ES2249984B2 - Antena reflectora plana en tecnologia impresa con ancho de banda mejorado y separacion de polarizaciones. - Google Patents

Abstract

Antena reflectora plana en tecnología impresa con ancho de banda mejorado y separación de polarizaciones. Esta invención consiste en una antena reflectora impresa formada por la repetición de una celda unidad que consta de varios dipolos metálicos paralelos de distinta longitud impresos en una lámina de material dieléctrico sobre un plano metálico, que refleja el campo electromagnético procedente de un alimentador formando un haz colimado, o conformado, mediante un ajuste de la fase del campo reflejado en cada elemento. El control de fase se realiza ajustando las longitudes de los dipolos. La utilización de varios dipolos permite aumentar el ancho de banda sin necesidad de recurrir a estructuras multicapa. Como los dipolos solo controlan la fase de una polarización lineal, la polarización ortogonal se controla mediante una segunda capa de dipolos situados en la cara inferior del dieléctrico perpendicularmente a los de la cara superior, obteniéndose un bajo nivel de acoplo entre polarizaciones.

Description

Antena reflectora plana en tecnología impresa con ancho de banda mejorado y separación de polarizaciones

Sector técnico al que se refiere la invención

Esta invención se enmarca en los sectores de tecnología de radiocomunicaciones, tecnología de radar y tecnología espacial.

Exposición del estado de la técnica anterior

Esta invención está relacionada con antenas reflectoras planas formadas por agrupaciones de elementos radiantes impresos, como alternativa a los reflectores parabólicos o conformados, que habitualmente se emplean en sistemas de radar, en comunicaciones terrestres y vía satélite, tanto en el segmento de tierra como de vuelo.

Como los reflectores parabólicos (figura 1), reflectores conformados, etc. un reflector plano impreso, también denominado Reflectarray (figura 2) [D. G. Berry, R. G. Malech W. A. Kennedy, "The Reflectarray Antenna", IEEE Trans. on Antennas and Propagation, Vol. AP-11, 1963, pp.646-651] produce un cierto diagrama de radiación generando un frente de onda plano dirigido en la dirección adecuada, a partir de la radiación incidente proveniente del alimentador situado en un punto denominado foco (1). Esto se consigue proporcionando la corrección de fase adecuada en cada punto de la superficie reflectora, en un rango de 360º.

Para sintetizar un cierto diagrama de radiación por medio de un reflector plano impreso se pueden utilizar elementos conductores que permitan variar localmente la fase del coeficiente de reflexión. Principalmente, existen dos técnicas para ello: (1) radiadores unidos a líneas de transmisión de longitud adecuada [R. E. Munson, H. A. Haddad, J. W. Hanlen, "Microstrip Reflectarray for Satellite Communications and RCS Enhancement or Reduction", patente US4684952, Agosto 1987], y (2) variaciones en la longitud del elemento resonante [D. M. Pozar, S. D. Targonski, "A Microstrip Reflectarray Using Crossed Dipoles", 1998 IEEE Intl. Symposium on Antennas and Propagat., pp. 1008-1011]. Esta última disposición presenta un ancho de banda bastante reducido, fundamentalmente debido a que sólo es posible una variación de fase lineal con la longitud del elemento dentro de un margen pequeño. Además, el máximo rango de fases que se puede conseguir con un único elemento resonante es inferior a 360º, situándose en torno a los 330º como máximo en realizaciones prácticas. Para mejorar estas características, en la patente [EP 1 120 856 Al, “Printed circuit technology multi-layer planar reflector and method for the design thereof”, Junio 1999] se ha propuesto una configuración de varias capas apiladas de metalizaciones de tamaño ligeramente diferente (figura 3), con lo que el margen de variación de la fase supera los 360 grados, siendo bastante lineal con la longitud del elemento. Con dicha tecnología de reflectores planos multicapa, se ha logrando un ancho de banda del 16% para un reflectarray de diámetro 16 longitudes de onda [J. A. Encinar, "Design of two-layer printed reflectarrays using patches of variable size", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 49, no. 10, pp. 1403-1410, Oct. 2001]. Adicionalmente, se han obtenido mejoras en el ancho de banda empleando técnicas de optimización que ajustan las dimensiones de los parches en cada capa para conseguir las fases requeridas en una banda de frecuencias [J. A. Encinar and J. A. Zornoza, "Broadband design of three-layer printed reflectarrays," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 51, no. 7, pp.1661-1664, Julio 2003]. Sin embargo, la configuración de varias capas apiladas presenta mayores tiempos y costes de fabricación, debido a que los procesos hay que repetirlos para cada capa. También puede aumentar el peso y las pérdidas disipativas en las capas de dieléctrico por el hecho de tener un mayor número de capas.

