ES2388213B2 - Antena reflectarray de haz reconfigurable para frecuencias en los rangos de terahercios y de ondas milimétricas. - Google Patents

Abstract

Antena reflectarray de haz reconfigurable para frecuencias en los rangos de terahercios y de ondas milimétricas. La antena reflectarray consiste en un agrupamiento plano de celdas desfasadoras (reflectarray) iluminado por un alimentador, que produce un haz colimado o conformado reconfigurable electrónicamente, donde las celdas desfasadoras (3.b) están formadas por varias capas apiladas de elementos conductores (4c,4e,4d,4f) sobre un substrato dieléctrico (7c,7d) alternadas con capas de cristal líquido (5c,5d) y un plano conductor (9). Aplicando tensiones de polarización en los elementos conductores se varía la constante dieléctrica del cristal líquido produciendo un cambio de fase del campo reflejado en cada celda desfasadora, lo que permite realizar un barrido o reconfiguración electrónica del haz. Al incluir varias capas de elementos conductores y de cristal líquido se mejora el ancho de banda y las prestaciones de barrido o reconfiguración del haz. La antena puede aplicarse para satélites de observación, comunicaciones y sistemas de seguridad.

Description

Antena reflectarray de haz reconfigurable para frecuencias en los rangos de
terahercios y de ondas milimétricas

Campo de la invención

Esta invención se enmarca en los sectores de telecomunicaciones, radar, tecnología espacial y seguridad. Más particularmente, la invención se relaciona con las denominadas antenas "reflectarray" que pueden realizar mediante control electrónico un barrido o reconfiguración del haz, en las que los elementos desfasadores están formados por varias capas de parches conductores sobre cristal líquido con un control independiente de las tensiones de polarización.

Exposición del estado de la técnica anterior

Una antena reflectarray [D. G. Berry, R. G. Malech W. A. Kennedy, 'The Reflectarray Antenna " IEEE Trans. on Antennas and Propagat., Vol. AP-ll, 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 primario. 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 consiste en ajustar la longitud resonante en dipolos impresos [D.G. Gonzalez, G.E. Pollon, J.F. Walker, "Microwave phasing structures for electromagnetically emulating reflective surfaces and focusing elements of selected geometry", patente US4905014, Feb. 1990] o en parches rectangulares [D. M. Pozar and T. A. Metzler, "Analysis of a reflectarray antenna using microstrip patches ofvariable size," Electr. Lett. Vol. 29, No. 8, pp.657-658, Abril 1993]. 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 las dimensiones de los elementos conductores impresos. 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 otras técnicas tales como la utilización de tramos de línea de diferentes longitudes unidos a los parches radiantes [R. E. Munson, H. A. Haddad, 1 W. Hanlen, 'Microstrip Reflectarray for Satellite Communications and RCS Enhancement or Reduction " patente US4684952, Agosto 1987]. Sin embargo, el rango máximo de variación de fase que puede alcanzarse está alrededor de 330°, 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% o incluso menor para reflectarrays grandes, aunque en los últimos años se han realizado enormes esfuerzos para mejorar el ancho de banda. Para parches de tamaño variable, dicha limitación ha sido superada empleando dos o tres capas apiladas de agrupamientos de parches [J. A. Encinar, "Printed circuit technology multilayer planar reflector and method for the design thereof', documento de patente EP1120856-A1, Junio 1999]. También se ha propuesto otra solución para mejorar el ancho de banda utilizando dipolos multi-resonantes en una sola capa en [lA. 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.

Se han propuesto varias configuraciones de antenas reflectarrays que proporcionan capacidad de reconfiguración del haz mediante el control de las fases en cada uno de los elementos a través de dispositivos cuyo objetivo es variar las características fisicas de los mismos (dimensiones, permitividades, etc.), y por ende, sus características de reflexión, por medio de la conmutación entre diferentes estados posibles sintetizados a partir de ciertas señales de control (tensión, corriente, flujo de luz, etc.). A continuación se detallan cada una de las configuraciones de antenas reflectarray reconfigurables más relevantes.

En la patente US6081234-A [1. Huang, R. Pogorzelski, "Beam scanmng reflectarray antenna with circular po larization" , 11/07/1997] se propuso una antena reflectarray para barrido electrónico válida únicamente para polarización circular, en la que el control de fase en cada elemento del reflectarray se realiza mediante rotación de los elementos empleando micromotores. Esta tecnología presenta varios inconvenientes como son el empleo de un motor asociado a cada elemento, en antenas que pueden tener varios miles de elementos; funcionamiento en una banda estrecha de frecuencias; y operación únicamente en polarización circular, no siendo válida para aplicaciones de polarización lineal.

En la patente US6351240-Bl [K. Karimullah, 1. Song, "Circularly polarized reflectarray using 2-bit phase shifter having initial phase perturbation", 25/02/2000] se propuso una antena reflectarray para barrido electrónico empleando elementos desfasadores únicamente válidos para polarización circular. En este caso se utilizan parches conductores circulares con conmutadores basados en diodos PIN para conectar los extremos de los parches en ciertos ángulos predefinidos; en particular se conmuta entre cuatro estados (2 bits). Esta patente resuelve los problemas asociados a la utilización de un número muy elevado de motores, pero sigue presentando las limitaciones de ancho de banda, restricción en polarización circular, y errores de fase asociados a un numero de estados limitado a 4 (2 bits).

En la patente US6081235-A [R. Romanofsky, F. Miranda, "High resolution scanning reflectarray antenna", 30/04/1998] se propuso una antena reflectarray para barrido electrónico de alta resolución, con aplicaciones en antenas de comunicaciones por satélite, como alternativa a antenas reflectoras de barrido mecánico, que mejoran algunas de las limitaciones de las patentes mencionadas anteriormente. El barrido electrónico en dicha antena se realiza variando la fase en cada elemento del reflectarray con desfasadores basados en materiales ferro-eléctricos, en los que el desfasaje se controla con una tensión de polarización. Esta tecnología presenta varias limitaciones como son que las tensiones de polarización para los materiales ferroeléctricos deben ser muy elevadas (centenares de voltios); además el elemento del reflectarray se basa en un parche cuadrado que opera en una banda muy estrecha de frecuencias. Otra alternativa para el control de las fases en reflectarrays es la planteada en la patente [M. Cuhaci, 1. Shaker,

M.R. Chaharmir, A.R. Sebak, "Antenna with variable phase shift", Patent US6774851 (B1) ,27/09/2002.], donde se propone una antena reflectarray para barrido electrónico en la que el cambio de fase del campo reflejado por parches conductores grabados sobre un substrato con plano de masa, se consigue mediante la variación de la longitud de una ranura que actúa como carga inductiva, realizadas en el plano de masa debajo de cada parche conductor. Dicha variación se logra mediante el empleo de una capa adicional semiconductora, excitada por una señal óptica que genera plasma en las zonas de exposición. La cantidad de plasma generado en la ranura, que depende de la intensidad de la señal óptica incidente, es la que permite la variación de su longitud, y por tanto, la variación en la fase del campo reflejado. Este sistema presenta las ventajas que ofrece el empleo de señales ópticas de control, como son su respuesta rápida, el enorme aislamiento que ofrece entre el control y el sistema controlado, su inmunidad a las interferencias externas, etc. Sin embargo, sigue presentando limitaciones de ancho de banda y de estabilidad en la fase, al tener ésta una fuerte dependencia no lineal con la longitud de la apertura.

También se han empleado los elementos microelectromecánicos, "MEMS", como tecnología desfasadora para conseguir haces reconfigurables y de barrido en reflectarrays. En la patente US7030824-B1 [W.J Taft, A. Katz, G.A Silverman, W.J SooHoo, A. Jacomb-Hood, G.J Matyas, "MEMS Reflectarray antenna for satellite applications", 29/05/2003.] se propuso una antena reflectarray de haz reconfigurable que emplea parches apilados acoplados por apertura a una línea en la que se insertan desfasadores con control electrónico. Éstos están formados por conmutadores MEMS que, en función del estado de conmutación, asignan caminos eléctricos distintos a la señal de RF. La ventaja del empleo de MEMS respecto a otros dispositivos de conmutación, como los diodos PIN, reside en sus bajas pérdidas de inserción y alto aislamiento a la vez, bajo consumo y una buena separación de la señal RF del circuito de control. El ancho de banda que se consigue es mayor que la que proporciona otras técnicas basadas en el ajuste de las dimensiones en los parches conductores, aunque la frecuencia de funcionamiento máxima puede extenderse sólo hasta la banda Ka (alrededor de 30 GHz), ya que en rangos de frecuencias mayores, los efectos parásitos y las pérdidas en los MEMS se incrementan, haciendo inviable su uso. Otro problema, es el error de cuantificación que se produce al discretizar la fase empleando un número reducido de estados empleando conmutadores. En la propia patente se propone una solución al respecto basada en la inclusión de condensadores variables, implementados mediante varactores. Otra solución a este problema fue propuesta en la patente US0122718-A1 [X. Delestre, T. Dousset, C. Chekroun, "Phase-shifting cell having an analogue phase shifter for a reflectarray antenna", 13/10/2007] mediante MEMS capacitivos, que proporcionan mejores prestaciones que los varactores, adoptando un elemento más sencillo de implementar que integra todos los componentes en una sola capa.

