ES2620766T3 - Celda desfasadora radiante reconfigurable basada en resonancias de ranuras y microtiras complementarias - Google Patents
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Abstract
Celda desfasadora radiante que comprende una pluralidad de elementos conductores (207, 209, 1001, 1002) formados en la superficie de un sustrato, por encima y a distancia de un plano de masa, estando separados dichos elementos conductores por unas ranuras (202, 203, 204), formando la disposición de las ranuras (204) un resonador equivalente cuya forma eléctrica configura el desfase aplicado sobre una onda a reflejar, comprendiendo dicha celda unas cargas (206, 1005) variables controladas adecuadas para hacer variar la longitud y/o la anchura eléctrica de dichas ranuras, disponiéndose los elementos conductores (207, 209, 1001, 1002) y las cargas (206, 1005) variables controladas para que según al menos una primera configuración de dichas cargas, se forme una superficie conductora anular de señales de hiperfrecuencia con el fin de crear un resonador de dominancia inductiva, y para que según al menos una segunda configuración, se forme una ranura alrededor de al menos un elemento conductor (209, 1001) central con el fin de crear un resonador de dominancia capacitiva, caracterizada porque dicha superficie conductora está formada por una pluralidad de elementos conductores (207, 1002) que rodean dicho elemento conductor central (209, 1001) y separados entre sí por dichas ranuras (204) que presentan una orientación radial con relación a dicho elemento conductor central.
Description
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Celda desfasadora radiante reconfigurable basada en resonancias de ranuras y microtiras complementarias
El campo de la invencion es el de las celdas desfasadoras radiantes reconfigurables. Se aplica particularmente a las redes reflectoras para una antena destinada a montarse sobre un vehfculo espacial tal como un satelite de telecomunicaciones o sobre un terminal terrestre para los sistemas de telecomunicacion o de difusion por satelite.
Una antena de red reflectora (“reflectarray antenna” en ingles) incluye un conjunto de celdas desfasadoras radiantes montadas en una red de una o dos dimensiones y que forman una superficie reflectante que permite incrementar la directividad y ganancia de la antena. Las celdas desfasadoras radiantes de la red reflectora, de tipo pastillas metalicas (igualmente denominadas “parches metalicos”) y/o de tipo ranura, se definen mediante unos parametros que pueden variar de una celda otra, siendo estos parametros, por ejemplo, las dimensiones geometricas de los motivos grabados (longitud y anchura de los “parches” o de las ranuras) que se regulan de manera que se obtenga un diagrama de radiacion deseado.
Las celdas desfasadoras radiantes pueden estar constituidas por unos parches metalicos cargados de ranuras radiantes y separadas por un plano de masa metalica una distancia tfpica comprendida entre Ag/10 y Ag/6, en las que Ag es la longitud de onda guiada en el medio separador. Este medio separador puede ser un material dielectrico, pero tambien una pila compuesta realizada por una disposicion simetrica de un separador de tipo nido de abeja y de revestimientos dielectricos de finos grosores. Para que una antena sea eficaz, es necesario que la celda elemental pueda controlar con precision el desfase que produce sobre una onda incidente, para las diferentes frecuencias de la banda pasante. Es necesario igualmente que el procedimiento de fabricacion de la red reflectora sea lo mas simple posible.
Para ello, el presente solicitante ha presentado en el pasado una primera solicitud de patente francesa FR 0450575 titulada “cellule dephaseuse a polarisation lineaire et a longueur resonante variable au moyen de commutateurs mems”. La figura 1 representa un modo de realizacion de este tipo de celda desfasadora CD. Su principio de funcionamiento consiste en modificar la longitud electrica de la ranura FP colocando una o varias cargas localizadas variables y controladas DC' en varios estados diferentes que permiten e impiden el establecimiento de un cortocircuito. La variacion de la longitud resonante caracterfstica de la celda permite modificar el desfase de las ondas a reflejar. Para una antena, las ondas proceden de la fuente de RF. Una celda segun la figura 1 comprende un sustrato SB que incluye una cara posterior unida a un plano de masa.
Esta celda desfasadora no funciona mas que para una polarizacion lineal de la onda incidente. Ademas, el tamano de la celda es relativamente grande, del orden de 0,7 A, en la que A designa la longitud de onda. La malla de la red reflectora, es decir la periodicidad espacial segun la que se disponen las celdas en la red, es por tanto muy superior a 0,5 A. Da como resultado un comportamiento no optimo para unas incidencias muy oblicuas de la onda, vinculada a la posibilidad de excitacion de un modo de Floquet de orden superior. Este efecto se traduce en una degradacion de los lobulos secundarios del diagrama de radiacion, igualmente designado por el experto en la materia como el “lobulo imagen”.
