ES2935284T3 - Antena holográfica que se alimenta de forma cilíndrica orientable - Google Patents

Abstract

En el presente documento se describe un aparato para una antena alimentada cilíndricamente y un método para usar la misma. En una realización, la antena comprende una alimentación de antena para introducir una onda de alimentación cilíndrica y una matriz ranurada sintonizable acoplada a la alimentación de antena. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Antena holográfica que se alimenta de forma cilindrica orientable

CAMPO DE LA INVENCIÓN

Las formas de realización de la presente invención se refieren al campo de las antenas; más en particular, las formas de realización de la presente invención se refieren a una antena que se alimenta de forma cilíndrica. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los productos Thinkom logran una polarización circular dual en la banda Ka utilizando enfoques basados en PCB, generalmente utilizando un Stub transversal inclinado variable, o enfoque "VICTS" con dos tipos de rotación mecánica. El primer tipo gira una matriz con respecto a otra, y el segundo tipo gira ambos en acimut. Las limitaciones principales son el intervalo de escaneo (elevación entre 20 y 70 grados, sin posibilidad de costado) y el rendimiento del haz (a veces limitado solo a Rx).

Ando et al., "Radial line slot antenna for 12 GHz DBS satellite reception” (Antena de ranura de línea radial para recepción de satélite DBS de 12 GHz), y Yuan et al., "Design and Experiments of a Novel Radial Line Slot Antenna for High-Power Microwave Applications” (Diseño y experimentos de una nueva antena de ranura de línea radial para aplicaciones de microondas de alta potencia), analizan varias antenas. La limitación de las antenas descritas en ambos documentos es que el haz se forma solo en un ángulo estático. Las estructuras de alimentación descritas en los documentos son dobladas, de doble capa, en que la primera capa acepta la alimentación del pin e irradia la señal hacia los bordes, dobla la señal hacia la capa superior y a continuación la capa superior transmite desde la periferia al centro ranuras fijas de excitación de centro en su trayectoria. Las ranuras suelen estar orientadas en pares ortogonales, lo que proporciona una polarización circular fija en el modo de transmisión y la inversa en el modo de recepción. Finalmente, un absorbedor termina con cualquier energía restante.

"Scalar and Tensor Holographic Artificial Impedance Surfaces” (Superficies de impedancia artificial holográfica escalar y tensorial), autores Fong, Colburn, Ottusch, Visher, Sievenpiper. Si bien Sievenpiper ha demostrado cómo se lograría una antena de exploración dinámica, la fidelidad de la polarización mantenida durante el escaneo es cuestionable. Esto se debe a que el control de polarización requerido depende de la impedancia tensorial requerida en cada elemento radiante. Esto se logra más fácilmente mediante la rotación de elementos. Pero a medida que la antena escanea, la polarización en cada elemento cambia y, por lo tanto, la rotación requerida también cambia. Dado que estos elementos son fijos y no se pueden girar dinámicamente, no hay forma de escanear y mantener el control de polarización.

Los enfoques estándar de la industria para lograr antenas de escaneo de haz que tengan control de polarización suelen utilizar platos giratorios mecánicamente o algún tipo de movimiento mecánico en combinación con la dirección electrónica del haz. La clase de opciones más costosa es una antena de matriz en fase completa. Los platos pueden recibir múltiples polarizaciones simultáneamente, pero requieren un cardán para escanear. Más recientemente, la combinación del movimiento mecánico en un eje con el escaneo electrónico en un eje ortogonal ha dado como resultado estructuras con una alta relación de aspecto que requieren menos volumen, pero sacrifican el rendimiento del haz o el control de polarización dinámica, como por ejemplo el sistema de Thinkom.

Se conocen otros diseños de antena a partir de los documentos JP 3247155 B2, JP H088640 A, JP H02164108 A, Radu Marin: "Investigations on liquid crystal reconfigurable unit cells for mm-wave reflectarrays" (Investigaciones sobre células de unidad reconfigurables de cristal líquido para matrices de reflexión de onda mm) (2008-01-01) pág. i-155, XP055401196 ; JP 2012085145 A .

Los enfoques anteriores utilizan una guía de ondas y una estructura de alimentación divisora para alimentar las antenas. Sin embargo, los diseños de guía de ondas tienen una oscilación de impedancia cerca del costado (una brecha de banda creada por estructuras periódicas de 1 longitud de onda); requieren vinculación con CTE diferentes; tener una pérdida óhmica asociada de la estructura de alimentación; y/o tener miles de vías para extenderse al plano de tierra.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

En el presente documento se describe un aparato para una antena alimentada cilíndricamente tal como se define en la reivindicación 1 adjunta y un método para utilizar la misma, tal como se define en la reivindicación 8 adjunta. Otras modificaciones ventajosas se definen en las reivindicaciones dependientes. En una forma de realización, la antena comprende una alimentación de antena para introducir una onda de alimentación cilíndrica y una matriz ranurada ajustable acoplada a la alimentación de antena.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La presente invención se entenderá más completamente a partir de la descripción detallada que se proporciona a continuación y de los dibujos adjuntos de varias formas de realización de la invención, que, sin embargo, no deben tomarse como una limitación de la invención a las formas de realización específicas, sino que son solo para explicación y comprensión. Las Figuras 2B y 18 y las formas de realización asociadas relativas a una estructura de alimentación de una sola capa no están incluidas en el texto de las reivindicaciones, pero se consideran útiles para comprender la invención.

La Figura 1 ilustra una vista desde arriba de una forma de realización de un alimentador coaxial que se utiliza para proporcionar una alimentación de ondas cilíndricas.

Las Figuras 2A y 2B ilustran vistas laterales de formas de realización de una estructura de antena alimentada cilíndricamente.

La Figura 3 ilustra una vista desde arriba de una forma de realización de una antena de parche acoplada por ranura, o dispersor.

La Figura 4 ilustra una vista lateral de una antena de parche alimentada por ranura que forma parte de un sistema de antena alimentado cíclicamente.

La Figura 5 ilustra un ejemplo de un material dieléctrico en el que se lanza una onda de alimentación.

La Figura 6 ilustra una forma de realización de una placa de iris que muestra las ranuras y su orientación.

La Figura 7 ilustra la manera en que se determina la orientación de una combinación de iris/parche. La Figura 8 ilustra iris agrupados en dos conjuntos, con el primer conjunto girado a -45 grados con respecto al vector de alimentación de energía y el segundo conjunto girado a 45 grados con respecto al vector de alimentación de energía.

La Figura 9 ilustra una forma de realización de una placa de conexiones.

La Figura 10 ilustra un ejemplo de elementos con parches en la Figura 9 que se determina que están apagados a la frecuencia de operación.

La Figura 11 ilustra un ejemplo de elementos con parches en la Figura 9 que se determina que están encendidos a la frecuencia de operación.

La Figura 12 ilustra los resultados del modelado de onda completa que muestra una respuesta de campo eléctrico a un patrón de control/modulación de encendido y apagado con respecto a los elementos de las figuras 10 y 11.

La Figura 13 ilustra la formación del haz utilizando una forma de realización de una antena alimentada cilíndricamente.

Las Figuras 14A y 14B ilustran parches y ranuras colocados en un patrón de panal.

Las Figuras 15A-C ilustran parches y ranuras asociadas posicionadas en anillos para crear un diseño radial, un patrón de control asociado y la respuesta de antena resultante.

Las Figuras 16A y 16B ilustran la polarización circular derecha y la polarización circular izquierda, respectivamente.

La Figura 17 ilustra una parte de una antena alimentada cilíndricamente que incluye una capa de vidrio que contiene los parches.

