WO2000076026A1 - Reflectores planos en tecnologia impresa multicapa y su procedimiento de diseño - Google Patents

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WO2000076026A1
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patches
conductive
reflector
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José Antonio ENCINAR GARCINUÑO
Original Assignee
Universidad Politecnica De Madrid
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    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
    • H01Q15/0026—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective said selective devices having a stacked geometry or having multiple layers
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    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H01Q19/104—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces using a substantially flat reflector for deflecting the radiated beam, e.g. periscopic antennas
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    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • H01Q3/46—Active lenses or reflecting arrays

Definitions

  • This invention is part of the radio technology, radar technology and space technology sectors.
  • This invention is related to flat reflector antennas, as an alternative to parabolic or shaped reflectors, which are usually used in radar systems, in satellite and satellite communications, both in the flight and flight segments.
  • a reflecta ⁇ ay consists of a grouping or “a ⁇ ay” of radiating elements on a plane with a certain adjustment, which allows to achieve a reflected electromagnetic field collimated when illuminated by a feeder (figure 1), similar to a parabolic antenna. This is equivalent to achieving a reflected field with a flat wave front, that is, with a progressive phase distribution on the flat surface.
  • the concept of reflectarray is old, as can be seen in the references [DG Berry, RG Malech WA Kennedy, 'The Reflectarray Antenna', IEEE Trans. on Antennas and Propagat, Vol. AP-11, 1963, pp.
  • microstrip antennas Clusters, or a ⁇ ays, of microstrip antennas are well known [R. J. Mailloux, J. F. Mcllvenna, N. P. Kernweis, 'Microstrip Array Tecnology', IEEE Trans. on Antennas and Propagat., Vol. 29, No. 1 Jan. 1981, pp. 25-37], and are used as high gain antennas, as an alternative to reflectors.
  • the microstrip a ⁇ ays consist of a set of printed patches that are fed individually through a complicated feeding network, to achieve progressive phase distribution on their surface. These a ⁇ ays have advantages over reflectors such as their low profile, low volume and weight, low level of cross polarization and ease of manufacturing, using conventional photogravure techniques.
  • the frequency band is narrow and the efficiency of the antenna is reduced in microwave frequencies, mainly due to losses in the complex supply network.
  • reflecta ⁇ ay being fed in the same way as a reflector, the inconveniences of microstrip a ⁇ ays due to the power supply network are eliminated, that is, the design and manufacturing are simplified, losses are reduced and performance is improved of the antenna.
  • reflecta ⁇ ays have the advantages of their low profile, lower distortion and low levels of cross polarization, at the expense of a very narrow working band, as described in [J. Huang, 'Bandwidth study of Microstrip Reflecta ⁇ ay and a Novel Phased Reflectarray Concept', 1995 IEEE Intl. Symposium on Antennas and Propagat., Pp. 582-585].
  • each patch receives the preceding signal from the feeder, and it is propagated through the transmission line until it reaches the end, which can be short-circuited or open circuit, where it is reflected, and is again radiated by the microstrip patch with a phase shift that is proportional to twice the length of the line.
  • the sections of the printed line produce dissipative losses and spurious radiation, resulting in a decrease in antenna efficiency and an increase in cross-polarization levels.
  • phase adjustment in each element of the reflecta ⁇ ay such as, the variation in size in the resonant patches [DM Pozar, T. Metzler, 'Analysis of a Reflecta ⁇ ay Antenna Using Microstrip Patches of Variable Size' , Electronic Letters, 15th April 1993 Vol. 29 No. 8, pp. 657-658], the use of phase shifting circuits [JR Profera, E. Charles, 'Active Reflecta ⁇ ay Antenna for Communication Satellite Frequency Re-use', US5280297, January 1994], or by controlling the bias voltage on connected diodes to the radiant elements [F.
  • phase adjustment by varying the resonant length of the patches is very easy to perform using only metallic patches and sheets of dielectric material. Furthermore, in this embodiment, the inconveniences due to the printed lines that appear in the reflecta ⁇ ays with line sections are eliminated.
  • phase of the reflected wave varies with the resonant length of the element.
  • a microstrip patch is a resonant antenna, so that its length should be approximately half the wavelength in the dielectric. If the length of the patches is modified in an array of identical rectangular patches on the mass plane, such as the one shown in Figure 2, the reflection coefficient module remains the same as one, due to the mass plane, but changes the phase of the reflected wave.
  • the total range of phase variation that can be achieved by varying the length of the patches depends on the separation between the patches and the mass plane, that is, the substrate thickness (210).
  • reflecta ⁇ ays An important application of reflecta ⁇ ays is the use of dual polarization reflectors for frequency reuse.
  • independent signals are transmitted and received on the different channels, with an overlap in the frequency band.
  • Adjacent channels are transmitted or received in orthogonal polarizations, thus allowing frequency reuse.
  • each grid reflector is formed by parallel metal strips on a parabolic or shaped surface, so that it is transparent to a polarization and acts as a reflector for orthogonal polarization.
  • a reflecta ⁇ ay As a dual polarization reflector for frequency reuse, a reflecta ⁇ ay has been patented [JR Profera, E. Charles, 'Reflecta ⁇ ay Antenna for Communication Satellite Frequency Re-use Applitions', US5543809, August 1996], formed by two orthogonal dipole a ⁇ ays of variable length.
  • the a ⁇ ay of vertical dipoles acts as a reflector for vertical polarization and that of horizontal dipoles for the other polarization.
  • Said invention includes reflecta ⁇ ays in printed and non-printed technology, and the possibility of transmission line sections to achieve phase adjustment in the 360 ° range is also included.
  • a ⁇ ays consist of two or more layers of a ⁇ ays of stacked patches.
  • a stacked reflecta ⁇ ays application has also been proposed, in which phase adjustment is performed in a single dimension for two very separate frequencies [JA Encinar, "Design of a dual frequency reflecta ⁇ ay using microstrip stacked patches of variable size", Electronics Letters , 6th June 1996 Vol. 32 No. 12 pp. 1049-1050].
  • two stacked a ⁇ ays are used, with patches of very different size, which are designed independently for each frequency, so that the same bandwidth limitations as in single layer reflecta ⁇ ays are maintained.
  • the author is not aware that the use of multilayer reflecta ⁇ ays has been proposed to achieve an improvement in electrical characteristics with respect to single layer reflecta ⁇ ays.
  • phase margin One way to achieve a smoother behavior of the phase as a function of length is to increase the thickness of the substrate (210), but this significantly reduces the total phase margin. It must be taken into account that for the design of a reflecta ⁇ ay, phases of the reflection coefficient in the range between 0 and 360 ° are required, and that these cannot be achieved if the thickness of the substrate is increased.
  • a reflecta ⁇ ay configuration consisting of two or more layers of a ⁇ ays of variable-size conductive patches (Figs. 4, 5 and 8), with which a more linear phase-size behavior is achieved, allowing less sensitive designs at manufacturing tolerances and greater bandwidth.
  • the innovation of stacking two or more layers of a ⁇ ays allows to increase the phase shift introduced in the reflected field to values greater than 360 ° required in the design of reflecta ⁇ ays.
  • a year of rectangular metal patches behaves like a resonant circuit, in which the phase of the reflected field varies with the size of the patches in a range of up to 180 °.
  • the maximum offset range is close to 360 °, if the separation between the patches and the plane is very small (much smaller than ⁇ , with ⁇ being the length cool).
  • Figure 6 shows the phase as a function of the side for an a ⁇ ay of square patches at the frequencies of 11.5, 12 and 12.5 GHz.
  • phase margin is 305 °, for a separating substrate ( 210) 1.05 and 1 mm dielectric constant. thick (0,04 ⁇ ).
  • the margin of offsets is reduced as the separation between patches and metallic plane increases, that is the thickness of the substrate (210).
  • FIG. 7 shows the phase curves at the same frequencies depending on the size of the square patches, for two layers a ⁇ ays on the mass plane, where two separators (420) and (430) of 3 mm have been used. of thickness.
  • An object of this invention is a flat reflector, or reflecta ⁇ ay, in multilayer printed technology.
  • Figure 4 shows a sketch of a side view of the reflecta ⁇ ay and multilayer. This configuration allows the feeder to be positioned at any angle and to redirect the reflected beam in any direction of space ( ⁇ o, ⁇ o), being ⁇ n, and ⁇ o the usual angles in spherical coordinates, by means of an adequate design of the reflection coefficient phase in each element of the reflectarray.
  • This flat reflector reflects the electromagnetic field from a feeder (110) located at a focal point, forming a collimated beam in a certain direction and frequency.
  • the reflector receives a collimated beam in a specific direction and frequency and reflects it, concentrating it on the focal point where the feeder (110) is located.
  • the phase in each element can be adjusted so that the flat reflector has the same radiation characteristics as a parabolic reflector.
  • the phase control is done by adjusting the dimensions in each radiant element.
  • Each element of the reflecta ⁇ ay consists of several layers of stacked conductive patches and separated from each other by sheets of dielectric material, all on a conductive plane, as shown in Figure 5 for the case of 2 layers.
  • This description is based on rectangular patches, but the same effect is achieved by using conductive patches with other geometric shapes, in which at least two dimensions can be adjusted independently, allowing the reflection coefficient phase to be controlled for both orthogonal polarizations of the incident field in the reflector.
  • cross-shaped metallizations can be used, controlling the phase for each polarization with the length of each arm on the cross.
  • the local periodicity approximation is considered, considering each element with its dimensions, but in a periodic environment, and it is calculated the phase of the reflection coefficient depending on the side of the patch.
  • the periodic structure is analyzed by means of a previously unfolded complete wave method, which is based on the Spectral Domain Moments Method.
  • An object of this invention is to manufacture each layer of the flat reflector, formed by rectangular metallizations printed on sheets of dielectric material, by conventional photogravure procedures, such as those used in the realization of printed circuit boards. These processes consist of the selective removal of conductive material from a sheet of dielectric material coated with a conductive layer, by means of photogravure and chemical attack techniques. Selective removal of the conductive material can also be done by laser, or by cutting the conductive patches by means of a cutting plotter, and subsequently removing the conductive material between the patches. In the construction process, flat clusters of conductive patches can be directly deposited on the separating dielectric, or on a support formed by one or several layers of dielectric material.
  • the use of flexible materials is considered very favorable in the manufacturing process of the multilayer reflector, which allows the reflector to be shaped so that it adapts to pre-existing curved surfaces.
  • reflecta ⁇ ay and multilayer with respect to those of a single layer allows to increase the working frequency band.
  • the frequency band of conventional reflecta ⁇ ays is very narrow, preventing its use in a large number of commercial applications.
  • One factor involved in the limitation of the band is the difference in paths traveled by a beam from the feeder (110) to the wavefront (150), as shown in Figure 9.
