WO2022157410A1 - Estructura tridimensional reconfigurable para la manipulación de ondas electromagnéticas - Google Patents

Estructura tridimensional reconfigurable para la manipulación de ondas electromagnéticas Download PDF

Info

Publication number
WO2022157410A1
WO2022157410A1 PCT/ES2022/070031 ES2022070031W WO2022157410A1 WO 2022157410 A1 WO2022157410 A1 WO 2022157410A1 ES 2022070031 W ES2022070031 W ES 2022070031W WO 2022157410 A1 WO2022157410 A1 WO 2022157410A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cells
etr
different
cell
reconfigurable
Prior art date
Application number
PCT/ES2022/070031
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Juan Francisco VALENZUELA VALDÉS
Pablo Padilla De La Torre
Carlos MOLERO JIMÉNEZ
Ángel PALOMARES CABALLERO
Antonio ALEX AMOR
Ignacio PARELLADA SERRANO
Alejandro RAMÍREZ ARROYO
Original Assignee
Universidad De Granada
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universidad De Granada filed Critical Universidad De Granada
Publication of WO2022157410A1 publication Critical patent/WO2022157410A1/es

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—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 relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—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 relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—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 relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means

Definitions

  • This invention falls within the field of mobile communications. Specifically among the devices for the transmission of electromagnetic waves. Among its applications is also the absorption of electromagnetic radiation with the aim of achieving electromagnetic invisibility.
  • a metasurface is an artificially structured surface used for the control and manipulation of said waves.
  • Metasurfaces are periodic structures that have great potential in many different applications, such as wireless communications, radar systems, frequency filters, antenna design.
  • a metasurface-based reconfigurable surface allows modifications of the communication environment to meet the needs of wireless links between users.
  • Some of the desirable functionalities for metasurfaces are: beam steering, beam splitting, wave absorption, polarization conversion, and phase shift of the reflected wave.
  • the applications of these functionalities in wireless communications are: the avoidance of scenarios without direct line of sight (NLOS), the mitigation of interference, the blocking of eavesdropping and interference or multi-user coverage.
  • RS RS-atoms
  • Meta-atoms must incorporate reconfigurable elements, to achieve different phase change responses to define the phase states of the meta-atom.
  • PIN diodes are an option up to 20 GHz, however, in higher frequency bands, these solutions are of low efficiency due to the losses they produce and, therefore, technologies based on new materials such as graphene are being studied as alternatives or liquid crystal.
  • These types of reconfigurable structures are increasingly used to design reconfigurable RF devices such as attenuators, tunable antennas, variable absorbers, etc.
  • PCB printed circuit boards
  • the RS design only considered its reflecting plane to implement reconfigurable unit cells, losing one dimension.
  • Patent US7679563B2 "Reconfigurable frequency selective surfaces for remote sensing of chemical and biological agents", describes a frequency reconfigurable surface for different purposes.
  • Patent US9450310B2 “Surface scattering antennas”, proposes a two-dimensional structure that acts as an antenna by the radiation of surface waves that propagate on the metasurface. Said surface is made up of cells that comprise perforations filled with liquid crystal arranged on a ground plane, which allows selectively modifying the electrical potential of each cell.
  • Patent US9455495B2 "Two-dimensionally electronically-steerable artificial impedance surface antenna” proposes a solution based on electronically reconfiguring the impedance of an antenna.
  • Patents US9935375B2 "Surface scattering antenna reflector” and US10090599B2, "Surface scattering antenna improvement” describe two antennas that improve and further specify the reflector antenna proposed in US9450310B2.
  • Patent US9882288B2 "Slotted surface scattering antennas" proposes the use of integrated elements (such as capacitors, coils, etc.) to modify the impedance of the metasurface.
  • Patent US10326203B1 “Surface scattering antenna systems with reflector or lens” and patent application US20200161777A1, “Switchable lens antenna with integrated frequency selective structure”, propose systems comprising one or more wave sources; one or more metasurfaces, one or more reflectors, and lenses to perform beamforming or beam redirection, preferably with high gain.
  • the known three-dimensional structures that change the polarization of the waves lack reconfigurability and, in them, structures are proposed where all the cells are the same, that is, there are no known reconfigurable three-dimensional structures with different types of cells. Therefore, no previous reference is known that uses three-dimensional structures as such for changing the electromagnetic properties of waves in the sense that metasurfaces do, the closest approximation being a set of planar structures with stacking of different layers. .
  • the invention describes a three-dimensional structure (TE).
  • TE three-dimensional structure
  • Said ET also referred to hereinafter as ET and reconfigurable (ETR)
  • ET and reconfigurable allows selectively modifying the incident electromagnetic waves with various objectives such as performing the shaping of the radiation beam, the absorption of electromagnetic power or the concentration of electromagnetic waves.
  • the ET is adapted to manipulate an incident electromagnetic wave in said structure, which comprises a plurality of electrically conductive cells, arranged on a ground plane. Said ET is characterized by:
  • cell reconfiguration means adapted to selectively modify the intensity, propagation direction, phase and/or polarization of the incident electromagnetic wave in the direction perpendicular to the ground plane or in other directions in one or more cells
  • - comprises one or more perforations in at least one of the lateral faces of one of the cells. Said perforations allow controlling the electromagnetic waves incident on them.
  • the geometry of said perforations can be modified by means of reconfiguration means.
  • embodiments of the ET comprise one or more cells that are not electronically reconfigurable, having a single electronic state (for example, to which an electrical potential difference is not applied or where said potential difference is not modified).
  • the ET is capable of manipulating the electromagnetic wave incident on it by reconfiguring (for example, electromagnetically or electromechanically) one of its cells.
  • At least one of the cells of the ET comprises a hollow prism without bases whose lateral faces define a polygon.
  • the polygon defined by the side faces (which are parallelograms) of at least one of the cells is a square or hexagon.
  • the lateral faces are substantially square.
  • the reconfiguration means are adapted to selectively modify the electrical potential difference applied to one or more cells and/or the geometry of the perforations of one or more cells.
  • the ET is characterized in that at least one of the lateral faces of one of the cells comprises a microelectromechanical actuator or a transistor; and in that the reconfiguration means are electromagnetic and are adapted to regulate the electrical potential difference applied to said microelectromechanical actuator or transistor.
  • At least one of the lateral faces of one of the cells of the ET comprises a layer of material; and the reconfiguration means comprise a polarizing circuit that regulates the electrical potential difference applied to said layer of material. Thanks to this layer of reconfigurable material, the perforations of the ET can be modified.
  • the ET is characterized in that at least one of the lateral faces of one of the cells comprises a layer of material.
  • the electromagnetic reconfiguration means comprise a polarizing circuit of the reconfigurable structure that regulates the electrical potential difference applied to the layer of material.
  • the material layer comprises graphene, liquid crystal or a phase change material.
  • the ET at least one of the perforations is a quadrangular groove or a split ring.
  • Split ring (or incomplete) shall be understood as a groove whose two-dimensional projection on one of the lateral faces of the cell is an open curve.
  • the imaginary line that defines the outline of the split ring, joining its free ends, has a rounded shape. (eg, an ellipse, circle, quadrangular), although the split ring is missing at least one section between the ends.
  • At least one of the cells of the ET comprises a material whose conductivity is modified when a physical, chemical or electromagnetic change occurs in the environment of said ET, so that said conductivity determines the electronic state in which that cell is found.
  • at least one cell is filled with a dielectric material.
  • the three-dimensional position of each cell in the ET is defined through some Cartesian axes (X, Y, Z) that correspond respectively to the direction of length, depth and height.
  • At least two cells of the ET are arranged at substantially different heights along the Z axis.
  • the reconfiguration means are adapted to rotate one or more cells around the Z axis or to move at least one of the cells with respect to its original position in the X, Y or Z axes. In other embodiments , the reconfiguration means are adapted to exchange the positions of two or more cells.
  • the ET can be used in combination with other systems and electronic elements, to expand its functionality. Two possible devices that can be fabricated using ET are described below.
  • a first reconfigurable device comprises at least two ETRs and a digital switch, said switch being adapted to electrically reconfigure (for example, by changing the electrical potential difference) at least one of the cells of the device.
  • a second device serves to shape the beam generated by one or more electromagnetic waves incident on it, and comprises at least one of the following elements: a metasurface, a reflector or a lens.
  • the present invention also comprises a method for electronically manipulating an electromagnetic wave, preferably using an ET as described in the different embodiments set forth in previous lines of this same section.
  • the present invention relates to a method for designing the ETR of the invention, as well as the method for reconfiguring the ETR within a complete system.
  • Some particular embodiments of the method of the invention comprise the use of artificial intelligence or machine learning algorithms to carry out the following steps: - define the number of cells of the ET and the electrical potential difference of one or more of the reconfigurable cells;
  • the functionality comprises at least one of the following: beamforming, nullforming, wave splitting, power absorption and electric field concentration at a certain position;
  • parameters of the ET comprise at least one of the following: the number and position of the cells, and the possibility of modifying the applied electrical potential difference of one or more of the cells (that is, if the cell supports several different electrical states, each associated with a difference in electrical potential applied to said cell);
  • parameters of the ET radiation pattern comprise at least one of the following: pointing direction, gain, position and width of the lobes and the position of the radiation nulls;
  • the ET can be connected to a processing unit (a computer or a microcontroller, for example) and information storage media (memory, database, etc.). Information can be stored in said information storage means to facilitate the subsequent capture of information.
  • a processing unit a computer or a microcontroller, for example
  • information storage media memory, database, etc.
  • Information can be stored in said information storage means to facilitate the subsequent capture of information.
  • Apply an artificial intelligence or machine learning algorithm for automatic decision making for example, design of which parameters and functionality are the most appropriate).
  • the step of configuring the ET radiation pattern based on the position of one or more users comprises setting one or more of the following parameters of said pattern: the pointing direction, the gain, the position and width of the lobes and the position of the radiation nulls.
  • the method comprises adapting the parameters of said radiation pattern as a function of one or more changes in the position of one or more of the users of the system.
  • the step of configuring the radiation pattern of the system comprises locating the nulls of said pattern so that they substantially coincide with the positions of one or more illegitimate users or attackers.
  • Certain even more preferred embodiments of the method for configuring the ET comprise dynamically toggling between an ET that facilitates enables the communications of certain users (for example, by arranging the main lobe in the position where they are) or inhibits them (by arranging zeros of the radiation pattern in the position in which they are located) depending on whether the users are legitimate or attackers, respectively.
  • This functionality is very useful for using the ET in a wireless communication system that includes a user classification module.
  • a procedure for obtaining images of a sample from a radio frequency wave, RF, generated by an RF system connected to a ET is also within the scope of the patent. This procedure includes the performance of these steps:
  • the present invention allows the electromagnetic wave redirection function and the selective power absorption function to be carried out at the same time.
  • Other preferred uses of the ET of the invention are the following: - Manufacture of an invisible system against detection with a radar or in the manufacture of an antenna measurement system (such as, for example, in a compact range system, in English Compact Antenna Test Range CATR, or similar).
  • the proposed structure allows electromagnetic waves to be manipulated in a selective manner, and perform several functions simultaneously: it can absorb power, redirect the electromagnetic wave, shape the radiation beam and/or form different radiation patterns for a certain frequency and polarization.
  • the objects of the invention refer to an ET, to a device comprising said ET, and to uses and procedures related to the same, according to the claims that accompany this document.
  • Figure 1 Perspective view of an example of a complete ETR structure formed by 225 (15x15) three-dimensional reconfigurable meta-atoms.
  • Figure 2 Perspective view of an example of a complete ETR structure formed by 9 (3x3) three-dimensional meta-atoms with different drawings on the different faces of the prism.
  • FIG. 3 Perspective view of an example of a complete ETR structure formed by 9 (3x3) three-dimensional reconfigurable meta-atoms.
  • This figure represents the meta-atom of
  • this meta-atom is made up of a single cell in the shape of a square prism that has grooves in the shape of a split ring on the side walls that allow tuning of the phase response of said structure.
  • Figure 4 Perspective view of an example of a complete ETR structure formed by 13 three-dimensional meta-atoms in the shape of a hexagonal prism and a quadrangular groove on one of its faces.
  • ETR 042 view of the ETR structure linking the different hexagonal prisms to form a honeycomb-shaped ETR (rotated perspective).
  • FIG. 5 Perspective view of an example of a complete ETR structure formed by 4 (2x2) three-dimensional cells.
  • FIG. 6 Perspective view of an example of a complete ETR structure formed by 2 three-dimensional meta-atoms.
  • 6001 type 1 three-dimensional meta-atom on the z-axis
  • 6002 type 2 three-dimensional meta-atom in the z-axis.
  • Figure 7 Scheme of a reconfigurable structure based on graphene, insulator and substrate. 3007: reconfigurable structure bias circuit.
  • Figure 8 Diagram of a reconfigurable structure based on liquid crystal. The two extreme states are shown which can be reached by the absence or the application of a voltage.
  • Figure 9 Perspective view of a three-dimensional meta-atom made up of two unit cells, each filled with a different dielectric.
  • dielectric material for the first cell along the z axis dielectric material for the first cell along the z axis.
  • Figure 10 Three-dimensional view of two cells in the z axis of an ETR formed by various slots with different geometries introduced both in its horizontal and vertical walls.
  • Figure 12 Three-dimensional view of the ETR when a metasurface or several metasurfaces are placed on it, which can add behaviors to the electromagnetic wave incident or reflected by the ETR.
  • Figure 14 ETR working together with another element such as a parabolic reflector and a radiation emitter.
  • Figure 16 Three-dimensional view of the ETR formed by a configuration where the meta-atoms have the same design, but have a certain rotation depending on the column of the ETR to which they belong.
  • 16001 ETR whose meta-atoms have a certain rotation depending on the column they belong to 16002: meta-atom rotated 90 degrees with respect to the meta-atoms that make up the first column of the ETR
  • Figure 18 View from above of an ETR adaptable to any surface on the z axis, which is reconfigurable by raising certain unit cells on the z axis.
  • FIG. 19 Voltage diagrams (ON/OFF) for the ETR to perform a certain reconfiguration of the beam, the ON state represents a 180° phase shift and the OFF state represents a phase shift of 0 o . 191: voltage scheme (ON/OFF) for the ETR to do beam shaping in a certain direction.
  • FIG. 20 Perspective views of the ETR when configured to perform beamforming over a given direction in space.
  • the stress configurations of each of the graphene-based reconfigurable structures that implement the ETR meta-atoms are shown.
  • 191 voltage scheme (ON/OFF) for the ETR to do beam shaping in a certain direction.
  • FIG. 21 Front view of the ETR when it is configured to perform a division of the incident beam into two beams.
  • the voltage configuration (ON/OFF scheme) necessary to achieve said functionality is shown.
  • FIG 22 Side view of a section of the ETR operating in absorbing mode. This figure shows the incident electric fields originating from a source and incident on the ETR. It is observed that there is a practically null reflected field (the reflected field is not seen because it is practically null).
  • Figure 23 Flowchart of a procedure to design an ETR. The different parameters that could be configured in each of the blocks are described in the text. The different elements are:
  • FIG. 24 Flowchart of an example of an algorithm for the configuration of parameters of an ETR of a procedure to design an ETR. This is a block of the previous diagram detailed in this figure.
  • 24005 Algorithmic process for choosing the new configuration parameters.
  • 24006 End point.
  • Figure 25 Flow diagram of the procedure to design a complete system that integrates an ETR.
  • FIG 26 Diagram of operation of a multistatic radar system with (by using an ETR) and without deviation of the waves received by the ground stations.
  • Each station broadcasts a signal and tries to receive signals from all three stations.
  • the signal of each station is represented with a different texture.
  • each of the earth stations receives the three signals.
  • the waves emitted by two stations are redirected towards other points in space and the wave emitted by the third station (represented by unfilled arrows) is absorbed. In this way the different functionalities are combined.
  • 262 diagram of normal operation of a multistatic radar with an ETR to avoid being detected.
  • Figure 27 Scheme of an ETR for field concentration operation at a given point.
  • ERR or "Reconfigurable Three-Dimensional Structure” means any device that can selectively manipulate electromagnetic waves and is made up of individual reconfigurable elements in the shape of a prism and conductive walls that, when acting together, can perform different functions at the same time .
  • unit cell or “cell”, we mean the individual prism-shaped element that will be repeated a number of times to form the ETR.
  • meta-atom is considered the structure formed by one or more cells that is repeated periodically to form an "ETR".
  • ETR an ETR
  • Figures 1, 2, 3 and 4 show meta-atoms made up of a single cell, while several examples of meta-atoms made up of two cells are shown in figures 6, 9 and 10.
  • An ETR can be made up of one or more meta-atoms (which repeat periodically) or different repeating cells.
  • Electromagnetic reconfiguration refers to any procedure by which the electromagnetic characteristics (operating frequency, polarization, etc.) of an element are modified.
  • an electromagnetic reconfiguration is achieved by changing the properties of reconfigurable materials such as graphene or liquid crystal that, when applying a voltage difference, changes the conductivity of the material, changing the conductivity of the material changes its electromagnetic behavior.
  • a regular polyhedron is a geometric body in which its faces are all equal regular polygons, and all its dihedral and polyhedral angles are also equal.
  • a hexahedron is a polyhedron with six faces. Their faces must be polygons with five sides or less.
  • an irregular hexahedron is the prism.
  • the term “prism” refers to an irregular polyhedron consisting of two equal and parallel faces called “bases”, and “lateral faces” that are parallelograms.
  • a right prism is a prism in which the joining edges and faces are perpendicular to the base faces.
  • the "radiation diagram” is the graphical representation of the radiation characteristics of a radiating element or antenna, as a function of the pointing direction. Within the radiation diagrams we can define a vertical polarization diagram that represents the radiation in the y-axis direction of the element and a horizontal polarization diagram in the x-axis direction. The most important parameters of the radiation pattern are:
  • Gain It is defined as the power gain in the direction of maximum radiation. The gain is produced by concentrating the power in the areas indicated in the radiation pattern.
  • Main lobe It is defined as the area around the direction of maximum radiation where the gain does not lose 3 dB with respect to the maximum, in the pointing direction.
  • Secondary lobes They are the rest of the relative maxima, with a value lower than the main one.
  • Beamforming is a technique that has been widely used in signal processing, radar, sonar, biomedicine, and in particular, wireless communications.
  • the basic idea is to manipulate the amplitudes and phases of each individual element that emits or reflects the electromagnetic wave, to form a radiation pattern with whatever shape is the result of the sum of all the individual contributions. of each element.
  • the objectives of this beam formation can be very diverse, from the most common, which is the concentration of radiation at a point in space, to achieve a very narrow and with a great gain, to other applications that require creating two or more lobes or that there is a null emission in a certain direction.
  • graphene refers in this specification to a variety of structures, such as single layer graphene (SLG), graphene oxide (GO), graphene nanoplatforms (GNP) and reduced graphene oxide. (RGO).
  • SLG single layer graphene
  • GO graphene oxide
  • GNP graphene nanoplatforms
  • RGO reduced graphene oxide
  • 2D elemental compounds that include monolayers of boron, silicon, germanium, phosphorus, arsenic, and antimony. Each of these materials are being developed for different applications such as nanoelectronics.
  • graphene is the absorption of power for certain polarizations.
  • a graphene sheet placed in the middle of a microstrip line allows good propagation if the conductivity is acceptable and increases insertion loss if it is not.
  • the conductivity is modified allowing a reconfigurable microstrip attenuator. That is, it can absorb power in a reconfigurable way.
  • phase change materials such as MoS2, WS2, MoSe2, WSe2 or HfS2, which exhibit rapid and reversible transitions between an amorphous and a crystalline state at high temperature.
  • the two states exhibit a conductivity contrast, which is exploited in phase-change memory devices.
  • These materials having a change in conductivity, could also be inserted into an ETR and produce the same behavior since they change the conductivity between two states when applying a controlled excitation.
  • the conductivity changes between two states (ON/OFF) responding to the application of a minimum and maximum potential difference (voltage). This indicates that the material passes from a state of maximum conductivity (ON) to a state of minimum conductivity (OFF) within the range of variation of the conductivity of the material.
  • Other configurations are also possible where intermediate potential differences are applied to the material and intermediate conductivities are obtained, causing another configuration state of the cell.
  • AI Artificial intelligence
  • An ideal "intelligent" machine is a flexible agent that perceives its environment and takes actions that maximize its chances of success at some goal or task.
  • One of the categories of algorithms is heuristic search.
  • a heuristic as a strategy that greatly limits the search for solutions to large problem spaces. Therefore, when faced with a problem, it helps us to select the bifurcations within a graph with more possibilities; this restricts the search, although the best solution is not always guaranteed. All that must be taken into account for a heuristic to be adequate is that it provides us with solutions that are good enough.
  • a coordinate system based on axes/dimensions X, Y, Z will be used, with X referring to length, Y to width or depth, and Z to height.
  • the present invention proposes a three-dimensional and reconfigurable structure (TRS), hereinafter “structure of the invention” or “TRS of the invention” that allows electromagnetic waves to be manipulated in a selective manner.
  • TRS three-dimensional and reconfigurable structure