La Figura 18 ilustra una disminución lineal de un dieléctrico.

La Figura 19A ilustra un ejemplo de una onda de referencia.

La Figura 19B ilustra una onda de objeto generada.

La Figura 19C es un ejemplo del patrón de modulación sinusoidal resultante.

La Figura 20 ilustra una forma de realización de antena alternativa en la que cada uno de los lados incluye un escalón para hacer que una onda en movimiento se transmita desde una capa inferior a una capa superior.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA PRESENTE INVENCIÓN

Las formas de realización de la invención incluyen una arquitectura de diseño de antena que alimenta la antena desde un punto central con una excitación (onda de alimentación) que se propaga de forma cilíndrica o concéntrica hacia el exterior desde el punto de alimentación. La antena funciona mediante la disposición de múltiples antenas de subabertura alimentadas cilíndricamente (por ejemplo, antenas de parche) con la onda de alimentación. En una forma de realización alternativa, la antena se alimenta desde el perímetro hacia adentro, en lugar de hacerlo desde el centro hacia afuera. Esto puede ser útil ya que contrarresta el decaimiento de la excitación de amplitud causado por la energía de dispersión de la apertura. La dispersión ocurre de manera similar en ambas orientaciones, pero la disminución natural causada por el enfoque de la energía en la onda de alimentación a medida que viaja desde el perímetro hacia adentro contrarresta la disminución gradual causada por la dispersión prevista.

Las formas de realización de la invención incluyen una antena holográfica basada en duplicar la densidad habitualmente requerida para lograr la holografía y llenar la abertura con dos tipos de conjuntos ortogonales de elementos. En una forma de realización, un conjunto de elementos está orientado linealmente a 45 grados con respecto a la onda de alimentación, y el segundo conjunto de elementos está orientado a -45 grados con respecto a la onda de alimentación. Ambos tipos están iluminados por la misma onda de alimentación, que, en una forma, es un modo de placas paralelas lanzadas por una alimentación de pin coaxial.

En la siguiente descripción, se exponen numerosos detalles para proporcionar una explicación más completa de la presente invención. Sin embargo, resultará evidente para un experto en la materia que la presente invención se puede poner en práctica sin estos detalles específicos. En otros casos, las estructuras y dispositivos bien conocidos se muestran en forma de diagrama de bloques, en lugar de en detalle, para evitar oscurecer la presente invención.

Algunas partes de las descripciones detalladas que siguen se presentan en términos de algoritmos y representaciones simbólicas de operaciones en bits de datos dentro de la memoria de una computadora. Estas descripciones y representaciones algorítmicas son los medios utilizados por los expertos en las técnicas del procesamiento de datos para transmitir de la manera más eficaz la esencia de su trabajo a otros expertos en la materia. Un algoritmo se concibe aquí, y en general, como una secuencia autoconsistente de pasos que conducen a un resultado deseado. Los pasos son los que requieren manipulaciones físicas de cantidades físicas. Por lo general, aunque no necesariamente, estas cantidades toman la forma de señales eléctricas o magnéticas que pueden almacenarse, transferirse, combinarse, compararse y manipularse de otra manera. A veces ha resultado conveniente, principalmente por razones de uso común, referirse a estas señales como bits, valores, elementos, símbolos, caracteres, términos, números o similares.

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que todos estos términos y otros similares deben asociarse con las cantidades físicas apropiadas y son simplemente etiquetas convenientes aplicadas a estas cantidades. A menos que se indique específicamente lo contrario, tal como se desprende de la siguiente descripción, se aprecia que a lo largo de la descripción, las descripciones que utilizan términos como "procesamiento" o "computación" o "cálculo" o "determinación" o "visualización" o similares, se refieren a la acción y procesos de un sistema informático, o dispositivo informático electrónico similar, que manipula y transforma datos representados como cantidades físicas (electrónicas) dentro de los registros y memorias del sistema informático en otros datos representados de manera similar como cantidades físicas dentro de las memorias o registros del sistema informático u otros de dichos dispositivos de almacenamiento, transmisión o visualización de información.

Descripción general de un ejemplo del sistema de antena

Se describen formas de realización de un sistema de antena de metamaterial para estaciones terrestres de satélites de comunicaciones. En una forma de realización, el sistema de antena es un componente o subsistema de una estación terrestre (ES) de satélite que opera en una plataforma móvil (por ejemplo, aeronáutica, marítima, terrestre, etc.) que opera utilizando frecuencias de banda Ka o frecuencias de banda Ku para comunicaciones comerciales civiles por satélite. Debe tenerse en cuenta que las formas de realización del sistema de antena también se pueden utilizar en estaciones terrestres que no están en plataformas móviles (por ejemplo, estaciones terrestres fijas o transportables).

En una forma de realización, el sistema de antena usa tecnología de metamaterial de dispersión superficial para formar y dirigir haces de transmisión y recepción a través de antenas separadas. En una forma de realización, los sistemas de antena son sistemas analógicos, en contraste con los sistemas de antena que emplean el procesamiento de señales digitales para formar y dirigir eléctricamente haces (como por ejemplo antenas de matriz en fase).

En una forma de realización, el sistema de antena consta de tres subsistemas funcionales: (1) una estructura de propagación de ondas que consta de una arquitectura de alimentación de ondas cilíndrica; (2) una matriz de células unitarias de metamaterial de dispersión de ondas; y (3) una estructura de control para ordenar la formación de un campo de radiación ajustable (haz) a partir de los elementos de dispersión de metamaterial utilizando principios holográficos.

Ejemplos de estructuras de propagación de ondas

La Figura 1 ilustra una vista desde arriba de una forma de realización de un alimentador coaxial que se utiliza para proporcionar un alimentador de ondas cilíndricas. Haciendo referencia a la Figura 1, la alimentación coaxial incluye un conductor central y un conductor exterior. En una forma de realización, la arquitectura de alimentación de ondas cilíndricas alimenta la antena desde un punto central con una excitación que se propaga hacia fuera de forma cilíndrica desde el punto de alimentación. Es decir, una antena alimentada cilíndricamente crea una onda de alimentación concéntrica que se desplaza hacia el exterior. Aun así, la forma de la antena de alimentación cilíndrica alrededor de la alimentación cilíndrica puede ser circular, cuadrada o de cualquier forma. En otra forma de realización, una antena alimentada cilíndricamente crea una onda de alimentación que se desplaza hacia el interior. En tal caso, la onda de alimentación proviene más naturalmente de una estructura circular.

La Figura 2A ilustra una vista lateral de una forma de realización de una estructura de antena alimentada cilindricamente. La antena produce una onda que viaja hacia el interior utilizando una estructura de alimentación de doble capa (es decir, dos capas de una estructura de alimentación). En una forma de realización, la antena incluye una forma exterior circular, aunque esto no es necesario. Es decir, se pueden utilizar estructuras de desplazamiento hacia el interior no circulares. En una forma de realización, la estructura de antena de la Figura 2A incluye la alimentación coaxial de la Figura 1.

Con referencia a la Figura 2A, se utiliza un pin coaxial 201 para excitar el campo en el nivel inferior de la antena. En una forma de realización, el pin coaxial 201 es un pin coaxial de 50 O que está fácilmente disponible. El pin coaxial 201 está acoplado (por ejemplo, atornillado) a la parte inferior de la estructura de la antena, que es un plano de tierra conductor 202.