  • the difference in paths is compensates by a phase shift in each element at the center frequency.
  • the phase compensation should be slightly different, since the wavelength changes, and the e ⁇ or will be greater the greater the difference in paths to compensate.
  • FIG. 9 A side view of a configuration is shown in Figure 9, in which a flat reflector surface (100) coinciding with the plane of the opening of a parabolic reflector (140) has been chosen and the feeder (110) has been placed in the focus of this one.
  • the paths traveled (160) and (170) are the same, that is, the paths are the same throughout the contour of the reflecta ⁇ ay, minimizing the phase to compensate in the flat reflector and thus allowing a greater bandwidth.
  • the other more significant limitation in the band for reflecta ⁇ ays based on patches of variable size is imposed by the strong dependence with the frequency of the offset depending on the size of the patches.
  • Another object of this invention is the application to the design of reflectarrays for dual polarization, as an alternative to grid reflectors.
  • the phase co ⁇ ection in the reflectaray is carried out independently for each polarization, allowing the use of two separate feeders (110) and (111) of linear polarization, as shown in Figure 10. If two feeders are used, one for Each polarization, located at different focal points, the dimensions of the conductive patches in each element are adjusted to compensate for the situation of each feeder. The dimensions can also be adjusted so that two collimated beams are generated in different directions, one for each polarization.
  • Another object of the invention is the use of the flat reflector as a multi-beam antenna. To do this, the dimensions in each element are adjusted in order to obtain a phase distribution of the reflected field that provides several collimated beams in different directions, as shown in Figure 11.
  • Another object of this invention is the application to the construction of folding reflectors.
  • large reflectors are required, which must be folded for transport, or foldable reflectors for mobile terminal equipment.
  • the multilayer flat reflector can be constructed in four or more pieces, which They can be stacked for transport and then assembled. The assembly is not critical, since there is no electrical contact between the metallizations of the reflecta ⁇ ay. Folding reflectors also have an important field of application in reflectors on board satellites, so that the reflector can be folded at launch and deployed in space.
  • a second main object of the invention is the process of designing a reflecta ⁇ ay and multilayer in a given frequency band. This procedure provides the dimensions of all metallizations and therefore the photogravure masks, and consists of the following stages:
  • phase shift in each element is defined for any polarization of the incident field, or for two orthogonal polarizations of the incident field. If the two polarizations come from a feeder located at a focal point, the phase distribution is the same for the two polarizations, but if they come from two feeders located at different focal points, a phase distribution is defined for each polarization.
  • a linear polarization feeder can be considered and the phase distribution that produces a collimated beam of circular polarization can be defined, or vice versa.
  • the only thing to do is to define two different phase distributions, one for the linear polarization of the incident field according to the direction of one side of the patches and the other with the incident field in the orthogonal direction, which differ in 90 °
  • Another object of this invention is the use of the multilayer flat reflector as a polarizer, since it allows to adjust the phase in each element of the flat reflector, so that from the incident field from the feeder it generates a collimated beam of different polarization.
  • An interesting application is to generate a circular polarization beam from a linear polarization feeder, which is easier to construct, or receive a circular polarization beam by concentrating it on the feeder as linear polarization.
  • a beam reflector shaped like those used in direct TV satellites consists of a reflector with deformations on its surface, so that the radiation diagram illuminates a certain geographical area.
  • the design and construction of shaped reflectors must be carried out specifically for each application.
  • very expensive molds are required to build, which are not reusable for other antennas.
  • the multilayer reflecta ⁇ ay and its design procedure can be used, to adjust the phase in each element so that it produces a beam forming, with the same characteristics as a shaped surface reflector.
  • the design procedure is the one described above, except that in the first stage a phase shift is defined in each element to achieve the shaping of the beam, instead of a progressive phase.
  • the construction of the shaped beam flat reflector is carried out by means of simple photogravure techniques, which means a significant reduction in manufacturing costs, by eliminating expensive shaped molds.
  • the collimated flat beam reflector, or shaped beam can be constructed for space applications, using the technology developed for dichroic sub-reflectors.
  • This technology uses qualified materials for space, which basically consist of metallizations (400 and 410) of copper or aluminum on very thin sheets (between 25 and 160 microns) of Kapton or Kevlar (450 and 460), as shown in the Figure 8.
  • These materials are flexible and allow the construction of a multilayer structure with metallization that adapts to a curved surface. Subsequently they are subjected to a curing process, in which they acquire sufficient rigidity for use in space applications.
  • shaped beam reflectors can be constructed in the form of a parabolic reflector, and adjust with the metallizations only the phase differences that give rise to the beam shaping.
  • shaped beam reflectors can be constructed with parabolic reflector molds, which are reusable for various applications and do not require such a rigorous technology like those of conformed surface.
  • two independent feeders can be used, one for each linear polarization, which are located in the vicinity of the focus of the paraboloid, and adjust the dimensions of the conductive patches in each element to compensate for the position of each feeder, and for beam shaping. in the two polarizations.
  • Fig. 1 Side view of a flat reflector (100), illuminated by a feeder (110).
  • a feeder 110
  • an adjustment is introduced in the phase of the reflected field, so that the divergent field, coming from the feeder (110), is reflected producing a collimated beam in the direction of the arrows (130a) and ( 130b).
  • Fig. 2. Perspective of a grouping, or a ⁇ ay, plane of conductive patches (200), deposited on a sheet of dielectric material (210) of thickness h, also called substrate, which is covered at the bottom by a conductor (230 ).
  • the repetition period is a.
  • Fig. 3. Perspective of a grouping, or a ⁇ ay, conductive patch plane (200), on dielectric sheet and conductive plane, where the size of the patches (200) is different, to achieve an adjustment in the phase of the reflected field.
  • the repetition period is a.
  • Fig. 4 Side view of a multilayer flat reflector illuminated by a feeder (110) to produce a collimated beam in the direction of the arrows (130a) and (130b), defined by the angles ⁇ o, ⁇ o of spherical coordinates.
  • the flat reflector is formed by two layers of conductive patches (400) and (410) on sheets of dielectric material, or substrate, (420) and (430), and on a conductive plane (440).
  • the two-layer element (300) represents a generic element '.
  • Fig. 5 Side and front views of a square periodic cell from side a, used as an element in multi-layer flat reflectors for phase adjustment.
  • the structure of the multilayer periodic element consists of a first rectangular conductor patch (400) of dimensions aixbi, a dielectric separator (420) of thickness hi, a second rectangular conductor patch (410) of dimensions a2 ⁇ b2, a second separator (430) of thickness h2, and a conductive plane (440).
  • Fig. 6 Phase of the reflection coefficient in normal incidence for a periodic a ⁇ ay of square conductive patches on a conductive plane, as shown in Figure 2, depending on the side of the patches, at three different frequencies, 11.5 () , 12 () and 12.5
  • Fig. 8 Perspective of the different layers that form a multilayer flat reflector. From the upper to the lower layer, first a ⁇ ay of rectangular conductive patches of different size (400), first layer of dielectric substrate (450) on which the patches are deposited, first dielectric separator (420), second a ⁇ ay of patches (410 ), second substrate (460), second separator (430) and metallic plane (440).
  • Fig. 9. Side view of a flat reflector configuration, in which the distances traveled by a wave from the feeder (110) to a wave front (150) are equal in the contour of the flat reflector. These distances are equal for all points of a parabolic reflector (140) with the feeder (110) located in the focus.
  • Fig. 11 Side view of a multilayer flat reflector illuminated by a feeder (110), in which the adjustment of the dimensions of the conductive patches is made to produce two collimated beams in the directions of the arrows (130a-b) and (131a-b), respectively.
  • Fig. 14 Photograph of the flat reflector of two layers of a ⁇ ays of patches of variable size designed, constructed and measured in anechoic chamber.
  • This section describes the steps to be carried out for the design and construction of a flat reflector based on multilayer printed technology for dual polarization.
  • a commercial foam called ROHACELL 51 has been chosen as the separating material between the metallization layers, which has a relative dielectric constant of 1.05 and a loss tangent of 10 "3.
  • Patch patches. Rectangular metal are constructed from a small thickness metallic dielectric support, such as a 25 micron thick Kapton sheet covered with an 18 micron copper film. The Kapton has a dielectric constant of 3.5 and a tangent of losses of 3x10 "3 , although due to its small thickness its effect is negligible.
  • a multilayer periodic structure is analyzed, formed by two or more stacked layers of metallic patches, separated between them by the dielectric separator, and on a metallic plane.
  • a periodic cell is shown in Figure 5, for two layer case.
  • a full-wave method is used, such as the known Spectral Domain Moment Method, and the phase of the reflection coefficient is calculated for the two possible polarizations of the incident field, based on the different geometric and excitation parameters. It is based on arrays of resonant square patches, whose side is approximately equal to half the wavelength, and its size is modified, to study the behavior of the phase as a function of the resonant length.
  • the size of the patches is varied simultaneously in all layers, maintaining a fixed relationship between the sizes in each layer, and the same repetition period is maintained in all layers. It has been found that the a ⁇ ay closest to the mass plane should be formed by slightly larger patches.
  • the variation of the phase of the reflection coefficient is analyzed for each of the two orthogonal polarizations, that is, for an electric field incident in the X (Ex) direction, and for an electric field in the Y (Ey) direction, for different angles of incidence and for various frequencies within the working band.
  • some geometric parameters are adjusted, such as, repetition period of the metallic patches a, thickness of the hi and h2 separators, and relative size of the patches in each layer, in order to achieve a variation of phases depending on the dimensions of the patches that are sufficiently linear for different angles of incidence and for different frequencies, and that cover a margin of phases of at least 360 °.
  • the design frequency f 11.95 GHz has been chosen, a 2-layer conductive patch structure has been considered, and the following geometric values have been chosen:
  • phase curves of the reflection coefficient for the two polarizations, in normal incidence, at 11.5, 12 and 12.5 GHz., are those shown in Figure 7.
  • the position of the feeder on the reflector, the size of the reflector and the radiation direction of the antenna are fixed.
  • a circular reflector of 40 cm in diameter has been considered and a commercial feeder from the ROVER house has been used, FOLWR75 model, used in satellite television receivers.
  • the phase of the incident field in each element '(300) of the reflecta ⁇ ay is equal to the product of the wave number K by the distance from the feeder to the element', called d ⁇ .
  • d ⁇ the distance from the feeder to the element'
  • Phase (x, y) -K 0 sin ⁇ 0 (x eos ⁇ 0 + and sin ⁇ 0 ),
  • Phase coef. refl. (x,, y,) K 0 [d, - sin ⁇ 0 (x, eos ⁇ 0 + y, sin ⁇ 0 )],
  • the phase of the reflection coefficient would be the same in the two polarizations.
