ES2902431T3 - Elemento radiante con polarización circular que implementa una resonancia en una cavidad Fabry Perot - Google Patents
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Abstract
Elemento radiante con polarización circular, que comprende: - al menos una abertura de excitación (OE) para una onda polarizada linealmente según una primera polarización denominada de excitación (Ex); - una superficie selectiva en frecuencia (S2), parcialmente reflectante para la polarización de excitación (Ex) y transparente para una segunda polarización (Ey) ortogonal a la polarización de excitación (Ex), la llamada polarización ortogonal, y a la dirección de propagación de la onda, y dispuesta en un plano definido por la polarización de excitación (Ex) y por la polarización ortogonal (Ey); y que comprende además una metasuperficie (S1), totalmente reflectante orientada hacia la superficie selectiva en frecuencia (S2) y que comprende una red bidimensional y periódica de elementos planos conductores que forman células de metasuperficie (MS), abriéndose la abertura de excitación (OE) sobre la metasuperficie (S1), formando la superficie selectiva en frecuencia (S2) y la metasuperficie (S1) una cavidad resonante para la polarización de excitación (Ex), las células de la metasuperficie (MS) están todas orientadas de forma idéntica con respecto a la polarización de excitación (Ex) y están configuradas para: - reflejar una onda incidente (Eix) según la polarización de excitación (Ex) para formar una onda reflejada (Er1x) polarizada según la polarización de excitación (Ex), y - despolarizar y reflejar la onda incidente (Eix) para formar una onda reflejada (Er1y) polarizada según la polarización ortogonal (Ey) con una diferencia de fase sustancialmente igual a ± 90° con respecto a la onda reflejada (Er1x) polarizada según la polarización de excitación (Ex) y con una amplitud sustancialmente igual a la amplitud de una onda (E'tx) radiada por la superficie selectiva en frecuencia (S2), originada por la onda reflejada (Er1x) polarizada según la polarización de excitación (Ex).
Description
DESCRIPCIÓN
Elemento radiante con polarización circular que implementa una resonancia en una cavidad Fabry Perot
La invención se refiere a un elemento radiante con polarización circular, en particular para una antena plana, para su uso en comunicaciones espaciales, a bordo de satélites o en terminales de usuario. La invención también se refiere a una antena de red que comprende al menos un elemento radiante de este tipo.
Recientemente se han desarrollado diferentes tipos de elementos radiantes que responden a las limitaciones y especificidades de las comunicaciones espaciales.
Los denominados elementos radiantes "compactos", como las antenas de cavidad resonante Fabry Perot, ofrecen un buen compromiso entre varias especificaciones: buena eficiencia superficial en toda la banda de operación, suficiente adaptación y ancho de banda de radiación, pequeño tamaño y baja masa. El clutter es especialmente crítico en las bandas de baja frecuencia L (de 1 a 2 GHz), S (de 2 a 4 GHz), C (de 3,4 a 4,2 GHz en recepción y de 5,725 y 7,075 GHz en transmisión), penalizadas por las longitudes de onda significativas. Por ello, la búsqueda de elementos compactos y de banda ancha es especialmente activa para las antenas multipunto, que combinan un reflector y una red focal formada por un gran número de fuentes. Las antenas de cavidades resonantes de Fabry Perot, utilizadas actualmente en las comunicaciones espaciales, tienen una polarización lineal. La obtención de una polarización circular de estas antenas debe conseguirse sin degradar la compacidad del elemento radiante, añadiendo un dispositivo para conseguir radiación en polarización circular.
Los elementos radiantes con aberturas radiantes lineales continuas, como los formadores de haz cuasi-ópticos, permiten irradiar múltiples frentes de onda planas en un amplio sector angular. Constan de una guía de ondas de placa paralela terminada por una bocina longitudinal, que hace la transición de la guía de ondas de placa paralela al espacio libre. En la trayectoria de propagación de las ondas de radio, entre las dos placas metálicas paralelas, se inserta un dispositivo de enfoque/colimación que permite convertir los frentes de onda cilíndricos de las fuentes en frentes de onda planos. Estas aberturas lineales de radiación continua funcionan en una banda muy amplia (por ejemplo, a 20 y 30 GHz), debido a la ausencia de modos de propagación resonantes. También son capaces de irradiar en un área angular muy amplia. Sin embargo, en su funcionamiento nominal, la polarización de la onda radiada es la de la onda que se propaga en la guía de ondas de placas paralelas, es decir, lineal.
Para conseguir anchos de haz idénticos en ambos planos, también se sabe que se puede ampliar la abertura lineal radiante continua utilizando un divisor de placas paralelo. Estas redes de aberturas lineales también irradian en polarización lineal, como toda abertura lineal radiante.