Separado del plano conductor de tierra 202 se encuentra el conductor intersticial 203, que es un conductor interno. En una forma de realización, el plano de tierra conductor 202 y el conductor intersticial 203 son paralelos entre sí. En una forma de realización, la distancia entre el plano de tierra 202 y el conductor intersticial 203 es de 0,1 - 0,15". En otra forma de realización, esta distancia puede ser A/2, en que A es la longitud de onda de la onda progresiva a la frecuencia de funcionamiento.

El plano de tierra 202 está separado del conductor intersticial 203 a través de un espaciador 204. En una forma de realización, el espaciador 204 es un espaciador de espuma o similar al aire. En una forma de realización, el espaciador 204 comprende un espaciador de plástico.

Encima del conductor intersticial 203 se encuentra la capa dieléctrica 205. En una forma de realización, la capa dieléctrica 205 es de plástico. La Figura 5 ilustra un ejemplo de un material dieléctrico en el que se lanza una onda de alimentación. El propósito de la capa dieléctrica 205 es reducir la velocidad de la onda progresiva en relación con la velocidad en el espacio libre. En una forma de realización, la capa dieléctrica 205 reduce la velocidad de la onda progresiva en un 30 % con respecto al espacio libre. En una forma de realización, el intervalo de índices de refracción que son adecuados para la formación de haz es 1,2 - 1,8, en que el espacio libre tiene por definición un índice de refracción igual a 1. Para conseguir este efecto se pueden utilizar otros materiales espaciadores dieléctricos, como por ejemplo plástico. Debe tenerse en cuenta que se pueden usar materiales distintos al plástico siempre que logren el efecto deseado de desaceleración de las ondas. Alternativamente, se puede usar un material con estructuras distribuidas como dieléctrico 205, como por ejemplo estructuras metálicas periódicas de sublongitud de onda que se pueden mecanizar o definir litográficamente, por ejemplo.

Una matriz de RF 206 se encuentra encima del dieléctrico 205. En una forma de realización, la distancia entre el conductor intersticial 203 y la matriz de RF 206 es de 0,1 - 0,15". En otra forma de realización, esta distancia puede ser Aeff/2 , donde Aeff es la longitud de onda efectiva en el medio a la frecuencia de diseño.

La antena incluye los lados 207 y 208. Los lados 207 y 208 están inclinados para hacer que una onda progresiva alimentada desde el pin coaxial 201 se propague desde el área por debajo del conductor intersticial 203 (la capa espaciadora) al área por encima del conductor intersticial 203 (la capa dieléctrica) a través de la reflexión. En una forma de realización, el ángulo de los lados 207 y 208 son ángulos de 45°. En una forma de realización alternativa, los lados 207 y 208 podrían reemplazarse con un radio continuo para lograr la reflexión. Si bien la Figura 2A muestra lados en ángulo que tienen un ángulo de 45 grados, se pueden usar otros ángulos que logran la transmisión de señal desde la alimentación de nivel inferior a la alimentación de nivel superior. Es decir, dado que la longitud de onda efectiva en la alimentación inferior generalmente será diferente a la de la alimentación superior, se podría utilizar alguna desviación de los ángulos ideales de 45° para ayudar a la transmisión desde el nivel de alimentación inferior al superior. Por ejemplo, en otra forma de realización, los ángulos de 45° se reemplazan con un solo escalón tal como se muestra en la Figura 20. Con referencia a la Figura 20, los escalones 2001 y 2002 se muestran en un extremo de la antena alrededor de la capa dieléctrica 2005, el conductor intersticial 2003 y la capa espaciadora 2004. Los mismos dos escalones se encuentran en los otros extremos de estas capas.

En funcionamiento, cuando se alimenta una onda de alimentación desde el pin coaxial 201, la onda viaja hacia afuera orientada concéntricamente desde el pin coaxial 201 en el área entre el plano de tierra 202 y el conductor intersticial 203. Las ondas salientes concéntricamente se reflejan en los lados 207 y 208 y viajan hacia adentro en el área entre el conductor intersticial 203 y la matriz de RF 206. La reflexión desde el borde del perímetro circular hace que la onda permanezca en fase (es decir, es una reflexión en fase). La onda progresiva es frenada por la capa dieléctrica 205. En este punto, la onda progresiva comienza a interactuar y excitarse con los elementos de la matriz de RF 206 para obtener la dispersión deseada.

Para terminar la onda progresiva, se incluye una terminación 209 en la antena en el centro geométrico de la antena. En una forma de realización, la terminación 209 comprende una terminación de clavija (por ejemplo, una clavija de 50 O). En otra forma de realización, la terminación 209 comprende un absorbedor de RF que termina la energía no utilizada para evitar los reflejos de esa energía no utilizada a través de la estructura de alimentación de la antena. Estos podrían utilizarse en la parte superior de la matriz de RF 206.

La Figura 2B ilustra otra forma de realización del sistema de antena con una onda saliente. Haciendo referencia a la Figura 2B, dos planos de tierra 210 y 211 son sustancialmente paralelos entre sí con una capa dieléctrica 212 (por ejemplo, una capa de plástico, etc.) entre los planos de tierra 210 y 211. Los absorbedores de RF 213 y 214 (por ejemplo, resistencias) acoplan los dos planos de tierra 210 y 211 entre sí. Un pin coaxial 215 (por ejemplo, 50 O) alimenta la antena. Una matriz de RF 216 se encuentra encima de la capa dieléctrica 212.

En funcionamiento, una onda de alimentación se alimenta a través del pin coaxial 215 y viaja concéntricamente hacia afuera e interactúa con los elementos de la matriz de RF 216.

La alimentación cilíndrica en ambas antenas de las Figuras 2A y 2B mejora el ángulo de servicio de la antena. En lugar de un ángulo de servicio de más o menos cuarenta y cinco grados de acimut (±45° Az) y más o menos veinticinco grados de elevación (±25° El), en una forma de realización, el sistema de antena tiene un ángulo de servicio de setenta y cinco grados (75°) desde el eje de puntería en todas las direcciones. Al igual que sucede con cualquier antena de formación de haz compuesta por muchos radiadores individuales, la ganancia total de la antena depende de la ganancia de los elementos constituyentes, que a su vez dependen del ángulo. Cuando se utilizan elementos radiantes comunes, la ganancia general de la antena generalmente disminuye a medida que el haz apunta más lejos del eje de puntería. A 75 grados de separación del eje de puntería, se espera una degradación significativa de la ganancia de alrededor de 6 dB.

Las formas de realización de la antena que tienen un alimentador cilíndrico resuelven uno o más problemas. Estos incluyen simplificar drásticamente la estructura de alimentación en comparación con las antenas alimentadas con una red divisoria corporativa y, por lo tanto, reducir el volumen total requerido de antena y alimentación de antena; disminución de la sensibilidad a los errores de fabricación y control al mantener un alto rendimiento del haz con controles más estrictos (que se extienden hasta el control binario simple); proporcionar un patrón de lóbulo lateral más ventajoso en comparación con las alimentaciones rectilíneas ya que las ondas de alimentación orientadas cilíndricamente dan como resultado lóbulos laterales espacialmente diversos en el campo lejano; y permitir que la polarización sea dinámica, lo que incluye permitir polarizaciones circulares a la izquierda, circulares a la derecha y lineales, sin requerir un polarizador.

Matriz de elementos de dispersión de ondas

La matriz de RF 206 de la Figura 2A y la matriz de RF 216 de la Figura 2B incluyen un subsistema de dispersión de ondas que incluye un grupo de antenas de parche (es decir, dispersores) que actúan como radiadores. Este grupo de antenas de parche comprende una matriz de elementos metamateriales de dispersión.