  • the incidence is oblique in each element and the phases for each polarization will be different. Therefore, to obtain a progressive phase of the field reflected in the two orthogonal polarizations, Ex and Ey, the two dimensions of each patch must be adjusted. Since the phase for each polarization practically only depends on the resonant dimensions, first square patches are assumed and the dimensions ai a2 are adjusted, see figure 5, to obtain the desired phase for the Ex polarization and then bi b2 are adjusted, also assuming square patches, for the Ey phase.
  • the phase of the reflection coefficient is calculated for each polarization in each period assuming local periodicity, that is, analyzing each element with its dimensions in a periodic environment.
  • an iterative routine is used, based on the 'false position' method, which calls the analysis program and adjusts the dimensions of each element until the desired phase is achieved.
  • the iterative procedure is applied for square patches to achieve the phase distribution defined in the previous stage for the polarization of the Ex field and the dimensions ai a2 are obtained.
  • a new adjustment of the dimensions is made in order to meet the offset specifications in each element for the two orthogonal polarizations and at various frequencies, within the working band of the reflecta ⁇ ay.
  • the objective phase of the reflection coefficient is determined at each frequency, for each element of the reflector, and a phase e ⁇ or is defined for each polarization as the difference between it and the phase calculated by the method of the moments.
  • An e ⁇ or function is defined as the sum of the squares of the phase e ⁇ or for each polarization and for each frequency.
  • the optimization routine adjusts in each element all the dimensions of the patches (ai, a ⁇ , bi and b2) to minimize the e ⁇ or function. This process provides all the dimensions of the metallic patches in the two layers, with which the photogravure mask can be generated.
  • the photogravure masks for each layer of the reflecta ⁇ ay in AUTOCAD have been generated from the file with the dimensions of the patches obtained in the design stage.
  • Figures 12 and 13 show masks at 1: 4 scale with the contours of the rectangular patches for the first and second layers of a ⁇ ays, respectively.
  • Figure 14 shows a photograph of the two-layer flat reflector with its feeder.
  • the measured characteristics of the reflector conform to the specifications for which it was designed.
  • the radiation diagrams are practically the same for the two linear polarizations and coincide with those obtained by the analysis method.
  • the gain is 31 dB, with gain variations in the band from 11.5 to 12.4 of ⁇ 0.15dB.
  • the cross polarization is below -33dB.
  • this invention can be applied as a reflector antenna in radar and satellite and satellite communications applications, presenting important advantages over conventional parabolic reflectors.
  • a flat reflector it can be constructed in several pieces, to be folded and unfolded, being very useful in applications where large reflectors are required that must be transported.
  • the reflector surface can be adapted to existing structures, such as building facades, walls of a communications satellite, etc. It can be used as Dual polarization reflector with a better polarization isolation level than conventional reflectors provide.
  • the present invention can be constructed in qualified materials for space and by means of a technology already developed in space applications, in the realization of dichroic sub-reflectors. Therefore, this type of multilayer flat reflectors has an important field of application in the space industry as an alternative to the different types of reflectors embedded in satellites, parabolic, grid or shaped beam.

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Esta invención consiste en un reflector plano en tecnología impresa multicapa, que refleja el campo electromagnético procedente de un alimentador formando un haz colimado, o conformado, mediante un ajuste puntual de la fase del coeficiente de reflexión. El control de fase se realiza ajustando las dimensiones en cada elemento, formado por varias capas de parches conductores, separadores y plano conductor. Al incluir dos o más capas, disminuye la sensibilidad frente a tolerancias de fabricación y mejora el ancho de banda del reflector. Esta invención incluye el procedimiento de diseño para obtener las máscaras de fotograbado, que consiste en las siguientes etapas: definición del desfasaje en cada elemento; ajuste de las dimensiones de cada elemento a la frecuencia central; ajuste fino para cumplir las especificaciones. El reflector propuesto puede utilizarse como antena de comunicaciones terrestres y vía satélite, como antena plegable y como reflector de haz conformado.

Description

Titulo:
Reflectores planos en tecnología impresa multicapa y su procedimiento de diseño.
Sector técnico al que se refiere la invención:
Esta invención se enmarca en los sectores de tecnología de radiocomunicaciones, tecnología de radar y tecnología espacial.
Exposición del estado de la técnica anterior:
Esta invención está relacionado con antenas reflectoras planas, como alternativa a los reflectores parabólicos o conformados, que habitualmente se emplean en sistemas de radar, en comunicaciones teπestres y vía satélite, tanto en el segmento de tieπa como de vuelo.
Previamente se han utilizado reflectores planos, denominados "reflectaπays". Un reflectaπay consiste en un agrupamiento o "aπay" de elementos radiantes sobre un plano con un cierto ajuste, que permite conseguir un campo electromagnético reflejado colimado cuando se ilumina mediante un alimentador (figura 1), de forma similar a una antena parabólica. Esto equivale a conseguir un campo reflejado con un frente de ondas plano, es decir, con una distribución de fase progresiva en la superficie plana. El concepto de reflectarray es antiguo, como puede verse en las referencias [D. G. Berry, R. G. Malech W. A. Kennedy, 'The Reflectarray Antenna', IEEE Trans. on Antennas and Propagat, Vol. AP-11, 1963, pp.646- 651] y [M. I. Skolnik, 'Radar Handbook', McGraw Hill, 1970, pp. 11.54-11.60], en las que se describen reflectaπays realizados con guías de onda como elementos radiantes, resultando unos reflectores de gran peso y volumen. Más recientemente, se han empleado reflectaπays impresos [R. E. Munson, H. A. Haddad, J. W. Hanlen, 'Microstrip Reflectaπay for Satellite Communications and RCS Enhancement or Reduction', patente US4684952, Agosto 1987], [R. D. Javor, X.. D. Wu, K. Chang, 'Design and Performance of a Microstrip Reflectaπay Antenna', IEEE Trans. on Antennas and Propagat., Vol. 43, No. 9 Sept 1995, pp.932-938] y [D. M. Pozar, S. D. Targonski, 'A Microstrip Reflectaπay Using Crossed Dipoles', 1998 IEEE Intl. Symposium on Antennas and Propagat., pp. 1008-1011], que emplean como elementos radiantes parches metálicos, con forma de cruz o rectangular, depositados en un dieléctrico sobre plano de masa, denominados antenas microtira o 'microstriop'. En la figura 2 se muestra un aπay de 3x3 parches cuadrados.
Los agrupamientos, o aπays, de antenas microstrip son bien conocidos [R. J. Mailloux, J. F. Mcllvenna, N. P. Kernweis, 'Microstrip Array Tecnology', IEEE Trans. on Antennas and Propagat., Vol. 29, No. 1 Jan. 1981, pp. 25-37], y se emplean como antenas de gran ganancia, como alternativa a los reflectores. Los aπays microstrip consisten en un conjunto de parches impresos que son alimentados individualmente mediante una complicada red de alimentación, para conseguir la distribución de fase progresiva en su superficie. Estos aπays presentan ventajas frente a los reflectores como son su bajo perfil, bajo volumen y peso, baja nivel de polarización cruzada y facilidad de fabricación, mediante técnicas convencionales de fotograbado. Sin embargo, la banda de frecuencias es estrecha y la eficiencia de la antena es reducida en frecuencias de microondas, debido fundamentalmente a las pérdidas en la compleja red de alimentación.
En el reflectaπay, al ser alimentado en la misma forma que un reflector, se eliminan los inconvenientes de los aπays microstrip debidos a la red de alimentación, es decir, se simplifica el diseño y la fabricación, se reducen las pérdidas y se mejora el rendimiento de la antena. Frente a los reflectores, los reflectaπays presentan las ventajas de su bajo perfil, una menor distorsión y bajos niveles de polarización cruzada, a costa una banda de trabajo muy estrecha, como se describe en [J. Huang, 'Bandwidth study of Microstrip Reflectaπay and a Novel Phased Reflectarray Concept', 1995 IEEE Intl. Symposium on Antennas and Propagat., pp. 582-585].
La implementación clásica de los elementos de ajuste en los parches microstrip rectangulares para conseguir una distribución de fase progresiva consiste en conectar tramos de distinta longitud de línea de transmisión a los elementos impresos, como puede verse en la patente [US4684952, 'Microstrip Reflectaπay for...']. En esta configuración, cada parche recibe la señal precedente del alimentador, y ésta se propaga por la línea de transmisión hasta llegar al extremo, que puede estar en cortocircuito o en circuito abierto, donde se refleja, y vuelve a ser radiada por el parche microstrip con un desfasaje que es proporcional al doble de la longitud de la línea. Los tramos de línea impresa producen pérdidas disipativas y radiación espuria, dando lugar a una disminución de la eficiencia de la antena y a un aumento de los niveles de polarización cruzada. También se han empleado otras técnicas para conseguir el ajuste de fase en cada elemento del reflectaπay, como son, la variación de tamaño en los parches resonantes [D. M. Pozar, T. Metzler, 'Analysis of a Reflectaπay Antenna Using Microstrip Patches of Variable Size', Electronic Letters, 15th April 1993 Vol. 29 No. 8, pp. 657-658], el empleo de circuitos desfasadores [J. R. Profera, E. Charles, 'Active Reflectaπay Antenna for Communication Satellite Frequency Re-use', patente US5280297, Enero 1994], o mediante el control de la tensión de polarización en diodos conectados a los elementos radiantes [F. Gautier, et al., 'Phased Reflector Aπay and an Antenna Including such an Array', patente US5148182, Septiembre 1992]. En la patente [US5280297, 'Active Reflectaπay Antenna....'] se describe un reflectaπay activo, donde en cada elemento se realiza un procesado de la señal mediante dispositivos tales como, circulador, amplificador y desfasador. La inclusión de dispositivos activos permite amplificar la señal reflejada, pero a cambio se complica enormemente el proceso de fabricación del reflector. En la patente [US5148182, 'Phased Reflector Array....'] se describe un reflectaπay en tecnología de circuitos integrados monolíticos para aplicaciones en bandas milimétricas, donde además de los elementos radiantes están integrados diodos cuya capacidad se varía para conseguir el ajuste de la fase del campo reflejado. Esta tecnología requiere procesos de fabricación muy sofisticados y queda reducida a aplicaciones en frecuencias muy elevadas y para reflectores de pequeño tamaño.
El ajuste de fase mediante la variación de la longitud resonante de los parches, como se muestra en la figura 3, es muy fácil de realizar empleando únicamente parches metálicos y láminas de material dieléctrico. Además en está realización se eliminan los inconvenientes debidos a las líneas impresas que aparecen en los reflectaπays con tramos de línea.
