección o región del espacio, es por ello por lo que los elementos refractantes,
las lentes, se sitúan en frente del foco radiador.
Una antena al emitir una señal, esta recorre diferentes distancias hasta
incidir en una lente, si trata del tipo convergente, llegará antes al centro que, a los
extremos, en caso de un tipo divergente, será, al contrario, primero a los extremos
y después al centro.
La lente tiene un índice de refracción mayor al del medio de propagación,
por lo que en su interior la onda viajará a una velocidad menor. En las partes en
las que es más ancha, la señal, estará más tiempo viajando a una velocidad menor.
A la salida, todos los rayos que entraron saldrán perpendiculares al plano normal
y paralelos entre si. Además, para que viajen al mismo tiempo, la lente ha de
tener unas dimensiones específicas, de acuerdo con el tamaño que se desea que
15
Juan Gregorio Alarcón Vanegas
Trabajo final de Grado: Diseño y simulación de lentes
Fig. 15 Recorrido de las ondas esféricas hasta verse afectadas por el índice de refracción de la
lente, el cual producirá la igualación de caminos
16
Juan Gregorio Alarcón Vanegas
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1 𝑥 2 +𝑦2 (11)
−
𝐺(𝑥, 𝑦) = 𝑒 2𝜎2
2𝜋𝜎 2
iltering_1up.pdf> Pág. 22
17
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1 4 7 4 1
1 4 16 26 16 4
7 26 41 26 7
273
4 16 26 16 4
[1 4 7 4 1]
10 http://www.songho.ca/dsp/convolution/convolution2d_example.html
18
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11
VICO, F. et al (2016) “Fast convolution with free-space Green´s functions” en Journal
of Computational Physics. vol. 323, p. 191-203
12CAMBRIDGE, “Iterative Krylov methods for large linear systems” en Cambridge
Monographs on Applied and Computational Mathematics. Pág. 133.
13 https://es.mathworks.com/help/matlab/ref/fft.html
19
Juan Gregorio Alarcón Vanegas
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4. DISEÑO DE LENTES
Se han diseñado tres lentes, que realizan la corrección de caminos de
distintas maneras: lente planoconvexa, lente heterogénea y lente de Fresnel
planoconvexa. Todas ellas tienen situado el foco fuera del plano de simulación,
debido a que al este la fuente de emisión, genera un campo electromagnético
mucho mayor que el que se tiene en la lente, lo cual, al representarlas, haría que
no se apreciarían correctamente.
Para la simulación de las lentes, se ha creado una función llamada
disenyaLente, a la cual se le indica el tipo de lente a ejecutar, la frecuencia y el
número de muestras, al indicar dichos parámetros la función preguntará por un
nombre de archivo de guardado y ejecutará el algoritmo. Tras su ejecución de se
muestra la distribución del campo eléctrico en el exterior de la lente, la corrección
de caminos, el campo en el interior de la lente y el diagrama de radiación a la
salida de la lente. Además, se guardan dos archivos con el mismo nombre, el
indicado previamente.
- Archivo de figuras ( .fig): Se guardan las figuras anteriormente
mencionadas. Cuando se realice el filtrado se guardarán además otro tipo
de gráficas (5).
- Archivo de datos ( .mat): Guarda diferentes valores necesarios para la
obtención de las figuras, la matriz con los índices de refracción, y algunos
valores útiles para evaluar el funcionamiento del algoritmo. Este archivo
puede utilizarse para generar otros tipos de gráficas o análisis.
