ES2327650T3 - Celda desfasadora de polarizacion lineal y de longitud de resonancia variable por medio de conmutadores mems. - Google Patents
Celda desfasadora de polarizacion lineal y de longitud de resonancia variable por medio de conmutadores mems. Download PDFInfo
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Abstract
Celda desfasadora (CD), para una red de antena reflectora, definida por una longitud de resonancia característica, caracterizada porque comprende una estructura plana de resonancia que contiene un bloque superior (PS) colocado sensiblemente en paralelo a un plano de masa inferior (PM1), a una distancia seleccionada, y porque comprende, en al menos un lugar seleccionado, al menos un dispositivo electromecánico micrónico de tipo MEMS (DC, DC'') controlando la longitud de resonancia característica de dicho bloque superior (PS), el dispositivo MEMS, pudiendo ser colocado en al menos dos estados diferentes permitiendo y prohibiendo respectivamente el establecimiento de un cortocircuito destinado a hacer variar dicha longitud de resonancia, de manera de hacer variar el desfasaje de una onda a reflejar presentando al menos una polarización lineal.
Description
Celda desfasadora de polarización lineal y de
longitud de resonancia variable por medio de conmutadores MEMS.
La invención se refiere al campo de las redes de
antenas reflectoras (o "reflejarray antennas"), y más
particularmente a las celdas desfasadoras que componen tales
antenas.
Las redes de antena reflectora constituyen una
de las dos principales familias de redes de antena, estando
compuesta la otra familia por redes de antenas con control de fase
(o "Phased Array Antennas"). Estas redes de antenas son
particularmente interesantes debido a que pueden ser reconfiguradas,
por ejemplo para permitir el paso de una zona de cobertura (o
"spot") a otra.
Una red de antena reflectora está constituida
por elementos radiantes encargados de interceptar ondas con
pérdidas mínimas, conteniendo señales a transmitir, enviadas por una
fuente primaria, con el fin de reflejarlas en una dirección
seleccionada, llamada dirección diana. Con el fin de permitir la
reconfigurabilidad del diagrama de antena, cada elemento radiante
está equipado con un dispositivo de control de fase con el cual este
constituye una celda desfasadora pasiva o activa.
Por "celda desfasadora" se entiende en este
caso tanto las estructuras de cavidad y ranuras de radiación como
las estructuras planas de resonancia con bloque radiante (o
"patch").
La invención está orientada más particularmente
a las celdas desfasadoras activas, de polarización lineal. Éstas
contienen generalmente una celda desfasadora provista ya sea de un
interruptor (o conmutador) constituido por diodos (generalmente de
tipo PIN) o de MES-FET, o también varactores, ya sea
de medios de mando mecánico (como por ejemplo un motor encargado de
desplazar una barra de dieléctrico).
Las celdas desfasadoras con interruptor consumen
una importante cantidad de energía y son objeto de pérdidas
significativas y de calentamientos. Las celdas desfasadoras con
mando mecánico son difíciles de poner en marcha, particularmente
las redes de grandes tamaños, y son consumidoras de energía. Tanto
en un caso como en el otro, los inconvenientes inducidos por las
técnicas de control de fase utilizadas limitan las aplicaciones de
las celdas desfasadoras, particularmente en el campo espacial y más
específicamente en las plataformas de observación como por ejemplo
los satélites.
La invención tiene entonces por objetivo mejorar
la situación en el caso de las redes de antenas reflectoras con
celdas desfasadoras activas de polarización lineal.
Esta propone a tal efecto una celda desfasadora
presentando una longitud de resonancia característica que y
comprende en al menos un lugar seleccionado un dispositivo
electromecánico micrónico, de tipo MEMS (por "Micro
ElectroMechanical System"), que puede ser colocado en al menos
dos estados diferentes permitiendo y prohibiendo respectivamente el
establecimiento de un cortocircuito destinado a hacer variar la
longitud de resonancia característica, con el fin de hacer variar
el desfasaje de las ondas a reflejar que presentan al menos una
polarización lineal.
Cada dispositivo MEMS puede por ejemplo contener
un puente flexible conductor cuyos estados son controlados por dos
electrodos de mando sensiblemente superpuestos y uno de los cuales
está constituido por el puente. Como variante, cada dispositivo
MEMS puede contener una viga flexible conductora suspendida (o
"cantilever") cuyos estados son controlados por un electrodo
de mando colocado por debajo de su parte suspendida.
La celda de acuerdo con la invención comprende
una estructura plana de resonancia que contiene al menos un bloque
superior rectangular colocado sensiblemente en paralelo a un plano
de masa inferior, a una distancia seleccionada, el plano de masa
inferior definiendo al menos una "pastilla" conductora, por
ejemplo rectangular, integralmente rodeada de una zona no
conductora, colocada por debajo del bloque superior y de
dimensiones inferiores a la suya. En este caso, la celda contiene al
menos un pasaje metálico que conecta el bloque superior con la
pastilla, y el dispositivo MEMS es colocado al nivel de la zona no
conductora con el fin de establecer en uno de sus estados una
conexión entre la pastilla y el resto del plano de masa para
controlar la longitud de resonancia del bloque superior.
El plano de masa inferior puede eventualmente
definir al menos dos pastillas (por ejemplo rectangulares)
integralmente rodeadas de una zona no conductora, colocadas por
debajo del bloque superior y de dimensiones inferiores a las suyas.
En este caso, la celda contiene al menos dos pasajes metálicos que
conectan respectivamente el bloque superior con una de las
pastillas, y al menos dos dispositivos MEMS colocados cada uno al
nivel de una de las zonas no conductoras con el fin de establecer
conexiones entre al menos una de las pastillas y el resto del plano
de masa, permitiendo así definir al menos tres longitudes de
resonancia del bloque superior diferentes según sus estados.
En una variante de esta familia de realización,
la celda puede comprender un plano de masa superior que comprende
al menos una ranura de radiación, provista de un dispositivo MEMS
que controla su longitud de resonancia característica, un plano de
masa inferior, y pasajes metálicos que conectan el plano de masa
inferior con partes periféricas del plano de masa superior con el
fin de definir una cavidad de resonancia. Por ejemplo, el plano de
masa superior puede comprender al menos dos ranuras de radiación
provistas cada una de un dispositivo MEMS único que controla su
longitud de resonancia característica. Cada dispositivo MEMS puede
entonces ser preferiblemente colocado sensiblemente en el medio de
una ranura de radiación. Por otra parte, las ranuras son
preferiblemente sensiblemente paralelas entre sí y pueden presentar
longitudes ligeramente diferentes. Pero, pueden también tener una
forma curva, de manera que puedan formar juntas una ranura anular de
cortocircuito en dos puntos sensiblemente opuestos.
Como variante, el plano de masa superior puede
comprender una ranura de radiación, provista de al menos dos
dispositivos MEMS que permite definir al menos tres longitudes de
resonancia diferentes según sus estados.
Por otra parte, el plano de masa superior puede
eventualmente contener al menos una ranura de radiación rectangular
que presenta grandes lados paralelos en una primera dirección, y al
menos otra ranura de radiación rectangular que presenta grandes
lados paralelos en una segunda dirección perpendicular a la primera,
con el fin de permitir una doble polarización lineal.
En otra familia de realización, la celda puede
contener una estructura plana de resonancia comprendiendo un bloque
superior colocado sensiblemente en paralelo a un plano de masa
inferior, a una distancia seleccionada. En este caso, el bloque
contiene al menos una ranura provista de al menos un dispositivo
MEMS que controla su longitud de resonancia característica.
La celda puede entonces contener una única
ranura (de longitud de media onda) provista de al menos dos
dispositivos MEMS, que permiten definir al menos tres longitudes de
resonancia diferentes según sus estados. Como variante, el bloque
superior puede ser sensiblemente cuadrado, y la celda puede contener
al menos una primera y una segunda ranura rectangulares (de
longitud de un cuarto de onda) colocadas sensiblemente una frente a
la otra, desembocando en dos lados opuestos no radiantes del
cuadrado, y conteniendo cada una al menos dos dispositivos MEMS que
permiten definir al menos tres longitudes de resonancia diferentes
según sus estados. En este último caso, la celda puede igualmente
contener al menos una tercera y cuarta ranuras rectangulares (de
longitud de un cuarto de onda) colocadas sensiblemente una frente a
la otra, desembocando en otros dos lados opuestos no radiantes del
cuadrado, y conteniendo cada una al menos dos dispositivos MEMS, que
permiten definir al menos otras tres longitudes de resonancia
diferentes según sus estados, con el fin de permitir una doble
polarización lineal. Se pueden también prever varios bloques
superiores provistos cada uno de al menos una media ranura de un
cuarto de onda, pares de medias ranuras una frente a otra
constituyendo entonces ranuras de media onda.