Por lo tanto, existe una necesidad actual de dispositivos que puedan convertir la polarización lineal en polarización circular, que sean compatibles con las aberturas radiantes existentes y que también puedan actuar como un elemento radiante con polarización circular.
Una primera solución conocida consiste en cubrir el elemento radiante con un radomo polarizador compuesto por varias superficies selectivas en frecuencia (FSS), cuyas características están optimizadas para generar una diferencia de fase de 90° entre las dos polarizaciones ortogonales, sin perturbar el funcionamiento de la antena. Los radomos polarizadores con capas de cuarto de onda en cascada tienen un buen ancho de banda y un buen rendimiento en incidencia oblicua, pero con un grosor (del orden de una longitud de onda en el vacío) que afecta a la compacidad de la antena. También se han desarrollado polarizadores finos, pero su ancho de banda y su rendimiento en incidencia oblicua son limitados.
Una solución que consiste en combinar un polarizador y una cavidad Fabry-Perot puede encontrarse en el documento "Self polarizing Fabry-Perot antennas based on polarization twisting element" (S. A. Muhammad, R. Sauleau, G. Valerio, L. L. Coq y H. Legay, IEEE Trans. Antenas Propag. vol. 61, no. 3, pp. 1032-1040, mar. 2). La solución se ilustra en la figura 1. La cavidad Fabry Perot con superficies selectivas en frecuencia irradia de forma similar en dos subespacios (superior e inferior). Consta de dos superficies periódicas parcialmente reflectantes (FSS1, FSS2) con una polarización lineal Ex, y se excita según esta polarización. Las superficies periódicas son transparentes a la onda Ey. Un plano de tierra con inversión de polarización refleja la onda emitida en el plano inferior, transforma su polarización lineal (por ejemplo, de Ex a Ey) y devuelve la onda en la dirección superior. Este plano de tierra PM se realiza mediante ondulaciones COR de profundidad A/4, inclinadas a 45° respecto a las rejillas que constituyen las superficies periódicas parcialmente reflectantes (FSS1, FSS2). Una distancia de A/8 (donde A es la longitud de onda en el elemento radiante) entre el plano de tierra PM de inversión de polarización y la cavidad Fabry Perot con superficies periódicas parcialmente reflectantes consigue un retardo de fase de 90° en la componente Ey, necesario para conseguir la polarización circular. Como la cavidad es transparente a la componente Ey, el campo se irradia al subespacio superior. Sin embargo, el comportamiento en frecuencia de esta solución es de banda relativamente baja. En efecto, como se ilustra en la figura 4 del documento citado, el índice de elipticidad de la onda a la salida del polarizador es de 1 dB en una banda de frecuencias correspondiente a aproximadamente el 2,5% de la frecuencia central. Este comportamiento en banda baja está relacionado, por un lado, con las ondulaciones del plano de tierra del PM, cuya altura (A/4) es función de la longitud de onda. También está
relacionado con la separación (A/8) entre la superficie periódica parcialmente reflectante inferior FSS1 y el plano de tierra PM, que es una función de la longitud de onda.
Otros elementos radiantes del estado de la técnica se divulgan en el documento" Design method for circularly polarized Fabry-Perot cavity antennas" (Robert Orr et al.), y en la solicitud de patente WO 2011134666 A1.
La invención pretende, por tanto, obtener un elemento radiante de polarización circular a partir de una excitación lineal, que sea a la vez compacto en altura y de banda muy ancha.
Un objeto de la invención es, por tanto, un elemento radiante de polarización circular, que comprende:
- al menos una abertura de excitación para una onda linealmente polarizada según una primera polarización, la llamada polarización de excitación;
- una superficie selectiva en frecuencia, parcialmente reflectante para la polarización de excitación y transparente para una segunda polarización ortogonal a la de excitación, denominada polarización ortogonal, y a la dirección de propagación de la onda, y dispuesta en un plano definido por la polarización de excitación y por la polarización ortogonal;
el elemento radiante comprende además una metasuperficie totalmente reflectante orientada hacia la superficie selectiva en frecuencia y que comprende una red bidimensional y periódica de elementos planos conductores que forman células de metasuperficie,
la abertura de excitación que conduce a la metasuperficie,
la superficie selectiva en frecuencia y la metasuperficie formando una cavidad resonante para la polarización de excitación,
las células de la metasuperficie están todas orientadas de forma idéntica con respecto a la polarización de excitación y están configuradas para:
• reflejar una onda incidente según la polarización de excitación para formar una onda reflejada polarizada según la polarización de excitación, y
• despolarizar y reflejar la onda incidente para formar una onda reflejada polarizada ortogonalmente con una diferencia de fase sustancialmente igual a ± 90° con respecto a la onda reflejada polarizada de excitación, y con una amplitud sustancialmente igual a la amplitud de una onda radiada por la superficie selectiva en frecuencia, originada por la onda reflejada polarizada de excitación.