La celda desfasadora funciona principalmente con una resonancia de tipo “parche”, modulada por la longitud electrica de la ranura o de las ranuras. La realizacion de un ciclo de fase superior a 360° mediante la modulacion de esta unica resonancia es un punto crftico, y ciertos estados de fase se realizan mediante unas configuraciones muy resonantes de la celda desfasadora. Estas configuraciones muy resonantes estan igualmente caracterizadas por unas grandes perdidas, asf como sensibilidades muy grandes de las caracterfsticas electricas a las incertidumbres de fabricacion de la celda y de las cargas localizadas variables y controladas.
El presente solicitante ha presentado una segunda solicitud de patente francesa titulada “Reseau reflecteur a arrangement optimise et antenne comportant un tel reseau reflecteur”. Presenta un ciclo de fase realizada mediante unas celdas desfasadoras que tienen una estructura interna progresivamente evolutiva de una celda desfasadora a otra celda desfasadora adyacente, y no introduciendo asf grandes rupturas de periodicidad sobre la superficie reflectante. Este tipo de celda permite de ese modo evitar, en el diagrama de radiacion, las perturbaciones inducidas por un fenomeno de difraccion parasita sobre unas zonas de ruptura brusca de la periodicidad. La figura 1 bis representa un ejemplo de motivo periodico que incluye una disposicion en una dimension de varios elementos radiantes elementales y que permite obtener una rotacion de fase de 360°. Presenta la propiedad de tener identicas las celdas desfasadoras extremas del ciclo de fase. Se ha propuesto igualmente un ciclo de fase progresivo a partir de una celda desfasadora con unas cargas localizadas variables y controladas.
La figura 2 presenta el esquema de una celda desfasadora radiante para un reflector de red de ese tipo. Esta celda desfasadora tiene, segun un modo de realizacion, forma de cruz de dos ramas perpendiculares. La cruz incluye tres ranuras anulares concentricas 81, 82 y 83 practicadas en un parche metalico. Las cargas localizadas variables y controladas 85 se disponen de manera elegida en las ranuras y permiten hacer variar la longitud electrica de las ranuras y por tanto la fase de una onda reflejada por la celda desfasadora. A partir de varias celdas, es posible realizar sobre la superficie de un reflector un motivo de variacion de fase progresivo y que no incluya una transicion brusca, utilizando varios elementos radiantes que tengan la misma geometrfa, el mismo numero de MEMS
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posicionados en el mismo entorno en las ranuras anulares, pero unos MEMS configurados en unos estados diferentes. Por ejemplo, con un motivo constituido por varios elementos radiantes en forma de cruz o de hexagono, provistos de tres ranuras anulares concentricas y de MEMS en cada ranura, es posible hacer variar progresivamente la fase hasta 1000° cortocircuitando progresivamente las diferentes ranuras de los elementos radiantes adyacentes hasta obtener un elemento radiante que tenga todos sus MEMS en estado cerrado, y posteriormente sobre varios elementos adyacentes adicionales, para poner progresivamente los MEMS en el estado abierto hasta obtener un elemento radiante que tenga todos sus MEMS en estado abierto.
Si es posible realizar un ciclo de fase superior a 360°, y teniendo la misma celda desfasadora inicial y final del ciclo, es muy diffcil obtener unos estados de fases con unas celdas poco resonantes. Pueden excitarse potencialmente un gran numero de modos resonantes, debido a la presencia de varios resonadores. La aparicion de estos modos resonantes puede conducir a una variacion brusca de la fase en funcion de la frecuencia. Las variaciones rapidas de la fase se traducen en unas perdidas significativas en particular cuando se utilizan unos MEMS ohmicos y en una sensibilidad a las dispersiones de fabricacion de los MEMS.
Un objetivo de la invencion es proponer una celda desfasadora de cargas localizadas variables y controladas (microconmutadores) que permitan cubrir un desplazamiento de fase con una variacion de frecuencia reducida de la fase, dicho de otra manera con un comportamiento mas lineal, mas estable de la fase en funcion de la frecuencia de la senal incidente. Dicho de otra manera, un objetivo de la invencion es minimizar el caracter resonante de la celda.