En presencia de un dispositivo MEMS con puente y
ranura(s) rectangular(es), el puente es colocado de
preferencia sensiblemente en paralelo a los lados grandes de la
ranura. En cambio, en presencia de un dispositivo MEMS con viga y
con ranura(s) rectangular(es), dicha viga es
preferiblemente colocada sensiblemente perpendicular a los lados
grandes de la ranura.
Por otra parte, el plano de masa inferior puede
definir un bloque inferior colocado por debajo del bloque superior
y de dimensiones inferiores a las suyas. En este caso, la celda
contiene pasajes metálicos que conectan el plano de masa con partes
periféricas del bloque superior con el fin de definir una cavidad
de resonancia. Esta estructura con bloque y cavidad define también
otra familia de celdas desfasadoras.
La invención propone también una red de antena
reflectora equipada con al menos dos celdas desfasadoras del tipo
de las presentadas anteriormente.
La invención está particularmente bien adaptada,
aunque de manera no exclusiva, a las antenas de telecomunicación
geoestacionarias en banda Ku (12 a 18 GHz), con cobertura
reconfigurable (cambio de posición orbital, adaptación del
tráfico), y a las antenas radar en banda C (4 a 8 GHz) o en banda X
(8 a 12 GHz), en particular para los radares de tipo SAR (radares
con abertura sintética).
Otras características y ventajas de la invención
aparecerán al examinar la descripción detallada a continuación, y
los dibujos anexos, en los cuales:
- la figura 1 ilustra de manera esquemática, en
una vista superior, un primer ejemplo de realización de una celda
desfasadora de acuerdo con la invención,
- la figura 2 es una vista en corte transversal
según el eje II-II de la celda desfasadora de la
figura 1,
- la figura 3 ilustra de manera esquemática, en
una vista superior, un segundo ejemplo de realización de una celda
desfasadora de acuerdo con la invención,
- la figura 4 es una vista en corte transversal
según el eje IV-IV de la celda desfasadora de la
figura 3,
- la figura 5 ilustra de manera esquemática, en
una vista superior, un tercer ejemplo de realización de una celda
desfasadora de acuerdo con la invención,
- la figura 6 es una vista en corte transversal
según el eje VI-VI de la celda desfasadora de la
figura 5,
\newpage
- la figura 7 ilustra de manera esquemática, en
una vista superior, un cuarto ejemplo de realización de una celda
desfasadora de acuerdo con la invención,
- la figura 8 es una vista en corte transversal
según el eje VI-VI de la celda desfasadora de la
figura 7,
- la figura 9 ilustra de manera esquemática, en
una vista superior, un quinto ejemplo de realización de una celda
desfasadora de acuerdo con la invención,
- la figura 10 ilustra de manera esquemática,
en una vista superior, un sexto ejemplo de realización de una celda
desfasadora de acuerdo con la invención,
- la figura 11 es una vista en corte
transversal según el eje XI-XI de las celdas
desfasadoras de las figuras 10 y 12,
- la figura 12 ilustra de manera esquemática,
en una vista superior, un séptimo ejemplo de realización de una
celda desfasadora de acuerdo con la invención,
- la figura 13 ilustra de manera esquemática,
en una vista superior, un octavo ejemplo de realización de una
celda desfasadora de acuerdo con la invención,
- la figura 14 ilustra de manera esquemática,
en una vista superior, un noveno ejemplo de realización de una
celda desfasadora de acuerdo con la invención,
- la figura 15 ilustra de manera esquemática,
en una vista superior, un décimo ejemplo de realización de una
celda desfasadora de acuerdo con la invención,
- la figura 16 ilustra de manera esquemática,
en una vista superior, un undécimo ejemplo de realización de una
celda desfasadora de acuerdo con la invención,
- la figura 17 es una vista en corte
transversal según el eje XVII-XVII de la celda
desfasadora de la figura 16,
- la figura 18 es una vista en perspectiva
detallando una parte de la celda desfasadora de la figura 16,
- la figura 19 ilustra de manera esquemática,
en una vista superior, un duodécimo ejemplo de realización de una
celda desfasadora de acuerdo con la invención,
- la figura 20 es una vista en corte
transversal según el eje XX-XX de la celda
desfasadora de la figura 19,
- la figura 21 ilustra de manera esquemática,
en una vista superior, un decimotercer ejemplo de realización de
una celda desfasadora de acuerdo con la invención, sin sus
dispositivos MEMS,
- la figura 22 ilustra de manera esquemática,
en una vista superior, un decimocuarto ejemplo de realización de
una celda desfasadora de acuerdo con la invención sin sus
dispositivos MEMS,
- la figura 23 ilustra de manera esquemática,
en una vista superior, un quinceavo ejemplo de realización de una
celda desfasadora de acuerdo con la invención,
- la figura 24 ilustra de manera esquemática,
en una vista superior, un decimosexto ejemplo de realización de una
celda desfasadora de acuerdo con la invención,
- la figura 25 es una vista en corte
transversal según el eje XXV-XXV de la celda
desfasadora de la figura 24, y
- la figura 26 es un diagrama ilustrando la
evolución del desfasaje (\Delta\Phi en grados) en función de la
longitud de una ranura (b en mm), para varios valores diferentes de
longitud de bloque superior (x = 3, 4, 5, 7,5 y 8 mm
respectivamente yendo desde arriba hacia abajo) y para un espesor de
sustrato (d').
Los dibujos anexos podrán no solo servir para
completar la invención, sino también para contribuir a su
definición, cuando proceda.
La invención se basa en una celda desfasadora
activa de polarización lineal para una red de antena reflectora
activa.
La red de antena reflectora puede por ejemplo
estar dedicada a las telecomunicaciones, por ejemplo del tipo
geoestacionaria en banda Ku (12 a 18 GHz), con cobertura
reconfigurable (cambio de posición orbital o adaptación del
tráfico), o bien en los radares en banda C (4 a 8 GHz) o en banda X
(8 a 12 GHz), en particular para los radares de tipo SAR (radares
con abertura sintética), o también con las conexiones de tipo
ISL-RF de alto flujo, en particular, dentro de una
pequeña constelación de satélites volando en formación.
En su gran generalidad, una celda desfasadora,
de acuerdo con la invención, comprende en uno o más lugares
seleccionados un dispositivo electromecánico micrónico, de tipo MEMS
(por "Micro ElectroMechanical System"). Cada dispositivo MEMS
puede ser colocado, con ayuda de mandos eléctricos, en al menos dos
estados diferentes permitiendo y prohibiendo respectivamente el
establecimiento de un cortocircuito destinado a hacer variar una
longitud de resonancia característica de la celda, con el fin de
hacer variar el desfasaje de las ondas a reflejar (procedente de la
fuente de la antena) presentando al menos una polarización
lineal.
Una celda desfasadora de este tipo puede
reconocerse según tres grandes familias de acuerdo con su
estructura de radiación. Una primera familia reagrupa las
estructuras con cavidad y con ranura(s) de radicación, una
segunda familia agrupa las estructuras planas de resonancia con
bloques (o "patches") y una tercera familia agrupa las
estructuras planas de resonancia con cavidad.
Nos referimos en primer lugar a las figuras 1 a
9 para describir ejemplos de realización de celdas desfasadoras
pertenecientes a la primera familia.
En las figuras 1 y 2 se ilustra un primer
ejemplo de celda desfasadora CD comprendiendo un sustrato SB que
comprende una cara "posterior" (o "inferior"), unida a un
plano de masa "inferior" PM1, y una cara "anterior" (o
"superior"), unida con un plano de masa "superior"
PM2.
El sustrato SB es por ejemplo realizado de
Duroïd o TMM y presenta un grosor d igual, por ejemplo, a
\lambda/4, donde \lambda es la longitud de onda en el vacío de
las ondas a reflejar, procedentes de la fuente de la antena.
Los planos de masa inferior PM1 y superior PM2
están conectados eléctricamente entre ellos por medio de agujeros
(o pasajes) metálicos TM formados en el sustrato SB. Estos planos
por ejemplo son realizados a partir de sustratos de aluminio, de
silicio o de vidrio que, debido a sus bajos grosores (típicamente
500 \mum) deben ser llevados a un sustrato SB de Duroïd o TMM
para permitir la obtención de un grosor igual a \lambda/4. Los
agujeros metálicos TM son instalados preferiblemente en la periferia
de los planos de masa inferior PM1 y superior PM2 para definir una
cavidad de resonancia.