En una forma de realización, cada elemento de dispersión en el sistema de antena es parte de una célula unitaria que consta de un conductor inferior, un sustrato dieléctrico y un conductor superior que incorpora un resonador inductivo-capacitivo eléctrico complementario ("LC eléctrico complementario" o "CELC") que se graba o deposita sobre el conductor superior.

En una forma de realización, se inyecta un cristal líquido (LC) en el espacio alrededor del elemento de dispersión. El cristal líquido está encapsulado en cada célula unitaria y separa el conductor inferior asociado con una ranura de un conductor superior asociado con su parche. El cristal líquido tiene una permitividad que es función de la orientación de las moléculas que componen el cristal líquido, y la orientación de las moléculas (y por lo tanto la permitividad) se puede controlar ajustando el voltaje de polarización a través del cristal líquido. Usando esta propiedad, el cristal líquido actúa como un interruptor de encendido/apagado para la transmisión de energía desde la onda guiada al CELC. Cuando se enciende, el CELC emite una onda electromagnética como una antena dipolo eléctricamente pequeña.

El control del grosor de la LC aumenta la velocidad de conmutación del haz. Una reducción del cincuenta por ciento (50%) en la separación entre el conductor inferior y el superior (el grosor del cristal líquido) da como resultado un aumento de cuatro veces en la velocidad. En otra forma de realización, el grosor del cristal líquido da como resultado una velocidad de conmutación del haz de aproximadamente catorce milisegundos (14 ms). En una forma de realización, el LC se dopa de una manera bien conocida en la técnica para mejorar la capacidad de respuesta de modo que se pueda cumplir un requisito de siete milisegundos (7 ms).

El elemento CELC responde a un campo magnético que se aplica paralelo al plano del elemento CELC y perpendicular al complemento del espacio CELC. Cuando se aplica un voltaje al cristal líquido en la célula unitaria de dispersión del metamaterial, el componente del campo magnético de la onda guiada induce una excitación magnética del CELC que, a su vez, produce una onda electromagnética en la misma frecuencia que la onda guiada.

La fase de la onda electromagnética generada por un solo CELC se puede seleccionar mediante la posición del CELC en el vector de la onda guiada. Cada célula genera una onda en fase con la onda guiada paralela a la CELC. Debido a que los CELC son más pequeños que la longitud de onda, la onda de salida tiene la misma fase que la fase de la onda guiada cuando pasa por debajo del CELC.

En una forma de realización, la geometría de alimentación cilíndrica de este sistema de antena permite colocar los elementos CELC en ángulos de cuarenta y cinco grados (45°) con respecto al vector de la onda en la alimentación de onda. Esta posición de los elementos permite el control de la polarización de la onda de espacio libre generada o recibida por los elementos. En una forma de realización, los CELC están dispuestos con una separación entre elementos que es menor que una longitud de onda de espacio libre de la frecuencia operativa de la antena. Por ejemplo, si hay cuatro elementos de dispersión por longitud de onda, los elementos en la antena de transmisión de 30 GHz serán de aproximadamente 2,5 mm (es decir, 1/4 de la longitud de onda de espacio libre de 10 mm de 30 GHz).

En una forma de realización, los CELC se implementan con antenas de parche que incluyen un parche colocado sobre una ranura con cristal líquido entre los dos. En este sentido, la antena de metamaterial actúa como una guía de ondas ranurada (dispersión). Con una guía de ondas ranurada, la fase de la onda de salida depende de la ubicación de la ranura en relación con la onda guiada.

La Figura 3 ilustra una vista desde arriba de una forma de realización de una antena de parche o elemento de dispersión. Haciendo referencia a la Figura 3, la antena de parche comprende un parche 30l colocado sobre una ranura 302 con cristal líquido (LC) 303 entre el parche 301 y la ranura 302.

La Figura 4 ilustra una vista lateral de una antena de parche que forma parte de un sistema de antena alimentado cíclicamente. Haciendo referencia a la Figura 4, la antena de parche está por encima del dieléctrico 402 (por ejemplo, un inserto de plástico, etc.) que está por encima del conductor intersticial 203 de la Figura 2A (o un conductor de tierra como por ejemplo en el caso de la antena de la Figura 2B).

Una placa de iris 403 es un plano de tierra (conductor) con varias ranuras, como por ejemplo la ranura 403a encima y sobre el dieléctrico 402. Una ranura puede denominarse en la presente memoria iris. En una forma de realización, las ranuras en la placa de iris 403 se crean mediante grabado. Debe observarse que en una forma de realización, la mayor densidad de ranuras, o de las células de las que forman parte, es A/2. En una forma de realización, la densidad de ranuras/células es A/3 (es decir, 3 células por A). Debe tenerse en cuenta que se pueden utilizar otras densidades de células.

Una placa de conexiones 405 que contiene una serie de parches, como por ejemplo el parche 405a, está situada sobre la placa de iris 403, separada por una capa dieléctrica intermedia. Cada uno de los parches, como por ejemplo el parche 405a, se ubica junto con una de las ranuras en la placa iris 403. En una forma de realización, la capa dieléctrica intermedia entre la placa de iris 403 y la placa de conexiones 405 es una capa de sustrato de cristal líquido 404. El cristal líquido actúa como una capa dieléctrica entre cada parche y su ranura coubicada. Debe tenerse en cuenta que se pueden utilizar capas de sustrato distintas de LC.

En una forma de realización, la placa de conexiones 405 comprende una placa de circuito impreso (PCB) y cada parche comprende metal en el PCB, en que se ha eliminado el metal alrededor del parche.

En una forma de realización, la placa de conexiones 405 incluye vías para cada parche que está en el lado del placa de conexiones opuesto al lado donde el parche mira hacia su ranura coubicada. Las vías se utilizan para conectar una o más trazas a un parche para proporcionar voltaje al parche. En una forma de realización, el controlador de matriz se utiliza para aplicar voltaje a los parches para controlarlos. El voltaje se utiliza para ajustar o desajustar elementos individuales con el fin de efectuar la formación del haz.

En una forma de realización, los parches se pueden depositar sobre la capa de vidrio (por ejemplo, un vidrio utilizado habitualmente para pantallas LC (LCD) como, por ejemplo, vidrio Corning Eagle), en lugar de utilizar una placa de circuito impreso. La Figura 17 ilustra una parte de una antena alimentada cilíndricamente que incluye una capa de vidrio que contiene los parches. Haciendo referencia a la Figura 17, la antena incluye una base conductora o una capa de tierra 1701, una capa dieléctrica 1702 (por ejemplo, de plástico), una placa de iris 1703 (por ejemplo, una placa de circuito) que contiene ranuras, una capa de sustrato de cristal líquido 1704 y una capa de vidrio 1705 que contiene parches 1710. En una forma de realización, los parches 1710 tienen forma rectangular. En una forma de realización, las ranuras y los parches se colocan en filas y columnas, y la orientación de los parches es la misma para cada fila o columna, mientras que la orientación de las ranuras coubicadas es la misma entre sí para filas o columnas, respectivamente.

En una forma de realización, una tapa (por ejemplo, una tapa de radomo) cubre la parte superior de la pila de antenas de parche para proporcionar protección.

La Figura 6 ilustra una forma de realización de la placa de iris 403. Este es un conductor inferior de los CELC. Haciendo referencia a la Figura 6, la placa de iris incluye una matriz de ranuras. En una forma de realización, cada ranura está orientada a 45 o -45 con respecto a la onda de alimentación que incide en la ubicación central de la ranura. En otras palabras, el patrón de diseño de los elementos de dispersión (CELC) está dispuesto a ±45 grados del vector de la onda. Debajo de cada ranura hay una abertura circular 403b, que es esencialmente otra ranura. La ranura está en la parte superior de la placa de iris y la abertura circular o elíptica está en la parte inferior de la placa de iris. Debe tenerse en cuenta que estas aberturas, que pueden tener una profundidad de aproximadamente 0,001" o 25 mm, son opcionales.