La base del funcionamiento de los reflectaπays con elementos impresos de tamaño variable consiste en que la fase de la onda reflejada varía con la longitud resonante del elemento. Un parche microstrip es una antena resonante, de manera que su longitud debe ser aproximadamente la mitad de la longitud de onda en el dieléctrico. Si en un array de parches rectangulares idénticos sobre plano de masa, como el mostrado en la figura 2, se modifica la longitud de los parches, el módulo del coeficiente de reflexión se mantiene igual a uno, debido al plano de masa, pero cambia la fase de la onda reflejada. El margen total de variación de fase que puede conseguirse variando la longitud de los parches depende de la separación entre los parches y el plano de masa, es decir del espesor de substrato (210). Para espesores menores que una décima parte de la longitud de onda, se puede llegar a unos 330°, que es suficiente para la realización de diseños prácticos, pero este margen disminuye para substratos de mayor espesor. Por ello, los reflectaπays basados en esta técnica de ajuste emplean siempre dieléctricos de pequeño espesor. Sin embargo, la variación de fase en función de la longitud es fuertemente no-lineal, presentando variaciones muy rápidas cerca de la resonancia, y muy lentas en los valores extremos, como puede verse en la figura 6. La rápida variación de fase hace que la distribución de fase sea muy sensible a eπores de tolerancia de fabricación. Debido al comportamiento no-lineal de la fase, ésta es muy sensible a variaciones de frecuencia, reduciendo notablemente la banda de trabajo del reflectaπay.
Una importante aplicación de los reflectaπays consiste en el empleo de reflectores de polarización dual para la reutilización de frecuencias. En un satélite de comunicaciones con reutilización de frecuencias, se transmiten y reciben señales independientes en los diferentes canales, con un solapamiento en la banda de frecuencias. Los canales contiguos se transmiten o reciben en polarizaciones ortogonales, permitiendo así la reutilización de frecuencias.
Aunque las dos polarizaciones ortogonales pueden ser circulares, a derechas y a izquierdas, el caso más habitual es emplear polarizaciones lineales, que se designan como vertical y horizontal. La reutilización de frecuencias exige un aislamiento muy elevado entre polarizaciones, que no puede conseguirse con reflectores parabólicos o conformados. Para conseguir el aislamiento entre polarizaciones se pueden emplear dos reflectores de rejilla superpuestos, con alimentadores independientes para cada polarización. Cada reflector de rejilla está formado por tiras metálicas paralelas sobre una superficie parabólica o conformada, de manera que es transparente a una polarización y actúa como reflector para la polarización ortogonal.
Como reflector de polarización dual para reutilización de frecuencias, se ha patentado un reflectaπay [J. R. Profera, E. Charles, 'Reflectaπay Antenna for Communication Satellite Frequency Re-use Applitions', patente US5543809, Agosto 1996], formado por dos aπays de dipolos ortogonales de longitud variable. El aπay de dipolos verticales actúa como reflector para la polarización vertical y el de dipolos horizontales para la otra polarización. En dicha invención se incluyen reflectaπays en tecnología impresa y no impresa, y también se incluye la posibilidad de tramos de línea de transmisión para conseguir el ajuste de fase en el rango de 360°. Pero al igual que en todos los reflectaπays basados en elementos radiantes de tamaño variable, tiene el inconveniente de un ancho de banda muy pequeño y no es utilizable para la mayoría de las aplicaciones comerciales. Teniendo en cuenta que la limitación más restrictiva tanto de los aπays microstrip como de los reflectaπays es su funcionamiento en banda estrecha, se han empleado aπays multicapa, para aumentar la banda de frecuencias de trabajo, como puede verse en [J. T. Aberle, D. M. Pozar, J. Manges, 'Phased Aπays of Probe-Fed Stacked Microstrip Patches', IEEE Trans. on Antennas and Propagat., Vol. 42, No. 7 July. 1994, pp. 920-927]. Estos aπays están formados por dos o más capas de aπays de parches apiladas. También se han propuesto una aplicación de reflectaπays apilados, en la que se realiza el ajuste de fase en una sola dimensión para dos frecuencias muy separadas [J. A. Encinar, "Design of a dual frequency reflectaπay using microstrip stacked patches of variable size", Electronics Letters, 6th June 1996 Vol. 32 No. 12 pp. 1049-1050]. En esta referencia, se emplean dos aπays apilados, con parches de tamaño muy distinto, que se diseñan independientemente para cada frecuencia, por lo que se mantienen las mismas limitaciones de ancho de banda que en los reflectaπays de una sola capa. Con anterioridad a esta invención, el autor no tiene conocimiento de que se haya propuesto el empleo de reflectaπays multicapa para conseguir una mejora de las características eléctricas con respecto a los reflectaπays de una sola capa.
Para el análisis de estructuras multicapa con metalizaciones periódicas, se han propuesto distintas técnicas, basadas en métodos numéricos en electromagnetismo. De entre ellas cabe destacar la referencia [Wan and J. A. Encinar, "Efficient Computation of Generalized Scattering Matrix for Analyzing Multilayered Periodic Structures", IEEE Trans. Antennas and Propagat., Vol. 43 No. 11, Nov. 1995, pp.1233-1242], que emplea el Método de los Momentos, y resulta muy eficiente y flexible para el análisis de configuraciones multicapa, por analizar cada una de las capas por separado. Dichas técnicas se han empleado en el análisis y diseño de Superficies Selectivas en Frecuencia, y de aπays microstrip multicapa, pero no en el diseño de reflectores planos multicapa con características similares a reflectores parabólicos o conformados. Explicación de la invención
Como se ha mencionado en el apartado anterior, los reflectores planos basados en tecnología impresa que existen hasta la fecha presentan varios inconvenientes. Por un lado, los reflectaπays que emplean tramos de línea microstrip para conseguir el ajuste de fase presentan un menor rendimiento y un mayor nivel de polarización cruzada, debido a las pérdidas y a la radiación espuria de las líneas, respectivamente. Los reflectaπays con elementos radiantes de tamaño variable no presentan estos problemas, pero como contrapartida son muy sensibles a eπores de tolerancias de fabricación y su funcionamiento se limita a una banda muy estrecha, debido a la rápida variación de la fase con la longitud.
Una forma de conseguir un comportamiento más suave de la fase en función de la longitud consiste en aumentar el espesor del substrato (210), pero esto reduce notablemente el margen total de fases. Ha de tenerse en cuenta que para el diseño de un reflectaπay se requieren fases del coeficiente de reflexión en el margen entre 0 y 360°, y que éstas no pueden conseguirse si se aumenta el espesor del substrato.
En esta invención se propone una configuración de reflectaπay formada por dos o más capas de aπays de parches conductores de tamaño variable (Figs. 4, 5 y 8), con la que se consigue un comportamiento fase-tamaño más lineal, permitiendo diseños menos sensibles a tolerancias de fabricación y mayor ancho de banda.
La innovación de apilar dos o más capas de aπays permite aumentar el desfasaje introducido en el campo reflejado a valores superiores a los 360° requeridos en el diseño de reflectaπays. Un aπay de parches metálicos rectangulares se comporta como un circuito resonante, en el que la fase del campo reflejado varia con el tamaño de los parches en un rango de hasta 180°. Cuando el aπay se coloca sobre un plano metálico, como en la figura 2, el margen máximo de desfasaje se aproxima a los 360°, si la separación entre los parches y el plano es muy pequeña (mucho menor que λ, siendo λ la longitud de onda). En la figura 6 se muestra la fase en función del lado para un aπay de parches cuadrados a las frecuencias de 11,5, 12 y 12,5 GHz. En este caso el margen de fases es de 305°, para un substrato separador (210) de constante dieléctrica 1,05 y 1 mm. de espesor (0,04λ). El margen de desfasajes se reduce a medida que aumenta la separación entre parches y plano metálico, es decir el espesor del substrato (210). Al emplear dos o más capas de aπays, cada una de ellas se comporta como un circuito resonante, y el desfasaje del campo reflejado varía con el tamaño de los parches de forma similar al caso de una capa, pero se pueden conseguir desfasajes de hasta varias veces 360°. Por lo tanto, con varias capas de aπays se puede aumentar tanto la separación entre ellas, como la separación con el plano metálico para conseguir un comportamiento mucho más suave y lineal de la fase con el tamaño de los parches, manteniendo un margen de desfasajes superior a 360°. En la figura 7 se muestran las curvas de fase a las mismas frecuencias en función del tamaño de los parches cuadrados, para dos capas aπays sobre plano de masa, donde se han empleado dos separadores (420) y (430) de 3 mm. de espesor.
Un objeto de esta invención es un reflector plano, o reflectaπay, en tecnología impresa multicapa. En la figura 4 se muestra un croquis de una vista lateral del reflectaπay multicapa. Esta configuración permite situar bajo cualquier ángulo el alimentador y redireccionar el haz reflejado en cualquier dirección del espacio (θo, φo), siendo θn, y φo los ángulos habituales en coordenadas esféricas, mediante un diseño adecuado de la fase del coeficiente de reflexión en cada elemento del reflectarray. Este reflector plano refleja el campo electromagnético procedente de un alimentador (110) situado en un punto focal, formando un haz colimado en una dirección y a una frecuencia determinadas. De forma recíproca, el reflector recibe un haz colimado en una dirección y a una frecuencia determinadas y lo refleja, concentrándolo sobre el punto focal donde se encuentra el alimentador (110). En particular, se puede ajustar la fase en cada elemento de manera que el reflector plano presente las mismas características de radiación que un reflector parabólico. El control de la fase se realiza ajustando las dimensiones en cada elemento radiante. Cada elemento del reflectaπay consiste en varias capas de parches conductores apilados y separados entres sí por láminas de material dieléctrico, todo ello sobre un plano conductor, como se muestra en la figura 5 para el caso de 2 capas. Esta descripción se basa en parches de forma rectangular, pero el mismo efecto se consigue empleando parches conductores con otras formas geométricas, en las que se puedan ajustar de forma independiente al menos dos dimensiones, que permitan controlar la fase del coeficiente de reflexión para los dos polarizaciones ortogonales del campo incidente en el reflector. Por ejemplo, pueden utilizarse metalizaciones en forma de cruz, controlando la fase para cada polarización con la longitud de cada brazo en la cruz.
Para el análisis de la estructura se considera la aproximación de periodicidad local, considerando cada elemento con sus dimensiones, pero en un entorno periódico, y se calcula la fase del coeficiente de reflexión en función del lado del parche. La estructura periódica se analiza mediante un método de onda completa desaπollado previamente, que se basa en el Método de los Momentos en dominio espectral.