Dos técnicas pueden ser previstas para realizar
este montaje. Una primera técnica consiste en superponer un
sustrato de Duroïd (o Metclad), por ejemplo de grosor igual a
aproximadamente 3 mm, a un sustrato de aluminio, por ejemplo de
grosor igual a aproximadamente 0,254 mm, y luego en depositar un
plano de masa inferior PM1 sobre la cara inferior del sustrato de
Duroïd y un plano de masa superior PM2, sobre la cara superior del
sustrato de aluminio, dicho plano siendo de masa superior PM2
localmente interrumpido por las ranuras. Una segunda técnica
consiste en utilizar solo un sustrato de Duroïd (o Metlad), por
ejemplo de grosor igual a aproximadamente 2 ó 3 mm, luego en formar
sobre su cara superior porciones de un plano de masa intermedio en
las cuales son formadas líneas de mando de tensión, posteriormente
en llevar a esta cara superior porciones de sustratos de aluminio,
por ejemplo de grosor igual a aproximadamente 0,254 mm, conteniendo
sobre una cara superior un plano de masa superior PM2 comprendiendo
cada una una o varias ranuras, luego depositar un plano de masa
inferior PM1 sobre la cara inferior del sustrato de Duroïd, y
finalmente conectar los planos de masa inferior, intermedio y
superior por medio de dos niveles de agujeros (o pasajes)
metálicos.
Por otra parte, el plano de masa superior PM2
comprende una única ranura de radiación FR, preferiblemente de
forma rectangular definida por dos grandes lados (longitudinales),
de longitud b, y dos pequeños lados (transversales), de ancho
a.
Esta ranura de radiación FR es realizada por
ejemplo mediante grabado del plano de masa superior PM2.
Por otra parte, la ranura de radiación FR
presenta una resonancia de tipo LC paralela. Los parámetros de tal
resonador (frecuencia de resonancia y banda de transmisión) dependen
principalmente de la longitud b y el ancho a de la ranura de
radiación FR, así como de la permisividad \varepsilon_{r} del
sustrato SB.
Varios modos pueden propagarse en la cavidad
delimitada por los agujeros metálicos TM. Cada uno de estos modos
presenta una constante de propagación \beta propia y una
impedancia característica Z_{0} propia. La frecuencia de corte de
los modos en la cavidad depende principalmente de la longitud
m_{x} y ancho m_{y} de los planos de masa inferior PM1 y
superior PM2, así como de la permisividad \varepsilon_{r} del
sustrato SB. Se recuerda por otra parte que una resonancia vertical
puede ocurrir en este tipo de cavidad cuando su grosor d es igual a
n\lambda_{g}/2, donde n es un número entero y \lambdag es la
longitud de onda del (de los) modo(s) guiado(s) que
se propagan en la cavidad.
Por ejemplo, se puede elegir una red de malla
cuadrada en la cual m_{x} - m_{y} = 0.7X, = 8 mm. En este caso,
y en presencia de una longitud de onda \lambda correspondiendo a
una frecuencia de trabajo de 26,4 GHz, su cavidad presenta una
frecuencia de corte igual a 18,75 GHz y solo funciona en su modo
fundamental, lo que corresponde a una longitud de onda guiada
\lambdag igual a aproximadamente 16,14 mm, en el caso de una
cavidad de aire.
En presencia de una cavidad de grosor d igual a
\lambda/4 (o sea en este caso aproximadamente \lambdag/5,7),
desfasajes pudiendo alcanzar 360º pueden ser obtenidos para anchos a
de ranura FR comprendidas entre alrededor de 0,25 mm y alrededor de
1 mm. Por ejemplo, en presencia de un ancho a igual a 0,5 mm, el
punto de inflexión del desfasaje es obtenido en la resonancia de la
ranura FR, que corresponde a una longitud b igual a aproximadamente
5,5 mm, teniendo en cuenta otros valores antes citados.
En este ejemplo de realización, la ranura de
radiación FR está preferiblemente centrada en el medio del plano de
masa superior PM2. Pero, podría ser diferente, particularmente en
presencia de una eventual ranura parásita complementaria. En este
último caso, las ranuras están situadas preferiblemente de forma
simétrica con relación al centro de la celda.
Por otra parte, en este ejemplo de realización,
la franja de radiación FR está provista de tres dispositivos MEMS
DC constituyendo cada uno un conmutador de dos estados. Desde luego,
la ranura de radiación podría contener una cantidad diferente de
dispositivos MEMS DC ya que éste es al menos igual a uno.
Cada dispositivo MEMS DC está constituido en
este caso por un puente flexible conductor PT cuyos dos extremos
están unidos a bloques de sostén PL y ellos mismos unidos a la cara
superior del sustrato SB. Estos bloques PL por ejemplo están hechos
de oro o de aluminio y presentan un grosor ligeramente superior al
del plano de masa superior PM2. El puente flexible PT es realizado
en forma de una lámina conductora, por ejemplo mediante una
metalización de oro o de aluminio, e instalado en la ranura FR
sensiblemente en paralelo a sus bordes longitudinales.
Por otra parte, cada dispositivo MEMS DC
contiene dos electrodos de mando sensiblemente superpuestos,
estando constituido uno de ellos por el puente flexible PT, y el
otro, por ejemplo, colocado a un nivel superior por encima del
puente flexible PT (no representado), estando estos dos electrodos
conectados a un circuito de alimentación (no representado).
Se prevé también sobre la cara superior del
sustrato SB, dentro de la ranura de radiación FR y sensiblemente al
nivel de una parte central de sus bordes longitudinales, dos
pequeñas líneas de acceso LA colocadas sensiblemente una frente a
la otra, perpendicularmente al puente flexible PT, y conectadas
eléctricamente al plano de masa superior PM2.
En presencia de una corriente de mando
seleccionada al nivel de los electrodos de mando, la parte
suspendida del puente PT es atraída hacia dichas líneas de acceso
LA. La parte suspendida se desvía entonces hasta llegar al contacto
de las dos líneas de acceso LA, lo que genera localmente un
cortocircuito en la ranura de radiación FR y reduce su longitud de
resonancia característica (b), que es su longitud eléctrica. Ello
constituye uno de los dos estados del dispositivo MEMS DC.
En ausencia de corriente de mando, el puente PT
es alejado de las líneas de acceso LA, aunque la longitud de la
ranura de radiación FR no es perturbada. Ello constituye el otro
estado del dispositivo MEMS DC.
Al controlar de manera separada los distintos
dispositivos MEMS DC, es entonces posible, en este ejemplo de
realización, definir en tres posiciones diferentes tres
cortocircuitos correspondientes al menos a cuatro longitudes de
resonancia diferentes para la ranura FR. Desde luego, las posiciones
de los distintos dispositivos MEMS DC son seleccionadas para
realizar una cuantificación regular de la ley de fase. Esta
limitación de posición favorece la instalación de los dispositivos
MEMS en el borde de ranura. Estas distintas longitudes de resonancia
corresponden a desfasajes diferentes de la onda reflejada por la
celda desfasadora CD.
En las figuras 3 y 4 se ilustra un segundo
ejemplo de celda desfasadora CD de la primera familia. Se trata de
una variante de la celda desfasadora CD descrita anteriormente en
referencia a las figuras 1 y 2. Más precisamente, lo que diferencia
el primer ejemplo de realización del segundo es el modo de
realización de los dispositivos MEMS.
En este caso, cada dispositivo MEMS DC'
comprende una viga flexible (o "cantilever") conductora PE
conteniendo un extremo unido a un bloque de sostén PL' conductor,
formado en la ranura de radiación FR a lo largo de uno de los
bordes longitudinales y conectado eléctricamente al plano de masa
superior PM2.
Este bloque PL' es hecho por ejemplo de oro o de
aluminio y presenta un grosor ligeramente superior al del plano de
masa superior PM2, de modo que la viga PE esté suspendida sobre la
ranura de radiación FR y del nivel del plano de masa superior PM2.
La viga flexible PE es hecha en forma de una lámina conductora, por
ejemplo por medio de una metalización de oro o de aluminio,
instalada sensiblemente perpendicularmente a sus bordes
longitudinales. El extremo libre de la viga PE atraviesa la ranura
FR en su ancho y sobresale ligeramente con respecto al plano de
masa superior PM2 en un lugar donde es colocado preferiblemente un
bloque de contacto PLC conductor eléctricamente.
Por otra parte, cada dispositivo MEMS DC'
contiene un electrodo de mando CE colocado por debajo de la parte
central suspendida de la viga PE, y conectado a un circuito de
alimentación (no representado), estando constituido otro electrodo
por la viga flexible conductora PE. El electrodo de mando EC' está
formado en la fase superior del sustrato SB, dentro de la ranura de
radiación FR.
En presencia de una corriente de mando
seleccionada al nivel del electrodo de mando EC', la parte
suspendida de la viga PE es atraída hacia dicho electrodo. Esta se
desvía entonces hasta que su extremo libre entre en contacto con el
bloque de contacto PLC, lo que genera localmente un cortocircuito en
la ranura de radiación FR y reduce su longitud de resonancia
característica (b), que es su longitud eléctrica. Ello constituye
uno de los dos estados del dispositivo MEMS DC'.