Con este fin, la invencion tiene por objeto una celda desfasadora radiante que comprende una pluralidad de elementos conductores formados en la superficie de un sustrato, por encima y a distancia de un plano de masa, estando separados dichos elementos conductores por unas ranuras, formando la disposicion de las ranuras un resonador equivalente cuya forma electrica configura el desfase aplicado sobre una onda a reflejar, caracterizado porque la celda comprende unas cargas variables controladas adecuadas para hacer variar la longitud y/o la anchura electrica de dichas ranuras, disponiendose los elementos conductores y las cargas variables controladas para que segun al menos una primera configuracion de dichas cargas, se forme una superficie conductora de senales de hiperfrecuencia con el fin de crear un resonador de dominancia inductiva, y para que segun al menos una segunda configuracion, se forme una ranura alrededor de al menos un elemento conductor con el fin de crear un resonador de dominancia capacitiva, formada dicha superficie conductora en la primera configuracion rodeando dicho elemento conductor alrededor del que se forma una ranura en la segunda configuracion.
La gestion de las resonancias de las ranuras y de los resonadores de tipo microtiras se realiza de manera que excite mas bien una resonancia equivalente de tipo “ranuras” en una primera parte del ciclo de fase, y mas bien una resonancia equivalente de tipo “microtiras” (calificada tambien como “parche”) en una segunda parte del ciclo de fase. La primera parte del ciclo de fase corresponde a un resonador cuyo comportamiento predominante es inductivo, dicho de otra manera, cuyo resonador equivalente es mas el de un resonador LC paralelo que el de un LC serie. La segunda parte del ciclo de fase corresponde un resonador cuyo comportamiento predominante es capacitivo, dicho de otra manera, cuyo resonador equivalente es mas el de un resonador LC serie que el de un LC paralelo.
Los resonadores equivalentes de la celda desfasadora de cargas localizadas variables y controladas puede describir un ciclo semejante al representado en la figura Ibis. Esta propiedad permite, por ejemplo, realizar un ciclo de fase superior a 360°, y tener unos resonadores equivalentes similares para los valores extremos del ciclo de fase.
Esta propiedad permite igualmente optimizar la banda pasante de las celdas desfasadoras. La gama de fases de 360°, por ejemplo, puede segmentarse en efecto en dos sub-gamas de aproximadamente 180°. Esta segmentacion en dos sub-gamas se hace posible por la complementariedad de los modos resonantes de tipo ranura o parche.
El minimizado de la resonancia se traduce en unas menores perdidas. Cuanto mas varfe la fase en forma lineal, mas se obtiene esta caracterfstica sobre una banda amplia (en oposicion a un funcionamiento de tipo umbral). Pueden obtenerse unas bandas pasantes del orden del 30 % gracias a la celda segun la invencion.
La disposicion periodica de la celda desfasadora radiante segun la invencion define un panel reflector de un montaje de antena. El montaje puede, ademas, incluir varios paneles reflectores que incluyen unas celdas desfasadoras segun la invencion.
Ventajosamente, la superficie conductora de la cara delantera, esta separada del plano de masas en una distancia igual a un cuarto de la longitud de onda de la senal incidente. De esta manera, las resonancias en modo ranura (primera configuracion) y en modo microtira (segunda configuracion) pueden estar separadas en 180°.
Segun un modo de realizacion de la celda desfasadora radiante segun la invencion, el elemento conductor alrededor del que se forma una ranura en la segunda configuracion se situa sustancialmente en el centro de la celda, estando situados los elementos conductores que forman la superficie conductora en la periferia, siendo dicha superficie conductora anular, estando unido cada uno de dichos conductores perifericos al conductor central y a los conductores perifericos vecinos por medio de cargas capacitivas controladas. Por “anular”, se entiende una ranura en forma de bucle cerrado. Esta se forma mediante la interconexion de diferentes elementos conductores perifericos, su forma puede ser, por ejemplo, rectangular, circular, hexagonal o cualquier otra forma poligonal o de curva
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Los elementos conductores pueden tomar una forma de cruz de cuatro ramas alineadas segun varias filas, perteneciendo la cruz a dos filas sucesivas que estan desfasadas unas con relacion a otras, estando unidas las cruces por medio de cargas capacitivas variables controladas. La forma de los elementos conductores puede ser diferente, por ejemplo, unos parches cuadrados, unas zonas en forma de disco. Una ventaja de los elementos conductores en forma de cruz es que permiten unas interconexiones mas faciles.
Segun otro modo de realizacion de la celda desfasadora radiante segun la invencion, dicha superficie conductora anular se forma mediante unas tiras conductoras enmarcadas por unas ranuras anulares estando unidas dichas tiras mediante unas cargas capacitivas adecuadas para modificar la longitud y/o la anchura electrica de las ranuras de interconexion de dichas ranuras anulares.