Ventajosamente, la metasuperficie comprende un plano de tierra sobre el que están dispuestos un sustrato y la red de células de metasuperficie dispuestas en filas, estando los centros de cada célula de metasuperficie de la misma fila alineados a lo largo de un eje de alineación, estando el eje de alineación orientado por un ángulo de rotación (^) con respecto a la polarización de excitación, estando el ángulo de rotación (^ ) determinado de manera que se obtenga una matriz de tipo diagonal [S], donde:
siendo [S] la matriz de distribución de la metasuperficie, y [R] una matriz de rotación de ángulo V.
Ventajosamente, las células de metasuperficie de la misma fila están acopladas por una línea de interconexión de metasuperficie alargada a lo largo del eje de alineación.
Ventajosamente, las filas están conectadas entre sí a través de las células de la metasuperficie, formando con las líneas de interconexión de la metasuperficie un patrón de malla rectangular.
Alternativamente, las células de metasuperficie de una fila están aisladas unas de otras.
Ventajosamente, las células de la metasuperficie en la misma fila están todas espaciadas periódicamente.
Ventajosamente, todas las células de la metasuperficie tienen las mismas dimensiones.
Ventajosamente, la superficie selectiva en frecuencia comprende una red de hilos metálicos paralelos espaciados periódicamente y alineados con la polarización de excitación.
Alternativamente, la superficie selectiva en frecuencia comprende un conjunto bidimensional de dipolos metálicos dispuestos periódicamente.
Ventajosamente, la abertura de excitación comprende al menos una abertura de guía de ondas que se abre en la cavidad resonante.
Ventajosamente, la abertura de excitación comprende una alimentación doble formada por dos guías de onda que se abren simétricamente en la cavidad resonante y se conectan a una red de adaptación de impedancias.
Ventajosamente, la abertura de excitación es una bocina de una abertura lineal radiante.
Ventajosamente, el elemento radiante comprende una pluralidad de aberturas de excitación, estando las aberturas de excitación formadas por una red de aberturas radiantes lineales.
Ventajosamente, el elemento radiante comprende al menos una segunda cavidad en cascada sobre la superficie selectiva en frecuencia.
Ventajosamente, las células de la metasuperficie tienen forma rectangular.
La invención también se refiere a una antena de red que comprende al menos uno de estos elementos radiantes. Otras características, detalles y ventajas de la invención se desprenderán de la descripción hecha con referencia a los dibujos anexos, que se dan como ejemplos y que muestran, respectivamente:
- La figura 1, un elemento radiante de polarización circular del estado de la técnica;
- La figura 2, representación esquemática, en el plano yz, del elemento radiante según la invención, basado en la teoría de los rayos;
- La figura 3, una vista de conjunto y una vista detallada, en el plano xy, de varias filas de células de la metasuperficie que constituyen la misma y están aisladas unas de otras;
- La figura 4, una vista en perspectiva de las células de metasuperficie aisladas unas de otras, que ilustra en particular la orientación entre el eje de alineación de las células de metasuperficie con respecto a la polarización de excitación;
- La figura 5, una vista de conjunto y una vista detallada, en el plano xy, de varias filas de células de metasuperficie que constituyen la metasuperficie y están conectadas por una línea de interconexión;
- La figura 6, una vista en perspectiva de las células de metasuperficie acopladas entre sí por una línea de interconexión;
- La figura 7, una vista en perspectiva de las células de la metasuperficie formando una malla rectangular;
- La figura 8, una aplicación del elemento radiante según la invención, donde la abertura de excitación es una bocina de abertura lineal radiante;
- La figura 9, una aplicación del elemento radiante según la invención, donde las aberturas de excitación son aberturas radiantes lineales dispuestas en red;
- Las figuras 10A, 10B y 10C muestran una realización en la que la abertura de excitación comprende una alimentación doble;
- Las figuras 11A y 11B muestran las curvas de directividad y elipticidad en función de la frecuencia para varias configuraciones de elementos radiantes.
La figura 2 muestra una representación esquemática, en el plano yz, del elemento radiante según la invención, basada en la teoría de los rayos. El elemento radiante comprende una abertura de excitación OE, que se abre a una metasuperficie S1. La metasuperficie S1 comprende una red de elementos planos conductores que forman células de metasuperficie (no mostradas en la figura 1), con un determinado patrón bidimensional repetido periódicamente. Las células de la metasuperficie tienen dimensiones menores que la longitud de onda de funcionamiento del elemento radiante (las llamadas dimensiones "sub-lambda").
