Sistema de antena tipo reflectarray.

El reflectarray comprende una pluralidad de celdas integradas en una PCB (1) e iluminadas externamente mediante una señal de entrada (3) a partir de una fuente de alimentación (2) a una frecuencia fi,

y se refleja una señal de salida (4). Cada celda del reflectarray es una AIA formada por un elemento radiante pasivo conectado a un circuito activo, que puede ser o bien un oscilador, o bien un oscilador en contrafase paralelo o un SOM. El circuito radiante pasivo se coloca sobre una superficie reflectora que forma un lado (1A) del reflectarray y el circuito activo se coloca sobre el lado opuesto (1B). El circuito activo produce una señal de salida con una frecuencia relacionada con la frecuencia de entrada fi y la frecuencia de oscilación f{OSC} de dicho circuito activo. Esta relación de fase se determina por una variación de fase de salida, que se controla mediante medios electrónicos integrados en el sistema de reflectarray, que permite un intervalo de variación de fase de salida incluso superior a 180º.

SISTEMA DE ANTENA TIPO REFLECTARRAY

CAMPO DE LA INVENCiÓN

La presente invención se refiere al campo de las antenas tipo reflectarray (del inglés reflectíve array, reflectarray) y de forma más particular, trata de un reflectarray reconfigurable basándose en antenas integradas activas (AlA) y proporciona la capacidad de controlar electrónicamente la fase de su onda reflejada.

ESTADO DE LA TÉCNICA

El principio de operación de una antena tipo reflectarray (también denominada indistintamente a lo largo del presente documento simplemente como reflectarray) consiste en diseñar un haz directivo sintetizando adecuadamente la fase de onda reflejada a partir de una red de irradiadores de antena que forman una superficie reflectora iluminada por una antena de alimentación ["The reflectarray antenna", D. Berr y , R. Malech, y W. Kennedy, IEEE Transactíons on Antennas and Propagatíon, vol. 11, n.º 6, páginas 645 -651, 1963]. En una topología de reflector parabólica, una forma de onda plana se crea cuando la antena de alimentación se coloca en su punto focal puesto que todas las trayectorias de propagación de las ondas de iluminación que alcanzan la superficie reflectora son iguales. Esto no se mantiene en el caso de la superficie reflectora plana, o (en general) conforme, usada en la configuración de reflectarray. Por tanto, se requiere un diseño cuidadoso de la onda reflectora a partir de cada elemento, con el fin de compensar las diferencias en las trayectorias de fase.

Con el fin de producir los valores de fase de reflexión requeridos para dirección principal fija del haz, se han propuesto diferentes procedimientos en la bibliografía especializada. Éstos incluyen, por ejemplo, el uso de elementos impresos de diferente tamaño, o usar elementos idénticos con varillas unidas de longitud variable. Ambas técnicas esencialmente conducen a controlar la fase de reflexión modificando la frecuencia de resonancia del elemento radiante ["Design of millimeter wave microstrip reflectarrays" D. Pozar, S. Targonski y H. Syrigos, IEEE Transactíons on Antennas and Propagatíon, vol. 45, n. º 2, páginas 287 296, febrero de 1997].

La demanda de redes de antenas reflectoras reconfigurables ha aumentado en los últimos años debido al hecho de que combinan propiedades atractivas que provienen tanto de antenas reflectoras (tales como una entrada de radiación de baja pérdida de la red de alimentación) como de antenas de red (tal como barrido de haz electrónico y bajo coste) .

Adicionalmente, las redes reflectoras pueden adaptarse a la forma de su superficie de soporte, lo que las hace más adecuadas que las antenas reflectoras para muchas aplicaciones.

Una de las principales aplicaciones de las redes reflectoras es en comunicaciones por satélite. Los requisitos de aplicación espacial apuntan a alto rendimiento, y volumen y coste bajos. Las redes reflectoras reconfigurables tienen una aplicación natural en situaciones de recuperación frente a fallos, en las que una antena sobrante puede reconfigurarse para sustituir a otra que funciona defectuosamente. Las aplicaciones espaciales requieren una alineación precisa entre el satélite y el terminal debido al movimiento relativo entre ellos. Las redes reflectoras reconfigurables permiten una realineación sencilla de estos sistemas. Además, las redes reflectoras con capacidades de barrido por haz se consideran para su uso en terminales de satélite terrestres. Recientemente, las redes de antenas reflectoras se han propuesto también para aplicaciones de Red de Distribución Multipunto Local (LMDS) ["Demonstration of a Shaped Beam Reflectarray Using Aperture-Coupled Delay Lines for LMDS Central Station Antenna", E. Carrasco, IEEE Transactíons on Antennas and Propagatíon, vol. 56, nº. 10, páginas 3103 -3111, octubre de 2008].