En otros terminos, la celda puede incluir una superficie conductora en la que se forman al menos dos primeras ranuras sustancialmente concentricas y separadas entre si, estando dispuesta la superficie conductora por encima de un plano de masa, formando la disposicion de las ranuras un resonador equivalente cuya forma electrica configura el desfase aplicado a una onda incidente, estando la celda caracterizada porque comprende unas ranuras de interconexion que unen entre si dichas primeras ranuras, y una pluralidad de cargas variables controladas adecuadas para hacer variar la longitud y/o la anchura electrica de dichas primeras ranuras y dichas ranuras de interconexion, siendo activables dichas cargas para configurar la celda segun un resonador sustancialmente equivalente a un circuito LC paralelo, siendo igualmente activables dichas cargas segun al menos otra configuracion para configurar la celda segun un resonador sustancialmente equivalente a un circuito LC serie.
Esta misma celda desfasadora puede considerarse igualmente como la disposicion de resonadores de tipo microtira, a saber un marco metalico, un anillo metalico intermedio cortado en varios puntos, y un parche central metalico. Las conexiones realizadas por unas cargas localizadas variables y controladas —tambien calificadas de micro- actuadores, microinterruptores o unos medios de cortocircuito— permiten modificar la longitud y/o la anchura electrica del resonador de microtira equivalente.
Segun otro modo de realizacion de la celda segun la invencion, la celda comprende mas de dos ranuras concentricas. Comprende por ejemplo, tres ranuras, con unas ranuras de interconexion entre cada ranura concentrica sucesiva.
Segun un modo de realizacion de la celda desfasadora radiante segun la invencion, cuando la celda esta en la primera configuracion, las cargas que unen entre si los elementos conductores perifericos estan activadas, las cargas que unen el elemento conductor central a los elementos conductores perifericos estan desactivadas, de manera que se forme una ranura resonante cuya contribucion principal equivale a la de un circuito LC paralelo.
Ventajosamente, las cargas que unen entre si los elementos conductores perifericos estan adaptadas para tomar unos valores multiples entre dos valores extremos para poder hacer variar las dimensiones de la ranura resonante equivalente progresivamente en funcion de dichos valores.
Segun un modo de realizacion de la celda desfasadora radiante segun la invencion, cuando la celda esta en la segunda configuracion, las cargas que unen entre si los elementos conductores perifericos estan desactivadas, las cargas que unen el elemento conductor central a los elementos conductores perifericos estan activadas, de manera que se forme una microtira resonante cuya contribucion principal equivale a la de un circuito LC serie.
Ventajosamente, las cargas que unen el elemento conductor central a los elementos conductores perifericos estan adaptadas para tomar unos valores multiples entre dos valores extremos para poder hacer variar las dimensiones de la microtira resonante equivalente progresivamente en funcion de dichos valores.
Segun un modo de realizacion de la celda desfasadora radiante segun la invencion, las cargas que unen el elemento conductor central a los elementos conductores perifericos estan adaptadas para variar independientemente del valor de las cargas que unen entre si los elementos conductores perifericos, de manera que el desplazamiento de faseaplicado a la onda incidente se descomponga en dos intervalos de desfase, siendo obtenidos los desfases aplicados en el primer intervalo con una configuracion de tipo ranura resonante, siendo obtenidos los desfases aplicados en el segundo intervalo con una configuracion de tipo microtira resonante.
Segun un modo de realizacion de la celda desfasadora radiante segun la invencion, las cargas variables y las dimensiones de los elementos conductores se determinan para que la configuracion de la celda que permite aplicar el desfase correspondiente al primer extremo del desplazamiento de fasesea identica a la configuracion de la celda que permite aplicar el desfase correspondiente al segundo extremo del rango.
Segun un modo de realizacion de la celda desfasadora radiante segun la invencion, el desplazamiento de fasees de 360°.
Segun un modo de realizacion de la celda desfasadora radiante segun la invencion, los elementos conductores, las ranuras y las cargas capacitivas se disponen sobre la celda segun un centro de simetrfa colocado en el centro de la
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Segun un modo de realizacion de la celda desfasadora radiante segun la invencion, las cargas capacitivas son unos diodos, unos MEMS, o unas capacidades ferroelectricas.
La invencion tiene igualmente por objeto una red reflectora que comprende una pluralidad de celdas desfasadoras radiantes tales como las descritas mas arriba, formando dichas celdas la superficie reflectante de la red.
La invencion tiene igualmente por objeto una antena que comprende una red reflectora tal como se ha descrito mas arriba.