Ninguna de las tecnologías citadas anteriormente en el estado de la técnica anterior son adecuadas para frecuencias de trabajo muy elevadas, en el rango de ondas milimétricas (de 30 a 300 GHz), sub-milimétricas (de 300 GHz a 3 THz) o en el rango de terahercios (0.3-30 THz), debido a que se emplean elementos conductores resonantes, o con dimensiones próximas a las de resonancia, de manera que las tolerancias de fabricación son muy criticas a altas frecuencias, además de que las pérdidas por disipación son muy elevadas y los efectos parásitos muy significativos. Para diseñar reflectarrays reconfigurables válidos en dichas frecuencias, resultaría necesario encontrar una tecnología de fabricación precisa, y estructuras de conmutación donde los efectos parásitos sean reducidos.

En relación con la tecnología de fabricación, en la patente US7623071-B2 [J. Ginn, B. Lail, C. Boreman, "Sub-millimeter and infrared reflectarray", 11/12/2006.], se presenta un novedoso proceso de fabricación para reflectarrays impresos en el rango de terahercios e infrarrojo (1-500 THz), que se basa en incrustar las metalizaciones en el interior del sustrato mediante un proceso de deposición, mucho más preciso que el fotograbado. Así mismo, también se propone un sistema de medida para dicho rango, basado en patrones de interferencia. Sin embargo esta técnica es únicamente válida para antenas de haz fijo, no permitiendo la reconfiguración o barrido del haz.

De entre los conceptos propuestos en el estado de la técnica para consegUIr reconfiguración en antenas reflectarrays que no emplean elementos resonantes, cabe destacar en la patente US7023392-B2 [S.B Brown, 1.J Rawnick, "Fluid dielectric reflectarray", 13/08/2003] una configuración en la que cada elemento del reflectarray está formado por una cavidad sobre la que se inyecta un material dieléctrico fluido mediante un sistema de inyección que introduce más o menos volumen del mismo. Dependiendo del volumen de fluido en cada celda del reflectarray, cambia la constante dieléctrica efectiva en la cavidad, y en consecuencia, la fase del campo reflejado. Esta tecnología presenta las desventajas asociadas al elevado coste, tamaño y peso del sistema de inyección del fluido, que debe ser independiente para cada celda. En esta tecnología, los errores de fabricación no son tan críticos, puesto que no se emplean elementos resonantes; sin embargo, esta tecnología sería irrealizable a frecuencias elevadas (en el rango de ondas milimétricas o sub-milimétricas) debido a la miniaturización requerida en la fabricación de los elementos de control de fluidos.

Recientemente se han propuesto otros conceptos basados en la variación de las propiedades dieléctricas de ciertos materiales, como los materiales ferro-eléctricos [M. J. Lancaster, 1. Powell and A. Porch, "Thin-film ferroelectric microwave devices" Supercond. Sci. Technol. 11 (1998) 1323-1334] y los cristales líquidos [c. Weil and R. Jakoby, "Nonlinear Dielectrics For Microwave Applications Ferroelectrics And Liquid Crystals",IEEE -MTT/AP German Newsletter -Vol. 6 -No. 1 -06/2002] para la realización de desfasadores controlados electrónicamente, que posteriormente se han empleado para reconfiguración o barrido electrónico en antenas reflectarray. Un reflectarray para barrido electrónico a 19 GHz fue propuesto en [R.R. Romanofsky, 1.T. Bemhard, F.W. van Keuls, F.A. Miranda, G. Washington, and C. Canedy. "K-band phased array antennas based on BaO.60SrOAOTi03 thin-film phase shifters", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, páginas 2504 -2510, Dic. 2000]. Los desfasadores se basan en líneas acopladas impresas sobre una capa 400 nm de BaO.60SrOAOTi03, donde la fase se controla mediante la tensión aplicada a las líneas acopladas. Sin embargo, el uso de materiales ferro eléctricos presenta varias dificultades, que se derivan del valor extremadamente alto de la constante dieléctrica, así como de la necesidad de voltajes de control elevados (del orden de 300 voltios), realización en películas muy finas, no-linealidad, y elevadas pérdidas.

Recientemente se han publicado algunos trabajos en los que se aplican las propiedades de birrefringencia de los cristales líquidos (LC) para realizar reflectarrays de haz reconfigurable [W. Hu, M.Y. Ismail, R. Cahill, J.A. Encinar, V.F. Fusco, H.S. Gamble, D. Linton, R. Dickie, N. Grant and S.P. Rea, 'Liquid crystal based reflectarray antenna with electronically switchable monopulse pattems', IET Electron. Lett., 43, (14), páginas 744 -745, 2007.] o de barrido electrónico [A. Moessinger, S. Dieter, R. Jakoby, w. Menzel, S. Mueller, "Reconfigurable LC-reflectarray setup and characterisation", 3rd European Conference on Antennas and Propagation, 2009. EuCAP 2009, páginas 27612765]. Los cristales líquidos, al igual que los materiales ferroeléctricos, cambian su constante dieléctrica dependiendo del campo eléctrico aplicado mediante una tensión de control, pero eliminan parte de sus desventajas, puesto que presentan valores moderados de la constante dieléctrica (constante dieléctrica relativa del orden de 3) y requieren tensiones de control de entre 10 y 20 voltios. El valor de la constante dieléctrica de un cristal líquido situado en una cavidad se controla mediante una tensión aplicada entre dos electrodos de material conductor que se encuentran en los lados opuestos de la cavidad, de forma que el valor de la tensión impone un orden en la orientación de las moléculas del cristal líquido, que pasan de estar orientadas en un plano paralelo a los electrodos (estado de reposo o mínima permitividad a OV), a estar orientadas perpendicularmente a los electrodos (estado de máxima permitividad o máxima polarización, a Ve V). Esta tecnología es adecuada en las bandas de milimétricas, sub-milimétricas, Terahercios, infrarrojo y visible debido a que las prestaciones del cristal líquido (pérdidas y tiempos de conmutación entre estados) mejoran conforme la frecuencia de trabajo aumenta; de hecho las propiedades de los cristales líquidos son bien conocidas en el rango visible, puesto que su principal aplicación está en las pantallas LCD (Liquid Cristal Display). Sin embargo, las tecnologías empleadas hasta la fecha, basadas en elementos conductores impresos y en una sola capa de cristal líquido, presentan grandes limitaciones para la realización de antenas de barrido electrónico. En primer lugar, debido a que el rango de variación de la constante dieléctrica de los cristales líquidos está limitado, resulta francamente dificil conseguir rangos de variación de fase próximos a los 300°, que sería necesario para realizar barrido electrónico o reconfiguración del haz. Con los cristales líquidos actualmente disponibles comercialmente, únicamente se pueden conseguir estos rangos de variación de fase en una banda de frecuencias muy estrecha «1%) y con unas pérdidas disipativas muy elevadas, lo que limita su utilización en aplicaciones reales. Al intentar mejorar ambos factores (ancho de banda y pérdidas) se reduce el margen de variación de la fase, lo que produce una limitación en la capacidad de barrido o reconfiguración del haz.

Otro factor negativo en configuraciones de antena basadas en cristal líquido presentadas hasta la fecha, es que los tiempos de conmutación son muy elevados al pasar del elemento en estado de máxima permitividad al elemento en reposo (tiempo de conmutación on-oiJ), o a cualquier otro estado intermedio donde además, la fase es muy inestable y depende de muchos factores externos, como por ejemplo la temperatura.