\newpage
En ausencia de corriente de mando, el extremo
libre de la viga PE es alejado del bloque de contacto PLC, aunque
la longitud de la ranura de radiación FR no es perturbada. Ello
constituye el otro estado del dispositivo MEMS DC.
Al controlar de manera separada los distintos
dispositivos MEMS DC', es entonces igualmente posible, en este
ejemplo de realización, definir en tres posiciones diferentes tres
cortocircuitos que corresponden al menos a cuatro longitudes de
resonancia diferentes para la ranura FR. Desde luego, las posiciones
de los distintos dispositivos MEMS DC' son seleccionadas para
realizar una cuantificación regular de la ley de fase. Estas
distintas longitudes de resonancia corresponden a desfasajes
diferentes de la onda reflejada por la celda desfasadora CD.
En este ejemplo de realización, la ranura de
radiación FR está provista de tres dispositivos MEMS DC'. Pero, la
ranura de radiación FR podría contener un número diferente de
dispositivos MEMS DC' ya que el mismo es al menos igual a uno.
En las figuras 5 y 6 se ilustra un tercer
ejemplo de celda desfasadora CD de la primera familia. En este
ejemplo la celda desfasadora CD retoma la estructura del primer
ejemplo descrito anteriormente en referencia a las figuras 1 y 2,
pero en lugar de una única ranura de radiación, la misma contiene
varias (N = 5), y cada ranura contiene un único dispositivo MEMS DC
con puente PT. Desde luego, el número N de ranuras de radiación
ilustrado no es restrictivo. Puede tomar cualquier valor superior o
igual a dos. Por otra parte, se puede prever que al menos una de
las ranuras no esté equipada con un dispositivo MEMS.
Las ranuras de radiación presentan, para
algunas, longitudes diferentes. Más precisamente, en el ejemplo
ilustrado, el plano de masa superior PM2 comprende dos ranuras de
radiación de extremo FR1, que presentan una primera longitud de
resonancia característica L1, dos ranuras de radiación intermedias
FR2, que presentan una segunda longitud de resonancia
característica L2 superior a L1, y una ranura de radiación central
FR3, que presenta una tercera longitud de resonancia característica
L3 superior a L2. En una variante, las cinco ranuras podrían
presentar cinco longitudes diferentes.
En este caso, las cinco ranuras de radiación FR1
a FR3 están centradas sensiblemente con respecto al medio del plano
de masa superior PM2, y su dispositivo MEMS DC con puente PT está
igualmente instalado en posición centrada. Pero, se podría hacer de
manera diferente. En efecto, en el ejemplo descrito anteriormente
se producen cortocircuitos de las ranuras no deseables, pero se
podría también modificar la longitud de resonancia de algunas de
ellas con el fin de excitar varias resonancias y de controlar bien
el desfasaje entre ranuras, con el acoplamiento.
La distancia que separa dos ranuras vecinas
puede ser fija o variable. Esta varía según las necesidades y está
comprendida típicamente entre alrededor de 100 \mum y 500
\mum.
En este caso se trata de utilizar solo una o
varias ranuras de radiación colocando sus dispositivos MEMS DC
respectivos en su segundo estado (no desviado). La o las ranuras que
no se desean utilizar se ponen en cortocircuito colocando sus
dispositivos MEMS DC en su primer estado (desviado). La variación de
fase de la onda reflejada es pues obtenida en este caso mediante
selección de una de las combinaciones de ranuras en cortocircuito
con las que no están en cortocircuito. A cada combinación
corresponde en efecto un desfasaje particular y discreto función
principalmente de la relación entre la longitud de resonancia
característica más pequeña y la longitud de resonancia
característica mayor.
Cada ranura en cortocircuito en su medio actúa
de cualquier manera como un elemento parásito para la ranura vecina
no puesta en cortocircuito. Se trata en este caso de excitar varias
resonancias para disponer de una gama de desfasajes aceptable,
evitando al mismo tiempo una respuesta muy resonante que conduce a
resultados de escasa banda. El acoplamiento entre las distintas
resonancias, realizado por acoplamiento entre una ranura y un
bloque (o patch), permite reducir la respuesta de resonancia.
En las figuras 7 y 8 se ilustra un cuarto
ejemplo de celda desfasadora CD de la primera familia. Se trata de
una variante de la celda desfasadora CD descrita anteriormente en
referencia a las figuras 5 y 6.
Más precisamente, lo que diferencia al cuarto
ejemplo de realización del tercero es el modo de realización de los
dispositivos MEMS. En este ejemplo, cada dispositivo MEMS DC con
puente PT es en efecto sustituido por un dispositivo MEMS DC' con
viga PE, del tipo de los descritos en referencia a las figuras 3 y
4.
El funcionamiento de esta celda desfasadora CD
es idéntico al de la celda desfasadora descrita anteriormente en
referencia a las figuras 5 y 6.
Como es ilustrado en el quinto ejemplo de la
figura 9, es posible constituir una celda desfasadora CD
perteneciente a la primera familia y adaptada a una doble
polarización lineal.
Para ello, se utiliza al menos una ranura de
radiación FRV orientada según una primera dirección
("vertical"), y al menos una ranura de radiación FRH orientada
según una segunda dirección ("horizontal"), perpendicular a la
primera. Por supuesto, como se ilustra en la figura 9, la celda
desfasadora CD puede contener una o varias ranuras de radiación FRV
y una o más ranuras de radiación FRH, según las necesidades. La
celda es entonces preferiblemente rectangular y presenta un ancho
sensiblemente igual a la mitad de su longitud.
Es posible utilizar ranuras de radiación FRV y
FRH que contienen solamente un único dispositivo MEMS con puente PT
o con viga PE, pero es sin embargo preferible utilizar ranuras de
radiación FRV y FRH conteniendo al menos dos dispositivos MEMS con
puente PT o con viga PE (como aparece ilustrado).
Se hace referencia ahora a las figuras 10 a 18
para describir los ejemplos de realización de celdas desfasadoras
pertenecientes a la segunda familia.
En las figuras 10 y 11 se ilustra un primer
ejemplo de celda desfasadora CD conteniendo un sustrato SB que
comprende una cara posterior (o inferior), unida a un plano de masa
inferior PM1 definiendo un bloque (o "patch") inferior, y una
cara anterior (o superior), unida a un plano de masa superior
definiendo un bloque (o "patch") superior PS. Los bloques
superior PS e inferior PM1 definen una estructura plana de
resonancia.
El sustrato SB es por ejemplo realizado de
Duroïd o de TMM y presenta un grosor d' pequeño, típicamente del
orden de \lambda/10 a \lambda/5, donde \lambda es la longitud
de onda en el vacío de las ondas a reflejar, procedentes de la
fuente de la antena.
El bloque superior PS es colocado sensiblemente
en paralelo al plano de masa inferior PM1 y presenta dimensiones
inferiores a las suyas. Por ejemplo, y como es ilustrado, el bloque
superior PS es preferiblemente de forma rectangular, y
preferiblemente cuadrado.
Por otra parte, el bloque superior PS comprende
una única ranura FP, preferiblemente de forma rectangular definida
por dos lados grandes (longitudinales), de longitud b, y dos lados
pequeños (transversales), de ancho a.
Esta ranura FP por ejemplo es realizada mediante
grabado del plano de masa constituyendo el bloque superior PS.
En este ejemplo de realización, la ranura FP
está provista de tres dispositivos MEMS DC con puente PT
constituyendo cada uno un conmutador de dos estados, del tipo de los
descritos anteriormente en referencia a las figuras 1 y 2. Desde
luego, la ranura FP podría contener un número diferente de
dispositivos MEMS DC ya que este es al menos igual a uno.
El principio de funcionamiento de esta celda
desfasadora CD, y más precisamente de sus dispositivos MEMS DC, es
idéntico al descrito anteriormente en referencia a las figuras 1 y
2. Solamente el efecto físico implicado difiere. La ranura FP está
destinada en este caso a perturbar el trayecto de las corrientes que
circulan en el bloque superior PS haciendo variar la longitud de la
ranura perturbadora FP, mediante el establecimiento de
cortocircuito(s) selecciona-
do(s) por medio de al menos uno de los dispositivos MEMS DC colocado en su primer estado (desviado), se hacen variar las perturbaciones de trayecto de las corrientes, lo cual hace variar la longitud de resonancia característica (o longitud eléctrica) del bloque superior PS y en consecuencia el desfasaje de la onda reflejada.
do(s) por medio de al menos uno de los dispositivos MEMS DC colocado en su primer estado (desviado), se hacen variar las perturbaciones de trayecto de las corrientes, lo cual hace variar la longitud de resonancia característica (o longitud eléctrica) del bloque superior PS y en consecuencia el desfasaje de la onda reflejada.
