ES2930559A1 - Flat multi-band reflectarray antenna with circularly polarized beam spacing and method for its design (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Antena reflectarray plana multi-banda con separación de haces de polarización circular y método para su diseñoFlat multi-band reflectarray antenna with circularly polarized beam spacing and method for its design
OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION
La presente invención se encuadra, dentro del sector tecnológico de las radiocomunicaciones, en el campo técnico de los sistemas de antenas tipo “reflectarray” o agrupación reflectora (del inglés: reflective array, reflectarray) y, de forma más particular, se enmarca dentro de los sistemas de antenas tipo reflectarray aplicables en redes de comunicaciones terrestres y satelitales en bandas de ondas milimétricas para quinta o sexta generación (5G y 6G respectivamente), y en tecnología espacial.The present invention falls within the technological field of radiocommunications, in the technical field of "reflectarray" type antenna systems or reflective array (from English: reflective array, reflectarray) and, more particularly, falls within reflectarray antenna systems applicable in terrestrial and satellite communications networks in millimeter wave bands for fifth or sixth generation (5G and 6G respectively), and in space technology.
Particularmente, la presente invención se refiere a una antena reflectarray plana que opera en dos o más bandas de frecuencia con capacidad de separar haces de polarización circular ortogonal en cada banda.Particularly, the present invention refers to a planar reflectarray antenna that operates in two or more frequency bands with the capacity to separate orthogonal circularly polarized beams in each band.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
En las últimas décadas ha habido un importante aumento en la utilización de antenas multihaz para satélites de comunicaciones. Estas antenas multihaz proporcionan cobertura a una región específica de la Tierra, usando un gran número de haces que cubren tanto el radioenlace descendente en transmisión (TX) como el ascendente en recepción (RX). Las antenas multihaz tienen ventajas sobre las antenas de haz contorneado porque: a) hacen un uso más eficiente del espectro al repartir las frecuencias de operación entre los diferentes haces; b) tienen mayores ganancias por utilizar haces más pequeños, lo cual supone una mayor potencia isótropa radiada equivalente (EIRP en inglés) en el radioenlace descendente y una mayor relación ganancia/temperatura de ruido (G/T) en el radioenlace ascendente; y c) requieren terminales en Tierra más pequeños. Estas antenas multihaz han sido utilizadas en satélites geoestacionarios destinados a comunicaciones personales, comunicaciones militares, radiodifusión y servicios de comunicaciones móviles [S. K. Rao & M. Q. Tang, “Stepped reflector antennas for dual-band multiple beam satellite communication payloads”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 54, pp. 801-811, March 2006].In recent decades there has been a significant increase in the use of multibeam antennas for communication satellites. These multibeam antennas provide coverage to a specific region of the Earth, using a large number of beams that cover both the downlink transmit (TX) and uplink receive (RX). Multibeam antennas have advantages over contoured beam antennas because: a) they make more efficient use of the spectrum by spreading the operating frequencies among the different beams; b) they have higher gains by using smaller beams, which means a higher equivalent isotropically radiated power (EIRP) in the downlink radio and a higher gain/noise temperature (G/T) ratio in the uplink radio; and c) require smaller ground terminals. These multibeam antennas have been used on geostationary satellites for personal communications, military communications, broadcasting, and mobile communications services [S. K. Rao & M. Q. Tang, “Stepped reflector antennas for dual-band multiple beam satellite communication payloads”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 54, p. 801-811, March 2006].
Los satélites de comunicaciones desempeñan un papel clave en las redes de comunicaciones, proporcionando conectividad en zonas rurales o aisladas, y en escenarios de movilidad (aeronáuticos y marítimos), complementando los servicios proporcionados por las redes terrestres [K. Liolis, et al. "Use cases and scenarios of 5G integrated satellite-terrestrial networks for enhanced mobile broadband. The SaT5G approach”, Intl. J. Satell. Commun. Network, 37 (2019), 91-112.]. Actualmente, se utilizan satélites geoestacionarios que operan en banda Ka, conocidos como satélites de alto rendimiento ("high throughput satellites” en inglés). Las antenas empleadas en estos satélites utilizan un esquema de re-utilización de frecuencia y polarización para cubrir totalmente la zona de cobertura sin interferencias con "cuatro colores” generados a partir de dos frecuencias próximas y dos polarizaciones ortogonales, tanto en TX (frecuencia central en torno a 20 GHz) como en RX (frecuencia central en torno a 30 GHz) [S. K. Rao, "Parametric design and analysis of multiple-beam reflector antennas for satellite communications”, IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 45, pp.26 33, Aug. 2003].Communications satellites play a key role in communication networks, providing connectivity in rural or isolated areas, and in mobility scenarios (aeronautical and maritime), complementing the services provided by terrestrial networks [K. Lyolis, et al. "Use cases and scenarios of 5G integrated satellite-terrestrial networks for enhanced mobile broadband. The SaT5G approach”, Intl. J. Satell. Commun. Network, 37 (2019), 91-112.]. Currently, geostationary satellites are used that They operate in the Ka band, known as high throughput satellites. The antennas used in these satellites use a frequency and polarization reuse scheme to fully cover the coverage area without interference with "four colors" generated from two close frequencies and two orthogonal polarizations, both in TX (center frequency in around 20 GHz) and RX (center frequency around 30 GHz) [SK Rao, "Parametric design and analysis of multiple-beam reflector antennas for satellite communications”, IEEE Antennas Propag. mag., vol. 45, pp.26-33, Aug. 2003].
La zona de cobertura queda totalmente cubierta con haces independientes de estos cuatro colores de manera que nunca solapen haces del mismo color. Tradicionalmente se han utilizado reflectores parabólicos para estas antenas multihaz debido al ahorro de peso, y al alto grado de madurez tecnológica alcanzada en el diseño de dichos reflectores. En un principio, se trabajó con ocho reflectores multihaz, cuatro para cubrir las dos frecuencias y las dos polarizaciones en TX, y otros cuatro para conseguir el mismo funcionamiento en RX. Posteriormente, se redujo a cuatro el número de reflectores parabólicos al utilizarse reflectores de doble banda, cada uno de los cuales daba cuenta de una frecuencia y una polarización (un color), tanto en TX como en RX. El principal problema de esta configuración de cuatro reflectores es que ocupa dos laterales del satélite y no deja espacio para otras misiones [N. G. J. Fonseca & Cyril Mangenot, "Low-profile polarizing surface with dual-band operation in orthogonal polarizations for broadband satellite applications”, Proc. 8th European Conf. Antennas Propag. EuCAP 2014, pp. 471-475]. Por tanto, se han buscado soluciones que reduzcan a dos el número total de reflectores parabólicos, bien mediante el diseño de reflectores que generen los cuatro colores en una sola banda (esto es, o en TX, o en RX), bien mediante el diseño de reflectores de doble banda que generen dos colores, tanto en TX como en RX. Esto se puede conseguir pasando de configuraciones de un alimentador por haz a configuraciones de múltiples alimentadores por haz. No obstante, esta última estrategia requiere recurrir al diseño de sofisticadas redes generadoras de haz, y además, las prestaciones de los reflectores con múltiples alimentadores por haz son inferiores a las de los reflectores con un solo alimentador por haz [M. Zhou & S. B. Sorensen, "Multi-spot beam reflectarrays for satellite telecommunication applications in Ka-band”, Proc. 10th European Conf. Antennas Propag. EuCAP 2016]. Debido a estos problemas, se han buscado soluciones alternativas basadas en sustituir los reflectores por antenas reflectarray (también denominadas reflectarrays a lo largo del presente documento), o al menos, en combinar los reflectores con este tipo de antenas. Los reflectarrays son agrupaciones planas de celdas reflectoras en las que cada celda introduce una corrección de fase al incidir sobre ella una onda electromagnética, de forma que es posible conseguir un haz colimado en reflexión cuando el conjunto de celdas es iluminado por un alimentador primario, que típicamente es una antena de bocina. Los reflectarrays tienen ventajas sobre los reflectores parabólicos tales como menor peso, menor coste, un perfil más delgado y un nivel más bajo de polarización cruzada [D. M. Pozar, “Design of millimeter-wave reflectarrays”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 45, pp. 287-296, Feb. 1997].The coverage area is completely covered with independent beams of these four colors so that beams of the same color never overlap. Parabolic reflectors have traditionally been used for these multibeam antennas due to weight savings, and the high degree of technological maturity achieved in the design of said reflectors. Initially, eight multibeam reflectors were used, four to cover the two frequencies and the two polarizations in TX, and another four to achieve the same operation in RX. Subsequently, the number of parabolic reflectors was reduced to four by using double band reflectors, each of which accounted for a frequency and a polarization (a color), both in TX and RX. The main problem with this configuration of four reflectors is that it occupies two sides of the satellite and leaves no space for other missions [NGJ Fonseca & Cyril Mangenot, "Low-profile polarizing surface with dual-band operation in orthogonal polarizations for broadband satellite applications”, Proc. 8th European Conf. Antennas Propag. EuCAP 2014, pp. 471-475] Therefore, solutions have been sought that reduce the total number of parabolic reflectors to two, either by designing reflectors that generate the four colors in one single band (i.e. either TX or RX), or by designing dual band reflectors that generate two colors on both TX and RX This can be achieved by converting from single beam feeder configurations to of multiple feeders per beam.However, this last strategy requires resorting to the design of sophisticated networks generating beams, and in addition, the performance of the reflectors with multiple feeders po r beam are lower than those of reflectors with a single feeder per beam [M. Zhou & SB Sorensen, "Multi-spot beam reflectarrays for satellite telecommunication applications in Ka-band”, Proc. 10th European Conf. Antennas Propag. EuCAP 2016]. Due to these problems, alternative solutions have been sought based on replacing the reflectors with reflectarray antennas (also called reflectarrays throughout this document), or at least, on combining the reflectors with this type of antenna. Reflectarrays are flat groups of reflective cells in which each cell introduces a phase correction when an electromagnetic wave is incident on it, so that it is possible to achieve a collimated beam in reflection when the set of cells is illuminated by a primary feeder, which typically it is a horn antenna. Reflectarrays have advantages over parabolic reflectors such as lower weight, lower cost, a slimmer profile, and a lower level of cross-polarization [DM Pozar, “Design of millimeter-wave reflectarrays”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 45, p. 287-296, Feb. 1997].
En el caso de antenas multihaz de polarización lineal, se han diseñado reflectarrays con celdas compuestas por dos conjuntos ortogonales de ocho dipolos paralelos apilados en dos capas dieléctricas que han demostrado su capacidad para conseguir dos haces separados en polarización horizontal y vertical (esto es, dos colores) en dos bandas (TX y RX) [E. Martínez de Rioja, J. A. Encinar, R. Florencio & R. R. Boix, “Reflectarray in K and Ka bands with independent beams in each polarization”, Proc. IEEE Int. Symp. Antennas, Propag. 2016, pp.In the case of linearly polarized multibeam antennas, reflectarrays have been designed with cells composed of two orthogonal arrays of eight parallel dipoles stacked on two dielectric layers that have demonstrated their ability to achieve two separate beams in horizontal and vertical polarization (that is, two colors) in two bands (TX and RX) [E. Martínez de Rioja, J. A. Encinar, R. Florencio & R. R. Boix, “Reflectarray in K and Ka bands with independent beams in each polarization”, Proc. IEEE Int. Symp. Antennas, Propag. 2016, p.
1199-1200], con lo cual, dos de estos reflectarrays en configuración multihaz (con un sólo alimentador por cada dos haces) serían suficientes para satisfacer toda la cobertura de un satélite de banda Ka en transmisión y en recepción. Asimismo, se han diseñado reflectarrays con celdas también compuestas por conjuntos ortogonales de dipolos paralelos, que son capaces de generar cuatro haces adyacentes con dos polarizaciones lineales ortogonales y dos frecuencias próximas (esto es, cuatro colores) en una única banda de frecuencias, con lo cual, sólo serían necesarios también dos de estos reflectarrays para generar toda la cobertura de un satélite de banda Ka, uno para TX y otro para RX [E. Martínez de Rioja et al., IEEE Antennas Propag. Mag., Vol. 61, pp. 77-86, Oct. 2019]. En esta última configuración la separación de haces a dos frecuencias próximas se lleva a cabo aprovechando el fenómeno de modificación en la dirección del haz con la frecuencia (“beam squint” en inglés) que se produce en reflectarrays en los que la dirección de apuntamiento no coincide con la dirección de reflexión especular relativa a la dirección de incidencia de la onda emitida por el alimentador.1199-1200], with which two of these reflectarrays in a multibeam configuration (with a single feeder for every two beams) would be sufficient to satisfy the entire transmission and reception coverage of a Ka-band satellite. Likewise, reflectarrays have been designed with cells also composed of orthogonal sets of parallel dipoles, which are capable of generating four adjacent beams with two orthogonal linear polarizations and two close frequencies (that is, four colors) in a single frequency band, thus which, only two of these reflectarrays would also be necessary to generate all the coverage of a Ka band satellite, one for TX and one for RX [E. Martínez de Rioja et al., IEEE Antennas Propag. Mag., Vol. 61, p. 77-86, Oct. 2019]. In this last configuration, the separation of beams at two close frequencies is carried out taking advantage of the phenomenon of modification in the direction of the beam with the frequency ("beam squint" in English) that occurs in reflectarrays in which the pointing direction does not coincides with the direction of specular reflection relative to the direction of incidence of the wave emitted by the feeder.
Si bien se han propuesto soluciones relativamente sencillas para conseguir reducir a dos el número de antenas reflectarray multihaz de un satélite de banda Ka que trabaje con polarización lineal en TX y RX, el problema es mucho más complicado cuando el satélite trabaja con polarización circular. En [M. R. Chaharmir & J. Shaker, "Design of a multilayer X-/Ka-band frequency-selective surface backed-reflectarray for satellite applications”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 63, pp. 1255-1262, April 2015] y en [R. Deng et al., "An FSS-backed 20/30-GHz dual band circularly polarized reflectarray with suppressed mutual coupling and enhanced performance”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 65, pp.Although relatively simple solutions have been proposed to reduce to two the number of multibeam reflectarray antennas of a Ka band satellite that works with linear polarization in TX and RX, the problem is much more complicated when the satellite works with circular polarization. In [MR Chaharmir & J. Shaker, "Design of a multilayer X-/Ka-band frequency-selective surface backed-reflectarray for satellite applications”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 63, pp. 1255-1262, April 2015] and in [R. Deng et al., "An FSS-backed 20/30-GHz dual band circularly polarized reflectarray with suppressed mutual coupling and enhanced performance”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 65, p.
926-931, Feb. 2017] se diseñan dos reflectarrays capaces de operar a 20 y a 30 GHz en polarización circular. En los dos casos se diseñan las antenas de 20 y 30 GHz independientemente, y dichas antenas se apilan separadas por una superficie selectiva en frecuencia que actúa como una superficie reflectora a 30 GHz, y como una superficie transmisora a 20 GHz. La superficie selectiva en frecuencia impide que las antenas a 30 y 20 GHz se acoplen, lo cual permite diseñarlas de forma independiente. El problema principal de estos reflectarrays es que tienen cuatro niveles de metalización sobre tres capas de dieléctrico que se encuentran separadas unos milímetros, resultando un espesor total del orden de un centímetro, lo cual significa que el proceso de fabricación es complejo. Además, resulta muy difícil mantener una separación entre capas uniforme y con tolerancias del orden de 0.1 mm, sobre todo en aplicaciones para espacio donde los materiales sufren distorsiones termoelásticas. En [T. Smith et al., "Design, manufacturing and testing of a 20/30 GHz dualband circularly polarized reflectarray antenna”, IEEE Antennas Wireless Propagat. Lett., vol.926-931, Feb. 2017] two reflectarrays capable of operating at 20 and 30 GHz in circular polarization are designed. In both cases, the 20 and 30 GHz antennas are designed independently, and these antennas are stacked separated by a frequency-selective surface that acts as a reflecting surface at 30 GHz, and as a transmitting surface at 20 GHz. Frequency prevents the 30 and 20 GHz antennas from coupling, allowing them to be designed independently. The main problem with these reflectarrays is that they have four levels of metallization on three dielectric layers that are a few millimeters apart, resulting in a total thickness of the order of one centimeter, which means that the manufacturing process is complex. In addition, it is very difficult to maintain a uniform separation between layers and with tolerances of the order of 0.1 mm, especially in space applications where the materials suffer thermoelastic distortions. In [T. Smith et al., “Design, manufacturing and testing of a 20/30 GHz dualband circularly polarized reflectarray antenna”, IEEE Antennas Wireless Propagat. Lett., vol.
12, pp. 1480-1483, 2013] se propone una solución mucho más sencilla y barata para el mismo problema ya que el reflectarray para polarización circular diseñado a 20 y 30 GHz tiene una sola capa de dieléctrico de 0.79 mm de espesor y un único nivel de metalización. En este caso las celdas desfasadoras contienen dos anillos partidos concéntricos que se rotan para ajustar las fases requeridas en polarización circular en las dos bandas mientras que las longitudes de los arcos de los anillos se modifican en función de los ángulos de rotación de forma que se mantenga una diferencia de fase de 180 grados entre los coeficientes de reflexión de las dos componentes lineales ortogonales de las ondas polarizadas circularmente, tal y como se exige la técnica de la rotación variable (TRV) introducida en [J. Huang & R. J. Pogorzelski, "A Ka-band microstrip reflectarray with element having variable rotation angles”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 46, pp. 650-656, May 1998]. La técnica de diseño de este tipo de reflectarrays es más compleja que la de los reflectarrays que utilizan una superficie selectiva en frecuencia ya que aunque los anillos partidos externos se ajusten a 20 GHz sin que los anillos partidos internos tengan un efecto importante a esta frecuencia, a 30 GHz sí hay acoplamiento entre los anillos externos y los internos, y los dos anillos tienen que ser tenidos en cuenta en cada celda a la hora de ajustar la fase de la celda en la banda de RX.12, p. 1480-1483, 2013] a much simpler and cheaper solution to the same problem is proposed since the reflectarray for circular polarization designed at 20 and 30 GHz has a single layer of dielectric 0.79 mm thick and a single level of metallization. In this case, the phase shifter cells contain two concentric split rings that are rotated to adjust the phases required in circular polarization in the two bands, while the lengths of the arcs of the rings are modified as a function of the rotation angles so as to maintain a phase difference of 180 degrees between the reflection coefficients of the two orthogonal linear components of the circularly polarized waves, as required by the technique of variable rotation (TRV) introduced in [J. Huang & R. J. Pogorzelski, "A Ka-band microstrip reflectarray with element having variable rotation angles”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 46, pp. 650-656, May 1998]. The design technique of this type of reflectarrays is more complex than that of reflectarrays that use a frequency selective surface because although the outer split rings are tuned at 20 GHz without the inner split rings having a significant effect at this frequency, at 30 GHz there is coupling between the outer rings and inner rings, and the two rings have to be taken into account in each cell when adjusting the phase of the cell in the RX band.
En los trabajos que se acaban de describir, el reflectarray genera un solo haz de polarización circular en dos frecuencias (Tx y Rx) para cada alimentador. Al margen de este régimen de operación, se han propuesto diseños de reflectarrays capaces de generar dos haces de polarización circular ortogonal por cada alimentador operando en doble polarización y en una única banda de frecuencias. Una posible manera de atacar el problema es utilizar convertidores/separadores de polarización capaces de transformar ondas de polarización circular a derechas/izquierdas en ondas de polarización lineal horizontal/vertical. Estos convertidores se colocan delante de un reflectarray diseñado para generar haces independientes en cada polarización lineal, y de esa manera, el problema de separación de haces de polarización circular se convierte en un problema de separación de haces de polarización lineal, que es mucho más sencillo. En [M.-A. Joyal et al, "A reflectarray-based dual-surface reflector working in circular polarization”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol.63, pp. 1306-1313, April 2015] se utiliza un convertidor de polarización plano basado en líneas conductoras en forma de meandros con tres niveles de metalización que precede a un reflectarray situado delante de un reflector parabólico. El reflectarray refleja y colima la polarización lineal horizontal procedente del convertidor de polarización, y es transparente a la polarización lineal vertical, que es a su vez reflejada y colimada por el reflector situado detrás. El problema es que la estructura "reflector parabólico+reflectarray+convertidor de polarización” es muy voluminosa. Otra posible configuración de reflectarray separador de haces con convertidor de polarización circular/lineal es la propuesta en [C. S. Geaney, M. Hosseini & S. V. Hum, "Reflectarray antennas for independent dual linear and circular polarization control” , vol. 67, pp. 5908-5918, Sept. 2019]. En este caso, el convertidor de polarización se sitúa encima de un reflectarray de doble polarización lineal, con una separación del orden de 1 cm, con lo cual, se elimina el reflector y se reduce el volumen de la estructura. Aun así, el reflectarray con convertidor de polarización resulta ser una estructura multicapa con cinco niveles de metalización (tres para el polarizador y dos para el reflectarray) grabadas sobre cuatro láminas delgadas de dieléctrico. Esta estructura es complicada de fabricar debido a que las láminas de dieléctrico con metalizaciones deben mantenerse en una superficie plana, con valores de error cuadrático medio (RMS, siglas en inglés) de desviación de la superficie plana inferiores a 0.1 mm, tal y como como se requiere para las antenas de espacio. En [M. Zhou & S. B. Sorensen, "Multi-spot beam reflectarrays for satellite telecommunication applications in Ka-band”, Proc.In the works just described, the reflectarray generates a single polarizing beam circulate in two frequencies (Tx and Rx) for each feeder. Apart from this operating regime, reflectarray designs have been proposed capable of generating two orthogonal circular polarization beams for each feeder operating in double polarization and in a single frequency band. One possible way to attack the problem is to use polarization converters/splitters capable of transforming left/right circular polarization waves into horizontal/vertical linear polarization waves. These converters are placed in front of a reflectarray designed to generate independent beams at each linear polarization, thus turning the circularly polarized beam-splitting problem into a linearly polarized beam-splitting problem, which is much simpler. . In [M.-A. Joyal et al, "A reflectarray-based dual-surface reflector working in circular polarization”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol.63, pp. 1306-1313, April 2015] uses a flat line-based polarization converter meandering conductors with three levels of metallization preceding a reflectarray in front of a parabolic reflector.The reflectarray reflects and collimates the horizontal linear polarization from the polarization converter, and is transparent to the vertical linear polarization, which is itself reflected and collimated by the reflector located behind.The problem is that the structure "parabolic reflector+reflectarray+polarization converter" is very bulky. Another possible beamsplitter reflectarray configuration with circular/linear polarization converter is the one proposed in [CS Geaney, M. Hosseini & SV Hum, "Reflectarray antennas for independent dual linear and circular polarization control”, vol. 67, pp. 5908 -5918, Sept. 2019] In this case, the polarization converter is placed on top of a double linear polarization reflectarray, with a separation of the order of 1 cm, thereby eliminating the reflector and reducing the volume of However, the reflectarray with polarization converter turns out to be a multilayer structure with five levels of metallization (three for the polarizer and two for the reflectarray) etched onto four thin sheets of dielectric.This structure is complicated to fabricate because dielectric sheets with metallizations should be held on a flat surface, with values of lower root mean square (RMS) error of deviation from flat surface res to 0.1 mm, as required for space antennas. In [M. Zhou & SB Sorensen, "Multi-spot beam reflectarrays for satellite telecommunication applications in Ka-band”, Proc.