Queda trabajo por hacer hacia la implementación de arquitecturas que muestren propiedades reconfigurables tales como barrido de haz electrónico. Se han propuesto técnicas alternativas para obtener características reconfigurables, usando: mezcladores de diodo, diodos varactor, películas delgadas ferroeléctricas, cristal líquido, semiconductor controlado de forma fotónica y Sistemas-Micro-Electro-Mecánicos (MEMS) . Otro enfoque para controlar la dirección del haz es introducir mecánicamente rotaciones en las antenas de tipo parche que forman la red ["A Ka-band microstrip reflectarray with elements having variable rotation angles", J. Huang y R. Pogorzelski, IEEE Transactíons on Antennas and Propagatíon, vol. 46, n. º 5, páginas 650 -656, mayo de 1998.].

Las redes de antena no lineales basadas en antenas integradas activas (AlA) se conocen y tienen propiedades atractivas diversas tales como tamaño compacto, bajo coste, y peso ligero. Una AlA consiste en un elemento radiante pasivo y un circuito activo, integrados en el mismo sustrato ["Active integrated antennas", J. Lin y T. Itoh, IEEE Transactíons on Mícrowave Theor y and Techníques, vol. 42, n. º 12, páginas 2186 -2194, diciembre de 1994].

En las AlA de oscilador, un elemento radiante, tal como una antena de tipo parche, actúa como una carga y como un resonador para un elemento activo adecuadamente polarizado para proporcionar una resistencia negativa necesaria para producir una oscilación. En las AlA de mezclador de autooscilación (SOM, del inglés, Self-Oscillating Mixer) , el dispositivo activo se polariza de modo que funciona como un oscilador y un mezclador al mismo tiempo. Las AlA de SOM y oscilador acoplados entre sí forman redes de AlA que se han usado en combinación de potencia, y redes en fase.

Se conocen también los osciladores en contrafase paralelo ["Push-push oscillator with simplified circuit structure" X. Hai, T. Tanaka y M. Aikawa, Electronícs Letters, vol. 38, n. º 24, páginas 1545 -1547, 2002]. Un oscilador en contrafase paralelo (en inglés, push-push oscillator) consiste en una red de dos osciladores acoplados de modo que oscilan fuera de fase (modo diferencial) . Si se selecciona el puerto de salida del oscilador apropiadamente, la componente fundamental se anula, y las segundas componentes armónicas se suman. Como resultado, tales topologías se usan habitualmente para generación de alta frecuencia.

También se conoce que cuando un oscilador se sincroniza por inyección con una fuente externa y se produce la sincronización, se establece una relación de fase fija entre la fase de la fuente externa y la fase del oscilador. Esta relación de fase está relacionada directamente con la diferencia entre la frecuencia de la fuente externa y la frecuencia de libre funcionamiento del oscilador. Si el oscilador tiene un parámetro de control que permite cambiar su frecuencia de libre funcionamiento (tal como la polarización de CC de un diodo varactor) , la relación de fase entre la fuente de inyección y el oscilador puede también variarse. En una configuración de red, las fases relativas de las salidas irradiadas de las AlA finalmente definen la dirección principal del haz de la red y, generalmente, la forma del patrón de radiación.

La teoría de los osciladores sincronizados por inyección ["Injection locking of microwave solid-state oscillators" K. Kurokawa, Actas del IEEE, vol. 61, n.º 10, páginas 1386 -1410, octubre de 1973], muestra que al inyectar al oscilador a su frecuencia fundamental y observar la fase de salida en el N-ésimo armónico, la fase de salida puede variarse en aproximadamente N*180º (intervalo estable) en relación a la fase de la señal de inyección ["Active phased array antenna radiating second harmonic output wave", M. Sanagi et al., Electronics and Communicatíons in Japan (Parte 11: Electrónica) , vol. 89, n.º 4, páginas 39 -50, marzo de 2006].

Una AlA de oscilador que forma la celda básica de una antena tipo reflectarray y que irradia en el armónico fundamental se propone en "A Microstrip patch antenna oscillator for reflectarray application" por L. Boccia, G. Amendola, y G. di Massa, Actas del IEEE AP-S Internatíonal Symposium 2004, páginas 3927 3930, 2004. Una vez que el oscilador de AlA está sincronizado con la fuente de iluminación del reflectarray, se establece una diferencia de fase fija entre ellos. La diferencia de fase entre el oscilador y la fuente de inyección puede ajustarse de forma continua variando la frecuencia de libre funcionamiento del oscilador mediante un parámetro de control. Pero, obsérvese que la AlA de oscilador propuesta por L. Boccia et al. está afectada por el margen de estabilidad asociado con osciladores sincronizados a la frecuencia fundamental, lo que limita el intervalo de...