Un reflectarray con barrido electrónico del haz es muy adecuado para la obtención de imágenes en bandas de ondas milimétricas (30-300 GHz), para aplicaciones de seguridad y control no destructivo. La flexibilidad de configurar la fase para cada elemento del reflectarray permite realizar un barrido de personas u objetos en campo cercano con una buena penetrabilidad en ropa, maletas, embalajes, etc. y con una resolución del orden del centímetro o mejor lo que se considera adecuado para la detección y reconocimiento de objetos peligrosos. Para esta aplicación se han propuesto reflectarrays basados en antenas impresas controladas por dispositivos de estado sólido (transistores y diodos) como se describe en la patente US6965340 [I.Baharav, R.Taber, G.S.Lee, "System and Method for Security Inspection using Microwave imaging"]. Sin embargo la integración de dispositivos de estado sólido en antenas impresas es problemática y costosa para frecuencias superiores a los 40 GHz debido a resonancias y contribuciones parásitas de los encapsulados. Por otra parte en los reflectarrays actualmente propuestos el desfasaje de cada elemento del reflectarray está discretizado en 2 niveles (O y 180 grados) lo que provoca errores importantes de fase respecto a la distribución de campo ideal y lóbulos de difracción indeseados. Por otra parte al tratarse de agrupaciones de parches de una única capa el ancho de banda conseguido es muy pequeño.

En la publicación [D.M. Sheen, D.L. McMakin y Th.E. Hall, "Three-dimensional Millimiter-Wave Imaging for Concealed Weapon Detection" de, IEEE Trans. On MTTVo1.49, No.9, Sept. 2001] se muestra la conveniencia de trabajar en la banda milimétrica (30-300 GHz) para aplicaciones de seguridad con anchos de banda del orden del 20%, para conseguir imágenes de alta calidad con capacidad de resolución en profundidad.

Por otra parte en el trabajo [l Abril, E. Nova, A. Broquetas, G. Pérez. lA. Encinar, M. Barba, "Active Short-Range Imaging Systems Working at 94 GHz" de URSI España 2010 Sept. 2010] se muestra la ventaja de trabajar con una fase multinivel mediante el uso de 2 ó 3 bits por elemento de los reflectarrays para reducir lóbulos de difracción y artefactos indeseables en las imágenes. Por estos motivos la utilización de un reflectarray de banda ancha capaz de operar en las bandas milimétricas con una excitación ágil de la fase de los elementos multinivel permitiría conseguir un sistema activo de formación de imágenes con una capacidad de exploración mejorada respecto a los sistemas actualmente desarrollados.

En lo que respecta a la tecnología de dispositivos de cristal líquido, se han propuesto dispositivos multicapa para diversas aplicaciones en el campo de la óptica, por ejemplo para mejorar la velocidad de conmutación del dispositivo combinando dos capas de cristal líquido, en lugar de una única capa más gruesa (M. Ye, B. Wang, and S. Sato "Effects of Dielectric Constant of Glass Substrates on Properties of Liquid Crystal Lens, IEEE Photonics Technology Letters, VOL. 19, NO. 17, Sep. 1, páginas 1295-1297, 2007), o para fabricar dispositivos que funcionen con cualquier polarización (H.W. Ren,

Y.H. Lin and S.T. Wu "Polarization-independent and fast-response phase modulators using double-layered liquid crystal gels" Applied Physics Letters, Vol. 88 No. 6, Feb 2006, doi:10.1063/1.2173248), o para construir filtros ópticos Lyot Sole (G. Shabtay, E. Eidinger, Z. Zalevsky, D. Mendlovic and E. Marom "Tunable birefringent filters optimal iterative design" Optics Express Vol. 10, No. 26, 30 Dec. 2002 pp1534-1541). Sin embargo, las configuraciones multicapa descritas en los dispositivos de cristal líquido propuestos con anterioridad a la presente invención no son utilizables en antenas, puesto

que únicamente emplean electrodos trasparentes

a las señales ópticas; y no utilizan

elementos

resonantes o conductores para realizar un desfasaje en la señal

electromagnética.

Descripción de la invención

Es objeto de la presente invención una antena reflectarray de haz reconfigurable apropiada para frecuencias en los rangos de terahercios y de ondas milimétricas. La antena comprende:

-

un reflectarray que dispone de un agrupamiento de celdas desfasadoras dispuestas en una retícula plana, cada celda desfasadora comprendiendo:

• una primera capa de cristal líquido;

•

una primera capa de dieléctrico con al menos un elemento conductor impreso en la superficie de su cara inferior, la cual está enfrentada a la cara superior de la primera capa de cristal líquido;

•

por cada elemento conductor de dicha primera capa de dieléctrico, una línea resistiva conectada al correspondiente elemento conductor para la aplicación de una tensión de polarización de la primera capa de cristal líquido;

•

un plano conductor enfrentado a la cara inferior de la primera capa de cristal líquido soportado por un substrato que actúa como soporte rígido;

•

dos capas finas de alineamiento, una sobre la cara inferior de la capa de dieléctrico y la otra sobre el plano conductor, para el alineamiento de las moléculas de cristal líquido en estado de reposo;

disponiendo una pluralidad de dichas celdas desfasadoras de al menos un espaciador de material dieléctrico entre la cara inferior de la capa de dieléctrico y el plano conductor para mantener uniforme el espesor del cristal líquido;

-

un alimentador primario configurado para iluminar el agrupamiento de celdas desfasadoras del reflectarray.

La presente invención resuelve los problemas anteriormente comentados de ancho de banda insuficiente, altas pérdidas, pequeño rango de fase, inestabilidad térmica y tiempos de conmutación elevados, debido a que cada celda desfasadora comprende adicionalmente:

-

una segunda capa de cristal líquido cuya cara inferior está dispuesta sobre la cara superior de la primera capa de dieléctrico, encontrándose ésta recubierta por una fina capa de alineamiento;

-

una segunda capa de dieléctrico con al menos un elemento conductor impreso en la superficie de su cara inferior, la cual está enfrentada a la cara superior de la segunda capa de cristal líquido y recubierta por una fina capa de alineamiento;

-

por cada elemento conductor de dicha segunda capa de dieléctrico, una línea resistiva conectada al correspondiente elemento conductor para la aplicación de una tensión de polarización de la segunda capa de cristal líquido.

Una pluralidad de dichas celdas desfasadoras dispone de al menos un espaciador de material dieléctrico entre la cara inferior de la segunda capa de dieléctrico y la cara superior de la primera capa de dieléctrico para mantener uniforme el espesor del cristal líquido.

La antena reflectarray está diseñada para generar un haz colimado o conformado en una determinada dirección reconfigurable mediante el control electrónico de la fase del campo reflejado en cada celda desfasadora, efectuado mediante la aplicación, a través de las líneas resistivas, de tensiones de control entre cada elemento conductor y el plano conductor.

La antena reflectarray puede comprender los medios de control, que incluye al menos un circuito electrónico y software de control, encargados de la aplicación de una tensión en cada línea resistiva para la polarización de las capas de cristal líquido de las celdas desfasadoras de la antena.

En una realización preferida los medios de control están configurados para aplicar una tensión continua o de baja frecuencia de forma independiente a cada elemento conductor, cuya amplitud varía de forma continua entre dos valores extremos previamente definidos, uno positivo y otro negativo (+Vm y -Vm), estando los valores de la tensión de control definidos en cada elemento conductor para obtener en cada celda desfasadora el valor de fase previamente definido para realizar un barrido o reconfiguración del haz.

En otra realización, los medios de control están configurados para aplicar de manera independiente en cada elemento conductor una tensión K-Vc + e, siendo K un número entero dependiente del elemento conductor que se trate y del diagrama de radiación deseado, Vc una tensión continua o de baja frecuencia con un nivel de amplitud determinado que produce un estado de máxima polarización en la capa de cristal líquido próxima al elemento conductor correspondiente, y e un valor constante determinado. El empleo de tensiones de control independientes para varios elementos conductores dispuestos en varias capas en la celda desfasadora permite realizar un control electrónico de la fase con un número de estados suficiente para realizar un barrido o reconfiguración del haz controlado electrónicamente. Los medios de control están preferentemente configurados para mantener una diferencia de tensión de amplitud al menos V centre elementos conductores adyacentes en la misma capa para reducir el tiempo de transición al estado de reposo.

Los medios de control pueden estar configurados para aplicar de manera independiente en cada elemento conductor una tensión de control para producir un haz colimado que realiza un barrido electrónico en dos dimensiones en un margen de ángulos predeterminado.

Cada celda desfasadora puede comprender adicionalmente una estructura resonante dispuesta sobre la cara superior de la segunda capa de dieléctrico, comprendiendo dicha estructura resonante al menos un conjunto resonante, cada conjunto resonante formado por:

-

una capa de cristal líquido cuya cara inferior queda situada más cercana a la segunda capa de dieléctrico, encontrándose ésta recubierta por una fina capa de alineamiento en su cara superior;

-

una capa de dieléctrico con al menos un elemento conductor impreso en la superficie de su cara inferior, la cual está enfrentada a la cara superior de dicha capa de cristal líquido y recubierta por una fina capa de alineamiento;

-

por cada elemento conductor de dicha capa de dieléctrico, una línea resistiva conectada al correspondiente elemento conductor para la aplicación de una tensión de polarización de la capa de cristal líquido mediante los medios de control.

