Antena reflectarray de haz reconfigurable para frecuencias en los rangos de terahercios y de ondas milimétricas.

Antena reflectarray de haz reconfigurable para frecuencias en los rangos de terahercios y de ondas milimétricas.

La antena reflectarray consiste en un agrupamiento plano de celdas desfasadoras (reflectarray) iluminado por un alimentador, que produce un haz colimado o conformado reconfigurable electrónicamente, donde las celdas desfasadoras (3.b) están formadas por varias capas apiladas de elementos conductores (4c,4e,4d,4f) sobre un substrato dieléctrico (7c,7d) alternadas con capas de cristal líquido (5c,5d) y un plano conductor (9). Aplicando tensiones de polarización en los elementos conductores se varía la constante dieléctrica del cristal líquido produciendo un cambio de fase del campo reflejado en cada celda desfasadora, lo que permite realizar un barrido o reconfiguración electrónica del haz. Al incluir varias capas de elementos conductores y de cristal líquido se mejora el ancho de banda y las prestaciones de barrido o reconfiguración del haz. La antena puede aplicarse para satélites de observación, comunicaciones y sistemas de seguridad.

Antena reflectarray de haz reconfigurable para frecuencias en los rangos de terahercios y de ondas milimetricas

Campo de la invencion

Esta invencion se enmarca en los sectores de telecomunicaciones, radar, tecnologia espacial y seguridad. Mas particularmente, la invencion se relaciona con las denominadas antenas "reflectarray" que pueden realizar mediante control electronico un barrido o reconfiguracion del haz, en las que los elementos desfasadores estan formados por varias capas de parches conductores sobre cristal liquido con un control independiente de las tensiones de polarizacion.

Exposicion del estado de la tecnica anterior

Una antena reflectarray [D. G. Berr y , 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 agrupacion plana de elementos radiantes con un cierto ajuste en la fase del campo reflejado para producir un haz electromagnetico colimado cuando se ilumina mediante un alimentador primario. Los reflectarrays impresos utilizan parches metalicos impresos en un substrato con plano de masa para producir el ajuste requerido de la fase. Una implementacion practica del ajuste de fase consiste en ajustar la longitud resonante en dipolos impresos [D.G. Gonzalez, G.E. Pollon, J.F. Walker, "Microwave phasing structures for electromagnetically emulating reflective surfaces and focusing elements of selected geometr y ", patente US4905014, Feb. 1990] o en 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]. En principio, estas implementaciones son validas para cualquier tipo de polarizacion incluyendo polarizacion dual lineal o circular, ajustando apropiadamente el desfasaje de las dos componentes ortogonales del campo electrico reflejado.

El principio de funcionamiento de los reflectarrays que emplean elementos impresos de tamano variable se basa en el hecho de que la fase de la onda reflejada varia con las dimensiones de los elementos conductores impresos. Un parche impreso es una antena resonante, de modo que su longitud debe ser aproximadamente media longitud de onda en el dielectrico. Si se modifica la longitud del parche en el agrupamiento, la fase de la onda reflejada cambia.

El control de la fase mediante variacion de las dimensiones resonantes produce menores perdidas ohmicas y niveles mas bajos de polarizacion cruzada que otras tecnicas tales como la utilizacion de tramos de linea de diferentes longitudes unidos a los parches radiantes [R. E. Munson, H. A. Haddad, J. W. Hanlen, 'Microstrip Reflectarray for Satellite Communications and RCS Enhancement or Reduction ", patente US4684952, Agosto 1987]. Sin embargo, el rango maximo de variacion de fase que puede alcanzarse esta alrededor de 330°, y la variacion de fase en funcion 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 limitacion principal en las prestaciones del reflectarray es su banda estrecha, generalmente menor que el 5% o incluso menor para reflectarrays grandes, aunque en los ultimos anos se han realizado enormes esfuerzos para mejorar el ancho de banda. Para parches de tamano variable, dicha limitacion 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", documento de patente EP1120856-A1, Junio 1999]. Tambien se ha propuesto otra solucion 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 tecnologia impresa con anchura de banda mejorada y polarizaciones separadas", patente espanola 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 simplificacion en el proceso de fabricacion y una reduccion en los costes de fabricacion.

