ES2339099B2 - Antena reflectarray de polarizacion dual lineal con propiedades de polarizacion cruzada mejoradas. - Google Patents
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Abstract
Antena Reflectarray de polarización dual lineal
con propiedades de polarización cruzada mejoradas. La antena
reflectarray consiste en un agrupamiento plano de celdas
desfasadoras iluminado por un alimentador, que produce un haz
colimado o conformado en polarización dual-lineal,
donde las celdas desfasadoras están formadas por parches
conductores de tamaño variable con un ángulo de rotación que se ha
ajustado para minimizar la polarización cruzada. En una primera
implementación, los parches en los que el ángulo de incidencia es
mayor que un umbral prefijado se rotan de manera que la dirección de
propagación del campo incidente esté contenida en un plano de
simetría de los parches. En una segunda implementación, el ángulo
de rotación de los parches en cada celda se optimiza para minimizar
la polarización cruzada en una banda de frecuencias prefijada. La
invención puede aplicarse a antenas de polarización dual en
satélites de telecomunicaciones.
Description
Antena Reflectarray de polarización dual lineal
con propiedades de polarización cruzada mejoradas.
Esta invención se enmarca en los sectores de
telecomunicaciones, radar y tecnología espacial. Más
particularmente, la invención se relaciona con antenas reflectoras
planas o curvadas denominadas "reflectarrays" que trabajan en
polarización dual, en las que los elementos desfasadores se disponen
con objeto de minimizar las componentes de polarización cruzada
generadas por la antena.
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Una antena reflectarray [D. G. Berry, R. G.
Malech W. A. Kennedy, "The Reflectarray Antenna", IEEE Trans.
on Antennas and Propagat., Vol. AP-11, 1963,
pp.646-651] consiste en un agrupación plana de
elementos radiantes con un cierto ajuste en la fase del campo
reflejado para producir un haz electromagnético colimado cuando se
ilumina mediante un alimentador primaria (Fig. 1). Los reflectarrays
impresos utilizan parches metálicos impresos en un substrato con
plano de masa para producir el ajuste requerido de la fase. Una
implementación práctica del ajuste de fase en parches rectangulares
consiste en conectar segmentos de línea de transmisión de diferentes
longitudes a los elementos impresos [R. E. Munson, H. A. Haddad, J.
W. Hanlen, "Microstrip Reflectarray for Satellite Communications
and RCS Enhancement or Reduction", patente US4684952, Agosto
1987]. En esta técnica, el retardo de la onda reflejada es
proporcional a la longitud de las líneas. Sin embargo, las líneas
producen ciertas pérdidas óhmicas y radiación espuria cuando están
dobladas que aumenta la polarización cruzada de la antena. Se han
desarrollado otros conceptos para reflectarrays impresos, como el
ajuste de la longitud resonante en dipolos cruzados [D.G. González,
G.E. Pollon, J.F. Walker, "Microwave phasing structures for
electromagnetically emulating reflective surfaces and focusing
elements of selected geometry", Patente US 4905014, Feb. 1990] o
parches rectangulares [D. M. Pozar and T. A. Metzler, "Analysis of
a reflectarray antenna using microstrip patches of variable
size", Electr. Lett. Vol. 29, No. 8, pp.657-658,
Abril 1993], parches acoplados por apertura a tramos de línea [A.W.
Robinson, M.E. Bialkowski, and H.J. Song, "An
X-band passive reflect-array using
dual-feed aperture-coupled patch
antennas", Asia Pacific Microwave Conference, pp.
906-909, Dic. 1999], aperturas de diferente longitud
en el plano de masa [M.R. Chaharmir, J. Shaker, M. Cuhaci, A. Sebak,
"Reflectarray with variable slots on ground plane", IEE
Proc.-Microw. Antennas Propag., Vol. 150, No. 6, pp.
436-439. Dic. 2003]. En principio, estas
implementaciones son válidas para cualquier tipo de polarización
incluyendo polarización dual lineal o circular, ajustando
apropiadamente el desfasaje de las dos componentes ortogonales del
campo eléctrico reflejado.
El principio de funcionamiento de los
reflectarrays que emplean elementos impresos de tamaño variable se
basa en el hecho de que la fase de la onda reflejada varía con la
longitud resonante de los elementos. Un parche impreso es una antena
resonante, de modo que su longitud debe ser aproximadamente media
longitud de onda en el dieléctrico. Si se modifica la longitud del
parche en el agrupamiento, la fase de la onda reflejada cambia. El
control de la fase mediante variación de las dimensiones resonantes
produce menores pérdidas óhmicas y niveles más bajos de polarización
cruzada que los tramos de línea de diferentes longitudes unidos a
los parches radiantes. Sin embargo, el rango máximo de variación de
fase que puede alcanzarse está alrededor de 330º, y la variación de
fase en función de la longitud es fuertemente no lineal debido al
comportamiento de banda estrecha de los parches impresos, que limita
el ancho de banda de trabajo en antenas reflectarray. La limitación
principal en las prestaciones del reflectarray es su banda estrecha,
generalmente menor que el 5% e incluso menor para reflectarrays
grandes. La limitación en ancho de banda es una característica
inherente de los reflectarrays, aunque en los últimos años se han
realizado enormes esfuerzos para mejorar el ancho de banda.
La limitación de ancho de banda en parches de
tamaño variable ha sido superada empleando dos o tres capas apiladas
de agrupamientos de parches [J. A. Encinar, "Printed circuit
technology multi-layer planar reflector and method
for the design thereof", European Patent EP 1 120 856 A1, Junio
1999] (figura 2). Por ejemplo, un reflectarray de dos capas puede
diseñarse para producir un haz colimado en la banda de
11,45-12,75 GHz (figuras 4 y 5). Se han conseguido
mejoras adicionales en el ancho de banda aplicando técnicas de
optimización que ajustan las dimensiones de los parches en cada capa
para obtener la distribución requerida de fases en una banda de
frecuencias predefinida [J. A. Encinar and J. A. Zomoza,
"Broadband design of three-layer printed
reflectarrays", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 51, no. 7,
pp.1661-1664, Julio 2003].
En los últimos se han propuesto diferentes tipos
de elementos para reflectarray con objeto de mejorar el ancho de
banda del elemento en reflectarrays impresos. Se han analizado
varias geometrías de parches impresos de tamaño variable con
hendiduras en [M. Bozzi, S. Germani, L. Perregrini, "Performance
comparison of different element shapes used in printed
reflectarrays", Antennas and Wireless Propagation Letters, Volume
2, Issue 1, 2003 pp. 219-222], y se han comparado
las características de desfasaje con las obtenidas mediante
elementos más tradicionales (rectángulos, dipolos, y rectángulos con
tramos de línea). Los parches con hendiduras tienen unas
prestaciones en desfasaje ligeramente mejores que las una sola capa
de parches rectangulares, pero la forma irregular produce un aumento
en la polarización cruzada. También se han analizado estructuras de
doble- capa mostrando unas prestaciones mejores que las
configuraciones de una sola capa. Se han propuesto anillos metálicos
apilados como elemento de reflectarray en [N. Misran, R. Cahill, V.
Fusco, "Reflection phase response of microstrip stacked ring
elements", Electronics Letters, Volume 38, Issue 8, pp.
356-357, Abril 2002], Al igual que en parches
apilados rectangulares, la fase del campo reflejado se controla
variando el tamaño de los anillos impresos. El ancho de banda mejora
para la configuración de anillos apilados, pero los resultados no
son superiores a los que pueden obtenerse con parches rectangulares
apilados. Se ha propuesto otra solución para mejorar el ancho de
banda utilizando dipolos multi-resonantes en una
sola capa en [J.A. Encinar, A. Pedreira, "antena plana del
reflector en tecnología impresa con anchura de banda mejorada y
polarizaciones separadas", patente española P200401382], donde el
reflectarray incorpora varios dipolos impresos paralelos en la misma
celda desfasadora y en la misma capa, con objeto de conseguir una
mejora de ancho de banda similar al caso de parches apilados, pero
con una sola capa de parches impresos, produciendo una
simplificación en el proceso de fabricación y una reducción en los
costes de fabricación. Las dimensiones de los dipolos paralelos se
optimizan para mejorar el ancho de banda de forma similar a como se
hace en los parches apilados. En dicha patente también se ha
propuesto un reflectarray para polarización dual, que incluye otro
agrupamiento de dipolos paralelos impresos en la cara opuesta del
substrato (cada inferior en Fig. 3), situados perpendicularmente a
los de la cara superior y colocados a cierta distancia del plano de
masa conductor. El desfasaje se ajusta independientemente para cada
polarización variando la longitud de los dipolos impresos en cada
lado, dando lugar a un bajo nivel de acoplo entre polarizaciones,
aunque la polarización cruzada residual puede no cumplir las
rigurosas especificaciones de polarización cruzada exigidas en
antenas de espacio para telecomunicaciones.