Como reflectarray de polarización dual, se ha patentado una configuración formada por agrupamientos de dos dipolos ortogonales [J. R. Profera, E. Charles, "Reflectarray antenna for communication satellite frequency re-use applications", patente US5543809, Agosto 1996]. El agrupamiento de dipolos verticales actúa como reflector para la polarización vertical y el de dipolos horizontales para la otra polarización. Al encontrarse los dipolos ortogonales separados físicamente, el ajuste de la fase en la superficie del reflectarray para colimar el haz se realiza de forma independiente para cada polarización. Con objeto de reducir el acoplo entre polarizaciones ortogonales en reflectarrays con dipolos cruzados, se ha propuesto una configuración con dos capas apiladas de agrupamientos de dipolos, en la que las dos polarizaciones se separan mediante una rejilla de hilos o tiras conductoras [K. C. Clancy, m. E. Cooley, D. Bressler, "Apparatus and method for reduccing polarization cross-coupling in cross dipole reflectarrays", patente US2001/0050653 Al, Marzo 2000]. En dicha invención también se contempla la posibilidad de que los agrupamientos de dipolos ortogonales para las dos polarizaciones se encuentren sobre el mismo plano. En ese caso, cada dipolo está formado por hilos muy próximos, que actúan como un único dipolo de anchura mayor, con el único objetivo de no afectar a la polarización ortogonal. En esta configuración las curvas de fase en función de la longitud son similares a las obtenidas con un solo dipolo de mayor anchura, pero con mejores prestaciones en pureza de polarización que los reflectarrays formados por dipolos en cruz. Con objeto de aumentar el margen de fases que puede conseguirse variando la longitud de los dipolos hasta 360º se han propuesto distintas soluciones [J. P. McKay et al., "Full dinamic range reflectarray element", patente US6,072,438, Dic. 1998]. Dichas soluciones consisten en: a) variar la anchura de los dipolos, y b) incluir además de los dipolos de longitud variable, otros dipolos acoplados de distinta longitud, en los que se varía la separación y/o la longitud del dipolo más corto. Sin embargo en las invenciones anteriores, las curvas de fase en función de la longitud de los dipolos sigue siendo similar a las obtenidas para reflectarrays de una sola capa basados en dipolos de longitud variable, y en consecuencia, el ancho de banda sigue siendo insuficiente para la mayoría de las aplicaciones comerciales.

Explicación de la invención

En esta invención se propone un reflector plano, o reflectarray, que incorpora agrupaciones con varios dipolos paralelos impresos, con objeto de conseguir un efecto similar al de tener varias capas de metalizaciones, pero con una sola capa, bien para conseguir el reflector con una sola capa o, al menos, obtener una reducción del número de éstas. Los elementos del reflector se sitúan en una retícula, ocupando cada elemento una celda de dicha retícula. Cada elemento está formado por dos o más dipolos paralelos de dimensiones ligeramente diferentes impresos en una lámina de material dieléctrico sobre un plano de masa.

La innovación de incorporar varios dipolos paralelos de longitudes próximas a la resonancia en la misma capa y en una misma celda del reflectarray permite aumentar el desfasaje introducido en el campo reflejado a valores superiores a los 360º requeridos en el diseño de reflectarrays así como un comportamiento más lineal de la fase, debido a que la fase se controla con las longitudes de varios elementos resonantes (dipolos). De esta forma se consigue un efecto similar al obtenido para configuraciones de reflectarrays multi-capa, pero empleando una sola capa.

