Design strategies for electrically small antennas, actively matched with non-foster elements

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dc.contributor.advisor Segovia Vargas, Daniel
dc.contributor.author Albarracín Vargas, Luis Fernando
dc.date.accessioned 2017-09-21T13:43:42Z
dc.date.available 2017-09-21T13:43:42Z
dc.date.issued 2017-07
dc.date.submitted 2017-07-18
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10016/25311
dc.description Mención Internacional en el título de doctor
dc.description.abstract During the last years, some researchers have been working on active matching or on non-Foster matching networks for electrically small antennas (ESAs), in response to the vertiginous increase in demand for compact devices working in multiband platforms. The inclusion of non- Foster networks allows broad bandwidths at lower frequencies, overcoming the inherent limitations derived from the high-quality factor (Q) property of ESAs. Thus, the development of multiband antennas with an engineered lower broadband obtained by embedding an active non- Foster matching network (MN) is one of the primary objectives addressed in this work. Such non-Foster MNs are implemented by using Negative Impedance Converters (NICs), introduced many years ago to realize negative capacitors or negative inductors that disobey the Foster's reactance theorem. In this sense, an integral design methodology of actively matched ESAs with embedded non-Foster elements is proposed and developed. This design method takes into account the operating parameters inherent to a radiating element, such as efficiency and radiation pattern, impedance matching, realizability, and stability. A new parameter (called Sens) on the sensitivity of the ESA when loaded with a non-Foster form is introduced. This sensitivity analysis will allow us to choose not only the kind of antennas that can be properly matched with non-Foster networks but also the most suitable position of such networks into the antenna structure, in order to optimize the performance of the design. The design methodology can be easily extended to any type of antenna, disregarding its electrical size. Two electrically small antennas are presented as design examples in which the proposed design strategy is applied. First, a printed small semiloop antenna, which is resonant at 1200 MHz, is loaded with an embedded MOSFET-based NIC, resulting in a new lower-band with a fractional bandwidth (FBW) of 119% (centered at 117 MHz). Second, a blade-type monopole, whose resonant frequency is around 300 MHz, is loaded with an embedded non-Foster MN, resulting in a new working band whose FBW of 82% (centered at 85 MHz). The notable results in terms of impedance bandwidth and miniaturization level encouraged us to keep seeking for solutions for radiation pattern changes and added noise issues. Finally, the proposed design strategy is applied to fewelement antenna arrays to obtain a multiband performance, keeping unchanged the natural response of the host structure (i.e. around its resonant frequency).
dc.description.abstract Durante los últimos años, algunos investigadores han venido trabajando en la inclusión de redes de adaptación tipo non-Foster en antenas eléctricamente pequeñas (Electrically Small Antennas, ESA). Esto en respuesta a la creciente demanda de dispositivos compactos, que funcionen a diferentes bandas de frecuencia, como parte de los modernos sistemas y plataformas multibanda. La consecución de sistemas compactos y de banda ancha, así como la obtención de múltiples frecuencias de trabajo han sido uno de los objetivos primarios de la presente tesis doctoral. La inclusión de estructuras non-Foster, que reciben este nombre debido a que no obedecen a las propiedades establecidas por el teorema de R. M. Foster en 1924, permite el ensanchamiento de la banda de adaptación de impedancia o la obtención de una banda adicional para una misma estructura radiante. Dentro de los circuitos más representativos de las redes non-Foster se encuentran los Convertidores de Impedancia Negativa (Negative Impedance Converter, NIC), comúnmente implementados con transistores, a través de los cuales es posible la implementación de inductores o de condensadores “negativos”. La realización de una impedancia “negativa” por medio de un NIC, es de vital importancia en la adaptación de la impedancia de antena en banda ancha que se busca en este trabajo. En este sentido, se hace necesario establecer una metodología de diseño de este tipo de antenas, que tenga en cuenta los parámetros de funcionamiento inherentes a un elemento radiante, como son: eficiencia y diagrama de radiación, adaptación de impedancias, factibilidad y estabilidad. Esto, a través del análisis de la sensibilidad a la ubicación de puertos (propuesto en este proyecto), análisis de estabilidad del sistema completo (antena y red de adaptación activa), análisis de distribución de corrientes etc., hace que la estrategia de diseño que se pretende desarrollar y describir pueda resultar una herramienta realmente útil en el diseño de las mencionadas antenas. El parámetro de sensibilidad, Sens, introducido en este trabajo, otorga al diseñador un criterio de selección cuantitativo con respecto a qué tipo de antena puede, en efecto, ser adaptada con elementos non-Foster y la posición misma de _estos dentro de la estructura. De este modo, el parámetro Sens constituye una herramienta de optimización del desempeño del sistema radiante diseñado. Adicionalmente, cabe mencionar que la metodología de diseño propuesta y desarrollada en esta tesis puede ser aplicada a cualquier tipo de antena, sin importar su naturaleza ni su tamaño en términos eléctricos. Luego de desarrollada y descrita la metodología |estrategia| de diseño, se presentan dos antenas eléctricamente pequeñas a manera de ejemplos de diseño. La primera consiste en un semilazo impreso sobre un dieléctrico, resonante a 1200 MHz, cargado con un NIC compuesto de transistores MOSFET. Como resultado, se obtiene una nueva banda de trabajo cuyo ancho de banda de adaptación relativo (FBW) es de 119% (centrado en 117 MHz). La segunda antena ejemplo consiste en un monopolo ensanchado, tipo aleta (blade-monopole), en cuya estructura es embebida una red de adaptación activa, basada también en transistores MOSFET. En este segundo caso, se obtuvo una banda adicional con un FBW de 82% (centrado en 85 MHz). Los notables resultados en términos de adaptación de impedancia y de nivel de miniaturización de las estructuras radiantes, alentaron al autor a continuar con la búsqueda de alternativas de solución a los cambios en el diagrama de radiación observados y a el nivel de ruido adicionado por la red activa embebida. Finalmente, la estrategia de diseño descrita es aplicada a arreglos (arrays) de antenas de pocos elementos, en busca de obtener un comportamiento multibanda en el que la banda incluida comprenda frecuencias a las que toda la estructura es eléctricamente pequeña.
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso eng
dc.rights Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
dc.subject.other Electrically small antennas
dc.subject.other ESAs
dc.subject.other Non-Foster matching network
dc.subject.other Negative impedance converters
dc.subject.other NICs
dc.subject.other Sensitivity analysis
dc.subject.other Sens
dc.title Design strategies for electrically small antennas, actively matched with non-foster elements
dc.type doctoralThesis
dc.subject.eciencia Telecomunicaciones
dc.rights.accessRights openAccess
dc.description.degree Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y Comunicaciones
dc.description.responsability Presidente: Milos Mazánek.- Secretario: Luis Enrique García Muñoz.- Vocal: Marco A. Antoniades
dc.contributor.departamento Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones
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