10th European Conf. Antennas Propag. EuCAP 2016] se recurre a un reflectarray impreso sobre un reflector parabólico para conseguir la separación de haces en polarización circular. El concepto de reflectarray sobre reflector parabólico fue introducido por primera vez en US006031506A [M. E. Cooley, T. J. Chwalek & P. Ramanujam, "Method for improving pattern bandwidth of shaped beam reflectarray”, Feb. 2000] como concepto destinado a aumentar el ancho de banda de reflectarrays convencionales. En el artículo de Zhou y Sorensen se lleva a cabo la separación de haces en polarización circular mediante la TRV anteriormente mencionada, utilizando el grado de libertad de rotación de los elementos impresos, que en el caso de reflectarrays planos sirve para colimar una onda incidente polarizada circularmente, y en el caso de reflectarrays parabólicos sirve para separar dos ondas incidentes polarizadas circularmente a izquierdas y a derechas en dos haces diferentes después de la reflexión. Esta separación de haces de polarización circular a una única frecuencia se ha conseguido con un reflectarray plano de bajo perfil (menos de 2 mm de espesor) en [R. Florencio et al., "Flat reflectarray that generates adjacent beams by discriminating in dual circular polarization”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 67, pp. 3733-3742, June 2019]. En este caso se utiliza una celda formada por dos conjuntos ortogonales de tres dipolos paralelos impresos sobre dos capas dieléctricas apiladas para diseñar primero un reflectarray capaz de enfocar haces polarizados circularmente a izquierdas y a derechas en la misma dirección mediante la técnica de variación del tamaño de la celda (TVTC). A continuación, se aplica la TRV sobre la superficie del reflectarray para modificar la dirección de apuntamiento del haz polarizado circularmente a derechas en un sentido, y la del haz polarizado circularmente a izquierdas en sentido contrario.10th European Conf. Antennas Propag. EuCAP 2016] uses a reflectarray printed on a parabolic reflector to achieve the separation of circularly polarized beams. The concept of a reflectarray on a parabolic reflector was first introduced in US006031506A [ME Cooley, TJ Chwalek & P. Ramanujam, "Method for improving pattern bandwidth of shaped beam reflectarray”, Feb. 2000] as a concept intended to increase the bandwidth of conventional reflectarrays. In the article by Zhou and Sorensen, the separation of circularly polarized beams is carried out by means of the aforementioned TRV, using the degree of freedom of rotation of the printed elements, which in the case of flat reflectarrays serves to collimate a polarized incident wave. circularly, and in the case of parabolic reflectarrays it serves to separate two left and right circularly polarized incident waves into two different beams after reflection. This spacing of circularly polarized beams at a single frequency has been achieved with a flat low profile reflectarray (less than 2 mm thick) in [R. Florencio et al., "Flat reflectarray that generates adjacent beams by discriminating in dual circular polarization”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 67, pp. 3733-3742, June 2019]. In this case, a formed cell is used by two orthogonal arrays of three parallel dipoles printed on two stacked dielectric layers to first design a reflectarray capable of focusing left and right circularly polarized beams in the same direction using the Variation Cell Size (TVTC) technique. TRV is applied to the surface of the reflectarray to modify the pointing direction of the right-hand circularly polarized beam in one direction, and that of the left-hand circularly polarized beam in the opposite direction.
Si bien los trabajos mencionados en los dos párrafos anteriores han supuesto avances en el diseño de antenas reflectarray para aplicaciones de satélite que trabajan con polarización circular, para conseguir reducir a dos el conjunto de antenas multihaz de un satélite de banda Ka y polarización circular, hacen falta reflectarrays que no sólo sean capaces de separar los haces de polarización circular a derechas y a izquierdas, sino que también generen haces de alta directividad, colimados o conformados, y lo hagan en las dos bandas de TX y RX. Un primer paso, planteado como "prueba de concepto” en el estado de la técnica, se da en [D. Martínez-de-Rioja et al., "Dual-band reflectarray to generate two spaced beams in orthogonal circular polarization by variable rotation technique”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 68, pp. 4617-4626, June 2020], donde se propone un reflectarray plano en el que las celdas desfasadoras están compuestas por un anillo partido que rodea a dos conjuntos ortogonales de tres dipolos paralelos en dos capas dieléctricas superpuestas. Mientras que el anillo partido se utiliza para ajustar la fase en TX, los dipolos y los anillos se utilizan simultáneamente para ajustar la fase en RX. La separación de haces se consigue mediante la TRV. Las rotaciones de anillos y dipolos se llevan a cabo en sentidos contrarios, lo cual permite que la dirección de apuntamiento del haz con polarización circular a derechas en TX coincida con la del haz con polarización circular a izquierdas en RX y viceversa. Este comportamiento es un requisito que se exige en las antenas embarcadas en satélites para minimizar interferencias. La presencia de los dipolos ortogonales es clave a la hora de mejorar las prestaciones de la celda en RX. Gracias al hecho de que los dipolos utilizados pueden tener diferentes longitudes, se lleva a cabo una optimización de las dimensiones de los dipolos a la frecuencia central y a las frecuencias extremas de la banda de RX que permite reducir la polarización cruzada en esta banda en casi 10 dB. El principal problema del reflectarray plano mencionado, basado en anillos partidos y dipolos ortogonales, es que, aunque permite la separación de haces de polarización circular en dos bandas, no permite colimar dichos haces ya que el elemento utilizado en la celda desfasadora no tiene grados de libertad suficientes para conformar el haz en las bandas de operación. Por este motivo, dicho reflectarray sólo puede replicar el diagrama de radiación de la antena de bocina utilizada como alimentador, consiguiendo una ganancia comprendida entre 20 y 25 dBi, que es claramente insuficiente para aplicaciones de antenas embarcadas en satélites, donde se llegan a requerir ganancias superiores a 45 dBi.Although the works mentioned in the two previous paragraphs have led to advances in the design of reflectarray antennas for satellite applications that work with circular polarization, in order to reduce the set of multibeam antennas of a Ka band satellite and circular polarization to two, they make There is a lack of reflectarrays that are not only capable of separating the circular polarization beams to the right and to the left, but also generate highly directivity beams, collimated or shaped, and do so in both TX and RX bands. A first step, proposed as a "proof of concept" in the state of the art, is given in [D. Martínez-de-Rioja et al., "Dual-band reflectarray to generate two spaced beams in orthogonal circular polarization by variable rotation technique”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 68, p. 4617-4626, June 2020], where a flat reflectarray is proposed in which the phase-shifting cells are composed of a split ring surrounding two orthogonal sets of three parallel dipoles in two superimposed dielectric layers. While the split ring is used to phase TX, the dipoles and rings are used simultaneously to phase RX. Beam separation is achieved by TRV. The rotations of rings and dipoles are carried out in opposite directions, which allows the pointing direction of the beam with clockwise circular polarization in TX to coincide with that of the beam with circular polarization to the left in RX and vice versa. This behavior is a requirement for antennas on board satellites to minimize interference. The presence of orthogonal dipoles is key when it comes to improving the performance of the cell in RX. Thanks to the fact that the dipoles used can have different lengths, an optimization of the dimensions of the dipoles is carried out at the central frequency and at the extreme frequencies of the RX band, which allows to reduce the cross-polarization in this band by almost 10 dB. The main problem with the aforementioned flat reflectarray, based on split rings and orthogonal dipoles, is that, although it allows the separation of circularly polarized beams into two bands, it does not allow collimating said beams since the element used in the phase shifter cell does not have degrees of sufficient freedom to shape the beam in the operating bands. For this reason, said reflectarray can only replicate the radiation diagram of the horn antenna used as a feeder, achieving a gain of between 20 and 25 dBi, which is clearly insufficient for satellite-borne antenna applications, where gains are required. greater than 45 dBi.
Para conseguir simultáneamente, tanto la separación de haces de polarización circular en dos bandas diferentes como la colimación de dichos haces, se ha recurrido a la solución del reflectarray parabólico. En [M. Zhou et al., "Doubly curved reflectarray for dual-band multiple spot beam communication satellites”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 68, pp.To simultaneously achieve both the separation of circularly polarized beams into two different bands and the collimation of said beams, the parabolic reflectarray solution has been used. In [M. Zhou et al., "Doubly curved reflectarray for dual-band multiple spot beam communication satellites”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 68, pp.
2087-2096, March 2020] se utiliza un reflectarray sobre reflector parabólico para separar los haces de polarización circular en TX y RX. Mientras que las celdas desfasadoras del reflectarray se encargan de separar los dos haces, el reflector se encarga de colimarlos. Como elementos de doble banda se usan parches conductores rectangulares rodeados por anillos hexagonales partidos, de forma que los anillos hexagonales se utilizan para controlar la fase en TX, y los parches rectangulares, en RX. La separación de haces se lleva a cabo mediante la TRV, y si bien el ajuste de la fase en TX sólo depende de la rotación de los anillos hexagonales, el ajuste de la fase en RX requiere trabajar conjuntamente con los ángulos de rotación de los parches rectangulares y los anillos ya que el acoplamiento mutuo entre parches y anillos es importante en esa banda. Los haces emitidos por el reflectarray diseñado tienen ganancias en torno a los 40 dBi, lo cual demuestra la capacidad de colimación aportada por la superficie parabólica. En [D. Martínez-de-Rioja et al., "Transmit-receive parabolic reflectarray to generate two beams per feed for multispot satellite antennas in Ka-band”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 69, pp. 2673-2685, May 2021] se utiliza un enfoque similar, haciendo uso de un reflectarray sobre reflector parabólico para separar los haces de polarización circular en TX y RX. En este caso las celdas desfasadoras del reflectarray, basadas en un anillo partido con dos conjuntos ortogonales de tres dipolos paralelos, están tomadas del artículo anteriormente mencionado sobre reflectarray plano con separación de haces a dos bandas [D. Martínez-de-Rioja et al., "Dual-band reflectarray to generate two spaced beams in orthogonal circular polarization by variable rotation technique”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 68, pp. 4617-4626, June 2020]. De nuevo, la presencia de la superficie parabólica permite colimar los haces y conseguir ganancias superiores a 40 dBi. Una novedad importante introducida en el reflectarray parabólico basado en anillos partidos y dipolos es que en su diseño se aplica la técnica de corrección en fase selectiva que se describe en [J. A. Encinar Garcinuño, J. D. Martínez de Rioja del Nido, E. M. Martínez de Rioja del Nido, R. Florencio Díaz y R. Rodríguez Boix, "Antena reflectora con corrección de fase multi-frecuencia para aplicaciones espaciales y método de diseño de la misma”, patente española ES 2791798 B2, Marzo 2021] a una porción de las celdas situadas en una corona circular junto al borde del reflectarray en la banda de RX (esta técnica consiste en modificar en 180 grados la fase objetivo del campo reflejado en la banda de RX a una porción elegida aleatoriamente de las celdas situados en la citada corona circular), sin hacer modificaciones al diseño en la banda de TX. La técnica de corrección selectiva de fase permite igualar las ganancias y los anchos de haz en TX y en RX (en condiciones normales, la ganancia de cada haz en TX es inferior que en RX, y el ancho de haz en TX superior al de RX, debido a que la antena tiene un tamaño eléctrico mayor en RX que en TX por ser la frecuencia también mayor), lo cual posibilita que los niveles de potencia en las zonas de cobertura sean iguales para el radioenlace descendente y el radioenlace ascendente.2087-2096, March 2020] a reflectarray on parabolic reflector is used to separate circularly polarized beams into TX and RX. While the phase shifter cells of the reflectarray are in charge of separating the two beams, the reflector is in charge of collimating them. Rectangular conductive patches surrounded by split hexagonal rings are used as double-band elements, so that the hexagonal rings are used to control the phase in TX, and the rectangular patches in RX. Beam splitting is accomplished by TRV, and while TX phasing only depends on the rotation of the hex rings, RX phasing requires working in conjunction with the head rotation angles. rectangular and the rings since the mutual coupling between patches and rings is important in that band. The beams emitted by the designed reflectarray have gains of around 40 dBi, which demonstrates the collimation capacity provided by the parabolic surface. In [D. Martínez-de-Rioja et al., "Transmit-receive parabolic reflectarray to generate two beams per feed for multispot satellite antennas in Ka-band”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 69, pp. 2673-2685, May 2021] a similar approach is used, making use of a reflectarray on a parabolic reflector to separate the circularly polarized beams into TX and RX, in this case the phase-shifting cells of the reflectarray, based on a split ring with two orthogonal sets of three parallel dipoles. , are taken from the previously mentioned article on plane reflectarray with separation of do two bands [D. Martínez-de-Rioja et al., "Dual-band reflectarray to generate two spaced beams in orthogonal circular polarization by variable rotation technique”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 68, pp. 4617-4626, June 2020] Again, the presence of the parabolic surface makes it possible to collimate the beams and achieve gains greater than 40 dBi.An important novelty introduced in the parabolic reflectarray based on split rings and dipoles is that the selective phase correction technique is applied in its design. which is described in [JA Encinar Garcinuño, JD Martínez de Rioja del Nido, EM Martínez de Rioja del Nido, R. Florencio Díaz and R. Rodríguez Boix, "Multi-frequency phase corrected reflector antenna for space applications and design method de la misma”, Spanish patent ES 2791798 B2, March 2021] to a portion of the cells located in a circular crown next to the edge of the reflectarray in the RX band (this technique consists of modifying the objective phase by 180 degrees). tive of the reflected field in the RX band to a randomly chosen portion of the cells located in the aforementioned circular crown), without making modifications to the design in the TX band. The selective phase correction technique allows equalizing the gains and beamwidths in TX and RX (under normal conditions, the gain of each beam in TX is less than in RX, and the beamwidth in TX is greater than that of RX , due to the fact that the antenna has a larger electrical size in RX than in TX because the frequency is also greater), which makes it possible for the power levels in the coverage areas to be the same for the downlink and the uplink radio.
A pesar de su buena respuesta, los dos reflectarrays sobre reflectores parabólicos con capacidad para separar haces de polarización circular en dos bandas de frecuencia (TX y RX) que se han descrito en el párrafo anterior tienen el problema de que son voluminosos y complejos de fabricar. En consecuencia, el problema técnico objetivo que se presenta es proveer una antena reflectarray capaz de separar haces de polarización circular en dos bandas de frecuencia, en especial para acceso a internet de banda ancha por satélite, con una menor complejidad de diseño, un menor coste, un menor peso y un menor volumen.Despite their good response, the two reflectarrays on parabolic reflectors with the ability to separate circularly polarized beams into two frequency bands (TX and RX) that have been described in the previous paragraph have the problem that they are bulky and complex to manufacture. . Consequently, the objective technical problem that is presented is to provide a reflectarray antenna capable of separating circularly polarized beams in two frequency bands, especially for broadband internet access via satellite, with less design complexity, lower cost , less weight and less volume.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención sirve para solucionar el problema mencionado anteriormente, mediante la provisión de una antena reflectarray plana con una agrupación de celdas correctoras de fase (celdas desfasadoras o celdas de reflectarray), en la que cada celda contiene dos conjuntos superpuestos de cuatro anillos conductores partidos, concéntricos entre sí. Los conjuntos de cuatro anillos partidos están impresos sobre las caras de una o varias capas de dieléctrico, y las capas de dieléctrico están apiladas para formar el sustrato multicapa de la antena, limitado inferiormente por un plano conductor. La antena trabaja en (al menos) dos bandas de frecuencia y es capaz de generar dos haces diferentes en cada banda, uno con polarización circular a derechas y otro con polarización circular a izquierdas.The present invention serves to solve the problem mentioned above, by providing a planar reflectarray antenna with an array of phase-correcting cells (phase-shifting cells or reflectarray cells), in which each cell contains two superimposed sets of four split conductor rings. , concentric with each other. Arrays of four split rings are printed onto the faces of one or more dielectric layers, and the dielectric layers are stacked to form the multilayer antenna substrate, limited inferiorly by a conducting plane. The antenna works in (at least) two frequency bands and is capable of generating two different beams in each band, one circularly polarized to the right and one circularly polarized to the left.
La presente invención tiene aplicación en antenas pensadas para generar coberturas multicelulares desde satélites o plataformas de gran altitud, permitiendo reducir el número total de antenas necesario para generar toda la cobertura, tanto en transmisión como en recepción. Más concretamente, su aplicación principal es en antenas embarcadas en satélites que deben transmitir y recibir señales en diferentes bandas de frecuencia en redes de comunicación heterogéneas para 5G y 6G, lo que incluye: satélites de órbita terrestre baja o LEO (del inglés "Low Earth Orbit”) y satélites de órbita geosteacionaria o GEO (del inglés "Geosynchronous Equatorial Orbit”), plataformas de gran altitud HAPS ("High Altitude Pseudo-Satellites” en inglés), redes terrestres y redes de comunicaciones de banda ancha no terrestres (NTN, siglas de "Non-Terrestrial Networks” en inglés) en 5G y 6G.The present invention is applicable to antennas designed to generate multicellular coverage from satellites or high-altitude platforms, making it possible to reduce the total number of antennas necessary to generate all coverage, both in transmission and reception. More specifically, its main application is in satellite-borne antennas that must transmit and receive signals in different frequency bands in heterogeneous communication networks for 5G and 6G, including: Low Earth Orbit (LEO) satellites Orbit”) and Geosynchronous Equatorial Orbit (GEO) satellites, High Altitude Pseudo-Satellites (HAPS) platforms, terrestrial networks and non-terrestrial broadband communications networks (NTN). , acronym for "Non-Terrestrial Networks” in English) in 5G and 6G.
En una primera etapa de diseño de la antena que aquí se describe, las dimensiones de los anillos partidos de mayor radio se ajustan para colimar el haz radiado o recibido en una única dirección en la banda de frecuencias más baja (todo ello sin discriminar el sentido de la polarización circular). A continuación, las dimensiones de los anillos partidos de menor radio se ajustan para conseguir el mismo comportamiento en la banda de frecuencias más alta. En una segunda etapa de diseño, los anillos partidos se giran para separar los haces radiados en polarización circular a derechas y a izquierdas en direcciones de apuntamiento distintas, tanto a las frecuencias más bajas como a las más altas.In a first design stage of the antenna described here, the dimensions of the split rings with the largest radius are adjusted to collimate the radiated or received beam in a single direction in the lowest frequency band (all without discriminating the direction of the antenna). circular polarization). Next, the dimensions of the smaller radius split rings are adjusted to achieve the same behavior in the higher frequency band. In a second design stage, the split rings are rotated to separate left and right circularly polarized radiated beams into different pointing directions, at both lower and higher frequencies.
La antena reflectarray plana que se presenta se puede generalizar a más de dos bandas de frecuencia, permitiendo utilizar una misma antena para varias misiones espaciales, en las cuales se generen haces contorneados en unas determinadas bandas de frecuencia y haces múltiples en otras bandas. Por tanto, el tipo de antena reflectarray que se presenta tiene una clara aplicación en la industria espacial como alternativa de coste reducido, ligera y poco voluminosa a los reflectores parabólicos y de rejilla, o a los reflectores de superficie conformada para generación de haces contorneados, permitiendo reducir los costes del sistema de antenas en satélites de comunicaciones, con especial interés en los satélites de coste reducido, como los denominados SmallGEO y LEO, y permitiendo reducir el número total de antenas necesario para generar toda la cobertura, tanto en transmisión como en recepción.The flat reflectarray antenna presented can be generalized to more than two frequency bands, allowing the use of the same antenna for several space missions, in which contoured beams are generated in certain frequency bands and multiple beams in other bands. Therefore, the type of reflectarray antenna presented here has a clear application in the space industry as a low-cost, lightweight and compact alternative to parabolic and grating reflectors, or shaped surface reflectors for contoured beam generation, allowing reduce the costs of the antenna system in communications satellites, with special interest in low-cost satellites, such as those called SmallGEO and LEO, and allowing the total number of antennas necessary to generate all coverage, both in transmission and reception, to be reduced .
Un aspecto de la invención se refiere a una antena reflectarray plana multibanda que comprende los siguientes componentes: One aspect of the invention refers to a multiband flat reflectarray antenna comprising the following components:
- un alimentador para generar ondas (haces) con una polarización circular a derechas y a izquierdas, a cada onda correspondiéndole un campo eléctrico complejo con una componente de campo eléctrico en un primer eje de coordenadas y una componente de campo eléctrico en un segundo eje ortogonal al primer eje de coordenadas;- a feeder to generate waves (beams) with a circular polarization to the right and to the left, each wave corresponding to a complex electric field with an electric field component in a first coordinate axis and an electric field component in a second axis orthogonal to the first coordinate axis;
- una agrupación de celdas reflectarray (celdas desfasadoras) dispuestas sobre una retícula (plana) que refleja las ondas generadas por el alimentador, donde cada celda comprende un plano (de masa) conductor y múltiples capas dieléctricas superpuestas sobre el plano conductor;- a group of reflectarray cells (phase shifter cells) arranged on a (flat) grid that reflects the waves generated by the feeder, where each cell comprises a conductive (ground) plane and multiple superimposed dielectric layers on the conductive plane;
en cada celda desfasadora, la antena reflectarray además comprende dos conjuntos superpuestos de cuatro anillos conductores concéntricos partidos en dos arcos, teniendo en total dieciséis arcos, donde un primer conjunto de cuatro anillos conductores partidos en dos arcos está impreso sobre una cara (de las dos caras) de una de las capas dieléctricas, denominada primera capa o capa superior, y donde un segundo conjunto de cuatro anillos conductores partidos en dos arcos está impreso sobre (la) otra cara de la misma capa mencionada anteriormente, capa superior, o sobre una de las dos caras de otra capa distinta, segunda capa o capa inferior, de la pluralidad de capas dieléctricas; y del total de dieciséis arcos en cada celda desfasadora:In each phase shifter cell, the reflectarray antenna also comprises two superimposed sets of four concentric conductor rings divided into two arcs, having a total of sixteen arcs, where a first set of four conductive rings divided into two arcs is printed on one side (of the two faces) of one of the dielectric layers, called the first layer or upper layer, and where a second set of four conducting rings divided into two arcs is printed on (the) other face of the same layer mentioned above, upper layer, or on a of the two faces of another different layer, second layer or lower layer, of the plurality of dielectric layers; and of the total of sixteen arcs in each phase shifter cell:
- ocho arcos de los anillos (más) externos (los de mayor radio), que pertenecen a cuatro anillos que son los dos anillos partidos de mayor radio de los dos conjuntos de anillos, tienen unas longitudes para ajustar en fase las ondas del alimentador que se reflejan en cada celda desfasadora manteniendo el sentido de la polarización circular después de la reflexión a la frecuencia central de una primera banda de funcionamiento de la antena reflectarray, denominada frecuencia inferior, estando:- eight arcs of the (most) outer rings (those with the largest radius), which belong to four rings that are the two split rings with the largest radius of the two sets of rings, have lengths to adjust in phase the feeder waves that They are reflected in each phase-shifting cell maintaining the sense of circular polarization after reflection at the central frequency of a first operating band of the reflectarray antenna, called the lower frequency, where:
• cuatro arcos externos orientados en una primera dirección según el primer eje de coordenadas, ajustados para controlar un desfase de la componente del campo eléctrico reflejado según el primer eje, y• four outer arcs oriented in a first direction along the first coordinate axis, adjusted to control an offset of the component of the reflected electric field along the first axis, and
• cuatro arcos orientados en una segunda dirección, según el segundo eje de coordenadas, ajustados para controlar un desfase de la componente del campo eléctrico reflejado según el segundo eje, existiendo una diferencia de 180 grados entre los desfases de las dos componentes del campo eléctrico reflejado para mantener el sentido de la polarización circular a la frecuencia inferior;• four arcs oriented in a second direction, along the second coordinate axis, adjusted to control an offset of the reflected electric field component along the second axis, there being a difference of 180 degrees between the offsets of the two reflected electric field components to maintain the sense of circular polarization at the lower frequency;
- ocho arcos de los anillos (más) internos (los de menor radio), que pertenecen a cuatro anillos que son los dos anillos partidos de menor radio de los dos conjuntos de anillos, tienen unas longitudes para ajustar en fase las ondas del alimentador que se reflejan en cada celda desfasadora manteniendo el sentido de la polarización circular después de la reflexión a la frecuencia central de una segunda banda de funcionamiento de la antena reflectarray, denominada frecuencia superior, estando:- eight arcs of the (most) inner rings (those with the smallest radius), which belong to four rings that are the two split rings with the smallest radius of the two sets of rings, have lengths to adjust in phase the feeder waves that they are reflected in each phase shifter cell maintaining the sense of circular polarization after reflection at the central frequency of a second band of operation of the antenna reflectarray, called higher frequency, being:
• cuatro arcos internos orientados en una primera dirección, según el primer eje de coordenadas, ajustados para controlar un desfase de la componente del campo eléctrico reflejado según el primer eje, y• four internal arcs oriented in a first direction along the first coordinate axis, adjusted to control an offset of the component of the reflected electric field along the first axis, and
• cuatro arcos orientados en una segunda dirección, según el segundo eje de coordenadas, ajustados para controlar un desfase de la componente del campo eléctrico reflejado según el segundo eje, manteniendo una diferencia de 180 grados entre los desfases de las dos componentes del campo eléctrico reflejado para mantener el sentido de la polarización circular a la frecuencia superior; y a la frecuencia inferior, los ocho arcos de los anillos más externos son rotados solidariamente, aplicando la técnica de rotación variable para desviar las ondas de polarización circular a derechas e izquierdas un (primer) ángulo prefijado en direcciones opuestas con respecto a la dirección de las ondas reflejadas antes de rotar los ocho arcos de los anillos externos; y a la frecuencia superior, los ocho arcos de los anillos más internos son rotados solidariamente, aplicando la técnica de rotación variable para desviar las ondas de polarización circular a derechas e izquierdas un (segundo) ángulo prefijado en direcciones opuestas con respecto a la dirección de las ondas reflejadas antes de rotar los ocho arcos de los anillos externos.• four arcs oriented in a second direction, along the second coordinate axis, adjusted to control an offset of the reflected electric field component along the second axis, maintaining a 180 degree difference between the offsets of the two reflected electric field components to maintain the sense of circular polarization at the higher frequency; and at the lower frequency, the eight arcs of the outermost rings are rotated jointly, applying the variable rotation technique to divert the circular polarization waves to the right and left a (first) predetermined angle in opposite directions with respect to the direction of the waves. reflected waves before rotating the eight arcs of the outer rings; and at the higher frequency, the eight arcs of the innermost rings are rotated jointly, applying the technique of variable rotation to divert the circular polarization waves to the right and left by a preset (second) angle in opposite directions with respect to the direction of the waves. reflected waves before rotating the eight arcs of the outer rings.