En la abertura de excitación OE se produce una onda linealmente polarizada según una primera polarización de excitación. La abertura de excitación OE está representada por una guía de ondas rectangular que penetra en la metasuperficie S1 sin sobresalir de la misma, o sobresaliendo ligeramente de ella. La onda linealmente polarizada se propaga en la cavidad, delimitada por la metasuperficie S1 y por una superficie selectiva en frecuencia S2, que comprende una disposición de hilos metálicos o dipolos distribuidos periódicamente. La metasuperficie S1 y la superficie selectiva en frecuencia S2 están separadas por una distancia D1. La superficie selectiva en frecuencia S2 es parcialmente reflectante para la polarización de excitación Ex (también llamada polarización TE, por “Transverse Electric”) y transparente para una segunda polarización Ey ortogonal a la polarización de excitación Ex, llamada polarización ortogonal (también llamada polarización TM), y a la dirección de propagación de la onda. La superficie selectiva en frecuencia S2 se caracteriza, por tanto, por los coeficientes de reflexión y transmisión 2 y t2x, respectivamente. La onda producida por la abertura de excitación es en parte radiada (Etx), y en parte reflejada. Esta parte reflejada se denomina onda incidente Eix.
La metasuperficie S1 es totalmente reflectante. Actúa como plano de tierra, frente a la superficie selectiva en frecuencia S2. La metasuperficie S1 se caracteriza por los coeficientes de reflexión rixx y riyx respectivamente, que traducen las componentes de la onda reflejada según las polarizaciones Ex y Ey para la onda incidente Eix.
Se establece una resonancia entre las dos superficies para la onda en la polarización de excitación Ex, típica de los resonadores Fabry Perot. La onda incidente Eix, que se propaga en la cavidad, sufre una serie de reflexiones en la superficie selectiva en frecuencia S2 y en la metasuperficie S1. Con cada reflexión de la superficie selectiva en frecuencia S2, se irradia parte de la onda incidente Eix. En cada reflexión de la metasuperficie S1, parte de la onda incidente Eix sufre una rotación de polarización, también llamada despolarización, produciendo la onda polarizada ortogonalmente Er1y. La amplitud de la onda polarizada ortogonalmente Er1y está determinada por el coeficiente de reflexión riyx. Otra parte de la onda incidente Eix conserva su polarización, produciendo la onda polarizada de excitación Er1x. La amplitud de la onda polarizada de excitación Er1x está determinada por el coeficiente de reflexión rixx. La radiación circularmente polarizada se sintetiza cuando la onda E'tx radiada por la superficie selectiva en frecuencia S2, y originada por la onda reflejada Er1x polarizada según la polarización de excitación Ex, corresponde en amplitud a la onda Er1y polarizada según la polarización ortogonal Ey, con un desplazamiento de fase de ±90°. La amplitud de la onda radiada E'tx por la superficie selectiva en frecuencia S2 está determinada por el coeficiente de transmisión t2x. Dado que la superficie selectiva en frecuencia S2 es transparente a la polarización ortogonal Ey, la onda polarizada Er1y según la polarización ortogonal Ey se irradia sin ser atenuada. La onda polarizada Er1y según la polarización ortogonal Ey se denomina E'ty. Así, una primera radiación circularmente polarizada se compone de las ondas E'tx y E'ty.
La onda reflejada Er1x se refleja de nuevo en la superficie selectiva en frecuencia S2 con un coeficiente de reflexión r2xy, según el mismo principio, se produce una segunda radiación circularmente polarizada compuesta por las ondas E "tx y E "ty, seguida de una tercera radiación circularmente polarizada compuesta por las ondas E'"tx y E'"ty.
Esto da lugar a un haz polarizado circularmente que se atenúa cada vez más a medida que se aleja de la abertura de excitación OE.
Se puede realizar un predimensionamiento de este elemento radiante a partir de la teoría de los rayos, tradicionalmente utilizada para esta categoría de elementos radiantes. Se supone que:
- el tamaño de la cavidad es infinito en el plano xy;
- la superficie selectiva en frecuencia S2 se caracteriza por los coeficientes de reflexión y transmisión r2x yt2x respectivamente. Es completamente transparente a la onda polarizada Ey;
- la distancia entre la superficie selectiva en frecuencia S2 y la metasuperficie S1 es igual a D1 ;
- la metasuperficie S1 se caracteriza respectivamente por los coeficientes de reflexión r1xx y r1yx que reflejan las componentes de la onda reflejada según las polarizaciones Ex y Ey para una onda incidente Eix.
A partir de lo anterior, las funciones de transferencia Tx y Ty para las ondas Etrans (x) y Etrans (y) polarizadas transmitidas pueden escribirse como la suma de todos los campos transmitidos en el campo lejano:
Tx = * f C ^ L71C = [ E tx E 'tx E "tx - ] (1) Ty = Ejr £f in Mc = [E 'ty E,rty - ] (2)
Donde Einc = 1
A partir de (1) se puede determinar la función de transferencia Tx.