Se han propuesto varias configuraciones de antenas reflectarrays que proporcionan capacidad de reconfiguracion del haz mediante el control de las fases en cada uno de los elementos a traves de dispositivos cuyo objetivo es variar las caracteristicas fisicas de los mismos (dimensiones, permitividades, etc.) , y por ende, sus caracteristicas de reflexion, por medio de la conmutacion entre diferentes estados posibles sintetizados a partir de ciertas senales de control (tension, corriente, flujo de luz, etc.) . A continuacion se detallan cada una de las configuraciones de antenas reflectarray reconfigurables mas relevantes.

En la patente US6081234-A [J. Huang, R. Pogorzelski, "Beam scanning reflectarray antenna with circular polarization", 11/07/1997] se propuso una antena reflectarray para barrido electronico valida unicamente para polarizacion circular, en la que el control de fase en cada elemento del reflectarray se realiza mediante rotacion de los elementos empleando micromotores. Esta tecnologia presenta varios inconvenientes como son el empleo de un motor asociado a cada elemento, en antenas que pueden tener varios miles de elementos; funcionamiento en una banda estrecha de frecuencias; y operacion unicamente en polarizacion circular, no si endo valida para aplicaciones de polarizacion lineal.

En la patente US6351240-B1 [K. Karimullah, J. Song, "Circularly polarized reflectarray using 2-bit phase shifter having initial phase perturbation", 25/02/2000] se propuso una antena reflectarray para barrido electronico empleando elementos desfasadores unicamente validos para polarizacion circular. En este caso se utilizan parches conductores circulares con conmutadores basados en diodos PIN para conectar los extremos de los parches en ciertos angulos predefinidos; en particular se conmuta entre cuatro estados (2 bits) . Esta patente resuelve los problemas asociados a la utilizacion d e un numero m uy e levado de m otores, pero si gue pr esentando l as limitaciones de a ncho de b anda, restriccion en polarizacion circular, y errores de fase asociados a un numero de estados limitado a 4 (2 bits) .

En la patente US6081235-A [R. Romanofsky, F. Miranda, "High resolution scanning reflectarray antenna", 30/04/1998] se propuso una antena reflectarray para barrido electronico de alta resolucion, con aplicaciones en antenas de comunicaciones por satelite, como alternativa a antenas reflectoras de barrido mecanico, que mejoran algunas de las limitaciones de las patentes mencionadas anteriormente. El barrido electronico en dicha antena se realiza variando la fase en cada elemento del reflectarray con desfasadores basados en materiales ferro-electricos, en los que el desfasaje se controla con una tension de polarizacion. Esta tecnologia presenta varias limitaciones como son que las tensiones de polarizacion para los materiales ferroelectricos deben ser muy elevadas (centenares de voltios) ; ademas el elemento del reflectarray se basa en un parche cuadrado que opera en una banda muy estrecha de frecuencias. Otra alternativa para el control de las fases en reflectarrays es la planteada en la patente [M. Cuhaci, J. Shaker, M.R. Chaharmir, A.R. Sebak, "Antenna with variable phase shift", Patent US6774851 (B1) , 27/09/2002.], donde se propone una antena reflectarray para barrido electronico en la que el cambio de fase del campo reflejado por parches conductores grabados sobre un substrato con plano de masa, se consigue mediante la variacion de la longitud de una ranura que actua como carga inductiva, realizadas en el plano de masa debajo de cada parche conductor. Dicha variacion se logra mediante el empleo de una capaadicional semiconductora, excitada por una senal optica que genera plasmaen las zonas de exposicion. La cantidad de plasma generado en la ranura, que depende de la intensidad de la senal optica incidente, es la que permite la variacion de su longitud, y por tanto, la variacion en la fase del campo reflejado. Este sistema presenta las ventajas que ofrece el empleo de senales opticas de control, como son su respuesta rapida, el enorme aislamiento que ofrece entre el control y el sistema controlado, su inmunidad a las interferencias externas, etc. Sin embargo, sigue presentando limitaciones de ancho de banda y de estabilidad en la fase, al tener esta una fuerte dependencia no lineal con la longitud de la apertura.

Tambien se han empleado los elementos microelectromecanicos,...