Otro aspecto de la invención se refiere a un método de diseño de antenas para obtener la antena reflectarray descrita anteriormente con separación de haces de polarización circular en al menos dos bandas de frecuencia (el método es aplicable tanto para haces colimados como para haces contorneados y funciona para dos bandas de frecuencia siendo generalizable para más de dos bandas de frecuencia). El método comprende los siguientes pasos:Another aspect of the invention refers to an antenna design method to obtain the reflectarray antenna described above with circularly polarized beam spacing in at least two frequency bands (the method is applicable for both collimated and contoured beams and works for two frequency bands, being generalizable for more than two frequency bands). The method comprises the following steps:
a) definir la antena reflectarray en forma y dimensiones, en un sistema de coordenadas (X, Y, Z), la antena reflectarray formada con una agrupación de celdas desfasadoras en una retícula plana periódica de período prefijado y un alimentador configurado para radiar en las, al menos dos, bandas de frecuencia, ondas polarizadas circularmente a derechas y a izquierdas que inciden en las celdas desfasadoras, comprendiendo cada celda desfasadora:a) define the reflectarray antenna in shape and dimensions, in a coordinate system (X, Y, Z), the reflectarray antenna formed with a group of phase-shifting cells in a periodic planar grid of fixed period and a feeder configured to radiate in the , at least two, frequency bands, circularly polarized waves to the right and to the left that impinge on the phase-shifting cells, each phase-shifting cell comprising:
- un plano conductor,- a driving plane,
- una pluralidad de capas dieléctricas,- a plurality of dielectric layers,
- un primer conjunto superior de cuatro anillos conductores partidos concéntricos impreso sobre una de las caras de una capa de la pluralidad de capas dieléctricas, estando cada uno de los anillos partido en dos arcos iguales, formando ocho arcos del primer conjunto;- a first upper set of four concentric split conductor rings printed on one of the faces of a layer of the plurality of dielectric layers, each of the rings split into two equal arcs, forming eight arcs of the first set;
- un segundo conjunto inferior de cuatro anillos conductores partidos concéntricos impreso sobre la cara opuesta a la cara de la capa dieléctrica sobre la que está- a second lower set of four concentric split conductor rings printed on the face opposite to the face of the dielectric layer on which it is
impreso el primer conjunto, o sobre una cara de una capa diferente a la de la capa dieléctrica sobre la que está impreso el primer conjunto de entre la pluralidad de capas dieléctricas;printed the first set, or on a face of a different layer than the dielectric layer on which the first set of the plurality of dielectric layers is printed;
b) definir unas direcciones de apuntamiento de los haces de polarización circular a separarb) define some pointing directions of the circular polarization beams to be separated
en una primera banda de funcionamiento y una segunda banda de funcionamiento, yin a first operating band and a second operating band, and
definir una frecuencia central de la primera banda de funcionamiento y una frecuenciadefine a central frequency of the first operating band and a frequency
central de la segunda banda de funcionamiento;center of the second operating band;
c) a la frecuencia central de la primera banda de funcionamiento y a la frecuencia central dec) at the center frequency of the first operating band and at the center frequency of
la segunda banda de funcionamiento, determinar una distribución de unos valores dethe second operating band, determine a distribution of some values of
desfase para ondas incidentes con polarización lineal en un primer eje (X) y polarizaciónphase shift for incident waves with linear polarization on a first axis (X) and polarization
lineal en un segundo eje (Y) para colimar o contornear los haces de polarización circularlinear on a second axis (Y) to collimate or contour circularly polarized beams
en una dirección intermedia a las direcciones de apuntamiento de cada uno de los hacesin an intermediate direction to the aiming directions of each of the beams
a separar, donde la distribución de desfases para la polarización lineal en el primer ejeto be separated, where the distribution of phase shifts for the linear polarization on the first axis
(X) difiere en 180 grados de la distribución de desfases para la polarización lineal en un(X) differs by 180 degrees from the lag distribution for linear polarization in a
segundo eje (Y), para colimar o contornear las ondas polarizadas circularmente a derechas e izquierdas que inciden sobre las celdas desfasadoras de la antena reflectarray manteniendo el sentido de la polarización circular después de ser reflejadassecond axis (Y), to collimate or contour the circularly polarized waves to the right and left that impinge on the phase-shifting cells of the reflectarray antenna, maintaining the direction of circular polarization after being reflected
por las celdas desfasadoras;by the phase-shifting cells;
d) a la frecuencia central de la primera banda de funcionamiento, ajustar unas longitudes ded) at the central frequency of the first operating band, adjust some lengths of
unos arcos externos, donde los arcos externos son los arcos de mayor radio de los dos conjuntos de anillos partidos, ajustando las longitudes de un primer subconjunto de cuatrosome outer arcs, where the outer arcs are the arcs of greater radius of the two sets of split rings, adjusting the lengths of a first subset of four
arcos externos de anillos partidos orientados en la dirección del primer eje (X), siendo elexternal arcs of split rings oriented in the direction of the first axis (X), being the
desfase introducido por la celda desfasadora igual al calculado en el paso c) para el casooffset introduced by the offset cell equal to that calculated in step c) for the case
de polarización lineal en el primer eje (X), y ajustando las longitudes de un segundo subconjunto de cuatro arcos externos en la dirección del segundo eje (Y) siendo e desfase introducido por la celda desfasadora igual al calculado en el paso c) para el casoof linear polarization in the first axis (X), and adjusting the lengths of a second subset of four external arcs in the direction of the second axis (Y) where the phase shift introduced by the phase shifter cell is equal to that calculated in step c) for the case
de polarización lineal en el segundo eje (Y);linear polarization on the second axis (Y);
e) a la frecuencia central de la segunda banda de funcionamiento, ajustar unas longitudese) at the central frequency of the second operating band, adjust some lengths
de unos arcos internos, donde los arcos internos son los arcos de menor radio de los dos conjuntos de anillos partidos, ajustando las longitudes de un primer subconjunto de cuatroof some internal arcs, where the internal arcs are the arcs of smaller radius of the two sets of split rings, adjusting the lengths of a first subset of four
arcos internos de anillos partidos orientados en la dirección del primer eje (X), siendo elinternal arcs of split rings oriented in the direction of the first axis (X), being the
desfase introducido por la celda desfasadora igual al calculado en el paso c) para el casooffset introduced by the offset cell equal to that calculated in step c) for the case
de polarización lineal en el primer eje, y ajustando las longitudes de un segundo subconjunto de cuatro arcos internos en la dirección del segundo eje (Y) siendo e desfase introducido por la celda desfasadora igual al calculado en el paso c) para el caso of linear polarization on the first axis, and adjusting the lengths of a second subset of four internal arcs in the direction of the second axis (Y) where the phase shift introduced by the phase shifter cell is equal to that calculated in step c) for the case
de polarización lineal en el segundo eje (Y);linear polarization on the second axis (Y);
f) comprobar si la diferencia, para cada celda desfasadora, entre los valores de desfase determinados en el paso c) y los desfases introducidos por la celda desfasadora para las polarizaciones lineales en el primer eje (X) y segundo eje (Y), a la frecuencia central de la primera banda de funcionamiento y a la frecuencia central de la segunda banda de funcionamiento, es menor de un primer umbral de referencia de error de fase;f) check if the difference, for each phase shifter cell, between the phase shift values determined in step c) and the phase shifts introduced by the phase shifter cell for the linear polarizations in the first axis (X) and second axis (Y), a the center frequency of the first operating band and the center frequency of the second operating band are less than a first phase error reference threshold;
g) si la diferencia comprobada en el paso f) resulta igual o mayor al primer umbral de referencia de error de fase, repetir el paso d) ajustando las longitudes del primer subconjunto y segundo subconjunto de los arcos externos mientras se mantienen fijas las longitudes del primer subconjunto y segundo subconjunto de los arcos internos, y repetir el paso e), ajustando las longitudes del primer subconjunto y segundo subconjunto de los arcos internos mientras se mantienen fijas las longitudes del primer subconjunto y segundo subconjunto de los arcos externos;g) if the difference checked in step f) is equal to or greater than the first phase error reference threshold, repeat step d) adjusting the lengths of the first subset and second subset of the external arcs while keeping the lengths of the external arcs fixed. first subset and second subset of the internal arcs, and repeating step e), adjusting the lengths of the first subset and second subset of the internal arcs while holding the lengths of the first subset and second subset of the external arcs fixed;
h) iterar los pasos f) y g) hasta que los desfases introducidos para las polarizaciones lineales en el primer eje (X) y segundo eje (Y) en cada celda desfasadora difieren de los valores de desfase determinados en el paso c) en menos del primer umbral de referencia de error de fase;h) iterate steps f) and g) until the offsets introduced for the linear polarizations in the first axis (X) and second axis (Y) in each phase shifter cell differ from the offset values determined in step c) by less than first phase error reference threshold;
i) a la frecuencia central de la primera banda de funcionamiento y a la frecuencia central de la segunda banda de funcionamiento, determinar unos valores de correcciones de desfase, en cada celda desfasadora, para ondas incidentes con polarización circular a derechas e izquierdas en la antena reflectarray obtenida según los pasos d) a h) para separar los haces colimados o contorneados en las direcciones de apuntamiento definidas en el paso b);i) at the central frequency of the first operating band and at the central frequency of the second operating band, determine values of offset corrections, in each phase-shifting cell, for incident waves with circular polarization to the right and left in the reflectarray antenna obtained according to steps d) to h) to separate the collimated or contoured beams in the pointing directions defined in step b);
j) ajustar los ángulos de rotación de los arcos externos para rotar solidariamente los arcos externos alrededor del centro de los anillos partidos, obteniendo unos arcos de los anillos externos rotados, el ángulo de rotación ajustado independientemente para cada celda desfasadora, siendo los valores de correcciones de desfase introducidos por los arcos de los anillos externos rotados en los desfases para polarizaciones circulares a derechas e izquierdas iguales a los que se han calculado en el paso i) de acuerdo con la técnica de rotación variable a la frecuencia central de la banda inferior;j) adjust the rotation angles of the external arcs to jointly rotate the external arcs around the center of the split rings, obtaining some rotated external ring arcs, the angle of rotation adjusted independently for each phase shifter cell, being the correction values of phase introduced by the arcs of the external rings rotated in the phases for circular polarizations to the right and to the left equal to those that have been calculated in step i) according to the variable rotation technique at the center frequency of the lower band;
k) ajustar los ángulos de rotación de los arcos internos para rotar solidariamente los arcos internos alrededor del centro de los anillos partidos, obteniendo unos arcos de los anillos internos rotados, el ángulo de rotación ajustado independientemente para cada celda desfasadora, siendo los valores de correcciones de desfase introducidos por los arcos de los anillos internos rotados en los desfases para polarizaciones circulares a derechas e izquierdas iguales a los que se han calculado en el paso i) de acuerdo con la técnica de rotación variable a la frecuencia central de la segunda banda de funcionamiento; l) ajustar las longitudes de los arcos externos rotados, en cada celda desfasadora, usando un primer sistema de coordenadas rotado (X’, Y’, Z’) un primer ángulo con respecto al sistema de coordenadas (X, Y, Z) del paso a), para mantener la diferencia de 180 grados entre los desfases para ondas incidentes con polarizaciones lineales a lo largo de un primer eje rotado (X’) y de un segundo eje rotado (Y’) del primer sistema de coordenadas rotado (X’, Y’, Z’), siendo los desfases para la polarización lineal en el primer eje rotado (X’) del primer sistema de coordenadas rotado (X’, Y’, Z’) igual a los desfases para la polarización lineal en el primer eje (X) definidos en el paso c), a la frecuencia central de la de la primera banda de funcionamiento;k) adjust the rotation angles of the internal arcs to jointly rotate the internal arcs around the center of the split rings, obtaining some rotated internal ring arcs, the angle of rotation adjusted independently for each phase shifter cell, being the correction values offset introduced by the arcs of the internal rings rotated in the offsets for circular polarizations to the right and left equal to those calculated in step i) according to the technique of variable rotation to the central frequency of the second band of operation; l) adjust the lengths of the rotated external arcs, in each phase shifter cell, using a first rotated coordinate system (X', Y', Z') a first angle with respect to the coordinate system (X, Y, Z) of the step a), to maintain the difference of 180 degrees between the phase shifts for incident waves with linear polarizations along a first rotated axis (X') and a second rotated axis (Y') of the first rotated coordinate system (X ', Y', Z'), where the offsets for linear polarization on the first rotated axis (X') of the first rotated coordinate system (X', Y', Z') are equal to the offsets for linear polarization on the first axis (X) defined in step c), at the center frequency of the first operating band;
m) ajustar las longitudes de los arcos internos rotados, en cada celda desfasadora, usando un segundo sistema de coordenadas rotado (X’’, Y’’, Z’’) un segundo ángulo con respecto al sistema de coordenadas (X, Y, Z) del paso a), para mantener la diferencia de 180 grados entre los desfases para ondas incidentes con polarizaciones lineales a lo largo de un primer eje rotado (X”) y de un segundo eje rotado (Y”) del segundo sistema de coordenadas rotado (X’’, Y’’, Z’’), siendo los desfases para la polarización lineal en el primer eje rotado (X”) del segundo sistema de coordenadas rotado (X’’, Y’’, Z’’) igual a los desfases para la polarización lineal en el primer eje (X) definidos en el paso c), a la frecuencia central de la de la segunda banda de funcionamiento;m) adjust the lengths of the rotated internal arcs, in each phase shifter cell, using a second rotated coordinate system (X'', Y'', Z'') a second angle with respect to the coordinate system (X, Y, Z) from step a), to maintain the difference of 180 degrees between the phase shifts for incident waves with linear polarizations along a first rotated axis (X”) and a second rotated axis (Y”) of the second coordinate system rotated (X'', Y'', Z''), being the offsets for the linear polarization on the first rotated axis (X”) of the second rotated coordinate system (X'', Y'', Z'') equal to the offsets for the linear polarization in the first axis (X) defined in step c), at the center frequency of the second operating band;
n) comprobar si, para cada celda desfasadora, la diferencia entre los valores de desfase para ondas incidentes con polarizaciones lineales a lo largo del primer eje rotado (X’) y del segundo eje rotado (Y’) del primer sistema de coordenadas rotado (X’, Y’, Z’) y los desfases para la polarización lineal en el primer eje rotado (X’) del primer sistema de coordenadas rotado (X’, Y’, Z’), a la frecuencia central de la primera banda de funcionamiento, difieren de los valores determinados en los pasos l) y c) en menos de un segundo umbral de referencia de error de fase, y si la diferencia entre los valores de desfase para ondas incidentes con polarizaciones lineales a lo largo del primer eje rotado (X”) y del segundo eje rotado (Y”) del segundo sistema de coordenadas rotado (X’’, Y’’, Z’’) y los desfases para la polarización lineal en el primer eje rotado (X”) del segundo sistema de coordenadas rotado (X’’, Y’’, Z’’), a la frecuencia central de la segunda banda de funcionamiento, difieren de los valores determinados en los pasos m) y c) en menos del segundo umbral de referencia de error de fase;n) check if, for each phase shifter cell, the difference between the phase shift values for incident waves with linear polarizations along the first rotated axis (X') and the second rotated axis (Y') of the first rotated coordinate system ( X', Y', Z') and the offsets for the linear polarization on the first rotated axis (X') of the first rotated coordinate system (X', Y', Z'), at the center frequency of the first band of operation, differ from the values determined in steps l) and c) by less than one second phase error reference threshold, and if the difference between the phase-shift values for incident waves with linear polarizations along the first rotated axis (X”) and of the second rotated axis (Y”) of the second rotated coordinate system (X'', Y'', Z'') and the offsets for linear polarization on the first rotated axis (X”) of the second rotated coordinate system (X'', Y'', Z''), at the center frequency of the second operating band, differ from the values determined in steps m) and c) at less than the second phase error reference threshold;
o) si las diferencias comprobadas en el paso n) resultan iguales o mayores al segundo umbral de referencia de error de fase, repetir el paso l) ajustando a la frecuencia central de la primera banda de funcionamiento las longitudes de los ocho arcos externos rotados mientras se mantienen constantes las longitudes de los ocho arcos internos rotados, y repetir el paso n) ajustando a la frecuencia central de la segunda banda de funcionamiento las longitudes de los ocho arcos internos rotados mientras se mantienen constantes las longitudes de los ocho arcos externos rotados;o) if the differences verified in step n) are equal to or greater than the second phase error reference threshold, repeat step l) adjusting to the central frequency of the first operating band the lengths of the eight external arcs rotated while the lengths of the eight rotated internal arcs are held constant, and repeating step n) adjusting the lengths of the eight rotated internal arcs to the center frequency of the second operating band while keeping the lengths of the eight rotated external arcs constant;
p) iterar los pasos n) y o) hasta que los desfases introducidos en cada celda desfasadora para las polarizaciones en el primer eje rotado (X’) y segundo eje rotado (Y’) del primer sistema de coordenadas rotado (X’, Y’, Z’) a la frecuencia central de la primera banda de funcionamiento, y los desfases para las polarizaciones en el primer eje rotado (X”) y segundo eje rotado (Y”) del segundo sistema de coordenadas rotado (X’’, Y’’, Z’’) a la frecuencia central de la segunda banda de funcionamiento, difieren de los valores de desfase determinados en los pasos l) y m) en menos del segundo umbral de referencia de error de fase;p) iterate steps n) and o) until the offsets introduced in each offset cell for the polarizations in the first rotated axis (X') and second rotated axis (Y') of the first rotated coordinate system (X', Y' , Z') at the center frequency of the first operating band, and the offsets for the polarizations in the first rotated axis (X”) and second rotated axis (Y”) of the second rotated coordinate system (X'', Y '', Z'') at the center frequency of the second operating band, differ from the offset values determined in steps l) and m) by less than the second phase error reference threshold;
q) generar máscaras de fotograbado para cada uno de los dos niveles de metalización de la antena reflectarray a partir de las longitudes ajustadas para los arcos y los ángulos de rotación ajustados para cada anillo partido en cada celda desfasadora.q) generating gravure masks for each of the two metallization levels of the reflectarray antenna from the adjusted lengths for the arcs and the adjusted angles of rotation for each split ring in each phase-shifter cell.
Las ventajas de la presente invención frente al estado de la técnica anterior son fundamentalmente:The advantages of the present invention compared to the prior state of the art are fundamentally:
- A diferencia de lo que ocurre con el reflectarray descrito en el artículo anteriormente mencionado [D. Martínez de Rioja et al., "Dual-band reflectarray to generate two spaced beams in orthogonal circular polarization by variable rotation technique”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, June 2020], la presente invención provee un reflectarray plano que permite la separación de haces ortogonales de polarización circular en dos bandas, y que además permite colimar o conformar los haces sin la necesidad de recurrir a un voluminoso reflector parabólico. Esto es así porque las celdas desfasadoras utilizadas, basadas en anillos partidos concéntricos en dos niveles de metalización, sí proporcionan grados de libertad suficientes para operar en dos bandas, para separar los haces de polarización circular en esas dos bandas, y además, para colimar o conformar los haces. El reflectarray plano de la invención es un reflectarray convencional de bajo perfil (espesor en torno a dos milímetros), y es mucho más sencillo de fabricar que los reflectarrays sobre reflectores parabólicos al no necesitar sustratos dieléctricos flexibles que deban acomodarse sobre una superficie parabólica y al no necesitar moldes parabólicos. De hecho, únicamente requiere una superficie plana de alta precisión (como molde), sobre la que se fabrica el reflectarray unido a un sándwich estructural plano, que asegura la rigidez necesaria y cumple con las especificaciones mecánicas y termoelásticas para una antena de uso espacial. - Unlike what happens with the reflectarray described in the previously mentioned article [D. Martínez de Rioja et al., "Dual-band reflectarray to generate two spaced beams in orthogonal circular polarization by variable rotation technique”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, June 2020], the present invention provides a flat reflectarray that allows separation orthogonal beams with circular polarization in two bands, and which also allows collimating or shaping the beams without the need to resort to a bulky parabolic reflector.This is so because the phase-shifting cells used, based on concentric split rings at two metallization levels, they do provide sufficient degrees of freedom to operate in two bands, to separate the circularly polarized beams into those two bands, and furthermore, to collimate or shape the beams.The flat reflectarray of the invention is a conventional low profile reflectarray (thickness in around two millimeters), and it is much easier to manufacture than reflectarrays on parabolic reflectors as it does not need s flexible dielectric substrates that must be accommodated on a parabolic surface and do not need parabolic molds. In fact, it only requires a high-precision flat surface (such as a mold), on which the reflectarray is manufactured, attached to a flat structural sandwich, which ensures the necessary rigidity and meets the mechanical and thermoelastic specifications for an antenna for space use.
- La invención constituye una alternativa interesante a los reflectores parabólicos que se suelen utilizar convencionalmente para acceso a internet de banda ancha por satélite, ya que la antena reflectarray plana que se propone es aplicable como antena multihaz para generar coberturas celulares en estos escenarios, pero a menor coste, con menor peso y menor volumen ya que el reflectarray plano propuesto posee un espesor de sólo unos pocos milímetros. Además, la antena propuesta permite conseguir separación de haces de polarización circular ortogonal en dos bandas de frecuencia por cada alimentador, lo cual posibilita reducir el número de antenas que necesita el satélite en esa configuración de cuatro reflectores parabólicos a dos reflectarrays planos.- The invention constitutes an interesting alternative to the parabolic reflectors that are conventionally used for satellite broadband internet access, since the proposed flat reflectarray antenna is applicable as a multibeam antenna to generate cellular coverage in these scenarios, but at lower cost, with less weight and less volume since the proposed flat reflectarray has a thickness of only a few millimeters. Furthermore, the proposed antenna makes it possible to achieve separation of orthogonal circular polarized beams in two frequency bands for each feeder, which makes it possible to reduce the number of antennas needed by the satellite in this configuration from four parabolic reflectors to two flat reflectarrays.
Éstas y otras ventajas pueden derivarse a la luz de la descripción de la invención que detalladamente se presenta a continuación.These and other advantages can be derived in light of the detailed description of the invention that follows.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción un juego de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of its practical embodiment, a set of drawings is attached as an integral part of said description. where, with an illustrative and non-limiting nature, the following has been represented:
Figura 1. Muestra un esquema de cobertura desde un satélite geoestacionario con antenas multihaz que generan cuatro colores, utilizando dos sub-bandas de frecuencia distintas en transmisión y recepción, y dos polarizaciones distintas para cada frecuencia.Figure 1. Shows a coverage scheme from a geostationary satellite with multibeam antennas that generate four colors, using two different frequency sub-bands in transmission and reception, and two different polarizations for each frequency.
Figura 2. Muestra en perspectiva una antena reflectarray plana cuyas celdas desfasadoras contienen ocho anillos partidos en dos niveles de metalización para generar dos haces de polarizaciones circulares ortogonales en dos bandas de frecuencia, según una realización preferida de la invención.Figure 2. Shows in perspective a flat reflectarray antenna whose phase shifter cells contain eight split rings at two levels of metallization to generate two orthogonal circular polarization beams in two frequency bands, according to a preferred embodiment of the invention.