Esta invención permite la realización de reflectores planos de manera que sus características sean poco sensibles a los eπores debidos a tolerancias de fabricación. En el reflectaπay propuesto no se requieren precisiones superiores a 0,lmm. lo que permite simplificar y abaratar los procesos de fabricación. Un objeto de esta invención consiste en fabricar cada capa del reflector plano, formada por metalizaciones rectangulares impresas sobre láminas de material dieléctrico, mediante procedimientos convencionales de fotograbado, como los utilizados en la realización de placas de circuito impreso. Estos procesos consisten en la eliminación selectiva de material conductor a partir de una lámina de material dieléctrico recubierta de una capa conductora, mediante técnicas de fotograbado y ataque químico. También se puede realizar la eliminación selectiva del material conductor por láser, o cortando los parches conductores mediante un plotter de corte, y posteriormente retirando el material conductor entre los parches. En el proceso de construcción, los agrupamientos planos de parches conductores pueden estar directamente depositados sobre el dieléctrico separador, o sobre un soporte formado por una o varias capas de material dieléctrico.
Para algunas de las aplicaciones de las antenas reflectoras, en las que éstas deben fijarse sobre superficies preexistentes, en el proceso de fabricación del reflector multicapa se considera muy favorable el empleo de materiales flexibles, que permitan dar forma al reflector de manera que se adapte a superficies curvadas preexistentes.
Otra característica del reflectaπay multicapa con respecto a los de una sola capa es que permite aumentar la banda de frecuencias de trabajo. La banda de frecuencias de los reflectaπays convencionales es muy estrecha, impidiendo su utilización en gran número de aplicaciones comerciales. Un factor que interviene en la limitación de la banda es la diferencia de caminos recorridos por un haz desde el alimentador (110) hasta el frente de ondas (150), como se muestra en la figura 9. En el reflectaπay la diferencia de caminos se compensa mediante un desfasaje en cada elemento a la frecuencia central. Sin embargo, para otras frecuencias ligeramente separadas de la central, la compensación de fase debería ser ligeramente distinta, puesto que cambia la longitud de onda, y el eπor será mayor cuanto mayor sea la diferencia de caminos a compensar. Este eπor puede disminuirse, y así mejorar el ancho de banda, con una elección adecuada de la posición del alimentador y de la dirección de radiación. En la figura 9 se muestra una vista lateral de una configuración, en la que se ha elegido una superficie de reflector plano (100) coincidente con el plano de la apertura de un reflector parabólico (140) y se ha situado el alimentador (110) en el foco de éste. De esta forma los caminos recorridos (160) y (170) son iguales, es decir son iguales los caminos en todo el contorno del reflectaπay, minimizando la fase a compensar en el reflector plano y permitiendo así un mayor ancho de banda. La otra limitación más significativa en la banda para reflectaπays basados en parches de tamaño variable viene impuesta por la fuerte dependencia con la frecuencia del desfasaje en función del tamaño de los parches. El empleo de varias capas de aπays permite obtener unas curvas de desfasaje en función del tamaño mucho menos dependientes de la frecuencia, con lo que se aumenta el ancho de banda. Adicionalmente se puede realizar un ajuste en las dimensiones de cada elemento del reflectaπay para mejorar el comportamiento en toda la banda de trabajo.
Debido al mayor ancho de banda de la configuración multicapa, y aprovechando el bajo nivel de polarización cruzada de los reflectaπays, otro objeto de esta invención consiste en la aplicación al diseño de reflectarrays para polarización dual, como alternativa a los reflectores de rejilla. La coπección de fase en el reflectaray se realiza de forma independiente para cada polarización, permitiendo el empleo de dos alimentadores separados (110) y (111) de polarización lineal, como se muestra en la figura 10. Si se emplean dos alimentadores, uno para cada polarización, situados en puntos focales distintos, las dimensiones de los parches conductores en cada elemento se ajustan para compensar la situación de cada alimentador. También se pueden ajustar las dimensiones de manera que se generen dos haces colimados en direcciones distintas, una para cada polarización.
Otro objeto de la invención consiste en la utilización del reflector plano como antena de haces múltiples. Para ello, se ajustan las dimensiones en cada elemento con objeto de obtener una distribución de fase del campo reflejado que proporcione varios haces colimados en direcciones distintas, como se muestra en la figura 11.
Otro objeto de esta invención es la aplicación a la construcción de reflectores plegables. En algunas aplicaciones de comunicaciones teπestres o vía satélite se requieren reflectores de gran tamaño, que deben ser plegados para su transporte, o reflectores plegables para equipos terminales móviles. El reflector plano multicapa puede construirse en cuatro o más piezas, que pueden apilarse para su transporte y posteriormente ensamblarse. El ensamblaje no resulta crítico, puesto que no hay contacto eléctrico entre las metalizaciones del reflectaπay. Los reflectores plegables también tienen un importante campo de aplicación en los reflectores a bordo de satélites, de manera que el reflector puede ir plegado en el lanzamiento y desplegarse en el espacio.
Un segundo objeto principal de la invención es el procedimiento de diseño de un reflectaπay multicapa en una banda de frecuencias determinada. Este procedimiento proporciona las dimensiones de todos las metalizaciones y por tanto las máscaras de fotograbado, y consta de las siguientes etapas:
1) Definición del desfasaje en cada elemento. Una vez determinadas la frecuencia de trabajo, la posición del alimentador (110), o alimentadores (110) y (111), y la dirección de radiación indicada por las flechas (130a) y (130b), se calcula el desfasaje que debe introducir cada elemento del reflectaπay, para conseguir una distribución de fase progresiva de la onda reflejada. Esta distribución de fase se define para cualquier polarización del campo incidente, o para dos polarizaciones ortogonales del campo incidente. Si las dos polarizaciones provienen de un alimentador situado en un punto focal, la distribución de fase es igual para las dos polarizaciones, pero si provienen de dos alimentadores situados en puntos focales distintos, se define una distribución de fase para cada polarización. También puede definirse una distribución de fase que produzca un haz reflejado colimado con una polarización distinta a la del campo incidente, procedente del alimentador. Por ejemplo puede considerarse un alimentador de polarización lineal y definirse la distribución de fase que produzca un haz colimado de polarización circular, o viceversa. Para ello, lo único que hay que hacer es definir dos distribuciones de fase distintas, una para la polarización lineal del campo incidente según la dirección de un lado de los parches y la otra con el campo incidente en la dirección ortogonal, que se diferencien en 90°. También se pueden definir distribuciones de fase que produzcan dos haces colimados en direcciones distintas, una para cada polarización, o varios haces colimados en direcciones distintas, dando lugar a una antena de haces múltiples.
2) Ajuste de las dimensiones de cada elemento a la frecuencia central. En esta etapa se determinan las dimensiones de los parches, para que en cada elemento radiante se consiga el desfasaje definido en la etapa anterior a la frecuencia fijada. En primer lugar se analizan las curvas de desfasaje en función del tamaño, a varias frecuencias, para un aπay periódico de dos o más capas sobre plano metálico. En este apartado se consideran parches cuadrados en las dos capas, como los mostrados en la figura 5, siendo los de la capa externa ligeramente más pequeños, y se determinan algunos parámetros de la geometría, como son los espesores de dieléctrico separador entre las capas (420) y (430), el período de repetición a y el tamaño relativo de los parches en cada capa, para conseguir un comportamiento del desfasaje en función del tamaño suave y poco sensible a variaciones de frecuencia, como el mostrado en la figura 7. A continuación se determinan las dimensiones de cada parche utilizando una rutina iterativa de búsqueda de ceros. Esta rutina llama al programa de análisis y va ajustando las dimensiones de cada elemento hasta que se consigue la fase definida en la etapa 1). El procedimiento se repite para cada polarización.
3) Ajuste fino para cumplir las especificaciones en la banda de frecuencias de trabajo. Partiendo de las dimensiones obtenidas en la etapa anterior, mediante una rutina de optimización se realiza un nuevo ajuste de las dimensiones de los parches conductores. En esta etapa se ajustan simultáneamente todas las dimensiones de los parches, con objeto de cumplir las especificaciones de desfasaje definidas en la etapa 1), para una o dos polarizaciones, a una o varias frecuencias dentro de la banda de trabajo del reflectaπay.
Otro objeto de esta invención es el uso del reflector plano multicapa como polarizador, puesto que permite ajustar la fase en cada elemento del reflector plano, de manera que a partir del campo incidente procedente del alimentador genere un haz colimado de distinta polarización. Una aplicación interesante consiste en generar un haz de polarización circular a partir de un alimentador de polarización lineal, que es más fácil de construir, o recibir un haz de polarización circular concentrándolo sobre el alimentador como polarización lineal.
Otro objeto de la invención es el uso como reflector de haz conformado. Un reflector de haz conformado como los empleados en los satélites para TV directa, consiste en un reflector con deformaciones en su superficie, de manera que el diagrama de radiación ilumine una determinada zona geográfica. El diseño y construcción de reflectores conformados debe realizarse de forma especifica para cada aplicación. Para la construcción de los reflectores conformados se requieren unos moldes muy costosos de construir, que no son reutilizables para otras antenas. El reflectaπay multicapa y su procedimiento de diseño puede utilizarse, para ajustar la fase en cada elemento de manera que produzca un conformado de haz, con las mismas características que un reflector de superficie conformada. El procedimiento de diseño es el descrito anteriormente, salvo que en la primera etapa se define un desfasaje en cada elemento para conseguir el conformado del haz, en lugar de una fase progresiva. La construcción del reflector plano de haz conformado se realiza mediante sencillas técnicas de fotograbado, lo que supone una importante reducción en los costes de fabricación, al eliminar los costosos moldes conformados.
El reflector plano de haz colimado, o haz conformado, puede construirse para aplicaciones espaciales, empleando la tecnología desaπollada para los subreflectores dicroicos. Esta tecnología emplea materiales cualificados para espacio, que consisten básicamente en aπays de metalizaciones (400 y 410) de cobre o aluminio sobre láminas muy delgadas (entre 25 y 160 mieras) de Kapton o Kevlar (450 y 460), como se muestra en la figura 8. Como dieléctrico separador (420 y 430) entre las diferentes capas, se puede emplear un núcleo de kevlar, formado por una estructura con forma de panal de abeja, que presenta una constante dieléctric muy baja (del orden de 1.05) y muy bajas pérdidas (tangente de pérdidas=10"3). Estos materiales son flexibles y permiten construir una estructura multicapa con metalizaciones que se adapte a una superficie curvada. Posteriormente son sometidos a un proceso de curado, en el que adquieren rigidez suficiente para su utilización en aplicaciones espaciales.