La matriz ranurada se carga direccionalmente de manera ajustable. Al activar o desactivar ranuras individuales, cada ranura se ajusta para proporcionar la dispersión deseada en la frecuencia operativa de la antena (es decir, se ajusta para operar a una frecuencia determinada).

La Figura 7 ilustra la manera en que se determina la orientación de una combinación de iris (ranura)/parche. Haciendo referencia a la Figura 7, la letra A denota una flecha negra continua que indica el vector de alimentación de energía desde una ubicación de alimentación cilíndrica hasta el centro de un elemento. La letra B indica líneas ortogonales discontinuas que muestran ejes perpendiculares en relación con "A", y la letra C indica un rectángulo discontinuo que rodea la ranura girada 45 grados con respecto a "B".

La Figura 8 ilustra iris (ranuras) agrupados en dos conjuntos, con el primer conjunto girado a -45 grados con respecto al vector de alimentación de potencia y el segundo conjunto girado a 45 grados con respecto al vector de alimentación de potencia. Haciendo referencia a la Figura 8, el grupo A incluye ranuras cuya rotación con respecto a un vector de alimentación es igual a -45°, mientras que el grupo B incluye ranuras cuya rotación con respecto a un vector de alimentación es de 45°.

Debe tenerse en cuenta que la designación de un sistema de coordenadas global no es importante y, por lo tanto, las rotaciones de ángulos negativos y positivos son importantes solo porque describen rotaciones relativas de elementos entre sí y con la dirección de la onda de alimentación. Para generar polarización circular a partir de dos conjuntos de elementos polarizados linealmente, los dos conjuntos de elementos son perpendiculares entre sí y simultáneamente tienen excitación de igual amplitud. Al girarlos /-45 grados en relación con la excitación de la onda de alimentación, se logran las dos características deseadas a la vez. Rotar un conjunto 0 grados y el otro 90 grados lograría el objetivo perpendicular, pero no el objetivo de excitación de igual amplitud.

La Figura 9 ilustra una forma de realización de la placa de conexiones 405. Este es un conductor superior de los CELC. Haciendo referencia a la Figura 9, la placa de conexiones incluye parches rectangulares que cubren ranuras y completan pares resonantes de parche/ranura polarizados linealmente para ser apagados y encendidos. Los pares se apagan o encienden aplicando un voltaje al parche utilizando un controlador. El voltaje requerido depende de la mezcla de cristal líquido que se utilice, el voltaje de umbral resultante requerido para comenzar a ajustar el cristal líquido y el voltaje de saturación máximo (más allá del cual ningún voltaje más alto produce ningún efecto excepto eventualmente degradar o provocar un cortocircuito a través del cristal líquido). En una forma de realización, se usa el controlador de matriz para aplicar voltaje a los parches con el fin de controlar el acoplamiento.

Control del sistema de antena

La estructura de control tiene 2 componentes principales; el controlador, que incluye la electrónica de accionamiento, para el sistema de antena, está debajo de la estructura de dispersión de ondas, mientras que la matriz de conmutación de activación de matriz se intercala en toda la matriz de RF radiante de tal manera que no interfiere con la radiación. En una forma de realización, la electrónica de accionamiento para el sistema de antena comprende controles LCD disponibles comercialmente utilizados en aparatos de televisión comerciales que ajustan el voltaje de polarización para cada elemento de dispersión ajustando la amplitud de una señal de polarización de CA a ese elemento.

En una forma de realización, el controlador controla la electrónica utilizando controles de software. En una forma de realización, el control de la polarización es parte del control de software de la antena y la polarización está preprogramada para que coincida con la polarización de la señal que proviene del servicio de satélite con el que se comunica la estación terrestre o está preprogramada para coincidir con la polarización de la antena receptora del satélite.

En una forma de realización, el controlador también contiene un microprocesador que ejecuta el software. La estructura de control también puede incorporar sensores (que incluyen nominalmente un receptor GPS, una brújula de tres ejes y un acelerómetro) para proporcionar información de ubicación y orientación al procesador. La información de ubicación y orientación puede ser proporcionada al procesador por otros sistemas en la estación terrestre y/o puede no ser parte del sistema de antena.

Más específicamente, el controlador controla qué elementos se apagan y qué elementos se encienden a la frecuencia de funcionamiento. Los elementos se desajustan selectivamente para la operación de frecuencia mediante la aplicación de voltaje. Un controlador suministra una matriz de señales de voltaje a los parches de radiación de RF para crear un patrón de modulación o control. El patrón de control hace que los elementos se enciendan o apaguen. En una forma de realización, el patrón de control se asemeja a una onda cuadrada en la que los elementos a lo largo de una espiral (LHCP o RHCP) están "encendidos" y los elementos alejados de la espiral están "apagados" (es decir, un patrón de modulación binaria). En otra forma de realización, se utiliza el control multiestado en el que varios elementos se activan y desactivan a niveles variables, acercándose aún más a un patrón de control sinusoidal, en oposición a una onda cuadrada (es decir, un patrón de modulación de sombra gris sinusoidal). Algunos elementos irradian con más fuerza que otros, en lugar de que algunos elementos radien y otros no. La radiación variable se logra aplicando niveles de voltaje específicos, que ajustan la permitividad del cristal líquido a cantidades variables, desajustando así los elementos de manera variable y haciendo que algunos elementos irradien más que otros.

La generación de un haz enfocado por la matriz de metamateriales de elementos puede explicarse por el fenómeno de la interferencia constructiva y destructiva. Las ondas electromagnéticas individuales se suman (interferencia constructiva) si tienen la misma fase cuando se encuentran en el espacio libre y las ondas se cancelan entre sí (interferencia destructiva) si están en fase opuesta cuando se encuentran en el espacio libre. Si las ranuras de una antena ranurada se colocan de modo que cada ranura sucesiva se coloque a una distancia diferente del punto de excitación de la onda guiada, la onda dispersada de ese elemento tendrá una fase diferente a la onda dispersada de la ranura anterior. Si las ranuras están separadas un cuarto de una longitud de onda guiada, cada ranura dispersará una onda con un cuarto de retraso de fase con respecto a la ranura anterior.

Utilizando la matriz, se puede aumentar el número de patrones de interferencia constructiva y destructiva que se pueden producir, de modo que los haces puedan apuntar teóricamente en cualquier dirección más o menos noventa grados (90°) desde el punto de mira del conjunto de antenas, utilizando los principios de la holografía. Por lo tanto, al controlar qué células unitarias de metamaterial se encienden o apagan (es decir, cambiando el patrón de qué células se encienden y cuáles se apagan), se puede producir un patrón diferente de interferencia constructiva y destructiva, y la antena puede cambiar la dirección del frente de onda. El tiempo requerido para encender y apagar las células unitarias dicta la velocidad a la que el haz se puede cambiar de una ubicación a otra ubicación.