Figura 3. Muestra en perspectiva desglosada una celda de la antena reflectarray plana para separación de haces de polarización circular a dos frecuencias, compuesta por dos conjuntos apilados de cuatro anillos conductores partidos que se imprimen sobre dos capas dieléctricas y encontrándose la capa inferior sobre un plano de masa conductor, todo ello según una realización preferida de la invención.Figure 3. Disaggregated perspective view of a cell of the flat reflectarray antenna for the separation of circularly polarized beams at two frequencies, made up of two stacked sets of four split conductor rings that are printed on two dielectric layers and the lower layer being on a plane ground conductor, all according to a preferred embodiment of the invention.
Figura 4A.- Muestra una vista en planta de los conjuntos de cuatro anillos conductores partidos impresos en la capa superior de una celda de la antena reflectarray, antes de que los anillos impresos sean rotados para conseguir la separación de los dos haces ortogonales de polarización circular.Figure 4A.- Shows a plan view of the sets of four split conductor rings printed on the top layer of a reflectarray antenna cell, before the printed rings are rotated to achieve the separation of the two circularly polarized orthogonal beams.
Figura 4B.- Muestra una vista en planta de los conjuntos de cuatro anillos conductores partidos impresos en la capa inferior de una celda de la antena reflectarray, antes de que los anillos impresos sean rotados para conseguir la separación de los dos haces ortogonales de polarización circular.Figure 4B.- Shows a plan view of the sets of four split conductor rings printed in the lower layer of a reflectarray antenna cell, before the printed rings are rotated to achieve the separation of the two circularly polarized orthogonal beams .
Figura 5A.- Muestra una gráfica con valores de la fase del coeficiente de reflexión a la frecuencia de transmisión de una celda reflectarray en entorno periódico para ondas con polarización lineal X bajo incidencia normal.Figure 5A.- Shows a graph with values of the phase of the reflection coefficient at the transmission frequency of a reflectarray cell in a periodic environment for waves with linear polarization X under normal incidence.
Figura 5B.- Muestra una gráfica con valores de fase del coeficiente de reflexión a la frecuencia de transmisión de una celda reflectarray en entorno periódico para ondas con polarización lineal Y bajo incidencia normal.Figure 5B.- Shows a graph with phase values of the reflection coefficient at the transmission frequency of a reflectarray cell in a periodic environment for waves with linear polarization and under normal incidence.
Figura 6A.- Muestra una gráfica con valores de fase del coeficiente de reflexión a la frecuencia de recepción de una celda reflectarray en entorno periódico para ondas con polarización lineal X bajo incidencia normal.Figure 6A.- Shows a graph with phase values of the reflection coefficient at the reception frequency of a reflectarray cell in a periodic environment for waves with linear polarization X under normal incidence.
Figura 6B.- Muestra una gráfica con valores de fase del coeficiente de reflexión a la frecuencia de recepción de una celda reflectarray en entorno periódico para ondas con polarización lineal Y bajo incidencia normal.Figure 6B.- Shows a graph with phase values of the reflection coefficient at the reception frequency of a reflectarray cell in a periodic environment for waves with linear polarization and under normal incidence.
Figura 7A.- Muestra una gráfica con la diferencia entre las fases de los coeficientes de reflexión a la frecuencia de transmisión para ondas con polarizaciones lineales X e Y, junto con los lugares geométricos de los puntos de coordenadas (VXi, 'Vlyo) para los que esa diferencia de fase vale ±180 grados.Figure 7A.- Shows a graph with the difference between the phases of the reflection coefficients at the transmission frequency for waves with linear polarizations X and Y, together with the loci of the coordinate points ( VXi, 'Vlyo) for the that this phase difference is worth ±180 degrees.
Figura 7B.- Muestra una curva de fase del coeficiente de reflexión para polarización lineal X a la frecuencia de transmisión cuando se recorren los lugares geométricos mostrados en la Figura 7A.Figure 7B.- Shows a phase curve of the reflection coefficient for linear polarization X at the transmission frequency when traversing the loci shown in Figure 7A.
Figura 8A.- Muestra una gráfica con la diferencia entre las fases de los coeficientes de reflexión a la frecuencia de recepción para ondas con polarizaciones lineales X e Y, junto con los lugares geométricos de los puntos de coordenadas (^A , ^ V ) para los que esa diferencia de fase vale ±180 grados.Figure 8A.- Shows a graph with the difference between the phases of the reflection coefficients at the reception frequency for waves with linear polarizations X and Y, together with the places geometry of the coordinate points (^A , ^ V ) for which this phase difference is worth ±180 degrees.
Figura 8B.- Muestra una curva de fase del coeficiente de reflexión para polarización lineal X a la frecuencia de recepción cuando se recorren los lugares geométricos mostrados en la Figura 8A.Figure 8B.- Shows a phase curve of the reflection coefficient for linear polarization X at the reception frequency when traversing the loci shown in Figure 8A.
Figura 9A.- Muestra una gráfica con valores de fase objetivo del coeficiente de reflexión de las celdas con los anillos impresos sin rotar de la antena reflectarray para polarización X a la frecuencia de transmisión. Las fases objetivo para polarización Y difieren de las de polarización X en ±180 grados.Figure 9A.- Shows a graph with objective phase values of the reflection coefficient of the cells with the printed rings without rotating the reflectarray antenna for X polarization at the transmission frequency. The target phases for bias Y differ from those for bias X by ±180 degrees.
Figura 9B.- Muestra una gráfica con valores de fase objetivo del coeficiente de reflexión de las celdas con los anillos impresos sin rotar de la antena reflectarray para polarización X a la frecuencia de recepción. Las fases objetivo para polarización Y difieren de las de polarización X en ±180 grados.Figure 9B.- Shows a graph with objective phase values of the reflection coefficient of the cells with the printed rings without rotating the reflectarray antenna for X polarization at the reception frequency. The target phases for bias Y differ from those for bias X by ±180 degrees.
Figura 10A.- Muestra una gráfica con la corrección de fases objetivo de los coeficientes de reflexión para polarización circular a derechas a aplicar a la frecuencia de transmisión para la antena reflectarray diseñada con celdas no rotadas.Figure 10A.- Shows a graph with the objective phase correction of the reflection coefficients for right-hand circular polarization to be applied to the transmission frequency for the reflectarray antenna designed with non-rotated cells.
Figura 10B.- Muestra una gráfica con la corrección de fases objetivo de los coeficientes de reflexión para polarización circular a derechas a aplicar a la frecuencia de recepción para la antena reflectarray diseñada con celdas no rotadas.Figure 10B.- Shows a graph with the objective phase correction of the reflection coefficients for right-hand circular polarization to be applied to the reception frequency for the reflectarray antenna designed with non-rotated cells.
Figura 11A.- Muestra una vista en planta de los conjuntos de cuatro anillos conductores partidos en la capa superior de una celda de la antena reflectarray después de ser rotados para conseguir la separación de haces ortogonales de polarización circular.Figure 11A.- Shows a plan view of the sets of four split conductor rings in the upper layer of a reflectarray antenna cell after being rotated to achieve the separation of circularly polarized orthogonal beams.
Figura 11B.- Muestra una vista en planta de los conjuntos de cuatro anillos conductores partidos en la capa inferior de una celda de la antena reflectarray después de ser rotados para conseguir la separación de haces ortogonales de polarización circular.Figure 11B.- Shows a plan view of the sets of four split conductor rings in the lower layer of a reflectarray antenna cell after being rotated to achieve the separation of circularly polarized orthogonal beams.
Figura 12A.- Muestra una gráfica con la variación de las fases de los coeficientes de reflexión a la frecuencia de transmisión para polarizaciones circulares a derechas de la celda de antena reflectarray bajo incidencia normal. Figure 12A.- Shows a graph with the phase variation of the reflection coefficients at the transmission frequency for circular polarizations to the right of the reflectarray antenna cell under normal incidence.
Figura 12B.- Muestra una gráfica con la variación de las fases de los coeficientes de reflexión a la frecuencia de transmisión para polarizaciones circulares a izquierdas de la celda de antena reflectarray bajo incidencia normal.Figure 12B.- Shows a graph with the phase variation of the reflection coefficients at the transmission frequency for circular polarizations to the left of the reflectarray antenna cell under normal incidence.
Figura 13A.- Muestra una gráfica con la variación de las fases de los coeficientes de reflexión a la frecuencia de recepción para polarizaciones circulares a derechas de la celda de antena reflectarray bajo incidencia normal.Figure 13A.- Shows a graph with the phase variation of the reflection coefficients at the reception frequency for circular polarizations to the right of the reflectarray antenna cell under normal incidence.
Figura 13B.- Muestra una gráfica con la variación de las fases de los coeficientes de reflexión a la frecuencia de recepción para polarizaciones circulares a izquierdas de la celda de antena reflectarray bajo incidencia normal.Figure 13B.- Shows a graph with the phase variation of the reflection coefficients at the reception frequency for circular polarizations to the left of the reflectarray antenna cell under normal incidence.
Figura 14A.- Muestra una representación esquemática de las máscaras del nivel de metalización situado entre las capas superior e inferior de la antena reflectarray mostrada en la Figura 2, según una realización preferida de la invención.Figure 14A.- Shows a schematic representation of the metalization level masks located between the upper and lower layers of the reflectarray antenna shown in Figure 2, according to a preferred embodiment of the invention.
Figura 14B.- Muestra una representación esquemática de las máscaras del nivel de metalización situado encima de la capa superior de la antena reflectarray mostrada en la Figura 2, según una realización preferida de la invención.Figure 14B.- Shows a schematic representation of the metalization level masks located on top of the upper layer of the reflectarray antenna shown in Figure 2, according to a preferred embodiment of the invention.
Figura 15A.- Muestra el diagrama de radiación en el plano de elevación de la antena reflectarray a la frecuencia de transmisión.Figure 15A.- Shows the radiation pattern in the elevation plane of the reflectarray antenna at the transmission frequency.
Figura 15B.- Muestra el diagrama de radiación en el plano de elevación de la antena reflectarray a la frecuencia de recepción.Figure 15B.- Shows the radiation diagram in the elevation plane of the reflectarray antenna at the reception frequency.
Figura 16. Muestra un diagrama de flujo del método de diseño de antenas reflectarray con capacidad para separar haces de polarización circular ortogonales en dos bandas de frecuencia, según una realización preferida de la invención.Figure 16. Shows a flow diagram of the reflectarray antenna design method with the capacity to separate orthogonal circular polarization beams in two frequency bands, according to a preferred embodiment of the invention.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
Seguidamente se proporciona, con ayuda de las figuras anteriormente descritas, una explicación detallada de un ejemplo de realización preferente del objeto de la presente invención.A detailed explanation of a preferred embodiment of the object of the present invention is provided below, with the help of the figures described above.
Lo que se presenta fundamentalmente es una antena tipo reflectarray plana capaz de separar haces de polarización circular a derechas y a izquierdas en dos direcciones diferentes y en dos bandas de frecuencia distintas. Una posible aplicación de la invención es como antena multihaz para el envío y recepción de datos entre un satélite y estaciones de tierra; por ejemplo, para un satélite geoestacionario que genera una cobertura celular con reutilización de frecuencia y polarización. La antena puede estar construida con materiales y tecnologías de fabricación cualificadas para su uso en el espacio, como son telas de fibra de carbono pre impregnadas con resinas (materiales CFRP: “Carbon-Fibre-Reinforced Polymers” en inglés), a las que se añaden una o varias capas pre-impregnadas de fibras dieléctricas, como Kevlar o cuarzo y Kapton con metalizaciones impresas mediante fotograbado. Esta tecnología es conocida en los subreflectores dicroicos de varias misiones científicas, tales como Cassini, Voyager, Mars- Express, Venus-Express, Bepi Colombo, etc.What is basically presented is a flat reflectarray type antenna capable of separating left and right circularly polarized beams in two different directions and in two different frequency bands. A possible application of the invention is as a multibeam antenna for sending and receiving data between a satellite and ground stations; for example, for a geostationary satellite that generates cellular coverage with frequency and polarization reuse. The antenna can be built with materials and manufacturing technologies qualified for use in space, such as carbon fiber fabrics pre-impregnated with resins (CFRP materials: "Carbon-Fibre-Reinforced Polymers" in English), to which they add one or several pre-impregnated layers of dielectric fibers, such as Kevlar or quartz and Kapton with photo-etched printed metallizations. This technology is known in the dichroic subreflectors of several scientific missions, such as Cassini, Voyager, Mars-Express, Venus-Express, Bepi Colombo, etc.
La Figura 1 muestra esquemáticamente la cobertura desde un satélite geoestacionario con antenas multihaz que generan cuatro colores (A, B, C, D), utilizando dos sub-bandas de frecuencia distintas tanto en transmisión, TX, (F /X, F2TX) como en recepción, RX, (F1RX, F2RX), y utilizando también dos polarizaciones distintas, P1 y P2. Cada color se corresponde con una de esas dos polarizaciones, esto es, P1 o P2, y con una de las dos sub-bandas de frecuencias en TX y en RX, es decir, con F / X y F1RX, o con F2TX y F2RX. En el estado de la técnica anterior a la invención, en estos satélites se han venido utilizando cuatro reflectores parabólicos con múltiples alimentadores para generar la cobertura celular en una determinada región geográfica, estando esta cobertura compuesta por un elevado número de haces (entre 50 y 100). Cada reflector cubre el radioenlace descendente en TX (con frecuencia central en torno a 20 GHz) y el radio enlace ascendente en RX (con frecuencia central en torno a 30 GHz), y se encarga de generar una cuarta parte de los haces. Las bandas de frecuencia de TX y RX se dividen en dos sub-bandas, y cada reflector cubre una de las dos sub-bandas en TX y RX y una polarización de las dos ortogonales que existen (vertical u horizontal si se habla de polarización lineal; a derechas o izquierdas si se habla de polarización circular). De esta manera, se consiguen haces de cuatro características distintas, que son los también llamados colores (A, B, C, D), que se superponen como se muestra en la Figura 1 para generar la cobertura sin que se produzcan solapamientos entre colores iguales en una misma región (solapamientos que dan lugar a interferencias). Es deseable disponer de antenas reflectoras capaces de generar dos colores en TX y RX ya que eso permite reducir a dos el número de antenas embarcadas en el satélite, con la consiguiente reducción en peso y volumen. Una manera de hacerlo es diseñar antenas capaces de separar haces en dos polarizaciones ortogonales a dos frecuencias; esto es, capaces de generar los colores A y C, o los colores B y D, en el ejemplo de la Figura 1. Esto ya se ha conseguido con reflectarrays planos en el caso de haces de polarización lineal, y con reflectarrays parabólicos en el caso de haces de polarización circular, pero el reflectarray plano que se propone para conseguir la separación de haces de polarización circular en TX y RX va un paso más allá, como se detalla a continuación.Figure 1 schematically shows the coverage from a geostationary satellite with multibeam antennas that generate four colors (A, B, C, D), using two different frequency sub-bands both in transmission, TX, (F /X, F 2 TX ) as in reception, RX, (F 1 RX, F 2 RX), and also using two different polarizations, P 1 and P 2 . Each color corresponds to one of these two polarizations, that is, P 1 or P 2 , and to one of the two sub-bands of frequencies in TX and RX, that is, with F / X and F 1 RX, or with F 2 TX and F 2 RX. In the state of the art prior to the invention, four parabolic reflectors with multiple feeders have been used in these satellites to generate cell coverage in a certain geographical region, this coverage being made up of a high number of beams (between 50 and 100 ). Each reflector covers the downlink radio in TX (with center frequency around 20 GHz) and the radio uplink in RX (with center frequency around 30 GHz), and is responsible for generating a quarter of the beams. The TX and RX frequency bands are divided into two sub-bands, and each reflector covers one of the two TX and RX sub-bands and one of the two orthogonal polarizations that exist (vertical or horizontal if we speak of linear polarization ; to the right or to the left if we are talking about circular polarization). In this way, beams of four different characteristics are obtained, which are also called colors (A, B, C, D), which are superimposed as shown in Figure 1 to generate coverage without overlapping between the same colors. in the same region (overlapping leading to interference). It is desirable to have reflector antennas capable of generating two colors in TX and RX since this allows the number of antennas on board the satellite to be reduced to two, with the consequent reduction in weight and volume. One way to do this is to design antennas capable of splitting beams into two orthogonal polarizations at two frequencies; that is, capable of generating colors A and C, or colors B and D, in the example of Figure 1. This has already been achieved with planar reflectarrays in the case of linearly polarized beams, and with parabolic reflectarrays in the case of circularly polarized beams, but the flat reflectarray that is proposed to achieve the separation of circularly polarized beams in TX and RX goes one step further, as detailed below.
En la Figura 2 se muestra una implementación preferida de la invención, consistente en una antena reflectarray (100) plana en la que el plano que limita superiormente la antena coincide con el plano X-Y de un sistema de coordenadas (X, Y, Z) con origen en el centro del reflectarray (100). Éste está iluminado por un alimentador (13) primario, que genera ondas polarizadas circularmente a derechas y a izquierdas. Típicamente, el alimentador comprende una antena de bocina cónica o corrugada, precedida de un polarizador y de un transductor de ortomodos. El reflectarray está compuesto por una agrupación plana de celdas desfasadoras (12), también denominadas celdas reflectarray, que son las que se encargan de colimar y separar las ondas polarizadas circularmente a derechas y a izquierdas procedentes del alimentador (13). Las celdas desfasadoras están distribuidas sobre una retícula (11) periódica rectangular de período pxxPy. Figure 2 shows a preferred implementation of the invention, consisting of a flat reflectarray antenna (100) in which the plane that limits the antenna at the top coincides with the XY plane of a coordinate system (X, Y, Z) with origin at the center of the reflectarray (100). This is illuminated by a primary feeder (13), which generates circularly polarized waves to the right and to the left. Typically, the feeder comprises a conical or corrugated horn antenna, preceded by a polarizer and an orthomode transducer. The reflectarray is made up of a flat group of phase-shifting cells (12), also called reflectarray cells, which are responsible for collimating and separating the circularly polarized waves to the right and to the left coming from the feeder (13). The phase-shifting cells are distributed on a rectangular periodic lattice (11) with period pxxPy.
En una realización preferida de la invención, el sustrato soporte del reflectarray (100) está compuesto por dos capas dieléctricas (15, 16), una primera capa o capa dieléctrica inferior (15) y una segunda capa o capa dieléctrica superior (16), apiladas sobre un plano conductor (14), también denominado plano de masa, como indica la Figura 2. En cada capa de las al menos dos capas dieléctricas (15, 16) se distinguen dos caras, una cara de arriba y otra de abajo.In a preferred embodiment of the invention, the support substrate of the reflectarray (100) is made up of two dielectric layers (15, 16), a first layer or lower dielectric layer (15) and a second layer or upper dielectric layer (16), stacked on a conductive plane (14), also called a ground plane, as indicated in Figure 2. In each layer of the at least two dielectric layers (15, 16) two faces can be distinguished, one on the top and one on the bottom.
Cada celda desfasadora consta de dos conjuntos coplanares superpuestos de cuatro anillos conductores concéntricos, que están partidos en dos mitades iguales, lo cual da un total de 16 arcos (21,22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36), tal y como se muestra en la Figura 3, donde se ilustra:Each phase shifter cell consists of two overlapping coplanar sets of four concentric conducting rings, which are split into two equal halves, giving a total of 16 arcs (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36), as shown in Figure 3, where it is illustrated:
- un primer conjunto de cuatro anillos conductores concéntricos partidos en dos arcos e impresos sobre una de las caras de una de las capas dieléctricas, que en el ejemplo es la capa superior (16); y- a first set of four concentric conductive rings divided into two arcs and printed on one of the faces of one of the dielectric layers, which in the example is the upper layer (16); Y
- un segundo conjunto de cuatro anillos conductores concéntricos partidos en dos arcos e impresos sobre: o bien la otra cara de la misma capa dieléctrica, esto es, la capa superior (16); o bien sobre una de las caras de otra de las capas dieléctricas, que en un ejemplo de reflectarray (100) de dos capas (15, 16), sería la capa inferior (15).- a second set of four concentric conducting rings divided into two arcs and printed on: either the other face of the same dielectric layer, that is, the upper layer (16); or on one of the faces of another of the dielectric layers, which in an example of a reflectarray (100) with two layers (15, 16), would be the lower layer (15).
En una realización preferida de la invención, los arcos conductores del conjunto de anillos superior están impresos sobre la cara de arriba de la capa dieléctrica superior (16), y los arcos del conjunto de anillos inferior están impresos sobre la cara de abajo de la citada capa dieléctrica superior (16). La capa dieléctrica inferior (15) hace de separador entre la capa dieléctrica superior (16) metalizada por las dos caras -de arriba y abajo- y el plano conductor (14). Como variante, se pueden imprimir los arcos conductores sobe la cara de arriba de la capa dieléctrica inferior (15) en lugar de hacerlo sobre la cara de abajo de la capa dieléctrica superior (16). Asimismo, el sustrato multicapa puede contener una tercera capa de pegamento entre las dos capas dieléctricas (15, 16), o una cuarta capa situada por encima de la capa dieléctrica superior (16) que actúa como radomo para proteger el reflectarray (100). Finalmente, el separador entre la capa dieléctrica superior (16) y el plano conductor (14), en lugar de ser un dieléctrico sólido, puede ser un material con forma de panal de abejas ("honeycomb”, en inglés) cualificado para el espacio, para reducir la masa del reflectarray (100). Aparte de las capas indicadas previamente, que son las encargadas de proporcionar el desfase requerido en el campo electromagnético reflejado, la antena reflectarray (100) puede tener una serie de capas estructurales, necesarias para darle robustez mecánica. Las distintas capas, tanto si son soporte de metalizaciones desfasadoras como si son estructurales, pueden ir fijadas mediante pegamentos, resinas de bajas pérdidas o tornillos y arandelas de plástico distribuidos por toda la superficie del reflectarray (100) plano. In a preferred embodiment of the invention, the conductive arcs of the upper ring set are printed on the top face of the upper dielectric layer (16), and the arcs of the lower set of rings are printed on the underside of said upper dielectric layer (16). The lower dielectric layer (15) acts as a separator between the upper dielectric layer (16) metallized on both sides -top and bottom- and the conductive plane (14). As a variant, the conductive arcs can be printed on the upper face of the lower dielectric layer (15) instead of on the lower face of the upper dielectric layer (16). Likewise, the multilayer substrate can contain a third layer of glue between the two dielectric layers (15, 16), or a fourth layer located above the upper dielectric layer (16) that acts as a radome to protect the reflectarray (100). Finally, the separator between the upper dielectric layer (16) and the conductive plane (14), instead of being a solid dielectric, can be a space-qualified honeycomb material. , to reduce the mass of the reflectarray (100).Apart from the previously indicated layers, which are responsible for providing the required phase shift in the reflected electromagnetic field, the reflectarray antenna (100) can have a series of structural layers, necessary to give it mechanical robustness The different layers, whether they support phase-shifting metallizations or are structural, can be fixed by means of glues, low-loss resins or screws and plastic washers distributed over the entire surface of the flat reflectarray (100).
En una primera etapa de diseño del reflectarray (100), los anillos conductores partidos se disponen como muestran las Figuras 3, 4A y 4B. La Figura 3 muestra los arcos (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36) de una celda desfasadora (12) que resultan de los dos conjuntos apilados de cuatro anillos conductores partidos que componen la celda desfasadora (12) y que se imprimen sobre las dos capas dieléctricas inferior y superior (15, 16), encontrándose la capa dieléctrica inferior (15) sobre el plano conductor (14). Los cuatro anillos conductores partidos impresos sobre la cara de arriba la capa dieléctrica superior (16) y sobre la cara de abajo de dicha capa dieléctrica (16) (o bien, sobre la cara de arriba de la capa dieléctrica inferior (15)) se muestran respectivamente en las Figuras 4A y 4B. La configuración del reflectarray (100), en esta primera etapa de diseño, con los anillos impresos, pero aún no rotados, permite colimar los haces de polarización circular a derechas e izquierdas en la misma dirección sin separarlos.In a first stage of designing the reflectarray (100), the split conductor rings are arranged as shown in Figures 3, 4A and 4B. Figure 3 shows the arcs (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36) of a phase shifter cell (12) resulting from the two stacked sets of four split conductor rings that make up the phase shifter cell (12) and that are printed on the two lower and upper dielectric layers (15, 16), the lower dielectric layer (15) being on the conductive plane (14). The four split conductor rings printed on the upper face of the upper dielectric layer (16) and on the lower face of said dielectric layer (16) (or, on the upper face of the lower dielectric layer (15)) are shown respectively in Figures 4A and 4B. The configuration of the reflectarray (100), in this first design stage, with the rings printed, but not yet rotated, allows collimating the left and right circular polarization beams in the same direction without separating them.