Es importante señalar que la invención no puede
aplicarse en este caso a no ser que el bloque superior PS sea de
resonancia con \lambda/2.
En la figura 12 se ilustra un segundo ejemplo de
celda desfasadora CD de la segunda familia. Se trata de una
variante de la celda desfasadora CD descrita anteriormente en
referencia a las figuras 10 y 11. Más precisamente, lo que
diferencia al primer ejemplo de realización del segundo es el modo
de realización de los dispositivos MEMS.
En este caso, cada dispositivo MEMS DC es de
tipo con viga PE, como en el ejemplo de realización descrito
anteriormente en referencia a las figuras 3 y 4. Por otra parte, en
este ejemplo de realización, la ranura perturbadora FP está
provista de tres dispositivos MEMS DC'. Pero, la ranura perturbadora
FP podría contener un número diferente de dispositivos MEMS DC' ya
que éste es al menos igual a uno.
Como es ilustrado en las figuras 13 y 14, se
puede prever al menos un tercer y cuarto ejemplos de realización,
variantes del primer y segundo ejemplos de realización descritos
anteriormente en referencia a las figuras 10 a 12.
Más precisamente, el tercer ejemplo ilustrado en
la figura 13 contiene dos agujeros (o pasajes) metálicos TM que
permiten acoplar eléctricamente el bloque superior PS y el plano de
masa inferior PM1 por una y otra parte de ambos extremos opuestos
de la ranura perturbadora FP. Estos agujeros metálicos MT están
destinados a abastecer en corriente continua el bloque superior PS
para polarizar el dispositivo MEMS.
En el cuarto ejemplo ilustrado en la figura 14,
el bloque superior PS comprende dos pequeñas ranuras perturbadoras
F1 y F2, cuya resonancia corresponde aproximadamente a una longitud
igual al cuarto de la longitud de onda, colocadas sensiblemente una
frente a la otra y desembocando en bordes opuestos, sin radiaciones.
Cada pequeña ranura F1, F2 está provista al menos de uno (en este
caso dos) dispositivo MEMS con puente PT (pero podría tratarse de
una viga PE). Por otra parte, un agujero (o pasaje) metálico TM
permite acoplar eléctricamente el bloque superior PS y el plano de
masa inferior PM1 en una parte central situada entre las dos
pequeñas ranuras perturbadoras F1 y F2. Este agujero metálico MT
está destinado a abastecer de corriente continua el bloque superior
PS para polarizar el dispositivo MEMS. Se puede prever realizar dos
pequeñas ranuras perturbadoras de cuarto de onda, o más,
desembocando en al menos uno de lados no radiantes.
Desde luego, se puede también prever que el
bloque superior PS (sensiblemente cuadrado) solo comprende una
ranura rectangular que desemboca en un lado no radiante del cuadrado
y conteniendo al menos dos dispositivos MEMS DC o DC'.
Como es ilustrado en el quinto ejemplo de la
figura 15, es posible constituir una celda desfasadora CD
perteneciente a la segunda familia y adaptada a una doble
polarización lineal.
Para ello, se pueden por ejemplo utilizar al
menos dos pequeñas ranuras perturbadoras F1 y F2 orientadas según
una primera dirección, y al menos dos pequeñas ranuras perturbadoras
F3 y F4 orientadas según una segunda dirección, perpendicular a la
primera. En este caso se entiende por "pequeña ranura" una
ranura perturbadora FP del tipo de la presentada anteriormente en
referencia a la figura 14.
Es posible utilizar pequeñas ranuras
perturbadoras F1 a F4, de longitud de cuarto de onda, conteniendo
un único dispositivo MEMS con puente PT o con viga PE, pero es sin
embargo preferible utilizar pequeñas ranuras perturbadoras F1 a F4
conteniendo al menos dos dispositivos MEMS con puente PT o con viga
PE (como es ilustrado). El número de dispositivos MEMS utilizados
en cada ranura depende del número de estados de fase que se
desea
obtener.
obtener.
Como en el ejemplo anterior, un agujero (o
pasaje) metálico TM permite acoplar eléctricamente el bloque
superior PS y el plano de masa inferior PM1 en una parte central
situada entre las cuatro pequeñas ranuras perturbadoras F1 a F4, de
longitud de cuarto de onda. Este agujero metálico MT está destinado
a abastecer de corriente continua el bloque superior PS para
polarizar el dispositivo MEMS.
En los tres últimos ejemplos de realización
(figura 13 a la 15), la alimentación del bloque superior PS se
efectúa al menos por medio de un agujero metálico TM. Pero, como
variante esta alimentación puede efectuarse por medio de una línea
de cuarto de onda con fuerte impedancia.
En las figuras 16 a 18 es ilustrado un sexto
ejemplo de celda desfasadora CD comprendiendo un sustrato SB
conteniendo una cara posterior (o inferior), unida a un plano de
masa inferior PM1, y una cara anterior (o superior), unida a un
plano de masa superior definiendo un bloque (o patch) superior PS'
de forma rectangular. El bloque superior PS' y el plano de masa
inferior PM1 constituyen una estructura pavimentada puesta en
cortocircuito que define una estructura plana de resonancia. Es
importante señalar que la longitud del bloque superior PS es
seleccionada de modo que sea de resonancia con \lambda/4.
El sustrato SB es por ejemplo realizado de
Duroïd o de TMM y presenta un grosor pequeño, típicamente del orden
de \lambda/10 hasta \lambda/5, donde \lambda es la longitud de
onda en el vacío de las ondas a reflejar, procedentes de la fuente
de la antena.
El bloque superior PS' es colocado sensiblemente
en paralelo al plano de masa inferior PM1 y presenta dimensiones
muy inferiores a las suyas al menos según una dirección.
Como es ilustrado en la figura 18, el plano de
masa inferior PM1 comprende al menos una pequeña "pastilla"
conductora PI, aislada de su propia parte conductora por una zona no
conductora Z, confeccionada por ejemplo mediante grabado. Cada
pequeña pastilla conductora PI es conectada eléctricamente al bloque
superior PS' por medio de un agujero (o pasaje) metálico TM. Por
otra parte, cada pequeña pastilla conductora PI es preferiblemente
de forma rectangular, y preferiblemente cuadrada.
Cada agujero metálico TM está conectado al
bloque superior PS' en un lugar seleccionado, los diferentes
lugares preferiblemente estando sensiblemente alineados siguiendo
una recta paralela a los lados longitudinales de dicho bloque
superior PS.
Por otra parte, cada pequeña pastilla conductora
PI está provista de un dispositivo MEMS con puente PT o con viga PE
(como es ilustrado en la figura 18), del tipo de las descritas
anteriormente. Cada dispositivo MEMS DC' (o DC) está destinado a
establecer una conexión eléctrica entre su pequeño bloque inferior
PI y la parte conductora del plano de masa inferior PM1, cuando el
mismo es colocado en su primer estado (desviado). Así pues, cuando
uno de los dispositivos MEMS DC' (o DC) es colocado en su primer
estado (desviado), el agujero metálico TM, que es conectado a su
pequeña pastilla conductora PI, pone en cortocircuito el bloque
superior PS' sensiblemente en el lugar donde está conectado, lo que
tiene como consecuencia hacer variar su longitud de resonancia
característica (o longitud eléctrica) y por consiguiente el
desfasaje de la onda se reflecta.
Esta estructura es ventajosa ya que sus
dispositivos al estar colocados en la cara posterior son más
protegidos de las radiaciones.
En el ejemplo ilustrado en las figuras 16 y 17,
cinco agujeros metálicos TM permiten definir cinco cortocircuitos
correspondientes al menos a seis longitudes de resonancia diferentes
para el bloque superior PS'. Por consiguiente, controlando de
manera separada los distintos dispositivos MEMS DC' (o DC), es
posible obtener varios desfasajes diferentes de la onda reflejada
por la celda desfasadora CD.
Desde luego, la celda desfasadora CD puede
comprender un número de dispositivos MEMS (DC o DC') diferente de
cinco, ya que el mismo es al menos igual a uno. El número de
dispositivos MEMS utilizado depende del número de estados de fase
que se desea obtener.
Es importante notar que en este ejemplo de
realización, en la frecuencia de resonancia, la suma de la longitud
del dipolo "activo" (es decir, comprendida entre el
cortocircuito y el otro extremo del dipolo) y de la longitud del
cortocircuito debe ser igual al cuarto de la longitud de onda del
modo guiado \lambda_{g}.
Este ejemplo de realización puede permitir la
constitución de una celda desfasadora con doble polarización
lineal, del tipo de celda ilustrada en la figura 9. Para ello es
necesario hacer combinar dipolos "horizontales" y dipolos
"verticales" del tipo descrito anteriormente en referencia a
las figuras 16 a 18.