1. Antena reflectarray de haz reconfigurable para frecuencias en los rangos de terahercios y de ondas milimetricas, que comprende:

- un reflectarray (1) que dispone de un agrupamiento de celdas desfasadoras (3a; 3b; 3c) dispuestas en una reticula plana, cada celda desfasadora (3a; 3b; 3c) comprendiendo:

• una primera capa de cristal liquido (5b; 5d; 5f) ;

• una primera capa de dielectrico (7b; 7d; 7f) con al menos un elemento conductor (4b; 4d, 4f; 4j, 4k, 4l) impreso en la superficie de su cara inferior, la cual esta enfrentada a la cara superior de la primera capa de cristal liquido (5b; 5d; 5f) ;

• por cada elemento conductor (4b; 4d, 4f; 4j, 4k, 4l) de dicha primera capa de dielectrico (7b; 7d; 7f) , una linea resistiva (10) conectada al correspondiente elemento conductor para la aplicacion de una tension de polarizacion de la primera capa de cristal liquido (5b; 5d; 5f) ;

• un plano conductor (9) enfrentado a la cara inferior de la primera capa de cristal liquido (5b; 5d; 5f) soportado por un substrato (17) que actua como soporte rigido;

• dos capas finas de alineamiento (6) , una sobre la cara inferior de la capa de dielectrico (7b; 7d; 7f) y la otra sobre el plano conductor (9) , para el alineamiento de las moleculas de cristal liquido en estado de reposo;

disponiendo una pluralidad de dichas celdas desfasadoras de al menos un espaciador de material dielectrico (8b) entre la cara inferior de la capa de dielectrico (7b; 7d; 7f) y el plano conductor (9) para mantener uniforme el espesor del cristal liquido;

- un alimentador primario (2) configurado para iluminar el agrupamiento de celdas desfasadoras (3a; 3b; 3c) del reflectarray (1) ;

caracterizada parºuuº cada celda desfasadora (3a; 3b; 3c) comprende adicionalmente:

- una segunda capa de cristal liquido (5a; 5c; 5e) cuya cara inferior esta dispuesta sobre la cara superior de la primera capa de dielectrico (7b; 7d; 7f) , encontrandose esta recubierta por una fina capa de alineamiento (6) ;

- una segundacapa de dielectrico (7a; 7c; 7e) conal menos un elemento conductor (4a; 4c, 4e;4g, 4h, 4i) impreso en la superficie de su cara inferior, la cual esta enfrentada a la cara superior de la segunda capa de cristal liquido (5a; 5c; 5e) y recubierta por una fina capa de alineamiento (6) ;

- por cada elemento conductor (4a; 4c, 4e; 4g, 4h, 4i) de dicha segunda capa de dielectrico (7a; 7c; 7e) , una linea resistiva (10) conectada al correspondiente elemento conductor para la aplicacion de una tension de polarizacion de la segunda capa de cristal liquido (5a; 5c; 5e) ;

disponiendo una pluralidad de dichas celdas desfasadoras de al menos un espaciador de material dielectrico (8a) entre la cara inferior de la segunda capa de dielectrico (7a; 7c; 7e) y la cara superior de la primera capa de dielectrico (7b; 7d; 7f) para mantener uniforme el espesor del cristal liquido;

estando la antena reflectarray disenada para generar un haz colimado o conformado en una determinada direccion reconfigurable mediante el control electronico de la fase del campo reflejado en cada celda desfasadora (3a; 3b; 3c) , efectuado mediante la aplicacion, a traves de las lineas resistivas (10) , de tensiones de control entre cada elemento conductor (4a, 4b; 4c, 4e, 4d, 4f; 4g, 4h, 4i, 4j, 4k, 4l) y el plano conductor (9) .

2. Antena reflectarray de haz reconfigurable segun la reivindicacion 1, caracterizada parºuue comprende medios de control (11) , que incluye al menos un circuito electronico y software de control, encargados de la aplicacion de una tension en cada linea resistiva (10) para la polarizacion de las capas de cristal liquido (5a, 5b; 5c, 5d; 5e, 5f) de las celdas desfasadoras (3a; 3b; 3c) de la antena.

3. Antena reflectarray de haz reconfigurable segun la reivindicacion 2, caracterizada parºuue los medios de control (11) estan configurados para aplicar una tension continua o de baja frecuencia de forma independiente a cada elemento conductor (4a; 4b; 4c; 4e; 4d; 4f; 4g; 4h; 4i; 4j; 4k; 4l) , cuya amplitud varia de forma continua entre dos valores extremos previamente definidos, uno positivo y otro negativo (+Vm y -Vm) , estando los valores de la tension de control definidos en cada elemento conductor para obtener en cada celda desfasadora (3a; 3b; 3c) el valor de fase previamente definido para realizar un barrido o reconfiguracion del haz.