La polarización y el ángulo de orientación del haz están definidos por la modulación o el patrón de control que especifica qué elementos están activados o desactivados. En otras palabras, la frecuencia a la que apuntar el haz y polarizarlo de la manera deseada depende del patrón de control. Dado que el patrón de control es programable, la polarización se puede programar para el sistema de antena. Los estados de polarización deseados son circulares o lineales para la mayoría de las aplicaciones. Los estados de polarización circular incluyen estados de polarización en espiral, es decir, polarización circular derecha y polarización circular izquierda, que se muestran en las Figuras 16A y 16B, respectivamente, para una onda de alimentación alimentada desde el centro y que se desplaza hacia el exterior. Debe tenerse en cuenta que para obtener el mismo haz al cambiar las direcciones de alimentación (por ejemplo, al pasar de una alimentación de entrada a una alimentación de salida), se invierte la orientación, el sentido o el patrón de modulación en espiral. Debe tenerse en cuenta que la dirección de la onda de alimentación (es decir, alimentación desde el centro o desde el borde) también se especifica cuando se establece que un patrón en espiral dado de elementos de encendido y apagado da como resultado una polarización circular hacia la izquierda o hacia la derecha.

El patrón de control para cada haz se almacenará en el controlador o se calculará sobre la marcha, o alguna combinación de los mismos. Cuando el sistema de control de antena determina dónde está ubicada la antena y hacia dónde apunta, determina dónde está ubicado el satélite objetivo en referencia a la vista de la antena. A continuación, el controlador ordena un patrón de encendido y apagado de las células unitarias individuales en la matriz que se corresponde con el patrón de haz preseleccionado para la posición del satélite en el campo de visión de la antena.

En una forma de realización, el sistema de antena produce un haz orientable para la antena de enlace ascendente y un haz orientable para la antena de enlace descendente.

La Figura 10 ilustra un ejemplo de elementos con parches en la Figura 9 que se determina que están apagados a la frecuencia de operación, y la Figura 11 ilustra un ejemplo de elementos con parches en la Figura 9 que se determina que están encendidos a la frecuencia de operación. La Figura 12 ilustra los resultados del modelado de onda completa que muestra una respuesta de campo eléctrico al patrón de modulación de encendido y apagado con respecto a los elementos de las Figuras 10 y 11.

La Figura 13 ilustra la formación del haz. Con referencia a la Figura 13, el patrón de interferencia puede ajustarse para proporcionar patrones de radiación de antena arbitrarios identificando un patrón de interferencia correspondiente a un patrón de haz seleccionado y a continuación ajustando el voltaje a través de los elementos de dispersión para producir un haz de acuerdo con los principios de la holografía. El principio básico de la holografía, incluidos los términos "haz de objeto" y "haz de referencia", tal como se utilizan habitualmente en relación con estos principios, es bien conocido. La holografía de RF en el contexto de la formación de un "haz de objeto" deseado utilizando una onda progresiva como "haz de referencia" se realiza de la siguiente manera. El patrón de modulación se determina de la siguiente manera. Primero, se genera una onda de referencia (haz), a veces llamada onda de alimentación. La Figura 19A ilustra un ejemplo de una onda de referencia. Haciendo referencia a la Figura 19A, los anillos 1900 son los frentes de fase de los campos eléctrico y magnético de una onda de referencia. Muestran una variación de tiempo sinusoidal. La flecha 1901 ilustra la propagación hacia afuera de la onda de referencia.

En este ejemplo, una onda TEM, o electromagnética transversal, viaja hacia adentro o hacia afuera. La dirección de propagación también se define y, para este ejemplo, se elige la propagación hacia afuera desde un punto de alimentación central. El plano de propagación está a lo largo de la superficie de la antena.

Se genera una onda de objeto, a veces denominada haz de objeto. En este ejemplo, la onda del objeto es una onda TEM que viaja en una dirección de 30 grados fuera de lo normal a la superficie de la antena, con un acimut establecido en 0 grados. La polarización también se define y, para este ejemplo, se elige la polarización circular hacia la derecha. La Figura 19B ilustra una onda de objeto generada. Haciendo referencia a la Figura 19B, se muestran los frentes de fase 1903 de los campos eléctrico y magnético de la onda TEM 1904 que se propaga. Las flechas 1905 son los vectores de campo eléctrico en cada frente de fase, representados a intervalos de 90 grados. En este ejemplo, se adhieren a la opción de polarización circular a la derecha.

Patrón de interferencia o modulación = Re {[A] * [B] *}

Cuando una sinusoide se multiplica por el conjugado complejo de otra sinusoide y se toma la parte real, el patrón de modulación resultante también es una sinusoide. Espacialmente, cuando los máximos de la onda de referencia se encuentran con los máximos de la onda del objeto (ambas cantidades sinusoidalmente variables en el tiempo), el patrón de modulación es un máximo, o un sitio fuertemente radiante. En la práctica, esta interferencia se calcula en cada ubicación de dispersión y depende no solo de la posición, sino también de la polarización del elemento en función de su rotación y la polarización de la onda del objeto en la ubicación del elemento. La Figura 19C es un ejemplo del patrón de modulación sinusoidal resultante.

Debe tenerse en cuenta que se puede hacer una elección para simplificar el patrón de modulación de tono gris sinusoidal resultante en un patrón de modulación de onda cuadrada.

Debe tenerse en cuenta que el voltaje a través de los elementos de dispersión se controla ajustando el voltaje aplicado entre los parches y el plano de tierra, que en este contexto es la metalización en la parte superior de la placa del iris.

Formas de realización alternativas

En una forma de realización, los parches y las ranuras se colocan en forma de panal. En las Figuras 14A y 14B se muestran ejemplos de dicho patrón. Haciendo referencia a las Figuras 14A y 14B, las estructuras de panal son tales que filas alternas se desplazan a la izquierda o a la derecha la mitad de la separación entre elementos o, alternativamente, columnas alternas se desplazan hacia arriba o hacia abajo la mitad de la separación entre elementos.

En una forma de realización, los parches y las ranuras asociadas se colocan en anillos para crear una disposición radial. En este caso, el centro de la ranura se coloca sobre los anillos. La Figura 15A ilustra un ejemplo de parches (y sus ranuras coubicadas) que se colocan en anillos. Con referencia a la Figura 15A, los centros de los parches y las ranuras están en los anillos y los anillos están ubicados concéntricamente con respecto al punto de alimentación o terminación del conjunto de antenas. Debe tenerse en cuenta que las ranuras adyacentes ubicadas en el mismo anillo están orientadas casi 90° entre sí (cuando se evalúan en su centro). Más específicamente, están orientadas en un ángulo igual a 90° más el desplazamiento angular a lo largo del anillo que contiene los centros geométricos de los 2 elementos.

La Figura 15B es un ejemplo de un patrón de control para una matriz ranurada basada en anillos, tal como se muestra en la Figura 15A. Los campos cercanos y lejanos resultantes para un haz de 30° apuntando con LHCP se muestran en la Figura 15C, respectivamente.

En una forma de realización, la estructura de alimentación está conformada para controlar el acoplamiento con el fin de garantizar que la energía que se irradia o dispersa es aproximadamente constante en toda la apertura 2D. Esto se logra mediante el uso de una disminución de espesor lineal en el dieléctrico, o una disminución análoga en el caso de una red de alimentación estriada, que provoca menos acoplamiento cerca del punto de alimentación y más acoplamiento lejos del punto de alimentación. La utilización de una disminución lineal a la altura de la alimentación contrarresta la caída de 1/r en la onda progresiva a medida que se propaga desde el punto de alimentación al contener la energía en un volumen más pequeño, lo que da como resultado un mayor porcentaje de la energía restante en la dispersión de alimentación de cada elemento. Esto es importante para crear una excitación de amplitud uniforme a través de la apertura. Para estructuras de alimentación no radialmente simétricas, como por ejemplo las que tienen una dimensión exterior cuadrada o rectangular, esta disminución se puede aplicar de una manera no radialmente simétrica para hacer que la potencia dispersada sea aproximadamente constante a través de la apertura. Una técnica complementaria requiere que los elementos se sintonicen de manera diferente en la matriz según la distancia a la que se encuentren del punto de alimentación. Un ejemplo de disminución se implementa utilizando un dieléctrico en forma de lente de ojo de pez de Maxwell que produce un aumento inversamente proporcional en la intensidad de la radiación para contrarrestar la disminución de 1/r.