Se hace referencia ahora a las figuras 19 y 20
para describir un ejemplo de realización de celda desfasadora
perteneciente a la tercera familia.
Este ejemplo de realización constituye de cierta
manera una estructura intermedia entre los ejemplos de realización
ilustrados en las figuras 5 a 8 y los ejemplos de realización
ilustrados en las figuras 10 a 12.
En este caso, la celda desfasadora CD comprende
un sustrato SB conteniendo una cara posterior (o inferior), unida a
un plano de masa inferior PM1, y una cara anterior (o superior),
unida a un bloque superior PS.
El sustrato SB por ejemplo es realizado de
Duroïd o de TMM y presenta un grosor d igual a \lambda/4, donde
\lambda es la longitud de onda en el vacío de las ondas a
reflejar, procedentes de la fuente de la antena.
El sustrato SB es atravesado, en su periferia,
por agujeros (o pasajes) metálicos TM conectados en el plano de
masa inferior PM1 y rodeando el bloque superior PS para definir una
cavidad de resonancia. Por ejemplo, para un funcionamiento en la
banda Ku, el bloque superior PS es un cuadrado de longitud
comprendida entre alrededor de 15 mm y alrededor de 17 mm.
Por otra parte, el bloque superior PS comprende
al menos dos (en este caso cinco) ranuras de radiación conteniendo
cada una un único dispositivo MEMS (DC o DC') con puente PT o con
viga PE. Desde luego, el número N de ranuras de radiación ilustrado
no es restrictivo, puede tomar cualquier valor superior o igual a
dos. Por ejemplo, las ranuras presentan un lado grande de longitud
comprendida entre alrededor de 5 mm y alrededor de 7 mm, y un lado
pequeño de ancho comprendido entre alrededor de 0,3 mm y alrededor
de 0,7 mm.
Las ranuras de radiación presentan, para
algunos, longitudes diferentes. Más precisamente, en el ejemplo
ilustrado, el bloque superior PS contiene dos ranuras de radiación
de extremo FR1, presentando una primera longitud de resonancia
característica L1, dos ranuras de radiación intermedias FR2,
presentando una segunda longitud de resonancia característica L2
superior a L1, y una ranura de radiación central FR3, presentando
una tercera longitud de resonancia característica L3 superior a L2.
En una variante, las cinco ranuras podrían presentar cinco
longitudes diferentes.
En este caso, las cinco ranuras de radiación FR1
a FR3 están sensiblemente centradas con relación al medio del
bloque superior PS, y sus dispositivos MEMS DC con puente PT (o DC'
con viga PE) están igualmente instalados en posición centrada (por
ejemplo).
Se trata en este caso de utilizar solo una o
varias ranuras de radiación colocando sus dispositivos MEMS DC
respectivos en su segundo estado (no desviado). La o las ranuras que
no se desean utilizar se ponen en cortocircuito colocando sus
dispositivos MEMS DC en su primer estado (desviado). La variación de
fase de la onda reflejada es entonces obtenida en este caso por
selección de una de las combinaciones de ranuras puestas y no
puestas en cortocircuito. A cada combinación corresponde en efecto
un desfasaje particular y discreto función principalmente de la
relación entre la longitud de resonancia característica más pequeña
y la longitud de resonancia característica
mayor.
mayor.
Cada ranura puesta en cortocircuito en su medio
actúa de cierta manera como un elemento parásito para la ranura
vecina no puesta en cortocircuito. Por lo tanto, esta es susceptible
de mejorar la banda de transmisión de la ranura no puesta en
cortocircuito.
En el ejemplo descrito anteriormente se ponen en
cortocircuito las ranuras no deseables, pero se podría proceder de
manera diferente. Por ejemplo, se puede modificar la longitud de
resonancia de algunas ranuras con el fin de excitar varias
resonancias y de controlar bien el desfasaje entre ranuras, con el
acoplamiento. Esto puede por ejemplo hacerse colocando uno o más
(por ejemplo dos o tres) dispositivos MEMS, preferiblemente de tipo
cantilever DC', en las partes de extremos opuestos de las ranuras, y
no en su parte central.
Desde luego, se pueden utilizar ranuras de
formas y dimensiones sensiblemente idénticas.
Algunos agujeros (o pasajes) metálicos TM, por
ejemplo uno de dos, pueden ser ventajosamente utilizados para
transportar los mandos de tensión al nivel de los distintos
dispositivos MEMS DC o DC'.
En lo que precede, se han descrito celdas que
contienen ranuras simples de longitud de cuarto de onda o de media
onda. Pero, es posible realizar celdas que contengan ranuras
compuestas, como es ilustrado en las figuras 21 y 22.
Más precisamente, las celdas de los ejemplos de
realización ilustrados en las figuras 21 y 22 retoman sensiblemente
la estructura de las celdas ilustradas en las figuras 10 a 12. En
este caso, cada ranura de longitud de media onda está constituida
por dos medias ranuras de longitud de cuarto de onda. Los
dispositivos MEMS DC o DC' han sido voluntariamente omitidos con el
fin de no sobrecargar los dibujos.
En el ejemplo ilustrado en la figura 21, dos
bloques superiores PS1 y PS2 son colocados sensiblemente en
paralelo al plano de masa inferior PM1 y a distancia de éste. Estos
dos bloques superiores PS1 y PS2 están espaciados uno del otro a
una distancia seleccionada para definir entre ellos una zona
capacitiva. Presentan formas diferentes y contienen cada uno una
media ranura de cuarto de onda FR1, FR2. Estas dos medias ranuras
FR1 y FR2 constituyen juntas una ranura de media onda y una zona
inductiva cuyo efecto es ventajosamente compensado (al menos
parcialmente) por la zona capacitiva entre bloques.
Por ejemplo los bloques presentan un ancho igual
a aproximadamente 3,7 mm y están separadas a una distancia,
formando una ranura, igual a aproximadamente 0,1 mm.
Una estructura asimétrica de este tipo ofrece
una respuesta en frecuencia de buena estabilidad debido a un
acoplamiento efectivo entre las dos resonancias.
En el ejemplo ilustrado en la figura 22, tres
bloques superiores PS1, PS2 y PS3 son colocados sensiblemente en
paralelo al plano de masa inferior PM1 y a distancia de éste. Los
dos bloques superiores PS1 y PS3 son sensiblemente idénticos y
enmarcan el bloque PS2. Por otra parte, los dos bloques superiores
PS1 y PS3 comprenden cada uno una media ranura de cuarto de onda
FR1, FR4, mientras que el bloque superior PS2 comprende dos medias
ranuras de cuarto de onda FR2 y FR3 que desembocan en dos lados
opuestos, una colocada frente a la media ranura FR1 del bloque
superior PS1 y definiendo con ella una primera ranura de media onda,
y la otra colocada frente a la media ranura FR4 del bloque superior
PS3 y definiendo con ella una segunda ranura de media onda.
Tal estructura simétrica ofrece también una
respuesta en frecuencia de buena estabilidad debido a un
acoplamiento efectivo entre las resonancias.
Pueden preverse otras numerosas combinaciones de
bloques superiores. Así pues, se puede prever una combinación de
varios bloques superiores separados uno de los otros por espacios
constituyendo ranuras de anchos seleccionados con los cuales
constituyen lo que especialista llama una "cruz de Jerusalén".
Al reducir, con un dispositivo MEMS, el ancho de las ranuras
frontales, se puede actuar sobre la frecuencia de resonancia de una
estructura de este tipo, y así modificar la fase de la onda
reflejada. Una estructura dual, que comprende líneas metálicas de
la forma de una cruz de Jerusalén, es particularmente descrita en el
documento de C. Simovski y otros, "High-impedance
surfaces with angular and polarization stability", 27th ESA
Antenna Technology Workshop on Innovative Periodic Antennas, pp
176-184. La resonancia de una estructura de este
tipo principalmente está garantizada por las partes inductiva y
capacitiva propias de la cruz de Jerusalén, y no ya por la
resonancia de los bloques. Esta estructura, del tipo mencionado
"metamaterial", funciona entonces según bandas de frecuencias
mucho más bajas.
Es también posible agregar a las celdas
desfasadoras, que contienen al menos un bloque provisto de al menos
una ranura FP, descritas anteriormente, uno o más bloques auxiliares
y al menos un dispositivo MEMS de acoplamiento, para hacer variar
la dimensión del bloque según al menos una de sus dos direcciones (X
y Y), y preferiblemente siguiendo su longitud X que es paralela a
la dirección definiendo la longitud b (o lado grande) de las
ranuras FP. En la figura 23 es ilustrada una celda desfasadora CD de
este tipo.