20
Juan Gregorio Alarcón Vanegas
Trabajo final de Grado: Diseño y simulación de lentes
Fig. 20 Lente planoconvexa con los parámetros necesarios para calcular la corrección de caminos
En los vértices la onda incide y se desvía sin llegar a entrar a la lente, solo
la toca, por lo que el tiempo que se tarda desde el foco hasta ese extremo es
𝑠 √𝑃2 + 𝐷2 (13)
𝑡𝑒𝑥𝑡 = =
𝑣 𝑐𝑜
el tiempo en los extremos ha de ser igual que en el interior de la lente, por lo que
ambas fórmulas pueden ser igualadas
21
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Trabajo final de Grado: Diseño y simulación de lentes
√𝑃2 + 𝐷2 = 𝑇 (17)
2
2 2
(𝑇 − 𝑑(𝑦)√𝜀) = (√𝑦 2 + (𝑃 − 𝑑(𝑦)) ) (18)
ε 2
22
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Fig. 21 Campo eléctrico en el área delimitada para una lente (izquierda) y desplazamiento del
frente de ondas (derecha)
NLPS - 12.3dB
F/S -25.45 dB
Tabla 2 Datos del diagrama de radiación de la lente planoconvexa
23
Juan Gregorio Alarcón Vanegas
Trabajo final de Grado: Diseño y simulación de lentes
Fig. 24 Lente heterogénea con los parámetros necesarios para calcular la corrección de caminos
√𝑃2 + 𝑅 2 𝑎 (21)
𝑡𝑒𝑥𝑡 = +
𝑐0 𝑐0
√𝑃 + (𝑦 − 𝑦𝑜 )2 𝑎√𝜀(𝑦) (22)
𝑡𝑖𝑛𝑡 = 𝑡1 + 𝑡2 = +
𝑐𝑜 𝑐𝑜
Una vez más se necesita igualar los tiempos en los extremos como en el
interior de la lente.
24
Juan Gregorio Alarcón Vanegas
Trabajo final de Grado: Diseño y simulación de lentes
Fig. 25 Campo eléctrico en el área delimitada para la lente (izquierda) y desplazamiento del
frente de ondas(derecha)
Se obtiene el diagrama de radiación del sistema lente junto con el del foco
(Fig. 26), por lo que se puede ver como al utilizar la lente, se gana directividad,
pero se pierde del cual se recogen los siguientes datos (Tabla 4):
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Juan Gregorio Alarcón Vanegas
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NLPS - 12.9dB
F/S -20.74 dB
Tabla 4 Datos del diagrama de radiación de la lente heterogénea
Además, se representa una figura que muestra como varía ε (Figura 27)
respecto a los puntos de resolución, teniendo el máximo en el centro y los
mínimos en los extremos, la forma de la gráfica es similar a la de una lente
planoconvexa.
26
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Fig. 28 Campo eléctrico en el área delimitada para la lente (izquierda) y desplazamiento del
frente de ondas (derecha)
27
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NLPS - 10.8267 dB
F/S -28.1 dB
Tabla 6 Datos del diagrama de radiación de la lente de Fresnel
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Fig. 30 Valores máximos de directividad para diferentes valores de k, siendo la central 20.
29
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5. FILTRADO DE LENTES
Debido a que las lentes pueden presentar bordes abruptos, se opta por
suavizarlas tratando de conservar o mejorar su directividad. En este caso se ha
optado por un filtro gaussiano (2.5). Para implementarlo se ha creado una
función que realiza dicho proceso tratando la lente como si fuera una imagen, la
cual contiene los valores del índice de refracción de la lente.
Con la ayuda de la función gausswin14, la cual crea una distribución
gaussiana, se eligen los coeficientes del filtro y un valor llamado α, que es la
inversa de la desviación estándar σ (1/α). El primer valor indica cuantos
coeficientes se escogerán, y el segundo cuáles, ya que, a mayor desviación
estándar, mayor estrechamiento y viceversa (Fig. 32). Para evitar tener dos
valores máximos en la distribución, al llamar al comando, el valor dado se
multiplica por 2 y se le suma 1, esto garantiza tener valores desde 3, ya que 2 es
un número par y 1 no genera ninguna función. Por lo tanto, al llamar al indicar
valores a la función, los tomará como: gausswin(2NN+1, 1/σ).