Un objeto principal de esta invención es un reflector plano, o reflectarray, en tecnología impresa con varios dipolos paralelos en la misma capa y en la misma celda. En la figura 4 se muestra un croquis del reflectarray objeto de la invención. Este reflector plano refleja el campo electromagnético de polarización lineal, con el campo eléctrico en la dirección de los dipolos, procedente de un alimentador (14), formando un haz colimado o conformado en una dirección y a una frecuencia determinadas. De forma recíproca, el reflector recibe un haz en una dirección y a una frecuencia determinadas y refleja el campo de polarización lineal, con el campo eléctrico en la dirección de los dipolos, concentrándolo sobre el punto focal donde se encuentra el alimentador (14). Para conseguir el diagrama de radiación deseado, la fase del campo reflejado en cada elemento se ajusta variando la longitud de los dipolos. El elemento reflectante en cada celda (figura 5) está formado por dos o más dipolos (15, 16, 17...), de dimensiones I_{i}, la longitud del dipolo "i", y w_{i}, su anchura, impresos en una lámina de material dieléctrico que se encuentra a una cierta distancia de una lámina metálica (11), que actúa como plano de masa. La lámina dieléctrica (9) con los dipolos impresos y el plano de masa pueden estar separados por aire o por otra lámina de material dieléctrico, denominada separador (20, figura 7). Se considera el espesor de las metalizaciones despreciable, mientras que el de la lámina dieléctrica (9), soporte de los dipolos, tiene un espesor d. La configuración del elemento viene dada, entonces, por el número de dipolos, n, sus posiciones y la relación entre sus longitudes. El elemento se caracteriza por la fase de su coeficiente de reflexión en función de la longitud de los dipolos, calculada a varias frecuencias. Eligiendo adecuadamente la separación de los dipolos y la relación entre longitudes, se consigue una variación lineal de la fase en función de la longitud de éstos, en un margen superior a los 360º, cosa que resulta imposible con un solo dipolo por elemento. Una característica notable del reflectarray de dipolos paralelos con respecto a los de una sola capa de parches de tamaño variable es que permite aumentar la banda de frecuencias de trabajo debido a su mejor respuesta de fase con la longitud resonante de los dipolos.

Otro objeto de la invención consiste en un reflectarray para polarización dual, formado por elementos como el mostrado en la figura 6 que se obtienen metalizando en la cara inferior del dieléctrico (9) otra agrupación de dipolos (18 y 19), dispuestos perpendicularmente a los de la cara superior (15 y 16). Con los dipolos impresos en cada cara se ajusta de forma independiente la fase para cada polarización lineal, obteniendo un nivel muy bajo de acoplo entre polarizaciones y permitiendo eventualmente una separación de los dos alimentadores, uno para cada polarización, situados en focos diferentes (figura 9).

Otra caracteristica del reflectarray de polarización dual con dipolos paralelos es su bajo acoplo entre polarizaciones, debido a que no existe contacto eléctrico entre los dipolos de ambas polarizaciones, y por tanto estos reflectores presentarán menores niveles de polarización cruzada que otros tipos de reflectarrays. En consecuencia la síntesis de diagramas de radiación puede realizarse de forma independiente para cada polarización. Esto permitiria, primero simplificar el proceso de diseño y, segundo diseñar el reflectarray con diagramas de radiación diferentes en cada polarización, pudiendo generarse haces colimados o conformados en direcciones distintas.

Otro objeto de la invención consiste en un reflectarray para polarización circular, empleando el mismo elemento reflectante que para polarización dual. El funcionamiento en polarización circular se consigue descomponiéndola en dos lineales, paralelas a los dipolos de cada cara. El conjunto de los dipolos ortogonales reflejan la señal conservando su polarización.

Otro objeto de la invención consiste en un reflectarray multicapa para polarización lineal, dual o circular empleando en cada capa varios dipolos paralelos. En la figura 7 se muestra una configuración de dos capas para polarización lineal, siendo (9) y (10) dos láminas dieléctricas separadas por el separador dieléctrico (20) y que contienen las metalizaciones (15 y 16). De forma similar, la figura 8, representa un reflectarray de dos capas (9 y 10) para polarización dual o circular mediante la metalización, en la cara inferior de las láminas, de los dipolos (18, 19), perpendiculares a los de la cara superior (15, 16). En esta figura no se muestran los separadores. Otra característica del reflectarray de dos capas con dipolos paralelos es que introduce más grados de libertad, las longitudes de los dipolos en las dos capas, y permite ajustar las fases requeridas a varias frecuencias de trabajo, permitiendo así realizar diseños de reflectarrays multifrecuencia o de banda más ancha, con solo dos capas.