Las Figuras 4A y 4B muestran los radios medios de los cuatro anillos concéntricos, Figures 4A and 4B show the mean radii of the four concentric rings, ru¡, ruo, r*¡ ruo, ruo, r*! y Y
r*o (ru< r uo<r*<r*o), siendo el radio medio la media aritmética entre el radio externo y el radio interno de cada anillo, y siendo la diferencia entre estos dos radios igual a la anchura común de todos los anillos w. Los citados radios medios (ru¡, ruo, r1 ¡ y rO) son iguales en los dos conjuntos de anillos. Cada anillo está partido en dos arcos de la misma longitud, teniendo también los intersticios entre esos dos arcos la misma longitud, con lo cual, todos los anillos partidos tienen un eje de simetría especular: r*o (ru< r uo<r*<r*o), the mean radius being the arithmetic mean between the external radius and the internal radius of each ring, and the difference between these two radii being equal to the common width of all rings w . The aforementioned mean radii (ru¡, ruo, r1¡ and r0 ) are the same in the two sets of rings. Each ring is divided into two arcs of the same length, having also the interstices between these two arcs have the same length, with which, all split rings have a mirror symmetry axis:
- En el conjunto de anillos superior (Figura 4A), los ejes de simetría especular del primer y tercer anillos más externos son paralelos a un primer eje, el eje X (según el sistema de coordenadas definido en la Figura 2), con lo cual, los arcos de estos anillos (21, 22, 29, 30) están preferentemente orientados a lo largo del eje X. Los ejes de simetría especular del segundo y cuarto anillos más externos son paralelos a un segundo eje, el eje Y, con lo cual, los arcos de estos anillos (25, 26, 33, 34) están preferentemente orientados a lo largo del eje Y.- In the set of upper rings (Figure 4A), the axes of mirror symmetry of the first and third outermost rings are parallel to a first axis, the X axis (according to the coordinate system defined in Figure 2), with which , the arcs of these rings (21, 22, 29, 30) are preferably oriented along the X axis. The axes of mirror symmetry of the second and fourth outermost rings are parallel to a second axis, the Y axis, thus which, the arcs of these rings (25, 26, 33, 34) are preferably oriented along the Y axis.
- La orientación de los arcos es justamente la contraria en el conjunto de anillos inferior (Figura 4B). Los ejes de simetría especular del primer y tercer anillos más externos son paralelos al eje Y sus arcos (27, 28, 35, 36) están preferentemente orientados a lo largo del eje Y, mientras que los ejes de simetría especular del segundo y cuarto anillos más externos son paralelos al eje X y sus arcos (23, 24, 31, 32) están preferentemente orientados a lo largo del eje X.- The orientation of the arches is exactly the opposite in the lower set of rings (Figure 4B). The axes of mirror symmetry of the first and third outermost rings are parallel to the Y axis, their arcs (27, 28, 35, 36) are preferably oriented along the Y axis, while the axes of mirror symmetry of the second and fourth rings The outermost ones are parallel to the X axis and their arcs (23, 24, 31, 32) are preferably oriented along the X axis.
Del conjunto de todos los arcos (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36), de los dos conjuntos de anillos, mostrados en las Figuras 3, 4A y 4B, se distinguen:From the set of all arcs (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36), of the two sets of rings, shown in the Figures 3, 4A and 4B, distinguish:
- Los arcos de los dos anillos más externos de los dos conjuntos de anillos (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28), que son los arcos que se encargan de ajustar la fase de las ondas que llegan a cada celda en la banda de frecuencias inferior.- The arcs of the two outermost rings of the two sets of rings (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28), which are the arcs that are in charge of adjusting the phase of the waves that arrive at each cell in the lower frequency band.
- Los arcos de los dos anillos más internos de los dos conjuntos de anillos (29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36), arcos que se encargan de ajustar la fase de las ondas que llegan a la celda en la banda de frecuencias superior.- The arcs of the two innermost rings of the two sets of rings (29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36), arcs that are responsible for adjusting the phase of the waves that arrive at the cell in the upper frequency band.
Y, más concretamente, en la banda de frecuencias inferior:And, more specifically, in the lower frequency band:
- Del conjunto de los arcos de los dos anillos más externos en los dos conjuntos de anillos (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28), los que están preferentemente orientados en el eje X (21, 22, 23, 24) se encargan de ajustar la fase de las ondas polarizadas linealmente que llegan a la celda con el campo eléctrico incidente preferentemente orientado en el plano X-Z (polarización lineal X).- Of the set of arcs of the two outermost rings in the two sets of rings (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28), which are preferably oriented on the X axis (21, 22, 23, 24) are in charge of adjusting the phase of the linearly polarized waves that arrive at the cell with the incident electric field preferably oriented in the X-Z plane (linear polarization X).
- Del conjunto de los arcos de los dos anillos más externos en los dos conjuntos de anillos (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28), los que están preferentemente orientados en el eje Y (25, 26, 27, 28) se encargan de ajustar la fase de las ondas polarizadas linealmente con el campo eléctrico incidente preferentemente orientado a lo largo del eje Y (polarización lineal Y). - Of the set of the arcs of the two outermost rings in the two sets of rings (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28), which are preferably oriented on the Y axis (25, 26, 27, 28) are responsible for adjusting the phase of linearly polarized waves with the incident electric field preferably oriented along the Y axis (linear Y polarization).
Análogamente, en la banda de frecuencias superior:Similarly, in the upper frequency band:
- Del conjunto de los arcos de los dos anillos más internos en los dos conjuntos de anillos (29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36), los que están preferentemente orientados en la dirección X (29, 30, 31, 32) se encargan de ajustar la fase de las ondas incidentes con polarización lineal X.- Of the set of arcs of the two innermost rings in the two sets of rings (29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36), those that are preferably oriented in the X direction (29, 30, 31, 32) are in charge of adjusting the phase of the incident waves with linear polarization X.
- Del conjunto de los arcos de los dos anillos más internos en los dos conjuntos de anillos (29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36), los que están preferentemente orientados en la dirección Y (33, 34, 35, 36) se encargan de ajustar la fase de las ondas incidentes con polarización lineal Y.- From the set of arcs of the two innermost rings in the two sets of rings (29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36), those that are preferably oriented in the Y direction (33, 34, 35, 36) are in charge of adjusting the phase of the incident waves with linear polarization Y.
Esto quiere decir que la celda desfasadora (12) dispone de cuatro arcos (dos en el conjunto de anillos de arriba y dos en el conjunto de anillos de abajo) para ajustar la fase de cada polarización lineal en cada frecuencia. Y además, como se trata de dos parejas de arcos apilados en dos niveles, existe un fuerte acoplamiento entre los arcos situados en distintos conjuntos de anillos y entre sus resonancias, lo cual garantiza un amplio rango de fase para la celda en las dos polarizaciones lineales y en las dos bandas de frecuencia.This means that the phase shifter cell (12) has four arcs (two in the upper set of rings and two in the lower set of rings) to adjust the phase of each linear polarization at each frequency. And also, as we are dealing with two pairs of arcs stacked on two levels, there is a strong coupling between the arcs located in different sets of rings and between their resonances, which guarantees a wide phase range for the cell in the two linear polarizations. and in both frequency bands.
Para cada celda desfasadora (12), la selección de los períodos a lo largo de los ejes X e Y (px , Py), la selección de los materiales de las capas dieléctricas y la selección de los espesores de las capas inferior (15) y superior (16) (hA, he), tal y como se representan en la Figura 3, se hace en función de las frecuencias centrales de las dos bandas de operación, TX (transmisión) y RX (recepción), de acuerdo con el estado anterior de la técnica. Para el caso considerado en esta implementación concreta, se supone que la frecuencia central de la banda de frecuencia inferior, banda de TX, es de 19.7 GHz y que la frecuencia central de la banda de frecuencia superior, banda de RX, es de 29.5 GHz. De acuerdo con estos valores de frecuencias centrales de las bandas, el material seleccionado para las dos capas dieléctricas ha sido RT Duroid 5880 con las siguientes características:For each phase shifter cell (12), the selection of the periods along the X and Y axes ( px , P y ), the selection of the materials of the dielectric layers and the selection of the thicknesses of the lower layers (15 ) and higher (16) (h A , h e ), as represented in Figure 3, is based on the central frequencies of the two operating bands, TX (transmission) and RX (reception), of according to the prior state of the art. For the case considered in this particular implementation, it is assumed that the center frequency of the lower frequency band, TX band, is 19.7 GHz and that the center frequency of the upper frequency band, RX band, is 29.5 GHz. According to these central frequency values of the bands, the material selected for the two dielectric layers has been RT Duroid 5880 with the following characteristics:
- Espesor de 0.787 mm; esto es, hA=he=0.787 mm en la Figura 3.- Thickness of 0.787 mm; that is, h A =h e =0.787 mm in Figure 3.
- Siendo £0 la permitividad eléctrica del vacío (cuyo valor es 8,8541878x10-12 F/m), la capa dieléctrica inferior (15) y la capa dieléctrica superior (16) tienen una permitividad eléctrica del mismo valor: £a= £b= 2.33£0.- Being £ 0 the electrical permittivity of the vacuum (whose value is 8.8541878x10-12 F/m), the lower dielectric layer (15) and the upper dielectric layer (16) have an electrical permittivity of the same value: £ a = £ b = 2.33£0.
- La tangente de pérdidas en las dos capas vale tan5=0.001.- The loss tangent in the two layers is tan5=0.001.
Además, se ha tomado el mismo período en las direcciones de los dos ejes X e Y px=py=6.5 mm, se ha tomado una anchura de los anillos w=0.2 mm, y para los radios medios de los anillos, se ha tomado r",=1.4 mm, r"o=1.8 mm, h =2.6 mm y r0=3 mm. Por lo que respecta a los ángulos subtendidos por los arcos (VXo, V 1X¡ , V y,, V yo, V u.o, VA, V uy¡, V uyo ) de los cuatro anillos concéntricos desde su centro, representados en las Figuras 4A y 4B, estos ocho ángulos se escalan para los arcos del conjunto de anillos internos (29, 30, 31,32, 33, 34, 35, 36), encargados de la banda superior (de RX, en el ejemplo), en función de los ángulos de los arcos del conjunto de anillos externos (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28), encargados de la banda inferior (de TX, en el ejemplo), de forma que se cumple que V Xo=VX/, V y,=0.95Vyo, V uxo=0.7Vux y V uy=1.125Vuyo. Este escalado no es vinculante, y se puede optimizar con vistas a aumentar el ancho de banda del reflectarray (100) en cada una de sus dos bandas de funcionamiento, TX y RX, o con vistas a reducir el nivel de polarización cruzada de la radiación emitida en cada una de las dos bandas. Una vez hecho el escalado, las cuatro variables independientes de ángulos V X/, V yo, V ux y V uyo que quedan son las que se utilizan para ajustar los desfases introducidos por cada celda desfasadora (12) en el diseño de la antena reflectarray (100).In addition, the same period has been taken in the directions of the two axes X and Y px=py=6.5 mm, a width of the rings w=0.2 mm has been taken, and for the mean radii of the rings, it has been taken r ", =1.4mm, r "o =1.8mm, h = 2.6mm and r0 =3mm. Regarding the angles subtended by the arcs (V Xo , V 1 X¡ , V y, , V yo , V uo , VA, V uy ¡, V uyo ) of the four concentric rings from their center, represented in Figures 4A and 4B, these eight angles are scaled for the arcs of the set of internal rings (29, 30, 31,32, 33, 34, 35, 36), in charge of the upper band (from RX, in the example), depending on the angles of the arcs of the set of external rings (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28), in charge of the lower band (of TX, in the example), so that V Xo =V X / , V y,= 0.95V i , V uxo =0.7V ux and V uy= 1.125V uyo . This scaling is not binding, and can be optimized with a view to increasing the bandwidth of the reflectarray (100) in each of its two operating bands, TX and RX, or with a view to reducing the level of radiation cross-polarization emitted in each of the two bands. Once the scaling is done, the four remaining independent angle variables V X/ , V yo , V ux and V uyo are used to adjust the offsets introduced by each phase shifter cell (12) in the design of the reflectarray antenna. (100).
A la hora de diseñar el reflectarray (100) plano, los desfases introducidos por cada celda desfasadora (12) para colimar el haz se calculan suponiendo que la celda se encuentra en un entorno periódico, lo cual se conoce como "hipótesis de periodicidad local”. Si bien la hipótesis de periodicidad local es una aproximación, su utilidad ha sido contrastada por el hecho de que las medidas de los diagramas de radiación de reflectarrays fabricados sobre la base de esa aproximación han demostrado una buena concordancia con las predicciones teóricas. Supongamos que sobre una celda de reflectarray situado en un entorno periódico incide una onda electromagnética a la que corresponde un vector campo eléctrico complejo f ¿ = Eixx Eíyy Eizz sobre la superficie del reflectarray (donde Eix , Ei¡y y Eiz son las componentes cartesianas del campo eléctrico complejo de la onda incidente; y donde x, y y z son tres vectores unitarios a lo largo de tres ejes X, Y y Z definidos en la celda de forma análoga a como se definen en la Figura 2), y supongamos que a la onda reflejada por la celda en entorno periódico le corresponde un campo eléctrico complejo Er = Erxx Eryy Erzz sobre la superficie del reflectarray (donde Er,x , Er,y y Erz son ahora las componentes cartesianas del campo eléctrico complejo de la onda reflejada). Se define la matriz de reflexión de la celda para polarización lineal, (Rpl), como una matriz 2x2 de números complejos, dada por la siguiente relación:When designing the flat reflectarray (100), the offsets introduced by each phase shifter cell (12) to collimate the beam are calculated assuming that the cell is in a periodic environment, which is known as the "local periodicity assumption". Although the local periodicity assumption is an approximation, its usefulness has been tested by the fact that measurements of reflectarray radiation patterns fabricated on the basis of that approximation have shown good agreement with theoretical predictions. An electromagnetic wave corresponding to a complex electric field vector f ¿ = Eixx Eíyy Eizz falls on a reflectarray cell located in a periodic environment (where Eix , Ei¡y and Eiz are the Cartesian components of the electric field complex of the incident wave; and where x, y, and z are three unit vectors along three axes X, Y, and Z defined in the cell analogously to as defined in Figure 2), and suppose that the wave reflected by the cell in a periodic environment corresponds to a complex electric field Er = Erxx Eryy Erzz on the surface of the reflectarray (where Er,x , Er,y and Erz are now the Cartesian components of the complex electric field of the reflected wave). The reflection matrix of the cell for linear polarization, (R pl ), is defined as a 2x2 matrix of complex numbers, given by the following relationship:
donde R.x es la razón entre Er,x y Eix cuando Et,y es nula; R.y es la razón entre Er,x y Et,y cuando Ei x es nula; Ry. es la razón entre Er,y y Ei x cuando Ei,y es nula; y finalmente, Ryy es la razón entre Er,y y Ei¡y cuando Eix es nula. Para celdas con bajo nivel de polarización cruzada como la que aparece en la Figura 3, se cumple que R xy -R yx O^, y que |Rxx|®\Ryy|®1, siendo las fases de R xx y R yy (a R xx y R yy se les conoce como coeficientes de reflexión para polarización lineal X y polarización lineal Y respectivamente), denotadas aquí como ¿ . R xx y ¿.R yy , las que determinan la conducta de la celda desfasadora (12) en el reflectarray (100). De hecho, ¿R xx es la que determina la contribución de la celda (12) al diagrama de radiación generado por el reflectarray (100) para una onda incidente con polarización lineal X (campo eléctrico preferentemente contenido en el plano X-Z), y ¿Ryy, la que determina la contribución de la celda desfasadora (12) al diagrama de radiación generado por una onda incidente con polarización Y (campo eléctrico preferentemente orientado en la dirección del eje Y).where Rx is the ratio between Er,x and Eix when Et,y is zero; Ry is the ratio between Er,x and Et,y when Ei x is zero; ry. is the ratio between Er,y and Ei x when Ei,y is zero; and finally, Ryy is the ratio between Er,y and Ei¡y when Eix is null. For cells with low level of polarization crossed as the one that appears in Figure 3, it is fulfilled that R xy -R yx O^, and that |R xx |®\R yy |®1, being the phases of R xx and R yy (a R xx and R yy are known as the reflection coefficients for linear polarization X and linear polarization Y respectively), denoted here as ¿ . R xx and ¿.R yy , which determine the behavior of the phase shifter cell (12) in the reflectarray (100). In fact, is R xx the one that determines the contribution of cell (12) to the radiation diagram generated by the reflectarray (100) for an incident wave with linear polarization X (electric field preferably contained in the XZ plane), and ¿ R yy , which determines the contribution of the phase shifter cell (12) to the radiation diagram generated by an incident wave with Y polarization (electric field preferably oriented in the direction of the Y axis).
Si consideramos ahora la celda desfasadora (12) de la Figura 3 en el caso concreto en que los materiales y las dimensiones se eligen como se ha mencionado anteriormente, los valores que se obtienen para las fases ¿ R xx y ¿ R yy a 19.7 GHz en función de ' V l X i y ^ y0 cuando ^ ux/=115o y ^V =100° son los que se muestran en las Figuras 5A y 5B respectivamente, y los valores que se obtienen para las fases ¿ R xx y ¿ R yy a 29.5 GHz en función de y cuando ^ lx/=105o y ' V ly o = 95 ° son los que se muestran en las Figuras 6A y 6B respectivamente.If we now consider the phase shifter cell (12) of Figure 3 in the specific case in which the materials and dimensions are chosen as mentioned above, the values obtained for the phases ¿ R xx y ¿ R yy at 19.7 GHz as a function of ' V l X i y ^ y0 when ^ ux/ =115o and ^V =100° are those shown in Figures 5A and 5B respectively, and the values obtained for the phases ¿ R xx y ¿ R yy to 29.5 GHz depending on and when ^ lx/ =105o and ' V ly o = 95 ° are those shown in Figures 6A and 6B respectively.
La Figura 5A muestra que el valor de la fase ¿ R xx a 19.7 GHz está controlado por la longitud de los cuatro arcos más externos de los dos conjuntos de anillos preferentemente orientados en la dirección X (21, 22, 23, 24), y que es prácticamente independientemente de la longitud de los cuatro arcos más externos de los dos conjuntos de anillos preferentemente orientados en la dirección Y (25, 26, 27, 28). Lo mismo se puede decir de la Figura 5B si intercambiamos Figure 5A shows that the value of the phase ¿ R xx at 19.7 GHz is controlled by the length of the four outermost arcs of the two sets of rings preferentially oriented in the X direction (21, 22, 23, 24), and which is practically independent of the length of the four outermost arcs of the two sets of rings preferably oriented in the Y direction (25, 26, 27, 28). The same can be said of Figure 5B if we exchange
¿ R xx por ¿Ryy, y si intercambiamos los arcos orientados en la dirección X por los arcos orientados en la dirección Y. ¿ R xx by ¿R yy , and if we exchange the arcs oriented in the X direction with the arcs oriented in the Y direction.
Análogamente, la Figura 6A muestra que el valor de la fase ¿ R xx a 29.5 GHz está controlado por la longitud de los cuatro arcos más internos de los dos conjuntos de anillos preferentemente orientados en la dirección X (29, 30, 31, 32), y que es prácticamente independientemente de la longitud de los cuatro arcos más internos de los dos conjuntos de anillos preferentemente orientados en la dirección Y (33, 34, 35, 36). De nuevo, la misma afirmación se mantiene para la Figura 6B si intercambiamos ¿ R xx por ¿Ryy, y si intercambiamos los arcos dirigidos en la dirección X por los arcos dirigidos en la dirección Y.Similarly, Figure 6A shows that the value of the phase ¿ R xx at 29.5 GHz is controlled by the length of the four innermost arcs of the two sets of rings preferentially oriented in the X direction (29, 30, 31, 32). , and that it is practically independent of the length of the four innermost arcs of the two sets of rings preferably oriented in the Y direction (33, 34, 35, 36). Again, the same statement holds for Figure 6B if we swap ¿ R xx for ¿R yy , and if we swap arcs directed in the X direction for arcs directed in the Y direction.
Por tanto, de los 16 arcos (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36) que tiene la celda desfasadora (12) en dos niveles de metalización, disponemos de cuatro arcos para controlar cada una de las dos polarizaciones lineales de las ondas incidentes (la X y la Y) en cada una de las dos bandas de frecuencia (la de TX y la de RX).Therefore, of the 16 arcs (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36) that the phase shifter cell (12) has in two metalization levels, we have four arcs to control each of the two linear polarizations of the incident waves (X and Y) in each of the two frequency bands (TX and RX).
Los mapas de fase mostrados en las Figuras 5 y 6 son suficientes para diseñar reflectarrays capaces de enfocar haces de polarización lineal X e Y en una misma dirección en dos bandas de frecuencia centradas en 19.7 GHz y en 29.5 GHz. Si además queremos que el reflectarray enfoque haces de polarización circular, hay que imponer la condición adicional ¿Rxx -¿ Ryy =±180o a fin de que la onda polarizada circularmente procedente del alimentador se refleje en el reflectarray manteniendo el sentido de la polarización circular (a derechas o a izquierdas).The phase maps shown in Figures 5 and 6 are sufficient to design reflectarrays capable of focusing X and Y linear polarization beams in the same direction in two frequency bands centered at 19.7 GHz and 29.5 GHz. If we also want the reflectarray to approaching circularly polarized beams, the additional condition ¿Rxx - Ryy =±180o must be imposed so that the circularly polarized wave coming from the feeder is reflected in the reflectarray maintaining the circular polarization direction (to the right or to the left).
En la Figura 7A se representa la diferencia de fases ¿Rxx -¿ Ryy en función de los ángulos 'Vlx/ y ^ y o a 19.7 GHz (la diferencia ¿Rxx -¿Ryy se obtiene a partir de los valores de las fases ¿Rxx y ¿Ryy representados en las Figuras 5A y 5B), y se muestran dos curvas que indican claramente las parejas de valores de ángulos ('Vlx¡, ^yo) que permiten satisfacer la condición ¿Rxx -¿Ryy =±180o. En la Figura 7B se representa la curva de fase para ¿Rxx que se describe al variar el ángulo 'Vlx/ entre 70 y 120 grados y recorrer las dos curvas indicadas en la Figura 7A. Los valores de ¿Ryy se pueden obtener sumando ±180o a los de ¿Rxx, de acuerdo con la Figura 7A. El rango de fase obtenido para ¿Rxx es de 543 grados, que es más que suficiente para diseñar un reflectarray (en este caso, de polarización circular). La curva de fase para ¿Rxx de la Figura 7B no tiene grandes cambios de pendiente, lo cual es debido al comportamiento multiresonante de los arcos exteriores apilados en dos niveles de metalización de la Figura 3 que están dirigidos preferentemente en la dirección X (21, 22, 23, 24). Este comportamiento suave de la curva de fase para ¿Rxx hace que la celda desfasadora (12) de la Fig. 3 sea una celda de banda ancha para ondas incidentes con polarización X. El mismo perfil suave se puede obtener también para ¿Ryy (que difiere de ¿Rxx en una constante), lo cual se debe en este caso al comportamiento multiresonante de los arcos exteriores apilados de la Fig. 3 dirigidos preferentemente en la dirección Y (25, 26, 27, 28), que hacen que la celda tenga una respuesta de banda ancha para ondas incidentes con polarización Y.Figure 7A represents the phase difference ¿Rxx -Ryy as a function of the angles 'Vlx/ y ^ yo at 19.7 GHz (the difference ¿Rxx -Ryy is obtained from the phase values ¿Rxx y ¿ Ryy represented in Figures 5A and 5B), and two curves are shown that clearly indicate the pairs of angle values ( 'Vlx¡, ^yo) that allow satisfying the condition ¿Rxx -Ryy =±180o. Figure 7B represents the phase curve for ¿Rxx that is described by varying the angle 'Vlx/ between 70 and 120 degrees and traversing the two curves indicated in Figure 7A. The values of ¿Ryy can be obtained by adding ±180o to those of ¿Rxx, according to Figure 7A. The phase range obtained for ¿Rxx is 543 degrees, which is more than enough to design a reflectarray (in this case, circularly polarized). The phase curve for ¿Rxx in Figure 7B does not have large slope changes, which is due to the multiresonant behavior of the stacked outer arcs at two metallization levels in Figure 3 that are preferentially directed in the X direction (21, 22, 23, 24). This smooth behavior of the phase curve for ¿Rxx makes the phase-shifter cell (12) of Fig. 3 a broadband cell for incident waves with X-polarization. The same smooth profile can also be obtained for ¿Ryy (which differs from ¿Rxx by a constant), which is due in this case to the multiresonant behavior of the stacked outer arcs of Fig. 3 directed preferentially in the Y direction (25, 26, 27, 28), which make the cell have a broadband response for incident waves with Y polarization.