La Figura 18 ilustra una disminución lineal de un dieléctrico. Haciendo referencia a la Figura 18, se muestra un dieléctrico cónico 1802 que tiene una alimentación coaxial 1800 para proporcionar una onda de alimentación concéntrica con el fin de ejecutar elementos (pares de parche/iris) de la matriz de RF 1801. El dieléctrico 1802 (por ejemplo, plástico) se estrecha en altura desde una altura mayor cerca de la alimentación coaxial 1800 hasta una altura más baja en los puntos más alejados de la alimentación coaxial 1800. Por ejemplo, la altura B es mayor que la altura A ya que está más cerca de la alimentación coaxial 1800.

De acuerdo con esta idea, en una forma de realización, los dieléctricos se forman con una forma no radialmente simétrica para concentrar la energía donde se necesita. Por ejemplo, en el caso de una antena cuadrada alimentada desde un solo punto de alimentación tal como se describe en este documento, la longitud de la trayectoria desde el centro hasta una esquina de un cuadrado es 1,4 veces mayor que desde el centro hasta el centro de un lado de un cuadrado. Por lo tanto, se debe enfocar más energía hacia las 4 esquinas que hacia los 4 puntos medios de los lados del cuadrado, y la tasa de dispersión de energía también debe ser diferente. La conformación no radialmente simétrica de la alimentación y otras estructuras puede cumplir con estos requisitos. En una forma de realización, se apilan dieléctricos diferentes en una estructura de alimentación determinada para controlar la dispersión de energía desde la alimentación hasta la apertura a medida que la onda se irradia hacia el exterior. Por ejemplo, la intensidad de la energía eléctrica o magnética se puede concentrar en un medio dieléctrico particular cuando se apilan más de 1 medio dieléctrico diferente uno encima del otro. Un ejemplo específico es el uso de una capa de plástico y una capa de espuma similar al aire cuyo grosor total es menor que Aeff/2 a la frecuencia de operación, lo que da como resultado una mayor concentración de energía de campo magnético en el plástico que en la espuma similar al aire.

En una forma de realización, el patrón de control se controla espacialmente (activando menos elementos al principio, por ejemplo) para el desajuste del parche/iris con el fin de controlar el acoplamiento sobre la apertura y dispersar más o menos energía dependiendo de la dirección de alimentación y la ponderación de excitación de apertura deseada. Por ejemplo, en una forma de realización, el patrón de control utilizado al principio activa menos ranuras que el resto del tiempo. Por ejemplo, al principio, solo un cierto porcentaje de los elementos (por ejemplo, 40 %, 50 %) (pares de ranuras de parche/iris) cerca del centro de la alimentación cilíndrica que se van a encender para formar un haz se enciende durante una primera etapa y a continuación se encienden las restantes que están más alejadas de la alimentación cilíndrica. En formas de realización alternativas, los elementos podrían encenderse de forma continua desde la alimentación cilíndrica a medida que la onda se propaga alejándose de la alimentación. En otra forma de realización, una red de alimentación estriada reemplaza al espaciador dieléctrico (por ejemplo, el plástico del espaciador 205) y permite un mayor control de la orientación de la onda de alimentación que se propaga. Las crestas se pueden usar para crear una propagación asimétrica en la alimentación (es decir, el vector de Poynting no es paralelo al vector de onda) para contrarrestar la caída de 1/r. De esta manera, el uso de crestas dentro de la alimentación ayuda a dirigir la energía donde se necesita. Dirigiendo más crestas y/o crestas de altura variable a áreas de baja energía, se crea una iluminación más uniforme en la apertura. Esto permite una desviación de una configuración de alimentación puramente radial ya que la dirección de propagación de la onda de alimentación ya no puede orientarse radialmente. Las ranuras sobre una cresta se acoplan fuertemente, mientras que las ranuras entre las crestas se acoplan débilmente. Así, dependiendo del acoplamiento deseado (para obtener el haz deseado), el uso de crestas y la colocación de ranuras permiten controlar el acoplamiento.

En otra forma de realización más, se utiliza una estructura de alimentación compleja que proporciona una iluminación de apertura que no es radialmente simétrica. Dicha aplicación podría ser una abertura cuadrada o generalmente no circular que se ilumine de manera no uniforme. En una forma de realización, se utiliza un dieléctrico no simétrico radialmente que entrega más energía a algunas regiones que a otras. Es decir, el dieléctrico puede tener áreas con diferentes controles dieléctricos. Un ejemplo es una distribución dieléctrica que se parece a una lente de ojo de pez de Maxwell. Esta lente suministraría diferentes cantidades de energía a diferentes partes de la matriz. En otra forma de realización, se usa una estructura de alimentación con estrías para suministrar más energía a algunas regiones que a otras.

En una forma de realización, se disponen múltiples antenas de subabertura alimentadas cilíndricamente del tipo descrito en este documento. En una forma de realización, se utilizan una o más estructuras de alimentación adicionales. También en una forma de realización, se incluyen puntos de amplificación distribuidos. Por ejemplo, un sistema de antenas puede incluir múltiples antenas como las que se muestran en la Figura 2A o 2B en una matriz. El sistema de matriz puede ser 3x3 (9 antenas en total), 4x4, 5x5, etc., pero son posibles otras configuraciones. En dichas disposiciones, cada antena puede tener una alimentación separada. En una forma de realización alternativa, el número de puntos de amplificación puede ser menor que el número de alimentaciones.

Ventajas y Beneficios

Rendimiento mejorado del haz

Una ventaja de las formas de realización de la arquitectura de la presente invención es un mejor rendimiento del haz que las alimentaciones lineales. La disminución natural incorporada en los bordes puede ayudar a lograr un óptimo rendimiento del haz.

En los cálculos del factor de matriz, la máscara FCC se puede encontrar desde una apertura de 40 cm con solo elementos de encendido y apagado.

Con la alimentación cilíndrica, las formas de realización de la invención no tienen oscilación de impedancia cerca del lado ancho, ni banda prohibida creada por estructuras periódicas de 1 longitud de onda.

Las formas de realización de la invención no tienen problemas de modo de difracción cuando se escanean los costados.

Polarización dinámica

Hay (al menos) dos diseños de elementos que se pueden utilizar en la arquitectura descrita en el presente documento: elementos polarizados circularmente y pares de elementos polarizados linealmente. Utilizando pares de elementos polarizados linealmente, el sentido de polarización circular se puede cambiar dinámicamente retrasando o adelantando la modulación aplicada a un conjunto de elementos en relación con el segundo. Para lograr la polarización lineal, el avance de fase de un conjunto en relación con el segundo (conjunto físicamente ortogonal) será de 180 grados. Las polarizaciones lineales también se pueden sintetizar con solo cambios de patrones de elementos, lo que proporciona un mecanismo para rastrear la polarización lineal.