  • FIG 1 an ETR of the invention with multiple cells on the x-axis and multiple cells on the y-axis is shown.
  • Figure 2 another ETR is shown with 3 cells on the x-axis and 3 cells on the y-axis.
  • This three-dimensional structure based on the principles of metasurfaces, allows to exploit the three dimensions and provide more functionalities and an improvement in the performance of metasurfaces.
  • the increase in functionalities allows a design to offer several functions simultaneously: it can absorb power or redirect the electromagnetic wave or shape the radiation beam or form different radiation patterns for a given frequency and polarization.
  • the structure of the invention is a reconfigurable three-dimensional structure (TRS) that allows controlling the interaction of a three-dimensional volume with an incident electromagnetic wave that comprises at least one cell arranged on a ground plane, and means that allow to produce an electromagnetic reconfiguration in at least one of the cells, where each cell consists of a hollow structure, in the form of a prism without upper or lower bases, made of conductive material and comprising means to change the phase of a wave in at least one of its lateral faces.
  • TRS reconfigurable three-dimensional structure
  • the ground plane is common to all the cells included in the ETR. In another particular embodiment, the ground plane is a metal plate. Cells included in the three-dimensional structure of the invention
  • the characteristics of the cells included in the structure of the invention will allow handling of the incident electromagnetic waves.
  • the cells, with particular configurations, described below are also part of the present invention.
  • the cells included in the ETR of the invention are the same, although preferably, in an alternative embodiment, the structure of the invention comprises at least two different types of cells, thus allowing the same ETR to operate in two different frequency ranges, for example.
  • the structure of the invention comprises at least two different types of cells, thus allowing the same ETR to operate in two different frequency ranges, for example.
  • the different slots in its different walls cause different electromagnetic responses to the passage of waves through the cells themselves.
  • the structure comprises a plurality of meta-atoms arranged along the X or Y axes.
  • the ETR of the invention is formed by at least two cells arranged along the Z axis ( propagation direction, in height), comprising at least two cells joined in such a way that the upper part of one cell is joined to the lower part of a second cell, which lacks both a lower and an upper base, located in a higher position.
  • An example of the particular embodiment of an ETR with two different cells on the Z axis can be seen in figure 6.
  • the geometric shape of the cells can influence the functions that the ETR of the invention can carry out. Examples of different prisms, with different geometric shapes can be found in figures 2 and 3 with square and hexagonal prisms.
  • one of the cells that may comprise the ETR of the invention has a square base (as Figure 2).
  • the cell has a cubic shape, that is, the lateral faces of that cell are equal to the square of its base.
  • the base of the cell is hexagonal (as figure 3).
  • the structure of the cell can become cylindrical, so that, in another equivalent realization, which would generalize the concept of prism, the shape of the cell can be substantially cylindrical, and even cylindrical.
  • Another relevant characteristic for the functionalities that are intended to be achieved is the material from which the cells that are included in the ETR of the invention are made.
  • one of the cells comprising the ETR of the invention is made of a material whose electromagnetic response changes with a change in the environment caused by physical, chemical or electromagnetic changes.
  • the cell structure is made of a conductive material.
  • At least one of the lateral faces of one of the cells that comprise the ETR of the invention is perforated, so that said perforation allows the wave phase to be changed ( Figures 2 to 6 ).
  • the lateral faces of the cell comprise inlays or inserts of electronically reconfigurable materials, such as graphene, GRMs, phase change materials or liquid crystal.
  • Figure 3 shows an example of electronic reconfiguration, where the reconfigurable material that has been inserted in one of the lateral faces of the unit cell is found. This reconfigurable material will be powered by a voltage source as shown in the figure. When the power supply supplies a certain voltage to the material, it will change its characteristics.
  • the cell that can comprise the ETR of the invention has a square or rectangular base and comprises different elements on the faces perpendicular to the X axis to those arranged on the faces perpendicular to the Y axis, allowing to alter differently, horizontal and vertical polarizations of the electromagnetic wave in a reversible way. That is, to act differently, they have slots with different shapes on the different faces of the prism (figure 4). Therefore, the slots on the horizontal side faces will act on the horizontal polarization and the slots on the vertical side faces will act on the vertical polarization.
  • the cell can be configured to have two or more states. That is, to work with two or more conductivity values of the elements inserted or embedded in the unit cell.
  • this type of element can be graphene, GRM's or liquid crystal.
  • Examples of reconfigurability and configuration of new The materials are shown in Figures 3, 7 and 8.
  • Figures 3 and 7 show how the feed is configured to reconfigure the graphene.
  • Figure 8 shows how the orientation of the liquid crystals changes depending on the power supply, changing the orientation of the crystals changes the conductivity.
  • Each of the conductivity values will be given by a different potential difference value, therefore, each potential difference value will produce a different response in the cell as the material has a different conductivity.
  • the pattern of its faces is a split ring ( Figure 2) in which the length of the split ring is lengthened or shortened by changing the conductivity of the graphene.
  • a MEMS actuator or a CMOS transistor deposited on at least one of the lateral faces of the cell manipulates the incident electromagnetic wave in a reversible way to apply an electrical potential difference to them.
  • the cells included in the ETR of the invention can be metallic or made of any other material, on at least one of their faces (it can be on all of them), they will have different shapes of slots that will cause the phase and amplitude change in the electromagnetic wave.
  • Figure 9 shows a particular embodiment of two unit cells that are made of different dielectric materials, represented in said figure by different textures.
  • Figure 10 shows inserts made of different reconfigurable materials with different characteristics (shape and type) that are represented by different textures and shapes.
  • the structure will be formed by the cell placed periodically along the X and Y directions a certain number of times (same or different) and the existence or not of a series of complementary elements for the modification of the waves such as metasurfaces, lenses, reflectors or mirrors.
  • the structure can also be replicated in the Z axis with different or equal cells.
  • the structure comprises at least one complementary element that allows the electromagnetic waves to be modified (for example, to concentrate their field).
  • complementary elements are metasurfaces, lenses, reflectors or mirrors.
  • the different complementary elements will be detailed in the section “Additional elements to the ETR” and can be seen in figures from 11 to 15. Taking all these possibilities into account, in different particular embodiments, the ETR of the invention comprises at least one of the cells described above, or combinations thereof.
  • the reconfiguration of the cells can be carried out in different ways, giving rise to new particular embodiments of the ETR of the invention.
  • the ETR of the invention comprises means that allow at least one cell to rotate about its Z axis. That is, the electromagnetic response of the cell changes when it rotates.
  • Figure 16 shows a particular embodiment of the ETR where the cells of some columns on the y-axis have been rotated 45° to produce a different electromagnetic response.
  • the ETR of the invention comprises means that allow the height of the cells to be changed on their Z axis. That is, the electromagnetic response of the cell changes when the height where the cells are located changes.
  • figure 18 is shown where it can be seen how the different cells are raised, this produces that the electromagnetic wave is found earlier or later, some of the cells producing different responses in phase.
  • the ETR of the invention comprises means that allow changing the potential difference (voltage) in each of the cells and in each of the reconfigurable materials of each cell. That is, the electromagnetic response of each cell changes as the conductivity of the material changes.
  • the ETR of the invention comprises means that cause changes in the conductivity of a material (for example, temperature). That is, the Electromagnetic response of the cell changes as the conductivity of the material changes as the temperature changes.
  • the functionality and application of the ETR depend on the individual configuration of each one of the cells so that it produces a certain electromagnetic behavior.
  • two states of the cells can be defined, with maximum and minimum conductivity that produce a phase shift of 0 or 180 0 that are defined as ON/OFF states of the cell.
  • heuristic methods or algorithms related to artificial intelligence are applied to obtain a certain beam configuration. This can be seen in figure 19, where the offset values of an ETR are shown, representing the offset value 0 or (ON) with white color and the offset value of 180° (OFF) with black color. Depending on the configuration of the cells (which ones are ON and which ones are OFF) different functions of the structure are produced.
  • the ETR can be configured to obtain some phases on the lateral faces along the X axis and other phases on the lateral faces along the Y axis, since it is possible to act individually on the different faces of the ETR by applying different potential differences on each of the faces. In this way, different functionalities can be achieved at the same time for the horizontal and vertical polarizations of the electromagnetic wave. For example, in said particular embodiment, the power in horizontal polarization could be absorbed and the vertical polarization reflected with a certain number of lobes in certain directions.
  • the ETR of the invention may comprise additional elements that allow the interaction with an incident electromagnetic wave to be controlled.
  • the complementary elements can be metasurfaces, lenses, reflectors or mirrors.
  • the ETR of the invention comprises metasurfaces (Figure 11, 1102, 1103 and 1104) as a supplementary element to modify the interaction of electromagnetic waves.
  • Figure 11 shows 3 metasurfaces that would be placed after the ETR, to carry out specific functionalities. For example, this would make sense to get more bandwidth.
  • the ETR of the invention comprises another ETR with supplementary elements to modify the interaction of electromagnetic waves.
  • a blue and red block is represented as another 3D ETR.
  • the ETR of the invention comprises lenses as supplementary elements to modify the interaction of electromagnetic waves.
  • the interaction of an ETR with a lens is shown in figure 13, where the ETR sends the electromagnetic waves to the lens that changes the direction of propagation so that all the waves come out parallel (flat front).
  • the ETR of the invention comprises parabolas as supplementary elements to modify the interaction of electromagnetic waves.
  • a radiation source emits towards the ETR and this redirects the electromagnetic wave towards the reflecting parabola so that the waves come out parallel (flat front).
  • the ETR of the invention comprises reflective planes as supplementary elements to modify the interaction of electromagnetic waves.
  • figure 15 shows the interaction of an ETR with a reflecting plane, where the ETR sends the electromagnetic waves to the reflecting plane that changes the direction of propagation.
  • the different devices or systems that comprise at least one ETR of the invention among their elements are also an object of the invention.
  • Another object of the invention is a device or system comprising at least one of the new cells described. Procedures to design and configure the ETR of the invention
  • the object of the invention is a method for designing and configuring the ETR. It must be taken into account that the total electromagnetic behavior of the ETR can be broken down into the sum of the individual contributions of the meta-atoms that form it. Thus, the radiation of each meta-atom contributes to creating constructive or destructive patterns in certain spatial regions. For the design of a certain functionality of the ETR it is necessary to configure the parameters of the meta-atoms in a certain way.
  • ETR functionalities indicating the number of lobes and direction
  • null shaping indicating the number and direction
  • power absorption indicating the number and direction
  • field concentration indicating the number and direction
  • combination of previous functions Using a reconfiguration procedure based on several iterations:
  • the different uses of the ETR within complex systems are also an object of the invention, as well as the procedure for the ETR to automatically configure itself dynamically within complex systems.
  • the device needs to use intelligent algorithms (machine learning and deep learning as preferred solutions) and apply "reasoning" so that, based on a number of input variables, it makes the best configuration and function decision for different applications, such as, for example, in embodiments particulars that will be described later.
  • the auto-configuration (figure 25) will be carried out from some input parameters that may come from different sources such as different sensors (25001), information (25002) from the environment or information (25003) from the system.
  • the intelligence engine, or algorithm (25004) for dynamic decision making will carry out a selection (25005) of the function that the ETR must perform at each moment based on these input variables and will select the functionality that the ETR must perform to enter them in the ETR configuration procedure (25006).
  • the structure of the ETR consists of an all-metal configuration of square waveguides supported by a metal plane.
  • Graphene is added to the square waveguide structure to provide tunable nature producing a reconfigurable three-dimensional meta-atom.
  • a possible design of the meta-atom is detailed in figure 3, the dimensions of the square waveguide are small enough to avoid propagation of the fundamental mode (TE10) inside. Since it is a square waveguide, it supports the existence of two TE10 modes within the guide. Each of the TE10 modes has the electric field in one direction, that is, one in the vertical direction and one in the horizontal direction, each of them having different polarizations.
  • non-closed ring-shaped perforations are made in the side walls of each unit cell.
  • the TE10 mode is evanescent, its decay is slow enough to excite the fields in the split rings, giving rise to an electromagnetic shift.
  • the ground plane at the bottom of the structure ensures a reflection response when the structure is excited by incident external radiation.
  • the geometry of the split rings does not change the reflection, but it does modify the phase of the reflected wave through its own resonances.
  • the control of the amount of outgoing phase depends on the geometry of the rings, that is, it depends on the length of the part that is missing so that it closes. This part can be adjusted to achieve different phase responses. In this way, a 1-bit meta-atom is obtained for the ETR in an all-metal meta-atom.
  • This design has the advantage of being directly scalable in frequency and therefore it is valid in various frequency bands, covering the entire range of frequencies of interest where communications, radar, etc. applications are developed.
  • the resonators on the side walls are sensitive to electromagnetic fields with vertical polarization (V-pol).
  • the resonators in the upper/lower walls of the cell are sensitive to electromagnetic fields with horizontal polarization (H-pol).
  • This clear separation between the behavior of each orthogonal component guarantees a high degree of independence for the control of each polarization. This independence can only be achieved with three-dimensional structures and is one of the fundamental advantages over 2-D designs that are formed by stacking layers. Thanks to this independence, great control can be achieved over the electromagnetic wave for each polarization since it can be treated independently. If the resonator of the side walls is identical to that of the top/bottom walls, the same behavior is expected for the horizontal and vertical polarizations.
  • the reconfigurability of the ETRs is achieved by artificially modifying the geometry of the rings (length of the part that remains unclosed).
  • graphene sections printed on silicon plates are a good alternative.
  • the graphene sheets are in direct contact with the split rings as shown in figure 3.
  • a kind of ON/OFF switching behavior is easily inducible in graphene just by feeding it with a certain voltage.
  • High voltages induce high effective conductivity in the graphene layer, thus graphene becomes a good conductor.
  • Lower voltages greatly reduce the conductivity in graphene, thus graphene becomes non-conductive as its surface resistance increases.
  • the dichotomy between good/bad conductor is conceived as an ON/OFF commutation respectively.
  • the geometric parameters of the meta-atoms are designed such that the ON/OFF states show a phase difference of 180 degrees while maintaining the same amplitude level. This fact simplifies the design of the structure, since the ETR can be seen equivalently as a 1-bit reconfigurable reflector whose elements are assumed to have identical amplitudes, but can take two different phase states. The objective is to find the optimal coding arrangement of the meta-atoms that ensures the correct functioning of the ETR for the selected operating mode.
  • phase distribution of the meta-atoms in this preferred embodiment has been found using a genetic algorithm and the process seen in Figure 23, but any other type of algorithm can be valid.
  • One of the most representative functionalities of the ETR consists in the electronic reconfiguration of the exit direction of the ETR, depending on the entry angle, the ETR can be configured to radiate in a certain direction.
  • the ETR of the invention is configured (individual element phases) by means of heuristic algorithms (NSGA-2 for example) to shape the radiation beam so as to obtain a single radiation lobe.
  • a single target may be enough to find the optimal encoding layout.
  • An example of this functionality is shown in Figure 20, where the individual phases of each meta-atom or cell are drawn in different colors (black/white) with each color representing a state (ON/OFF). When the direction in which that main lobe is transmitted is different, the map of the ON/OFF states is different. That is, in this first functionality, if you change the pointing direction of the main lobe, you will have to configure the phases of the individual elements differently.
  • the beam steering capabilities of the structure are illustrated, as well as the coding arrangement of the different example configurations.
  • the main beam can be efficiently redirected simply by switching the states (ON/OFF) on each particular meta-atom.
  • the secondary lobes are attenuated in the radiation pattern.
  • the second functionality of the ETR is the ability to divide the incident wave into N main lobes.
  • a multi-objective genetic algorithm has been chosen that includes three objectives to optimize in this particular scenario.
  • the algorithm will provide different solutions and depending on the requirements of the application, one solution or another will be prioritized.
  • the phases of the individual elements will have to be configured differently.
  • Figure 21 shows the beam splitting capability of the ETR.
  • the energy carried by an incident wave that illuminates the structure is divided into two main beams, with two different output directions. Similar to Preferred Mode of Operation 1, the On and off states are modeled with different resistance values. As shown in figure 21, both beams have similar gain values and the secondary lobes have been minimized.
  • the third functionality of the ETR is closely related to the previous two.
  • the purpose of this functionality is to generate one or zero vapors in the radiation diagram with the aim of radiating the least possible power in certain directions.
  • the treatment is the same as in the two previous functionalities, but minimizing instead of maximizing as the objective of the algorithm.
  • the ETR of the invention is configured (individual element phases) by means of metaheuristic algorithms to shape the radiation beam in such a way that the maximum possible power is absorbed.
  • the individual phases of each meta-atom are no longer at a maximum or minimum value, that is, they do not have an ON/OFF state, but instead have an intermediate conductivity value for which graphene causes the cell to have maximum absorption. Consequently, the graphene, in direct contact with these slots, exploits its absorbent nature, leaving the electromagnetic field practically confined to the slots on the lateral faces.
  • Figure 22 shows the extension of the electric field in the XZ plane.
  • the source can be identified as the origin of the circular wavefront, on the right hand side of Figure 22. Low-level reflection and diffraction are visualized, indicating that most of the existing energy is lost to the Joule effect.
  • the fifth functionality of the structure is achieved by taking advantage of the ability to concentrate the radiation beam through beam shaping or through the use of lenses.
  • figure 27 it is represented how the waves would be concentrated in an object.
  • the ETR will work in mobile communications as a system that will direct the radiation beam in the direction of the receiver. This function is used in communications to achieve directive connections to users.
  • the ETR gain must be maximized in the desired point direction.
  • the level of the secondary lobes is automatically reduced as gain is maximized, since the energy is concentrated in one direction.
  • the operating frequency is 28 GHz, one of the bands for 5G communication links, and with the configurations in Figure 20, the ETR could be used as a radiating system for point-to-point communications.
  • the ETR will work in mobile communications as a system that will dynamically orient the radiation beam in the direction where the user is.
  • the system will orient the pointing direction towards the position where the user is located, when an input detects that the user has changed position the system will tell the ETR to reconfigure itself to change the pointing direction of the ETR towards the new position of the user.
  • the behavior of the complete system will occur when the ETR has to serve more than one user, at different distances (requiring different gains in the lobes). This is of great interest in current wireless communication systems, to provide multi-user coverage.
  • the ETR will work in mobile communications as a system that will direct a null of radiation in the direction where a possible attacker to the system is located.
  • the configuration of the ETR will orient the null of radiation towards the position where the attacker is located, when an input detects that the attacker has changed position the system will tell the ETR to reconfigure itself to change the null of radiation of the ETR towards the attacker's new position.
  • the full system behavior will occur when the ETR has to block more than one attacker needing zero vapors in the radiation pattern.
  • the ETR will be mounted on a moving vehicle, the system will direct the beam looking for a mobile or fixed target or will change the pointing direction in depending on the position of the vehicle in which it is embarked.
  • the self-configuring system will obtain its position dynamically by input.
  • the system will dynamically change your settings.
  • the behavior of the complete system will occur when the ETR has to block more than one attacker needing zero vapors in the radiation pattern and also has to serve several users in different positions.
  • the ETR within a system to achieve invisibility against radar This ETR will be able to redirect electromagnetic waves in order to confuse its position.
  • the configuration of the ETR will respond to the needs of the global system, where the system, based on different inputs, will decide at each moment if it absorbs the power or decides to change the direction in which the electromagnetic wave bounces.
  • the system can have more than one ETR that act together to bounce the waves in the desired direction.
  • the behavior of the complete system will occur when there is more than one ETR that act in a coordinated manner against multistatic radar, having to calculate the beams of each ETR based on multiple incident signals.
  • a graphic example of this response can be seen in Figure 26, where the normal bounce of an aircraft against a multistatic radar is compared with the bounce resulting from using an ETR within the system.
  • Microwave imaging techniques are used for non-contact, non-destructive material inspections by focusing an electromagnetic field to increase sensor sensitivity by measuring small spatial material variations characteristic of large samples or testing of small samples. of material (such as when measuring variations in humidity or when obtaining medical images).
  • Other applications include industrial microwave heating, subsurface inspection, concealed weapons, foreign object detection within non-visible media, short-range, high-data-rate point-to-point communications.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