En una realización preferida cada capa de dieléctrico comprende una pluralidad de elementos conductores impresos en la superficie de su cara inferior. Esta característica no es tampoco conocida en el estado del arte.

Las celdas desfasadoras pueden estar dispuestas en una de las siguientes disposiciones: una retícula rectangular, una retícula cuadrada, una retícula triangular, una retícula hexagonal. Los elementos conductores del reflectarray pueden tener una de las formas siguientes: rectangular, cuadrada, cruciforme, elíptica, poligonal.

En una realización preferida, los elementos conductores impresos en un lado de cada capa de dieléctrico en las celdas desfasadoras dispuestas en una misma fila se encuentran conectados mediante una línea resistiva, que se emplea para introducir la misma tensión de control en todos los elementos conductores de una misma fila y una misma capa mediante los medios de control que están configurados para generar un haz enfocado que realiza un barrido electrónico en un plano dentro de un margen de ángulos predeterminado. En este caso hay una tensión de control por cada fila y por cada capa, simplificándose considerablemente la implementación de los medios de control, pero permite únicamente el barrido del haz en plano.

Breve descripción de los dibujos 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. Figuras 2A y 2B. Vista en perspectiva y frontal, respectivamente, de una celda de reflectarray compuesta por un cristal líquido y un dipolo resonante, de acuerdo con el estado de la técnica anterior. Figura 3A. Fase en grados del campo reflejado en función de la frecuencia obtenida mediante simulación electromagnética del elemento de las figuras· 2A Y 2B en entorno periódico (rango de fase de 180°), de acuerdo con el estado de la técnica anterior. Figura 3B. Fase en grados del campo reflejado en función de la frecuencia obtenida mediante simulación electromagnética del elemento de las figuras 2A y 2B en entorno periódico (rango de fase de 300°), de acuerdo con el estado de la técnica anterior. Figuras 4A y 4B. Vista en perspectiva y frontal, respectivamente, de una celda desfasadora de reflectarray multi-capa compuesta por dos parches conductores y dos capas de cristal líquido polarizadas de forma independiente, de acuerdo con la presente invención. Figura 5. Fase en grados del campo reflejado en función de la frecuencia obtenida mediante simulación electromagnética del elemento de las figuras 4A y 4B en entorno periódico. Figuras 6A y 6B. Vista en perspectiva y frontal, respectivamente, de una celda desfasadora de reflectarray multi-capa 'compuesta por dos capas de cristal líquido y dos parches conductores en cada capa con tensión de control independiente, de acuerdo con la presente invención. Figura 7. Fase en grados del campo reflejado en función de la frecuencia obtenida mediante simulación electromagnética del elemento de las Figuras 6A y 6B en entorno periódico.

Figuras 8A Y 8B. Vista en perspectiva y frontal, respectivamente, de una celda desfasadora de reflectarray multi-capa compuesta por dos capas de cristal líquido y tres parches conductores en cada capa con tensión de control independiente, de acuerdo con la presente invención. Figura 9. Esquema para la generación de las señales de control de polarización. Figura 10. Esquema de polarización de los elementos para barrido en un solo plano.

Explicación detallada de un modo de realización

En la presente invención se propone una antena reflectarray de haz reconfigurable basada en celdas multi-capa de cristal líquido que emplea varios elementos conductores con una tensión de control independiente, que resuelven las limitaciones derivadas de la limitación del ancho de banda, del margen de variación de fase, de las pérdidas por disipación, de los tiempos de conmutación y de la inestabilidad en el control de fase debida a la variación continua de la tensión de polarización, y que resulta apropiada para aplicaciones de muy alta frecuencia, en el rango de las ondas milimétricas (30-300 GHz) y de los terahercios (0.3-30 THz).

La Figura 1 muestra, para una mejor comprensión del funcionamiento básico de los elementos de la presente invención y de acuerdo con el estado de la técnica anterior, una perspectiva de un reflectarray 1 iluminado mediante un alimentador 2 donde cada elemento desfasador 3 está formado por un parche conductor rectangular impreso sobre un material dieléctrico, separado de un plano conductor por una capa de cristal líquido cuya permitividad varía dependiendo de la tensión de polarización aplicada entre cada parche conductor y el plano conductor, produciendo un cambio en la fase del campo reflej ado en cada elemento del reflectarray, que puede utilizarse para realizar un barrido o reconfiguración del haz. Las Figuras 2A y 2B muestran, respectivamente, la vista en perspectiva y frontal de uno de estos elementos desfasadores 3, que consiste básicamente en una cavidad rellena de cristal líquido 5 compuesta por dos capas delgadas de polímero 6 para el alineamiento de las moléculas de cristal líquido en estado de reposo, una capa de substrato óptico 7 (vidrio, cuarzo, etc.) que tiene impreso en la cara interna de la cavidad un parche resonante de material conductor 4, dos espaciadores de material dieléctrico 8 para mantener un espesor uniforme del cristal líquido, y un plano conductor 9 que está fonnado por la metalización de la cara superior de un substrato óptico 17 que actúa como soporte rígido para el mismo.

La Figura 3A muestra el cambio de fase producido en un elemento desfasador 3 con una sola capa de cristal1íquido (según las figuras 2A y 2B) para los dos estados extremos del mismo en la banda de 120 a 150 GHz, de acuerdo con el estado de la técnica anterior, diseñado para que en la frecuencia de 135 GHz haya un rango de fase de 180° entre ellos. Para este caso, se ha tomado un elemento desfasador 3 que se repite de fonna periódica de dimensiones ly=0.73 mm, lx= 0.24 mm, compuesto por un cristal líquido 5 comercial con unos valores extremos de pennitividad EII= 3.1 Y €.l= 2.3 y de tangente de pérdidas tg 011 = 0.01, tg 0.1 = 0.02, de espesor hc= 47 11m, dos capas de polímero 6 de 50 nm, un vidrio 7 de pennitividad Ev = 4.5 (tg o= 0.005) y espesor hv=O.1 mm, unos separadores 8 de radio R=47 11m, y un parche rectangular de cobre, o dipolo 4 de dimensiones ld=0.54 mm, w=0.05 mm. Como se puede comprobar, el ancho de banda que se obtiene se encuentra en tomo al 6%, definiendo éste como el rango de frecuencias donde la fase toma un valor de (180 ± 20t. Además, la variación de fase está limitada a 180°, que es insufi'ciente para producir una reconfiguración o un barrido electrónico del haz con cierta precisión. El desfase efectivo que produce en el campo el elemento desfasador 3 en función de la frecuencia viene marcado, para un detenninado estado del cristal líquido, por la curva de resonancia del dipolo, y en particular del factor de calidad Q ~el resonador, que está directamente relacionado con el ancho de banda del elemento desfasador, de manera que un aumento del factor Q produce una curva de fase más abrupta y una disminución del ancho de banda, así como un aumento de las pérdidas óhmicas en las proximidades de la resonancia, dando lugar a una de las limitaciones comentadas anterionnente. Como ejemplo la Figura 3D muestra la fase del campo reflejado por el elemento desfasador 3 compuesto por los mismos materiales empleados anterionnente (figura 3A), para las dimensiones: lx=0.73 mm, ly= 0.24 mm, hc= 25 11m, hv=0.07 mm, R=25 11m, ld=0.57 mm, w=0.05 mm. Como se comprueba, se consigue un rango de fase de 300° con un ancho de banda máximo de un 1%. Así mismo, la polarización del cristal líquido se realiza aplicando una tensión (Vc) de baja frecuencia (puede ser alrededor de 50 Hz) entre los dipolos y el plano de masa mediante un hilo de material resistivo (línea resistiva 10), con el que se controla de fonna continua la permitividad en función del valor de la tensión mediante un sistema de procesado y circuitería de control 11 (Figura 9). Aunque los espesores del cristal líquido suelen ser finos con el fin de hacer que los tiempos de reorientación mo lecular (conmutación entre estados) sean reducidos, los sistemas de polarización que se han propuesto hasta ahora proporcionan tiempos de conmutación on-off elevados. Este inconveniente, unido a la mala estabilidad en la fase que proporcionan los estados intermedios del cristal, hace que las prestaciones de la antena en cuanto a capacidad y tiempo de barrido no sean adecuadas.

