Antena reflectarray de polarización dual lineal con propiedades de polarización cruzada mejoradas.

La antena reflectarray consiste en un agrupamiento plano de celdas desfasadoras iluminado por un alimentador, que produce un haz colimado o conformado en polarización dual-lineal, donde las celdas desfasadoras están formadas por parches conductores de tamaño variable con un ángulo de rotación que se ha ajustado para minimizar la polarización cruzada. En una primera implementación, los parches en los que el ángulo de incidencia es mayor que un umbral prefijado se rotan de manera que la dirección de propagación del campo incidente esté contenida en un plano de simetría de los parches. En una segunda implementación, el ángulo de rotación de los parches en cada celda se optimiza para minimizar la polarización cruzada en una banda de frecuencias prefijada. La invención puede aplicarse a antenas de polarización dual en satélites de telecomunicaciones

Antena Reflectarray de polarización dual lineal con propiedades de polarización cruzada mejoradas.

Campo de la invención

Esta invención se enmarca en los sectores de telecomunicaciones, radar y tecnología espacial. Más particularmente, la invención se relaciona con antenas reflectoras planas o curvadas denominadas "reflectarrays" que trabajan en polarización dual, en las que los elementos desfasadores se disponen con objeto de minimizar las componentes de polarización cruzada generadas por la antena.

Exposición del estado de la técnica anterior

Una antena reflectarray [D. G. Berry, R. G. Malech W. A. Kennedy, "The Reflectarray Antenna", IEEE Trans. on Antennas and Propagat., Vol. AP-11, 1963, pp.646-651] consiste en un agrupación plana de elementos radiantes con un cierto ajuste en la fase del campo reflejado para producir un haz electromagnético colimado cuando se ilumina mediante un alimentador primaria (Fig. 1). Los reflectarrays impresos utilizan parches metálicos impresos en un substrato con plano de masa para producir el ajuste requerido de la fase. Una implementación práctica del ajuste de fase en parches rectangulares consiste en conectar segmentos de línea de transmisión de diferentes longitudes a los elementos impresos [R. E. Munson, H. A. Haddad, J. W. Hanlen, "Microstrip Reflectarray for Satellite Communications and RCS Enhancement or Reduction", patente US4684952, Agosto 1987]. En esta técnica, el retardo de la onda reflejada es proporcional a la longitud de las líneas. Sin embargo, las líneas producen ciertas pérdidas óhmicas y radiación espuria cuando están dobladas que aumenta la polarización cruzada de la antena. Se han desarrollado otros conceptos para reflectarrays impresos, como el ajuste de la longitud resonante en dipolos cruzados [D.G. González, G.E. Pollon, J.F. Walker, "Microwave phasing structures for electromagnetically emulating reflective surfaces and focusing elements of selected geometry", Patente US 4905014, Feb. 1990] o parches rectangulares [D. M. Pozar and T. A. Metzler, "Analysis of a reflectarray antenna using microstrip patches of variable size", Electr. Lett. Vol. 29, No. 8, pp.657-658, Abril 1993], parches acoplados por apertura a tramos de línea [A.W. Robinson, M.E. Bialkowski, and H.J. Song, "An X-band passive reflect-array using dual-feed aperture-coupled patch antennas", Asia Pacific Microwave Conference, pp. 906-909, Dic. 1999], aperturas de diferente longitud en el plano de masa [M.R. Chaharmir, J. Shaker, M. Cuhaci, A. Sebak, "Reflectarray with variable slots on ground plane", IEE Proc.-Microw. Antennas Propag., Vol. 150, No. 6, pp. 436-439. Dic. 2003]. En principio, estas implementaciones son válidas para cualquier tipo de polarización incluyendo polarización dual lineal o circular, ajustando apropiadamente el desfasaje de las dos componentes ortogonales del campo eléctrico reflejado.