La presente invención se refiere a una estructura tridimensional y reconfigurable para la manipulación de ondas electromagnéticas (ETR), que permite manipular las ondas electromagnéticas de una manera selectiva. Esta estructura tridimensional proporciona varias funciones simultáneamente: puede absorber la potencia, redireccionar la onda electromagnética, conformar el haz de radiación y/o formar distintos patrones de radiación para una frecuencia y polarización determinada. La estructura puede ser usada tanto en transmisión como en reflexión. Asimismo, la invención se refiere a un dispositivo que comprende dicha estructura tridimensional, así como a diferentes usos y procedimientos asociados a la misma

Description

DESCRIPCIÓN
ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL RECONFIGURABLE PARA LA MANIPULACIÓN DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
CAMPO DE LA INVENCIÓN
Esta invención se enmarca en el campo de las comunicaciones móviles. Concretamente entre los dispositivos para la transmisión de ondas electromagnéticas. Entre sus aplicaciones se encuentra también la absorción de la radiación electromagnética con el objetivo de conseguir invisibilidad electromagnética.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En el campo técnico correspondiente a tecnologías de transmisión de ondas electromagnéticas, una metasuperficie es una superficie estructurada artificialmente utilizada para el control y la manipulación de dichas ondas. Las metasuperficies son estructuras periódicas que presentan un gran potencial en muy diversas aplicaciones, como las comunicaciones inalámbricas, sistemas radar, filtros de frecuencias, diseño de antenas. Por ejemplo, en comunicaciones inalámbricas, una superficie reconfigurable (RS) basada en metasuperficies permite modificaciones del entorno de comunicación para satisfacer las necesidades de los enlaces inalámbricos entre los usuarios. Algunas de las funcionalidades deseables para las metasuperfices son: dirección del haz, división del haz, absorción de la onda, conversión de la polarización y desplazamiento de fase de la onda reflejada. Entre las aplicaciones de estas funcionalidades en comunicaciones inalámbricas se encuentran: la evasión de los escenarios sin visión directa (NLOS), la mitigación de interferencias, el bloqueo de escuchas e interferencias o la cobertura multiusuario. Normalmente, el diseño y la implementación de las RS se basa en la codificación de metasuperficies compuestas por celdas unitarias llamadas meta-átomos. Los meta-átomos deben incorporar elementos reconfigurables, para lograr diferentes respuestas de cambio de fase para definir los estados de fase del meta-átomo. Los diodos PIN son una opción hasta los 20 GHz, sin embargo, en bandas de frecuencia más altas, estas soluciones son de baja eficiencia por las pérdidas que producen y, por ello, se están estudiando como alternativas las tecnologías basadas en nuevos materiales como grafeno o cristal líquido. Este tipo de estructuras reconfigurables se emplean cada vez más para diseñar dispositivos de RF reconfigurables como atenuadores, antenas sintonizadles, absorbentes variables, etc. Además, en la actualidad, la tecnología de las placas de circuito impreso (PCB por sus siglas en inglés) es la técnica de fabricación preferida para la implementation de metasuperficies. Hasta ahora, el diseño de la RS sólo consideraba su plano reflectante para implementar las celdas unitarias reconfigurables, perdiendo una dimensión.
Por otra parte, recientemente se han producido enormes avances en la tecnología de fabricación tridimensional, así como numerosas opciones para fabricar diseños tridimensionales. En especial, este tipo de técnica de fabricación permite la realización rentable de prototipos tridimensionales que son complejos o incluso inviables con las técnicas de fabricación tradicionales. Existen diferentes opciones de fabricación de elementos tridimensionales como: el control numérico computahzado (CNC) o las impresoras 3D. Esta nueva realidad, con múltiples opciones de fabricación abiertas, ha sido aprovechada por la comunidad de ingenieros de telecomunicaciones para realizar diseños de radiofrecuencia (RF) que abarcan desde los Gigahercios hasta los Terahercios. Esta nueva técnica de fabricación permite incorporar características no sólo en un plano (como se hace en la fabricación de PCB) sino también en la dirección ortogonal a este plano, también llamada dirección de impresión en la fabricación 3-D. Este hecho proporciona un grado extra de libertad en la fabricación de dispositivos de radiofrecuencia.
A continuación se describirán brevemente algunas de las referencias que reflejan el estado de la técnica más cercano a la presente invención.
La patente US7679563B2, “Reconfigurable frequency selective surfaces for remote sensing of chemical and biological agents”, describe una superficie reconfigurable en frecuencia para diferentes propósitos.
En la patente US9450310B2, “Surface scattering antennas”, se propone una estructura bidimensional que actúa como una antena por la radiación de las ondas superficiales que se propagan en la metasuperficie. Dicha superficie está compuesta por celdas que comprenden perforaciones rellenas con cristal líquido dispuestas sobre un plano de masa, lo cual permite modificar de manera selectiva el potencial eléctrico de cada celda.
En la patente US9455495B2, “Two-dimensionally electronically-steerable artificial impedance surface antenna”, se propone una solución basada en reconfingurar, de manera electrónica, la impedancia de una antena. Las patentes US9935375B2 “Surface scattering reflector antena” y US10090599B2, “Surface scattering antenna improvement” describen dos antenas que mejoran y especifican más la propuesta de antena reflectora propuesta en US9450310B2.
En la patente US10312596B2, “Dual-polarization, circularly-polarized, surface-wave- waveguide, artificial-impedance-surface antenna”, se propone que la metasuperficie de la antena se comporte de forma diferente para unas polarizaciones u otras.
En la patente US9882288B2, “Slotted surface scattering antenas”, se propone el uso de elementos integrados (como condensadores, bobinas, etc.) para modificar la impedancia de la metasuperficie.
En las solicitudes de patente US20180083364A1 , “Liquid-crystal tunable metasurface for beam steering antennas” y US20200303826A1, “Tunable liquid crystal metasurfaces”, se propone utilizar cristal líquido para cambiar la impedancia de la metasuperficie y poder modificar la configuración del haz.
En la patente US10547116B2, “Wireless communication paradigm: realizing programmable wireless environments through software-controlled metasurfaces”, se propone utilizar el control electrónico de los haces de radiación de las metasuperficies para realizar comunicaciones inalámbricas en función de donde se encuentre el transmisor y el receptor.
La patente US10326203B1 , “Surface scattering antenna systems with reflector or lens” y la solicitud de patente US20200161777A1 , “Switchable lens antenna with integrated frequency selective structure”, proponen sistemas que comprenden una o más fuentes de ondas; una o más metasuperficies, uno o más reflectores y lentes para realizar un conformador de haz o una redirección del haz, preferentemente con alta ganancia.
En la solicitud de patente W02020150110A1 , “Electrically tunable metasurfaces incorporating a phase change material”, se propone utilizar, dentro de la m etas uperf ice, materiales que cambien de propiedades que puedan hacer cambiar la fase de la estructura y por tanto ser reconfigurables.
Finalmente, en la solicitud de patente US2020335842A1 , “Broadband polarizing screen with one or more radiofrequency polarizing cells”, se describe una pantalla compuesta por celdas conductoras que comprenden prismas huecos sin base y de caras laterales cuadradas. Por último, el artículo de Molero et al, “All-metal 3-D Frequency Selective Surface with Versatile Dual-Band Polarization Conversion”, divulga una superficie tridimensional conformada por celdas conductoras, en la que todas las celdas son idénticas y cuyo funcionamiento se realiza en modo transmisión.
A la vista de estos documentos, las estructuras tridimensionales conocidas que cambian la polarización de las ondas carecen de reconfigurabilidad y, en ellas, se plantean estructuras donde todas las celdas son ¡guales, es decir, no se conocen estructuras tridimensionales reconfigurables con distintos tipos de celdas. No se conoce, por tanto, ninguna referencia previa que utilice estructuras tridimensionales como tales para el cambio de las propiedades electromagnéticas de las ondas en el sentido que lo hacen las metasuperficies, siendo la aproximación más cercana un conjunto de estructuras planares con apilamiento de diferentes capas.
Además, no existe ninguna metasuperficie que pueda realizar al mismo tiempo un redireccionamiento de la onda electromagnética y la absorción de potencia. Las estructuras actuales, una vez que son diseñadas, solo pueden ejercer una función: o redireccionamiento o absorción de potencia.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
En comunicaciones móviles, así como en otros campos, es necesario cambiar la dirección de apuntamiento de la radiación electromagnética, de manera dinámica. Estos sistemas funcionarán en un rango muy amplio de frecuencias (desde Gigahercios a Terahercios) de manera que cubran los sistemas 5G y los futuros sistemas 6G y siguientes. Por tanto, son necesarios sistemas radiantes que puedan funcionar en un rango muy amplio de frecuencias. Además, en otros campos son necesarios dispositivos que puedan manipular las ondas electromagnéticas, por ejemplo, en radar, es necesario la invisibilidad electromagnética que se puede lograr con la absorción de la radiación electromagnética o en el campo de las imágenes obtenidas a través de señales de radiofrecuencia. Dada la gran cantidad de aplicaciones posibles son necesarios dispositivos que puedan funcionar en un rango muy amplio de frecuencias.
En un primer aspecto, la invención describe una estructura tridimensional (ET). Dicha ET, también referida de aquí en adelante como ET y reconfigurable (ETR), permite modificar las ondas electromagnéticas incidentes de forma selectiva con diversos objetivos como realizar el conformado del haz de radiación, la absorción de potencia electromagnética o la concentración de las ondas electromagnéticas.
También son objeto de la invención los distintos elementos (celdas, cada una comprendiendo uno o más meta-átomos) a través de los que incide la onda electromagnética y que provocan su modificación y que pueden estar comprendidos en la ET. La ET está adaptada para manipular una onda electromagnética incidente en dicha estructura, que comprende una pluralidad de celdas eléctricamente conductoras, dispuestas sobre un plano de masa. Dicha ET está caracterizada porque:
- una o más celdas están sometidas a una diferencia de potencial eléctrico;
- comprende unos medios de reconfiguración de celdas adaptados para modificar selectivamente la intensidad, la dirección de propagación, la fase y/o la polarización de la onda electromagnética incidente en la dirección perpendicular al plano de masa o en otras direcciones en una o más celdas
- comprende una o más perforaciones en al menos una de las caras laterales de una de las celdas. Dichas perforaciones permiten controlar las ondas electromagnéticas incidentes en las mismas. La geometría de dichas perforaciones puede modificarse mediante los medios de reconfiguración.
Adicionalmente, otras realizaciones de la ET comprenden una o más celdas no reconfigurables electrónicamente, disponiendo de un único estado electrónico (por ejemplo, a las que no se les aplica una diferencia de potencial eléctrico o bien donde dicha diferencia de potencial no se modifica). De esta manera, la ET es capaz de manipular la onda electromagnética incidente en la misma mediante la reconfiguración (por ejemplo, electromagnética o electromecánica) de una de sus celdas.
En realizaciones preferentes de la invención, al menos una de las celdas de la ET comprende un prisma hueco sin bases cuyas caras laterales definen un polígono.
En realizaciones aún más preferentes, el polígono definido por las caras laterales (que son paralelogramos) de al menos una de las celdas es un cuadrado o hexágono. Además, en ciertas realizaciones de la invención las caras laterales son sustancialmente cuadradas.
En realizaciones preferentes de la invención, los medios de reconfiguración están adaptados para modificar selectivamente la diferencia de potencial eléctrico aplicada a una o más celdas y/o la geometría de las perforaciones de una o más celdas. Aplicando diferentes diferencias de potencial a las celdas (por ejemplo, añadiendo una capa de material reconfigurable electrónicamente a dichas celdas y modificando la diferencia de potencial a la que está sometido dicho material) se posibilita la modificación del estado electrónico de al menos una de ellas, dicho estado definido por la polarización de los meta-átomos de cada celda.
En realizaciones alternativas de la invención, la ET está caracterizada porque al menos una de las caras laterales de una de las celdas comprende un actuador microelectromecánico o un transistor; y porque los medios de reconfiguración son electromagnéticos y están adaptados para regular la diferencia de potencial eléctrico aplicada en dicho actuador microelectromecánico o transistor.
En realizaciones preferentes de la invención, al menos una de las caras laterales de una de las celdas de la ET comprende una capa de material; y los medios de reconfiguración comprenden un circuito polarizador que regula la diferencia de potencial eléctrico aplicada a dicha capa de material. Gracias a esa capa de material reconfigurable, se pueden modificar las perforaciones de la ET.
En realizaciones preferentes de la invención, la ET está caracterizada porque al menos una de las caras laterales de una de las celdas comprende una capa de material. En dichas realizaciones, los medios de reconfiguración electromagnética comprenden un circuito polarizador de la estructura reconfigurable que regula la diferencia de potencial eléctrico aplicada a la capa de material. En realizaciones aún más ventajosas, la capa de material comprende grafeno, cristal líquido o un material de cambio de fase.
Las dimensiones y forma de las perforaciones de las celdas son controladas para conformar la onda electromagnética (introduciendo fase, cambiando la polarización, etc.). En realizaciones aún más preferentes, la ET al menos una de las perforaciones es una ranura cuadrangular o un anillo partido. Se entenderá por “anillo partido” (o incompleto) como una ranura cuya proyección bidimensional sobre una de las caras laterales de la celda es una curva abierta, La línea imaginaria que define el contorno del anillo partido, uniendo sus extremos libres, tiene forma redondeada (por ejemplo, una elipse, circunferencia, cuadrangular), si bien al anillo partido le falta al menos una sección entre los extremos.
En algunas realizaciones de la invención, al menos una de las celdas de la ET comprende un material cuya conductividad se modifica al producirse un cambio físico, químico o electromagnético en el entorno de dicha ET, de modo que dicha conductividad determina el estado electrónico en que se encuentra dicha celda. En realizaciones preferentes de la ET, al menos una celda está rellena con un material dieléctrico.
La posición tridimensional de cada celda en la ET se define a través de unos ejes cartesianos (X, Y, Z) que corresponden respectivamente a la dirección de la longitud, profundidad y altura.
En ciertas realizaciones de la invención, al menos dos celdas de la ET están dispuestas sustancialmente a diferente altura a lo largo del eje Z.
En otras realizaciones preferentes de la invención, los medios de reconfiguración están adaptados para rotar una o más celdas en torno al eje Z o desplazar a menos una de las celdas respecto a su posición original en los ejes X, Y o Z. En otras realizaciones, los medios de reconfiguración están adaptados para intercambiar las posiciones de dos o más celdas.
Además de su uso aislado, la ET se puede utilizar en combinación con otros sistemas y elementos electrónicos, para ampliar su funcionalidad. A continuación, se describen dos posibles dispositivos que pueden fabricarse usando la ET.
- Un primer dispositivo reconfigurable, comprende al menos dos ETR y un conmutador digital, estando adaptado dicho conmutador para reconfigurar eléctricamente (por ejemplo, cambiando la diferencia de potencial eléctrico) al menos una de las celdas del dispositivo.
- Un segundo dispositivo sirve para conformar el haz generado por una o más ondas electromagnéticas incidentes en el mismo, y comprende y al menos uno de los siguientes elementos: una metasuperficie, un reflector o una lente.