Donde ko es el número de onda en el espacio libre, es decir 2n/Ao, y 0 el ángulo de incidencia de la onda de excitación
A partir de (2), se puede determinar la función de transferencia Ty.
T _ riyxr2xe
-/fco(2Di) cus(í)
¡y — r /* o C 2Di) c0S(.s) (8 )
La condición de resonancia se alcanza cuando:
¿ r lxx + ¿ r2x + 2Nn = 2 k0D1 cos(0) (9)
Donde zsixx es la componente en fase del coeficiente de reflexión rixx, ¿r2x representa la componente en fase del coeficiente de reflexión r2x, y N es un número entero cualquiera.
Utilizando las funciones de transferencia calculadas en (5) y (8) para las dos polarizaciones, es posible calcular la tasa de elipticidad (AR Axial Ratio) para toda la antena, utilizando la siguiente relación:
Dónde:
(p = Z.Tx - ¿.Ty ( 12 )
„ _ |r*l (13)
Partiendo de las relaciones (12) y (13), y utilizando las funciones de transferencia calculadas en (5) y (8), es posible entonces escribir la condición para producir una polarización circular pura con las siguientes relaciones:
¿ t 2x ¿t\ lyjr + ¿r2x - 2k0D1 eos(6) - 2Nn (15)
Combinando la ecuación (9), que describe la condición de resonancia, y la ecuación (15), que describe la condición de polarización circular, se puede obtener la siguiente relación:
¿t2x = ¿rlyx - ¿ r lxx ^ 2N'Ti (16)
Donde N' es cualquier número entero.
La ecuación (16) no depende de la frecuencia en primer orden (el número de onda k0 no está en la ecuación), sino que sólo relaciona los componentes de las matrices de reflexión y transmisión de la superficie selectiva en frecuencia S2 y la metasuperficie S1. El ancho de banda ya no está limitado por el mecanismo de generación de la polarización circular, sino por el mecanismo de funcionamiento de la cavidad Fabry-Perot. En ese caso, se pueden utilizar las técnicas de ampliación del ancho de banda de esta última, sin que ello afecte a la polarización circular. En particular, la conexión en cascada de una segunda cavidad por encima de la superficie selectiva en frecuencia S2 permite ampliar el ancho de banda sin degradar la calidad de la polarización circular.
La componente de fase del coeficiente de transmisión t2xde la superficie selectiva en frecuencia S2 determina la directividad del elemento radiante y es, por tanto, predeterminada y conocida, en función de la directividad deseada. Por lo tanto, según la ecuación (16), para producir una polarización circular pura, las componentes en fase de los coeficientes de reflexión riyx y rixx deben seleccionarse adecuadamente.
La matriz de distribución [S] (o “scattering matrix” en terminología anglosajona) de la metasuperficie S1 puede escribirse convencionalmente como:
Sin embargo, la metasuperficie S1 no recibe ninguna onda polarizada ortogonalmente Ey, ya que la superficie selectiva en frecuencia S2 es transparente a la polarización ortogonal. Los coeficientes de reflexión rixy y riyy, que reflejan respectivamente el coeficiente de reflexión en la polarización de excitación Ex y en la polarización ortogonal Ey para una onda incidente en la polarización ortogonal Ey, son por tanto irrelevantes para el dimensionamiento de la metasuperficie S1. Para el dimensionamiento de la metasuperficie S1 sólo hay que considerar los coeficientes de reflexión rixx y riyx, determinados por la relación (16).
Un marco de referencia Ox'y'z se define como el resultado de rotar un ángulo V alrededor del eje Oz del marco de referencia Oxyz (el eje Ox está definido por la polarización de excitación Ex, y el eje Oy por la polarización ortogonal Ey).
Por lo tanto, buscamos obtener, a partir de la matriz de distribución [S] en el sistema de referencia Oxyz, una matriz de distribución diagonal [S'] en el sistema de referencia Ox'y'z, que puede escribirse como:
Donde los coeficientes de reflexión diagonal e*1 y e*2 representan las componentes en fase de las ondas reflejadas en la polarización de excitación y la polarización ortogonal, respectivamente, en el marco de referencia Ox'y'z. Las componentes de amplitud de las ondas reflejadas en excitación y polarización ortogonal son iguales a 1, lo que refleja la naturaleza sin pérdidas de la metasuperficie S1.