El principio de funcionamiento de los reflectarrays que emplean elementos impresos de tamaño variable se basa en el hecho de que la fase de la onda reflejada varía con la longitud resonante de los elementos. Un parche impreso es una antena resonante, de modo que su longitud debe ser aproximadamente media longitud de onda en el dieléctrico. Si se modifica la longitud del parche en el agrupamiento, la fase de la onda reflejada cambia. El control de la fase mediante variación de las dimensiones resonantes produce menores pérdidas óhmicas y niveles más bajos de polarización cruzada que los tramos de línea de diferentes longitudes unidos a los parches radiantes. Sin embargo, el rango máximo de variación de fase que puede alcanzarse está alrededor de 330º, y la variación de fase en función de la longitud es fuertemente no lineal debido al comportamiento de banda estrecha de los parches impresos, que limita el ancho de banda de trabajo en antenas reflectarray. La limitación principal en las prestaciones del reflectarray es su banda estrecha, generalmente menor que el 5% e incluso menor para reflectarrays grandes. La limitación en ancho de banda es una característica inherente de los reflectarrays, aunque en los últimos años se han realizado enormes esfuerzos para mejorar el ancho de banda.

La limitación de ancho de banda en parches de tamaño variable ha sido superada empleando dos o tres capas apiladas de agrupamientos de parches [J. A. Encinar, "Printed circuit technology multi-layer planar reflector and method for the design thereof", European Patent EP 1 120 856 A1, Junio 1999] (figura 2). Por ejemplo, un reflectarray de dos capas puede diseñarse para producir un haz colimado en la banda de 11,45-12,75 GHz (figuras 4 y 5). Se han conseguido mejoras adicionales en el ancho de banda aplicando técnicas de optimización que ajustan las dimensiones de los parches en cada capa para obtener la distribución requerida de fases en una banda de frecuencias predefinida [J. A. Encinar and J. A. Zomoza, "Broadband design of three-layer printed reflectarrays", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 51, no. 7, pp.1661-1664, Julio 2003].

En los últimos se han propuesto diferentes tipos de elementos para reflectarray con objeto de mejorar el ancho de banda del elemento en reflectarrays impresos. Se han analizado varias geometrías de parches impresos de tamaño variable con hendiduras en [M. Bozzi, S. Germani, L. Perregrini, "Performance comparison of different element shapes used in printed reflectarrays", Antennas and Wireless Propagation Letters, Volume 2, Issue 1, 2003 pp. 219-222], y se han comparado las características de desfasaje con las obtenidas mediante elementos más tradicionales (rectángulos, dipolos, y rectángulos con tramos de línea). Los parches con hendiduras tienen unas prestaciones en desfasaje ligeramente mejores que las una sola capa de parches rectangulares, pero la forma irregular produce un aumento en la polarización cruzada. También se han analizado estructuras de doble- capa mostrando unas prestaciones mejores que las configuraciones de una sola capa. Se han propuesto anillos metálicos apilados como elemento de reflectarray en [N. Misran, R. Cahill, V. Fusco, "Reflection phase response of microstrip stacked ring elements", Electronics Letters, Volume 38, Issue 8, pp. 356-357, Abril 2002], Al igual que en parches apilados rectangulares, la fase del campo reflejado se controla variando el tamaño de los anillos impresos. El ancho de banda mejora para la configuración de anillos apilados, pero los resultados no son superiores a los que pueden obtenerse con parches rectangulares apilados. Se ha propuesto otra solución para mejorar el ancho de banda utilizando dipolos multi-resonantes en una sola capa en [J.A. Encinar, A. Pedreira, "antena plana del reflector en tecnología impresa con anchura de banda mejorada y polarizaciones separadas", patente española P200401382], donde el reflectarray incorpora varios dipolos impresos paralelos en la misma celda desfasadora y en la misma capa, con objeto de conseguir una mejora de ancho de banda similar al caso de parches apilados, pero con una sola capa de parches impresos, produciendo una simplificación en el proceso de fabricación y una reducción en los costes de fabricación. Las dimensiones de los dipolos paralelos se optimizan para mejorar el ancho de banda de forma similar a como se hace en los parches apilados. En dicha patente también se ha propuesto un reflectarray para polarización dual, que incluye otro agrupamiento de dipolos paralelos impresos en la cara opuesta del substrato (cada inferior en Fig. 3), situados perpendicularmente a los de la cara superior y colocados a cierta distancia del plano de masa conductor. El desfasaje se ajusta independientemente para cada polarización variando la longitud de los dipolos impresos en cada lado, dando lugar a un bajo nivel de acoplo entre polarizaciones, aunque la polarización cruzada residual puede no cumplir las rigurosas especificaciones de polarización cruzada exigidas en antenas de espacio para telecomunicaciones.