Una aplicación importante de los reflectarrays
es su uso como reflectores de polarización dual para reutilización
de frecuencias. En un satélite de comunicaciones, se transmiten y
reciben señales independientes en polarizaciones ortogonales usando
las mismas bandas de frecuencia. Aunque las dos polarizaciones
ortogonales pueden ser circulares, a derechas y a izquierdas, el
caso más común es utilizar dos polarizaciones lineales, designadas
como vertical y horizontal. La reutilización de frecuencias requiere
un aislamiento muy alto entre las polarizaciones. Se ha patentado
una antena reflectarray que actúa como reflector de polarización
dual para reutilización de frecuencias [J. R. Profera, E. Charles,
"Reflectarray Antenna for Communication Satellite Frequency
Re-use Applications", patente US5543809, Agosto
1996], que se compone de agolpamientos de dipolos en cruz, donde la
longitud de los dipolos ortogonales se ajusta de forma
independientemente para producir el desfasaje requerido para cada
polarización. También se pueden separar los dipolos para cada
polarización. Este tipo de reflectarray, en sus dos
implementaciones, presenta limitaciones severas en el ancho de
banda, puesto que se basan en una sola capa de dipolos de longitud
variable, no siendo utilizable para la mayoría de las aplicaciones
comerciales. Además, la polarización residual cruzada puede no
cumplir las rigurosas especificaciones en antenas de espacio para
telecomunicaciones.
Con objeto de reducir el acoplo entre
polarizaciones ortogonales en reflectarrays con dipolos cruzados, se
ha propuesto una configuración con dos capas apiladas de
agrupamientos de dipolos, en la que las dos polarizaciones se
separan mediante una rejilla de hilos o tiras conductoras [K. C.
Clancy, m. E. Cooley, D. Bressler, "Apparatus and method for
reduccing polarization cross-coupling in cross
dipole reflectarrays", patente US2001/0050653 A1, Marzo 2000]. En
dicha invención también se incluye una realización en la que los
agolpamientos de dipolos ortogonales para las dos polarizaciones se
encuentren sobre el mismo plano. En ese caso, cada dipolo está
formado por varios hilos muy próximos entre sí, que actúan como un
único dipolo de anchura mayor, pero reduciendo el acoplo con la
polarización ortogonal. En esta configuración las curvas de fase en
función de la longitud son similares a las obtenidas con un solo
dipolo de mayor anchura, y en consecuencia, el ancho de banda es
insuficiente para la mayoría de las aplicaciones comerciales. La
polarización cruzada se reduce drásticamente en esta invención, pero
como en el caso de la invención anterior, la técnica y las
realizaciones se basan en elementos reflectarray formados por
dipolos de longitud variable para cada polarización, que presentan
limitaciones severas en el ancho de banda.
Se han propuesto antenas reflectarray basadas en
elementos con ángulos de rotación variable [J. Huang, "A
Ka-Band Microstrip Reflectarray with Elements Having
Variable Rotation Angles", IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol.
46, No. 5, pp. 650-656, Mayo 1998] para producir un
haz enfocado en polarización circular. En este concepto, todos los
elementos del reflectarray son idénticos y el ángulo de rotación se
utiliza para ajustar el desfasaje de la onda reflejada cuando incide
un campo de polarización circular; sin embargo el ángulo de la
rotación no tiene una influencia directa en la polarización cruzada.
Esta técnica es solamente válida para polarización circular y no se
puede aplicar para polarización lineal o
dual-lineal. Además, este concepto está limitado a
una banda de frecuencias realmente estrecha.
Las antenas de Reflectarray se han utilizado
para generar haces contorneadas usando una capa de parches de tamaño
variable [D. M. Pozar, S. D. Targonski, and R. Pokuls, "A
shaped-beam microstrip patch reflectarray", IEEE
Trans. Antennas Propagat., vol. 47, no. 7, pp.
1167-1173, Julio 1999], o varias capas de parches
apilados para mejorar el ancho de banda [J. A. Encinar and J. A.
Zomoza, "Three-layer printed reflectarrays for
contoured beam space applications", IEEE Trans. Antennas
Propagat., vol. 52, no. 5, pp. 1138-1148, Mayo
2004], El conformado de haz para crear una cobertura sobre ciertas
zonas geográficas se puede obtener mediante un diseño apropiado de
las dimensiones de los parches impresos en una configuración
multi-capa para antenas en satélites de difusión
directa DBS (iniciales de "Direct Broadcast Satellite" en
inglés) que trabajan en polarización dual lineal [J. A. Encinar
et al. "Dual-Polarization
Dual-Coverage Reflectarray for Space
Applications", IEEE Trans. on Antennas and Propag., Vol. 54, No.
10, Pp. 2828-2837, Oct. 2006]. El ancho de banda
requerido para las aplicaciones DBS, alrededor de un diez por ciento
de ancho de banda, se puede conseguir optimizando las dimensiones de
los parchees en una configuración de tres capas de parches de tamaño
variable. Aunque los niveles de la polarización cruzada son lo
suficientemente bajos en antenas de haz colimado (del orden de 30dB
por debajo del máximo), cuando la antena DBS se diseña para
proporcionar una cobertura más amplia, el nivel de radiación
co-polar se reduce para proporcionar el mismo nivel
de cobertura en toda la zona geográfica especificada, pero el nivel
de polarización cruzada producido por los parches no se reduce de
forma proporcional. En este caso, el nivel de polarización cruzada
puede no ser aceptable para antenas de telecomunicaciones en
aplicaciones espaciales, donde se transmiten canales independientes
en cada polarización lineal (vertical y horizontal) y se requiere un
gran aislamiento entre las polarizaciones ortogonales, típicamente
30 dB.
Como se ha mencionado en este apartado, las
antenas reflectarray propuestas en el estado de la técnica anterior
tienen varias desventajas y limitaciones. Por un lado, la limitación
más severa en las antenas reflectarray está asociada a su
funcionamiento en una estrecha banda de frecuencias, que ha sido
mitigada mediante varias técnicas, incluyendo parches apilados,
celdas resonantes múltiples (dipolos y anillos) y técnicas de
optimización. Por otro lado, la polarización cruzada debe reducirse
tanto como sea posible para reflectarrays de polarización dual,
particularmente para antenas de haz conformado en aplicaciones
espaciales, donde se requiere un alto aislamiento entre
polarizaciones. En las últimas décadas se han propuesto varios
conceptos para reducir el acoplo entre polarizaciones. Sin embargo,
en todas las configuraciones presentadas hasta la fecha, los
elementos reflectarray están formados por dipolos impresos banda
estrecha, y los conceptos propuestos para reducir la polarización
cruzada no son compatibles con otros elementos reflectarray de banda
ancha como parches apilados o celdas
multi-resonantes. Por consiguiente, las antenas
reflectarray propuestas exhiben una característica de banda estrecha
propia de los reflectarrays convencionales de una sola capa, no
siendo utilizables en la mayoría de las aplicaciones
comerciales.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención se relaciona con una antena
reflectarray de polarización dual lineal con propiedades de
polarización cruzada mejoradas de acuerdo con la reivindicación 1, y
con un método para obtener dicha antena de acuerdo con la
reivindicación 11. Las realizaciones preferentes de la antena y del
método se definen en las reivindicaciones dependientes.
La antena reflectarray de polarización dual
lineal comprende un reflectarray y un alimentador primario
configurado para iluminar un agrupamiento de celdas desfasadoras del
reflectarray, cada celda desfasadora comprende al menos una capa de
dieléctrico y un plano conductor, cada capa de dieléctrico tiene al
menos un elemento conductor impreso en su superficie, el tamaño de
cada elemento conductor de cada celda desfasadora se determina para
producir un haz de radiación previamente definido. El aspecto
principal de la presente invención es que cada elemento conductor de
cada celda desfasadora se dispone en una orientación previamente
calculada con respecto a la celda desfasadora para reducir el efecto
de polarización cruzada, dependiendo dicha orientación de la celda
desfasadora considerada.
En la antena propuesta se puede considerar un
sistema de coordenadas del reflectarray (X_{R},Y_{R},Z_{R}),
siendo el eje Z_{R} perpendicular al reflectarray. También puede
considerarse en cada celda desfasadora i un sistema local de
coordenadas (X_{Ri},Y_{Ri},Z_{Ri}) centrado en la celda y
paralelo al sistema de coordenadas del reflectarray (X_{R},
Y_{R}, Z_{R}).
En una primera realización preferente, el al
menos un elemento conductor de cada capa de dieléctrico de cada
celda desfasadora i comprende un parche conductor cuyos ejes
de simetría (X_{Pi}, Y_{Pi}) forman un ángulo calculado
previamente \alpha_{i} con respecto a los ejes correspondientes
(X_{Ri},Y_{Ri}) del sistema de coordenadas local (X_{Ri},
Y_{Ri}, Z_{Ri}), dependiendo dicho ángulo \alpha_{i} de la
celda desfasadora considerada.
Los parches conductores del reflectarray pueden
tener una de las formas siguientes: rectangular, cuadrada,
cruciforme, elíptica, poligonal.
Para cada celda desfasadora i el ángulo
\alpha_{i} se puede elegir tal que la dirección de propagación
del campo incidente en dicha celda desfasadora i proveniente
del alimentador esté contenida en un plano de simetría del parche
conductor de cada capa de dieléctrico de la celda desfasadora
i.