Ancho de banda operativo

Los modos de operación de encendido y apagado tienen oportunidades para anchos de banda instantáneos y dinámicos extendidos ya que el modo de operación no requiere que cada elemento esté ajustado en una parte particular de su curva de resonancia. La antena puede operar continuamente a través de partes de holograma de amplitud y fase de su intervalo sin un impacto significativo en el rendimiento. Esto sitúa el intervalo operativo mucho más cerca del intervalo ajustable total.

Separaciones más pequeñas posibles con sustratos de cuarzo/vidrio

La estructura de alimentación cilíndrica puede aprovechar una arquitectura TFT, lo que implica un funcionamiento sobre cuarzo o vidrio. Estos sustratos son mucho más duros que las placas de circuitos y existen técnicas más conocidas para lograr tamaños de separación de alrededor de 3 um. Un tamaño de separación de 3um daría como resultado una velocidad de conmutación de 14ms.

Reducción de la complejidad

Las arquitecturas descritas en este documento no requieren trabajo de mecanizado y solo una única etapa de unión en la producción. Esto, combinado con el cambio a la electrónica de control TFT, elimina materiales costosos y algunos requisitos estrictos.

Si bien muchas alteraciones y modificaciones de la presente invención sin duda resultarán evidentes para un experto en la materia después de haber leído la descripción anterior, debe entenderse que cualquier forma de realización particular que se muestre y describa a modo de ilustración no está de ninguna manera destinada a ser considerada limitativa. Por lo tanto, las referencias a detalles de diversas formas de realización no pretenden limitar el alcance de las reivindicaciones que en sí mismas enumeran solo aquellas características que se consideran esenciales para la invención.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Una antena que comprende:

una alimentación de antena que incluye una entrada coaxial configurada para introducir una onda de alimentación cilíndrica; una estructura de alimentacion de doble capa acoplada a la alimentacion de antena (201) y que tiene una primera capa (204) y una segunda capa (205) y lados (207, 208), en que la segunda capa (205) incluye una capa dielectrica (205) configurada para reducir la velocidad de una onda progresiva en relación con la velocidad del espacio libre, en que la alimentación de la antena (201) está acoplada en la parte inferior central de la primera capa (204) y está configurada para introducir la onda de alimentación en la primera capa (204) a través de la entrada coaxial, en que la estructura de alimentación de doble capa está configurada de tal manera que la onda de alimentación se propaga hacia el exterior y concéntricamente desde la alimentación de antena (201) a través de la primera capa (204) y se propaga en dirección a y hacia adentro a través de la segunda capa (205); una matriz de radiofrecuencia, RF (206) acoplada a y por encima de la segunda capa (205) y que tiene una pluralidad de anillos de ranuras radiantes configuradas para interactuar con la onda de alimentación que se propaga a través de la segunda capa (205) para obtener la dispersión deseada con el fin de generar un haz, en que la matriz de RF (206) comprende además una pluralidad de parches, en que cada uno de los parches se coloca sobre y se separa de una ranura en la pluralidad de anillos de ranuras radiantes con una segunda capa dieléctrica de cristal líquido (1704) entre cada ranura de la pluralidad de anillos de ranuras radiantes y su parche asociado en la pluralidad de parches; y un controlador acoplado a la matriz de RF (206) y configurado para aplicar un patrón de control con el fin de controlar las ranuras radiantes de una pluralidad de anillos de ranuras radiantes para generar el haz basado en la aplicación de un voltaje al parche en cada par parche/ranura especificado por el patrón de control, y en que las ranuras radiantes están configuradas para ser ajustadas con el fin de proporcionar una dispersión deseada a una frecuencia determinada ajustando un voltaje del controlador para dirigir el haz de acuerdo con un patrón de interferencia correspondiente a un patrón de haz seleccionado.

2. La antena definida en la reivindicación 1, en que la estructura de alimentación de doble capa comprende una estructura de alimentación de doble capa circular y la primera capa (204) y la segunda capa (205) comprenden una primera capa circular y una segunda capa circular, respectivamente.

3. La antena definida en la reivindicación 1, en que la matriz de RF (206) comprende una pluralidad de elementos de antena de metamaterial de dispersión superficial.

4. La antena definida en la reivindicación 2, en que parches de la pluralidad de parches y ranuras de la pluralidad de ranuras están en una primera capa de vidrio y una segunda capa de vidrio, respectivamente.

5. La antena definida en la reivindicación 1, en que ranuras de la pluralidad de ranuras están situadas para permitir el control de la polarización.

6. La antena definida en la reivindicación 1, en que el pin coaxial (201) tiene una impedancia de 50 ohmios.

7. La antena definida en la reivindicación 1, en que el patrón de control está configurado para controlar qué pares de parches/ranuras están activados y desactivados.

8. Un método para operar una antena que comprende:

alimentar una onda de alimentación cilíndrica, desde una entrada coaxial (201), en una ubicación central, una primera capa (204) de una estructura de alimentación de doble capa acoplada a la entrada coaxial (204) y que tiene una segunda capa (205) y lados (207, 208), en que la segunda capa (205) incluye una primera capa dieléctrica configurada para desacelerar una onda progresiva en relación con una velocidad en el espacio libre; propagar la onda de alimentación hacia afuera y concéntricamente desde la entrada coaxial (201) a través de la primera capa (204) y en dirección a, y a continuación hacia adentro a través de la segunda capa (205);

interactuar la onda de alimentación con ranuras de la matriz de radiofrecuencia, RF (206) acoplada a y sobre la segunda capa (205) a medida que la onda de alimentación viaja a través de la segunda capa (205) y una primera capa dieléctrica en la segunda capa (205), en que las ranuras se ajustan para proporcionar una dispersión deseada a una frecuencia determinada utilizando un voltaje de un controlador para dirigir el haz de acuerdo con un patrón de interferencia correspondiente a un patrón de haz seleccionado;

aplicar un patrón de control para controlar las ranuras de radiación de una pluralidad de anillos de la matriz de RF (206) para generar un haz, en que la matriz de RF (206) comprende además una pluralidad de parches, en que cada uno de los parches se coloca sobre y separado de una ranura en la pluralidad de ranuras con una segunda capa dieléctrica de cristal líquido entre cada ranura de la pluralidad de ranuras y su parche asociado en la pluralidad de parches, en que cada parche y cada ranura asociada se controla en base a la aplicación de un voltaje al parche especificado por el patrón de control; y terminar la onda de alimentación utilizando un absorbente de R^f en la primera capa después de que la onda de alimentación interactúe con las ranuras de la matriz de RF (206).

9. El método definido en la reivindicación 8, en que la matriz de RF (206) comprende una pluralidad de elementos de antena de metamaterial de dispersión superficial.

10. El método definido en la reivindicación 8, en que parches de la pluralidad de parches están en una primera capa de vidrio y las ranuras de la pluralidad de ranuras están en un tablero o en una segunda capa de vidrio.

11. El método definido en la reivindicación 8, en que ranuras de la pluralidad de ranuras están situadas para permitir el control de la polarización.

12. El método definido en la reivindicación 8, en que el patrón de control controla qué pares de parches/ranuras están activados y desactivados.

13. El método definido en la reivindicación 8, en que cada ranura de la pluralidad de ranuras está orientada a 45 grados o -45 grados con respecto a la onda de alimentación cilíndrica que incide en una ubicación central de dicha ranura, de modo que la matriz ranurada (206) incluye un primer conjunto de ranuras girado 45 grados con respecto a la dirección de propagación de la onda de alimentación cilíndrica y un segundo conjunto de ranuras girado -45 grados con respecto a la dirección de propagación de la onda de alimentación cilíndrica.

14. El método definido en la reivindicación 8, en que el pin coaxial (201) tiene una impedancia de 50 ohmios.