Una aplicación importante de los reflectarrays es su uso como reflectores de polarización dual para reutilización de frecuencias. En un satélite de comunicaciones, se transmiten y reciben señales independientes en polarizaciones ortogonales usando las mismas bandas de frecuencia. Aunque las dos polarizaciones ortogonales pueden ser circulares, a derechas y a izquierdas, el caso más común es utilizar dos polarizaciones lineales, designadas como vertical y horizontal. La reutilización de frecuencias requiere un aislamiento muy alto entre las polarizaciones. Se ha patentado una antena reflectarray que actúa como reflector de polarización dual para reutilización de frecuencias [J. R. Profera, E. Charles, "Reflectarray Antenna for Communication Satellite Frequency Re-use Applications",...

1. Antena reflectarray de polarización dual lineal con propiedades de polarización cruzada mejoradas, que comprende un reflectarray (1) y un alimentador primario (2) configurado para iluminar un agrupamiento de celdas desfasadoras (3) del reflectarray (1), cada celda desfasadora (3) comprendiendo al menos una capa de dieléctrico (6,8; 13; 19,20) y un plano conductor (9,17), disponiendo cada capa de dieléctrico (6,8; 13; 19,20) de al menos un elemento conductor (5,7; 10,11,12; 14,15,16) impreso en su superficie, el tamaño de cada elemento conductor de cada celda desfasadora (3) estando determinado para producir un haz de radiación previamente definido, caracterizada en que cada elemento conductor de cada celda desfasadora (3) se dispone en una orientación previamente calculada con respecto a la celda desfasadora (3) para reducir el efecto de polarización cruzada, dependiendo dicha orientación de la celda desfasadora (3) considerada.

2. Antena reflectarray de polarización dual lineal según la reivindicación 1, en la que se considera un sistema de coordenadas del reflectarray (X_R, Y_R, Z_R), siendo el eje Z_R perpendicular al reflectarray (1), considerándose también en cada celda desfasadora i (3) un sistema local de coordenadas (X_Ri, Y_Ri, Z_Ri) centrado en la celda y paralelo al sistema de coordenadas del reflectarray (X_R, Y_R, Z_R), caracterizada en que el al menos un elemento conductor de cada capa de dieléctrico (6,8) de cada celda desfasadora i (3) comprende un parche conductor (5,7) cuyos ejes de simetría (X_Pi, Y_Pi) forman un ángulo calculado previamente a_i con respecto a los ejes correspondientes (X_Ri, Y_Ri) del sistema de coordenadas local (X_Ri, Y_Ri, Z_Ri), dependiendo dicho ángulo a_i de la celda desfasadora (3) considerada.

3. Antena reflectarray de polarización dual lineal según la reivindicación 2, caracterizada porque los parches conductores (5,7) del reflectarray (1) tienen una de las formas siguientes: rectangular, cuadrada, cruciforme, elíptica, poligonal.

4. Antena reflectarray de polarización dual lineal según cualquiera de las reivindicacións 2-3, caracterizada en que para cada celda desfasadora i (3) el ángulo a_i se elige tal que la dirección de propagación del campo incidente en dicha celda desfasadora i (3) proveniente del alimentador (2) está contenida en un plano de simetría del parche conductor (5,7) de cada capa de dieléctrico (6,8) de la celda desfasadora i (3).

5. Antena reflectarray de polarización dual lineal según la reivindicación 1, en la que se considera un sistema de coordenadas del reflectarray (X_R, Y_R, Z_R), siendo el eje Z_R perpendicular al reflectarray (1), considerándose también en cada celda desfasadora i (3) un sistema local de coordenadas (X_Ri, Y_Ri, Z_Ri) centrado en la celda y paralelo al sistema de coordenadas del reflectarray (X_R, Y_R, Z_R), caracterizada porque el al menos un elemento conductor de cada capa de dieléctrico (13) de cada celda desfasadora i (3) comprende un primer conjunto de dipolos conductores paralelos (10,11,12) impresos en un lado de la capa de dieléctrico (13) y un segundo conjunto de dipolos conductores paralelos (14,15,16) impresos en el lado opuesto de la capa de dieléctrico (13), comprendiendo la celda desfasadora i (3) al menos una capa adicional de dieléctrico (18) para separar la al menos una capa de dieléctrico (13) del plano conductor (17),

y porque el primer conjunto de dipolos conductores paralelos (10,11,12) está orientado tal que su eje asociado Y_Di, paralelo al primer conjunto de dipolos (10,11,12), forma un ángulo calculado previamente a_yi con respecto al eje correspondiente (Y_Ri) del sistema local de coordenadas (X_Ri, Y_Ri, Z_Ri), y el segundo conjunto de dipolos conductores paralelos (14,15,16) está orientado tal que su eje asociado (X_Di), paralelo al segundo conjunto de dipolos (14,15,16), forma un ángulo calculado previamente a_xi con respecto al eje correspondiente (X_Ri) del sistema local de coordenadas (X_Ri, Y_Ri, Z_Ri), dependiendo dichos ángulos a_yi y a_xi de la celda desfasadora (3) considerada.