En una segunda realización preferente el al
menos un elemento conductor de cada capa de dieléctrico de cada
celda desfasadora i comprende un primer conjunto de dipolos
conductores paralelos impresos en un lado de la capa de dieléctrico
y un segundo conjunto de dipolos conductores paralelos impresos en
el lado opuesto de la capa de dieléctrico, la celda desfasadora
i comprende al menos una capa más de dieléctrico para separar
la al menos una capa de dieléctrico del plano conductor. El primer
conjunto de dipolos conductores paralelos se orienta tal que su eje
asociado Y_{Di}, paralelo al primer conjunto de dipolos, forme un
ángulo calculado previamente \alpha_{yi} con respecto al eje
correspondiente (Y_{Ri}) del sistema local de coordenadas
(X_{Ri}, Y_{Ri}, Z_{Ri}), y el segundo conjunto de dipolos
conductores paralelos se orienta tal que su eje asociado (X_{Di}),
paralelo al segundo conjunto de dipolos, forme un ángulo calculado
previamente \alpha_{xi} con respecto al eje correspondiente
(X_{Ri}) del sistema local de coordenadas (X_{Ri}, Y_{Ri},
Z_{Ri}), dependiendo dichos ángulos \alpha_{yi} y
\alpha_{xi} de la celda desfasadora considerada.
En una tercera realización preferente, cada
celda desfasadora i comprende al menos un par de capas de
dieléctrico con un primer conjunto de dipolos conductores paralelos
impresos en un lado de una capa de dieléctrico y un segundo conjunto
de dipolos conductores paralelos impresos en la otra capa de
dieléctrico. El primer conjunto de dipolos conductores paralelos se
orienta tal que su eje asociado Y_{Di}, paralelo al primer
conjunto de dipolos, forme un ángulo calculado previamente
\alpha_{yi} con respecto al eje correspondiente (Y_{Ri}) del
sistema local de coordenadas (X_{Ri}, Y_{Ri}, Z_{Ri}), y el
segundo conjunto de dipolos conductores paralelos se orienta tal que
su eje asociado (X_{Di}), paralelo al segundo conjunto de dipolos,
forme un ángulo calculado previamente \alpha_{xi} con respecto
al eje correspondiente (X_{Ri}) del sistema local de coordenadas
(X_{Ri}, Y_{Ri}, Z_{Ri}), dependiendo dichos ángulos
\alpha_{yi} y \alpha_{xi} de la celda desfasadora
considerada.
Tanto en la segunda como en la tercera
realización el ángulo \alpha_{yi} se puede elegir, para cada
celda desfasadora, tal que el eje Y_{Di} que define la dirección
del primer conjunto de dipolos conductores esté contenido en el
plano de incidencia del campo que incide en dicha celda desfasadora
i proveniente del alimentador, y el ángulo \alpha_{xi} se
puede elegir tal que el eje X_{Di} que define la dirección del
segundo conjunto de dipolos conductores sea perpendicular al plano
de incidencia del campo que incide en dicha celda desfasadora
i proveniente del alimentador.
En cualquiera de las realizaciones primera,
segunda o tercera las dimensiones de cada elemento conductor de cada
celda desfasadora i se pueden elegir tal que haya un
desfasaje de 180 grados entre las dos componentes del campo
eléctrico reflejado paralelo a los ejes asociados a los elementos
conductores (X_{Pi},Y_{Pi};X_{Di},Y_{Di}) y donde la
orientación de cada elemento conductor de cada celda desfasadora
i sea tal que la polarización cruzada total producida por
proyecciones geométricas y por acoplo en la celda desfasadora se
minimice en una banda de frecuencia prefijada para las dos
polarizaciones lineales.
Las celdas desfasadoras pueden estar dispuestas
en una de las disposiciones siguientes: una retícula rectangular,
una retícula cuadrada, una retícula triangular, una retícula
hexagonal, una agrupación no-periódica, una
agrupación dispersa.
La orientación de cada elemento conductor de las
celdas desfasadoras en las que el ángulo de incidencia
(\theta_{i}) del campo proveniente del alimentador con respecto
al eje Z_{R} es menor que un ángulo umbral predeterminado
\theta_{t}, se puede elegir de tal manera que los ejes asociados
al elemento conductor correspondiente (X_{Pi},Y_{Pi};
X_{Di},Y_{Di}) sean paralelos a los ejes correspondientes
(X_{R},Y_{R}) del sistema de coordenadas del reflectarray
(X_{R},Y_{R},Z_{R}).
\vskip1.000000\baselineskip
De acuerdo con otro aspecto de la invención, se
presenta un método para obtener una antena reflectarray con
características mejoradas de polarización cruzada. El método
comprende:
- definir de un reflectarray y un alimentador
primario configurado para iluminar un agrupamiento de celdas
desfasadoras del reflectarray, comprendiendo cada celda desfasadora
al menos una capa de dieléctrico y un plano conductor, cada capa de
dieléctrico tiene al menos un elemento conductor impreso en su
superficie, el tamaño de cada elemento conductor de cada celda
desfasadora se determina para producir un haz de radiación
previamente definido;
- calcular, para cada elemento conductor de cada
celda desfasadora, una orientación con respecto a la celda
desfasadora para reducir el efecto de polarización cruzada,
dependiendo dicha orientación de la celda desfasadora
considerada;
- disponer cada elemento conductor de cada celda
desfasadora en la orientación previamente calculada.
\vskip1.000000\baselineskip
En una realización preferente, la orientación de
cada elemento conductor de cada celda desfasadora se puede calcular
de manera que la dirección de propagación del campo incidente en
dicha celda desfasadora i proveniente del alimentador esté
contenida en un plano de simetría de dicho elemento conductor.
En otra realización preferente, el cálculo de la
orientación de cada elemento conductor comprende minimizar, usando
una rutina de optimización, de la polarización cruzada total
producida por proyecciones geométricas y por acoplo en el elemento
desfasador, en una banda de frecuencias prefijada y para las dos
polarizaciones lineales.
\vskip1.000000\baselineskip
En otra realización preferente más, el cálculo
la orientación de cada elemento conductor comprende:
- calcular las dimensiones de cada elemento
conductor de cada celda desfasadora tales que haya un desfasaje de
180 grados entre las dos componentes del campo eléctrico reflejado
paralelo a los ejes asociados a los elementos conductores
(X_{Pi},Y_{Pi};X_{Di},Y_{Di});
- minimizar, usando una rutina de optimización,
la polarización cruzada total producida por proyecciones geométricas
y por acoplo en el elemento desfasador, en una banda de frecuencias
prefijada y para las dos polarizaciones lineales.
\vskip1.000000\baselineskip
El método puede comprender además los siguientes
pasos:
- definir un ángulo umbral \theta_{t}, tal
que la polarización cruzada producida por aquellas celdas
desfasadoras en las que el ángulo de incidencia con respecto al eje
Z_{R} es menor que el ángulo umbral \theta_{t}, sea menor que
un nivel prefijado para las dos polarizaciones ortogonales;
- disponer cada elemento conductor en aquellas
celdas desfasadoras donde el ángulo de la incidencia
(\theta_{i}) del campo que proviene del alimentador con respecto
al eje Z_{R} sea menor que dicho ángulo umbral \theta_{t} tal
que los ejes asociados al elemento conductor correspondiente
(X_{Pi},Y_{Pi};X_{Di},Y_{Di}) sean paralelos a los ejes
correspondientes (X_{R},Y_{R}) del sistema de coordenadas del
reflectarray (X_{R},Y_{R},Z_{R}).
Una serie de dibujos que ayuda a una mejor
comprensión de la invención y que están expresamente relacionados
con al menos una realización de dicha invención, presentados como un
ejemplo no limitador, se describen brevemente a continuación:
Figura 1. Perspectiva de un reflectarray
iluminado mediante un alimentador, de acuerdo con el estado de la
técnica anterior.
Figura 2. Vistas lateral y frontal de una celda
de reflectarray que comprende dos parches conductores apilados, de
acuerdo con el estado de la técnica anterior.
Figura 3 representa una perspectiva de una celda
reflectarray que comprende dipolos conductores, de acuerdo con el
estado de la técnica anterior.
Figura 4 muestra una máscara con parches de
tamaño variable, de acuerdo con el estado de la técnica
anterior.
Figura 5 muestra los diagramas de radiación
co-polar y contra-polar en un plano
inclinado 20 grados con respecto al plano coordenado Y_{R}Z_{R},
para un reflectarray con dos capas de parches de tamaño variable,
donde la primera capa se muestra en la figura 4, para la
polarización lineal con el campo eléctrico contenido en el plano
X_{R}Z_{R}.
Fig. 6 Representa, de acuerdo con una primera
realización de la presente invención, las vistas lateral y superior
de una celda reflectarray con dos parches conductores apilados
impresos en capas de dieléctrico con un ángulo de rotación
\alpha_{i} respecto de la retícula rectangular.
Figura 7.A muestra, de acuerdo con una segunda
implementación, la perspectiva de una celda de reflectarray que
comprende tres dipolos conductores paralelos impresos en el lado
superior de una capa de dieléctrico rotados un ángulo
\alpha_{yi} con respecto al eje Y_{Ri} y tres dipolos
conductores impresos en el lado inferior de la capa dieléctrica
rotados un ángulo \alpha_{xi} con respecto al eje X_{Ri}.
Figura 7.B muestra, de acuerdo con una segunda
implementación, la perspectiva de una celda de reflectarray que
comprende tres dipolos conductores paralelos impresos en el lado
superior de una capa de dieléctrico rotados un ángulo
\alpha_{yi} con respecto al eje Y_{Ri} y tres dipolos
conductores impresos en el lado superior de una segunda capa de
dieléctrico rotados un ángulo \alpha_{xi} con respecto al eje
X_{Ri}.
Figura 8 representa la perspectiva de una antena
reflectarray formada por un agrupamiento de parches de tamaño
variable iluminado mediante un alimentador, en el que los parches
impresos están rotados en cada celda desfasadora para reducir la
polarización cruzada.