La invencion se comprendera mejor y surgiran otras ventajas con la lectura de la siguiente descripcion, dada a tftulo no limitativo, y gracias a las figuras adjuntas entre las que:
- la figura 3, un ejemplo de un esquema de arquitectura mecanica y de posicionamiento de cargas localizadas variables y controladas de una celda desfasadora radiante segun la invencion, en una vista de frente del plano de radiacion de la celda;
- la figura 4, un ejemplo de un ciclo de celdas desfasadoras radiante segun la invencion que cubren un desplazamiento de fase de 360°; la figura representa un ejemplo de disposicion de la arquitectura mecanica y de la configuracion de las cargas localizadas variables y controladas para cada celda desfasadora del ciclo;
- la figura 5a, una representacion del resonador equivalente cuando la celda desfasadora segun la invencion esta en modo de resonancia “ranura”;
- la figura 5b, una representacion del resonador equivalente cuando la celda desfasadora segun la invencion esta en modo de resonancia “microtira”;
- la figura 5c, un modelo electrico de la celda desfasadora segun la invencion;
- las figuras 6a y 6b, unas celdas desfasadoras segun la invencion de MEMS capacitivos;
- la figura 7, otro modo de realizacion de la celda desfasadora segun la invencion;
- la figura 8a, una ilustracion de un primer tipo de dispositivo de control de las cargas variables utilizadas para reconfigurar la celda desfasadora segun la invencion;
- la figura 8b, una ilustracion del segundo tipo de dispositivo de control de las cargas variables utilizadas para reconfigurar la celda desfasadora segun la invencion;
- la figura 9, un modo de realizacion de la celda desfasadora segun la invencion en la que se disponen unas vfas para hacer transitar las senales de controles hacia las cargas capacitivas variables;
- la figura 10, otro modo de realizacion de una celda desfasadora radiante segun la invencion;
- la figura 11, una pluralidad de configuraciones tomadas sucesivamente por una misma celda desfasadora tal como la representada en la figura 10;
- la figura 12, un ejemplo de medios de encaminamiento de las senales de control hacia una celda desfasadora tal como la de la figura 10.
La figura 3 presenta un modo de realizacion de una celda 200 desfasadora radiante segun la invencion. La celda 200 incluye una estructura plana tal como se describe en las celdas desfasadoras del estado de la tecnica y la figura 3 representa la vista de frente de la estructura plana. Tfpicamente, una estructura plana comprende un sustrato que incluye una cara posterior unida a un plano de masa y una cara delantera. Los materiales utilizados para formar el sustrato, las capas de dielectrico y las capas conductoras no limitan el alcance de la invencion. Se pueden citar por ejemplo, los materiales mencionados en los documentos del estado de la tecnica descritos anteriormente.
La celda 200 desfasadora es preferentemente de forma rectangular. Sin embargo, son posibles otros modos de realizaciones y como ejemplo no limitativo se puede citar una superficie en forma hexagonal o en forma circular.
La celda incluye al menos dos primeras ranuras, una primera ranura 202 y una segunda ranura 203 concentricas. La primera ranura 202 se posiciona en la periferia exterior con relacion a la segunda ranura 203, es decir a una distancia mayor del centro del parche con relacion a la segunda ranura 203. La celda 200 desfasadora puede incluir dos ranuras 202 y 203 o mas, tal como se ilustra de la figura 3. Preferentemente, las ranuras 202 y 203 tienen una forma que se eXtiende longitudinalmente a la forma del marco 201 metalico. De ese modo, las ranuras 202 posicionadas en la periferia exterior del parche rodean las ranuras 203 en la periferia interior. Si las celdas desfasadoras se destinan a funcionar a una unica polarizacion lineal, es posible cortocircuitar por medio de uniones metalicas 705 las ranuras concentricas en un punto en el que el campo electrico es nulo, como se ilustra en la figura 7. Esta posibilidad no se ofrece cuando la celda esta destinada a funcionar en doble polarizacion lineal, porque en el entorno en el que el campo electrico es nulo en la ranura concentrica para una polarizacion no lineal, es maximo para la otra polarizacion lineal ortogonal. La periferia 201 de la celda esta separada de la ranura 202 concentrica exterior por una banda 208 conductora, igualmente designada por el termino “marco”.
Las ranuras 202 y 203 se unen mediante al menos cuatro ranuras 204 de interconexion. Esta disposicion de ranuras define las tiras 207 metalicas colocadas en la interfaz entre las ranuras 201, 202 concentricas. Ademas, se disponen unas cargas 206 variables y controladas en unos entornos elegidos sobre las primeras ranuras 202 y 203, asf como sus ranuras 204 de interconexion. Se trata por ejemplo de conmutadores todo/nada que permiten realizar unos cortocircuitos, o de cargas capacitivas variables. Los conmutadores tienen por objeto modificar la longitud y/o la
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anchura electrica del resonador “ranura” equivalente o del resonador “microtira” equivalente.