Bajo la condición de incidencia normal (0=0°), existe por tanto una relación de congruencia entre la matriz de distribución [S] en el plano Oxy, y la matriz de distribución [S'] en el plano Ox'y', que puede escribirse como:
[5'] = f [fi][5][fi] (18)
Donde [R] es una matriz de rotación de ángulo V:
cos(T) senfM7)
M = —serif'y) cos(y )
Por lo tanto, es necesario identificar el ángulo V que permite transformar la matriz de distribución [S] requerida en una matriz diagonal. Para este cálculo, que no se detalla aquí, sólo se especifican los coeficientes de reflexión rixx y riyx para el funcionamiento de la antena, siendo los coeficientes de reflexión rixy y riyy sólo variables de ajuste. Así, una vez identificado el ángulo V para obtener una matriz diagonal, los coeficientes de reflexión diagonal e*1y e*2 se determinan a partir de las relaciones (17) y (18).
Debido a la desalineación de la metasuperficie S1 con respecto a la polarización de excitación Ex, cada onda incidente linealmente polarizada se refleja con una componente de polarización de excitación Ex y una componente de polarización ortogonal Ey. En el caso de una metasuperficie S1 formada por una disposición de elementos rectangulares planos conductores (también llamados "patches" según la terminología anglosajona), las respuestas de fase según la polarización Ex o Ey están controladas en primer orden por las dimensiones del elemento plano conductor.
La metasuperficie S1 puede comprender una red de células de metasuperficie MS, como se ilustra en la figura 3. Las dimensiones de las células de la metasuperficie de la EM pueden obtenerse de forma relativamente independiente en función de las componentes en fase de los coeficientes de reflexión diagonal. Así, las dimensiones de cada célula de metasuperficie MS (longitud l y y anchura wy), se fijan en función de las componentes en fase de los coeficientes de reflexión diagonal e*1 y e*2 determinados previamente.
Las células de la metasuperficie pueden ser ventajosamente rectangulares. Por lo tanto, la metasuperficie S1 puede estar formada por varias filas de células de la metasuperficie MS.
Como se ilustra en la Figura 4, las células de metasuperficie MS en una sola fila RA están aisladas unas de otras, y dispuestas sobre un sustrato SUB1. Estos elementos están dispuestos entre el plano de tierra a través del cual pasa la abertura de excitación, y la superficie selectiva en frecuencia S2. Así, cada célula de la metasuperficie MS forma un dipolo, con un comportamiento principalmente capacitivo para la polarización de excitación Ex y para la polarización ortogonal Ey. Todos los centros CE de las células de la metasuperficie de la EM están alineados a lo largo de un eje de alineación AX. Por lo tanto, el eje de alineación AX está orientado por el ángulo V con respecto a la polarización de excitación Ex.
Las células de la metasuperficie de la EM pueden tener todas la misma longitud (dimensión ly en la Figura 3), y puede haber el mismo espacio entre dos células de la metasuperficie de la EM (dimensión px en la Figura 3).
En una realización, ilustrada en la figura 5, la metasuperficie S1 puede comprender líneas de interconexión de metasuperficies LG. Las líneas de interconexión de la metasuperficie LG conectan entre sí todas las células de la metasuperficie MS de una misma fila RA. Ventajosamente, permiten disipar las cargas electrostáticas presentes en las células de la metasuperficie de la EM, mejorando así el comportamiento global del elemento radiante. Las células de metasuperficie MS tienen propiedades de incidencia notablemente estables, ya que se pueden utilizar patrones especialmente pequeños para conseguir características de banda ancha o incluso de doble banda. Las células MS de la metasuperficie en una sola fila RA están acopladas en su centro CE, ortogonalmente, a una línea de interconexión LG de la metasuperficie.
Como se ilustra en la Figura 6, la línea de interconexión de la metasuperficie LG está orientada en el ángulo V con respecto a la polarización de excitación Ex. Para cada fila RA, del conjunto formado por la línea de interconexión LG y las células de la metasuperficie MS es, por lo tanto, una rejilla auxiliar (o adaptaciones). La rejilla auxiliar se comporta principalmente de forma inductiva para la polarización de excitación Ex, y de forma capacitiva para la polarización ortogonal Ey.
La superficie selectiva en frecuencia S2, que es parcialmente reflectante, está constituida por una red de hilos metálicos FI espaciados de forma periódica y orientados según la polarización de excitación Ex. Alternativamente, la superficie selectiva en frecuencia S2 puede estar constituida por dipolos, como ranuras o parches. Las ranuras pueden hacerse en una placa metálica, y los parches colocarse en un sustrato eléctricamente transparente.
La red de células de metasuperficie MS está dispuesto sobre un sustrato SUB1, colocado a su vez sobre un plano de tierra PM. El plano de tierra PM es atravesado por la abertura de excitación OE. El sustrato SUB1 puede estar compuesto, por ejemplo, por dos capas de Astroquartz™, entre las cuales hay una capa de nidaquartz.
Según una variante, ilustrada en la Figura 7, las filas RA están conectadas entre sí a través de las células de metasuperficie MS. Junto con las líneas de interconexión de la metasuperficie LG, forman un patrón de malla rectangular. La metasuperficie S1 se comporta así de forma inductiva para la polarización de excitación Ex y para la polarización ortogonal Ey.