Con objeto de mejorar aún más el ancho de banda de los reflectores de haz conformado basados en reflectaπays multicapa, éstos pueden construirse con forma de reflector parabólico, y ajustar con las metalizaciones únicamente las diferencias de fase que dan lugar al conformado del haz. Aunque en esta configuración se pierde la característica de reflector plano, y por consiguiente se complica el proceso de fabricación, los reflectores de haz conformado pueden construirse con moldes de reflector parabólico, que son reutilizables para varias aplicaciones y que no requieren de una tecnología tan rigurosa como los de superficie conformada. Adicionalmente pueden emplearse dos alimentadores independientes, uno para cada polarización lineal, que se encuentren situados en las proximidades del foco del paraboloide, y ajustar las dimensiones de los parches conductores en cada elemento para compensar la posición de cada alimentador, y para el conformado del haz en las dos polarizaciones. Breve descripción de los dibujos
Fig. 1. Vista lateral de un reflector plano (100), iluminado por un alimentador (110). En cada elemento (120) del reflector, se introduce un ajuste en la fase del campo reflejado, para que el campo divergente, procedente del alimentador (110), se refleje produciendo un haz colimado en la dirección de las flechas (130a) y (130b).
Fig. 2. Perspectiva de un agrupamiento, o aπay, plano de parches conductores (200), depositados sobre una lámina de material dieléctrico (210) de espesor h, también denominada substrato, que esta recubierta en la parte inferior por un conductor (230). El período de repetición es a. Fig. 3. Perspectiva de un agrupamiento, o aπay, plano de parches conductores (200), sobre lámina dieléctrica y plano conductor, donde el tamaño de los parches (200) es distinto, para conseguir un ajuste en la fase del campo reflejado. El período de repetición es a.
Fig. 4. Vista lateral de un reflector plano multicapa iluminado por un alimentador (110) para producir un haz colimado en la dirección de las flechas (130a) y (130b), definida por los ángulos θo, φo de coordenadas esféricas. El reflector plano esta formado por dos capas de parches conductores (400) y (410) sobre láminas de material dieléctrico, o substrato, (420) y (430), y sobre un plano conductor (440). El elemento de dos capas (300) representa un elemento genérico '.
Fig. 5. Vistas lateral y frontal de una célula periódica cuadrada de lado a, utilizada como elemento en los reflectores planos multicapa para el ajuste de fases. La estructura del elemento periódico multicapa consta de un primer parche conductor rectangular (400) de dimensiones aixbi, un dieléctrico separador (420) de espesor hi, un segundo parche conductor rectangular (410) de dimensiones a2χb2, un segundo separador (430) de espesor h2, y un plano conductor (440). Fig. 6. Fase del coeficiente de reflexión en incidencia normal para un aπay periódico de parches conductores cuadrados sobre plano conductor, como el mostrado en la figura 2, en función del lado de los parches, a tres frecuencias distintas, 11,5 ( ), 12 ( ) y 12,5
( ) GHz. Se han considerado los siguientes datos: una célula periódica de lado a=14mm. y un separador de constante dieléctrica 1,05 y espesor h=lmm. Fig. 7. Fase del coeficiente de reflexión en incidencia normal para un aπay periódico multicapa, con elementos periódicos como el mostrado en la figura 5, en función del tamaño de los parches a tres frecuencias distintas, 11,5 ( ), 12 ) y 12,5 ( ") GHz. Se han considerado parches cuadrados, suponiendo los de la capa externa de un tamaño 0,7 veces menor a los de la capa intermedia (ai-bi, a2=b2,
Figure imgf000015_0001
a2), separadores de constante dieléctrica 1 ,05 y espesor hι= h2=3mm y célula periódica de lado a=14mm.
Fig. 8. Perspectiva de las diferentes capas que forman un reflector plano multicapa. Desde la capa superior a la inferior, primer aπay de parches conductores rectangulares de distinto tamaño (400), primera capa de substrato dieléctrico (450) sobre el que se depositan los parches, primer dieléctrico separador (420), segundo aπay de parches (410), segundo substrato (460), segundo separador (430) y plano metálico (440). Fig. 9. Vista lateral de una configuración de reflector plano, en la que las distancias recorridas por una onda desde el alimentador (110) hasta un frente de ondas (150) son iguales en el contorno del reflector plano. Estas distancias son iguales para todos los puntos de un reflector parabólico (140) con el alimentador (110) situado en el foco. Fig. 10. Vista lateral de un reflector plano multicapa iluminado por dos alimentadores (110) y (111) de distinta polarización, en el que el ajuste de las dimensiones de los parches conductores se realiza para producir un haz colimado en la dirección de las flechas (130a) y (130b) para las dos polarizaciones.
Fig. 11. Vista lateral de un reflector plano multicapa iluminado por un alimentador (110), en el que el ajuste de las dimensiones de los parches conductores se realiza para producir dos haces colimados en las direcciones de las flechas (130a-b) y (131a-b), respectivamente.
Fig. 12. Máscara obtenida por AUTOCAD a escala 1 :4 con el contorno de los parches de tamaño variable de la primera capa (400) de un reflector plano diseñado para conseguir un haz colimado en la dirección θo=19°,
Figure imgf000016_0001
a 11,95 GHz. Fig. 13. Máscara obtenida por AUTOCAD a escala 1 :4 con el contorno de los parches de tamaño variable de la segunda capa (410) de un reflector plano diseñado para conseguir un haz colimado en la dirección θo=19°, φo=0° a 11,95 GHz.
Fig. 14. Fotografía del reflector plano de dos capas de aπays de parches de tamaño variable diseñado, construido y medido en cámara anecóica.
Exposición detallada de un modo de realización de la invención
En este apartado se describe los pasos a realizar para el diseño y construcción de un reflector plano basado en tecnología impresa multicapa para polarización dual.
En primer lugar se elige la tecnología y los materiales a utilizar en la realización del reflector. En el ejemplo de realización que se describe se ha elegido como material separador entre las capas de metalizaciones un foam comercial denominado ROHACELL 51, que tiene una constante dieléctrica relativa de 1,05 y una tangente de pérdidas de 10"3. Los aπays de parches metálicos rectangulares se construyen a partir de un soporte dieléctrico metalizado de pequeño espesor, como por ejemplo una lámina de Kapton de 25 mieras de espesor recubierta de una película de cobre de 18 mieras. El Kapton tiene una constante dieléctrica de 3,5 y una tangente de pérdidas de 3x10"3, aunque debido a su pequeño espesor su efecto es despreciable.
Una vez elegidos los materiales, se analiza una estructura periódica multicapa, formada por dos o más capas apiladas de aπays de parches metálicos, separadas entres sí por el dieléctrico separador, y sobre un plano metálico. En la figura 5 se muestra una célula periódica, para el caso de dos capas. Para el análisis de la estructura periódica multicapa se emplea un método de onda completa, como el conocido Método de los Momentos en dominio espectral, y se calcula la fase del coeficiente de reflexión para las dos posibles polarizaciones del campo incidente, en función de los diferentes parámetros geométricos y de excitación. Se parte de arrays de parches cuadrados resonantes, cuyo lado es aproximadamente igual a la mitad de la longitud de onda, y se va modificando su tamaño, para estudiar el comportamiento de la fase en función de la longitud resonante. El tamaño de los parches se varía simultáneamente en todas las capas, manteniendo una relación fija entre los tamaños en cada capa, y se mantiene el período de repetición igual en todas las capas. Se ha comprobado que el aπay más próximo al plano de masa debe estar formado por parches ligeramente mayores. Se analiza la variación de la fase del coeficiente de reflexión para cada una de las dos polarizaciones ortogonales, es decir para un campo eléctrico incidente en la dirección X (Ex) , y para un campo eléctrico en la dirección Y (Ey), para distintos ángulos de incidencia y para varias frecuencias dentro de la banda de trabajo.
En esta etapa se ajustan algunos parámetros geométricos, como son, período de repetición de los parches metálicos a, espesor de los separadores hi y h2, y tamaño relativo de los parches en cada capa, con objeto de conseguir una variación de fases en función de las dimensiones de los parches que sea suficientemente lineal para distintos ángulos de incidencia y para distintas frecuencias, y que cubra un margen de fases de al menos 360°. En la realización que se describe se ha elegido como frecuencia de diseño f=11.95 GHz, se ha considerado una estructura de 2 capas de parches conductores, y se han elegido los siguientes valores geométricos:
• Espesor de ROHACELL: 3 mm.
• Período de repetición: 14 mm. • Tamaño relativo de parches superiores/inferiores: 0,7.
Para estos valores, las curvas de fase del coeficiente de reflexión para las dos polarizaciones, en incidencia normal, a 11,5, 12 y 12,5 GHz., son las mostradas en la figura 7.
A continuación se fija la posición del alimentador sobre el reflector, el tamaño del reflector y la dirección de radiación de la antena. En esta realización se ha considerado un reflector circular de 40 cm de diámetro y se ha utilizado un alimentador comercial de la casa ROVER, modelo FOLWR75, empleado en los receptores de televisión por satélite. El reflector se supone centrado en el origen en el plano XY, el centro de la apertura del alimentador se coloca en las coordenadas, Xf — -116, y = 0, Zf = 340mm., y se elige como dirección de radiación el ángulo θo=19°, φo=0°, en coordenadas esféricas.
Con estos datos se procede al diseño del reflector en tecnología impresa, para determinar la máscara de fotograbado de los parches en cada capa. El proceso consta de tres etapas.
1. Definición del desfasaje en cada elemento. Una vez determinada la posición del alimentador (110) y la dirección de radiación, definida por los ángulos θo y φo de coordenadas esféricas, se calcula el desfasaje que debe introducir cada elemento (300) del reflectaπay, para conseguir una distribución de fase progresiva de la onda reflejada.
Puesto que el reflector se encuentra en la zona de campo lejano del alimentador, la fase del campo incidente en cada elemento ' (300) del reflectaπay es igual al producto del número de onda K por la distancia del alimentador al elemento ', denominada d¡. Para obtener un campo reflejado en la dirección (θo, φo), la fase de éste en la superficie del reflector debe ser,
Fase(x, y) = -K0 sen θ0( x eos φ0 + y sen φ0 ) ,
siendo (x,y) las coordenadas de cada punto en la superficie del reflector. Para conseguir esta distribución de fase, cada elemento ' del reflector debe introducir una fase en el coeficiente de reflexión,
Fase coef. refl. (x, , y, ) = K0 [d , - sen θ0 ( x, eos φ0 + y, sen φ0 ) ] ,
donde (x¡,y¡) son las coordenadas del centro del elemento '. Esta es la fase objetivo del coeficiente de reflexión, que debe cumplirse para las dos polarizaciones ortogonales, si se emplea un único alimentador.
2. Ajuste de las dimensiones de cada elemento a la frecuencia central. En esta etapa se determinan las dimensiones de los parches, para que en cada elemento radiante se consiga el desfasaje definido en la etapa anterior a la frecuencia central.