La presente invención también comprende un procedimiento para manipular electrónicamente una onda electromagnética, empleando, preferentemente, una ET como la descrita en las diferentes realizaciones expuestas en líneas anteriores de esta misma sección.
En otro aspecto, la presente invención está relacionada con un procedimiento para diseñar la ETR de la invención, así como el procedimiento para reconfigurar la ETR dentro de un sistema completo.
Algunas realizaciones particulares del procedimiento de la invención comprenden el uso de algoritmos de inteligencia artificial o aprendizaje automático para llevar a cabo la realización de los siguientes pasos: - definir el número de celdas de la ET y la diferencia de potencial eléctrico de una o más de las celdas reconfigurables;
- seleccionar la funcionalidad de la ET, donde la funcionalidad comprende al menos una de las siguientes: conformación de haz, conformación de nulos, división de onda, absorción de potencia y concentración de campo eléctrico en una determinada posición;
- seleccionar parámetros geométricos y de funcionalidad de la ET, donde dichos parámetros comprenden al menos uno de los siguientes: el número y posición de las celdas, y la posibilidad de modificación de la diferencia de potencial eléctrico aplicada de una o más de las celdas (es decir, si la celda admite varios distintos estados eléctricos, cada uno asociado a una diferencia de potencial eléctrico aplicado en dicha celda);
- configurar los parámetros del diagrama de radiación de la ET, donde dichos parámetros comprenden al menos uno de los siguientes: dirección de apuntamiento, ganancia, posición y ancho de los lóbulos y la posición de los nulos de radiación;
- caracterizar el diagrama de radiación de la ET resultante de los pasos anteriores, mediante un modelo o una herramienta de simulación electromagnética;
- verificar si la ET cumple los parámetros geométricos y de funcionalidad seleccionados a partir del análisis del diagrama de radiación de la ET, y alternativamente optar por uno de estos dos cursos de acción: a) si la ET los cumple, finalizar el procedimiento y ofrecer como salida la configuración diseñada para la ET; b) mientras que la ET no cumpla los parámetros geométricos y de funcionalidad, modificar dichos parámetros (por ejemplo, empleando alguna técnica de inteligencia artificial o aprendizaje automático para ir iterando) y repetir los pasos de configurar los parámetros geométricos y de funcionalidad de la ET, caracterizar el diagrama de radiación de dicha ET y verificar si cumple los parámetros geométricos y de funcionalidad mediante el análisis del diagrama de radiación.
Otra realización del procedimiento de la invención comprende adicionalmente los siguientes pasos:
- Capturar información a través de, al menos, uno de los siguientes: sensores, información del entorno e información existente previamente en el sistema. Por ejemplo, la ET puede estar conectada a una unidad de procesamiento (un ordenador o un microcontrolador, por ejemplo) y medios de almacenamiento de información (memoria, base de datos, etc.). En dichos medios de almacenamiento de información se puede almacenar información para facilitar la posterior captura de información. - Aplicar un algoritmo de inteligencia artificial o aprendizaje automático para la toma de decisiones de forma automática (por ejemplo, diseño de qué parámetros y funcionalidad son los más apropiados).
- Seleccionar la funcionalidad y parámetros concretos de dicha funcionalidad.
En realizaciones particulares de la invención, el paso de configurar el diagrama de radiación de la ET en función de la posición de uno o más usuarios comprende fijar uno o más de los siguientes parámetros de dicho diagrama: la dirección de apuntamiento, la ganancia, el posición y ancho de los lóbulos y la posición de los nulos de radiación. Opcionalmente, el procedimiento comprende adaptar los parámetros de dicho diagrama de radiación en función de una o más modificaciones en la posición de uno o más de los usuarios del sistema.
En otras realizaciones de la invención, el paso de configurar el diagrama de radiación del sistema comprende ubicar los nulos de dicho diagrama para que coincidan sustancialmente con las posiciones de uno o más usuarios ¡legítimos o atacantes.
Ciertas realizaciones aún más preferentes del procedimiento para configurar la ET comprenden alternar dinámicamente entre una ET que facilita habilita las comunicaciones de ciertos usuarios (por ejemplo, disponiendo el lóbulo principal en la posición donde se encuentren) o las inhibe (disponiendo ceros del diagrama de radiación en la posición en la que se ubiquen) en función de si los usuarios son legítimos o atacantes, respectivamente. Esta funcionalidad es muy útil para utilizar la ET en un sistema de comunicaciones inalámbrico que incluya un módulo de clasificación de usuarios.
Queda también en el ámbito de la patente un procedimiento para obtener imágenes de una muestra a partir de una onda de radiofrecuencia, RF, generada por un sistema de RF conectado a una ET. Dicho procedimiento comprende la realización de estos pasos:
- configurar la ET;
- concentrar la onda de RF en una o vahas posiciones de la muestra con la ET;
- adquirir una o más imágenes en una o vahas posiciones de la muestra; y
- opcionalmente, repetir los dos pasos anteriores concentrando la onda electromagnética en una o vahas posiciones de la muestra, diferentes de las posiciones del paso anterior.
A diferencia de los dispositivos conocidos por los inventores, la presente invención permite realizar, al mismo tiempo, la función de redireccionamiento de la onda electromagnética y la de absorción selectiva de potencia. Otros usos preferentes de la ET de la invención son los siguientes: - Fabricación de un sistema invisible frente a detección con un radar o en la fabricación de un sistema de medida de antenas (como, por ejemplo, en un sistema de rango compacto, en inglés Compact Antenna Test Range CATR, o similar).
- Para configurar el campo electromagnético dentro de un sistema de cámaras de reverberación.
- El diseño de sistemas de comunicaciones inalámbricos.
Más concretamente, la estructura que se propone permite manipular las ondas electromagnéticas de una manera selectiva, y llevar cabo varias funciones simultáneamente: puede absorber la potencia, redireccionar la onda electromagnética, conformar el haz de radiación y/o formar distintos patrones de radiación para una frecuencia y polarización determinada.
De forma más específica, los objetos de la invención se refieren a una ET, a un dispositivo que comprende dicha ET, y a usos y procedimientos relacionadas con la misma, según las reivindicaciones que acompañan al presente documento.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Se ha realizado una serie de figuras que ayudan a mejorar la comprensión de la invención. En ellas se muestran los diferentes elementos, funcionalidades y configuraciones que engloba dicha invención.
Figura 1. Vista en perspectiva de un ejemplo de una estructura ETR completa formada por 225 (15x15) meta-átomos reconfigurables y tridimensionales.
1000: estructura ETR
1001 : meta-átomo tridimensional reconfigurable
Figura 2. Vista en perspectiva de un ejemplo de una estructura ETR completa formada por 9 (3x3) meta-átomos tridimensionales con diferentes dibujos en las diferentes caras del prisma.
1000: estructura ETR
2001 : meta-átomo tridimensional no reconfigurable
2002: Dibujo en las caras paralelas al eje y para control de la polarización vertical.
2003: Dibujo en las caras paralelas al eje x para control de la polarización horizontal.
Figura 3. Vista en perspectiva de un ejemplo de una estructura ETR completa formada por 9 (3x3) meta-átomos tridimensionales reconfigurables. Esta figura representa el meta-átomo de la realización preferida, este meta-átomo está compuesto por una única celda con forma de prisma cuadrado que tiene en las paredes laterales ranuras en forma de anillo partido que permiten la sintonización de la respuesta en fase de dicha estructura.
031 : vista en detalle del meta-átomo tridimensional reconfigurable (perspectiva girada).
032: vista de la estructura ETR 3x3 (perspectiva girada).
033: vista en detalle del meta-átomo tridimensional reconfigurable preferido.
1001 : meta-átomo tridimensional reconfigurable.
3001 : plano metálico reflectante del meta-átomo.
3002: anillo partido de las superficies verticales del meta-átomo.
3003: anillo partido de las superficies horizontales del meta-átomo.
3004: capa de grafeno.
3005: capa de óxido de silicio (aislante).
3006: capa de silicio.
3007: circuito polarizador de la estructura reconfigurable.
3008: estructura de material reconfigurable, en este caso basada en grafeno
Figura 4. Vista en perspectiva de un ejemplo de una estructura ETR completa formada por 13 meta-átomos tridimensionales con forma de prisma hexagonal y una ranura cuadrangular en alguna de sus caras.
041 : vista en detalle del meta-átomo tridimensional con forma de prisma hexagonal (perspectiva girada).
042: vista de la estructura ETR enlazando los diferentes prismas hexagonales para formar una ETR con forma de panel de abeja (perspectiva girada).
Figura 5. Vista en perspectiva de un ejemplo de una estructura ETR completa formada por 4 (2x2) celdas tridimensionales. En esta realización particular hay dos tipos de celdas diferentes distribuidas a lo largo del plano xy, la celda x=1 ,y= 1 y la celda x=2, y=2 que tienen una ranura de circulo partido en sus caras verticales del prisma y las celdas x=1 ,y=2 y x=2, y=1 que tienen una ranura con otra geometría diferente en sus caras verticales del prisma.
5001 : meta-átomo tridimensional tipo 1
5002: meta-átomo tridimensional tipo 2.
Figura 6. Vista en perspectiva de un ejemplo de una estructura ETR completa formada por 2 meta-átomos tridimensionales. En esta realización particular hay dos tipos de celdas diferentes distribuidas a lo largo del eje z que tienen ranuras con geometrías diferentes en sus diferentes caras del prisma.
6001 : meta-átomo tridimensional tipo 1 en el eje z 6002: meta-átomo tridimensional tipo 2 en el eje z.
Figura 7. Esquema de una estructura reconfigurable basada en grafeno, aislante y substrato. 3007: circuito polarizador de la estructura reconfigurable.
7001 : capa de grafeno
7002: capa de aislante
7003: capa de substrato
Figura 8. Esquema de una estructura reconfigurable basada en cristal líquido. Se muestran los dos estados extremos los cuales pueden ser alcanzados mediante la ausencia o la aplicación de una tensión.
081 : esquema de una estructura reconfigurable basada en cristal líquido cuando no se aplica tensión entre sus extremos.
082: esquema de una estructura reconfigurable basada en cristal líquido cuando se aplica tensión entre sus extremos.
3007: circuito polarizador de la estructura reconfigurable.
8001 : estado de las moléculas del cristal líquido cuando no hay tensión aplicada
8002: estado de las moléculas del cristal líquido cuando hay tensión aplicada
Figura 9. Vista en perspectiva de un meta-átomo tridimensional formado por dos celdas unidad cada una rellena por un dieléctrico diferente.
9001 : material dieléctrico para la primera celda según eje z.
9002: material dieléctrico para la segunda celda según eje z.
Figura 10. Vista tridimensional de dos celdas en el eje z de una ETR formado por diversas ranuras con diferentes geometrías introducidas tanto en sus paredes horizontales como verticales.
10001 : primera celda unidad del meta-átomo con respecto al plano metálico reflectante 10002: segunda celda unidad del meta-átomo con respecto al plano metálico reflectante
10003: ranura con geometría específica para la pared horizontal de la primera celda unidad
10004: ranura con geometría específica para la pared vertical de la segunda celda unidad
10007: ranura con geometría específica para la pared horizontal de la segunda celda unidad Figura 11. Vista tridimensional de la ETR cuando se le coloca a cierta distancia diferentes estructuras las cuales pueden añadir comportamientos a la onda electromagnética incidente o reflejada de la ETR.
1000: ETR.
11001 : primera estructura que se encuentra a cierta distancia de la ETR
11002: segunda estructura que se encuentra a cierta distancia de la ETR
11003: tercera estructura que se encuentra a cierta distancia de la ETR
Figura 12. Vista tridimensional de la ETR cuando se le coloca, a continuación, una metasuperficie o varias metasuperfices que puede añadir comportamientos a la onda electromagnética incidente o reflejada por la ETR.
1000: ETR.
12001 : estructura que se encuentra justo después de la ETR.
Figura 13. ETR funcionando conjuntamente con otro elemento como es una estructura tipo lente que pueden añadir comportamientos a la onda electromagnética incidente o reflejada de la ETR.
1000: ETR.
13001 : estructura tipo lente que se coloca a cierta distancia de la ETR
Figura 14. ETR funcionando conjuntamente con otro elemento como es un reflector parabólico y un emisor de radiación.
1000: ETR.
14001 : estructura tipo reflector parabólico que coloca a cierta distancia de la ETR 14002: foco de radiación
Figura 15. ETR funcionando conjuntamente con otro elemento como es un reflector plano y un emisor de radiación.
1000: ETR.
14002: foco de radiación
15001 : estructura tipo reflector plano que se coloca a cierta distancia de la ETR
Figura 16. Vista tridimensional de la ETR formada por una configuración donde los meta- átomos tienen el mismo diseño, pero tiene cierta rotación dependiendo de la columna de la ETR a la que pertenezcan.
16001 : ETR cuyos meta-átomos tienen cierta rotación dependiendo de la columna a la que pertenezcan 16002: meta-átomo con una rotación de 90 grados con respecto a los meta-átomos que forman la primera columna de la ETR
16003: meta-átomo con una rotación de 45 grados con respecto a los meta-átomos que forman la primera columna de la ETR
Figura 17. Esquema de la ETR donde los meta-átomo pueden ser extraídos e insertados en diferentes zonas de la ETR. Además, esta configuración de la ETR permite una capacidad modular donde los meta-átomos pueden tener diferentes diseños y rotación entre ellos.
171 : Estructura completa con meta-átomos intercambiables
172: Detalle de la estructura ETR con unos meta-átomos en unas posiciones determinadas
173: Mismo detalle de la estructura ETR con los meta-átomos girados e intercambiados de posición.
17001 : ETR con capacidad modular donde los meta-átomos pueden ser extraídos e insertados en las diferentes posiciones posibles de la estructura ETR.
17002: posición de la ETR donde puede ser insertado un meta-átomo tridimensional
17003: representación esquemática de una configuración determinada de meta- átomo, nombrado de tipo 1 , en una determinada posición de la ETR.
17004: representación esquemática de una configuración determinada de meta- átomo, nombrado de tipo 2, en una determinada posición de la ETR.
17005: representación esquemática de un tipo de meta-átomo de tipo 2 con rotación de su estructura en una determinada posición de la ETR.
17006: representación esquemática de una configuración determinada de meta- átomo, nombrado de tipo 3, en una determinada posición de la ETR.
Figura 18. Vista desde arriba de una ETR adaptable a cualquier superficie en el eje z, la cual sea reconfigurable a partir de elevar ciertas celdas unidad en el eje z.
18001 : configuración 1 de la ETR adaptable sobre el eje z, todas las celdas a la misma altura
18002: configuración 2 de la ETR adaptable sobre el eje z, las celdas se desplazado un grado en el eje z.
18003: configuración 3 de la ETR adaptable sobre el eje z, las celdas han tenido un desplazamiento mayor en el eje z.
Figura 19. Esquemas de tensiones (ON/OFF) para que la ETR haga una determinada reconfiguración del haz, el estado de ON representa un desfase de 180° y el estado de OFF representa un desfase de 0o. 191 : esquema de tensiones (ON/OFF) para que la ETR haga una la conformación de haz sobre una determinada dirección.
192: esquema de tensiones (ON/OFF) para que la ETR haga una la conformación de haz sobre una determinada dirección diferente a que conseguida en 191.
Figura 20. Vistas en perspectiva de la ETR cuando se configura para la realización de conformación haz sobre una dirección dada del espacio. Además, se muestran las configuraciones de tensión de cada una de las estructuras reconfigurable basada en grafeno que implementa los meta-átomos de la ETR.
191 : esquema de tensiones (ON/OFF) para que la ETR haga una la conformación de haz sobre una determinada dirección.
192: esquema de tensiones (ON/OFF) para que la ETR haga una la conformación de haz sobre una determinada dirección diferente a que conseguida en 191.
201 : vista en perspectiva con una determinada dirección correspondiente a la conformación de haz sobre una determinada dirección diferente a que conseguida en
191.