Segun la invencion, las diferentes cargas 206 localizadas variables y controladas de la celda desfasadora se controlan para configurar la longitud y/o la anchura electrica de las primeras ranuras 202 y 203 de manera que el resonador equivalente de la celda desfasadora actue como una celda desfasadora que introduce un desfase elegido sobre una onda incidente. La variacion de la longitud electrica de las ranuras 202, 203 y 204 interconectadas modifica las dimensiones electricas del resonador de ranura o de parche equivalente. De ese modo, gracias a las cargas 206 localizadas variables y controladas, es posible obtener una celda desfasadora que cubre un desplazamiento de fase de al menos 360° delimitada por un primer valor extremo y por un segundo valor extremo. Es igualmente posible, ventajosamente, obtener una celda cuya forma electrica del resonador equivalente es identica para el primero y para el segundo valor extremo. En el seno del desplazamiento de fase, los valores de desfase de una misma celda pueden variar de manera continua o discontinua. Unos medios electronicos de control, descritos mas adelante en relacion con las figuras 8a, 8b y 9, son adecuados para controlar las cargas localizadas variables y controladas de manera que haga variar el desfase de manera continua o discontinua.
Se pueden distinguir particularmente dos procedimientos para modificar los parametros electricos de las ranuras: la primera consiste en disponer unos microconmutadores ON/OFF a lo largo de la ranura, y hacer variar la longitud de la seccion de la ranura comprendida entre dos conmutadores realizando un cortocircuito (ON). Ventajosamente, cuando el plano de masa esta separado de la superficie anterior de la antena en un grosor igual a un cuarto de la longitud de onda guiada, entonces es posible recorrer la totalidad de la fase de 360°.
Segun el primer procedimiento, los microconmutadores se activan segun una progresion que permite aproximar el ciclo de las celdas equivalentes. Se propone un ejemplo: la primera celda 401 del ciclo ilustrado en la figura 4 es aquella en la que todos los microconmutadores estan en estado bajo. El desfase realizado es de 180°, correspondiente a la respuesta de una placa metalizada. Progresivamente, a partir de la segunda ilustracion de la celda 402 a la quinta ilustracion de la celda 405, se liberan los microconmutadores en el centro de la celda, para realizar un funcionamiento equivalente a una abertura en la placa metalizada, cuyo tamano se amplfa. Posteriormente, a partir de la sexta ilustracion de la celda 406, los microconmutadores se pueden volver a cerrar progresivamente desde el centro, para tener un funcionamiento equivalente al de un parche central que se amplfa, hasta encontrar para la novena ilustracion 409 una configuracion identica a la primera ilustracion 401 de celda. Con una progresion de ese tipo, el ciclo recorre un desfase sobre un rango de valores delimitado por un primer valor extremo y por un segundo valor extremo, con una configuracion de los microconmutadores identica para el primer y para el segundo valores extremos, sin tener que asegurar un funcionamiento alrededor de una frecuencia de resonancia.
Este primer procedimiento de modificacion de los parametros electricos de las ranuras necesita un numero significativo de microconmutadores. Es posible reducir el numero, y optimizar el ciclo para recorrer una gama de desfases suficiente. Sin embargo, si el numero de microactuadores se reduce significativamente, no sera posible evitar la excitacion de modos superiores en el interior de esta celda. Estos modos superiores permiten realizar un desfase, pero se asocian frecuentemente con las mayores variaciones de frecuencia de la fase. Pueden inducir tambien una radiacion en polarizacion cruzada. Los microconmutadores son unas cargas localizadas reconfigurarles, por ejemplo del tipo MEMS (acronimo de Micro Electro-Mechanical System), unos diodos, o unas capacidades ferroelectricas variables.
Ventajosamente, una celda desfasadora que realice la misma fase para las dos polarizaciones lineales es invariable por rotacion. Esta propiedad de simetrfa evita excitar unos modos superiores que contribuyan a la polarizacion cruzada, y que puedan alterar igualmente la estabilidad de la fase en la polarizacion principal. Debe utilizarse generalmente un mfnimo de cuatro MEMS por control para respetar esta restriccion de simetrfa.
Ventajosamente, una celda desfasadora que funcione en doble polarizacion lineal y que realice unas fases independientes en cada una de las polarizaciones finales posee dos simetrfas axiales. Esta propiedad evita excitar unos modos superiores que contribuyen a la polarizacion cruzada, y que pueden igualmente alterar la estabilidad de la fase en la polarizacion principal. Una propiedad de ese tipo necesita utilizar un mfnimo de dos MEMS por control y por polarizacion.