Por todo lo anterior, de acuerdo con la presente invención, las Figuras 4A y 4B muestran, respectivamente, la vista en perspectiva y frontal de una pnmera implementación de un elemento desfasador 3a multi-resonante basado en cristales líquidos, formado por dos capas de cristal líquido (5a,5b), cada una de ellas asociada a un dipolo resonante y polarizada de forma independiente. Los dipolos (4a,4b) están impresos en sendos sustratos ópticos (7a,7b), y cada capa de cristal líquido (5a,5b) se encuentra confinada en una estructura compuesta por dos capas finas de alineamiento 6 (óxidos depositado a un ángulo oblicuo o polímero orientado por luz o frotado) y por una parte los dos substratos (7a,7b) para la capa superior de cristal líquido 5a, y por otra, el substrato 7b y el plano conductor 9, que puede ser continuo o pixelado, para la capa inferior de cristal líquido 5b, soportado este último a su vez por otra capa de substrato óptico 17.

El espesor de cada capa de cristal líquido (5a,5b) se mantiene uniforme mediante el empleo de espaciadores de material isótropo no conductor (8a,8b) situados en el espacio entre dipolos, que pueden ser esféricos, cilíndricos o de cualquier otra forma geométrica. Por ejemplo, pueden utilizarse trozos de fibra óptica como separadores. La separación entre separadores se elegirá, dependiendo de la rigidez de los substratos, de manera que se mantenga un espesor uniforme en las capas de cristal líquido, pudiendo colocar espaciadores en cada celda desfasadora, como se muestra en las Figuras 4A y 4B,

o entre grupos de varias celdas. La limitación entre banda y rango de fase del elemento desfasador basado en una sola capa de cristal líquido (Figuras 2A y 2B) se debe a que hay un único parche conductor resonante, y a que la variación en la constante dieléctrica del cristal líquido es muy limitada. En el caso de una celda formada por múltiples parches sobre capas de cristal líquido polarizadas independientemente, este problema queda solucionado, ya que éstos generan un mayor número de resonancias, que pueden ajustarse con las dimensiones de los parches conductores, y proporcionan más grados de libertad que permiten incrementar la banda para cualquier estado mediante la combinación adecuada de las múltiples resonancias existentes, controlando su respuesta en los diferentes estados para conseguir un control adecuado del rango de fase. Por tanto, mediante esta estrategia se consigue un control más independiente del rango de fase y de la banda, pudiéndose obtener mayores anchos de banda asociados a rangos de fase elevados, y pérdidas óhmicas menores en algunos estados. En el elemento desfasador multicapa 3a, las tensiones de control se aplican a cada parche conductor mediante líneas resistivas 10 impresas sobre cada capa de substrato (7a,7b). Como ejemplo de la mejora en ancho de banda que puede conseguirse con elementos multicapa, la Figura 5 muestra la fase del campo reflejado (incidencia normal con polarización del campo eléctrico en la dirección de los dipolos) en función de la frecuencia para el elemento de las figuras 4A y 4B con los siguientes valores: lya=1.25 mm, lxa= 0.41 mm, E//= 3.1 (tg 8//= 0.01), E.L=

2.3 (tg 8.L = 0.02), Ev = 4.5 (tg 8 = 0.005), ha=0.25 mm, hb=0.05 mm, hva=hvb=O.2 mm, Ra=ha, Rb=hb, lda=0.75 mm, ldb=l mm, wa=0.0625 mm y wb=O.1 mm, en el que la tensión de control se varía de forma continua, produciendo una variación también continua en la constante dieléctrica del material. Como se observa, mediante la combinación adecuada de las resonancias, se consigue un ancho de banda significativamente mayor (30%) con un rango de fase de 300°. No obstante, aunque las prestaciones de este elemento son claramente superiores al de las figuras 2A y 2B, la variación continua de las tensiones de control sigue presentando la problemática asociada a la inestabilidad de la constante dieléctrica con la temperatura para los estados intermedios de los cristales líquidos. Esta problemática se subsana mediante el empleo de sistemas activos de control térmico, aunque éstos repercutirán en el coste de la antena.

En una segunda realización de la presente invención, se propone una nueva estrategia de tensiones de control discretas en los elementos conductores que proporcionan valores de fase mucho más estables y elimina la necesidad de un control térmico en la antena, que consistente en aplicar a cada parche conductor en cada capa, una tensión que varía de forma discreta entre varios valores múltiplos de +Vc o de -Vc, es decir entre ''N'' veces V c y menos ''N'' veces V c, siendo N el múltiplo máximo de V c que se implementará con los circuitos de control (11) y Vc una amplitud previamente definida que sea superior al umbral requerido para producir la alineación de las moléculas del cristal líquido (máxima permitividad). De esta forma, la capa de cristal líquido 5a confinada entre dos capas de parches conductores y la capa de cristal líquido 5b confinada entre un parche conductor y el plano conductor trabajarán cada una únicamente en dos estados: 1) con las moléculas polarizadas en la dirección perpendicular a los parches conductores (máxima permitividad), cuando la diferencia de tensión entre los dos conductores situados a ambos lados del cristal líquido es un múltiplo de Vc; y 2) en el estado de reposo cuando los dos conductores situados a ambos lados del cristal líquido se encuentran a la misma tensión. El hecho de utilizar múltiplos de la tensión V c añade grados de libertad suficientes, de manera que se pueden polarizar los cristales líquidos situados debajo de cada parche conductor entre los dos estados mencionados de forma independiente, dando lugar a que la fase del campo reflejado en cada celda desfasadora

2Np

varíe entre un numero de estados igual a , siendo Np el número de parches conductores en una celda desfasadora.

Según lo expuesto, el elemento desfasador 3a propuesto como pnmera implementación en la presente invención dispone de cuatro estados de fase correspondientes a las cuatro combinaciones de los dos estados posibles de cada cristal líquido (5a, 5b), el estado de reposo cuando se aplica una tensión de °V ("off'), y el estado que denominaremos estado de polarización ("on"), cuando al cristal líquido se le aplica una tensión ±nVc, siendo n un numero entero que varía desde -N hasta N.

Mediante la estrategia de emplear (2N+ 1) niveles para las tensiones de control, (-NVc, .... ,Vc, 0, Vc, .... +NVc) , además de implementar la fase requerida en cada celda desfasadora multicapa, se disponen de grados de libertad suficientes para establecer una diferencia de tensión entre parches conductores adyacentes, de manera que en el espacio entre las metalizaciones en la misma capa, ya sea en el propio elemento desfasador o entre elementos, las moléculas queden orientadas en el estado de reposo. El hecho de que en esa región se consiga dicha orientación molecular, hace que se reduzca el tiempo de conmutación "on-off", ya que las moléculas que se encuentran en las regiones colindantes a los parches conductores, al estar en reposo, inducen su misma reorientación al resto del volumen cuando se procede a la relajación. Ha de tenerse en cuenta que cuando los valores de tensión de control lo permitan, la estrategia de polarización óptima es aquella en la que cada dipolo en el reflectarray se encuentre con un valor de tensión en contrafase respecto a sus dipolos contiguos. En ese caso, para cualquier combinación de

estados existentes entre un dipolo y sus vecinos en una determinada capa, se consigue que las moléculas se orienten en estado de reposo en la región entre dipolos, produciendo la mejora en los tiempos de relajación on-off, ya que la diferencia de tensión existente entre dipolos produce en el espacio entre ellos un campo polarizado en la dirección de 5 orientación de las moléculas en reposo, sobre todo si las tensiones se encuentran en

contrafase, situación que genera una distribución impar de campo eléctrico en el plano equidistante que separa los dos dipolos. Una segunda implementación de un elemento multi-resonante se muestra en las Figuras 6A y 6B, donde se propone una celda desfasadora multicapa 3b compuesta por

lOdos capas de cristal1íquido (Se, 5d), y dos dipolos en cada una de las capas (4c, 4d, 4e, 4f) impresos sobre sendos substratos ópticos (7c, 7d). Para este elemento desfasador 3b, las tensiones de control se aplican siguiendo el procedimiento descrito previamente, por 10 que el par de dipolos entre capas, (4c, 4d), debe tomar los valores de tensión respecto

,

al plano de masa 9, (nI V C,n2V c), siendo nI Yn2 valores enteros entre -N y N que pueden

15 ser iguales o distintos, para que los volúmenes de cristales líquido bajo los dos dipolos se polaricen de forma adecuada, y los pares (4e,4f), deben tomar los valores de polarización (ruVc, I4Vc), de manera que exista un diferencia de tensión entre cada pareja de dipolos conductores adyacentes impresos sobre el mismo substrato para conseguir mejorar el tiempo de relajación. Nótese que la diferencia entre ambos elementos propuestos reside

20 en el número de estados que se pueden conseguir, y en el número de resonancias existentes y de grados de libertad disponibles para su control a la hora conseguir mejores prestaciones en diversos estados. El elemento desfasador 3b proporciona 24=16 estados (4 bits) de fase frente a los 4 estados (2 bits) del elemento desfasador 3a, y el hecho de disponer de cuatro dipolos en lugar de dos permite, por un lado aumentar el número de

25 resonancias, y por otro, tener un control tanto de las primeras resonancias de cada dipolo, como de ciertos múltiplos de algunas de ellas, ya que habría cuatro variables independientes más que corresponden a las dimensiones de los dos nuevos dipolos. De esta forma, resulta factible conseguir anchos de banda más elevados con mayor número de estados.