202: vista en perspectiva con una determinada dirección correspondiente a la conformación de haz sobre una determinada dirección diferente a que conseguida en
192.
203: vista en perspectiva con otra determinada dirección correspondiente a la conformación de haz diferente de las anteriores.
204: vista en perspectiva diferente con otra determinada dirección correspondiente a la conformación de haz diferente de las anteriores.
Figura 21. Vista frontal de la ETR cuando se configura para la realización de una división del haz incidente en dos haces. Además, se muestra la configuración de tensión (esquema ON/OFF) necesaria para conseguir dicha funcionalidad.
211 : esquema de tensiones (ON/OFF) para que la ETR haga una división del haz incidente en dos haces cada uno en una determinada dirección.
212: vista en perspectiva de la función de división de haz.
Figura 22. Vista lateral de un corte de la ETR funcionando en modo absorbente. En esta figura se muestran los campos eléctricos incidentes originados por una fuente y que inciden sobre la ETR. Se observa que existe un campo reflejado prácticamente nulo (no se ve el campo reflejado por ser prácticamente nulo). Figura 23. Diagrama de flujo de un procedimiento para diseñar una ETR. Los diferentes parámetros que podrían ser configurados en cada uno de los bloques se describen en el texto. Los diferentes elementos son:
23001 caracterización del comportamiento electromagnético de cada celda o celdas individuales comprendidas en la estructura.
23002 caracterización del comportamiento electromagnético reconfigurable de cada celda o celdas individuales comprendidas en la estructura. Es decir, si la celda es reconfigurable puede tener dos o más estados.
23003 elección de la estructura ETR donde se van a insertar las celdas individuales, esto nos proporcionará un número de celdas en el eje x, eje y, eje z.
23004 elección de la funcionalidad de la ETR y características de esta funcionalidad.
23005 configuración de parámetros de la ETR.
Figura 24. Diagrama de flujo de un ejemplo de un algoritmo para la configuración de parámetros de una ETR de un procedimiento para diseñar una ETR. Este es un bloque del anterior diagrama que se detalla en esta figura.
24000. Procedimiento de configuración de la ETR.
24001 : Las fases de las diferentes celdas se inicializan de manera aleatoria.
24002: Recopilación de parámetros para introducirlos en el simulador.
24003: La simulación electromagnética del comportamiento completo de la ETR.
24004: Verificación de cumplimiento de la funcionalidad requerida.
24005: Proceso algorítmico de elección de los nuevos parámetros de configuración. 24006: Punto final.
Figura 25. Diagrama de flujo del procedimiento para diseñar un sistema completo que integre una ETR.
24000. Procedimiento de configuración de la ETR.
25001. Captura de información por varias vías: sensores, información del entorno e información existente en el sistema.
25002. Algoritmo de toma de decisiones
25003. Selección de funcionalidad y parámetros concretos de esa funcionalidad
Figura 26. Esquema de funcionamiento de un sistema de radar multiestático con (mediante el empleo de una ETR) y sin desviación de las ondas recibidas por parte de las estaciones terrestres. Cada estación emite una señal e intenta recibir las señales de las tres estaciones. La señal de cada estación se representa con una textura diferente. En el funcionamiento normal cada una de las estaciones terrenas reciben las tres señales. En el funcionamiento con ETR, las ondas emitidas por dos estaciones (representadas con flechas de relleno punteado y rayado) son redirigidas hacía otros puntos del espacio y la onda emitida por la tercera estación (representada con flechas sin relleno) es absorbida. De esta manera se combinan las diferentes funcionalidades.
261 : esquema de funcionamiento normal de un radar multiestático.
262: esquema de funcionamiento normal de un radar multiestático con una ETR para no ser detectado.
Figura 27. Esquema de una ETR para el funcionamiento de concentración de campo en un determinado punto.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Definiciones
Por “ETR” o “Estructura tridimensional reconfigurable” se entenderá cualquier dispositivo que puede manipular las ondas electromagnéticas de manera selectiva y está formado por elementos individuales reconfigurables con forma de prisma y paredes conductoras que al actuar de forma conjunta pueden realizar diferentes funciones al mismo tiempo.
Por “celda unidad”, o “celda”, se considera el elemento individual con forma de prisma que se repetirá un número de veces para formar la ETR.
Por “meta-átomo” se considera la estructura formada por una o más celdas que se repite periódicamente para formar una “ETR”. En el caso de que un meta-átomo este formado por una única celda, el termino meta-átomo o celda son equivalentes. Las figuras 1 , 2, 3 y 4 muestran meta-átomos compuestos por una única celda, mientras que varios ejemplos de meta-átomos compuestos por dos celdas se representan en las figuras 6, 9 y 10. Una ETR puede estar formada por uno o más meta-átomos (que se repiten periódicamente) o celdas diferentes repetidas.
El término “Reconfiguración electromagnética” hace alusión a cualquier procedimiento por el cual se modifican las características electromagnéticas (frecuencia de operación, polarización, etc.) de un elemento. A modo de ejemplo, una reconfiguración electromagnética se consigue mediante el cambio de las propiedades de materiales reconfigurables como pueden ser grafeno o el cristal líquido que al aplicar una diferencia de tensión cambia la conductividad del material, al cambiar la conductividad del material cambia su comportamiento electromagnético.
Un poliedro regular es un cuerpo geométrico en el que sus caras son todas polígonos regulares ¡guales, y todos sus diedros y ángulos poliedros lo son también ¡guales. Un hexaedro es un poliedro de seis caras. Sus caras han de ser polígonos de cinco lados o menos. Dentro de los hexaedros, un hexaedro irregular es el prisma, El término “prisma” se refiere a un poliedro irregular que consta de dos caras ¡guales y paralelas llamadas “bases”, y de “caras laterales” que son paralelogramos. Un prisma recto es un prisma en el que los bordes de unión y las caras son perpendiculares a las caras de la base. Un prisma de n caras laterales con extremos de polígonos regulares y caras rectangulares, se acerca un sólido cilindrico cuando n tiende a infinito, por lo que, en la presente memoria, en una realización particular, el término prisma puede referirse también a un cilindro.
El “diagrama de radiación” es la representación gráfica de las características de radiación de un elemento radiante o antena, en función de la dirección de apuntamiento. Dentro de los diagramas de radiación podemos definir diagrama polarización vertical aquel que representa la radiación en la dirección del eje y del elemento y diagrama de polarización horizontal en la dirección del eje x. Los parámetros más importantes del diagrama de radiación son:
• Dirección de apuntamiento: Es la dirección de máxima radiación.
• Ganancia: Se define como la ganancia de potencia en la dirección de máxima radiación. La ganancia se produce al concentrarse la potencia en las zonas indicadas en el diagrama de radiación.
• Lóbulo principal: Se define como la zona en torno a la dirección de máxima radiación donde la ganancia no pierde 3 dB con respecto al máximo, en la dirección de apuntamiento.
• Lóbulos secundarios: Son el resto de los máximos relativos, de valor inferior al principal.
• Nulo de radiación: dirección en la que no se emite potencia.
La “formación de haces” (en inglés, “beamforming”) es una técnica que se ha utilizado ampliamente en el procesamiento de señales, en radar, en sonar, en biomedicina y en particular, en las comunicaciones inalámbricas. Para la formación de haces, la ¡dea básica es manipular las amplitudes y fases de cada elemento individual que emite o refleja la onda electromagnética, para formar un diagrama de radiación con una forma cualquiera que sea el resultado de la suma de todas las aportaciones individuales de cada elemento. Los objetivos de esta formación de haz pueden ser muy diversos, desde el más habitual que es la concentración de la radiación en un punto del espacio para lograr un lóbulo principal muy estrecho y con una gran ganancia, hasta otras aplicaciones que requieren crear dos o más lóbulos o que haya un nulo de emisión en una determinada dirección.
Para lograr un determinado diagrama de radiación cuando se hace conformado de haz es necesario ajustar individualmente la fase de cada elemento. No todos los diagramas de radiación son posibles de confeccionar para un determinado número y tipo de elementos. Cuando se trata de estructuras con distribuciones canónicas existen métodos analíticos para hallar la fase de cada elemento. Sin embargo, cuando no es posible una resolución analítica para la obtención de las fases de los elementos se recurre a algoritmos heurísticos.
Los compuestos relacionados con el grafeno (o “GRMs”, del inglés “Graphene Related Materials”, o) incluyen entre otros el grafano, la grafona, la grafina, la grafodina, el fluorógeno y el grafXeno. Asimismo, el término “grafeno” se refiere en esta memoria a una variedad de estructuras, como el grafeno de una sola capa (SLG), el óxido de grafeno (GO), las nanoplataformas de grafeno (GNP) y el óxido de grafeno reducido (RGO). Además, existen compuestos elementales 2D que incluyen monocapas de boro, silicio, germanio, fósforo, arsénico y antimonio. Cada uno de estos materiales se están desarrollando para diferentes aplicaciones como la nanoelectrónica. El principio de funcionamiento de todos estos materiales es el mismo se aplica una diferencia de potencial y cambian las propiedades de conductividad del material. Esto haría que cualquiera de estos materiales, o de forma equivalente, otros con el mismo principio de funcionamiento, sean válidos para usarlos para cambiar la conductividad entre dos estados al aplicar una excitación controlada en las celdas comprendidas en la ETR objeto de esta invención. En el grafeno y la mayoría de los compuestos relacionados con el grafeno, es necesario, que exista una capa de Si u otro material conductor y una capa de aislante para poder polarizar correctamente el material. Por eso, a lo largo de esta memoria aparecen capas de aislante y de silicio cuando se polariza el grafeno.
Además, otra propiedad conocida del grafeno es la absorción de potencia para determinadas polarizaciones. Por ejemplo, una lámina de grafeno colocada en el medio de una línea de microstrip permite una buena propagación si la conductividad es aceptable y aumenta las pérdidas de inserción si no lo es. Mediante la sintonía de la resistencia superficial del grafeno, la conductividad se modifica permitiendo un atenuador de microstrips reconfigurable. Es decir, puede absorber potencia de manera reconfigurable.
Otra familia de materiales que podrían ser utilizados para confeccionar las celdas de la invención son los “materiales de cambio de fase” como por ejemplo MoS2, WS2, MoSe2, WSe2 o HfS2, que exhiben transiciones rápidas y reversibles entre un estado amorfo y uno cristalino a alta temperatura. Los dos estados muestran un contraste de conductividad, que se aprovecha en los dispositivos de memoria de cambio de fase. Estos materiales al tener un cambio de conductividad también podrían insertarse en una ETR y producir el mismo funcionamiento ya que cambian la conductividad entre dos estados al aplicar una excitación controlada.
A lo largo de la memoria, para las realizaciones particulares, se describe que la conductividad cambia entre dos estados (ON/OFF) respondiendo a la aplicación de una diferencia de potencial (tensión) mínima y máxima. Esto indica que el material pasa de un estado de máxima conductividad (ON) a un estado de mínima conductividad (OFF) dentro del rango de variación de la conductividad que tiene el material. También es posible otras configuraciones donde se le aplique al material diferencias de potencial intermedias y se obtengan conductividades intermedias provocando otro estado de configuración de la celda.
La inteligencia artificial (IA) es la inteligencia llevada a cabo por máquinas. En ciencias de la computación, una máquina «inteligente» ideal es un agente flexible que percibe su entorno y lleva a cabo acciones que maximicen sus posibilidades de éxito en algún objetivo o tarea. Una de las categorías de algoritmos es la búsqueda heurística. Podemos definir una heurística como estrategia que limita grandiosamente la búsqueda de soluciones ante grandes espacios de problemas. Por lo tanto, ante un problema, nos ayuda a seleccionar las bifurcaciones dentro de un grafo con más posibilidades; con ello se restringe la búsqueda, aunque no siempre se garantiza la mejor solución. Todo lo que se debe tener en cuenta para que una heurística sea adecuada es que nos proporcione soluciones que sean lo suficientemente buenas.
A la hora de identificar los distintos elementos de las estructuras tridimensionales se empleará un sistema de coordenadas basado en ejes/dimensiones X, Y, Z, refiriéndose X a la longitud, Y a la anchura o profundidad y Z. a la altura.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones el término “comprende”, que también podría interpretarse como “consiste en”, y sus vahantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenden en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Por su parte, el término “sustancialmente” comprenderá tanto el caso “idéntico a” como a un margen de variación del ± 10 %. Estructura tridimensional de la invención
En este contexto, la presente invención propone una estructura tridimensional y reconfigurable (ETR), en adelante “estructura de la invención” o “ETR de la invención” que permite manipular las ondas electromagnéticas de una manera selectiva. Como ejemplo, en la figura 1 , se muestra una ETR de la invención con múltiples celdas en el eje x y múltiples celdas en el eje y. En la figura 2, se muestra otra ETR con 3 celdas en el eje x y 3 celdas en el eje y.
Esta estructura tridimensional, basándose en los principios de las metasuperficies permite explotar las tres dimensiones y proporcionar más funcionalidades y una mejora en el rendimiento de las metasuperfices.
El aumento de funcionalidades permite para un diseño ofrecer varias funciones simultáneamente: puede absorber la potencia o redireccionar la onda electromagnética o conformar el haz de radiación o formar distintos patrones de radiación para una frecuencia y polarización determinada.
Así, en un primer aspecto, la estructura de la invención es una estructura tridimensional reconfigurable (ETR) que permite controlar la interacción de un volumen tridimensional con una onda electromagnética incidente que comprende al menos una celda dispuesta sobre un plano de masa, y medios que permiten producir una reconfiguración electromagnética en al menos una de las celdas, donde cada celda consiste en una estructura hueca, con forma de prisma sin bases superior ni inferior, fabricada en material conductor y que comprende medios para cambiar la fase de una onda en al menos una de sus caras laterales. Realizaciones particulares de las celdas unidad y las estructuras ETR se pueden ver en las figuras 3 y 4, donde se observan celdas unidad con forma de prisma cuadrado (figura 3) y celdas unidad con forma de prisma hexagonal (figura 4). En ambas figuras se representa tanto la celda unidad como una realización particular de la ETR con múltiples celdas unidad. La representación de las ETR en las figuras 1 y 2 es la misma que en las figuras 3 y 4 solamente se ha cambiado la perspectiva.
Plano de masa
En una realización particular, el plano de masa es común para todas las celdas comprendidas en la ETR. En otra realización particular, el plano de masa es una placa metálica. Celdas comprendidas en la estructura tridimensional de la invención
Las características de las celdas comprendidas en la estructura de la invención permitirán llevar a cabo la manipulación de las ondas electromagnéticas incidentes. Las celdas, con configuraciones particulares, que se describen a continuación también forman parte de la presente invención.
En una primera realización particular, las celdas comprendidas en la ETR de la invención son ¡guales, aunque de forma preferente, en una realización alternativa, la estructura de la invención comprende al menos dos tipos distintos de celdas, permitiendo así que una misma ETR pueda funcionar en dos rangos de frecuencias diferentes, por ejemplo. En la figura 5 se puede ver una representación particular de la ETR donde hay dos tipos de celdas diferentes. Las diferentes ranuras en sus diferentes paredes provocan diferentes respuestas electromagnéticas al paso de las ondas por las propias celdas.