Fig. 32 Ejemplos de distribuciones gaussianas creadas mediante gausswin. NN= 100 y 1/σ= 1 (izquierda)
NN=100 y 1/σ=100 (derecha)
14 https://es.mathworks.com/help/signal/ref/gausswin.html?s_tid=doc_ta
15 https://es.mathworks.com/help/matlab/ref/conv2.html
31
Juan Gregorio Alarcón Vanegas
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Fig. 33 Lente planoconvexa sin filtrado (izquierda) y lente filtrada con NN=10 y 1/σ =2.5 (derecha)
- Un solo valor para NN y varios para σ: Se muestra una figura con los
valores máximos de directividad por cada σ y la lente original sin filtrar.
En un archivo .fig se guardan todos los datos previamente mencionados,
junto con la representación de los diagramas de radiación, las lentes
filtradas y la representación del campo eléctrico y la igualación de
caminos.
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Trabajo final de Grado: Diseño y simulación de lentes
- Varios valores para NN y uno para σ: Se muestra una figura con los
valores máximos de directividad por cada NN y la lente original. En un
archivo .fig se guardan todos los datos previamente mencionados, junto
con la representación de los diagramas de radiación, las lentes filtradas y
la representación del campo eléctrico y la igualación de caminos.
- Varios valores para NN y varios para σ: Se muestra una figura por cada
NN y en ellas se almacenan los diagramas de radiación por cada σ, una
figura con los valores máximos de directividad en forma de gráfica y otra
en forma de tabla, por último, se muestra la lente original. En un archivo
.fig se guardan todos los datos previamente mencionados, además de las
lentes filtradas en 3D y la representación del campo eléctrico y la
igualación de caminos.
Los valores simulados son los que son los marcados como asterisco, las
rectas son productos de la interpolación entre puntos hecha por MATLAB, por lo
que la hacer una simulación entre dos puntos, como por ejemplo NN= 13, entre
10 y 15, se tendrá un valor de directividad máxima al reflejado en las gráficas de
directividades.
Una solución óptima para ambos valores (NN y 1/σ) es posible, pero
debido a que la técnica es novedosa no se pueden elegir unos valores de
referencia a partir de los cuáles comenzar el estudio. Por ello se deciden usar
valores enteros, con los que se podrán realizar acotaciones en más profundidad.
33
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Trabajo final de Grado: Diseño y simulación de lentes
Tabla 7 Directividades máximas en cada lente filtrada en función de NN (filas) y 1/σ (columnas)
Fig. 36 Diagrama de radiación comparativo entre las lentes filtradas que ofrecen la mayor directividad
con la lente sin filtrar
En la figura 37, obtenida en 3D, pero rotada para una mejor observación
se ve como varía el índice de refracción en las lentes en los bordes, pero al tener
una mayor desviación estándar que la otra, el tránsito de 0 a 1 se hace con más
suavidad. En la lente original no existe tal cambio suavizado de medio, es decir,
cuando se pasa de un medio a otro, se pasa de 0 a 1 instantáneamente.
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Fig. 37 Lentes filtradas NN= 10, 1/σ= 2 ( arriba izquierda),NN= 20, 1/σ= 5 (arriba derecha) y lente sin filtrar
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Fig. 39 Lente heterogénea sin filtrar (izquierda) y lente filtrada para NN= 4 y 1/σ= 2
Observar las lentes desde el eje Y puede ser más complicado debido a que
la lente heterogénea en su propia definición ya toma en cuenta la variación del
índice de refracción, y en este caso se ha situado en dicho eje.