Otra característica de los reflectores planos con dipolos impresos paralelos consiste en que pueden construirse en varios paneles planos para ser plegados y desplegados, puesto que no se requiere contacto eléctrico entre los dipolos de las distintas celdas.

Breve descripción de las figuras

Figura 1: Reflector parabólico. A partir de la señal procedente del foco (1), se obtiene un frente de onda plano (8) compensando las distintas distancias que recorren los rayos hasta alcanzar el reflector (2) con las distancias que recorren (6 y 7) hasta alcanzar el plano (8), de manera que la distancia que recorren los rayos desde el plano (8) hasta el foco (1), reflejándose en la parábola (2) es constante.

Figura 2: Reflector plano. A partir de la señal procedente del foco (1), se obtiene un frente de onda plano (8) compensando las distintas distancias que recorren los rayos hasta alcanzar el reflector (2) con desfasajes introducidos por los radiadores que forman dicho reflector. Cada uno de los radiadores de que consta el reflector (2) introduce el desfasaje adecuado para conformar el haz reflejado produciendo, en este caso, un frente de onda plano (8) a partir de uno aproximadamente esférico (3)

Figura 3: Reflector piano formado por dos láminas dieléctricas delgadas (9 y 10) con metalizaciones impresas, con objeto de ensanchar el ancho de banda utilizable.

Figura 4: Reflector plano formado por una lámina dieléctrica fina (9) elevada sobre un plano de masa (11), caracterizada por tener metalizados dipolos en sus dos caras, cada una de las cuales responde a una polarización.

Figura 5: Celda unidad formada por varios dipolos (15, 16 y 17) paralelos. Cada uno de ellos se define por su longitud (I_{i}), anchura (w_{i}) y las posiciones de sus centros, no indicadas en la figura. Las dimensiones de la celda, largo y ancho, se mantienen constantes a lo largo de toda la superficie y en todas las capas del reflector.

Figura 6: Celda unidad para polarización dual formada por dos dipolos paralelos (15 y 16) en la cara superior de una lámina de dieléctrico (9) y otros dos (18 y 19), perpendiculares a ellos, situados en la cara inferior de (9).

Figura 7: Reflector para polarización lineal formado por dos láminas de dieléctrico (9 y 10) conteniendo cada una de ellas metalizaciones con varios dipolos por celda (15 y 16). En general, los tamaños de los dipolos en las distintas capas son diferentes.

Figura 8: Reflector para polarización dual formado por dos láminas de dieléctrico (9 y 10) conteniendo, cada una de ellas, metalizaciones con varios dipolos por celda (15 y 16) en la cara superior y dipolos perpendiculares (18 y 19) en la cara inferior de la lámina (9), y del mismo modo, la lámina (10) tiene los dipolos (15 y 16) en su cara superior y los (18 y 19), perpendiculares a ellos en su cara inferior. El número de dipolos por celda puede variar para cada capa.

Figura 9: Reflector que divide la señal incidente (12) en sus dos polarizaciones (13), que dirige a sendos alimentadores (14), permitiendo la diversidad por polarización o distinto diagrama de radiación para cada una de ellas.

Figura 10: Ejemplo de realización del reflector plano, formado por una capa de kapton (9) con dos dipolos metalizados por celda en amas caras (polarización dual), un plano de masa (11) y un separador (21), en este caso poliestireno expandido. Dos tapas de policarbonato (22) protegen la estructura y le dan rigidez.

Figura 11: Ejemplo de antena completa. Con un único soporte metálico (27) se consigue sujetar el alimentador (14) en su posición, dar rigidez al reflector (23) y proporcionar un medio para la instalación de la antena en una pared.

Figura 12: Planta, alzado y vista lateral del soporte metálico.

Figura 13: Desarrollo del soporte de la antena, fabricado sobre chapa metálica. Contiene la brida (29) que sujeta el alimentador, las cuatro presillas (24) que sujetan a presión el reflector, los topes (28) para marcar su posición y las patillas (25) que se sujetan a la pared.