Figura 9 muestra, de acuerdo con una realización
de la presente invención, un ejemplo de máscara a escala con parches
de tamaño variable rotados.
Figura 10 muestra los diagramas de radiación
co-polar y contra-polar en un plano
inclinado 20 grados con respecto al plano coordenado Y_{R}Z_{R},
para un reflectarray con dos capas de parches de tamaño variable,
donde la primera capa se muestra en la figura 9.
Figura 11 representa un croquis que muestra como
el campo eléctrico reflejado E_{ref} por un elemento de
reflectarray se encuentra girado 2\beta grados con respecto al
campo eléctrico incidente E_{inc}, cuando la celda del
reflectarray se diseña para producir una diferencia de fase de 180
grados entre las dos componentes del campo reflejado paralelas a los
lados de los parches rectangulares.
En esta invención, se propone una antena
reflectarray que comprende una pluralidad de elementos desfasadores
de banda ancha formados por una o varia capas de parches o de
dipolos conductores de tamaño variable impresos en un substrato
dieléctrico sobre un plano de masa conductor, en los cuales los
parches impresos se rotan individualmente para reducir la
polarización cruzada.
La figura 1 muestra una perspectiva de un
reflectarray (1) iluminado mediante un alimentador (2). En cada
elemento (3) del reflectarray se introduce un ajuste en la fase del
campo reflejado de manera que el campo divergente que proviene del
alimentador (2) se refleja como un haz colimado o conformado en una
dirección determinada (4).
En el estado de la técnica anterior se ha
demostrado que las antenas reflectarray se pueden diseñar para
satisfacer la mayor parte de las especificaciones para satélites de
comunicaciones, siendo las más críticas el ancho de banda y los
bajos niveles de polarización cruzada requeridos en antenas de
polarización dual. Aunque los reflectarrays producen una
polarización cruzada baja, puede no ser suficiente para satisfacer
las especificaciones en misiones de telecomunicaciones con
polarización dual lineal. En una antena reflectarray formada por
varias capas de agrupamientos de parches de tamaño variable y
diseñada para producir un determinado haz contorneado en una banda
de frecuencia especificada (típicamente alrededor del 10%), la
polarización cruzada se produce debido a dos fenómenos diferentes:
el primero es la generación de la componente ortogonal del campo en
la superficie del reflectarray producida por las proyecciones del
campo cuando el reflectarray se ilumina mediante un alimentador de
polarización lineal, y el segundo es el acoplo de polarizaciones
producido en los parches conductores. Ambas componentes de
polarización cruzada son cero cuando la señal incidente se encuentra
en uno de los planos principales (\varphi_{i}=0º o
\varphi_{i}=90º, en el sistema de coordenadas esféricas mostrado
en la figura 1 para la celda desfasadora i) y aumenta para otros
ángulos de incidencia, especialmente para ángulos de incidencia
\theta_{i} (Figura 1) grandes. El segundo factor es el más
significativo en un reflectarray y aumenta cuando los parches se
encuentran cerca de la resonancia. En una antena reflectarray el
ángulo de incidencia en cada elemento varía con la posición del
elemento en el agrupamiento, y también varía el nivel de la
polarización cruzada producido por ambos fenómenos, acoplo y
proyecciones del campo. Como consecuencia, los niveles de
polarización cruzada son significativos solamente en las zonas del
reflectarray donde los ángulos de incidencia
(\theta_{i},\varphi_{i}) se encuentran lejos de los planos
principales, y predominantemente para valores grandes de
\theta_{i}, por lo tanto la reducción de la polarización cruzada
es particularmente necesaria en esas zonas.
La figura 2 muestra las vistas lateral y frontal
de una celda de reflectarray de dimensiones p_{x} por p_{y} con
dos parches conductores apilados, donde la fase del campo reflejado
se ajusta variando las dimensiones de los parches. El elemento
reflectarray consiste en un primer parche conductor rectangular (5)
de dimensiones a_{1}xb_{1}, una capa de dieléctrico (6) de
espesor t_{1}, un segundo parche conductor rectangular (7) de
dimensiones a_{2}xb_{2}, una segunda capa de dieléctrico (8) de
espesor t_{2}, y un plano conductor (9).
La figura 3 representa la perspectiva de una
celda reflectarray que comprende tres dipolos conductores paralelos
(10, 11 y 12) impresos en el lado superior de una capa de
dieléctrico (13) y tres dipolos conductores (14, 15 y 16)
perpendiculares a los primeros, impresos en el lado inferior de la
capa de dieléctrico (13), separados de un plano conductor (17) por
otra capa de dieléctric (18), donde la fase del campo reflejado para
cada polarización lineal se controla independientemente variando las
longitudes de los dipolos impresos en cada lado de la capa superior
de dieléctrico (13).
Es importante observar que una vez que un
reflectarray formado por un agrupamiento de elementos desfasadores
de banda ancha, que se realizan mediante una o varias capas de
parches conductores (Fig. 2) o dipolos (Fig. 3) de tamaño variable
impresos en un substrato dieléctrico con plano de masa, se ha
diseñado para generar o recibir el mismo haz en las dos
polarizaciones ortogonales, una pequeña rotación de los parches
prácticamente no alterará los diagramas de radiación
co-polares, pero modificará perceptiblemente los
diagramas contra-polares. Por lo tanto, los parches
en el reflectarray pueden rotarse individualmente en cada celda para
reducir al mínimo la polarización cruzada producida en cada celda
del reflectarray. Para el análisis del reflectarray se puede
utilizar el modelo de periodicidad local, es decir, se supone que
cada elemento i se encuentra en un agrupamiento plano
periódico con todos los elementos rotados el mismo ángulo
\alpha_{i} (especificado en Fig. 6) con respecto al sistema de
coordenadas del reflectarray (X_{R}Y_{R}). Las componentes del
co- y contra-polares del campo reflejado se calculan
independientemente en cada celda suponiendo periodicidad local, y a
partir de ellas se calculan los diagramas co- y
contra-polares de la antena reflectarray.
Un primer objeto principal de esta invención es
una antena reflectarray formada por una agrupación plana de celdas
desfasadoras dispuestas en una retícula rectangular, donde cada
celda se realiza mediante una o varias capas de parches o dipolos de
tamaño variable impresos en capas de dieléctrico colocadas sobre un
plano conductor, que se diseñan ajustando sus dimensiones para
producir el desfasaje en el campo reflejado requerido para colimar o
conformar el haz en polarización dual-lineal
(vertical y horizontal) en una banda de frecuencia dada, cuando se
iluminan mediante un alimentador (2) situado en un punto focal (en
modo transmisión); o para recibir señales de radiofrecuencia desde
una dirección dada en polarización dual-lineal y en
la misma banda de frecuencia, concentrándolas en el punto focal
donde se encuentra el alimentador; donde los parches se rotan
individualmente en cada celda con respecto a la retícula rectangular
para reducir al mínimo la polarización cruzada producida en cada
celda del reflectarray.
Las celdas desfasadoras en la antena
reflectarray se pueden disponer no sólo en una retícula rectangular,
sino también en diferentes tipos de retículas como, cuadrada,
triangular, hexagonal o siguiendo diferentes tipos de patrón,
incluyendo agrupamientos no regulares de los elementos. Las
retículas triangulares se pueden utilizar para conseguir una
distribución más densa de los elementos en el agrupamiento, o para
intercalar elementos de reflectarray a distintas frecuencias o para
diferente polarización. Por otro lado, las retículas
no-regulares, tales como agrupamientos dispersos o
no-periódicos pueden utilizarse para reducir el
número total de elementos en el reflectarray, que resulta
particularmente importante cuando los elementos desfasadores
incluyen interruptores u otros dispositivos de control.
En una primera implementación, representada en
la figura 6, cada elemento del reflectarray consiste en varias capas
apiladas de parches conductores (5 y 7) separados por láminas
dieléctricas (6 y 8), todas ellas colocadas sobre un plano conductor
(9), considerando en cada capa parches cuadrados o rectangulares, o
parches conductores con otras formas geométricas que permitan el
ajuste independiente de dos dimensiones para controlar la fase del
campo reflejado para las dos polarizaciones ortogonales del campo
incidente, tales como metalizaciones cruciformes, donde la fase para
cada polarización se controla con la longitud de cada brazo de las
cruces. Los ejes de simetría de los parches apilados en el elemento
i se rotan \alpha_{i} grados respecto de los ejes
coordenados locales X_{Ri}Y_{Ri} que son paralelos a los ejes
coordenados del reflectarray X_{R}Y_{R}.
Los parches conductores se pueden imprimir en
una capa dieléctrica fina, que se adhiere a los separadores
dieléctricos (6 y 8) mediante una película adherente, de tal manera
que el número de capas dieléctricas entre el plano de masa conductor
(9) y los parches conductores (7), o entre los parches conductores
apilados (5 y 7) puede aumentar por consideraciones estructurales o
por razones tecnológicas en el proceso de fabricación. El empleo de
varias capas con parches impresos (dos, tres o incluso más) permite
que las curvas de la fase en función del tamaño de los parches sean
menos sensibles a variaciones de frecuencia, lo que produce un
aumento en el ancho de banda. Además, las dimensiones de los parches
apilados se pueden optimizar para conseguir el conformado de haz
requerido en toda la banda de frecuencias de trabajo y los ángulos
de rotación se ajustarán para reducir al mínimo la polarización
cruzada, con objeto de satisfacer las rigurosas especificaciones de
ancho de banda y polarización cruzada.