1. Sistema de antena tipo reflectarray que comprende una pluralidad de celdas, siendo cada celda una antena integrada activa, que está formada por un circuito radiante pasivo (23, 33, 43) conectado a un circuito activo, -iluminándose el circuito radiante pasivo (23, 33, 43) mediante una fuente de alimentación (2) que irradia a una frecuencia de entrada fi, -comprendiendo el circuito activo un elemento de oscilación (24, 34, 44) con una frecuencia de oscilación fose, Y estando sincronizados todos los elementos de oscilación (24, 34, 44) de cada celda del reflectarray entre ellos y produciendo una señal de salida (4) con una frecuencia relacionada con la frecuencia de entrada fi de una señal de entrada (3) y la frecuencia de oscilación fose por una variación de fase de salida, estando el sistema de antena tipo reflectarray caracterizado por comprender además medios electrónicos para ajustar la variación de fase de salida.

2. Sistema de antena tipo reflectarray según la reivindicación 1, en el que el elemento de oscilación (24) es un oscilador que oscila a una frecuencia fundamental fa = fose Y todos los osciladores (24) están sincronizados externamente por la fuente de alimentación (2) , y acoplados entre ellos mediante una red de acoplamiento (27) a la frecuencia fundamental fa = fi.

3. Sistemas de antena tipo reflectarray según la reivindicación 2, en los que la fase de la señal de entrada (3) que llega a cada uno de los osciladores se controla mediante una línea de retardo en un puerto de entrada de los osciladores, teniendo la línea de retardo dos retardos diferentes que difieren 180º y que se seleccionan mediante un mecanismo de conmutación (28) .

4. Sistema de antena tipo reflectarray según la reivindicación 3, en el que la frecuencia de la señal de salida (4) del sistema es la frecuencia fundamental fa de los osciladores.

5. Sistema de antena tipo reflectarray según la reivindicación 4, en el que los medios electrónicos ajustan la variación de fase de salida a la frecuencia fundamental fa en un intervalo de 180º, seleccionando el retardo de la línea de retardo en el puerto de entrada de cada oscilador.

6. Sistema de antena tipo reflectarray según la reivindicación 1, en el que el elemento de oscilación (24) es un circuito de oscilador en contrafase paralelo que oscila a una frecuencia fundamental fa = fose Y todos los osciladores en contrafase paralelo están sincronizados externamente por la fuente de alimentación (2) y acoplados entre ellos mediante una red de acoplamiento (27) a la frecuencia fundamental fa = fi.

7. Sistema de antena tipo reflectarray según la reivindicación 6, en el que la frecuencia de la señal de salida (4) del sistema es dos veces la frecuencia fundamental fa.

8. Sistema de antena tipo reflectarray según la reivindicación 7, en el que la fase de la señal de entrada (3) que llega a cada uno de los elementos de oscilador se controla seleccionando, mediante un mecanismo de conmutación (28) , una línea de retardo a partir de dos líneas de retardo diferentes en un puerto de entrada del circuito de oscilador en contrafase paralelo.

9. Sistema de antena tipo reflectarray según la reivindicación 8, en el que los medios electrónicos ajustan la variación de fase de salida a la frecuencia fundamental fa en un intervalo de 360º, seleccionando la línea de retardo en el puerto de entrada de cada circuito de oscilador en contrafase paralelo.

10. Sistema de antena tipo reflectarray según la reivindicación 1, en el que el elemento de oscilación (34, 44) es un mezclador de autooscilación con una frecuencia fundamental fose Y todos los mezcladores de autooscilación se iluminan por la fuente de alimentación (2) a la frecuencia de entrada fi mezclada con una de las componentes armónicas N*fose, siendo N~2, de la frecuencia fundamental fose del mezclador de autooscilación.

11. Sistema de antena tipo reflectarray según la reivindicación 10, en el que la frecuencia de la señal de salida (4) del sistema es N*fose±fi.

12. Sistema de antena tipo reflectarray según la reivindicación 11, en el que los medios electrónicos ajustan la variación de fase de salida a la frecuencia N*fose±fi en un intervalo de N*360º.

13. Sistema de antena tipo reflectarray según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en el que el mezclador de autooscilación se acopla a su vecino más próximo mediante una red de acoplamiento (36, 46) a la frecuencia fundamental fose.

14. Sistema de antena tipo reflectarray según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una línea de transmisión de compensación de fase entre un punto de conexión al circuito radiante pasivo y un punto de salida del circuito activo.

S 15. Sistema de antena tipo reflectarray según la reivindicación 14, en el que la línea de transmisión tiene una longitud para compensar desequilibrios de fase entre los diferentes elementos activos debido a su posición relativa con respecto a la fuente de alimentación (2) .

16. Sistema de antena tipo reflectarray según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios electrónicos comprenden al menos un dispositivo de desplazamiento de fase que varía la frecuencia de oscilación fose del circuito activo.

17. Sistema de antena tipo reflectarray según la reivindicación 16, en el que el dispositivo de desplazamiento de fase es un diodo varactor.