Ventajosamente, una celda que funcione en polarizacion simple lineal posee dos simetrfas axiales. Esta propiedad evita excitar unos modos superiores que contribuyen a la polarizacion cruzada y que pueden alterar igualmente la estabilidad de la fase en la polarizacion principal. Una propiedad de ese tipo necesita utilizar un mfnimo de dos MEMS por control.
Pueden realizarse tambien unos modos de realizaciones degradados, por ejemplo con el objetivo de reducir el numero de MEMS, o de incrementar el numero de estados de fase para un mismo numero de MEMS. De ese modo, es posible variar ligeramente el emplazamiento de los MEMS alrededor de estas simetrfas, o modular debilmente el valor de las capacidades realizadas por estos MEMS dispuestos en los emplazamientos simetricos.
El segundo procedimiento para gestionar el ciclo de fase excitando sucesivamente un resonador equivalente del tipo ranura o del tipo parche consiste en hacer variar la carga capacitiva de las ranuras. Una ranura esta cargada por una
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capacidad, por ejemplo en su centro. Esta carga capacitiva de la ranura permite hacer variar la velocidad de la fase en la ranura, y modificar asf su frecuencia de resonancia. La variacion de capacidad puede efectuarse con la ayuda de varias capacidades digitales. El concepto se deduce de las lfneas de transmision de carga capacitiva distribuida DMTL (Distributed MEMS Transmission Line).
Un ejemplo de progresion se presenta en el presente documento a continuacion en relacion con las figuras 6a y 6b. En la primera parte del ciclo de fase, ilustrado en la figura 6a, las ranuras de interconexion no estan cargadas. Las cargas capacitivas de las ranuras concentricas por el contrario se varfan. La celda desfasadora funciona de la misma manera una ranura en la que se hacen variar los parametros de longitud y anchura electrica. En una segunda parte del ciclo, ilustrado en la figura 6b, las ranuras concentricas son no resonantes. Las cargas capacitivas de las ranuras de interconexion se varfan, conectando de ese modo los cuatro fragmentos de tira 207 (comparese con la figura 2) del anillo de microtiras intermedio. La celda desfasadora funciona de la misma manera como un resonador de microtiras en el que se hacen variar los parametros de longitud y anchura electrica.
En el caso en el que se emplean cargas capacitivas variables para cortocircuitar las ranuras, estas cargas pueden realizarse por medio de un microconmutador en serie con una capacidad. Los valores usuales de las capacidades de carga que permiten modificar las resonancias de las ranuras estan entre 20 y 200 fF para un funcionamiento alrededor de 10 GHz. Sin embargo, no es siempre facil realizar unas capacidades variables, y es posible hacer variar la capacidad mediante incrementos digitales. En este caso, la carga esta constituida por varias capacidades en paralelo conectadas a un conmutador.
Como se ha ilustrado en la figura 4, el desplazamiento de fase de 360° comienza y se termina opcionalmente mediante un resonador equivalente identico. La celda segun la invencion puede cubrir asf un rango de 360° mediante un ciclo repetido de la forma del resonador equivalente. De ese modo, puede constituirse una superficie reflectante constituida por varios motivos periodicos, estando constituido un motivo por varias celdas desfasadoras adyacentes que configuran cada una un desfase proximo, para evitar una ruptura importante en la forma del resonador equivalente de dos celdas adyacentes. Esto reduce los parasitos formados en el haz reflejado por la superficie reflectante. Las dimensiones electricas del resonador equivalente dependen de la longitud y/o de la anchura electrica de las ranuras 202 y 203. Unos medios de calculo y de control adaptados para el control de las cargas localizadas variables de las celdas de la superficie reflectante permiten configurar el desfase deseado. Segun otro modo de realizacion, no hay reciclado de la forma del resonador equivalente; dicho de otra manera, el desplazamiento de fase de 360° puede comenzar y terminarse mediante dos configuraciones diferentes.
En la primera sub-gama, se excita una resonancia de tipo ranura, cuyo esquema equivalente se representa en la figura 5a. En esta primera sub-gama, la celda desfasadora se comporta con respecto a la onda incidente, como un circuito 501 LC paralelo.
En la segunda sub-gama, se excita una resonancia de tipo microtira, el esquema equivalente se representa en la figura 5b. En esta segunda sub-gama, la celda desfasadora se comporta con respecto a la onda incidente, como un circuito 502 LC serie. El plano de masa separado de la superficie conductora en la cara delantera puede representarse mediante una lfnea de transmision 504.
