Resumen de la tesis que presenta Juan Luis Valle Peñuelas como requisito parcial para la obtención
del grado de Doctor en Ciencias en Electrónica y Telecomunicaciones con orientación en Telecomunicaciones
Metaheurísticas de optimización aleatoria para el diseño de arreglos de antenas planares en fase con aplicaciones satelitales
Resumen aprobado por:
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Dr. Marco Antonio Panduro Mendoza
Director de tesis
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Resumen en español
El presente trabajo de investigación doctoral se centra en el desarrollo y comparación de metodologías computacionales basadas en metaheurísticas aleatorias para el diseño eficiente de arreglos de antenas planares en fase, orientados a aplicaciones en sistemas de internet satelital en la banda Ku. El objetivo principal es diseñar arreglos capaces de escanear el haz principal en amplios rangos angulares, minimizando simultáneamente la cantidad de desfasadores requeridos, con el fin de reducir los costos, la complejidad y las pérdidas asociadas en la red de alimentación, sin comprometer las características esenciales de radiación. Para ello, se propone la implementación de tres enfoques: el diseño a partir de arreglos lineales, la fusión de subarreglos adyacentes y la generación de patrones de teselado bio-inspirados en la secuencia de Fibonacci. Cada método se formaliza mediante algoritmos aleatorios que exploran exhaustivamente los espacios de búsqueda y permiten la obtención de configuraciones óptimas bajo criterios de directividad, ancho de haz y nivel de lóbulos laterales. Los resultados experimentales muestran que las técnicas de fusión de subarreglos y teselado con restricciones permiten reducir hasta en un 75% el número de desfasadores necesarios, manteniendo niveles de radiación y escaneo compatibles con los estándares requeridos en aplicaciones satelitales. El análisis comparativo evidencia la eficiencia de los enfoques propuestos, destacando que la metodología basada en la sucesión de Fibonacci aporta beneficios adicionales en simetría y simplicidad de implementación. Finalmente, se concluye que el uso de metaheurísticas aleatorias representa una estrategia viable y flexible para afrontar el diseño de arreglos de antenas en fase de gran tamaño y alta demanda de desempeño, abriendo nuevas posibilidades para el desarrollo de sistemas avanzados en telecomunicaciones satelitales.
El presente trabajo de investigación doctoral se centra en el desarrollo y comparación de metodologías computacionales basadas en metaheurísticas aleatorias para el diseño eficiente de arreglos de antenas planares en fase, orientados a aplicaciones en sistemas de internet satelital en la banda Ku. El objetivo principal es diseñar arreglos capaces de escanear el haz principal en amplios rangos angulares, minimizando simultáneamente la cantidad de desfasadores requeridos, con el fin de reducir los costos, la complejidad y las pérdidas asociadas en la red de alimentación, sin comprometer las características esenciales de radiación. Para ello, se propone la implementación de tres enfoques: el diseño a partir de arreglos lineales, la fusión de subarreglos adyacentes y la generación de patrones de teselado bio-inspirados en la secuencia de Fibonacci. Cada método se formaliza mediante algoritmos aleatorios que exploran exhaustivamente los espacios de búsqueda y permiten la obtención de configuraciones óptimas bajo criterios de directividad, ancho de haz y nivel de lóbulos laterales. Los resultados experimentales muestran que las técnicas de fusión de subarreglos y teselado con restricciones permiten reducir hasta en un 75% el número de desfasadores necesarios, manteniendo niveles de radiación y escaneo compatibles con los estándares requeridos en aplicaciones satelitales. El análisis comparativo evidencia la eficiencia de los enfoques propuestos, destacando que la metodología basada en la sucesión de Fibonacci aporta beneficios adicionales en simetría y simplicidad de implementación. Finalmente, se concluye que el uso de metaheurísticas aleatorias representa una estrategia viable y flexible para afrontar el diseño de arreglos de antenas en fase de gran tamaño y alta demanda de desempeño, abriendo nuevas posibilidades para el desarrollo de sistemas avanzados en telecomunicaciones satelitales.
Palabras clave: arreglos de antenas planares, metaheurísticas aleatorias, fusión de subarreglos, sucesión de Fibonacci, diseño de antenas, desfasadores, internet satelital, banda Ku, optimización, telecomunicaciones.
Resumen en inglés
This doctoral research focuses on the development and comparison of computational methodologies based on random metaheuristics for the efficient design of planar phased antenna arrays, specifically targeting applications in satellite internet systems operating in the Ku-band. The main objective is to design arrays capable of scanning the main beam across wide angular ranges while simultaneously minimizing the number of required phase shifters, thus reducing costs, complexity, and associated losses in the feed network, without compromising essential radiation characteristics. To achieve this, three approaches are proposed: design based on linear arrays, the fusion of adjacent subarrays, and the generation of tiling patterns inspired by the Fibonacci sequence. Each method is formalized through random algorithms that thoroughly explore the solution space and enable the identification of optimal configurations according to directivity, beamwidth, and side lobe level criteria. Experimental results demonstrate that subarray fusion techniques and restricted tiling can reduce the number of required phase shifters by up to 75%, while maintaining radiation and scanning levels compatible with satellite application standards. Comparative analysis highlights the efficiency of the proposed strategies, emphasizing that the Fibonacci based approach provides additional benefits in terms of symmetry and simplicity of implementation. Ultimately, the use of random metaheuristics is shown to be a viable and flexible strategy for addressing the design of large scale, high-performance phase antenna arrays, opening new possibilities for the advancement of satellite telecommunications systems.
This doctoral research focuses on the development and comparison of computational methodologies based on random metaheuristics for the efficient design of planar phased antenna arrays, specifically targeting applications in satellite internet systems operating in the Ku-band. The main objective is to design arrays capable of scanning the main beam across wide angular ranges while simultaneously minimizing the number of required phase shifters, thus reducing costs, complexity, and associated losses in the feed network, without compromising essential radiation characteristics. To achieve this, three approaches are proposed: design based on linear arrays, the fusion of adjacent subarrays, and the generation of tiling patterns inspired by the Fibonacci sequence. Each method is formalized through random algorithms that thoroughly explore the solution space and enable the identification of optimal configurations according to directivity, beamwidth, and side lobe level criteria. Experimental results demonstrate that subarray fusion techniques and restricted tiling can reduce the number of required phase shifters by up to 75%, while maintaining radiation and scanning levels compatible with satellite application standards. Comparative analysis highlights the efficiency of the proposed strategies, emphasizing that the Fibonacci based approach provides additional benefits in terms of symmetry and simplicity of implementation. Ultimately, the use of random metaheuristics is shown to be a viable and flexible strategy for addressing the design of large scale, high-performance phase antenna arrays, opening new possibilities for the advancement of satellite telecommunications systems.
Palabras clave: antenna arrays, random metaheuristics, subarray fusion, Fibonacci sequence, antenna design, phase shifters, satellite internet, Ku-band, optimization, telecommunications.