Figura 14a. Detalle de los tornillos de fijación (30) de la antena. Apretando los tornillos se dobla más o menos la patilla (25) para permitir cierto grado de orientación. (31) son arandelas planas y (32) es un taco de nylon.

Figura 14b. Detalle de la sujeción del alimentador (14) mediante la brida (29), apretando el alimentador por medio del tomillo (35), provisto de tuercas y arandelas (34).

Exposición detallada de un modo de realización de la invención

Aquí se detalla la fabricación de un reflector plano de polarización dual, realizado en una sola capa para sustituir el paraboloide de una antena doméstica de televisión vía satélite. Por ello, al ser un producto de electrónica de consumo, se ha buscado la mayor economía posible, sobre todo en los materiales seleccionados. Como separador dieléctrico se ha empleado una lámina de poliestireno expandido, llegando a un compromiso entre caracteristicas eléctricas y precio. Para las tapas se ha elegido policarbonato, pero también podria servir PVC, polietileno, etc.

Se realiza la estructura de la figura 10, formada por las siguientes capas, de abajo a arriba: Una lámina metálica (11) de aluminio, que actúa como plano de masa. Sobre él se sitúa una lámina de poliestireno expandido (21) de 6mm (aproximadamente un cuarto de longitud de onda en el dieléctrico) de espesor, que actúa de separador. A continuación va una lámina de kapton (9) con los dipolos fotograbados, verticales en la cara superior y horizontales en la inferior, para conseguir polarización dual. El conjunto se encierra entre dos láminas de policarbonato (22) que le dan rigidez a la estructura, así como protección para su instalación a la intemperie.

La figura 11 muestra la antena completa. Un soporte metálico (27), obtenido de una única chapa, sin necesidad de uniones ni soldaduras, sostiene el alimentador (14) en su posición y con la orientación adecuada, de tal manera que su centro de fase coincida con el foco del reflector. Las presillas (24) sujetan a presión el reflector, y las "patillas" (25) sirven para separar el conjunto de la pared donde se instale. Van atravesadas por sendos tornillos (26) que realizan la fijación de la antena en la pared. Asimismo, permiten la orientación de la antena, ya que las patillas en forma de "U" se pueden doblar para apuntar la antena.

El diseño del reflector con dipolos paralelos se realiza en las siguientes etapas:

1.

Partiendo de la posición del alimentador y de la dirección de radiación de la antena se obtiene el desfasaje que debe introducir cada elemento del reflectarray para generar el diagrama de radiación deseado, a la frecuencia central.

2.

Se determinan las posiciones de los centros de los dipolos en cada celda y la longitud relativa entre ambos, de manera que se obtenga una variación de fase con las longitudes de los dipolos suficientemente lineal. Para ello se emplea un programa de análisis que calcula la fase del coeficiente de reflexión de una estructura periódica con los dipolos y las distintas capas de dieléctrico mediante "Método de los Momentos en el dominio espectral".

3.

En cada elemento del reflectarray se ajustan las dimensiones de los dipolos para conseguir el desfasaje necesario. Para ello se utiliza una rutina de optimización que llama de forma iterativa al programa de análisis y va ajustando las dimensiones de cada elemento hasta conseguir la fase definida en la etapa 1). El programa de análisis calcula la fase del coeficiente de reflexión en cada periodo suponiendo periodicidad local, es decir analizando cada elemento con sus dimensiones en un entorno periódico.

A partir de las dimensiones y posiciones de los parches en cada celda se obtiene la mascara de fotograbado para la realización del reflector por técnicas convencionales de fotograbado.

Aplicación industrial

Esta invención puede aplicarse a la fabricación de reflectores para antenas en aplicaciones de radar y de comunicaciones, terrestres y vía satélite, presentando importantes ventajas sobre los reflectores convencionales a los que sustituye. Por tratarse de un reflector plano puede construirse en varias partes para ser plegado para el transporte y posteriormente desplegado. La superficie del reflector puede adaptarse a las estructuras existentes, como fachadas de edificios, paneles en satélites de comunicaciones, etc. Puede utilizarse como reflector para polarización dual con un nivel de aislamiento entre polarizaciones mejor que el que proporcionan los reflectores convencionales y otros tipos de reflectarrays.