La figura 8 ilustra el caso en el que la abertura de excitación OE es una bocina CRN de abertura radiante lineal. La abertura lineal radiante, que atraviesa la metasuperficie S1 y se abre en la cavidad, puede formar la parte radiante de un formador de haz cuasi-óptico, caracterizado en particular por una gran abertura lateral. Esta solución permite, por tanto, mantener una amplia abertura espectral, al tiempo que irradia la polarización circular. Cuanto mayor sea el tamaño de la abertura lineal radiante, menor será el ancho de banda en la adaptación o radiación. Sin embargo, esto no influye en la calidad de la polarización circular, como se muestra en la relación (16).
La figura 9 ilustra el caso en el que hay una pluralidad de aberturas de excitación OE. Las aberturas de excitación OE están formadas por una red RES de aberturas radiantes lineales, por ejemplo de un divisor de placas paralelo. En particular, el uso de un divisor de placas paralelo permite que el campo se distribuya mejor en las aberturas de excitación del OE. Para limitar el acoplamiento entre las aberturas radiantes lineales, el acoplamiento entre los accesos debe estar fuertemente limitado, por ejemplo a -15 dB.
Las figuras 10A, 10B y 10C ilustran una realización de la invención en la que la abertura de excitación OE está dividida. Comprende una alimentación doble formada por dos aberturas de guía de ondas (WG1, WG2) que se abren simétricamente en la cavidad resonante, y que están conectadas a una red de adaptación de impedancias RAD. La red de adaptación de impedancia RAD incluye al menos un iris IR, para ampliar la banda de adaptación. De este modo, se puede anular un posible modo TEM espurio en el elemento radiante. Este modo TEM, que genera lóbulos de polarización cruzada, es independiente del tipo de abertura de excitación del OE. La figura 10C ilustra una abertura de excitación de este tipo, integrada en un elemento radiante según la invención. En la Figura 10C, cada célula MS forma un dipolo, sin línea de interconexión. La duplicación de la abertura de excitación se puede conseguir de la misma manera cuando las células MS están conectadas por una línea de interconexión, o cuando forman una malla rectangular.
Las figuras 11A y 11B ilustran el comportamiento en frecuencia de la directividad y la relación axial para una serie de antenas que incorporan los elementos radiantes según la invención y que comprenden una alimentación doble formada por dos aberturas de guía de ondas, según la realización descrita anteriormente. Los elementos radiantes se distinguen por diferentes valores de la anchura (a) y la longitud (b) de la abertura de excitación, y por diferentes valores del coeficiente de reflectividad r2x. Los valores del coeficiente de reflectividad r2x se denotan con "+", "++" o "+++" para indicar su valor relativo.
La figura 11A ilustra el comportamiento en frecuencia de la directividad de los elementos radiantes, para un ángulo 0=0°. Cuanto más direccional sea el elemento radiante (es decir, cuanto mayor sea la reflectividad de la superficie selectiva en frecuencia S2), menor será el comportamiento en frecuencia de la banda ancha, lo que es típico de las antenas de cavidad Fabry Perot. Para los elementos radiantes 2, 3 y 4, el ancho de banda a -3 dB es aproximadamente el 10% de la frecuencia central. La figura 11B muestra el comportamiento en frecuencia de la tasa de elipticidad de los elementos radiantes, para un ángulo 0=0°. El ancho de banda a -3 dB es superior al 10% para las cuatro antenas, y sigue siendo del orden del 10% a -1 dB, lo que es significativamente mejor que el rendimiento de los elementos radiantes de última generación. Como se muestra en la relación (16), la técnica de generación de polarización circular opera en un amplio ancho de banda, y no limita el funcionamiento del elemento radiante.
El comportamiento de banda ancha puede mejorarse aún más colocando una segunda cavidad en cascada sobre la superficie selectiva en frecuencia S2. Para conseguir esta cascada, se coloca al menos una segunda cavidad resonante sobre la cavidad objeto de la invención. La segunda cavidad resonante tiene la superficie selectiva en frecuencia de la cavidad inferior como superficie inferior, y una superficie parcialmente reflectante como superficie superior. La sección transversal de la cavidad superior puede ser mayor que la de la primera cavidad inferior, como se describe en el documento FR2959611o, alternativamente, tener una sección transversal sustancialmente igual a la de la cavidad inferior. La realización, denominada "de doble cavidad" permite reducir la reflectividad de la superficie selectiva en frecuencia de la cavidad inferior, favoreciendo así el comportamiento de banda ancha del elemento radiante, pero sin afectar a la calidad de la polarización circular.