6. Antena reflectarray de polarización dual lineal según la reivindicación 1, en la que se considera un sistema de coordenadas del reflectarray (X_R, Y_R, Z_R), siendo el eje Z_R perpendicular al reflectarray (1), considerándose también en cada celda desfasadora i (3) un sistema local de coordenadas (X_Ri, Y_Ri, Z_Ri) centrado en la celda y paralelo al sistema de coordenadas del reflectarray (X_R, Y_R, Z_R), caracterizada porque cada celda desfasadora i (3) comprende al menos un par de capas de dieléctrico (19,20) con un primer conjunto de dipolos conductores paralelos (10,11,12) impresos en un lado de una capa de dieléctrico (19) y un segundo conjunto de dipolos conductores paralelos (14,15,16) impresos en la otra capa de dieléctrico (20),

y porque el primer conjunto de dipolos conductores paralelos (10,11,12) está orientado tal que su eje asociado Y_Di, paralelo al primer conjunto de dipolos (10,11,12), forma un ángulo calculado previamente a_yi con respecto al eje correspondiente (Y_Ri) del sistema local de coordenadas (X_Ri, Y_Ri, Z_Ri), y el segundo conjunto de dipolos conductores paralelos (14,15,16) está orientado tal que su eje asociado (X_Di), paralelo al segundo conjunto de dipolos (14,15,16), forma un ángulo calculado previamente a_xi con respecto al eje correspondiente (X_Ri) del sistema local de coordenadas (X_Ri, Y_Ri, Z_Ri), dependiendo dichos ángulos a_yi y a_xi de la celda desfasadora (3) considerada.

7. Antena reflectarray de polarización dual lineal según cualquiera de reivindicaciones 5-6, caracterizada en que para cada celda desfasadora i (3) el ángulo a_yi es elegido tal que el eje Y_Di que define la dirección del primer conjunto de dipolos conductores (10, 11, 12) está contenido en el plano de incidencia del campo que incide en dicha celda desfasadora i (3) proveniente del alimentador (2), y el ángulo a_xi es elegido tal que el eje X_Di que define la dirección del segundo conjunto de dipolos conductores (14,15,16) es perpendicular al plano de incidencia del campo que incide en dicha celda desfasadora i (3) proveniente del alimentador (2).

8. Antena reflectarray de polarización dual lineal según cualquiera de las reivindicaciones 2-3, 5-6, caracterizada en que las dimensiones de cada elemento conductor de cada celda desfasadora i (3) son elegidas tal que haya un desfasaje de 180 grados entre las dos componentes del campo eléctrico reflejado paralelo a los ejes asociados a los elementos conductores (X_Pi, Y_Pi; X_Di, Y_Di) y donde la orientación de cada elemento conductor de cada celda desfasadora i (3) es tal que la polarización cruzada total producida por proyecciones geométricas y por acoplo en la celda desfasadora está minimizada en una banda de frecuencia prefijada para las dos polarizaciones lineales.

9. Antena reflectarray de polarización dual lineal según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las celdas desfasadoras (3) están dispuestas en una de las siguientes disposiciones: una retícula rectangular, una retícula cuadrada, una retícula triangular, una retícula hexagonal, una agrupación no-periódica, una agrupación dispersa.

10. Antena reflectarray de polarización dual lineal según cualquiera de reivindicaciones precedentes, en la que se considera un sistema de coordenadas del reflectarray (X_R, Y_R, Z_R), siendo el eje Z_R perpendicular al reflectarray (1), considerándose también en cada celda desfasadora i (3) un sistema local de coordenadas (X_Ri, Y_Ri, Z_Ri) centrado en la celda y paralelo al sistema de coordenadas del reflectarray (X_R, Y_R, Z_R), caracterizada en que la orientación de cada elemento conductor de las celdas desfasadoras (3) en las que el ángulo de incidencia (?_i) del campo proveniente del alimentador (2) con respecto al eje Z_R es menor que un ángulo umbral predeterminado ?_t, es elegida tal que los ejes asociados al elemento conductor correspondiente (X_Pi, Y_Pi; X_Di, Y_Di) son paralelos a los ejes correspondientes (X_R, Y_R) del sistema de coordenadas del reflectarray (X_R, Y_R, Z_R).