Más precisamente, la celda desfasadora CD
ilustrada en la figura 23 parte de una estructura del tipo de la
ilustrada en las figuras 10 a 12. La misma comprende entonces un
sustrato SB conteniendo una cara posterior (o inferior), unida a un
plano de masa inferior PM1, y una cara anterior (o superior), unida
al menos a un bloque (o patch) superior PS y al menos a un bloque
auxiliar PA1, PA2. Aquí, se han representado dos bloques auxiliares
PA1 y PA2, colocados por una y otra parte de dos lados paralelos del
bloque PS (ellos mismos paralelos a los lados grandes (Y) de la
ranura FP). Pero, se podría prever que solo se previera un único
bloque auxiliar PA. Por otra parte, se puede también prever, como
variante o como complemento, colocar un bloque auxiliar a lo largo
de al menos uno de los dos lados no radiantes del bloque PS
(paralelos al lado pequeño (X) de la ranura FP).
Los bloques superiores PS, PA1 y PA2 y el plano
de masa inferior PM1 definen una estructura plana de
resonancia.
La celda desfasadora CD comprende igualmente al
menos un dispositivo MEMS de acoplamiento DC o DC' instalado entre
el bloque PS y un bloque auxiliar PA1, PA2 y encargado de
establecer, o no, un contacto entre estos bloques según el estado
en el cual es colocado.
En el ejemplo ilustrado el bloque PS puede ser
conectado a cada bloque auxiliar PA1, PA2 por medio de tres
dispositivos MEMS DC', uno central y dos de extremo. Los dos
dispositivos MEMS DC' de extremo son elementos preferiblemente
colocados de manera simétrica con respecto al centro del bloque
auxiliar PA1, PA2.
Los distintos dispositivos MEMS DC' o DC que
conectan el bloque PS a uno de los bloques auxiliares PA1, PA2 son
preferiblemente controlados por una misma corriente de mando. En
otros términos, estos son colocados preferiblemente simultáneamente
en un mismo estado para garantizar ya sea una conexión eléctrica, o
una ausencia de conexión eléctrica, entre el bloque PS y el bloque
auxiliar PA1, PA2 en cuestión.
Cuando es establecida una conexión entre el
bloque PS y un bloque auxiliar PA1, PA2, la longitud física
(siguiendo X) del bloque PS puede entonces ser aumentada. Al actuar
simultáneamente sobre el par de longitud del bloque PS y longitud
de la ranura FP, se puede entonces modificar simultáneamente el par
de desfasaje de la onda incidente, sobre una gama superior a 360º,
y dispersión de este desfasaje de frecuencia. La posibilidad de
controlar la dispersión de este desfasaje de frecuencia es
particularmente interesante para compensar la iluminación
dispersiva de frecuencia de una red reflectora plana por una fuente
primaria.
Es importante notar que varios (al menos dos)
bloques auxiliares, preferiblemente de las mismas dimensiones,
pueden ser colocados en paralelo unos con respecto a los otros,
sobre al menos uno de los dos lados del bloque PS, siendo
conectados los bloques de dos en dos por uno o más dispositivos MEMS
de acoplamiento DC' o DC, y preferiblemente tres. Eso permite hacer
variar más aún la longitud física del bloque PS, en función de las
necesidades, jugando con los estados respectivos de los dispositivos
MEMS DC' o DC acoplando los bloques auxiliares.
Por otra parte, los bloques auxiliares que están
situados de una y otra parte de los dos lados paralelos del bloque
PS no presentan obligatoriamente las mismas dimensiones. Este es
particularmente el caso del ejemplo ilustrado en la figura 23,
donde el bloque auxiliar PA1 presenta una longitud (siguiendo la
dirección X) mayor que la del bloque auxiliar PA2, pero un ancho
(siguiendo la dirección Y) sensiblemente idéntico al del bloque
auxiliar PA2. Por ejemplo, si la longitud del bloque PS es igual a
L, las longitudes de los bloques auxiliares PA1 y PA2 pueden ser
respectivamente iguales a L/2 y L/3.
Como en los ejemplos anteriormente descritos, el
bloque PS puede comprender uno o más dispositivos MEMS DC o DC'. El
número de dispositivos MEMS utilizados depende del número de estados
de desfasaje que se desea obtener.
Este tipo de celda desfasadora CD permite pues
hacer variar dinámicamente, en función de las necesidades, el
desfasaje y la dispersión de fase de frecuencia, lo que es
especialmente ventajoso para una antena activa (o reconfigurable).
La selección del desfasaje y la dispersión del desfasaje es fijada
en efecto por la longitud física del bloque PS y por la longitud
eléctrica de cada ranura FP de cada bloque PS, según los estados
respectivos de los distintos dispositivos MEMS utilizados.
Con el fin de constituir una celda desfasadora
CD de tipo pasivo, para una antena no reconfigurable, pueden
liberarse dispositivos MEMS al nivel de las ranuras. Más
precisamente, como es ilustrado en las figuras 24 y 25, se puede
utilizar una estructura del tipo de la ilustrada en las figuras 10 a
12, pero sin dispositivo MEMS.
Tal estructura CD comprende pues un sustrato SB
que contiene una cara posterior (o inferior), unida a un plano de
masa inferior PM1, y una cara anterior (o superior), unida al menos
a un bloque (o patch) superior PS que comprende al menos una ranura
FP. El bloque superior PS y el plano de masa inferior PM1 definen
una estructura plana de resonancia.
Al escoger juiciosamente las dimensiones del
bloque superior PS, y particularmente su longitud x (siguiendo la
dirección X), y de la ranura FP, y particularmente su longitud b
(siguiendo la dirección Y), así como el grosor d del sustrato SB,
se puede imponer a la vez un desfasaje seleccionado y una dispersión
de fase de frecuencia seleccionada.
Las dimensiones y grosores pueden ser deducidos
de curvas del tipo de las ilustradas en la figura 26, dando la
evolución del desfasaje \Delta\Phi en función de la longitud b
de la ranura FP, para varios valores diferentes x de longitud de
bloque superior PS y para un grosor d de sustrato SB (por ejemplo
igual a aproximadamente 2 mm).
Cuando el bloque superior PS solamente comprende
una única ranura FP, ésta preferiblemente es colocada sensiblemente
en su centro. Pero, el bloque superior PS podría contener varias
ranuras FP, eventualmente de distintas dimensiones.
Una celda desfasadora CD de este tipo permite
obtener cualquier desfasaje, y particularmente desfasajes (muy)
superiores a 360º. Esta permite controlar también la dispersión de
este desfasaje en frecuencia. Las celdas desfasadoras de la técnica
anterior, que permiten obtener tales características, comprenden
tres bloques colocados en paralelo los unos con respecto a los
otros y sobre un plano de masa inferior (estas son descritas
particularmente en el artículo de J.A. Encinar y otros, "Design of
a three-layer printed reflect-array
for dual polarization and dual coverage", 27th ESA Antena
Workshop, Santiago de Compostela, España, Marzo 2004). Las celdas
desfasadoras CD de acuerdo con la invención solo comprenden un único
nivel de metalización (bloque superior), además del plano de masa
inferior PM1, y son pues mucho más simples de realizar que las
celdas desfasadoras de la técnica anterior.
Claims (25)
1. Celda desfasadora (CD), para una red de
antena reflectora, definida por una longitud de resonancia
característica, caracterizada porque comprende una
estructura plana de resonancia que contiene un bloque superior (PS)
colocado sensiblemente en paralelo a un plano de masa inferior
(PM1), a una distancia seleccionada, y porque comprende, en al
menos un lugar seleccionado, al menos un dispositivo electromecánico
micrónico de tipo MEMS (DC, DC') controlando la longitud de
resonancia característica de dicho bloque superior (PS), el
dispositivo MEMS, pudiendo ser colocado en al menos dos estados
diferentes permitiendo y prohibiendo respectivamente el
establecimiento de un cortocircuito destinado a hacer variar dicha
longitud de resonancia, de manera de hacer variar el desfasaje de
una onda a reflejar presentando al menos una polarización
lineal.
2. Celda de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizada porque dicho dispositivo MEMS (DC) comprende un
puente flexible conductor (PT) cuyos estados son controlados por
dos electrodos de mando sensiblemente superpuestos y donde uno de
los cuales está constituido por dicho puente (PT).
3. Celda de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizada porque dicho dispositivo MEMS (DC') comprende
una viga flexible conductora (PE) suspendida cuyos estados son
controlados por un electrodo de mando (EC') colocado por debajo de
una parte suspendida de dicha viga (PE), la cual constituye otro
electrodo.
4. Celda de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el dispositivo
MEMS (DC, DC') es colocado en una ranura (FP) localizada en dicho
bloque superior (PS).
5. Celda de acuerdo con la reivindicación 4,
caracterizada porque la misma comprende una única ranura (FP)
provista de al menos dos dispositivos MEMS (DC, DC'), permitiendo
definir al menos tres longitudes de resonancia (FP) diferentes
según los estados en los cuales son colocados respectivamente.