En una realización particular, la estructura comprende una pluralidad de meta-átomos dispuestos a lo largo de los ejes X o Y. En otra realización particular, la ETR de la invención está formada por al menos dos celdas dispuestas a lo largo del eje Z (dirección de propagación, en altura), comprendiendo al menos dos celdas unidas de forma que la parte superior de una celda está unida a la parte inferior de una segunda celda, que carece de base tanto inferior como superior, situada en posición más elevada. Un ejemplo de la realización particular de una ETR con dos celdas diferentes en el eje Z se puede ver en la figura 6.
La forma geométrica de las celdas puede influir en las funciones que puede llevar a cabo la ETR de la invención. Ejemplos de diferentes prismas, con diferentes formas geométricas se pueden encontrar en las figuras 2 y 3 con prismas cuadrados y hexagonales.
Así, en una realización particular, una de las celdas que puede comprender la ETR de la invención tiene base cuadrada (como la figura 2). Preferentemente, la celda tiene forma cúbica, es decir, las caras laterales de esa celda son ¡guales al cuadrado de su base.
En otra realización particular, la base de la celda es hexagonal (como la figura 3).
Si el número de caras del prisma aumenta de forma indefinida, la estructura de la celda puede llegar a ser cilindrica, por lo que, en otra realización equivalente, que generalizaría el concepto de prisma, la forma de la celda puede ser sensiblemente cilindrica, e incluso cilindrica. Otra característica relevante para las funcionalidades que se pretenden alcanzar, es el material del que están fabricadas las celdas que están comprendidas en la ETR de la invención.
Así, en otra realización particular, una de las celdas que comprenden la ETR de la invención está fabricada en un material cuya respuesta electromagnética cambia con un cambio en el entorno producido por cambios físicos, químicos o electromagnéticos.
De forma preferente, la estructura de la celda está fabricada en un material conductivo.
Por otro lado, es posible obtener modificaciones de las características de la onda incidente incluyendo alteraciones en las paredes de las celdas.
En ese sentido, en otra realización particular, al menos una de las caras laterales de una de las celdas que comprenden la ETR de la invención está perforada, de forma que dicha perforación permite cambiar la fase de onda (Figuras de la 2 a la 6).
En otra realización particular, las caras laterales de la celda comprenden incrustaciones o inserciones de materiales reconfigurables electrónicamente, como grafeno, GRMs, materiales de cambio de fase o el cristal líquido. Como ejemplo, en la figura 3, se muestra un ejemplo de reconfiguración electrónica, donde se encuentra el material reconfigurable que se ha insertado en una de las caras laterales de la celda unidad. Este material reconfigurable será alimentado por una fuente de tensión como se muestra en la figura. Cuando la fuente de alimentación proporcione una determinada tensión al material, este cambiará sus características.
En otra realización más particular, la celda que puede comprender la ETR de la invención, tiene base cuadrada o rectangular y comprende diferentes elementos en las caras perpendiculares al eje X a los dispuestos en las caras perpendiculares al eje Y, permitiendo alterar de forma diferenciada, las polarizaciones horizontales y verticales de la onda electromagnética de manera reversible. Es decir, para actuar de forma diferenciada tienen ranuras con formas diferentes en las diferentes caras del prisma (figura 4). Por tanto, las ranuras en las caras laterales horizontales actuarán sobre la polarización horizontal y las ranuras en las caras laterales verticales actuarán sobre la polarización vertical.
En otra realización particular, la celda puede configurarse para tener dos o más estados. Es decir, para funcionar con dos o más valores de conductividad de los elementos insertados o incrustados en la celda unidad. Ejemplos de este tipo de elementos puede ser grafeno, los GRM’s o el cristal líquido. Ejemplos de reconfigurabilidad y configuración de nuevos materiales se muestran en las figuras 3, 7 y 8. En las figuras 3 y 7 se muestra cómo se configura la alimentación para reconfigurar el grafeno. En la figura 8 se muestra cómo cambia la orientación de los cristales líquidos en función de la alimentación, al cambiar la orientación de los cristales cambia la conductividad. Cada uno de los valores de conductividad vendrán dados por un valor diferente de diferencia de potencial, por tanto, cada valor de diferencia de potencial producirá una respuesta diferente en la celda al tener el material distinta conductividad.
En la realización reconfigurable preferida más simple, el dibujo de sus caras es un anillo partido (figura 2) en la cual se alarga o se acorta la longitud del anillo partido mediante el cambio de conductividad del grafeno.
En otra realización particular, un actuador MEMS o un transistor CMOS depositado en al menos una de las caras laterales de la celda manipula la onda electromagnética incidente de forma reversible a aplicarles una diferencia de potencial eléctrico.
Las celdas comprendidas en la ETR de la invención pueden ser metálicas o de cualquier otro material, en al menos una de sus caras (puede ser en todas), tendrán distintas formas de ranuras que provocarán el cambio de fase y amplitud en la onda electromagnética. En la figura 9, se muestran una realización particular de dos celdas unidad que están realizadas en diferentes materiales dieléctricos, se ha representado en dicha figura por distintas texturas. En la figura 10 se muestran inserciones de distintos materiales reconfigurables con diferentes características (forma y tipo) que se representan por texturas y formas diferentes.
En otra realización particular, la estructura estará formada por la celda colocada periódicamente a lo largo de las direcciones X e Y un número determinado de veces (igual o distinto) y la existencia o no una serie de elementos complementarios para la modificación de las ondas como metasuperficies, lentes, reflectores o espejos. Además, la estructura también se podrá replicar en el eje Z con celdas distintas o ¡guales.
En otra realización particular, la estructura comprende al menos un elemento complementario que permitan modificar las ondas electromagnéticas (por ejemplo, concentrar su campo). Ejemplos de estos elementos complementarios son metasuperficies, lentes, reflectores o espejos. Los diferentes elementos complementarios se detallarán en el apartado “Elementos adicionales a la ETR” y se pueden ver en las figuras de la 11 a la 15. Teniendo en cuenta todas estas posibilidades, en distintas realizaciones particulares, la ETR de la invención comprende al menos una de las celdas descritas anteriormente, o combinaciones de las mismas.
Medios para cambiar la configuración de las celdas
La reconfiguración de las celdas se puede llevar a cabo de distintas formas, dando lugar a nuevas realizaciones particulares de la ETR de la invención.
En una realización particular, la ETR de la invención comprende medios que permiten girar al menos una celda sobre su eje Z. Es decir, la respuesta electromagnética de la celda cambia al girar. En la figura 16 se muestra una realización particular de la ETR donde las celdas de algunas columnas en el eje y se han girado 45° para producir una respuesta electromagnética diferente.
En otra realización particular, la ETR de la invención comprende medios que permiten intercambiar de posición las diferentes celdas unidad como la figura 17, es decir, por ejemplo, esta estructura permitiría cambiar la celda en la posición x=1 y=5 por otra celda en otra posición diferente, esto se ha representado poniendo en la figura 17 mediante prismas de diferentes texturas y formas que se sitúan en diferentes posiciones dentro de la ETR. Por tanto, la respuesta electromagnética de la ETR completa cambia al cambiar los elementos de posición.
En otra realización particular, la ETR de la invención comprende medios que permiten cambiar la atura de las celdas sobre su eje Z. Es decir, la respuesta electromagnética de la celda cambia al cambiar la altura donde se sitúan las celdas. Como ejemplo particular de una realización de ETR que pueda cambiar su funcionamiento con el cambio de la altura donde se sitúan las celdas en el eje z se muestra la figura 18 donde se puede observar cómo se elevan las distintas celdas, esto produce que la onda electromagnética se encuentre antes o después, algunas de las celdas produciendo diferente respuesta en fase.
En otra realización particular, la ETR de la invención comprende medios que permiten cambiar la diferencia de potencial (tensión) en cada una de las celdas y en cada uno de los materiales reconfigurables de cada celda. Es decir, la respuesta electromagnética de cada celda cambia al cambiar la conductividad del material.
En otra realización particular, la ETR de la invención comprende medios que provocar cambios en la conductividad de un material (por ejemplo, la temperatura). Es decir, la respuesta electromagnética de la celda cambia al cambiar la conductividad del material al cambiar la temperatura.
Configuración de las celdas
La funcionalidad y la aplicación de la ETR dependen de la configuración individual de cada una de las celdas para que produzca un determinado comportamiento electromagnético.
En algunas realizaciones se puede definir dos estados de las celdas, con máxima y mínima conductividad que producen un desfase de 0 o 180 0 que se definen como estados ON/ OFF de la celda. En estas realizaciones se aplican métodos heurísticos o algoritmos relacionados con la inteligencia artificial para obtener una determinada configuración de haz. Esto se puede ver en la figura 19, donde se muestra los valores de desfase de una ETR, representando el valor de desfase 0o (ON) con color blanco y el valor de desfase de 180° (OFF) con color negro. Según la configuración de las celdas (cuales están en ON y cuales están en OFF) se producen diferentes funciones de la estructura.
En una realización particular, la ETR puede ser configurada para obtener unas fases en las caras laterales según el eje X y otras fases en las caras laterales según el eje Y, ya que se puede actuar de manera individual en las diferentes caras de la ETR aplicando diferentes diferencias de potencial en cada una de las caras. De esta forma, se pueden lograr funcionalidades diferentes y al mismo tiempo para las polarizaciones horizontal y vertical de la onda electromagnética. Por ejemplo, en dicha realización particular se podría absorber la potencia en polarización horizontal y hacer que la polarización vertical se reflejase con un determinado número de lóbulos en unas direcciones determinadas.
Elementos adiciones de la ETR de la invención
Junto con las celdas dispuestas sobre un plano de masa y los medios que permiten producir una reconfiguración electromagnética, la ETR de la invención puede comprender elementos adicionales que permitan controlar la interacción con una onda electromagnética incidente. Entre los elementos complementarios pueden ser metasuperficies, lentes, reflectores o espejos.
Así, en otra realización particular (Figura 11), la ETR de la invención comprende metasuperficies (Figura 11 , 1102, 1103 y 1104) como elemento suplementario para modificar la interacción de las ondas electromagnéticas. En la figura 11 se muestran 3 metasuperficies que se colocarían a continuación de la ETR, para realizar funcionalidades concretas. Por ejemplo, esto tendría sentido para conseguir más ancho de banda.
En otra realización particular (Figura 12), la ETR de la invención comprende otra ETR con elementos suplementarios para modificar la interacción de las ondas electromagnéticas. En la figura 12 se representa un bloque azul y rojo como otro ETR 3D.
En otra realización particular (figura 13), la ETR de la invención comprende lentes como elementos suplementarios para modificar la interacción de las ondas electromagnéticas. Como ejemplo se muestra en la figura 13 la interacción de una ETR con una lente, donde la ETR envía las ondas electromagnéticas a la lente que cambia la dirección de propagación para que todas las ondas salgan paralelas (frente plano).
En otra realización particular (figura 14), la ETR de la invención comprende parábolas como elementos suplementarios para modificar la interacción de las ondas electromagnéticas. Como ejemplo se muestra en la figura 14 donde una fuente de radiación emite hacia la ETR y esta redirecciona la onda electromagnética hacia la parábola reflectora para que las ondas salgan paralelas (frente plano).
En otra realización particular (figura 15), la ETR de la invención comprende planos reflectores como elementos suplementarios para modificar la interacción de las ondas electromagnéticas. Como ejemplo se muestra en la figura 15 la interacción de una ETR con un plano reflector, donde la ETR envía las ondas electromagnéticas al plano reflector que cambia la dirección de propagación.
Estas configuraciones anteriores pueden ser adecuadas para utilizar la ETR en sistemas de medida en aplicaciones o como sistema de medida para caracterizar diferentes entornos de propagación; como subreflector o reflector para sistemas satelitales; o como subreflector para dispositivos de medida en cámaras anecoicas como CATR (compact antenna test range).
Dispositivos basados en la ETR de la invención
También son objeto de la invención los distintos dispositivos o sistemas que comprenden entre sus elementos al menos una ETR de la invención. También es objeto de la invención un dispositivo o sistema que comprenda al menos una de las nuevas celdas descritas. Procedimientos diseñar y configurar la ETR de la invención
En otro aspecto, la invención tiene por objeto un procedimiento para diseño y configuración de la ETR. Hay que tener en cuenta que el comportamiento electromagnético total de la ETR puede descomponerse en la suma de las contribuciones individuales de los meta-átomos que la forman. Así, la radiación de cada meta-átomo contribuye a crear patrones constructivos o destructivos en ciertas regiones espaciales. Para el diseño de una funcionalidad determinada de la ETR es necesario configurar de una manera determinada los parámetros de los meta- átomos.
El diagrama de flujo del procedimiento para diseñar una ETR se muestra en la figura 23. Los diferentes elementos son:
Empleando un modelo o herramienta de simulación electromagnética:
23001 . Caracterización del comportamiento electromagnético de cada celda o celdas individuales comprendidas en la estructura. Posibles parámetros a configurar: número de celdas diferentes.
23002. Caracterización del comportamiento electromagnético reconfigurable de cada celda o celdas individuales comprendidas en la estructura. Es decir, si la celda es reconfigurable puede tener dos o más estados. Posibles parámetros a configurar: número de estados de cada celda.
23003. Elección de las funcionalidades de la ETR y características de estas funcionalidades. Posibles parámetros a configurar: Conformación de haz, indicando el número de lóbulos y dirección, conformación de nulos, indicando el número y la dirección, absorción de potencia, concentración de campo, combinación de funciones anteriores. Empleando un procedimiento de reconfiguración basado en diversas iteraciones:
23004. Elección de la estructura ETR donde se van a insertar las celdas individuales, esto nos proporcionará un número de celdas en el eje x, eje y, eje z. Posibles parámetros a configurar: número de celdas en cada eje, posibilidad de reconfiguración en el eje z, posibilidad de reconfiguración angular de las celdas, posibilidad de reconfiguración individual de cada celda.
23005. Configuración individual de cada celda dentro de la estructura. Posibles parámetros a configurar: lección de celda entre las posibles, estado de cada celda entre los permitidos por reconfiguración electrónica, ángulo de giro de cada celda si es posible, altura de cada celda dentro de las posibles.
23006. Caracterización electromagnética de la estructura completa.
23007. Configuración de los parámetros de la ETR. El diagrama de flujo que resume el procedimiento de configuración de la ETR y que se ha utilizado en la realización preferida de la patente se presenta en la figura 24. Otros diagramas de flujo que incluyan diferentes algoritmos son posibles. Así mismo, es posible utilizar casi cualquier tipo de algoritmo. El objetivo de este método de diseño es encontrar los parámetros de configuración de los meta-átomos que configura la ETR para realizar una función concreta. En la figura 24, en primer lugar, tenemos un bloque de inicialización de los parámetros (24001), después un bloque de configuración de la herramienta de caracterización o introducción de parámetros a dicha herramienta (24002), después se realiza la simulación electromagnética (24003), del comportamiento completo de la ETR. Finalmente, habrá un bloque que compruebe si cumple la funcionalidad (24004), si es correcto, se llega al fin (24005), si el funcionamiento no es correcto, propone unos valores diferentes de los parámetros de configuración (24006) y vuelve al bloque (24002) para seguir iterando hasta que obtenga la funcionalidad correcta.