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Tabla 8 Directividades máximas en cada lente filtrada en función de NN (filas) y 1/σ (columnas)
Fig. 40 Comparación de la lente sin filtrar con la lente que ofrece el mejor filtrado
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Tabla 9 Directividades máximas en cada lente filtrada en función de NN (filas) y 1/σ (columnas)
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7. LINEAS FUTURAS
Debido a la cantidad de variables que pueden ser modificadas en la parte
de la lente, queda abierta la posibilidad de seguir mejorando la directividad en
base al cambio de otros parámetros como pueden ser el tamaño de la lente, su
índice de refracción, la distancia al foco, usar otro tipo de lentes convergentes
(2.3.1). También cabría la posibilidad de cambiar el filtro gaussiano por algún
otro, como puede ser un filtro de media o filtro binomial.
Podrían diseñarse además lentes negativas, es decir, lentes con índice de
refracción (n) menores que 1. Estás lentes se pueden conseguir mediante
dieléctricos artificiales, los cuáles no tienen equivalentes ópticos.
Como pueden combinarse todos los parámetros anteriores, sería factible
incluso el desarrollo de una IA que diseñe las lentes, pudiendo usar métodos
como el backtracking16 o el uso de un algoritmo genético17 que permitan la
optimización de las lentes expuestas en este proyecto.
16 https://www.cis.upenn.edu/~matuszek/cit594-2012/Pages/backtracking.html
17 https://es.mathworks.com/help/gads/what-is-the-genetic-algorithm.html
18 Imbert i Villà, Marc (2016) “Inhomogeneous Dielectric Flat Lens Principles and Design”
8. CONCLUSIONES
Los objetivos fijados en este proyecto fueron el desarrollo de 3 tipos de
lentes, modeladas a partir de modelos matemáticos que cumplieran con la
corrección de caminos. Todas ellas fueron evaluadas mediante el algoritmo (3)
Fast convolution with free-space Green’s functions en combinación con un programa
que permitió el análisis de los datos recabados, tales como la forma de la lente,
almacenada en una matriz, tiempos de cómputo, distribución de los campos
eléctricos, corrección de caminos, formación de los distintos diagramas de
radiación y las comparaciones necesarias para destacar una lente sobre otra o
saber si el modelado había sido el adecuado o no. Para permitir un análisis y sin
necesitar una segunda ejecución del código, se almacenar los parámetros
esenciales para recrear de nuevo las lentes o elementos deseados.
Se ha observado y analizado como varía el diagrama de radiación en
función de un elemento debido a que la forma de igualación de caminos se basa
en diferentes parámetros, en la lente planoconvexa depende de la curvatura de
la lente, la lente heterogénea, del índice de refracción, y la lente de Fresnel de la
frecuencia de trabajo a partir de una planoconvexa, debido a esa dependencia, se
analizó su comportamiento, para así estimar un correcto ancho de banda.
Posteriormente, se ha procedido a utilizar una técnica de filtrado espacial
sobre las lentes, de la cual no hay constancia previa al momento de la redacción.
Este proceso hace que el cambio de medio sea una transición más suave, a partir
de variar el índice de refracción poco a poco. Como el filtro puede ser modificado,
las combinaciones posibles son infinitas. En este filtrado se ha primado por
observar los elementos que han ofrecido una mejor directividad máxima, en
cambio también es posible que lo que se busque sea mejorar otro parámetro,
como pueden ser la separación entre el lóbulo principal y el secundario, NLPS,
los anchos de haz, la relación delante-detrás o alguno de los otros parámetros
mencionados en el apartado 2.2.1.1.
Por último, se han propuesto una serie de líneas futuras de investigación
en el campo de lentes aplicadas a antenas, ya que son diversas las formas en las
que puede seguir este proyecto, desde buscar nuevas formas de lentes a usar
técnicas distintas de filtrado, así como tratar de automatizar el proceso de
búsqueda de lentes óptimas a partir de IAs, e incluso a utilizar métodos
fabricación aún en fase de investigación que permitan desarrollar lentes más
complejas en cuanto a diseño se refiere.
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Juan Gregorio Alarcón Vanegas
Trabajo final de Grado: Diseño y simulación de lentes
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