La presente invención puede construirse en materiales calificados para espacio. Por ello, este tipo de reflectores impresos con dipolos paralelos tiene un importante campo de aplicación en la industria espacial como alternativa a los diferentes tipos de reflectores embarcados en satélites, parabólicos, de rejilla o de haz conformado. En particular puede ser una alternativa a los reflectores denominados "dual gridded" que se emplean cuando se requiere un nivel de polarización cruzada muy reducido. También son una alternativa a los reflectarrays impresos multicapa con parches rectangulares, por presentar mejores prestaciones en polarización cruzada y simplificar los procesos de fabricación, al reducir el numero de
capas.

Claims (8)

1. Reflector plano en tecnología impresa formado por una agrupación de celdas unidad con elementos conductores impresos en una lámina de material dieléctrico (9), sobre un plano conductor (11), en la que cada celda unidad se diseña para conseguir que la energía electromagnética procedente de un alimentador (14) situado en un punto focal, se refleje formando un haz colimado de polarización lineal en una dirección determinada, y por reciprocidad, que cuando recibe un haz colimado de polarización lineal en una dirección determinada lo refleje concentrándolo en el punto focal donde se encuentra el alimentador; caracterizado por contener varios dipolos paralelos (15, 16, 17, ...) de longitudes ligeramente distintas a la longitud de resonancia, en la misma celda unidad y sobre la misma cara de una lámina de material dieléctrico (9), donde las posiciones de los dipolos y sus longitudes relativas en la celda unidad se eligen para aumentar el desfase introducido por la celda a valores superiores a 360º con un comportamiento más lineal de la fase, produciendo una mejora del ancho de banda de la antena, y donde las longitudes de los dipolos en cada celda se ajustan para conseguir un desfasaje del campo reflejado que permita colimar el campo electromagnético procedente del alimentador o concentrar en el alimentador un haz colimado incidente en el reflector, a una o varias frecuencias dentro de la banda de trabajo del reflector.

2. Reflector plano según 1, caracterizado por tener en la cara inferior del dieléctrico (9) otra agrupación de dipolos (18, 19,...), dispuestos perpendicularmente a los de la cara superior (15, 16, 17,...), en el que las longitudes de los dipolos en la cara inferior (18, 19) se ajustan en cada celda para conseguir un desfasaje del campo reflejado en la polarización lineal ortogonal que permita colimar el campo electromagnético procedente del alimentador o concentrar en el alimentador un haz colimado incidente en el reflector, dando lugar a una antena de polarización dual con un elevado aislamiento entre polarizaciones.

3. Reflector plano según 1, caracterizado por tener dos láminas dieléctricas (9) y (10) con los dipolos (15, 16, ...) de las dos capas paralelos, para polarización lineal, separadas entre sí y del plano conductor por separadores (20, 21), con objetivo de introducir más grados de libertad, las longitudes de los dipolos en las dos capas, y permitir realizar diseños de reflectarrays multi-frecuencia o de banda más ancha.

4. Reflector plano según 1 y 3, caracterizado por tener dipolos impresos (18, 19, ...) en la cara inferior de las láminas dieléctricas (9) y (10), perpendiculares a los dipolos de la cara superior (15, 16, 17, ...) con objeto de colimar o conformar el haz para polarización dual o circular.

5. Reflector plano según 1 a 4, en el que las dimensiones de los dipolos en cada celda se ajustan para conseguir las características eléctricas de un reflector de haz conformado.

6. Reflector plano según 1 a 5, caracterizado por colimar el campo electromagnético procedente del alimentador de polarización circular o concentrar en el alimentador un haz colimado incidente en el reflector de polarización circular.

7. Reflector plano según 1 a 5, caracterizado por tener dos alimentadores (14) situados en dos puntos focales distintos, que funcionan en polarizaciones ortogonales, en el que las longitudes de los dipolos (15, 16, 17, ...), y (18, 19, ...) en cada celda se ajustan para conseguir que los haces procedentes de los dos alimentadores, se reflejen formando haces colimados en una misma dirección predeterminada o en direcciones distintas.

8. Reflector plano según 1 a 7, caracterizado por estar construido en varias piezas para ser plegado y desplegado.