En una segunda implementación, representada en
la figura 7.A, cada celda del reflectarray comprende varios dipolos
conductores paralelos de diferente longitud en el mismo plano,
típicamente dos o tres dipolos (10, 11, 12), impresos en la misma
cara de una primera capa del dieléctrico (13) formando un ángulo
\alpha_{yi} con respecto al eje coordinado Y_{Ri} en la celda
reflectarray i para el control de fase en una polarización, y
un conjunto de dos o tres dipolos conductores (14, 15, 16) impresos
en el lado opuesto de la capa de dieléctrico (13) formando un ángulo
\alpha_{xi} con respecto al eje coordinado X_{Ri} en la celda
reflectarray i para el control de fase en la polarización
ortogonal, donde las longitudes de los dipolos en cada celda se
ajustan para producir el haz colimado o conformado requerido en
polarización dual-lineal en una banda de frecuencia
dada, y los ángulos de la rotación se ajustan en cada celda para
minimizar la polarización cruzada, siendo el ángulo de rotación
idéntico para todos los dipolos paralelos en la misma celda. Los
dipolos están separados de un plano conductor (17) por otra capa de
dieléctrico (18), y la fase del campo reflejado para cada
polarización lineal se controla independientemente variando las
longitudes de los dipolos impresos en cada lado de la primera capa
de dieléctrico (13).
Otro objeto de la presente invención es la
utilización de celdas de reflectarray con dos o más capas apiladas
de dipolos paralelos para ajustar la fase en una polarización
(vertical) y dos o más capas apiladas de dipolos paralelos en la
polarización ortogonal (horizontal), incluyendo varias capas
dieléctricas entre el plano de masa conductor y los dipolos
conductores, o entre capas adyacentes con los dipolos paralelos,
donde los dipolos para cada polarización se rotan para reducir al
mínimo la polarización cruzada. Esta configuración con varias capas
apiladas de dipolos paralelos para cada polarización permite diseñar
antenas reflectarray que operen en dos frecuencias o en múltiples
frecuencias, donde la fase se ajusta en varias bandas de frecuencia
variando las dimensiones de los dipolos paralelos en las distintas
capas apiladas. Esta configuración se puede también utilizar para el
diseño de una antena en las bandas de frecuencia asignadas para
transmisión y recepción, o para conseguir un mayor anchura de
banda.
Para reducir al mínimo la polarización cruzada
producida en antenas reflectarray, se propone un procedimiento
sistemático para ajustar el ángulo de rotación en cada celda del
reflectarray. Para ilustrar la técnica, se ha diseñado un
reflectarray circular con 20 filas y 20 columnas en la banda de
frecuencias 11.45 GHz-12.75 GHz para producir una
haz colimado en el plano X_{R}-Y_{R} a 20 grados
del eje Z_{R} cuando se ilumina mediante una antena de bocina
situada en las coordenadas x_{f} = -120, y_{f} =
0, z_{f} = 300 en el milímetros que proporciona una
variación de iluminación de 9dB entre el centro y los bordes del
reflectarray. La celda periódica (15 mm x 15 mm) y el tamaño
relativo de los parches apilados (a_{1}=0.7a_{2}, b_{1}=0.7
b_{2}) se han elegido para conseguir un elemento reflectarray de
banda ancha empleando dos capas de parches de tamaño variable. La
disposición del agolpamiento resultante para la primera capa de
parches se muestra en la figura 4.
La Figura 5 muestra los diagramas de radiación
co-polar (en línea continua) y
contra-polar (en línea discontinua) en un plano
inclinado 20 grados con respecto al plano coordenado Y_{R}Z_{R}
(para el reflectarray descrito previamente), para la polarización
lineal con el campo eléctrico contenido en el plano X_{R}Z_{R}.
Puesto que la polarización cruzada aumenta para ángulos de
incidencia mayores, el primer paso es identificar los elementos
reflectaoay en los que el ángulo de incidencia (\theta_{i} en
Fig. 1) es mayor que un umbral prefijado \theta_{t}, para
introducir la rotación apropiada en esos elementos. Entonces, el
ángulo de rotación para los parches en los elementos del
reflectarray iluminados bajo un ángulo de incidencia (\theta_{i}
en Fig. 1) mayor que el ángulo umbral \theta_{t} prefijado, se
define de manera que la dirección de propagación del campo incidente
que viene del alimentador esté contenida en un plano de simetría de
los parches rectangulares, es decir, el plano de incidencia debe ser
paralelo a dos lados de los parches y perpendicular a los otros dos.
El ángulo umbral \theta_{t} se define para rotar aquellos
elementos que más contribuyan a la polarización cruzada.
La Figura 8 representa una perspectiva de un
reflectarray (1) formado por parches de tamaño variable iluminado
mediante un alimentador (2), en el que los parches impresos se han
rotado en cada celda desfasadora (3) para reducir la polarización
cruzada.
La Figura 9 muestra, de acuerdo con una
realización de la presente invención, una máscara a escala con los
parches de tamaño variable (5) para la primera capa de un
reflectarray diseñado para producir una haz enfocado en la dirección
\theta_{0}=20º, \varphi_{0}=0º en la banda de frecuencia
11.45 GHz-12.75 GHz cuando el centro de la fase de
la bocina alimentadora se coloca en las coordenadas x_{f} =
-120, y_{f} = 0, z_{f} = 300 (en milímetros) con
respecto al centro del reflectarray, después de rotar los parches de
manera que la dirección de propagación del campo del incidente que
proviene del alimentador se encuentra en un plano de simetría de los
parches rectangulares para aquellos elementos donde el ángulo de
incidencia es mayor de 28 grados. Por lo tanto, en el caso
representado en la figura 9, se ha elegido un umbral de 28 grados; y
en ese caso, el máximo de la polarización cruzada se reduce en 4.8
dB para la polarización con el campo eléctrico en el plano
X_{R}Z_{R} cuando se elimina la polarización cruzada introducida
por los parches rotados. La reducción en la polarización cruzada se
observa al comparar los diagramas de radiación mostrados en la
figura 10 (que muestra los diagramas de radiación
co-polar y contra-polar en un plano
inclinado 20 grados con respecto al plano coordenado Y_{R}Z_{R},
para un reflectarray con dos capas de parches de tamaño variable,
donde la primera capa se muestra en la figura 9, para la
polarización lineal con el campo eléctrico contenido en el plano
X_{R}Z_{R}, cuando se elimina la polarización cruzada producida
por acoplo en los parches en aquellos elementos donde el ángulo de
incidencia es mayor de 28 grados) con los de la figura 5. El ángulo
de rotación de los ejes asociados a los parches (X_{Pi}, Y_{Pi})
o dipolos (X_{Di}, Y_{Di}) se define localmente en cada elemento
denotado como i, como el ángulo \varphi_{i} que forma el
plano de incidencia (del campo incidente en el elemento i que
proviene del alimentador) con el plano coordenado X_{R}Y_{R},
mostrado en la figura 1. Mediante esta orientación de los parches,
la componente de la polarización cruzada producida por los parches
es virtualmente eliminada, puesto que la incidencia en cada elemento
se encuentra en uno de los planos de simetría de los parches
rectangulares o dipolos. En consecuencia, se reduce la polarización
cruzada total de la antena.
De acuerdo con un aspecto adicional de la
presente invención se presenta un método basado en la rotación de
los parches para mejorar las características de polarización cruzada
en una antena reflectarray que comprende una pluralidad de elementos
formados por una o más capas de parches rectangulares o dipolos
conductores de tamaño variable, que ha sido diseñada ajustando las
dimensiones de los parches conductores por una técnica conocida en
el estado de la técnica anterior para generar o recibir un haz
colimado o conformado en una banda de frecuencias prefijada para
polarización dual lineal, estando el método definido por los
siguientes pasos: primero, se calcula la polarización cruzada
producida en los elementos del reflectarray; segundo, se define un
umbral \theta_{t} para el ángulo de incidencia de manera que
aquellos elementos donde el ángulo de incidencia con respecto al eje
Z_{R} es menor que el umbral producen una polarización cruzada
menor que un cierto nivel para las dos polarizaciones ortogonales
denominadas vertical y horizontal; y tercero, para aquellos
elementos donde el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo
umbral prefijado \theta_{t}, se define el ángulo de rotación
\alpha_{i} de los parches conductores impresos de manera que la
dirección de la propagación del campo incidente que proviene del
alimentador se encuentre en un plano de simetría de los parches
rectangulares o de los dipolos, es decir, que el plano de incidencia
sea paralelo a dos lados de los parches y perpendicular a los otros
dos.
En el método anterior, la polarización cruzada
generada por acoplo de polarizaciones en los parches impresos o
dipolos queda virtualmente eliminada en aquellos elementos donde el
ángulo de incidencia es mayor que el ángulo umbral prefijado
\theta_{t}, no obstante todavía queda otra componente de
polarización cruzada en el campo radiado que es producida por las
proyecciones geométricas del campo incidente del alimentador. Otro
objeto de la presente invención es un método para mejorar las
características de polarización cruzada en una antena reflectarray,
donde el ángulo de rotación de los parches o dipolos en cada celda
se obtiene mediante una rutina de optimización con objeto de
minimizar en una banda de frecuencias prefijada la polarización
cruzada total, producida por las proyecciones geométricas y por
acoplo en los parches, para las dos polarizaciones lineales
(vertical y horizontal), de tal manera que la polarización cruzada
introducida por acoplo en los parches compense parcialmente la
componente producida por las proyecciones geométricas. Puesto que la
componente de polarización cruzada producida por las proyecciones de
la geometría es más significativa en una polarización (la que tiene
campo eléctrico en la dirección Y_{R}), la rotación se debe
optimizar para reducir al mínimo, en la banda de frecuencia
definida, la polarización cruzada total para las dos polarizaciones
lineales.