Si la dirección del campo incidente en el reflector fuera perpendicular a éste, la fase del coeficiente de reflexión sería igual en las dos polarizaciones. Sin embargo, en el reflectarray, la incidencia es oblicua en cada elemento y las fases para cada polarización serán distintas. Por lo tanto, para obtener una fase progresiva del campo reflejado en las dos polarizaciones ortogonales, Ex y Ey, se deben ajustar las dos dimensiones de cada parche. Puesto que la fase para cada polarización prácticamente solo depende de las dimensiones resonantes, primero se suponen parches cuadrados y se ajustan las dimensiones ai a2, ver figura 5, para obtener la fase deseada para la polarización Ex y después se ajustan bi b2, también suponiendo parches cuadrados, para la fase de Ey.
Para el análisis del reflectaπay, se calcula la fase del coeficiente de reflexión para cada polarización en cada período suponiendo periodicidad local, es decir analizando cada elemento con sus dimensiones en un entorno periódico.
Para determinar las dimensiones de cada parche se utiliza una rutina iterativa, basada en el método de 'false position', que llama al programa de análisis y va ajustando las dimensiones de cada elemento hasta que se consigue la fase deseada. El procedimiento iterativo se aplica para parches cuadrados para conseguir la distribución de fases definida en la etapa anterior para la polarización del campo Ex y se obtienen las dimensiones ai a2.
A continuación se aplica el procedimiento para la polarización del campo Ey y se obtienen las dimensiones bi b2. Las dimensiones de los parches ai, bi, a2 y b2 en cada elemento del reflector proporcionan con muy buena aproximación las distribuciones de fase definidas en la etapa 1) para las dos polarizaciones.
Ajuste fino para cumplir las especificaciones en la banda de frecuencias de trabajo.
Partiendo de las dimensiones obtenidas en la etapa anterior, mediante una rutina de optimización se realiza un nuevo ajuste de las dimensiones con objeto de cumplir las especificaciones de desfasaje en cada elemento para las dos polarizaciones ortogonales y a varias frecuencias, dentro de la banda de trabajo del reflectaπay. Para ello se determina la fase objetivo del coeficiente de reflexión a cada frecuencia, para cada elemento del reflector, y se define un eπor de fase para cada polarización como la diferencia entre ésta y la fase calculada por el método de los momentos. Se define una función de eπor como la suma de los cuadrados del eπor de fase para cada polarización y para cada frecuencia. La rutina de optimización ajusta en cada elemento todas las dimensiones de los parches (ai, a∑, bi y b2) para minimizar la función eπor. Este proceso proporciona todas las dimensiones de los parches metálicos en las dos capas, con los que se puede generar la máscara de fotograbado.
Para la realización tecnológica del reflectaπay pueden emplearse las técnicas tradicionales de fotograbado, empleadas en la realización de circuitos impresos. En la realización que aquí se describe se ha generado las máscaras de fotograbado para cada capa del reflectaπay en AUTOCAD a partir del fichero con las dimensiones de los parches obtenido en la etapa de diseño. En las figuras 12 y 13 se muestran las máscaras a escala 1 :4 con los contornos de los parches rectangulares para la primera y segunda capa de aπays, respectivamente. Con el fichero de AUTOCAD, y mediante un plotter de corte se han cortado los parches rectangulares en la lámina de Kapton recubierta de cobre. Posteriormente mediante una película adhesiva de (100) mieras de espesor se han levantado los parches, y esta lámina se ha adherido al ROHACELL, que actúa como separador. Para el plano metálico, se ha empleado una lámina de Kapton recubierto de cobre.
Este prototipo ha sido construido y medido en cámara anecóica. En la figura 14 se muestra una fotografía del reflector plano de dos capas con su alimentador. Las características medidas del reflector se ajustan a las especificaciones para las que fue diseñado. Los diagramas de radiación son prácticamente iguales para las dos polarizaciones lineales y coinciden con los obtenidos mediante el método de análisis. La ganancia es de 31 dB, con variaciones de ganancia en la banda de 11.5 a 12.4 de ±0.15dB. La polarización cruzada está por debajo de -33dB.
Aplicación industrial
Como ya se ha mencionado en apartados anteriores, esta invención puede aplicarse como antena reflectora en aplicaciones de radar y de comunicaciones teπestres y vía satélite, presentando importantes ventajas sobre los reflectores parabólicos convencionales. Por tratarse de un reflector plano puede construirse en varios trozos, para ser plegado y desplegado, siendo de gran utilidad en aplicaciones en las que se requieren grandes reflectores que deben ser transportados. Por tratarse de un reflector plano en el que el haz puede redireccionarse, la superficie del reflector puede adaptarse a las estructuras existentes, como fachadas de edificios, paredes de un satélite de comunicaciones, etc. Puede utilizarse como reflector para polarización dual con un nivel de aislamiento entre polarizaciones mejor que el que proporcionan los reflectores convencionales.
La presente invención puede construirse en materiales cualificados para espacio y mediante una tecnología ya desaπollada en aplicaciones espaciales, en la realización de subreflectores dicroicos. Por ello, este tipo de reflectores planos multicapa tiene un importante campo de aplicación en la industria espacial como alternativa a los diferentes tipos de reflectores embarcados en satélites, parabólicos, de rejilla o de haz conformado.

Claims

REIVINDICACIONES
Reivindicación 1 : Un reflector plano en tecnología impresa que refleja la energía electromagnética procedente de un alimentador (110) situado en un punto focal, formando un haz colimado en una dirección y a una frecuencia determinadas, o que recibe un haz colimado en una dirección y a una frecuencia determinadas y lo refleja concentrándolo en el punto focal donde se encuentra el alimentador, caracterizado por tener al menos dos capas de agrupamientos de parches conductores con las que se obtiene una menor sensibilidad a las tolerancias de fabricación y un mayor ancho de banda, que consiste en: un plano conductor (440), una lámina de material dieléctrico denominado separador (430), una película de material dieléctrico de pequeño espesor (460) que soporta un agrupamiento plano de parches conductores de forma rectangular (410), una nueva capa de separador (420) y una nueva capa de parches conductores (400) sobre soporte dieléctrico (450); en el que las dimensiones de los parches conductores en cada capa se ajustan individualmente para conseguir un desfasaje del campo reflejado que permita colimar el campo electromagnético procedente del alimentador o concentrar en el alimentador un haz colimado incidente en el reflector.
Reivindicación 2: Reflector plano según 1, caracterizado por estar los parches conductores depositados directamente sobre el dieléctrico separador.
Reivindicación 3: Reflector plano según 1, caracterizado por tener más de dos capas de material dieléctrico entre el plano conductor (440) y los parches conductores (410), o entre las capas de agrupamientos planos de parches (400 y 410).
Reivindicación 4: Reflector plano según 1, 2 ó 3, construido en materiales cualificados para aplicaciones espaciales.
Reivindicación 5: Reflector plano según 1, 2, 3 ó 4, caracterizado por tener más de dos capas de agrupamientos de parches conductores y láminas dieléctricas apiladas.
Reivindicación 6: Reflector plano según 1, 2, 3, 4 ó 5, caracterizado por tener los parches conductores en cada capa cuadrados o en forma de cruz, en lugar de rectangulares.
Reivindicación 7: Reflector plano según 6, en el que el agrupamiento de parches en cada capa se fabrica mediante eliminación selectiva de material conductor a partir de una lámina de material dieléctrico recubierta de una capa conductora, mediante técnicas de fotograbado y ataque químico, o mediante eliminación selectiva del material conductor por láser, o cortando los parches conductores mediante un plotter de corte y retirando posteriormente el material conductor entre los parches.
Reivindicación 8: Reflector plano según 6 ó 7, caracterizado por estar construido en varias piezas para ser plegado y desplegado.
Reivindicación 9: Reflector plano según 6 ó 7, caracterizado por estar construido en materiales flexibles para ser adaptado a superficies curvadas.
Reivindicación 10: Procedimiento de diseño para obtener las máscaras de fotograbado para la construcción de un reflector plano formado por varias capas de agrupamientos planos de parches conductores separadas por láminas dieléctricas y sobre un plano conductor, que consta de las siguientes etapas: 1) definición de la fase del coeficiente de reflexión en cada elemento para conseguir que la energía electromagnética de una determinada frecuencia procedente de un alimentador situado en un punto focal sea reflejada formando un haz colimado en una dirección determinada, donde cada elemento está formado por dos o más parches conductores apilados y separados entre sí por láminas dieléctricas y sobre un plano conductor; 2) determinación de las dimensiones de los parches para que en cada elemento se consiga la fase del coeficiente de reflexión definida en la etapa anterior, mediante el empleo de una rutina iterativa de búsqueda de ceros que va ajustando las dimensiones de los parches y calculando el coeficiente de reflexión, mediante un método de análisis de estructuras periódicas multicapa basado en el método de los momentos, hasta llegar a la fase deseada; 3) ajuste fino de las dimensiones de los parches conductores en cada elemento del reflector multicapa, mediante una rutina de optimización, para conseguir la fase definida en la etapa 1) para un campo incidente con cualquier tipo de polarización para una o varias frecuencias dentro de la banda de trabajo del reflector.
Reivindicación 11: Procedimiento de diseño según 10, en el que el ajuste de las dimensiones de los parches conductores en cada elemento en las etapas 2) y 3) se realiza simultáneamente para dos polarizaciones ortogonales independientes del campo incidente. Reivindicación 12: Procedimiento de diseño según 11, en el que en la etapa 1) se define la fase del coeficiente de reflexión para dos alimentadores independientes, uno para cada una de las dos polarizaciones ortogonales, situados en puntos focales distintos.
Reivindicación 13: Procedimiento de diseño según 11 ó 12, en el que en la etapa 1) se define la fase del coeficiente de reflexión para que el campo procedente del alimentador o alimentadores sea reflejado formando dos haces colimados, uno para cada polarización del campo incidente, en direcciones distintas.
Reivindicación 14: Procedimiento de diseño según 10, en el que en la etapa 1) se define la fase del coeficiente de reflexión para que el campo procedente del alimentador sea reflejado formando un haz colimado con una polarización distinta a la del campo incidente.
Reivindicación 15: Procedimiento de diseño según 10, 11, 12 ó 14 en el que en la etapa 1) se define la fase del coeficiente de reflexión para que el campo procedente del alimentador o alimentadores sea reflejado formando un haz conformado, en lugar de un haz colimado.
Reivindicación 16: Procedimiento de diseño según 10 ú 11 en el que en la etapa 1) se define la fase del coeficiente de reflexión para que el campo procedente del alimentador sea reflejado formando varios haces colimados en direcciones distintas.
Reivindicación 17: Reflector plano según 6, 10 ú 11, en el que se define la fase del coeficiente de reflexión y se ajustan las dimensiones de los parches en cada elemento para conseguir el colimado del haz procedente del alimentador, o la concentración del haz colimado incidente en el reflector al punto focal del alimentador, con las mismas características que en un reflector parabólico.