30 La Figura 7 muestra la fase del campo reflejado (incidencia' normal con polarización del campo eléctrico en la dirección de los dipolos) para el elemento desfasador 3b, polarizado de acuerdo con lo propuesto en la presente invención. Los

valores dimensionales corresponden con lyb=1.25 mm, lxb= 0.83 mm, E// = 3.1 (tg 8// = 0.01), E.L= 2.3 (tg 8.L= 0.02), Ev= 4.5 (tg 8 = 0.005), hc=hd=0.125 mm, hvc=hvd=O.2 mm, Rc=hc, Rd=hd, ldc=0.75 mm, ldd=l mm, lde=0.6 mm, ldf=0.9 mm, wc=wd=we=wf=0.125 mm, mostrándose algunos de los 16 estados de fase posibles. Se consigue una respuesta lineal para todos los estados en un ancho de banda de un 7%, que es muy superior al obtenido para celdas de una sola capa (un 1 % para un rango de fase de 300 grados como se muestra en la Figura 3B), con la separación de fase entre ellos adecuada al grado de discretización.

Generalizando el concepto propuesto en la presente invención mediante los elementos desfasadores 3a y 3b, resulta factible la concepción de celdas multi-resonantes con un número arbitrario de cristales líquidos y elementos conductores polarizados de forma independiente. Con la estrategia de polarización propuesta que impone el uso únicamente de los estados extremos del cristal, el hecho de disponer de "c" capas de cristal líquido cada una de ellas con un número de metalizaciones "m" que polarizan los cristales líquidos de forma independiente, proporcionaria un número de estados "e" igual ffiC , permitiendo a su vez, como ya se ha visto, conseguir mayores prestaciones en cuanto a barrido electrónico y ancho de banda de la antena reflectarray, y eliminar la problemática de la inestabilidad de los estados intermedios de permitividad de los cristales líquidos.

En las Figuras 8A y 8B se muestra una tercera implementación de un elemento multicapa de acuerdo con la presente invención 3c, que comprende 3 dipolos (4g, 4h, 4i; 4j, 4k, 41) paralelos en cada capa de cristal líquido (5e, 5f) impresos sobre un substrato óptico (7e, 7f), donde las tensiones de control se aplican siguiendo el procedimiento descrito previamente. Este elemento proporciona una discretización de 6 bits (64 estados), comúnmente utilizada en la mayoria de las aplicaciones de barrido electrónico, aunque, el número de estados que es necesario sintetizar depende finalmente de las prestaciones de la antena que imponga cada aplicación determinada.

En las configuraciones de antenas reflectarray con elementos multi-resonantes descritos anteriormente, cuando la aplicación requiera un barrido electrónico del haz en un solo plano, se pueden conectar todos los dipolos de cada fila del reflectarray mediante una línea de material resistivo, de manera que las tensiones de control se apliquen entre filas de dipolos siguiendo el procedimiento descrito previamente, tal y como se muestra en la Figura 10. Esta implementación tiene la ventaja de reducir enormemente el número de tensiones de control (todos los elementos de una misma fila del reflectarray tienen la misma tensión de control), y tiene gran utilidad en aplicaciones que requieran un barrido electrónico del haz en un solo plano.

Respecto a las señales y circuitos de control 11 (Figura 9) que alimentan cada elemento del reflectarray, hay que mencionar que todas las líneas de control 10 se concentran en una zona externa a la región activa, mediante un único conector 12 que consta de un pin de conexión 13 por cada elemento a controlar. Esos pines 13 proporcionan las señales de control adecuadas en cada elemento, que son obtenidas mediante un sistema de multiplexación de relés 14 cuyas entradas son los valores de voltaje necesarios descritos en la presente invención (-NVc, ... , Vc, 0, Vc, ... , NVc) en voltios. Al accionar los relés mediante las correspondientes señales de activación, se generan las señales apropiadas en los pines de salida 13. La activación de los relés corre a cargo de los bits de las palabras de salida en una taIjeta o caja típica para adquisición y procesado de datos (DAQ device) en formato TTL, procedente de un ordenador 15. La manera más sencilla es que este dispositivo DAQ sea una caja conectada al puerto USB de un ordenador, aunque también puede ser una tarjeta específica conectada dentro del ordenador 15. Los bits de control se configuran por un software desarrollado específicamente, que escribe en el puerto de salida de la tarjeta o caja USB 16 las "palabras" (conjuntos de bits de control) de acuerdo a los requisitos deseados de fase.

La fabricación del reflectarray basado en celdas multicapa de cristal líquido se realiza empleando la tecnología estándar empleada en la construcción de dispositivos multicapa de cristal líquido, que consiste en fabricar dispositivos independientes y pegarlos después. Un dispositivo convencional de cristal líquido monocapa consiste en un sándwich formado por dos sustratos, que en la cara interna del sándwich poseen un electrodo y sobre él una capa de alineamiento. Ambos sustratos se sellan mediante un cordón adhesivo dejando una separación entre ellos. El cordón adhesivo delimita la zona activa que estará rellena de cristal líquido. La separación entre los vidrios se controla introduciendo espaciadores que pueden estar situados en el área activa, en el cordón adhesivo o en ambos. En un dispositivo multicapa, los sustratos intermedios se pueden combinar en uno sólo, generando un doble sándwich con tres sustratos y dos capas de cristal líquido intermedias. En esta configuración, los sustratos exteriores poseen electrodo y capa de alineamiento en su cara interna, mientras que el sustrato intermedio posee capa de alineamiento en ambas caras, y dependiendo del dispositivo, puede no llevar electrodo, llevarlo en una de las caras, o en ambas. La configuración multicapa propuesta en la presente invención presenta una variación muy importante con respecto a otros dispositivos multicapa realizados con anterioridad: el patrón de electrodos (4b; 4d, 4f; 4j, 4k, 41) de un sustrato intermedio (7b,7d,7f) es diferente al patrón de electrodos (4a; 4c, 4e; 4g, 4h, 4i) del sustrato superior (7a,7c,7e) y al del patrón de electrodos 9 del sustrato inferior 17, mientras que habitualmente en los dispositivos multicapa de cristal líquido los patrones de electrodos son idénticos en todas las capas y no interfieren con las señales electromagnéticas. Sin embargo, en la presente invención los patrones de electrodos (4a, 4b; 4c, 4d, 4e, 4f; 4g, 4h, 4i, 4j, 4k, 41) de cada sustrato intermedio 7b y del sustrato superior 7a están formados por parches conductores resonantes, cuyas dimensiones se definen para mejorar las prestaciones del elemento desfasador. Una novedad de esta invención es la inclusión de múltiples dipolos resonantes en varias capas separadas por cristal líquido.

El reflectarray se puede construir de forma que el sustrato inferior 17 puede tener depositado un plano conductor 9 continuo o reticulado, para poder controlar la conmutación del cristal líquido empleando las tensiones de control aplicadas al sustrato inferior, así como las tensiones aplicadas a los dos dipolos (4a, 4b; 4c, 4d, 4e, 4f; 4g, 4h, 4i, 4j, 4k, 41).

El proceso de fabricación se puede resumIr de la siguiente manera (se hace referencia para ello a las Figuras 4A y 4B): 1) Preparación de los sustratos:

-

Sustratos superior 7a e inferior 17: Se genera el patrón de electrodos que consisten en una pluralidad de elementos conductores( 4a) y líneas resistivas (10) para el substrato superior (7a) y en un plano conductor (9) para el substrato inferior (17) empleando procesos de fotolitografía estándar. En el caso de sustratos que inicialmente no posean capa de electrodo se pueden emplear procesos de deposición combinados con lit-off. Se aplica sobre el sustrato, en la cara de los electrodos, una capa de alineamiento 6, que bien puede ser poliamida frotada, una capa de foto-alineamiento, o una capa de óxido depositada por evaporación oblicua. La dirección de alineamiento será tal que el plano de conmutación del cristal líquido es perpendicular al eje largo de los dipolos.