Otro método para mejorar la polarización cruzada
del reflectarray se basa en el hecho de que la radiación de
polarización cruzada, incluyendo las contribuciones de las
proyecciones del campo y del acoplo en los parches, representa una
rotación indeseada del campo eléctrico radiado de un ángulo
\gamma, y en que este efecto se puede reducir por una pequeña
rotación del vector de campo eléctrico reflejado en el reflectarray,
aplicando la técnica representada esquemáticamente en la figura 11 y
explicada a continuación. Supongamos que una onda localmente plana
incide sobre una celda periódica formada por una o varias capas de
parches rectangulares, donde el campo eléctrico incidente forma un
ángulo \beta con respecto al sistema coordenado local asociado a
los parches rectangulares X_{Pi}Y_{Pi}, el campo eléctrico
incidente puede descomponerse en dos componentes paralelas a los
lados del parche; si las celdas del reflectarray se diseñan de
manera que la fase del campo reflejado en una de las componentes
(Y_{Pi}) es 180 grados mayor que la fase del campo eléctrico
reflejado en la otra componente (X_{Pi}), lo que significa un
cambio de signo en esta componente del campo, el campo eléctrico
reflejado resultante estará girado un ángulo igual a 2\beta con
respecto al campo del incidente. Cada parche puede rotarse de manera
que el campo eléctrico reflejado sea paralelo a uno de los ejes del
sistema de coordenadas del reflectarray X_{R}Y_{R}, con objeto
de cancelar la polarización cruzada total. Obsérvese que el campo
gira el mismo ángulo para las dos polarizaciones (vertical y
horizontal). En la presente invención se propone utilizar esta
técnica para girar el campo eléctrico reflejado en cada celda del
reflectarray con objeto de reducir al mínimo la polarización cruzada
en ambas polarizaciones lineales. Puesto que los ángulos de rotación
requeridos para cancelar totalmente la polarización cruzada en
general no serán iguales para las dos polarizaciones lineales, el
ángulo de rotación se determinará usando una rutina de optimización
con objeto de reducir al mínimo la polarización cruzada en ambas
polarizaciones lineales simultáneamente para la banda de frecuencias
requerida.
Otro objeto de la presente invención es un
método para mejorar la polarización cruzada de un reflectarray
formado por una o varias capas de parches o de dipolos de tamaño
variable diseñado para producir o para recibir una haz enfocado o
contorneado en una banda de frecuencias prefijada para ambas
polarizaciones lineales ortogonales (vertical y horizontal), donde
las dimensiones de los parches en los elementos del reflectarray se
han optimizado para producir un desfasaje de 180 grados entre las
dos componentes ortogonales del campo eléctrico reflejado paralelas
a los lados del parche para producir una rotación del campo
eléctrico reflejado (Fig. 11), y donde el ángulo de rotación de los
parches en cada celda se optimiza para reducir al mínimo la
polarización cruzada total para ambas polarizaciones lineales
(vertical y horizontal) en una banda de frecuencias prefijada. En
este método, la polarización cruzada producida por los parches
compensará parcialmente la polarización cruzada producida por la
proyección del campo radiado por el alimentador.
En relación a la complejidad y al coste de la
antena reflectarray, es importante decir que el proceso de
fabricación de la antena reflectarray no se modificado por la
rotación de los parches. Los agrupamientos de parches se fabrican
mediante técnicas convencionales de la foto-grabado
y las distintas capas de parches conductores, plano de masa y capas
de dieléctrico se pueden pegar mediante procesos bien conocidos de
curado empleados para realizar sándwiches con materiales compuestos
y núcleos de retícula hexagonal denominados "honeycomb". Estos
procesos no se ven afectados por las orientaciones de los
parches.
La rotación de los parches permite reducir el
nivel de polarización cruzada. Esta característica es extremadamente
importante en varias aplicaciones como por ejemplo, en antenas de
polarización dual para satélites de telecomunicaciones, que tienen
que cumplir unas especificaciones rigurosas. Debido al mayor ancho
de banda de la configuración multi-capa, y gracias
al bajo nivel de polarización cruzada del reflectarray propuesto,
otro objeto de esta invención consiste en su aplicación para antenas
en satélites de telecomunicaciones, en las que las dimensiones y
rotación de los parches se optimizan para radiar, recibir o radiar y
recibir un haz colimado o contorneado que proporcione la misma
cobertura en polarización dual lineal (vertical y horizontal).
Una ventaja de la actual invención es que debido
a sus características mejoradas de anchura de banda y polarización
cruzada, se puede utilizar en antenas de espacio como alternativa a
los reflectores conformados convencionales. Un reflector conformado
tal como los empleados en los satélites para difusión directa de
televisión, consiste en un reflector con deformaciones en su
superficie de manera que el diagrama de radiación ilumine una
determinada zona geográfica. El diseño y construcción de reflectores
conformados se realiza de forma específica para cada cobertura,
requiriendo moldes, que son muy costosos de fabricar y no se pueden
reutilizar para otras antenas. La antena reflectarray propuesta y su
proceso de diseño para mejorar la polarización cruzada pueden
utilizarse para diseñar antenas en satélites de telecomunicaciones
con las mismas prestaciones eléctricas que las proporcionadas por
los reflectores conformados, proporcionando una reducción
significativa en los costes y en el tiempo de producción debido a la
eliminación de los moldes específicos.
A continuación se describen los pasos para
realizar el diseño y la construcción de un reflectarray impreso con
los parches rotados para mejorar las prestaciones de polarización
cruzada de la antena.
Primero, se elige la tecnología y los materiales
que se utilizarán en la realización de la antena reflectarray. En el
ejemplo que se describe, se ha elegido un núcleo de "honeycomb"
de cuarzo de 3 milímetros de espesor como separadores dieléctricos
entre las capas con parches conductores impresos, que tiene una
constante dieléctrica relativa de 1.06 y una tangente de la pérdidas
de 10^{-3}. Los agrupamientos de parches metálicos rectangulares
se generan mediante foto-grabado de una lámina de
Kapton de 50 micras de espesor con un recubrimiento de cobre de 18
micras. El Kapton tiene una constante dieléctrica relativa de 3.5 y
una tangente de la pérdidas de 3x10^{-3}. Los parches conductores
impresos en las capas del Kapton se pegan al núcleo de
"honeycomb" usando un tejido de fibra de cuarzo
pre-impregnado con resina de 76 micras de espesor,
con una constante dieléctrica relativa de 3.2 y una tangente de la
pérdidas de 4x10^{-3}. La última capa de "honeycomb" se pega
al plano de masa conductor mediante otra capa de fibra de cuarzo. La
celda periódica se muestra en la figura 5 para el caso de dos capas
de los parches rectangulares, en la que no se han representado las
capas delgadas de Kapton y fibra de cuarzo.
En segundo lugar, se diseña una antena
reflectarray para producir o para recibir un haz colimado o
conformado con la misma forma de haz en las dos polarizaciones
ortogonales, denominadas vertical y horizontal. En el presente
ejemplo se ha diseñado un reflectarry circular formado por 20 filas
y 20 columnas en la banda de frecuencias 11.45
GHz-12.75 GHz para producir una haz colimado en el
plano X_{R}Z_{R} a 20 grados del eje Z_{R} cuando se ilumina
mediante una bocina alimentadora colocada con su centro de fase en
las coordenadas x_{f} = -120, y_{f} = 0,
z_{f} = 300 (en milímetros) respecto del centro del
reflectarray. La bocina alimentadora produce una iluminación en los
bordes reflectarray 9 dB por debajo del nivel de iluminación en el
centro del reflectarray. La celda periódica se ha definido de 15 mm
x 15 mm y el tamaño relativo de los parches apilados se ha fijado en
a_{1}=0.7a_{2} y b_{1}=0.7b_{2} para conseguir un elemento
reflectarray de banda ancha. Una vez definida la configuración de la
antena, se obtiene la distribución de fase del campo reflejado
necesaria para producir el haz colimado definido para ambas
polarizaciones lineales. Con objeto de implementar la rotación del
campo reflejado cuando los parches se rotan individualmente con
respecto a la dirección del campo eléctrico incidente, la
distribución de fase requerida en el reflectarray para una
polarización se aumenta 180 grados con respecto la fase de la otra
polarización.
Las dimensiones de los parches se ajustan para
obtener las distribuciones de fase anteriores para cada polarización
lineal, denominadas vertical y horizontal. Para determinar las
dimensiones de cada parche, se emplea una rutina de búsqueda de
ceros que llama de forma iterativa a una rutina de análisis. Para el
análisis del reflectarray, la fase del campo reflejado se calcula
para cada polarización en cada celda suponiendo periodicidad local,
es decir, analizando cada elemento con sus dimensiones en un entorno
periódico. La rutina llama el programa del análisis y ajusta las
dimensiones de cada elemento hasta que se obtiene la fase requerida
para cada polarización. Observe que la fase en una polarización es
180 grados mayor que en la otra. Para el análisis de la estructura
periódica multi-capa se emplea un método de onda
completa, por ejemplo el bien conocido método de los momentos en
dominio espectral, y se calcula la fase del campo reflejado para las
dos polarizaciones del campo incidente. Este procedimiento
proporciona las dimensiones de los parches a_{1},
b_{1}, a_{2} y b_{2} en cada elemento del
reflectarray.