Reivindicación 18: Reflector plano según 6 y 11, en el que las dimensiones de los parches conductores en cada capa se ajustan para conseguir el colimado del haz procedente del alimentador, o la concentración del haz colimado al punto focal del alimentador para dos polarizaciones de campo electromagnético simultáneamente.
Reivindicación 19: Reflector plano según 6, caracterizado por tener dos alimentadores (110 y 111) situados en dos puntos focales distintos, que funcionan en polarizaciones ortogonales, que se diseña según 12 para conseguir que los haces procedentes de los dos alimentadores, se reflejen formando haces colimados en una misma dirección predeterminada. Reivindicación 20: Reflector plano según 6 y 13 con uno o dos alimentadores funcionando en dos polarizaciones ortogonales, caracterizado por generar o recibir dos haces colimados, uno para cada polarización del campo incidente, en direcciones distintas
Reivindicación 21: Reflector plano según 6 yl4, en el que se ajustan las dimensiones de los parches conductores en cada capa para conseguir un haz reflejado colimado de polarización circular cuando incide un campo procedente del alimentador de polarización lineal, o para que un haz colimado de polarización circular incidente en el reflector se concentre con polarización lineal en el punto focal del alimentador.
Reivindicación 22: Reflector plano según 6, 18, 19 ó 21, en el que las dimensiones de los parches conductores en cada elemento se ajustan para conseguir las características eléctricas de un reflector de haz conformado.
Reivindicación 23: Reflector multicapa según 22, caracterizado por tener forma parabólica, en lugar de plana, con el alimentador o alimentadores cerca del foco del paraboloide, en el que las dimensiones de los parches conductores en cada elemento se ajustan para conseguir las características eléctricas de un reflector de haz conformado, para polarización simple o dual.
Reivindicación 24: Reflector plano según 6 y 16, con un alimentador funcionando en polarización simple o dual, caracterizado por generar varios haces colimados en direcciones distintas como se muestra en la figura 11, o por recibir señales electromagnéticas en distintas direcciones y concentrarlas en el punto focal del alimentador.
Reivindicación 25: Reflector plano según 6, 17, 18, 19, 20, 21, 22, ó 23, en el que se ajustan las dimensiones de los parches en cada elemento para conseguir el colimado, redireccionamiento, conformado o cambio de polarización del haz para varias frecuencias, dentro de la banda de trabajo del reflector. REIVINDICACIONES MODIFICADAS
[recibidas por la oficina Internacional el 19 de octubre de 2000 (19.10.00); reivindicación 6 modificada; otras reivindicaciones no cambian (4 páginas)]
Reivindicación 1: Un reflector plano en tecnología impresa que refleja la energía electromagnética procedente de un alimentador (110) situado en un punto focal, formando un haz colimado en una dirección y a una frecuencia determinadas, o que recibe un haz colimado en una dirección y a una frecuencia determinadas y lo refleja concentrándolo en el punto focal donde se encuentra el alimentador, caracterizado por tener al menos dos capas de agrupamientos de parches conductores con las que se obtiene una menor sensibilidad a las tolerancias de fabricación y un mayor ancho de banda, que consiste en: un plano conductor (440), una lámina de material dieléctrico denominado separador (430), una película de material dieléctrico de pequeño espesor (460) que soporta un agrupamiento plano de parches conductores de forma rectangular (410), una nueva capa de separador (420) y una nueva capa de parches conductores (400) sobre soporte dieléctrico (450); en el que las dimensiones de los parches conductores en cada capa se ajustan individualmente para conseguir un desfasaje del campo reflejado que permita colimar el campo electromagnético procedente del alimentador o concentrar en el alimentador un haz colimado incidente en el reflector.
Reivindicación 2: Reflector plano según 1, caracterizado por estar los parches conductores depositados directamente sobre el dieléctrico separador.
Reivindicación 3: Reflector plano según 1, caracterizado por tener más de dos capas de material dieléctrico entre el plano conductor (440) y los parches conductores (410), o entre las capas de agrupamientos planos de parches (400 y 410).
Reivindicación 4: Reflector plano según 1, 2 ó 3, construido en materiales cualificados para aplicaciones espaciales.
Reivindicación 5: Reflector plano según 1, 2, 3 ó 4, caracterizado por tener más de dos capas de agrupamientos de parches conductores y láminas dieléctricas apiladas.
Reivindicación 6 (New): Reflector plano según 1, 2, 3, 4 ó 5, caracterizado por tener los parches conductores en cualquiera de las capas con forma cuadrada, rectangular o en forma de cruz. Reivindicación 7: Reflector plano según 6, en el que el agrupamiento de parches en cada capa se fabrica mediante eliminación selectiva de material conductor a partir de una lámina de material dieléctrico recubierta de una capa conductora, mediante técnicas de fotograbado y ataque químico, o mediante eliminación selectiva del material conductor por láser, o cortando los parches conductores mediante un plotter de corte y retirando posteriormente el material conductor entre los parches.
Reivindicación 8: Reflector plano según 6 ó 7, caracterizado por estar construido en varias piezas para ser plegado y desplegado.
Reivindicación 9: Reflector plano según 6 ó 7, caracterizado por estar construido en materiales flexibles para ser adaptado a superficies curvadas.
Reivindicación 10: Procedimiento de diseño para obtener las máscaras de fotograbado para la construcción de un reflector plano formado por varias capas de agrupamientos planos de parches conductores separadas por láminas dieléctricas y sobre un plano conductor, que consta de las siguientes etapas: 1) definición de la fase del coeficiente de reflexión en cada elemento para conseguir que la energía electromagnética de una determinada frecuencia procedente de un alimentador situado en un punto focal sea reflejada formando un haz colimado en una dirección determinada, donde cada elemento está formado por dos o más parches conductores apilados y separados entre sí por láminas dieléctricas y sobre un plano conductor; 2) determinación de las dimensiones de los parches para que en cada elemento se consiga la fase del coeficiente de reflexión definida en la etapa anterior, mediante el empleo de una rutina iterativa de búsqueda de ceros que va ajustando las dimensiones de los parches y calculando el coeficiente de reflexión, mediante un método de análisis de estructuras periódicas multicapa basado en el método de los momentos, hasta llegar a la fase deseada; 3) ajuste fino de las dimensiones de los parches conductores en cada elemento del reflector multicapa, mediante una rutina de optimización, para conseguir la fase definida en la etapa 1) para un campo incidente con cualquier tipo de polarización para una o varias frecuencias dentro de la banda de trabajo del reflector.
Reivindicación 11: Procedimiento de diseño según 10, en el que el ajuste de las dimensiones de los parches conductores en cada elemento en las etapas 2) y 3) se realiza simultáneamente para dos polarizaciones ortogonales independientes del campo incidente. Reivindicación 12: Procedimiento de diseño según 11, en el que en la etapa 1) se define la fase del coeficiente de reflexión para dos alimentadores independientes, uno para cada una de las dos polarizaciones ortogonales, situados en puntos focales distintos.
Reivindicación 13: Procedimiento de diseño según 11 ó 12, en el que en la etapa 1) se define la fase del coeficiente de reflexión para que el campo procedente del alimentador o alimentadores sea reflejado formando dos haces colimados, uno para cada polarización del campo incidente, en direcciones distintas.
Reivindicación 14: Procedimiento de diseño según 10, en el que en la etapa 1) se define la fase del coeficiente de reflexión para que el campo procedente del alimentador sea reflejado formando un haz colimado con una polarización distinta a la del campo incidente.
Reivindicación 15: Procedimiento de diseño según 10, 11, 12 ó 14 en el que en la etapa 1) se define la fase del coeficiente de reflexión para que el campo procedente del alimentador o alimentadores sea reflejado formando un haz conformado, en lugar de un haz colimado.
Reivindicación 16: Procedimiento de diseño según 10 ú 11 en el que en la etapa 1) se define la fase del coeficiente de reflexión para que el campo procedente del alimentador sea reflejado formando varios haces colimados en direcciones distintas.
Reivindicación 17: Reflector plano según 6, 10 ú 11, en el que se define la fase del coeficiente de reflexión y se ajustan las dimensiones de los parches en cada elemento para conseguir el colimado del haz procedente del alimentador, o la concentración del haz colimado incidente en el reflector al punto focal del alimentador, con las mismas características que en un reflector parabólico.
Reivindicación 18: Reflector plano según 6 y 11, en el que las dimensiones de los parches conductores en cada capa se ajustan para conseguir el colimado del haz procedente del alimentador, o la concentración del haz colimado al punto focal del alimentador para dos polarizaciones de campo electromagnético simultáneamente.
Reivindicación 19: Reflector plano según 6, caracterizado por tener dos alimentadores (110 y 111) situados en dos puntos focales distintos, que funcionan en polarizaciones ortogonales, que se diseña según 12 para conseguir que los haces procedentes de los dos alimentadores, se reflejen formando haces colimados en una misma dirección predeterminada. Reivindicación 20: Reflector plano según 6 y 13 con uno o dos alimentadores funcionando en dos polarizaciones ortogonales, caracterizado por generar o recibir dos haces colimados, uno para cada polarización del campo incidente, en direcciones distintas
Reivindicación 21: Reflector plano según 6 yl4, en el que se ajustan las dimensiones de los parches conductores en cada capa para conseguir un haz reflejado colimado de polarización circular cuando incide un campo procedente del alimentador de polarización lineal, o para que un haz colimado de polarización circular incidente en el reflector se concentre con polarización lineal en el punto focal del alimentador.
Reivindicación 22: Reflector plano según 6, 18, 19 ó 21, en el que las dimensiones de los parches conductores en cada elemento se ajustan para conseguir las características eléctricas de un reflector de haz conformado.
Reivindicación 23: Reflector multicapa según 22, caracterizado por tener forma parabólica, en lugar de plana, con el alimentador o alimentadores cerca del foco del paraboloide, en el que las dimensiones de los parches conductores en cada elemento se ajustan para conseguir las características eléctricas de un reflector de haz conformado, para polarización simple o dual.
Reivindicación 24: Reflector plano según 6 y 16, con un alimentador funcionando en polarización simple o dual, caracterizado por generar varios haces colimados en direcciones distintas como se muestra en la figura 11, o por recibir señales electromagnéticas en distintas direcciones y concentrarlas en el punto focal del alimentador.
Reivindicación 25: Reflector plano según 6, 17, 18, 19, 20, 21, 22, ó 23, en el que se ajustan las dimensiones de los parches en cada elemento para conseguir el colimado, redireccionamiento, conformado o cambio de polarización del haz para varias frecuencias, dentro de la banda de trabajo del reflector.
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