-

Sustrato intermedio 7b: Únicamente una de las caras poseerá electrodos que consisten en una pluralidad de elementos conductores (4b) Y líneas resistivas (10). La creación de los patrones del electrodo se realizará mediante fotolitografía o deposición y lit-off, tal y como se ha descrito en el procedimiento para los sustratos inferior y superior. Posteriormente a la creación del electrodo, se depositará una capa de alineamiento en ambas caras, mediante los procedimientos y direcciones de alineamiento descritos para los electrodos superior e inferior. La deposición y tratamiento de las capas de alineamiento del sustrato intermedio pueden realizarse antes de comenzar el ensamblado,

o bien realizar la deposición y tratamiento en una de las caras antes de comenzar el ensamblado, y realizar la deposición y tratamiento de la capa de alineamiento en la otra cara del sustrato intermedio una vez se ha ensamblado la cara tratada con el sustrato inferior o superior.

2) Ensamblado:

-

Primera cavidad de cristal líquido : El ensamblado se puede realizar comenzando desde el sustrato superior 7a o desde el sustrato inferior 17. A continuación se describirá el ensamblado comenzando por la cavidad inferior de cristal líquido que es idéntica a las Figuras 2A y 2B. Se dispondrán espaciadores de material dieléctrico 8b, situados con una distribución regular, sobre el sustrato inferior 17 asegurando que no interfieren con los elementos conductores (4b) que actúan como resonadores. Los espaciadores 8b pueden estar formados por fibras ópticas, que se fijarán en el espacio situado entre los parches, alineadas con el eje largo de estos. Se depositará un cordón adhesivo fuera de la zona activa formada por el agrupamiento de elementos conductores, ensamblando y alineando el sustrato inferior 17 con el sustrato intermedio 7b, que poseerá al menos una cara tratada, con la capa de alineamiento 6 colocada hacia el sustrato inferior 17. El cordón adhesivo se ha diseñado de forma que selle tres de los cuatro lados del área activa dejando un lado abierto para el llenado. En este punto del ensamblado se puede llenar la pnmera cavidad con cristal líquido o realizar el llenado tras la finalización del ensamblado.

-Segunda cavidad de cristal líquido: Si el sustrato intermedio 7b sólo se trató con capa de alineamiento 6 en una de las caras (la que ha quedado en la cara interna de la cavidad ya ensamblada) es preciso tratar con capa de alineamiento 6 la cara que queda expuesta antes de proseguir con el ensamblado. El ensamblado de la segunda cavidad continúa con la colocación regular de fibras ópticas 8a sobre el sustrato intermedio 7b, asegurando que no interfieren con los elementos conductores 4a. Las fibras se colocan en
los espacios entre los parches conductores, alineadas con el eje largo de los mismos. Se depositará un cordón adhesivo fuera de la zona activa formada por el agrupamiento de elementos conductores, ensamblando y alineando el sustrato superior 7a (con la cara tratada hacia el cristal líquido 5a) con el sustrato intermedio 7b. En este punto se llenarán ambas cavidades con cristal líquido.

El proceso de llenado consiste en lo siguiente: se introduce el dispositivo en una cámara donde se hace vacío. En la misma cámara se ha introducido el cristal líquido. Cuando se han des gasificado el interior de las cavidades y el cristal líquido, se pone en contacto con el cristal líquido la abertura de las cavidades, de forma que el cristal líquido entra por capilaridad. Posteriormente se introduce presión atmosférica en la cámara para asegurar el completo llenado y se sella la boca de llenado de las cavidades mediante un cordón adhesivo.

El llenado de ambas celdas puede realizarse de forma simultánea (como se ha descrito) o secuencial. También se puede llenar la primera antes de completar el ensamblado de la segunda. Finalmente, los electrodos del dispositivo se conectarán a la electrónica externa de control empleando flexbonding (electrodo flexible conectado mediante adhesivo conductor anisótropo) o wirebonding (hilo de oro).

Una vez fabricado el reflectarray 1 y los circuitos de control 11, se coloca dicha superficie en una estructura soporte 18, compuesta por un sistema de sujeción plano y por un brazo 19, en cuyo extremo se coloca la bocina alimentadora 2 (ver figura 1).

Tal y como se ha visto en el estado de la técnica anterior, el rango de frecuencias apropiado de aplicación para una antena reflectarray de barrido electrónico o reconfiguración del haz basada en los elementos propuestos en esta invención cubre la banda de ondas milimétricas (desde 30 a 300 GHz) y el rengo de terahercios (desde 0.3 a 30 THz), mejorando en prestaciones (tiempos de conmutación y pérdidas) conforme se aumenta la frecuencia de funcionamiento. Para estos rangos de frecuencias, los tamaños de reflectarrays pueden variar de unos 10 cm de lado a unos pocos mm.

Las ventajas de la antena propuesta en la presente invención frente a la tecnología convencional de antenas reflectoras de barrido mecánico son:

•

Reducción de peso, volumen y coste, al eliminar todas las partes que requieren movimiento mecánico y sustituirlas por un control electrónico.

•

La tecnología de cristales líquidos es de bajo coste, lo que repercutirá en una reducción de costes, fundamentalmente para aplicaciones de muy alta frecuencia (>1 00 GHz).

•

La antena con control electrónico tendrá mejores prestaciones que las de barrido mecánico, en cuanto a velocidad de barrido.

•

La antena propuesta además del barrido electrónico del haz, permite conformar y reconfigurar el haz en tiempo real, lo que puede ser de gran utilidad para aplicaciones de reconstrucción de imágenes, antenas de comunicaciones avanzadas y antenas embarcadas en satélites de observación de la tierra, o de comunicaciones.

Una posible aplicación de la presente invención se encuentra en la obtención de imágenes de microondas en bandas milimétricas y submilimétricas para aplicaciones de seguridad y control no destructivo. Para esta aplicación, la banda de frecuencia de milimétricas aporta una ventaja en el tamaño del sistema reflectarray, siendo necesaria una agrupación de unos 25x25 cm para obtener resoluciones del orden del centímetro a un metro de distancia. Para obtener el mismo nivel de resolución en una banda inferior, sería necesario incrementar considerablemente el tamaño del reflectarray. La gran capacidad de integración de los elementos del reflectarray permite agruparlos con una separación lo suficientemente pequeña como para evitar distorsiones de la imagen producidas por lóbulos de difracción. Gracias a la capacidad de apuntamiento controlable electrónicamente del reflectarray se podrían obtener imágenes del torso de una persona en pocas decenas de segundos sin necesidad de movimiento mecánico. En este tipo de sistema de imagen activo el ancho de banda es sumamente importante para poder tener resolución en profundidad y limitar la incidencia del ruido coherente o 'speckle' que causa fluctuaciones indeseadas de brillo en la imagen de los sistemas activos de microondas. El impacto de la discretización de la variación de fase que puede producir cada celda (número de estados) es evidente a la hora de reconstruir la imagen. En el caso de disponer de un único bit de discretización, es decir los estados 0° y 180°, los lóbulos secundarios del haz producido por el reflectarray reducen notablemente el contraste de la imagen y hacen dificil la distinción de los distintos elementos que la componen. Sin embargo cuando se emplean dos y tres bits, de acuerdo a la presente invención, la mejora

es substancial, atendiendo al compromIso necesano entre la calidad de la Imagen reconstruida y la complejidad del sistema. Una segunda aplicación para la presente invención se encuentra en sensores e instrumentos embarcados en satélites para observación de la tierra y de la atmósfera, que

5 trabajan en las bandas de milimétricas y submilimétricas. En particular se emplean radiómetros pasivos para realizar estudios de la composición atmosférica y del clima mediante una detección remota desde el espacio de las señales electromagnéticas procedentes de la atmósfera. En los instrumentos actuales, el reflector realiza un barrido mecánico del haz en un rango de aproximadamente 5°, que es suficiente para recorrer las

10 distintas capas de la atmósfera. Sin embargo, los motores que se utilizan para rotar el reflector son pesados, consumen mucha potencia y requieren una lubricación especial para operar en el espacio durante largos periodos de tiempo. Los sistemas de barrido electrónico del haz, como el descrito en la presente invención, son una mejor opción para estos instrumentos de observación de la atmósfera. Una ventaja clave de la antena de

15 barrido electrónico propuesta en la presente invención sobre otras antenas convencionales de barrido es que los procesos de fabricación son similares a los utilizadas para la fabricación de pantallas de LCD ópticas, lo que daria lugar a antenas de barrido electrónico de gran fiabilidad y de bajo coste en las bandas de ondas milimétricas (30-300 GHz) y de terahercios (0.3-30 THz).