Claims (16)
1. Elemento radiante con polarización circular, que comprende:
- al menos una abertura de excitación (OE) para una onda polarizada linealmente según una primera polarización denominada de excitación (Ex);
- una superficie selectiva en frecuencia (S2), parcialmente reflectante para la polarización de excitación (Ex) y transparente para una segunda polarización (Ey) ortogonal a la polarización de excitación (Ex), la llamada polarización ortogonal, y a la dirección de propagación de la onda, y dispuesta en un plano definido por la polarización de excitación (Ex) y por la polarización ortogonal (Ey);
y que comprende además una metasuperficie (S1), totalmente reflectante orientada hacia la superficie selectiva en frecuencia (S2) y que comprende una red bidimensional y periódica de elementos planos conductores que forman células de metasuperficie (MS), abriéndose la abertura de excitación (OE) sobre la metasuperficie (S1),
formando la superficie selectiva en frecuencia (S2) y la metasuperficie (S1) una cavidad resonante para la polarización de excitación (Ex),
las células de la metasuperficie (MS) están todas orientadas de forma idéntica con respecto a la polarización de excitación (Ex) y están configuradas para:
• reflejar una onda incidente (Eix) según la polarización de excitación (Ex) para formar una onda reflejada (Er1x) polarizada según la polarización de excitación (Ex), y
• despolarizar y reflejar la onda incidente (Eix) para formar una onda reflejada (Er1y) polarizada según la polarización ortogonal (Ey) con una diferencia de fase sustancialmente igual a ± 90° con respecto a la onda reflejada (Er1x) polarizada según la polarización de excitación (Ex) y con una amplitud sustancialmente igual a la amplitud de una onda (E'tx) radiada por la superficie selectiva en frecuencia (S2), originada por la onda reflejada (Er1x) polarizada según la polarización de excitación (Ex).
2. Elemento radiante según la reivindicación 1, en el que la metasuperficie (S1) comprende un plano de tierra (PM) sobre el que se disponen un sustrato (SUB1) y la red de células de metasuperficie (MS) dispuestas en filas (RA), estando los centros (CE) de cada célula de metasuperficie (MS) de la misma fila (RA) alineados a lo largo de un eje de alineación (AX), estando el eje de alineación (AX) orientado por un ángulo de rotación (V) con respecto a la polarización de excitación (Ex), determinándose el ángulo de rotación (V) para obtener una matriz [S] de tipo diagonal, donde:
siendo [S] la matriz de distribución de la metasuperficie (S1), y [R] una matriz de rotación de ángulo V.
3. Elemento radiante según la reivindicación 2, en el que las células de metasuperficie (MS) de la misma fila (RA) están acopladas por una línea de interconexión de metasuperficie (LG) alargada a lo largo del eje de alineación (AX).
4. Elemento radiante según la reivindicación 3, en el que las filas (RA) están conectadas entre sí a través de las células de metasuperficie (MS), formando con las líneas de interconexión de metasuperficie (LG) un patrón de malla rectangular.
5. Elemento radiante según la reivindicación 2, en el que las células de metasuperficie (MS) de la misma fila (RA) están aisladas unas de otras.
6. Elemento radiante según una de las reivindicaciones 2 a 5, en el que todas las células de metasuperficie (MS) de una misma fila (RA) están espaciadas periódicamente.
7. Elemento radiante según una de las reivindicaciones 2 a 6, en el que todas las células de la metasuperficie (MS) de la metasuperficie (S1) tienen las mismas dimensiones.
8. Elemento radiante según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la superficie selectiva en frecuencia (S2) comprende una red de hilos metálicos (FI) paralelos, periódicamente espaciados, y alineados con la polarización de excitación (Ex).
9. Elemento radiante según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la superficie selectiva en frecuencia (S2) comprende una red bidimensional de dipolos metálicos dispuestos periódicamente.
10. Elemento radiante según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la abertura de excitación (OE) comprende al menos una abertura de guía de ondas que se abre en la cavidad resonante.
11. Elemento radiante según la reivindicación 10, en el que la abertura de excitación (OE) comprende una alimentación doble formada por dos guías de ondas (WG1, WG2) que se abren simétricamente en la cavidad resonante, y están conectadas a una red de adaptación de impedancias (RAD).
12. Elemento radiante según una de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la abertura de excitación (OE) es una bocina (CRN) de una abertura radiante lineal.
13. Elemento radiante según una de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende una pluralidad de aberturas de excitación, estando las aberturas de excitación formadas por una red (RES) de aberturas radiantes lineales.
14. Elemento radiante según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende al menos una segunda cavidad en cascada sobre la superficie selectiva en frecuencia (S2).
15. Elemento radiante según una de las reivindicaciones anteriores, en el que las células de la metasuperficie (MS) tienen forma rectangular.
16. Antena de red que comprende al menos un elemento radiante según una de las reivindicaciones anteriores.
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