Las observaciones realizadas para las Figuras 7A y 7B a 19.7 GHz son extensibles a las Figuras 8A y 8B a 29.5 GHz. En la Figura 8A se muestran de nuevo las dos curvas que deben recorrer las parejas de valores de ángulos (^%, ^ V ) para que se cumpla la condición ¿Rxx - ¿Ryy =±180o (en este caso ¿Rxx -¿Ryy se ha obtenido a partir de los valores de ¿Rxx y ¿Ryy representados en las Figuras 6A y 6B), y así poder enfocar el haz de polarización circular procedente del alimentador sin cambiar el sentido de la polarización circular, en este caso, a 29.5 GHz. La Figura 8B nos da la curva de fase para z. Rxx en función de de manera que se mantenga la condición zRxx -zRyy =±180o. Aunque la curva de fase sea ligeramente más abrupta que la de la Figura 7B, sigue observándose un comportamiento multiresonante que permite conseguir un rango de fase de 555 grados cuando varía entre 105 y 160 grados. A 29.5 GHz, el comportamiento multiresonante de zRxx se debe a los anillos apilados internos preferentemente orientados en dirección X de la Figura 3 (29, 30, 31,32), y el comportamiento multiresonante de zRyy, a los anillos apilados internos preferentemente orientados en la dirección Y (33, 34, 35, 36).The observations made for Figures 7A and 7B at 19.7 GHz can be extended to Figures 8A and 8B at 29.5 GHz. Figure 8A once again shows the two curves that the pairs of angle values (^%, ^ V ) so that the condition ¿Rxx - ¿Ryy =±180o is fulfilled (in this case ¿Rxx -Ryy has been obtained from the values of ¿Rxx and ¿Ryy represented in Figures 6A and 6B), and thus be able to focus the circularly polarized beam from the feeder without changing the direction of circular polarization, in this case, to 29.5 GHz. Figure 8B gives us the phase curve for z. Rxx as a function of so that the condition zRxx -zRyy =±180o is maintained. Although the phase curve is slightly steeper than that of Figure 7B, a multiresonant behavior is still observed that allows a phase range of 555 degrees to be achieved when varied between 105 and 160 degrees. At 29.5 GHz, the multiresonant behavior of zRxx is due to the preferentially oriented inner stacked rings in Figure 3 (29, 30, 31,32), and the multiresonant behavior of zR yy is due to the preferentially oriented inner stacked rings. in the Y direction (33, 34, 35, 36).
La celda desfasadora (12), que ha sido caracterizada en las Figuras 5 a 8, es utilizada para diseñar un reflectarray (100) que enfoca haces de polarización circular a derechas e izquierdas en la dirección dada por las coordenadas esféricas 0b=11.8o y Qb=0° relativas al sistema de coordenadas (X, Y, Z) de la Figura 2, tanto a 19.7 GHz como a 29.5 GHz. Se va a suponer que el reflectarray (100) es circular, y está compuesto por 1085 celdas distribuidas en una rejilla periódica de 37x37 celdas cuadradas en la que cada celda tiene un tamaño de 6.5*6.5 mm2. El reflectarray (100) está iluminado por una antena de bocina de sección circular, que radia un campo electromagnético con polarización circular doble, cuyo centro de fase está situado en el punto de coordenadas (X=-92 mm, Y=0 mm, Z=440.6 mm) con respecto al sistema de coordenadas mostrado en la Figura 2. La antena de bocina tiene dos puertos de entrada, uno para polarización circular a derechas, y otro para polarización circular a izquierdas. Los diagramas de radiación de las dos polarizaciones circulares ortogonales son idénticos, tienen simetría de revolución, y se modelan mediante una función cosq(0), siendo 0 el ángulo polar de un sistema de coordenadas esféricas con origen en el centro de fase de la bocina cuyo eje z va a lo largo del eje de revolución de la antena de bocina. Se cumple que q=20 a 19.7 GHz, y q=40 a 29.5 GHz. La Figura 9A muestra la distribución que debe tener la fase zRxx en las celdas (12) del reflectarray (100) a 19.7 GHz para conseguir colimar el haz en la dirección anteriormente indicada, y la Figura 9B muestra la distribución que debe tener la fase zRxx en las celdas (12) del reflectarray (100) a 29.5 GHz. Como el reflectarray (100) tiene que radiar haces polarizados circularmente, se va a cumplir que las fases objetivo para polarización Y difieren de las fases objetivo para polarización X en ±180o (esto es, zRyy =zRxx ±180o), con lo cual, las distribuciones de fases para zRyy se obtienen a partir de las de zRxx siguiendo esa relación. De cara al ajuste de las dimensiones de las celdas (12) para colimar el haz de polarización circular a las dos frecuencias, lo más cómodo es ajustar primero los ángulos subtendidos por los arcos externos (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28) a 19.7 GHz para conseguir la distribución de fases de la Figura 9A, suponiendo que no están presentes los arcos internos. Esto es así porque los arcos internos no afectan sustancialmente a los valores de las fases a la frecuencia inferior por tener unas longitudes muy inferiores a media longitud de onda a esa frecuencia (que sería la longitud resonante), con lo cual, su presencia a 19.7 GHz no es absolutamente necesaria. Una vez ajustadas las dimensiones de los arcos externos, se ajustan los ángulos subtendidos por los arcos internos (29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36) a 29.5 GHz para conseguir la distribución de fases de la Figura 9B, y este ajuste se lleva a cabo en presencia de los arcos externos con las dimensiones previamente obtenidas a 19.7 GHz. Hay que proceder así porque a 29.5 GHz los arcos externos están fuertemente acoplados a los arcos internos, y los valores de las fases z. Rxx y zRyy a esa frecuencia dependen fuertemente, tanto de las dimensiones de los arcos internos como de las dimensiones de los arcos externos. Cuando se ha acabado el ajuste grueso de las dimensiones de los arcos externos a 19.7 GHz y de los arcos internos a 29.5 GHz, es conveniente hacer un ajuste fino de las dimensiones de los arcos externos a 19.7 GHz en presencia de los arcos internos obtenidos en primera iteración a 29.5 GHz, y también, un ajuste fino de las dimensiones de los arcos internos a 29.5 GHz en presencia de los arcos externos obtenidos en segunda iteración a 19.7 GHz. Las simulaciones realizadas demuestran que el proceso de ajuste de las dimensiones de los arcos a 19.7 GHz y a 29.5 GHz converge después de esta segunda iteración.The phase shifter cell (12), which has been characterized in Figures 5 to 8, is used to design a reflectarray (100) that focuses circular polarization beams to the right and left in the direction given by the spherical coordinates 0 b =11.8oy Qb=0° relative to the coordinate system (X, Y, Z) of Figure 2, both at 19.7 GHz and 29.5 GHz. It is going to be assumed that the reflectarray (100) is circular, and is composed of 1085 cells distributed in a periodic grid of 37x37 square cells in which each cell has a size of 6.5*6.5 mm2. The reflectarray (100) is illuminated by a circular section horn antenna, which radiates an electromagnetic field with double circular polarization, whose phase center is located at the coordinate point (X=-92 mm, Y=0 mm, Z =440.6 mm) with respect to the coordinate system shown in Figure 2. The horn antenna has two input ports, one for right-hand circular polarization, and the other for left-hand circular polarization. The radiation patterns of the two orthogonal circular polarizations are identical, have symmetry of revolution, and are modeled by a function cosq(0), where 0 is the polar angle of a spherical coordinate system originating at the horn phase center. whose z -axis runs along the axis of revolution of the horn antenna. It is true that q=20 at 19.7 GHz, and q=40 at 29.5 GHz. Figure 9A shows the distribution that the zRxx phase must have in the cells (12) of the reflectarray (100) at 19.7 GHz in order to collimate the beam at the previously indicated direction, and Figure 9B shows the distribution that the zRxx phase must have in the cells (12) of the reflectarray (100) at 29.5 GHz. As the reflectarray (100) has to radiate circularly polarized beams, it will be true that the target phases for bias Y differ from the target phases for bias X by ±180o (ie, zRyy =zRxx ±180o), so the phase distributions for zRyy are obtained from those of zRxx following that relationship. In order to adjust the dimensions of the cells (12) to collimate the circular polarization beam at the two frequencies, it is most comfortable to first adjust the angles subtended by the external arcs (21, 22, 23, 24, 25, 26 , 27, 28) at 19.7 GHz to achieve the phase distribution of Figure 9A, assuming no internal arcs are present. This is so because the internal arcs do not substantially affect the values of the phases at the lower frequency because they have lengths much lower than half a wavelength at that frequency (which would be the resonant length), with which their presence at 19.7 GHz is not absolutely necessary. Once the dimensions of the outer arcs have been adjusted, the angles subtended by the inner arcs (29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36) are adjusted at 29.5 GHz to achieve the phase distribution of Figure 9B, and this adjustment is carried out in the presence of the external arcs with the dimensions previously obtained at 19.7 GHz. It is necessary to proceed like this because at 29.5 GHz the external arcs are strongly coupled to the internal arcs, and the values of the phases z. Rxx and zRyy at that frequency strongly depend on both the dimensions of the internal arcs and the dimensions of the external arcs. When the coarse adjustment of the dimensions of the external arcs at 19.7 GHz and of the internal arcs at 29.5 GHz has been completed, it is convenient to do a fine adjustment of the dimensions of the external arcs at 19.7 GHz in the presence of the internal arcs obtained in first iteration at 29.5 GHz, and also, a fine adjustment of the dimensions of the internal arcs at 29.5 GHz in the presence of the external arcs obtained in the second iteration at 19.7 GHz. The simulations carried out show that the adjustment process of the dimensions of the arcs at 19.7 GHz and 29.5 GHz converge after this second iteration.
Una vez descrita la primera etapa de diseño del reflectarray (100) para emitir haces de polarización circular a derechas e izquierdas a 19.7 GHz (TX) y a 29.5 GHz (RX) en una determinada dirección dada por las coordenadas esféricas 6b y tyb, se pasa a una segunda etapa de diseño cuyo objetivo es separar los haces de polarización circular a derechas e izquierdas obtenidos en la primera etapa en dos direcciones distintas, tanto a 19.7 GHz como a 29.5 GHz. Para describir esta segunda etapa de diseño, es necesario introducir previamente el concepto de matriz de reflexión de una celda de reflectarray para polarización circular, que desempeña en reflectarrays de polarización circular un papel análogo al que desempeña la matriz de reflexión de la ecuación (1) en reflectarrays de polarización lineal. Supongamos que sobre una celda de reflectarray situada en un entorno periódico incide una onda electromagnética cuyo campo eléctrico complejo vale £ ¿ = £’¿, pcd“ pcd + E¿, pci“ pci sobre la superficie del reflectarray, siendo E,,pcd la componente del campo eléctrico incidente correspondiente a una onda polarizada circularmente a derechas, y E,,pci , la componente del campo eléctrico incidente correspondiente a una onda polarizada circularmente a izquierdas (“ pcd y “ pci son vectores unitarios complejos utilizados para indicar la dirección de los campos de ondas polarizadas circularmente a derechas y a izquierdas respectivamente). Supongamos también que a la onda reflejada por la celda en entorno periódico le corresponde un campo eléctrico complejo que vale Er = ErPCDuPCD £V,pcimpci sobre la superficie del reflectarray (de nuevo, Er,pcD representaría la componente del campo eléctrico reflejado correspondiente a una onda polarizada circularmente a derechas, y E,,pci, la componente del campo eléctrico reflejado correspondiente a una onda polarizada circularmente a izquierdas). Se define la matriz de reflexión de la celda para polarización circular, (Rpc), como una matriz 2x2 de números complejos, dada por la siguiente relación:Once the first design stage of the reflectarray (100) has been described to emit circular polarization beams to the right and left at 19.7 GHz (TX) and at 29.5 GHz (RX) in a certain direction given by the spherical coordinates 6b and t and b, it is passed to a second design stage whose objective is to separate the left and right circular polarization beams obtained in the first stage in two different directions, both at 19.7 GHz and 29.5 GHz. To describe this second design stage, it is necessary to previously introduce the concept of a reflection matrix of a reflectarray cell for circular polarization, which plays in circularly polarized reflectarrays a role analogous to that played by the reflection matrix of equation (1) in linearly polarized reflectarrays. Suppose that an electromagnetic wave is incident on a reflectarray cell located in a periodic environment whose complex electric field is £¿ = £'¿, pcd “ pcd + E¿, pci “ pci on the surface of the reflectarray, where E ,, pcd is the component of the incident electric field corresponding to a right-hand circularly polarized wave, and E ,, pci , the component of the incident electric field corresponding to a left-hand circularly polarized wave ( " pcd and " pci are complex unit vectors used to indicate the direction of the fields of circularly polarized waves to the right and to the left respectively). Let us also suppose that the wave reflected by the cell in a periodic environment corresponds to a complex electric field that has the value Er = ErPCDuPCD £V, pcimpci on the surface of the reflectarray (again, Er,pcD would represent the component of the reflected electric field corresponding to a right-hand circularly polarized wave, and E,, pci , the component of the reflected electric field corresponding to a left-hand circularly polarized wave). The reflection matrix of the cell for circular polarization, (R pc ), is defined as a 2x2 matrix of complex numbers, given by the following relation:
donde Rpcd,pcd es la razón entre Er PCD y E¿ PCD cuando E¿ PCI es nula; Rpcd,pci es la razón entre Er PCD y E¿ PCI cuando EiPCD es nula; Rpci,pcd es la razón entre Er PCI y E¿ PCD cuando E¿ PCI es nula; y finalmente, Rpci,pci es la razón entre Er PCI y E¿ PCI cuando E¿ PCD es nula. De la misma manera que las fases ¿.Rxx y ¿ Ryy son las que controlan la contribución de cada celda desfasadora en un reflectarray de polarización lineal, las fases ¿Rpcd,pcd y ¿Rpci,pci son las que controlan la contribución de cada celda desfasadora en un reflectarray de polarización circular. De hecho, la fase ¿Rpcd,pcd es la que determina la contribución de la celda al diagrama de radiación generado por un reflectarray para una onda incidente con polarización circular a derechas, y ¿Rpci,pci hace ese papel para la celda en un reflectarray sobre el que incide una onda con polarización circular a izquierdas.where R pcd , pcd is the ratio between Er PCD and E¿ PCD when E¿ PCI is null; R pcd , pci is the ratio between Er PCD and E¿ PCI when EiPCD is zero; R pci , pcd is the ratio between Er PCI and E¿ PCD when E¿ PCI is zero; and finally, R pci , pci is the ratio between Er PCI and E¿ PCI when E¿ PCD is zero. In the same way that the phases ¿.Rxx and ¿ Ryy are the ones that control the contribution of each phase shifter cell in a linear polarization reflectarray, the phases ¿R pcd , pcd , and ¿R pci , pci are the ones that control the contribution of each phase shifter cell into a circular polarization reflectarray. In fact, the phase ¿R pcd , pcd is the one that determines the contribution of the cell to the radiation pattern generated by a reflectarray for an incident wave with right-hand circular polarization, and ¿R pci , pci plays that role for the cell in a reflectarray on which a wave with circular polarization to the left is incident.
La técnica de rotación variable (TRV) para el diseño de reflectarrays de polarización circular nos dice que si las metalizaciones de la celda de un reflectarray se giran un ángulo a alrededor de un eje que pasa por el centro de la celda (a>0 si el giro se realiza en sentido antihorario para un observador que mira hacia la superficie del reflectarray, y a<0 si el giro se realiza en sentido horario), se produce para esa celda una variación en la fase de Rpcd,pcd dada por A(zRpcD,pcD)=2a, y una variación en la fase de Rpci,pci dada por A(zRpci,pci)=-2a. No obstante, estas variaciones de ¿Rpcd,pcd y ¿Rpci,pci sólo se cumplen estrictamente hablando si se verifica que la diferencia entre ¿.Rxx y ¿ Ryy (esto es, entre las fases de los coeficientes de la diagonal de la matriz de reflexión de la celda para polarización lineal) es igual a ±180o en el sistema de coordenadas rotado un ángulo a en la celda.The Rotation Variable (TRV) technique for the design of circularly polarized reflectarrays tells us that if the cell metallizations of a reflectarray are rotated through an angle a about an axis passing through the center of the cell (a>0 if the rotation is performed counterclockwise for an observer looking towards the surface of the reflectarray, and a<0 if the rotation is performed clockwise), a variation in the phase of R pcd , pcd is produced for that cell given by A( zRpcD,pcD)=2a, and a variation in the phase of R pci , pci given by A(zRpci,pci)=-2a. However, these variations of ¿R pcd , pcd and ¿R pci , pci only hold strictly speaking if it is verified that the difference between ¿.Rxx and ¿ Ryy (that is, between the phases of the diagonal coefficients of the cell reflection matrix for linear polarization) is equal to ±180o in the coordinate system rotated by an angle a in the cell.
Volviendo al ejemplo de realización del reflectarray (100) que se diseñó para enfocar haces de polarización circular a derechas e izquierdas en la dirección dada por las coordenadas esféricas db=11.8° y Qb=0° de la Figura 2 a 19.7 GHz y a 29.5 GHz, se procede a modificar las celdas (12) de ese reflectarray mediante la TRV de forma que a 19.7 GHz el haz de polarización circular a derechas pase a apuntar en la dirección 0b,pcD=13.7° y ^b,pcD =0o (lo cual significa que se producen variaciones A0b=+1.9o y A^b=0o en los ángulos que dan la dirección de apuntamiento para este haz), y de forma que el haz de polarización circular a izquierdas pase a apuntar en la dirección Qb,pci=9.9o y <pb,pci=0o (lo cual significa que de nuevo se producen variaciones AQb=-1.9o y A ^b=0o en los ángulos que dan la dirección de apuntamiento para ese segundo haz). Además, se aplica la TRV una segunda vez para que a 29.5 GHz el haz de polarización circular a derechas pase a apuntar en la dirección 0b,pcD=9.9° y ^ b,pcD =0o (AQb=-1.9o y A ^b=0° para este haz), y de forma que el haz de polarización a izquierdas pase a apuntar en la dirección Qb,pci=13.7o y Qb,pci=0o (AQb=+1.9o y A ^b=0o para ese segundo haz). Para poder apuntar los haces de polarización circular a derechas e izquierdas en direcciones distintas a 19.7 y a 29.5 GHz, es necesario que la TRV se pueda aplicar de forma independiente a esas dos frecuencias. La Figura 10A muestra las variaciones en las fases de ¿R pcd,pcd (A(z R pcd,pcd ), siendo R pcd,pcd el coeficiente de reflexión para polarización circular a derechas) que es preciso añadir en las celdas desfasadoras (12) de la antena reflectarray (100) previamente diseñada (la que enfocaba los haces de polarización circular a derechas y a izquierdas en la dirección Qb=11.8o y Qb=0o siguiendo la distribución de fases mostrada en las Figs. 9A y 9B) para que la dirección de apuntamiento de la polarización circular a derechas pase a ser Qb,pcD=13.7o y Qb, pcd =0o a 19.7 GHz. Las variaciones requeridas en z R pci,pci (R pci,pci es el coeficiente de reflexión para polarización circular a izquierdas) son iguales en valor absoluto y de signo contrario a las de la Fig. 10A (esto es, A(z R pci,pci )=- A(z R pcd,pcd )) si queremos que la dirección de apuntamiento de la polarización circular a izquierdas pase a ser Qb,pci=9.9o y Qb,pci=0o a 19.7 GHz. Esto es así porque los valores de AQb que se han impuesto en los haces de las dos polarizaciones circulares ortogonales tienen signos contrarios. La Figura 10B muestra los valores de A(z R pcd,pcd ) que se requieren para que la dirección de apuntamiento de la polarización circular a derechas pase a ser Qb,pcD=9.9o y Qb,pcD =0o a 29.5 GHz. De nuevo, para que la dirección de apuntamiento de la polarización circular a izquierdas pase a ser Qb,pcD=13.7o y Qb,pcD =0o a 29.5 GHz, es preciso elegir los valores de A(z R pci,pci ) iguales en valor absoluto y de signo contrario a los valores de A(z R pcd,pcd ) de la Figura 10B (recordemos que en este caso los valores de AQb para las dos polarizaciones circulares ortogonales vuelven a ser iguales y de signos contrarios).Going back to the embodiment of the reflectarray (100) which was designed to focus left and right circular polarization beams in the direction given by the spherical coordinates db=11.8° and Qb=0° in Figure 2 at 19.7 GHz and at 29.5 GHz , we proceed to modify the cells (12) of this reflectarray by means of the TRV so that at 19.7 GHz the circular polarization beam to the right starts to point in the direction 0b,pcD=13.7° and ^b,pcD =0o (what which means that variations A0b=+1.9o and A^b=0o occur in the angles that give the pointing direction for this beam), and so that the left-hand circularly polarized beam becomes pointing in the direction Q b ,pci=9.9oy <p b ,pci=0o (which means that again AQ variations occur b = -1.9o and A ^ b =0o in the angles that give the pointing direction for that second beam). In addition, TRV is applied a second time so that at 29.5 GHz the clockwise circular polarization beam starts pointing in the direction 0 b ,pcD=9.9° and ^ b ,pcD =0o (AQ b =-1.9oy A ^ b =0° for this beam), and so that the left-biased beam starts pointing in the direction Q b ,pci=13.7o and Q b ,pci=0o (AQ b =+1.9o and A ^ b =0o for that second beam). In order to point left and right circularly polarized beams in directions other than 19.7 and 29.5 GHz, it is necessary that TRV can be applied independently at those two frequencies. Figure 10A shows the variations in the phases of ¿R pcd , pcd (A( z R pcd , pcd ), where R pcd , pcd is the reflection coefficient for right-hand circular polarization) that must be added in the phase-shifting cells (12 ) of the previously designed reflectarray antenna (100) (the one that focused the circularly polarized beams to the right and to the left in the direction Q b =11.8o and Q b =0o following the phase distribution shown in Figs. 9A and 9B) to that the pointing direction of the clockwise circular polarization becomes Q b ,pcD=13.7o and Q b , pcd =0o at 19.7 GHz. The required variations in z R pci , pci (R pci , pci is the reflection coefficient for left circular polarization) are equal in absolute value and opposite in sign to those of Fig. 10A (that is, A( z R pci , pci )=- A( z R pcd , pcd )) if we want the direction of pointing of the circular polarization to the left becomes Q b ,pci=9.9o and Q b ,pci=0o at 19.7 GHz. This is so because the values of AQb that have been imposed on the beams of the two orthogonal circular polarizations have opposite signs. Figure 10B shows the values of A( z R pcd , pcd ) that are required for the clockwise circular polarization pointing direction to become Q b ,pcD=9.9o and Q b ,pcD =0o at 29.5 GHz. Again, for the pointing direction of the left circular polarization to become Q b ,pcD=13.7o and Q b ,pcD =0o at 29.5 GHz, it is necessary to choose the values of A( z R pci , pci ) equal in absolute value and with the opposite sign to the values of A( z R pcd , pcd ) in Figure 10B (remember that in this case the values of AQb for the two orthogonal circular polarizations are again equal and with opposite signs).