Claims (11)

1. REIVINDICACIONES

   1.-Antena reflectarray de haz reconfigurable para frecuencias en los rangos de terahercios y de ondas milimétricas, que comprende:

   -

   un reflectarray (1) que dispone de un agrupamiento de celdas desfasadoras (3a; 3b; 3c) dispuestas en una retícula plana, cada celda desfasadora (3a; 3b; 3c) comprendiendo:

   • una primera capa de cristal líquido (Sb; Sd; Sf);

   •

   una primera capa de dieléctrico (7b; 7d; 7f) con al menos un elemento conductor (4b; 4d,4f; 4j,4k,4l) impreso en la superficie de su cara inferior, la cual está enfrentada a la cara superior de la primera capa de cristal líquido (Sb; Sd; Sf);

   •

   por cada elemento conductor (4b; 4d,4f; 4j,4k,4l) de dicha primera capa de dieléctrico (7b; 7d; 7f), una línea resistiva (10) conectada al correspondiente elemento conductor para la aplicación de una tensión de polarización de la primera capa de cristal líquido (Sb; Sd; Sf);

   •

   un plano conductor (9) enfrentado a la cara inferior de la primera capa de cristal líquido (Sb; Sd; Sf) soportado por un substrato (17) que actúa como soporte rígido;

   •

   dos capas finas de alineamiento (6), una sobre la cara inferior de la capa de dieléctrico (7b; 7d; 7f) Y la otra sobre el plano conductor (9), para el alineamiento de las moléculas de cristal líquido en estado de reposo;

   disponiendo una pluralidad de dichas celdas desfasadoras de al menos un espaciador de material dieléctrico (8b) entre la cara inferior de la capa de dieléctrico (7b; 7 d; 7f) Y el plano conductor (9) para mantener uniforme el espesor del cristal líquido;

   -

   un alimentador primario (2) configurado para iluminar el agrupamiento de celdas desfasadoras (3a; 3b; 3c) del reflectarray (1); caracterizada por que cada celda desfasadora (3a; 3b; 3c) comprende adicionalmente:

   -

   una segunda capa de cristal líquido (Sa; Sc; Se) cuya cara inferior está dispuesta sobre la cara superior de la primera capa de dieléctrico (7b; 7d; 7f), encontrándose ésta recubierta por una fina capa de alineamiento (6);

   -

   una segunda capa de dieléctrico (7a; 7c; 7e) con al menos un elemento conductor (4a; 4c, 4e; 4g, 4h, 4i) impreso en la superficie de su cara inferior, la cual está enfrentada a la cara superior de la segunda capa de cristal líquido (Sa; Sc; Se) y recubierta por una fina capa de alineamiento (6);

   -

   por cada elemento conductor (4a; 4c,4e; 4g,4h,4i) de dicha segunda capa de dieléctrico (7a; 7c; 7e), una línea resistiva (10) conectada al correspondiente elemento conductor para la aplicación de una tensión de polarización de la segunda capa de cristal líquido (Sa; Sc; Se); disponiendo una pluralidad de dichas celdas desfasadoras de al menos un espaciador de material dieléctrico (8a) entre la cara inferior de la segunda capa de dieléctrico (7a; 7c; 7e) y la cara superior de la primera capa de dieléctrico (7b; 7d; 7f) para mantener uniforme el espesor del cristal líquido; estando la antena reflectarray diseñada para generar un haz colimado o conformado en una determinada dirección reconfigurable mediante el control electrónico de la fase del campo reflejado en cada celda desfasadora (3a; 3b; 3c), efectuado mediante la aplicación, a través de las líneas resistivas (10), de tensiones de control entre cada elemento conductor (4a, 4b; 4c, 4e, 4d, 4f; 4g, 4h, 4i, 4j, 4k, 41) Y el plano conductor (9).

2. 2.-Antena reflectarray de haz reconfigurable según la reivindicación 1, caracterizada por que comprende medios de control (11), que incluye al menos un circuito electrónico y software de control, encargados de la aplicación de una tensión en cada línea resistiva (10) para la polarización de las capas de cristal líquido (Sa, Sb; Sc, Sd; Se, Sf) de las celdas desfasadoras (3a; 3b; 3c) de la antena.
3. 3.-Antena reflectarray de haz reconfigurable según la reivindicación 2, caracterizada por que los medios de control (11) están configurados para aplicar una tensión continua o de baja frecuencia de forma independiente a cada elemento conductor (4a; 4b; 4c; 4e; 4d; 4f; 4g; 4h; 4i; 4j; 4k; 41), cuya amplitud varía de forma continua entre dos valores extremos previamente definidos, uno positivo y otro negativo (+Vm y -Vm), estando los valores de la tensión de control definidos en cada elemento conductor para obtener en cada celda desfasadora (3a; 3b; 3c) el valor de fase previamente definido para realizar un barrido o reconfiguración del haz.
4. 4.-Antena reflectarray de haz reconfigurable según la reivindicación 2, caracterizada por que los medios de control (11) están configurados para aplicar de manera independiente en cada elemento conductor (4a; 4b; 4c; 4e; 4d; 4f; 4g; 4h; 4i; 4j; 4k; 41) una tensión K-Vc + e, siendo K un número entero dependiente del elemento conductor que se trate y del diagrama de radiación deseado, V c una tensión continua o de baja frecuencia con un nivel de amplitud determinado que produce un estado de máxima polarización en la capa de cristal líquido próxima al elemento conductor correspondiente, y e un valor constante determinado.
5. 5.-Antena reflectarray de haz reconfigurable según la reivindicación 4, caracterizada por que los medios de control (11) están configurados para mantener una diferencia de tensión de amplitud al menos V c entre elementos conductores adyacentes en la misma capa para reducir el tiempo de transición al estado de reposo.
6. 6.-Antena reflectarray de haz reconfigurable según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por que los medios de control (11) están configurados para aplicar de manera independiente en cada elemento conductor (4a, 4b; 4c, 4e, 4d, 4f; 4g, 4h, 4i, 4j, 4k, 41) una tensión de control para producir un haz colimado que realiza un barrido electrónico en dos dimensiones en un margen de ángulos predeterminado.
7. 7.-Antena reflectarray de haz reconfigurable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que cada celda desfasadora (3a; 3b; 3c) comprende adicionalmente una estructura resonante dispuesta sobre la cara superior de la segunda capa de dieléctrico (7a; 7c; 7e), comprendiendo dicha estructura resonante al menos un conjunto resonante, cada conjunto resonante formado por:

   -

   una capa de cristal líquido cuya cara inferior queda situada más cercana a la segunda capa de dieléctrico (7a; 7c; 7 e), encontrándose ésta recubierta por una fina capa de alineamiento (6) en su cara superior;

   -

   una capa de dieléctrico con al menos un elemento conductor impreso en la superficie de su cara inferior, la cual está enfrentada a la cara superior de dicha capa de cristal líquido y recubierta por una fina capa de alineamiento (6);

   -

   por cada elemento conductor de dicha capa de dieléctrico, una línea resistiva

   (10) conectada al correspondiente elemento conductor para la aplicación de una tensión de polarización de la capa de cristal líquido mediante los medios de control (11).
8. 8.-Antena reflectarray de haz reconfigurable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde cada capa de dieléctrico (7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) comprende una pluralidad de elementos conductores (4d,4f; 4j,4k,4l) impresos en la superficie de su cara inferior.
9. 9.-Antena reflectarray de haz reconfigurable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las celdas desfasadoras (3a; 3b; 3c) están dispuestas en una de las siguientes disposiciones: una retícula rectangular, una retícula cuadrada, una retícula triangular, una retícula hexagonal.
10. 10.-Antena reflectarray de haz reconfigurable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los elementos conductores (4a; 4b; 4c; 4e; 4d; 4f; 4g; 4h; 4i; 4j; 4k; 41) del reflectarray (1) tienen una de las formas siguientes: rectangular, cuadrada, cruciforme, elíptica, poligonal.
11. 11.-Antena reflectarray de haz reconfigurable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los elementos conductores (4a; 4b; 4c, 4e; 4d, 4f; 4g, 4h, 4i; 4j, 4k, 41) impresos en un lado de cada capa de dieléctrico (7a; 7b; 7c; 7d; 7e; 7f) en las celdas desfasadoras (3a; 3b; 3c) dispuestas en una misma fila se encuentran conectados mediante una línea resistiva (10), que se emplea para introducir la misma tensión de control en todos los elementos conductores de una misma fila y una misma capa mediante los medios de control (11) que están configurados para generar un haz enfocado que realiza un barrido electrónico en un plano dentro de un margen de ángulo s predeterminado.