Tercero, una vez diseñado el reflectarray para
las dos polarizaciones lineales, se introduce una rotación de los
parches para reducir al mínimo la polarización cruzada. Como
resultado de la diferencia de fase de 180 grados en las dos
componentes del campo reflejado paralelo a los lados del parche,
cuando el campo eléctrico incidente forma un ángulo \beta con
respecto al sistema local de coordenadas asociado a los parches
rectangulares, el campo eléctrico reflejado resultante estará girado
un ángulo igual a 2\beta con respecto el campo incidente en cada
elemento del reflectarray para ambas polarizaciones lineales
(vertical y horizontal). Esta técnica se utiliza para producir una
rotación del campo eléctrico reflejado en cada celda del
reflectarray con objeto de reducir al mínimo la polarización cruzada
en ambas polarizaciones lineales. Puesto que los ángulos de rotación
requeridos para cancelar totalmente la polarización cruzada en
general no serán iguales para las dos polarizaciones lineales, y
puesto que el ángulo requerido de rotación variará con la
frecuencia, el ángulo de rotación en cada elemento del reflectarray
se determina empleando una rutina de optimización. La rutina de la
optimización puede estar basada en una técnica del gradiente que
proporcione el ángulo de la rotación en cada elemento que minimiza
una función de error, que tiene en cuenta los niveles de
polarización cruzada en el elemento para las dos polarizaciones
lineales a varias frecuencias en la banda de frecuencias definida.
Una vez completado el proceso de optimización en todos los elementos
del reflectarray donde el ángulo de incidencia es mayor que el
umbral prefijado, se obtienen los ángulos de rotación para todos los
elementos del reflectarray.
Cuarto, una vez definidas las dimensiones de los
parches y los ángulos de rotación para todos los elementos del
reflectarray, se procede a la fabricación del reflectarray. Las
máscaras de foto-grabado para cada capa del
reflectarray se generan a partir del archivo con las dimensiones de
los parches y los ángulos de rotación para cada elemento obtenidos
en la etapa del diseño. Para la fabricación del reflectarray, pueden
emplearse las técnicas tradicionales de foto-grabado
utilizadas en la producción de circuitos impresos y las diferentes
capas se pegan empleando procesos de curado convencionales.
Esta invención puede aplicarse a antenas
reflectoras en comunicaciones por satélite, presentando importantes
ventajas con respecto a los reflectores convencionales de tipo
parabólico o conformado, o a otras antenas reflectarray disponibles
en el estado de la técnica anterior. Comparado con las antenas
reflectarray anteriores, la actual invención permite satisfacer las
rigurosas especificaciones en ancho de banda y polarización cruzada
para antenas de polarización dual en satélites de telecomunicaciones
y de difusión directa, manteniendo las ventajas de un panel plano y
de simplicidad de fabricación. Por tratarse de un reflector plano,
puede construirse en varios trozos para poder ser plegado y
posteriormente desplegado, siendo de gran utilidad en aplicaciones
en las que se requieren grandes reflectores. Por tratarse de un
reflector plano en el que el haz puede redireccionarse, la
superficie del reflector puede adaptarse a estructuras existentes,
tales como planos estructurales en satélites de comunicaciones.
Puede utilizarse como reflector para polarización dual con un nivel
de aislamiento entre polarizaciones mejor que el que proporcionan
los reflectores convencionales.
La presente invención puede construirse
empleando materiales cualificados para espacio y mediante una
tecnología ya desarrollada en aplicaciones espaciales para la
fabricación de subreflectores dicroicos. Por ello, este tipo de
reflectarray con los parches rotados es muy apropiado para una
amplia gama de aplicaciones en la industria espacial como
alternativa a los diferentes tipos de reflectores conformados
embarcados en satélites, tales como los reflectores de fibra de
carbono, reflectores de doble rejilla o reflectores de malla
metálica.
Claims (15)
1. Antena reflectarray de polarización dual
lineal con propiedades de polarización cruzada mejoradas, que
comprende un reflectarray (1) y un alimentador primario (2)
configurado para iluminar un agrupamiento de celdas desfasadoras (3)
del reflectarray (1), cada celda desfasadora (3) comprendiendo al
menos una capa de dieléctrico (6,8; 13; 19,20) y un plano conductor
(9,17), disponiendo cada capa de dieléctrico (6,8; 13; 19,20) de al
menos un elemento conductor (5,7; 10,11,12; 14,15,16) impreso en su
superficie, el tamaño de cada elemento conductor de cada celda
desfasadora (3) estando determinado para producir un haz de
radiación previamente definido, caracterizada en que cada
elemento conductor de cada celda desfasadora (3) se dispone en una
orientación previamente calculada con respecto a la celda
desfasadora (3) para reducir el efecto de polarización cruzada,
dependiendo dicha orientación de la celda desfasadora (3)
considerada.
2. Antena reflectarray de polarización dual
lineal según la reivindicación 1, en la que se considera un sistema
de coordenadas del reflectarray (X_{R}, Y_{R}, Z_{R}), siendo
el eje Z_{R} perpendicular al reflectarray (1), considerándose
también en cada celda desfasadora i (3) un sistema local de
coordenadas (X_{Ri}, Y_{Ri}, Z_{Ri}) centrado en la celda y
paralelo al sistema de coordenadas del reflectarray (X_{R},
Y_{R}, Z_{R}), caracterizada en que el al menos un
elemento conductor de cada capa de dieléctrico (6,8) de cada celda
desfasadora i (3) comprende un parche conductor (5,7) cuyos
ejes de simetría (X_{Pi}, Y_{Pi}) forman un ángulo calculado
previamente \alpha_{i} con respecto a los ejes correspondientes
(X_{Ri}, Y_{Ri}) del sistema de coordenadas local (X_{Ri},
Y_{Ri}, Z_{Ri}), dependiendo dicho ángulo \alpha_{i} de la
celda desfasadora (3) considerada.
3. Antena reflectarray de polarización dual
lineal según la reivindicación 2, caracterizada porque los
parches conductores (5,7) del reflectarray (1) tienen una de las
formas siguientes: rectangular, cuadrada, cruciforme, elíptica,
poligonal.
4. Antena reflectarray de polarización dual
lineal según cualquiera de las reivindicacións 2-3,
caracterizada en que para cada celda desfasadora i (3)
el ángulo \alpha_{i} se elige tal que la dirección de
propagación del campo incidente en dicha celda desfasadora i
(3) proveniente del alimentador (2) está contenida en un plano de
simetría del parche conductor (5,7) de cada capa de dieléctrico
(6,8) de la celda desfasadora i (3).
\vskip1.000000\baselineskip
5. Antena reflectarray de polarización dual
lineal según la reivindicación 1, en la que se considera un sistema
de coordenadas del reflectarray (X_{R}, Y_{R}, Z_{R}), siendo
el eje Z_{R} perpendicular al reflectarray (1), considerándose
también en cada celda desfasadora i (3) un sistema local de
coordenadas (X_{Ri}, Y_{Ri}, Z_{Ri}) centrado en la celda y
paralelo al sistema de coordenadas del reflectarray (X_{R},
Y_{R}, Z_{R}), caracterizada porque el al menos un
elemento conductor de cada capa de dieléctrico (13) de cada celda
desfasadora i (3) comprende un primer conjunto de dipolos
conductores paralelos (10,11,12) impresos en un lado de la capa de
dieléctrico (13) y un segundo conjunto de dipolos conductores
paralelos (14,15,16) impresos en el lado opuesto de la capa de
dieléctrico (13), comprendiendo la celda desfasadora i (3) al
menos una capa adicional de dieléctrico (18) para separar la al
menos una capa de dieléctrico (13) del plano conductor (17),
y porque el primer conjunto de dipolos
conductores paralelos (10,11,12) está orientado tal que su eje
asociado Y_{Di}, paralelo al primer conjunto de dipolos
(10,11,12), forma un ángulo calculado previamente \alpha_{yi}
con respecto al eje correspondiente (Y_{Ri}) del sistema local de
coordenadas (X_{Ri}, Y_{Ri}, Z_{Ri}), y el segundo conjunto de
dipolos conductores paralelos (14,15,16) está orientado tal que su
eje asociado (X_{Di}), paralelo al segundo conjunto de dipolos
(14,15,16), forma un ángulo calculado previamente \alpha_{xi}
con respecto al eje correspondiente (X_{Ri}) del sistema local de
coordenadas (X_{Ri}, Y_{Ri}, Z_{Ri}), dependiendo dichos
ángulos \alpha_{yi} y \alpha_{xi} de la celda desfasadora
(3) considerada.