Partiendo del reflectarray (100) diseñado con las celdas (12) de la Figura 3 para enfocar haces de polarización circular en la dirección Qb=11.8o y Qb=0o, se implementan las correcciones de fase de las Figuras 10A y 10B haciendo uso de la TRV. Para conseguir la corrección de fase de la Figura 10A, en cada celda desfasadora (12) se rotan solidariamente un ángulo ai los ocho arcos de los dos anillos más externos de los dos conjuntos de anillos de las Figuras 4A y 4B (21,22, 23, 24, 25, 26, 27, 28) ya que son esos anillos los que controlan el funcionamiento del reflectarray (100) a 19.7 GHz. Tal y como muestran las Figuras 11A y 11B, los ejes de simetría especular de los anillos externos rotados (41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48) pasan a alinearse con los ejes de un nuevo sistema de coordenadas rotado (X’, Y’, Z’). Según la teoría de la TRV, esta rotación da lugar a una corrección de las fases de los coeficientes de la matriz de reflexión para polarización circular dadas por A(¿RpcD,pcD)=2ai y por A(¿R pci,pci )=-A(z R pcd,pcd ) si se cumple que zRx-x-¿Ryy=±180°. Esto es, los coeficientes de la diagonal de la matriz de reflexión para polarización lineal deben estar en contrafase en el sistema de coordenadas rotado (X’, Y’, Z’), no en el sistema de coordenadas original de la Figura 2. De acuerdo con este resultado, si se elige en cada celda (12) a / = A(¿R pcd,pcd ) / 2 de manera que A(z R pcd,pcd ) sea la corrección de fase mostrada en la Figura 10A, y además, se obliga a que se cumpla que ¿Rxx'-¿Ryy=±180o, se consiguen desviar los haces de polarización circular a derechas e izquierdas en las direcciones requeridas a 19.7 GHz. Análogamente, para conseguir los valores de A(¿R pcd,pcd ) que aparecen en la Figura 10B, se rotan solidariamente un ángulo a u los ocho arcos de los dos anillos más internos de los dos conjuntos de anillos de las Figs. 4A y 4B (29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36) ya que esos ocho arcos son los que se utilizan para controlar el funcionamiento del reflectarray (100) a 29.5 GHz. De nuevo, las Figuras 11A y 11B nos muestran que los ejes de simetría especular de los anillos internos rotados (49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56) pasan a alinearse con los ejes de un nuevo sistema de coordenadas rotado (X’’, Y’’, Z’’). Y de acuerdo una vez más con la TRV, esta rotación introduce correcciones en los coeficientes de la matriz de reflexión para polarización circular dadas por A(zRpcD,pcD)=2au y por A(z R pci,pci )=-A(z R pcd,pcd ), siempre y cuando se cumpla que ¿-Rrx- zRyy=±180o (donde ¿R x - x - e ¿.Ryy están referidos al segundo sistema de coordenadas rotado (X’’, Y’’, Z’’)). Por tanto, si se elige en cada celda (12) el ángulo a u igual a A(¿R pcd,pcd ) / 2 de manera que A(¿R pcd,pcd ) sea ahora la corrección de fase mostrada en la Figura 10B, y además se obliga a que zRx”x”-¿Ryy=±180o, se consiguen desviar los haces de polarización circular a derechas e izquierdas en las direcciones requeridas a 29.5 GHz.Starting from the reflectarray (100) designed with the cells (12) of Figure 3 to focus circularly polarized beams in the direction Q b =11.8o and Q b =0o, the phase corrections of Figures 10A and 10B are implemented using of the TRV. To achieve the phase correction of Figure 10A, in each phase shifter cell (12) the eight arcs of the two outermost rings of the two sets of rings of Figures 4A and 4B (21,22, 23, 24, 25, 26, 27, 28) since it is these rings that control the operation of the reflectarray (100) at 19.7 GHz. As shown in Figures 11A and 11B, the axes of mirror symmetry of the rotated outer rings (41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48) come to align with the axes of a new rotated coordinate system (X', Y', Z'). According to TRV theory, this rotation gives rise to a phase correction of the reflection matrix coefficients for circular polarization given by A(¿RpcD,pcD)=2ai and by A(¿R pci , pci )= -A( z R pcd , pcd ) if it is true that zRx-x-¿Ryy=±180°. That is, the coefficients of the diagonal of the reflection matrix for linear polarization must be out of phase in the rotated coordinate system (X', Y', Z'), not in the original coordinate system of Figure 2. From According to this result, if we choose in each cell (12) a / = A(¿R pcd , pcd ) / 2 such that A( z R pcd , pcd ) is the phase correction shown in Figure 10A, and In addition, it is forced to comply that ¿Rxx'-¿Ryy=±180o, it is possible to deviate the circular polarization beams to the right and left in the required directions at 19.7 GHz. Similarly, to obtain the values of A(¿R pcd , pcd ) appearing in Figure 10B , the eight arcs of the two innermost rings of the two sets of rings of Figs. 4A and 4B (29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36) since those eight arcs are the ones used to control the operation of the reflectarray (100) at 29.5 GHz. Again, Figures 11A and 11B show us that the axes of mirror symmetry of the rotated internal rings (49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56) become aligned with the axes of a new rotated coordinate system (X'', Y '',Z''). And in agreement once more with the TRV, this rotation introduces corrections in the coefficients of the reflection matrix for circular polarization given by A(zRpcD,pcD)=2au and by A( z R pci , pci )=-A( z R pcd , pcd ), provided that ¿-Rrx- zRyy=±180o (where ¿R x - x - e ¿.Ryy are referred to the second rotated coordinate system (X'', Y'', Z '')). Therefore, if we choose in each cell (12) the angle a u equal to A(¿R pcd , pcd ) / 2 such that A(¿R pcd , pcd ) is now the phase correction shown in Figure 10B , and also forces zRx”x”-¿Ryy=±180o, it is possible to deviate the circular polarization beams to the right and left in the required directions at 29.5 GHz.
En las Figuras 12A y 12B se muestran los valores de las correcciones de fase A(¿R pcd,pcd ) y A(z R pci,pci ) que se obtienen a 19.7 GHz para la celda de las Figuras 11A y 11B en función de los ángulos de rotación a / y a u de los arcos externos e internos respectivamente. En dichas figuras, los valores 'V u X i y se han mantenido siempre constantes (lo cual significa que las longitudes de los arcos internos son constantes), y vienen dados por ^ ux/=115o y ^V = 100 o. En cambio, los valores de 'V/xí y ^ y 0 se han modificado para cada pareja de valores de ai y a u de manera que siempre se satisfaga la condición ¿R xx -¿R y y =±180° impuesta por la TRV. Se observa que A(¿R pcd,pcd ) crece de forma lineal con el ángulo de rotación ai y que A(¿R pci,pci ) decrece de forma lineal con ai de acuerdo con la predicción de la TRV. Además, los arcos internos y sus rotaciones apenas tienen efecto sobre los valores de A(¿Rpcd,pcd) y A(¿Rpci,pci) a la frecuencia inferior (19.7 GHz), ya que sus longitudes son muy inferiores a la longitud de resonancia (media longitud de onda a 19.7 GHz). La situación es similar en las Figuras 13A y 13B. En este caso se representan los valores de las correcciones de fase A(¿Rpcd,pcd) y A(¿Rpci,pci) que se obtienen a la frecuencia superior (29.5 GHz) para la celda de las Figuras 11A y 11B en función de los ángulos de rotación ai y au. En las Figuras 13A y 13B se han tomado constantes las longitudes de los arcos externos de forma que ^x/=105o y ^ y o=95°. Y los valores de ^ u» y se han ajustado para cada pareja de valores de ai y au con el fin de satisfacer la condición ¿Rx”x”-¿Ryy=±180o impuesta por la TRV. A diferencia de lo que ocurre en las Figuras 12A y 12B, las rotaciones de los arcos externos sí tienen cierta influencia sobre los valores de A(¿Rpcd,pcd) y A(¿Rpci,pci). No obstante, se sigue cumpliendo que A(¿Rpcd,pcd) crece con el segundo ángulo de rotación au, que A(¿Rpci,pci) decrece con au, y que A(¿Rpci,pci)=-A(¿Rpcd,pcd), con lo cual, se pueden ajustar los valores de A(¿Rpcd,pcd) de la Fig. 10B a 29.5 GHz haciendo uso de au, 'Vuxi y para valores fijos de a, 'VlXi y ^yo.Figures 12A and 12B show the values of the phase corrections A(¿R pcd , pcd ) and A( z R pci , pci ) obtained at 19.7 GHz for the cell in Figures 11A and 11B as a function of the angles of rotation a / and a u of the external and internal arcs respectively. In these figures, the values 'V u X i y have always remained constant (meaning that the lengths of the internal arcs are constant), and are given by ^ ux/=115o and ^V = 100 o. Instead, the values of 'V/ xí y ^ y 0 have been modified for each pair of values of ai and a u in such a way that the condition ¿R xx -R yy =±180° imposed by the TRV is always satisfied. . It is observed that A(¿R pcd , pcd ) increases linearly with the angle of rotation ai and that A(¿R pci , pci ) decreases linearly with ai according to the TRV prediction. Also, the arcs and their rotations have little effect on the values of A(¿R pcd , pcd ) and A(¿R pci , pci ) at the lower frequency (19.7 GHz), since their lengths are much less than the resonance length ( half wavelength at 19.7 GHz). The situation is similar in Figures 13A and 13B. In this case, the values of the phase corrections A(¿R pcd , pcd ) and A(¿R pci , pci ) obtained at the higher frequency (29.5 GHz) for the cell of Figures 11A and 11B are represented in function of the angles of rotation ai and au. In Figures 13A and 13B the lengths of the external arcs have been taken constant so that ^x/=105o and ^yo=95°. And the values of ^u»y have been adjusted for each pair of values of ai and au in order to satisfy the condition ¿Rx”x”-¿Ryy=±180o imposed by the TRV. Unlike what occurs in Figures 12A and 12B, the rotations of the external arcs do have some influence on the values of A(¿R pcd , pcd ) and A(¿R pci , pci ). However, it still holds that A(¿R pcd , pcd ) increases with the second angle of rotation au, that A(¿R pci , pci ) decreases with au, and that A(¿R pci , pci )=-A (¿R pcd , pcd ), with which, the values of A(¿R pcd , pcd ) of Fig. 10B can be adjusted to 29.5 GHz using au, 'Vuxi and for fixed values of a, 'VlXi and ^i.
Los resultados de las Figuras 9A, 9B, 10A, 10B, 12A, 12B, 13A y 13B proporcionan la estrategia para diseñar el reflectarray (10) con separación de haces de polarización circular a derechas y a izquierdas a 19.7 y a 29.5 GHz. Partiendo del diseño para haces colimados de polarización circular a derechas y a izquierdas en una única dirección basado en la celda (12) sin rotar de la Figura 3 y en las distribuciones de fase de las Figuras 9A y 9B, se comienza rotando los arcos externos (41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48) de cada celda reflectarray un ángulo apA(zRpcD,pcD)/2, tomando para ello los valores de A(¿Rpcd,pcd) que aparecen en la Figura 10A. A continuación, se ajustan los ángulos 'VlXi y ^ yo de cada celda a 19.7 GHz hasta que se satisfaga la condición ¿Rxx'-¿Ryy=±180o en el primer sistema de coordenadas rotado un ángulo a, y hasta que ¿Rxx tome en cada celda el valor asignado en la Figura 9A ya que se puede demostrar que ¿Rxx para la celda rotada coincide con el valor que tiene ¿Rpcd,pcd antes de rotar la celda si se cumple que ¿Rxx'-¿Ryy=±180o. Durante todo ese proceso de ajuste de los arcos externos, los arcos internos de las celdas (49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56) se mantienen sin rotar, y sus longitudes se mantienen inalteradas. Una vez finalizados los ajustes a 19.7 GHz, se rotan los arcos internos un ángulo au=A(¿RpcD,pcD)/2, haciendo uso de los valores de A(¿Rpcd,pcd) que aparecen en la Figura 10B. Acabadas estas rotaciones, se ajustan los ángulos ^ u» y de cada celda a 29.5 GHz hasta que se satisfaga la condición zRx”x”-¿Ryy=±180o en el segundo sistema de coordenadas rotado, y hasta que ¿Rx-x- tome en cada celda el valor asignado en la Figura 9B (de nuevo, se vuelve a cumplir que ¿Rxx' en la celda rotada coincide con ¿Rpcd,pcd en la celda sin rotar si ¿Rxx'-¿Ryy=±180o). Durante los ajustes de los arcos internos a 29.5 GHz, se mantienen las rotaciones y las longitudes de los arcos externos ajustadas previamente a 19.7 GHz para conseguir la separación de haces a esa frecuencia. A continuación, se inicia una segunda iteración en la que se vuelven a ajustar a 19.7 GHz los valores de ' V l X i y ^ y0 para obligar que se cumpla que ¿Rxx'-¿Ryy=±180o y que ¿ R x x tome el valor asignado en la Figura 9A, todo ello manteniendo los valores de a , a u, y ' V uyo obtenidos al terminar la primera iteración. Y finalizados los ajustes a 19.7 GHz, se vuelven a ajustar a 29.5 GHz los ángulos ' V u X i y para satisfacer en cada celda que ¿ R w -zRyy=±180° y que ¿ R x x toma el valor asignado en la Figura 9B, todo ello sin variar los valores de a , au, ^ yo obtenidos al terminar los ajustes a 19.7 GHz durante la segunda iteración. Las simulaciones realizadas muestran que dos iteraciones son suficientes para llegar a los valores de a¡, au, ' V lx¡, ^ yo, ^ ux/ y que se necesitan en cada celda del reflectarray para que A(¿R pcd,pcd ) alcance los valores fijados en las Figuras 10A y 10B (y por extensión, los de A(¿R pci,pci ) = - A(¿R pcd,pcd )), para que ¿Rxx'-¿Ryy=±180o y ¿ R xx ' tome los valores fijados en la Figura 9A, y para que ¿Rx”x"-¿Ryy=±180o y ¿ R x x tome los valores fijados en la Figura 9B.The results of Figures 9A, 9B, 10A, 10B, 12A, 12B, 13A and 13B provide the strategy for designing the reflectarray (10) with split left and right circular polarization beams at 19.7 and 29.5 GHz. Starting from the design for collimated beams of circular polarization to the right and to the left in a single direction based on the unrotated cell (12) of Figure 3 and on the phase distributions of Figures 9A and 9B, one begins by rotating the outer arcs (41, 42 , 43, 44, 45, 46, 47, 48) of each reflectarray cell an angle apA(zRpcD,pcD)/2, taking for this the values of A(¿R pcd , pcd ) that appear in Figure 10A. Next, the angles 'VlXi y ^ i of each cell are adjusted at 19.7 GHz until the condition ¿R xx' -R y y=±180o in the first coordinate system rotated by an angle a is satisfied , and until Does Rxx take the value assigned in Figure 9A in each cell, since it can be shown that ¿Rxx for the rotated cell coincides with the value that ¿R pcd , pcd has before rotating the cell if it is true that ¿R xx' - Ryy =±180o. During the entire process of adjusting the external arcs, the internal arcs of the cells (49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56) remain unrotated, and their lengths remain unaltered. Once the adjustments to 19.7 GHz are finished, the internal arcs are rotated through an angle to u =A(¿RpcD,pcD)/2, making use of the values of A(¿R pcd , pcd ) shown in Figure 10B. Once these rotations are finished, the angles ^ u» y of each cell are adjusted at 29.5 GHz until the condition zR x ” x ”-¿Ryy=±180o in the second rotated coordinate system is satisfied, and until ¿Rx-x - take in each cell the value assigned in Figure 9B (again, it again holds that ¿Rxx' in the rotated cell coincides with ¿R pcd , pcd in the unrotated cell if ¿R xx' -R y y =±180o). During the For internal arc settings at 29.5 GHz, the rotations and lengths of the external arcs previously set at 19.7 GHz are maintained to achieve beam separation at that frequency. Next, a second iteration is started in which the values of ' V l X i y ^ y0 are adjusted again to 19.7 GHz to enforce that ¿R xx' -R y y=±180o and that ¿ R xx takes the value assigned in Figure 9A, all this maintaining the values of a , au, and ' V uyo obtained at the end of the first iteration. And once the adjustments at 19.7 GHz have been completed, the angles ' V u X i y are adjusted again at 29.5 GHz to satisfy in each cell that ¿ R w - zRyy=±180° and that ¿ R xx takes the value assigned in Figure 9B, all without changing the values of a , au, ^ I obtained by finishing the adjustments to 19.7 GHz during the second iteration. The simulations carried out show that two iterations are enough to arrive at the values of a¡, au, ' V lx¡, ^ i , ^ ux/ y that are needed in each cell of the reflectarray for A(¿R pcd , pcd ) to reach the values given in Figures 10A and 10B (and by extension, those of A(¿R pci , pci ) = - A(¿R pcd , pcd )), so that ¿R xx' -R yy =±180o y ¿ R xx ' take the values set in Figure 9A, and so that ¿R x ” x" -Ryy=±180o y ¿ R xx take the values set in Figure 9B.
La estrategia de diseño de la antena reflectarray capaz de separar haces de polarización circular a derechas y a izquierdas en dos direcciones diferentes y en dos bandas de frecuencia distintas se ha dividido en dos etapas, una primera etapa que utiliza celdas de ocho anillos partidos apilados sin rotar y está orientada hacia enfocar los haces de polarización circular ortogonales en la misma dirección a dos frecuencias, y una segunda etapa en la que rotan los ocho anillos partidos apilados en cada celda con el fin de separar los dos haces de polarización circular ortogonales en dos direcciones distintas a dos frecuencias distintas. Si bien es cierto que se puede prescindir de la primera etapa y atacar el diseño directamente desde la segunda etapa, es conveniente incluir en el diseño la primera etapa porque proporciona un buen punto de partida para la ejecución de la segunda etapa, y facilita considerablemente la convergencia de esta segunda etapa.The design strategy of the reflectarray antenna capable of separating left and right circular polarization beams in two different directions and in two different frequency bands has been divided into two stages, a first stage using eight split ring cells stacked without rotating and is oriented towards focusing the orthogonal circular polarization beams in the same direction at two frequencies, and a second stage in which the eight stacked split rings in each cell rotate in order to separate the two orthogonal circular polarization beams in two directions. different at two different frequencies. While it is true that the first stage can be omitted and the design can be attacked directly from the second stage, it is convenient to include the first stage in the design because it provides a good starting point for the execution of the second stage, and makes the implementation of the second stage much easier. convergence of this second stage.
Una vez que el diseño del reflectarray (100) ha terminado y que los valores requeridos de a , Once the layout of the reflectarray (100) is complete and the required values of a ,
au, ^X, ^ yo, han sido ajustados para cada celda, el reflectarray (100) puede pasar a la fase de fabricación. A partir de un fichero que contiene los valores de los radios de los arcos, las longitudes de los arcos y los ángulos de rotación para cada celda, se pueden generar las máscaras de fotograbado para cada uno de los dos niveles de metalización. Para la fabricación del reflectarray (100), se pueden imprimir estas máscaras sobre las dos capas dieléctricas de las Figuras 2 y 3 (bien sobre las dos caras de la capa au, ^X, ^ i , have been adjusted for each cell, the reflectarray (100) can proceed to the manufacturing phase. From a file containing the values of the radii of the arcs, the lengths of the arcs and the angles of rotation for each cell, the gravure masks can be generated for each of the two levels of metallization. For the manufacture of the reflectarray (100), these masks can be printed on the two dielectric layers of Figures 2 and 3 (either on the two faces of the layer
superior (16), bien sobre las caras de arriba de la capa inferior (15) y superior (16)) utilizando técnicas de fotograbado convencionales, y las dos capas se pueden pegar utilizando hornos de curado. En las Figuras 14A y 14B se muestran las máscaras para los dos niveles de metalización del diseño llevado a cabo en esta realización concreta de la invención. (16), or on the upper faces of the lower (15) and upper (16) layers) using conventional photo-etching techniques, and the two layers can be bonded together using curing ovens. Figures 14A and 14B show the masks for the two levels of metallization of the design carried out in this specific embodiment of the invention.
En las Figuras 15A y 15B se muestran los resultados obtenidos para los cortes en elevación (plano X-Z de la Figura 2) de los diagramas de radiación del diseño llevado a cabo en este ejemplo de la invención. Se observa que las especificaciones requeridas para la antena reflectarray (100) diseñada se han cumplido. Concretamente, a 19.7 GHz el haz principal con polarización circular a derechas tiene su máximo a 13.7o, y el haz con polarización circular a izquierdas lo tiene a 9.9o. A 29.5 GHz ocurre justo lo contrario, y mientras que el máximo del haz con polarización circular a derechas se produce a 9.9o, el del haz con polarización circular a izquierdas se produce a 13.7o. Este intercambio de las direcciones de los haces de polarización circular ortogonales en las bandas de TX y RX es útil porque ayuda a reducir interferencias. Las ganancias de los dos haces a 19.7 GHz están en torno a 32 dBi, y las de los haces a 29.5 GHz, en torno a 35 dBi. Si se desea, las ganancias se pueden igualar en las dos bandas. Para ello, basta reducir las ganancias a 29.5 GHz en 3 dB utilizando una técnica de corrección de fase selectiva. En esta técnica, en un conjunto de celdas elegido aleatoriamente en una franja situada junto al borde del reflectarray (100), las longitudes de los arcos internos a 29.5 GHz se ajustan para que Figures 15A and 15B show the results obtained for the elevation cuts (X-Z plane of Figure 2) of the radiation diagrams of the design carried out in this example of the invention. It is observed that the specifications required for the reflectarray antenna (100) designed have been met. Specifically, at 19.7 GHz the main beam with right-hand circular polarization has its maximum at 13.7o, and the left-hand circularly polarized beam has its maximum at 9.9o. At 29.5 GHz just the opposite occurs, and while the maximum of the clockwise circularly polarized beam occurs at 9.9o, the maximum of the left-handed circularly polarized beam occurs at 13.7o. This swapping of the directions of the orthogonal circular polarized beams in the TX and RX bands is useful because it helps to reduce interference. The gains of the two beams at 19.7 GHz are around 32 dBi, and those of the 29.5 GHz beams are around 35 dBi. If desired, the gains can be equalized in the two bands. To do this, it is enough to reduce the gains at 29.5 GHz by 3 dB using a selective phase correction technique. In this technique, in a randomly chosen set of cells in a fringe along the edge of the reflectarray (100), the lengths of the internal arcs at 29.5 GHz are adjusted so that y R x v - ^ R y y y R x v - ^ R y y no valga ±180 grados sino 0 grados, con lo cual, la radiación de estas celdas interfiere destructivamente con la de las celdas para los que not be worth ±180 degrees but 0 degrees, with which, the radiation of these cells interferes destructively with that of the cells for which y R x - x - ^ R y y y R x - x - ^ R y y se ha mantenido en ±180 grados, y esto trae consigo una reducción en el área efectiva de la antena a 29.5 GHz, y en consecuencia, una reducción en las ganancias de los haces a esa frecuencia. La técnica de corrección de fase selectiva en la banda de frecuencias superior permite igualar la ganancia y el ancho de haz en las dos bandas de frecuencia, lo cual es deseable en antenas multihaz diseñadas para generar coberturas multicelulares desde satélites de comunicaciones que operan en dos bandas de frecuencia. Dependiendo de la forma del reflectarray (100), la franja junto al borde en la que se lleva a cabo la corrección de fase selectiva tendrá forma de anillo rectangular si el reflectarray (100) es rectangular, o forma de corona circular si el reflectarray tiene forma circular como es el caso del ejemplo utilizado en esta realización. En las Figuras 15A y 15B se observa que los lóbulos laterales están unos 20 dB por debajo de los lóbulos principales, y que los niveles de radiación contrapolar están siempre al menos 30 dB por debajo del máximo de radiación copolar, lo cual indica que la celda de antena reflectarray (12) introducida en las Figuras 11A y 11B es una celda con bajo nivel de polarización cruzada. Por último, las eficiencias de apertura de los haces radiados están en torno al 65% a 19.7 GHz, y en torno al 59% a 29.5 GHz. it has been maintained at ±180 degrees, and this brings with it a reduction in the effective area of the antenna at 29.5 GHz, and consequently, a reduction in the gains of the beams at that frequency. The selective phase correction technique in the upper frequency band allows equalizing the gain and beamwidth in the two frequency bands, which is desirable in multibeam antennas designed to generate multicellular coverage from communication satellites operating in two bands. of frequency. Depending on the shape of the reflectarray (100), the strip next to the edge where the selective phase correction is carried out will have the shape of a rectangular ring if the reflectarray (100) is rectangular, or an annulus shape if the reflectarray has circular shape as is the case of the example used in this embodiment. In Figures 15A and 15B it can be seen that the side lobes are about 20 dB below the main lobes, and that the cross-polar radiation levels are always at least 30 dB below the co-polar radiation maximum, indicating that the cell The reflectarray antenna (12) introduced in Figures 11A and 11B is a cell with low level of cross-polarization. Finally, the aperture efficiencies of the radiated beams are around 65% at 19.7 GHz, and around 59% at 29.5 GHz.