6. Celda de acuerdo con una de las
reivindicaciones 4 y 5, caracterizada porque la misma
comprende al menos un bloque auxiliar (PA1, PA2) colocado a lo
largo de al menos uno de los lados de dicho bloque superior (PS), a
una distancia seleccionada de éste, y al menos un dispositivo MEMS
de acoplamiento (DC', DC), colocado entre dicho bloque auxiliar
(PA1, PA2) y dicho bloque superior (PS) y permitiendo establecer, o
no, una conexión eléctrica entre dichos bloques auxiliar y superior
según el estado en el cual es colocado.
7. Celda de acuerdo con la reivindicación 6,
caracterizada porque comprende al menos dos bloques
auxiliares vecinos paralelos entre ellos, de dimensiones
sensiblemente idénticas y colocados a lo largo de al menos uno de
los lados de dicho bloque superior (PS), y al menos un dispositivo
MEMS de acoplamiento (DC', DC) colocado entre dichos bloques
auxiliares vecinos y permitiendo establecer, o no, una conexión
eléctrica entre ellos según el estado en el cual es colocado.
8. Celda de acuerdo con la reivindicación 4,
caracterizada porque dicho bloque superior (PS) es
sensiblemente cuadrado, y porque comprende al menos una ranura
rectangular que desemboca en un lado no radiante de dicho cuadrado
y que comprende al menos dos dispositivos MEMS (DC, DC'),
permitiendo definir al menos tres longitudes de resonancia
diferentes según los estados en los cuales son colocados
respectivamente.
9. Celda de acuerdo con la reivindicación 4,
caracterizada porque dicho bloque superior (PS) es
sensiblemente cuadrado, y porque comprende al menos una primera
(F1) y una segunda (F2) ranuras rectangulares colocadas
sensiblemente una frente a la otra y desembocando en dos lados
opuestos de dicho cuadrado, no radiantes, cada ranura (F1, F2)
comprendiendo al menos dos dispositivos MEMS (DC, DC'), que permiten
definir al menos tres longitudes de resonancia diferentes según los
estados en los cuales son colocados respectivamente.
10. Celda de acuerdo con la reivindicación 9,
caracterizada porque la misma comprende al menos una tercera
(F3) y cuarta (F4) ranuras rectangulares colocadas sensiblemente una
frente a la otra y desembocando en los otros dos lados opuestos de
dicho cuadrado, cada ranura (F3, F4) comprendiendo al menos dos
dispositivos MEMS (DC, DC'), que permiten definir al menos otras
tres longitudes de resonancia diferentes según los estados en los
cuales son colocados respectivamente, para permitir una doble
polarización lineal.
11. Celda de acuerdo con una de las
reivindicaciones 4 a 10 en combinación con la reivindicación 2,
caracterizada porque cada ranura (FP, F1-F4)
es rectangular, y porque cada puente (PT) de dispositivo MEMS (DC)
es colocado sensiblemente en paralelo con respecto a lados grandes
de dicha ranura.
12. Celda de acuerdo con una de las
reivindicaciones 4 a 10 en combinación con la reivindicación 3,
caracterizada porque cada ranura (FP, F1-F4)
es rectangular, y porque cada viga (PE) del dispositivo MEMS (DC) es
colocada sensiblemente perpendicularmente a lados grandes de dicha
ranura.
13. Celda de acuerdo con una de las
reivindicaciones 4, 5, 11 y 12, caracterizada porque dicho
bloque superior (PS) presenta dimensiones inferiores a las
dimensiones del plano de masa inferior (PM1), y porque comprende
pasajes metálicos (TM) conectados al mencionado plano de masa
inferior (PM1) y rodeando dicho bloque superior (PS) para definir
una cavidad de resonancia.
14. Celda de acuerdo con una de las
reivindicaciones 4 a 13, caracterizada porque dicha
estructura plana de resonancia comprende al menos dos bloques
superiores (PS1, PS2) distantes uno del otro a una distancia
seleccionada, cada bloque conteniendo al menos una media ranura
(FR1, FR2, FR3, FR4) desembocando en uno de sus lados y dos medias
ranuras enfrente que constituyen una ranura.
15. Celda de acuerdo con una de las
reivindicaciones 4 a 13, caracterizada porque dicha
estructura plana de resonancia comprende varios bloques superiores
distantes unos de los otros por espacios que constituyen ranuras de
anchos seleccionados, constituyendo dichos bloques y dichas ranuras
una "cruz de Jerusalén".
16. Celda de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque comprende, por
una parte, una estructura plana de resonancia conteniendo un bloque
superior (PS) rectangular colocado sensiblemente en paralelo a un
plano de masa inferior (PM1), a una distancia seleccionada, dicho
plano de masa inferior (PM1) definiendo al menos una pastilla (PI)
íntegramente rodeada de una zona no conductora (Z), colocada debajo
de dicho bloque superior (PS) y de dimensiones inferiores a las
dimensiones de este último, y por otra parte, al menos un pasaje
metálico (TM) que conecta dicho bloque superior (PS) con dicha
pastilla (PI), y porque dicho dispositivo MEMS (DC, DC') es
colocado al nivel de dicha zona (Z) para establecer en uno de sus
estados una conexión entre dicha pastilla (PI) y el resto de dicho
plano de masa (PM1) para controlar la longitud de resonancia de
dicho bloque superior (PS).
17. Celda de acuerdo con reivindicación 16,
caracterizada porque dicho plano de masa inferior (PM1)
define al menos dos pastillas (PI) íntegramente rodeadas por una
zona no conductora (Z), colocadas debajo de dicho bloque superior
(PS) y de dimensiones inferiores a las dimensiones de este último, y
porque comprende, por una parte, al menos dos pasajes metálicos
(TM) conectando respectivamente el bloque superior (PS) con una de
dichas pastillas (PI), y por otra parte, al menos dos dispositivos
MEMS (DC, DC') colocados cada uno al nivel de una de las zonas (Zl)
para establecer conexiones entre al menos una de dichas pastillas
(PI) y el resto de dicho plano de masa (PM1) permitiendo así
definir al menos tres longitudes de resonancia diferentes del
bloque superior (PS) según los estados en los cuales son colocados
respectivamente.
18. Celda de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque comprende un
plano de masa superior (PM2) conteniendo al menos una ranura de
radiación (FR), provista de un dispositivo MEMS (DC, DC')
controlando su longitud de resonancia característica, un plano de
masa inferior (PM1), y pasajes metálicos (TM) conectando dicho
plano de masa inferior (PM1) con partes periféricas de dicho plano
de masa superior (PM2) para definir una cavidad de resonancia.
19. Celda de acuerdo con la reivindicación 18,
caracterizada porque dicho plano de masa superior (PM2)
comprende al menos dos ranuras de radiación (FR1, FR2, FR3)
provistas cada una de un único dispositivo MEMS (DC, DC') que
controla su longitud de resonancia característica.
20. Celda de acuerdo con la reivindicación 19,
caracterizada porque cada dispositivo MEMS (DC. DC') es
colocado sensiblemente en medio de una ranura de radiación (FR1,
FR2, FR3).
21. Celda de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 19 y 20, caracterizada porque dichas ranuras
(FR1, FR2, FR3) son sensiblemente paralelas entre ellas y presentan
longitudes diferentes.
22. Celda de acuerdo con la reivindicación 18,
caracterizada porque dicho plano de masa superior (PM2)
comprende una ranura de radiación (FR), provista de al menos dos
dispositivos MEMS (DC, DC') permitiendo definir al menos tres
longitudes de resonancia diferentes de ranura según los estados en
los cuales son colocados respectivamente.
23. Celda de acuerdo con una de las
reivindicaciones 18 a 22, caracterizada porque dicho plano de
masa superior (PM2) comprende al menos una ranura de radiación
(FRV) rectangular presentando lados grandes paralelos en una
primera dirección, y al menos otra ranura de radiación (FRV)
rectangular presentando lados grandes paralelos en una segunda
dirección perpendicular a la primera, para permitir una doble
polarización lineal.
24. Celda desfasadora (CD), para una red de
antena reflectora, caracterizada porque comprende una
estructura plana de resonancia que comprende un bloque superior
(PS) colocado sensiblemente en paralelo a un plano de masa inferior
(PM1), a una distancia seleccionada, y conteniendo al menos una
ranura (FP), siendo seleccionadas las dimensiones del bloque (PS) y
la ranura (FP) y dicha distancia para imponer un desfasaje
seleccionado y una dispersión de fase de frecuencia seleccionada a
una onda a reflejar presentando al menos una polarización
lineal.
25. Red de antena reflectora,
caracterizada porque comprende al menos dos celdas
desfasadoras (CD) de acuerdo con una de las reivindicaciones
anteriores.
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