\vskip1.000000\baselineskip
6. Antena reflectarray de polarización dual
lineal según la reivindicación 1, en la que se considera un sistema
de coordenadas del reflectarray (X_{R}, Y_{R}, Z_{R}), siendo
el eje Z_{R} perpendicular al reflectarray (1), considerándose
también en cada celda desfasadora i (3) un sistema local de
coordenadas (X_{Ri}, Y_{Ri}, Z_{Ri}) centrado en la celda y
paralelo al sistema de coordenadas del reflectarray (X_{R},
Y_{R}, Z_{R}), caracterizada porque cada celda
desfasadora i (3) comprende al menos un par de capas de
dieléctrico (19,20) con un primer conjunto de dipolos conductores
paralelos (10,11,12) impresos en un lado de una capa de dieléctrico
(19) y un segundo conjunto de dipolos conductores paralelos
(14,15,16) impresos en la otra capa de dieléctrico (20),
y porque el primer conjunto de dipolos
conductores paralelos (10,11,12) está orientado tal que su eje
asociado Y_{Di}, paralelo al primer conjunto de dipolos
(10,11,12), forma un ángulo calculado previamente \alpha_{yi}
con respecto al eje correspondiente (Y_{Ri}) del sistema local de
coordenadas (X_{Ri}, Y_{Ri}, Z_{Ri}), y el segundo conjunto de
dipolos conductores paralelos (14,15,16) está orientado tal que su
eje asociado (X_{Di}), paralelo al segundo conjunto de dipolos
(14,15,16), forma un ángulo calculado previamente \alpha_{xi}
con respecto al eje correspondiente (X_{Ri}) del sistema local de
coordenadas (X_{Ri}, Y_{Ri}, Z_{Ri}), dependiendo dichos
ángulos \alpha_{yi} y \alpha_{xi} de la celda desfasadora
(3) considerada.
\vskip1.000000\baselineskip
7. Antena reflectarray de polarización dual
lineal según cualquiera de reivindicaciones 5-6,
caracterizada en que para cada celda desfasadora i (3)
el ángulo \alpha_{yi} es elegido tal que el eje Y_{Di} que
define la dirección del primer conjunto de dipolos conductores (10,
11, 12) está contenido en el plano de incidencia del campo que
incide en dicha celda desfasadora i (3) proveniente del
alimentador (2), y el ángulo \alpha_{xi} es elegido tal que el
eje X_{Di} que define la dirección del segundo conjunto de dipolos
conductores (14,15,16) es perpendicular al plano de incidencia del
campo que incide en dicha celda desfasadora i (3) proveniente
del alimentador (2).
8. Antena reflectarray de polarización dual
lineal según cualquiera de las reivindicaciones 2-3,
5-6, caracterizada en que las dimensiones de
cada elemento conductor de cada celda desfasadora i (3) son
elegidas tal que haya un desfasaje de 180 grados entre las dos
componentes del campo eléctrico reflejado paralelo a los ejes
asociados a los elementos conductores (X_{Pi}, Y_{Pi}; X_{Di},
Y_{Di}) y donde la orientación de cada elemento conductor de cada
celda desfasadora i (3) es tal que la polarización cruzada
total producida por proyecciones geométricas y por acoplo en la
celda desfasadora está minimizada en una banda de frecuencia
prefijada para las dos polarizaciones lineales.
9. Antena reflectarray de polarización dual
lineal según cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizada porque las celdas desfasadoras (3) están
dispuestas en una de las siguientes disposiciones: una retícula
rectangular, una retícula cuadrada, una retícula triangular, una
retícula hexagonal, una agrupación no-periódica, una
agrupación dispersa.
10. Antena reflectarray de polarización dual
lineal según cualquiera de reivindicaciones precedentes, en la que
se considera un sistema de coordenadas del reflectarray (X_{R},
Y_{R}, Z_{R}), siendo el eje Z_{R} perpendicular al
reflectarray (1), considerándose también en cada celda desfasadora
i (3) un sistema local de coordenadas (X_{Ri}, Y_{Ri},
Z_{Ri}) centrado en la celda y paralelo al sistema de coordenadas
del reflectarray (X_{R}, Y_{R}, Z_{R}), caracterizada
en que la orientación de cada elemento conductor de las celdas
desfasadoras (3) en las que el ángulo de incidencia (\theta_{i})
del campo proveniente del alimentador (2) con respecto al eje
Z_{R} es menor que un ángulo umbral predeterminado \theta_{t},
es elegida tal que los ejes asociados al elemento conductor
correspondiente (X_{Pi}, Y_{Pi}; X_{Di}, Y_{Di}) son
paralelos a los ejes correspondientes (X_{R}, Y_{R}) del sistema
de coordenadas del reflectarray (X_{R}, Y_{R}, Z_{R}).
\vskip1.000000\baselineskip
11. Método para obtener una antena reflectarray
con características mejoradas de polarización cruzada, comprendiendo
dicho método:
definir un reflectarray (1) y un alimentador
primario (2) configurado para iluminar un agrupamiento de celdas
desfasadoras (3) del reflectarray (1), comprendiendo cada celda
desfasadora (3) al menos una capa de dieléctrico (6,8; 13; 19,20) y
un plano conductor (9,17), disponiendo cada capa de dieléctrico
(6,8; 13; 19,20) de al menos un elemento conductor (5,7; 10,11,12;
14,15,16) impreso en su superficie, el tamaño de cada elemento
conductor de cada celda desfasadora (3) estando determinado para
producir un haz de radiación previamente definido;
caracterizado en que el método además comprende:
calcular, para cada elemento conductor de cada
celda desfasadora (3), una orientación con respecto a la celda
desfasadora (3) para reducir el efecto de polarización cruzada,
dependiendo dicha orientación de la celda desfasadora (3)
considerada;
disponer cada elemento conductor de cada celda
desfasadora (3) en la orientación previamente calculada.
\vskip1.000000\baselineskip
12. Método según la reivindicación 11,
caracterizado en que la orientación de cada elemento
conductor de cada celda desfasadora (3) está calculada de manera que
la dirección de propagación del campo incidente en dicha celda
desfasadora i (3) proveniente del alimentador (2) esté
contenida en un plano de simetría de dicho elemento conductor.
13. Método según la reivindicación 11,
caracterizado en que el cálculo de la orientación de cada
elemento conductor comprende minimizar, usando una rutina de
optimización, la polarización cruzada total producida por
proyecciones geométricas y por acoplo en el elemento desfasador, en
una banda de frecuencias prefijada y para las dos polarizaciones
lineales.
\vskip1.000000\baselineskip
14. Método según la reivindicación 11,
considerando un sistema de coordenadas del reflectarray (X_{R},
Y_{R}, Z_{R}), siendo el eje Z_{R} perpendicular al
reflectarray (1), considerando también en cada celda desfasadora
i (3) un sistema local de coordenadas (X_{Ri}, Y_{Ri},
Z_{Ri}) centrado en la celda y paralelo al sistema de coordenadas
del reflectarray (X_{R}, Y_{R}, Z_{R});
caracterizado en que el cálculo la
orientación de cada elemento conductor comprende:
calcular las dimensiones de cada elemento
conductor de cada celda desfasadora (3) tal que haya un desfasaje de
180 grados entre las dos componentes del campo eléctrico reflejado
paralelo a los ejes asociados a los elementos conductores (X_{Pi},
Y_{Pi}; X_{Di}, Y_{Di});
minimizar, usando una rutina de optimización, la
polarización cruzada total producida por proyecciones geométricas y
por acoplo en el elemento desfasador, en una banda de frecuencias
prefijada y para las dos polarizaciones lineales.
\vskip1.000000\baselineskip
15. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 11-14, considerando un sistema de
coordenadas del reflectarray (X_{R}, Y_{R}, Z_{R}), siendo el
eje Z_{R} perpendicular al reflectarray (1), considerando también
en cada celda desfasadora i (3) un sistema local de
coordenadas (X_{Ri}, Y_{Ri}, Z_{Ri}) centrado en la celda y
paralelo al sistema de coordenadas del reflectarray (X_{R},
Y_{R}, Z_{R}), caracterizado por comprender además los
siguientes pasos:
definir un ángulo umbral \theta_{t}, tal que
la polarización cruzada producida por aquellas celdas desfasadoras
(3) en las que el ángulo de incidencia con respecto al eje Z_{R}
es menor que el ángulo umbral \theta_{t}, sea menor que un nivel
prefijado para las dos polarizaciones ortogonales;
disponer cada elemento conductor en aquellas
celdas desfasadoras (3) donde el ángulo de incidencia
(\theta_{i}) del campo que proviene del alimentador (2) con
respecto al eje Z_{R} sea menor que dicho ángulo umbral
\theta_{t} tal que los ejes asociados al elemento conductor
correspondiente (X_{Pi}, Y_{Pi}; X_{Di}, Y_{Di}) sean
paralelos a los ejes correspondientes (X_{R}, Y_{R}) del sistema
de coordenadas del reflectarray (X_{R}, Y_{R}, Z_{R}).
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| ES200931140A ES2339099B2 (es) | 2009-12-10 | 2009-12-10 | Antena reflectarray de polarizacion dual lineal con propiedades de polarizacion cruzada mejoradas. |
| EP10290640.1A EP2337152B1 (en) | 2009-12-10 | 2010-12-03 | Dual-polarisation reflectarray antenna with improved cross-polarization properties |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| ES200931140A ES2339099B2 (es) | 2009-12-10 | 2009-12-10 | Antena reflectarray de polarizacion dual lineal con propiedades de polarizacion cruzada mejoradas. |
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| Publication Number | Publication Date |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| ES200931140A Active ES2339099B2 (es) | 2009-12-10 | 2009-12-10 | Antena reflectarray de polarizacion dual lineal con propiedades de polarizacion cruzada mejoradas. |
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