11. Método para obtener una antena reflectarray con características mejoradas de polarización cruzada, comprendiendo dicho método:

definir un reflectarray (1) y un alimentador primario (2) configurado para iluminar un agrupamiento de celdas desfasadoras (3) del reflectarray (1), comprendiendo cada celda desfasadora (3) al menos una capa de dieléctrico (6,8; 13; 19,20) y un plano conductor (9,17), disponiendo cada capa de dieléctrico (6,8; 13; 19,20) de al menos un elemento conductor (5,7; 10,11,12; 14,15,16) impreso en su superficie, el tamaño de cada elemento conductor de cada celda desfasadora (3) estando determinado para producir un haz de radiación previamente definido; caracterizado en que el método además comprende:

calcular, para cada elemento conductor de cada celda desfasadora (3), una orientación con respecto a la celda desfasadora (3) para reducir el efecto de polarización cruzada, dependiendo dicha orientación de la celda desfasadora (3) considerada;

disponer cada elemento conductor de cada celda desfasadora (3) en la orientación previamente calculada.

12. Método según la reivindicación 11, caracterizado en que la orientación de cada elemento conductor de cada celda desfasadora (3) está calculada de manera que la dirección de propagación del campo incidente en dicha celda desfasadora i (3) proveniente del alimentador (2) esté contenida en un plano de simetría de dicho elemento conductor.

13. Método según la reivindicación 11, caracterizado en que el cálculo de la orientación de cada elemento conductor comprende minimizar, usando una rutina de optimización, la polarización cruzada total producida por proyecciones geométricas y por acoplo en el elemento desfasador, en una banda de frecuencias prefijada y para las dos polarizaciones lineales.

14. Método según la reivindicación 11, considerando un sistema de coordenadas del reflectarray (X_R, Y_R, Z_R), siendo el eje Z_R perpendicular al reflectarray (1), considerando también en cada celda desfasadora i (3) un sistema local de coordenadas (X_Ri, Y_Ri, Z_Ri) centrado en la celda y paralelo al sistema de coordenadas del reflectarray (X_R, Y_R, Z_R);

caracterizado en que el cálculo la orientación de cada elemento conductor comprende:

calcular las dimensiones de cada elemento conductor de cada celda desfasadora (3) tal que haya un desfasaje de 180 grados entre las dos componentes del campo eléctrico reflejado paralelo a los ejes asociados a los elementos conductores (X_Pi, Y_Pi; X_Di, Y_Di);

minimizar, usando una rutina de optimización, la polarización cruzada total producida por proyecciones geométricas y por acoplo en el elemento desfasador, en una banda de frecuencias prefijada y para las dos polarizaciones lineales.

15. Método según cualquiera de las reivindicaciones 11-14, considerando un sistema de coordenadas del reflectarray (X_R, Y_R, Z_R), siendo el eje Z_R perpendicular al reflectarray (1), considerando también en cada celda desfasadora i (3) un sistema local de coordenadas (X_Ri, Y_Ri, Z_Ri) centrado en la celda y paralelo al sistema de coordenadas del reflectarray (X_R, Y_R, Z_R), caracterizado por comprender además los siguientes pasos:

definir un ángulo umbral ?_t, tal que la polarización cruzada producida por aquellas celdas desfasadoras (3) en las que el ángulo de incidencia con respecto al eje Z_R es menor que el ángulo umbral ?_t, sea menor que un nivel prefijado para las dos polarizaciones ortogonales;

disponer cada elemento conductor en aquellas celdas desfasadoras (3) donde el ángulo de incidencia (?_i) del campo que proviene del alimentador (2) con respecto al eje Z_R sea menor que dicho ángulo umbral ?_t tal que los ejes asociados al elemento conductor correspondiente (X_Pi, Y_Pi; X_Di, Y_Di) sean paralelos a los ejes correspondientes (X_R, Y_R) del sistema de coordenadas del reflectarray (X_R, Y_R, Z_R).