Procedimientos y usos de la invención
También son objeto de la invención los diferentes usos de la ETR dentro de sistemas complejos, así como el procedimiento para que la ETR se autoconfigure dinámicamente de manera automática dentro de sistemas complejos. El dispositivo necesita utilizar algoritmos inteligentes (machine learning y deep learning como soluciones preferidas) y aplicar “razonamiento” para en función de un número de variables entrada tomar la mejor decisión de configuración y función para diferentes aplicaciones, cómo, por ejemplo, en las realizaciones particulares que se van a describir más adelante.
La autoconfiguración (figura 25) se realizará a partir de unos parámetros de entrada que podrán provenir de fuentes diferentes como son diferentes sensores (25001), información (25002) del entorno o la información (25003) del sistema. El motor de inteligencia, o algoritmo (25004) para la toma de decisiones de forma dinámica, llevará a cabo una selección (25005) de la función que debe realizar en cada momento la ETR en función de estas variables de entrada y la seleccionará la funcionalidad que debe realizar la ETR para introducirlos en el procedimiento (25006) de configuración de la ETR.
Se pueden usar diferentes técnicas de inteligencia artificial, las preferidas de la invención para esta toma de decisiones son las técnicas de aprendizaje automático (machine learning, deep learning). MODOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCÍON
Figure imgf000032_0001
La estructura de la ETR que se describe a continuación (Figural), consiste en una configuración totalmente metálica de guías de ondas cuadradas respaldadas por un plano metálico. El grafeno se añade a la estructura de la guía onda cuadradas para proporcionar la naturaleza sintonizadle produciendo un meta-átomo tridimensional reconfigurable. Un posible diseño del meta-átomo se detalla en la figura 3, las dimensiones de la guía de ondas cuadrada son lo suficientemente pequeñas para evitar la propagación del modo fundamental (TE10) en el interior. Dado que es una guía de ondas cuadrada soporta la existencia de dos modos TE10 dentro de la guía. Cada uno de los modos TE10 tiene el campo eléctrico en una dirección, es decir, uno en dirección vertical y otro en dirección horizontal, teniendo diferentes polarizaciones cada uno de ellos. Para controlar de forma independiente las polarizaciones de la onda incidente, se realizan perforaciones con forma de anillo no cerrado en las paredes laterales de cada celda unidad. Aunque el modo TE10 es evanescente, su decaimiento es lo suficientemente lento para excitar los campos en los anillos partidos, dando lugar a un cambio electromagnético. El plano de tierra en la parte inferior de la estructura asegura una respuesta de reflexión cuando la estructura es excitada por una radiación externa incidente.
La geometría de los anillos partidos no cambia la reflexión, pero si modifica la fase de la onda reflejada a través de sus propias resonancias. El control de la cantidad de fase saliente depende de la geometría de los anillos, es decir, depende de la longitud de la parte que falta para que se cierre. Esta parte puede ser ajustada para lograr diferentes respuestas de fase. De esta manera, se obtiene un meta-átomo de 1 bit para el ETR en un meta-átomo completamente metálico. Este diseño tiene la ventaja de ser directamente escalable en frecuencia y por tanto es válido en varias bandas de frecuencia, cubriendo todo el rango de frecuencias de interés donde se desarrollan las aplicaciones de comunicaciones, radar etc.
Los resonadores en las paredes laterales (los que están paralelos al plano YZ) son sensibles a los campos electromagnéticos con polarización vertical (V-pol). Por el contrario, los resonadores en las paredes supeñores/infeñores de la célula (las del plano XZ) son sensibles a los campos electromagnéticos con polarización horizontal (H-pol). Esta clara separación entre el comportamiento de cada componente ortogonal garantiza un alto grado de independencia para el control de cada polarización. Esta independencia solo puede ser conseguida con estructuras tridimensionales y constituye una de las ventajas fundamentales sobre los diseños en 2-D que se forman con el apilamiento de capas. Gracias a esta independencia, se puede conseguir un gran control sobre la onda electromagnética para cada polarización ya que puede ser tratada independientemente. Si el resonador de las paredes laterales es idéntico al de las paredes superiores/inferiores, se espera el mismo comportamiento para las polarizaciones horizontal y vertical.
La reconfigurabilidad de los ETR se logra modificando artificialmente la geometría de los anillos (longitud de la parte que queda sin cerrar). Para ello, las secciones de grafeno impresas en placas de silicio son una buena alternativa. Las hojas de grafeno están en contacto directo con los anillos partidos como se muestra en la figura 3. Una especie de comportamiento de conmutación ON/OFF es fácilmente inducible en el grafeno con sólo alimentarlo con un voltaje determinado. Altos voltajes inducen una alta conductividad efectiva en la capa de grafeno, por lo que el grafeno se convierte en un buen conductor. Los voltajes más bajos reducen considerablemente la conductividad en el grafeno, por lo que el grafeno se convierte en no conductor ya que su resistencia superficial aumenta. La dicotomía entre buen/mal conductor se concibe como una conmutación ON/OFF respectivamente.
Este comportamiento dual se traduce en la fase de salida en la forma de dos estados de fase diferentes. El escenario de dos estados para la fase en una celda es óptimo para el diseño de una ETR.
En la realización preferida, los parámetros geométricos de los meta-átomos están diseñados de manera que los estados ON/OFF muestran una diferencia de fase de 180 grados manteniendo el mismo nivel de amplitud. Este hecho simplifica el diseño de la estructura, ya que la ETR puede ser visto de forma equivalente como un reflectante reconfigurable de 1 bit cuyos elementos se supone que tienen amplitudes idénticas, pero pueden tomar dos estados de fase diferentes. El objetivo es encontrar la disposición de codificación óptima de los meta- átomos que asegure el correcto funcionamiento del ETR para el modo de funcionamiento seleccionado.
La distribución de fase de los meta-átomos en esta realización preferida se ha hallado haciendo uso de un algoritmo genético y el proceso que se ve en la figura 23, pero cualquier otro tipo de algoritmo puede ser válido.
Funcionalidad 1 Una de las funcionalidades más representativas de la ETR consiste en la reconfiguración electrónica de la dirección de salida de la ETR, en función del ángulo de entrada, se puede configurar la ETR para radiar en una determinada dirección.
Así, en esta primera funcionalidad, la ETR de la invención está configurada (fases de los elementos individuales) mediante algoritmos heurísticos (NSGA-2 por ejemplo) para realizar el conformado del haz de radiación de manera que se obtenga un único lóbulo de radiación. En esta funcionalidad particular, un solo objetivo puede ser suficiente para encontrar la disposición de codificación óptima. Un ejemplo de esta funcionalidad se muestra en la figura 20, donde las fases individuales de cada meta-átomo o celda se dibujan en diferentes colores (blanco/negro) representando cada color un estado (ON/OFF). Cuando la dirección en que se transmite ese lóbulo principal es diferente, el mapa de los estados ON/OFF es diferente. Es decir, en esta primera funcionalidad, si cambia la dirección de apuntamiento del lóbulo principal, se tendrá que configurar de forma diferente las fases de los elementos individuales. Por tanto, en la figura 20, se ¡lustran las capacidades de direccionamiento del haz de la estructura, así como la disposición de codificación de las diferentes configuraciones ejemplo. Como se muestra, el haz principal puede ser redirigido de manera eficiente simplemente cambiando los estados (ON/OFF) en cada meta-átomo de manera particular. Además, nótese que los lóbulos secundarios están atenuados en el patrón de radiación.
Funcionalidad 2
La segunda funcionalidad de la ETR es la capacidad de dividir la onda incidente en N lóbulos principales. Para este modo de funcionamiento de la ETR, en esta realización se ha escogido un algoritmo genético multiobjetivo que incluye tres objetivos para optimizar en este escenario particular. Primero, la ganancia de la ETR debe ser maximizada en las direcciones de apuntamiento deseadas. Segundo, se modulará las amplitudes de los diferentes lóbulos principales. El tercer objetivo, que trata de minimizar la energía radiada fuera de la dirección de los lóbulos principales. El algoritmo proporcionará diferentes soluciones y en función de los requerimientos de la aplicación se priorizará una solución u otra. De igual forma que en la primera configuración preferida, en la segunda configuración preferida, en función de la dirección de apuntamiento y el número de lóbulos, se tendrá que configurar de diferente manera las fases de los elementos individuales.
La figura 21 se muestra la capacidad de división del haz del ETR. La energía que transporta una onda incidente que ilumina la estructura se divide en dos haces principales, con dos direcciones de salida diferentes. De forma similar al modo de funcionamiento preferido 1 , los estados de encendido y apagado se modelan con diferentes valores de resistencia. Como se muestra en la figura 21 , ambos haces tienen valores de ganancia similares y los lóbulos secundarios se han minimizado.
Funcionalidad 3
La tercera funcionalidad de la ETR está muy relacionada con las dos anteriores. Esta funcionalidad tiene como objetivo generar uno o vahos nulos en el diagrama de radiación con el objetivo de que se radie la mínima potencia posible en unas determinadas direcciones. El tratamiento es el mismo que en las dos funcionalidades anteriores, pero minimizando en vez de maximizando como objetivo del algoritmo.
Funcionalidad 4
Para cuarta funcionalidad que se describe a continuación, es necesario que contar con grafeno u otro material similar para su implementación. En esta funcionalidad, la ETR de la invención está configurada (fases de los elementos individuales) mediante algoritmos metaheurísticos para realizar el conformado del haz de radiación de manera que se absorba la máxima potencia posible. Las fases individuales de cada meta-átomo ya no están a un valor máximo o mínimo, es decir no tienen un estado ON/OFF si no que tienen un valor de conductividad intermedio para el cual el grafeno propicia que la celda tenga la máxima absorción. En consecuencia, el grafeno, en contacto directo con estas ranuras, explota su carácter de absorbente quedando el campo electromagnético prácticamente confinado en las ranuras de las caras laterales. La figura 22 muestra la extensión del campo eléctrico en el plano XZ. La fuente puede identificarse como el origen del frente de onda circular, en el lado derecho de la figura 22. Se visualiza la reflexión y difracción de bajo nivel, lo que indica que la mayor parte de la energía existente se pierde por el efecto Joule. En este caso, el grafeno tiene una resistencia efectiva de la hoja de Rs = 75. Por tanto, esta cuarta funcionalidad de la estructura se logra aprovechando la capacidad de absorción del grafeno o de algún material similar.
Funcionalidad 5
La quinta funcionalidad de la estructura, la capacidad de concentrar ondas en un objeto, se logra aprovechando la capacidad de concentrar el haz de radiación mediante el conformado de haz o mediante el uso de lentes. En la figura 27 se representa como se concentrarían las ondas en un objeto. En ciertas realizaciones de la invención es posible combinar simultáneamente varias de las funcionalidades anteriores.
Figure imgf000036_0001
usos de la invención
En una realización particular, la ETR funcionará en comunicaciones móviles como un sistema que orientará el haz de radiación en la dirección que se encuentre el receptor. Esta función es utilizada en comunicaciones para lograr conexiones directivas a los usuarios. Así pues, la ganancia del ETR debe maximizarse en la dirección puntual deseada. El nivel de los lóbulos secundarios se reduce automáticamente a medida que se maximiza la ganancia, ya que la energía se concentra en una sola dirección. Como ejemplo, en la ETR preferida, la frecuencia de funcionamiento es de 28 GHz, una de las bandas para los enlaces de comunicaciones de 5G y con las configuraciones de la figura 20 se podría usar la ETR como sistema radiante para comunicaciones punto a punto.
En otra realización particular, la ETR funcionará en comunicaciones móviles como un sistema que orientará el haz de radiación en la dirección donde se encuentra el usuario de manera dinámica. El sistema orientará la dirección de apuntamiento hacía la posición donde este situado el usuario, cuando una entrada detecte que el usuario ha cambiado de posición el sistema le indicará a la ETR que se reconfigure para cambiar la dirección de apuntamiento de la ETR hacia la nueva posición del usuario. El comportamiento del sistema completo se dará cuando la ETR tenga que dar servicio a más de un usuario, a diferentes distancias (requiriendo diferentes ganancias en los lóbulos). Esto es de gran interés en los actuales sistemas de comunicación inalámbrica, para proporcionar una cobertura multiusuario.
En otra realización particular, la ETR funcionará en comunicaciones móviles como un sistema que dirigirá un nulo de radiación en la dirección donde se encuentre un posible atacante al sistema. La configuración de la ETR orientará el nulo de radiación hacía la posición donde esté situado el atacante, cuando una entrada detecte que el atacante ha cambiado de posición el sistema le indicará a la ETR que se reconfigure para cambiar el nulo de radiación de la ETR hacia la nueva posición del atacante. El comportamiento del sistema completo se dará cuando la ETR tenga que bloquear a más de un atacante necesitando vahos nulos en el diagrama de radiación.
En otra realización particular, la ETR irá embarcada en un vehículo en movimiento, el sistema orientará el haz buscando un objetivo móvil o fijo o cambiará la dirección de apuntamiento en función de la posición del vehículo en el que está embarcado. El sistema autoconfigurable obtendrá su posición de manera dinámica por una entrada. El sistema cambiará de manera dinámica su configuración. El comportamiento del sistema completo se dará cuando la ETR tenga que bloquear a más de un atacante necesitando vahos nulos en el diagrama de radiación y también tenga que dar servicio a vahos usuarios en diferentes posiciones.
En otra realización particular, la ETR dentro de un sistema para conseguir la invisibilidad frente a un radar. Esta ETR podrá redirigir las ondas electromagnéticas con el objetivo de confundir su posición. La configuración de la ETR responderá a las necesidades del sistema global, donde el sistema en función de diferentes entradas decidirá en cada momento si absorbe la potencia o decide cambiar la dirección en la que rebota la onda electromagnética. El sistema puede tener más de una ETR que actúen conjuntamente para rebotar las ondas en la dirección que se quiera. El comportamiento del sistema completo se dará cuando exista más de una ETR que actúen de manera coordinada frente a radar multiestático, teniendo que calcular los haces de cada ETR en función de múltiples señales incidentes. Un ejemplo gráfico de esta respuesta se puede ver en la figura 26 donde se compara el rebote normal de un avión frente a un radar multiestático con el rebote resultante de utilizando una ETR dentro del sistema.
Han surgido una gran cantidad de aplicaciones a partir de la evolución de las técnicas para obtener imágenes basadas en sistemas de RF, estos sistemas funcionan concentrando el haz de radiación como lo hace una ETR. Las técnicas de obtención de imágenes de microondas se utilizan para las inspecciones de material, de manera no destructivas sin contacto, enfocando un campo electromagnético para aumentar la sensibilidad del sensor al medir pequeñas variaciones espaciales del material características en grandes muestras o el ensayo de pequeñas muestras de material (como, por ejemplo, cuando se mide las variaciones de humedad o cuando se obtienen imágenes médicas). Otras aplicaciones se refieren al calentamiento industrial por microondas, la inspección del subsuelo, a las armas ocultas, detección de objetos extraños dentro de los medios no visibles, las comunicaciones punto a punto de corto alcance y alta tasa de datos.