4. Antena reflectarray de haz reconfigurable segun la reivindicacion 2, caracterizada parºuue los medios de control (11) estan configurados para aplicar de manera independiente en cada elemento conductor (4a; 4b; 4c; 4e; 4d;

4f; 4g; 4h; 4i; 4j; 4k; 4l) una tension K•Vc + C, siendo K un numero entero dependiente del elemento conductor que se trate y del diagrama de radiacion deseado, Vc una tension continua o de baja frecuencia con un nivel de amplitud determinado que produce un estado de maxima polarizacion en la capa de cristal liquido proxima al elemento conductor correspondiente, y C un valor constante determinado.

5. Antena reflectarray de haz reconfigurable segun la reivindicacion 4, caracterizada parºuue los medios de control (11) estan configurados para mantener una diferencia de tension de amplitud al menos Vc entre elementos conductores adyacentes en la misma capa para reducir el tiempo de transicion al estado de reposo.

6. Antena reflectarray de haz reconfigurable segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada par uue los medios de control (11) estan configurados para aplicar de manera independiente en cada elemento conductor (4a, 4b; 4c, 4e, 4d, 4f; 4g, 4h, 4i, 4j, 4k, 4l) una tension de control para producir un haz colimado que realiza un barrido electronico en dos dimensiones en un margen de angulos predeterminado.

7. Antena reflectarray de haz reconfigurable segun cualquiera de las reivindicaciones ant eriores, caracterizada paru ue cada ce lda desf asadora ( 3a; 3 b; 3c) co mprende a dicionalmente un a es tructura r esonante dispuesta so bre l a ca ra su perior d e l a se gunda ca pa d e di electrico ( 7a; 7c; 7e) , co mprendiendo di cha estructura resonante al menos un conjunto resonante, cada conjunto resonante formado por:

- una capa de cristal liquido cuya cara inferior queda situada mas cercana a la segunda capa de dielectrico (7a; 7c; 7e) , encontrandose esta recubierta por una fina capa de alineamiento (6) en su cara superior;

- una capa de dielectrico con al menos un elemento conductor impreso en la superficie de su cara inferior, la cual esta enfrentada a la cara superior de dicha capa de cristal liquido y recubierta por una fina capa de alineamiento (6) ;

- por c ada e lemento co nductor de di cha ca pa d e dielectrico, un a linea resistiva (10) co nectada al correspondiente elemento conductor para la aplicacion de una tension de po larizacion de la capa de cr istal liquido mediante los medios de control (11) .

8. Antena reflectarray de haz reconfigurable segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde cada capa de dielectrico (7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) comprende una pluralidad de elementos conductores (4d, 4f; 4j, 4k, 4l) impresos en la superficie de su cara inferior.

9. Antena reflectarray de haz reconfigurable segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizadaºparuue las celdas desfasadoras (3a; 3b; 3c) estan dispuestas en una de las siguientes disposiciones: una reticula rectangular, una reticula cuadrada, una reticula triangular, una reticula hexagonal.

10. Antena reflectarray de haz reconfigurable s egun cu alquiera de l as reivindicaciones anteriores, caracterizadaºparuue los elementos conductores (4a; 4b; 4c; 4e; 4d; 4f; 4g; 4h; 4i; 4j; 4k; 4l) del reflectarray (1) tienen una de las formas siguientes: rectangular, cuadrada, cruciforme, eliptica, poligonal.

11. Antena reflectarray d e haz reconfigurable s egun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizadaºparuue los elementos conductores (4a; 4b; 4c, 4e; 4d, 4f; 4g, 4h, 4i; 4j, 4k, 4l) impresos en un lado de cada capa de dielectrico (7a; 7b; 7c; 7d; 7e; 7f) en las celdas desfasadoras (3a; 3b; 3c) dispuestas en una misma fila se encuentran conectados mediante una linea resistiva (10) , que se emplea para introducir la misma tension de control en todos los elementos conductores de una misma fila y una misma capa mediante los medios de control (11) que estan configurados para generar un haz enfocado que realiza un barrido electronico en unplanodentro de un margen de angulos predeterminado.