En la Figura 16 se presenta un diagrama de flujo donde se detallan todos los pasos que se deben seguir para diseñar la antena reflectarray (100) capaz de separar haces de polarización circular ortogonales en dos bandas de frecuencia, que es objeto de esta invención. Esos pasos son:Figure 16 shows a flowchart detailing all the steps that must be followed to design the reflectarray antenna (100) capable of separating orthogonal circular polarization beams in two frequency bands, which is the object of this invention. Those steps are:
a) Definición (60) de la antena reflectarray (100). Se definen las propiedades generales de la antena que se va a diseñar tales como la forma del contorno que limita la retícula (11) (rectangular, circular, elíptico, etc.), dimensiones, período de la celda unidad (12) de la retícula (pxxPy en la Figura 3), características de las capas dieléctricas del sustrato (espesor, permitividad y tangente de pérdidas), anchura y radio medio de los ocho anillos partidos que forman parte de las celdas desfasadoras, tipo de alimentador y posición de su centro de fase, etc.a) Definition (60) of the reflectarray antenna (100). The general properties of the antenna to be designed are defined, such as the shape of the contour that limits the grid (11) (rectangular, circular, elliptical, etc.), dimensions, period of the unit cell (12) of the grid (pxxPy in Figure 3), characteristics of the dielectric layers of the substrate (thickness, permittivity and loss tangent), width and average radius of the eight split rings that are part of the phase shifter cells, type of feeder and position of its center of phase, etc.
b) Definición (61) de las direcciones de apuntamiento (01=0b+A0b,^b) y (02=0b-A0b,^b) de los dos haces de polarización circular a derechas y a izquierdas de la antena en coordenadas esféricas, así como de las frecuencias centrales inferior, f, y superior, fu, de sus dos bandas de operación en TX y en RX.b) Definition (61) of the pointing directions (01=0b+A0b,^b) and (02=0b-A0b,^b) of the two circular polarization beams to the right and left of the antenna in spherical coordinates, as well as the lower central frequencies, f, and upper, fu, of its two operating bands in TX and RX.
c) Tanto a la frecuencia inferior fl como a la superior fu , determinar la distribución ideal de desfases (62) para ondas incidentes con polarizaciones lineales X (campo eléctrico incidente preferentemente orientado en el plano X-Z) e Y (campo eléctrico incidente preferentemente orientado a lo largo del eje Y), z R x x y z Ryy (véanse las Figuras 9A y 9B), que deben introducir las celdas para que la antena sea capaz de colimar haces de polarización circular en una dirección intermedia a las direcciones de apuntamiento de los haces que se desean separar (esta dirección intermedia está dada por las coordenadas esféricas angulares (0 b=(01 +&)/2 , $ b )), teniendo que cumplirse que z Rxx c) Both at the lower frequency fl and at the higher frequency fu , determine the ideal distribution of phase shifts (62) for incident waves with linear polarizations X (incident electric field preferentially oriented in the XZ plane) and Y (incident electric field preferentially oriented to along the Y axis), z R xx yz Ryy (see Figures 9A and 9B), which cells must introduce for the antenna to be capable of collimating circularly polarized beams in a direction intermediate to the pointing directions of the beams. that are to be separated (this intermediate direction is given by the angular spherical coordinates ( 0 b=( 01 +&)/ 2 , $ b )), having that z Rxx
- z R y y =±180o para que se mantenga el sentido de la polarización circular al reflejarse en la antena la onda procedente del alimentador. Más, concretamente, si el reflectarray (100) consta de N celdas desfasadoras (12), d j es la distancia del centro de fase del alimentador al centro de la celda j-ésima j=1,...,N) y (X = X j , Y = y ) son las coordenadas del centro de dicha celda j-ésima con respecto al sistema de coordenadas (X, Y, Z) definido en el reflectarray (100) (véase la Figura 2), los valores de z R x x y z R y y para la celda j-ésima a la frecuencia inferior f vendrán dados por: - z R yy =±180o so that the sense of circular polarization is maintained when the wave coming from the feeder is reflected by the antenna. More specifically, if the reflectarray (100) consists of N phase-shifting cells (12), dj is the distance from the phase center of the feeder to the center of the j-th cell j=1,...,N) and (X = X j , Y = y ) are the coordinates of the center of said j-th cell with respect to the coordinate system (X, Y, Z) defined in the reflectarray (100) (see Figure 2), the values of z R xx y z R yy for the jth cell at the lower frequency f will be given by:
donde z R x x y z R y y se calculan en radianes en (3) y en (4), y donde c es la velocidad de la luz en el espacio libre. A su vez, los valores de z R x x y z R y y para la celda j-ésima a la frecuencia superior fu vendrán dados por:where z R xx and z R yy are computed in radians in (3) and (4), and where c is the speed of light in free space. In turn, the values of z R xx and z R yy for the jth cell at the higher frequency fu they will be given by:
d) Ajuste en cada celda desfasadora (12) de las longitudes de los arcos más externos a la frecuencia inferior f i (63). Concretamente:d) Adjustment in each phase shifter cell (12) of the lengths of the most external arcs at the lower frequency fi (63). Specifically:
- se ajustan las longitudes de los cuatro arcos más externos de los anillos partidos en dirección X (21, 22, 23, 24) para obtener los valores de z. Rxx calculados en el paso c); y- the lengths of the four outermost arcs of the split rings in the X direction (21, 22, 23, 24) are fitted to obtain the z values. Rxx calculated in step c); Y
- se ajustan las longitudes de los cuatro arcos más externos de los anillos partidos en dirección Y (25, 26, 27, 28) para obtener los valores de z R y y calculados en el paso c).- the lengths of the four outermost arcs of the split rings in the Y direction (25, 26, 27, 28) are adjusted to obtain the values of z R yy calculated in step c).
e) Ajuste en cada celda desfasadora (12) de las longitudes de los arcos más internos a la frecuencia superior fu (64). Concretamente:e) Adjustment in each phase shifter cell (12) of the lengths of the most internal arcs at the higher frequency fu (64). Specifically:
- se ajustan las longitudes de los cuatro arcos más internos de los anillos partidos en dirección X (29, 30, 31, 32) para obtener los valores de z R xx calculados en el paso c); y- the lengths of the four innermost arcs of the split rings in the X direction (29, 30, 31, 32) are adjusted to obtain the values of z R xx calculated in step c); Y
- se ajustan las longitudes de los cuatro arcos más internos de los anillos partidos en dirección Y (33,34,35,36) para obtener los valores de z R y y calculados en el paso c).- the lengths of the four innermost arcs of the split rings in the Y direction (33,34,35,36) are adjusted to obtain the values of z R yy calculated in step c).
f) Comprobar (65A) para cada celda desfasadora (12) si los valores de z R x x y z R y y obtenidos a f i y fu en los pasos d) y e) difieren de los valores calculados en el paso c) menos de un primer error umbral de referencia, que típicamente se suele tomar igual a 5 grados. En otras palabras, comprobar que los valores de z R x x y z R y y convergen a los valores requeridos a f y fu dentro de un margen de error.f) Check (65A) for each phase shifter cell (12) if the values of z R xx and z R yy obtained at fi and fu in steps d) and e) differ from the values calculated in step c) by less than one first. reference threshold error, which is typically taken equal to 5 degrees. In other words, check that the values of z R xx and z R yy converge to the required values of f and fu within a margin of error.
g) Si los errores obtenidos en el paso f) están por encima (65B) del primer valor umbral, repetir el paso d) ajustando a la frecuencia inferior f las longitudes de los ocho arcos más externos mientras se mantienen fijas las longitudes de los ocho arcos más internos, y repetir también el paso e), ajustando a la frecuencia superior fu las longitudes de los ocho arcos más internos mientras se mantienen fijas las longitudes de los ocho arcos más externos.g) If the errors obtained in step f) are above (65B) the first threshold value, repeat step d) adjusting the lengths of the eight outermost arcs to the lower frequency f while keeping the lengths of the eight arcs fixed. innermost arcs, and also repeat step e), adjusting the lengths of the eight innermost arcs to the higher frequency fu while keeping the lengths of the eight outermost arcs fixed.
h) Iterar los pasos f) y g) cuantas veces sea necesario hasta que los valores de z R x x y h) Iterate steps f) and g) as many times as necessary until the values of z R xx y
z R y y a las frecuencias inferior f y superior fu en cada celda (12) difieran de los valores ideales obtenidos en el paso c) en una cantidad inferior al error umbral establecido en el paso f). z R yy at the lower f and upper frequencies fu in each cell (12) differ from the ideal values obtained in step c) by an amount less than the threshold error established in step f).
i) Tanto a la frecuencia inferior f como a la frecuencia superior fu , determinar la distribución ideal de correcciones de desfases (66) para ondas polarizadas circularmente a derechas e izquierdas, A(¿Rpcd,pcd) y A(¿Rpci,pci)=- A(¿Rpcd,pcd) (véanse las Figuras 10A y 10B), que se deben introducir en las celdas desfasadoras (12) del reflectarray (100) diseñado en los pasos d) a h) para que dicho reflectarray (100) pueda separar los haces de polarización circular ortogonal en las direcciones de apuntamiento (01 ,^b) y (02 ,^b) definidas en el paso b).i) At both the lower frequency f and the higher frequency fu , determine the ideal distribution of lag corrections (66) for left and right circularly polarized waves, A(¿R pcd , pcd ) and A(¿R pci , pci )=- A(¿R pcd , pcd ) (see Figures 10A and 10B), which must be introduced into the phase shifter cells (12) of the reflectarray (100) designed in steps d) to h) so that said reflectarray (100) can separate the orthogonal circular polarization beams in the pointing directions ( 01 ,^b) and ( 02 ,^b) defined in step b).
j) Ajuste de los ángulos de rotación de los arcos más externos (67). Se rotan solidariamente los ocho arcos más externos de los anillos partidos (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28) de cada celda (12) un ángulo a= A(¿Rpcd,pcd)/2 a la frecuencia inferior f (A(z Rpcd,pcd) a f i es la obtenida en el paso i)) para que el reflectarray pueda conseguir la separación de haces de polarización circular a derechas e izquierdas de acuerdo con la técnica de rotación variable en la banda de frecuencias inferior.j) Adjustment of the angles of rotation of the outermost arches (67). The eight outermost arcs of the split rings (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28) of each cell (12) are rotated jointly by an angle a= A(¿R pcd , pcd )/2 a the lower frequency f (A( z R pcd , pcd ) a fi is the one obtained in step i)) so that the reflectarray can achieve the separation of left and right circular polarization beams according to the technique of variable rotation in the lower frequency band.
k) Ajuste de los ángulos de rotación de los arcos más internos (68). Se rotan solidariamente los ocho arcos más internos de los anillos partidos (29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36) de cada celda (12) un ángulo au= A(¿Rpcd,pcd)/2 a la frecuencia fu (A(z Rpcd,pcd) a fu es la obtenida en el paso i)) para que el reflectarray pueda conseguir la separación de haces de polarización circular a derechas e izquierdas de acuerdo con la técnica de rotación variable en la banda de frecuencias superior.k) Adjustment of the angles of rotation of the most internal arches (68). The eight innermost arcs of the split rings (29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36) of each cell (12) are rotated jointly by an angle au= A(¿R pcd , pcd )/2 a the frequency fu (A( z R pcd , pcd ) a fu is the one obtained in step i)) so that the reflectarray can achieve the separation of left and right circular polarization beams according to the variable rotation technique in the higher frequency band.
l) Ajuste de las longitudes de los arcos externos rotados (69). Se define en cada celda desfasadora (12) un sistema de coordenadas rotado un ángulo al (X’, Y’, Z’) y se reajustan ligeramente las longitudes de los ocho arcos más externos rotados (41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48) para conseguir que ¿Rxx-¿Ryy=±180o y que ¿ R x x ' coincida en la celda con el valor de ¿ R x x definido en el paso c) antes de que se giraran los arcos, todo ello a la frecuencia f i .l) Adjustment of the lengths of the external rotated arcs (69). A coordinate system rotated by an angle to (X', Y', Z') is defined in each phase shifter cell (12) and the lengths of the eight outermost rotated arcs are slightly readjusted (41, 42, 43, 44, 45 , 46, 47, 48) to get ¿Rxx-¿Ryy=±180o and ¿R xx ' to match in the cell the value of ¿R xx defined in step c) before the arcs were rotated, all it at the frequency fi .
m) Ajuste de las longitudes de los arcos internos rotados (70). Se define en cada celda un sistema de coordenadas rotado un ángulo au (X’’, Y’’, Z’’) y se reajustan ligeramente las longitudes de los ocho arcos más internos rotados (49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56) para conseguir que ¿Rx”x"-¿Ry”y”=±180o y que ¿ R x x coincida en la celda con el valor de ¿ R xx definido en el paso c) antes de que se giraran los arcos, todo ello a la frecuencia fu . m) Adjustment of the lengths of the rotated internal arcs (70). A coordinate system rotated by an angle au (X'', Y'', Z'') is defined in each cell and the lengths of the eight innermost rotated arcs are slightly readjusted (49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56) to get ¿R x ” x"- ¿R y ” y ” =±180o and that ¿R xx in the cell matches the value of ¿R xx defined in step c) before the arcs will be rotated, all at the frequency fu .
n) Comprobar (71A) que las condiciones exigidas en el apartado l) para ¿ R x x - ¿ R y y y n) Check (71A) that the conditions required in section l) for ¿ R xx - ¿ R yy y
¿ R x x , y en el apartado m) para ¿ R x - x - ¿ R y y y ¿ R x - x - , se cumplen en cada celda desfasadora dentro de un segundo margen de error establecido a priori, que se suele tomar igual a cinco grados. En otras palabras, comprobar que los valores de ¿ R x x - ¿R xx , and in section m) for ¿R x - x - ¿R yy y ¿R x - x - , are fulfilled in each phase-shifting cell within a second margin of error established a priori, which is usually taken as the same at five degrees. In other words, check that the values of ¿ R xx -
¿ R y y ', ¿ R x x ', ¿ R x - x '- ¿ R y y y ¿ R x"x" convergen a los valores requeridos a f y fu dentro de un margen de error. ¿R yy', ¿R xx', ¿R x - x' - ¿R yy and ¿R x"x" converge to the required values of f and fu within a margin of error.
o) Si los errores obtenidos en el paso n) para ¿ R x x -¿ R y y , ¿ R x x , ¿ R x"x -¿ R y y y ¿ R x x son superiores (71B) a los valores preestablecidos, repetir el paso l) reajustando a f i las longitudes de los ocho arcos más externos rotados (41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48) mientras se mantienen constantes las longitudes de los ocho arcos más internos rotados (49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56), y repetir también el paso n) reajustando a fu las longitudes de los ocho arcos más internos rotados mientras se mantienen constantes las longitudes de los ocho arcos más externos rotados.o) If the errors obtained in step n) for ¿ R xx -R yy , ¿ R xx , ¿ R x"x -R yy and ¿ R xx are higher (71B) than the preset values, repeat step l) readjusting to fi the lengths of the eight rotated outermost arcs (41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48) while holding the lengths of the eight rotated innermost arcs constant (49, 50, 51 , 52, 53, 54, 55, 56), and also repeat step n) readjusting to fu the lengths of the eight rotated innermost arcs while keeping the lengths of the eight rotated outermost arcs constant.
p) Iterar los pasos n) y o) cuantas veces sea necesario hasta conseguir que en cada celda (12), tanto los valores de ¿ R x x -¿ R y y y ¿ R x x a la frecuencia inferior f i como los valores de ¿ R x " x -¿ R y y y ¿ R x x a la frecuencia superior fu , difieran de los valores fijados en los pasos l) y m) en una cantidad inferior al segundo error de fase establecido en el paso n).p) Iterate steps n) i) as many times as necessary until obtaining that in each cell (12), both the values of ¿ R xx -R yy y ¿ R xx at the lower frequency fi and the values of ¿ R x " x - R y y y - R xx at the higher frequency fu , differ from the values set in steps l) and m) by an amount less than the second phase error set in step n).
q) Generar (72) las máscaras de fotograbado, típicamente en unos ficheros CAD ("Computer Aided Design” en inglés), para cada uno de los niveles de metalización de la antena reflectarray (100) a partir de las dimensiones obtenidas para los arcos en cada celda desfasadora y a partir de los ángulos de rotación de estos arcos, imprimir los anillos partidos sobre las capas dieléctricas del sustrato mediante técnicas convencionales de fotograbado o fabricación aditiva, pegar las distintas capas para formar la antena reflectarray (100), y ensamblar esta antena con su alimentador mediante un soporte.q) Generate (72) the photo-etched masks, typically in CAD files ("Computer Aided Design" in English), for each of the levels of metallization of the reflectarray antenna (100) from the dimensions obtained for the arcs in each phase-shifter cell and from the angles of rotation of these arcs, print the split rings on the dielectric layers of the substrate using conventional photo-engraving or additive manufacturing techniques, glue the different layers to form the reflectarray antenna (100), and assemble this antenna with its feeder by means of a support.
Para minimizar el nivel de polarización cruzada y maximizar el ancho de banda en las dos bandas de funcionamiento de la antena reflectarray (100), el método de diseño comprende además los siguientes pasos adicionales:In order to minimize the level of cross-polarization and maximize the bandwidth in the two operating bands of the reflectarray antenna (100), the design method also includes the following additional steps:
- Después del paso h) se añade el siguiente paso:- After step h) the following step is added:
• Reajustar en cada celda (12) las longitudes de los ocho arcos que controlan los desfases en cada una de las dos bandas de frecuencia mediante una rutina de optimización, de forma que los desfases requeridos para polarizaciones lineales X e Y a la hora de colimar los haces de polarización circular a derechas e izquierdas en la dirección intermedia descrita en el paso c) no sólo se obtienen a la frecuencia central de cada banda (frecuencia inferior f y frecuencia superior fu ) sino también a las frecuencias extremas de dichas bandas.• Readjust in each cell (12) the lengths of the eight arcs that control the offsets in each of the two frequency bands by means of an optimization routine, so that the offsets required for X and Y linear polarizations when collimating the left and right circular polarization beams in the intermediate direction described in step c) are not only obtained at the center frequency of each band (lower frequency f and upper frequency fu ) but also at the extreme frequencies of said bands.
- Después del paso p) se añaden los siguientes dos pasos:- After step p) the following two steps are added:
• Reajustar en cada celda (12) las longitudes de los ocho arcos rotados de mayor radio mediante una rutina de optimización de forma que los desfases requeridos para las polarizaciones en el primer sistema de coordenadas rotado X ’ e Y ’ no sólo se cumplen a la frecuencia central de la banda inferior (frecuencia f) sino también a las frecuencias extremas de dicha banda. • Readjust in each cell (12) the lengths of the eight rotated arcs with the largest radius by means of an optimization routine so that the required offsets for the polarizations in the first rotated coordinate system X' and Y' are true not only at the central frequency of the lower band (frequency f) but also at the extreme frequencies of said band.
• Reajustar en cada celda (12) las longitudes de los ocho arcos rotados de menor radio mediante una rutina de optimización de forma que los desfases requeridos para las polarizaciones en el segundo sistema de coordenadas rotado X’’ e Y ’’ no sólo se cumplen a la frecuencia central de la banda superior (frecuencia • Readjust in each cell (12) the lengths of the eight rotated arcs of smaller radius by means of an optimization routine so that the offsets required for the polarizations in the second rotated coordinate system X'' and Y '' are not only met to the center frequency of the upper band (frequency fu) fu) sino también a las frecuencias extremas de dicha banda.but also at the extreme frequencies of said band.
En otra posible realización, el método de diseño permite obtener una antena reflectarray (100) con separación de haces de polarización circular que opera en más de dos bandas de frecuencia. Para ello:In another possible embodiment, the design method makes it possible to obtain a reflectarray antenna (100) with circular polarization beam spacing that operates in more than two frequency bands. For it:
- Se modifica el paso a) de forma que se incluyen en cada celda (12) de la antena reflectarray (100) cuatro nuevos anillos partidos concéntricos (dos por cada conjunto de anillos coplanares) por cada nueva banda de frecuencia adicional.- Step a) is modified so that each cell (12) of the reflectarray antenna (100) includes four new split concentric rings (two for each set of coplanar rings) for each new additional frequency band.
- Se determinan en el paso c) las distribuciones de desfases en las polarizaciones X e Y para cada banda de frecuencias adicional.- The distributions of phase shifts in the X and Y polarizations are determined in step c) for each additional frequency band.
- Después del paso e), se añade un nuevo paso por cada banda de frecuencia adicional consistente en el ajuste en cada celda (12) de las longitudes de los ocho arcos correspondientes a esa banda adicional para obtener los desfases de las polarizaciones X e Y que se calculan en el paso c) a la frecuencia central de la nueva banda.- After step e), a new step is added for each additional frequency band consisting of the adjustment in each cell (12) of the lengths of the eight arcs corresponding to that additional band to obtain the phase shifts of the X and Y polarizations. which are calculated in step c) at the center frequency of the new band.
- Después del paso k), se añade un nuevo paso por cada banda de frecuencia adicional consistente en la rotación en cada celda de los ocho arcos correspondientes a esa banda adicional de forma que las correcciones introducidas por los ocho arcos rotados en las polarizaciones circulares a derechas e izquierdas coinciden con las calculadas en el paso i) según la técnica de rotación variable, todo ello a la frecuencia central de cada banda adicional.- After step k), a new step is added for each additional frequency band consisting of the rotation in each cell of the eight arcs corresponding to that additional band so that the corrections introduced by the eight rotated arcs in the circular polarizations a The right and left coincide with those calculated in step i) according to the variable rotation technique, all at the central frequency of each additional band.
- Y después del paso m), se reajustan en cada celda (12) las longitudes de los ocho arcos correspondientes a la banda de frecuencia adicional de forma que se consigue la diferencia de 180 grados entre los desfases para ondas incidentes con polarizaciones lineales a lo largo de las direcciones ortogonales coplanares con la antena reflectarray (100) en el nuevo sistema de coordenadas rotado, y de forma que el desfase para la polarización lineal en cada una de esas direcciones ortogonales rotadas coincide con el que se prescribió en el paso c) para las direcciones no rotadas, todo ello a la frecuencia central de cada banda adicional. - And after step m), the lengths of the eight arcs corresponding to the additional frequency band are readjusted in each cell (12) in such a way that the difference of 180 degrees is achieved between the phase shifts for incident waves with linear polarizations along along the orthogonal directions coplanar with the reflectarray antenna (100) in the new rotated coordinate system, and such that the phase offset for linear polarization in each of those rotated orthogonal directions matches that prescribed in step c) for non-rotated directions, all at the center frequency of each additional band.
En otra posible realización, el método de diseño permite obtener una antena reflectarray (100) con separación de haces contorneados de polarización circular en al menos dos bandas de frecuencia. Para ello, las longitudes de los arcos correspondientes a cada una de las bandas de frecuencia en las que opera la antena reflectarray (100) se ajustan en cada celda (12) como se indica en los pasos c) a h) para conseguir los desfases que permiten emitir haces contorneados de polarización circular en lugar de haces colimados en la dirección intermedia descrita en el anterior paso c), haces contorneados que después se separan en dos haces contorneados de polarización circular a derechas e izquierda mediante la rotación de los citados arcos y mediante el reajuste de sus longitudes siguiendo el procedimiento descrito anteriormente en los pasos i) a p). In another possible embodiment, the design method makes it possible to obtain a reflectarray antenna (100) with separation of circularly polarized contoured beams in at least two frequency bands. To do this, the lengths of the arcs corresponding to each of the frequency bands in which the reflectarray antenna (100) operates are adjusted in each cell (12) as indicated in steps c) to h) to achieve the offsets that allow emitting circularly polarized contoured beams instead of collimated beams in the intermediate direction described in step c), contoured beams that are later separated into two circularly polarized contoured beams to the right and left by rotating the aforementioned arcs and by the readjustment of their lengths following the procedure previously described in steps i) to p).
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ES202230926A ES2930559B2 (en) | 2022-10-27 | 2022-10-27 | Flat multi-band reflectarray antenna with circularly polarized beam spacing and method for its design |
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Non-Patent Citations (4)
Title |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
ES2930559B2 (en) | 2023-04-25 |
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Legal Events
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BA2A | Patent application published |
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