Claims

36 REIVINDICACIONES
1.- Estructura tridimensional, o ET (1000), adaptada para manipular electrónicamente una onda electromagnética incidente en dicha ET (1000), que comprende:
- una pluralidad de celdas (1001) eléctricamente conductoras, donde cada una de dichas celdas (1001) comprende una o más caras laterales, y donde una o más celdas (1001) están sometidas a una diferencia de potencial eléctrico (191 , 192, 211);
- medios de reconfiguración de las celdas (1001), adaptados para modificar la intensidad, la dirección de propagación, la fase y/o la polarización de la onda electromagnética incidente en la ET (1000); donde dichos medios de reconfiguración comprenden, al menos, una o más perforaciones (2002, 2003) aplicadas en al menos una de las caras laterales de las celdas (1001); estando dicha ET (1000) caracterizada por que comprende, además, un plano de masa sobre el que se encuentran dispuestas las celdas (1000), estando las caras laterales de las celdas (1001) dispuestas de forma sustancialmente perpendicular a dicho plano de masa; y por que:
- los medios de reconfiguración están dispuestos de forma selectiva en una o más de las celdas (1001), de forma que la modificación de la intensidad, la dirección de propagación, la fase y/o la polarización de la onda electromagnética incidente se realiza de forma diferente de unas celdas (1001) a otras en la ET (1000).
2.- ET (1000) según la reivindicación anterior, donde al menos una de las celdas (1001) posee forma de prisma hueco, con una pluralidad de caras laterales que definen un polígono.
3.- ET (1000) según la reivindicación anterior, donde el polígono definido por las caras laterales de al menos una de las celdas (1001) posee forma de cuadrado o de hexágono (041 , 042).
4.- ET (1000) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los medios de reconfiguración están adaptados para modificar selectivamente la diferencia de potencial eléctrico (191 , 192, 211) aplicado a una o más celdas (1001) y/o la geometría de las perforaciones (2002, 2003) de las caras laterales de una o más de dichas celdas (1001).
5.- ET (1000) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde al menos una de las celdas (1001) comprende un actuador microelectro mecánico o un transistor; y donde los medios de reconfiguración están adaptados para regular la diferencia de potencial eléctrico aplicada en dicho actuador microelectromecánico o transistor. 37
6.- ET (1000) según cualquiera de las reivindicaciones 2-5, donde al menos una de las caras laterales de una de las celdas (1001) comprende una capa (3004, 7001) de material dispuesta sobre dicha cara lateral; y donde los medios de reconfiguración comprenden un circuito (3007) polarizador que regula la diferencia de potencial eléctrico (191 , 192, 211) aplicado a dicha capa (3004, 7001) de material.
7.- ET (1000) según la reivindicación anterior, donde la capa (3004, 7001) de material comprende grafeno, cristal líquido o un material de cambio de fase.
8.- ET (1000) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde al menos una de las perforaciones (2002, 2003) comprende una ranura cuadrangular y/o un anillo partido.
9.- ET (1000) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde al menos una de las celdas (1001) comprende un material cuya conductividad se modifica al producirse un cambio físico, químico o electromagnético en un entorno de la ET (1000).
10.- ET (1000) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde al menos una celda (1001) comprende un material dieléctrico (9001 , 9002) dispuesto en un espacio interior definido por sus caras laterales.
11.- ET (1000) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la posición tridimensional de cada celda (1001) se define a lo largo de los tres ejes espaciales, X, Y, Z, que corresponden respectivamente a la dirección de la longitud, profundidad y altura, donde al menos dos celdas (1001) están dispuestas, sustancialmente, a diferente altura a lo largo del eje Z.
12.- ET (1000) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la posición tridimensional de cada celda (1001) se define a lo largo de los tres ejes espaciales, X, Y, Z, que corresponden respectivamente a la dirección de la longitud, profundidad y altura; donde los medios de reconfiguración están adaptados para rotar una o más celdas (1001) respecto al eje Z, y/o desplazar a menos una de las celdas (1001) respecto a una posición en los ejes X, Y y/o Z.
13.- ET (1000) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, al menos uno de los siguientes elementos: una metasuperficie, un reflector o una lente.
14.- Dispositivo que comprende al menos dos ET (1000) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y donde los medios de reconfiguración comprenden un conmutador, estando adaptado dicho conmutador para reconfigurar eléctricamente al menos una de las celdas (1001) de las ET (1000) de dicho dispositivo.
15.- Uso de una ET según cualquiera de las reivindicaciones 1-13, o de un dispositivo según la reivindicación 14 para para manipular electrónicamente una onda electromagnética.
16.- Uso de una ET (1000) según cualquiera de las reivindicaciones 1-13, o de un dispositivo según la reivindicación 14 en un sistema de comunicaciones inalámbrico, en un sistema anti detección por radar, o en un sistema de cámaras de reverberación.
17.- Procedimiento para obtener imágenes de una muestra a partir de una onda de radiofrecuencia, RF, generada por un sistema de RF conectado a, al menos, una ET (1000) según cualquiera de las reivindicaciones 1-13; donde dicho procedimiento está caracterizado por que comprende la realización de los siguientes pasos: a) concentrar la onda de RF en una o varias posiciones de la muestra con la ET (1000); b) adquirir una o más imágenes en dichas posiciones de la muestra.
18.- Procedimiento según la reivindicación anterior, que comprende los pasos: c) concentrar la onda de RF en una o varias posiciones de la muestra con la ET (1000), en posiciones diferentes a las del paso a); d) adquirir una o más imágenes relativas a las posiciones de la muestra del paso c).
PCT/ES2022/070031 2021-01-25 2022-01-25 Estructura tridimensional reconfigurable para la manipulación de ondas electromagnéticas WO2022157410A1 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ESP202130052 2021-01-25
ES202130052 2021-01-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022157410A1 true WO2022157410A1 (es) 2022-07-28

Family

ID=82548550

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/ES2022/070031 WO2022157410A1 (es) 2021-01-25 2022-01-25 Estructura tridimensional reconfigurable para la manipulación de ondas electromagnéticas

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2022157410A1 (es)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116228604A (zh) * 2023-05-09 2023-06-06 国家卫星海洋应用中心 一种适用于极地区域的卫星遥感光学影像匀色方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120194399A1 (en) * 2010-10-15 2012-08-02 Adam Bily Surface scattering antennas
US20150162658A1 (en) * 2013-12-10 2015-06-11 Elwha Llc Surface scattering reflector antenna
US20200335842A1 (en) * 2019-04-18 2020-10-22 Thales Broadband polarizing screen with one or more radiofrequency polarizing cells

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120194399A1 (en) * 2010-10-15 2012-08-02 Adam Bily Surface scattering antennas
US20150162658A1 (en) * 2013-12-10 2015-06-11 Elwha Llc Surface scattering reflector antenna
US20200335842A1 (en) * 2019-04-18 2020-10-22 Thales Broadband polarizing screen with one or more radiofrequency polarizing cells

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MOLERO JIMENEZ CARLOS ET AL.: "All-Metal 3-D Frequency-Selective Surface With Versatile Dual-Band Polarization Conversion", IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, vol. 68, no. 7, 26 February 2020 (2020-02-26), pages 5431 - 5441, XP011797909, Retrieved from the Internet <URL:https://ieeexplore.ieee.org/document/9014492> [retrieved on 20220411], DOI: 110.1109/TAP.2020.2975270 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116228604A (zh) * 2023-05-09 2023-06-06 国家卫星海洋应用中心 一种适用于极地区域的卫星遥感光学影像匀色方法
CN116228604B (zh) * 2023-05-09 2023-07-21 国家卫星海洋应用中心 一种适用于极地区域的卫星遥感光学影像匀色方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Programmable coding metasurface for dual-band independent real-time beam control
US6870517B1 (en) Configurable arrays for steerable antennas and wireless network incorporating the steerable antennas
ES2851333T3 (es) Control de acoplamiento y polarización dinámica para una antena holográfica alimentada de forma cilíndrica,multicapa orientable
Zhang et al. Pattern-reconfigurable planar array antenna characterized by digital coding method
ES2856220T3 (es) Polarización dinámica y control de acoplamiento para una antena holográfica alimentada de forma cilíndrica,orientable
CN111864399B (zh) 一种双通道独立可编程超表面及其控制方法
EP3639324A1 (en) Liquid-crystal reconfigurable multi-beam phased array related applications
Luyen et al. Wideband, beam-steerable reflectarrays based on minimum-switch topology, polarization-rotating unit cells
US10833404B1 (en) Scrolling reconfigurable arrays
WO2022157410A1 (es) Estructura tridimensional reconfigurable para la manipulación de ondas electromagnéticas
Sayanskiy et al. A 2D-programmable and scalable reconfigurable intelligent surface remotely controlled via digital infrared code
Zhang et al. A low-profile microstrip vertically polarized endfire antenna with 360° beam-scanning and high beam-shaping capability
Chen et al. Microwave metalens antennas
Costantine Design, optimization and analysis of reconfigurable antennas
Kim et al. An additively manufactured deployable broadband metasurface lens antenna
CN116191047A (zh) 一种极化和散射方向图联合调控的时空编码电磁超表面
Yang et al. Reconfigurable reflectarrays and transmitarrays: From antenna designs to system applications
KR102186091B1 (ko) 적층 구조를 이용한 주파수 선택 구조
Li et al. A 2-bit Reconfigurable Metasurface with Real-Time Control for Deflection, Diffusion, and Polarization
Awan et al. Programmable Metasurface-Based Wideband Antenna for High-Gain Beam-Steering and Pattern-Reconfigurability Applications
Abraray et al. Realization of programmable chessboard mushroom-type metasurface for beamforming applications
Chaky et al. Simultaneous optimization of 1-bit 3-D coding meta-volumes for both broadband and wide field-of-view radar cross-section reduction
Qasem et al. Improved Beam Steering Method Using OAM Waves.
Baev et al. Modeling and simulations of lüneburg lens antennas for communication purposes
Li Reconfigurable antennas using frequency selective surfaces

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22742315

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 22742315

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1