En resumen, la celda desfasadora de doble resonancia puede asimilarse a dos circuitos 503, 505 LC paralelo colocados en serie. En funcion de los valores de los parametros inductivos y capacitivos, la celda puede colocarse en un modo “ranura” como se ilustra en las figuras 5a y en las configuraciones 402, 403, 404, 405 de la figura 4, o en un modo “parche”, como se ilustra en la figura 5b, y en las configuraciones 406, 407, 408, 409, 401.
La celda desfasadora segun la invencion aporta una ventaja significativa con relacion a la de una celda desfasadora de la tecnica anterior, basandose en una unica resonancia (de tipo ranura o de tipo microtira). En efecto, para una celda de la tecnica anterior, es necesario realizar una excursion de 360° modificando los unicos parametros de longitud y anchura electricas del resonador. Esta limitacion conduce a unos comportamientos muy resonantes. Utilizando el hecho de que la celda se basa en unas resonancias de ranura y de microtira complementarias funcionando sobre unas gamas reducidas, se reducen significativamente las restricciones de resonancia, y es posible asf ampliar significativamente la banda pasante de la celda desfasadora.
La figura 5c representa un esquema equivalente de la celda desfasadora segun la invencion. En funcion de la configuracion de las cargas reconfigurables de la celda, esta pueda adoptar un comportamiento proximo a la configuracion “ranura” ilustrado en la figura 5a, o un comportamiento proximo a la configuracion “microtira” ilustrado en la figura 5b.
La figura 6a y la figura 6b representan unas celdas desfasadoras segun la invencion de MEMS capacitivos. La figura 6a representa al caso en el que las ranuras 640 de interconexion estan debilmente cargadas y en el que las cargas capacitivas de las ranuras 650 se varfan. La celda en una configuracion de ese tipo es equivalente a un resonador de tipo ranura en el que se varfan la longitud y la anchura electrica. La figura 6b representa el caso en el que se cargan las ranuras 640 de interconexion desde el punto de vista capacitivo y en la que se varfan las cargas capacitivas de las ranuras. La celda en una configuracion de ese tipo es equivalente a un resonador de “microtira” en el que se harfan variar la longitud y la anchura electrica.
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Segun el modo de realizacion de la figura 7, la celda 700 desfasadora radiante es de forma rectangular con cuatro primeras ranuras 702 y 703 y cuatro segundas ranuras 704. Se posicionan dos primeras ranuras 702 y 703, interconectadas mediante dos segundas ranuras 704, en una primera mitad de la superficie 708 conductora. Las dos otras primeras ranuras 702 y 703, interconectadas por las dos otras segundas ranuras 704, se posicionan en la segunda mitad de la superficie conductora del parche. Las primeras ranuras 702 y 703 tienen una anchura ffsica elegida ventajosamente para ser del mismo orden que la de las tiras 707 metalicas intermedias. Sin embargo, segun otros modos de realizacion, las anchuras de las ranuras 702 y 703 y de las tiras 707 metalicas intermedias pueden ser diferentes.
La celda 700 desfasadora de la figura 7 esta particularmente adaptada a la reflexion de las ondas incidentes de polarizacion lineal. Una parte 705 de la capa conductora separa las primeras ranuras 702 y 703 de la mitad superior de las primeras ranuras 702 y 703 de la mitad inferior del parche.
El encaminamiento de las senales de los controles a los microconmutadores dispuestos sobre una celda desfasadora constituye igualmente un problema. Este encaminamiento no debe perturbar la radiacion de la red reflectora. Ventajosamente, la invencion propone igualmente una respuesta a la resolucion de este problema.
Como se ha ilustrado en la figura 8a, para limitar las restricciones de enrutado, se propone una arquitectura de control distribuido. La informacion de control se transmite por ejemplo de manera digital a un circuito integrado especializado (ASIC) 801, colocado en la proximidad de las cargas variables controladas, en la cara posterior 810 del plano de antena. Este circuito transforma la informacion recibida en senal de control adaptada para cada carga controlada. Una dificultad consiste por tanto en enrutar estas senales de control de la cara posterior hacia cada carga situada sobre la cara delantera 820 de la red reflectora, sin perturbar el funcionamiento electromagnetico de las celdas radiantes.
En una primera realizacion, ilustrada en la figura 8a, el panel esta constituido por un sustrato dielectrico microcapa sobre el que se situan en la cara delantera los chips de radiofrecuencia (RF), que comprenden el motivo metalico de la celda, y los MEMS. Estos chips de RF se denominan entonces monolfticos, y se realizan por ejemplo en cuarzo, sflice fundida o aluminio. El sustrato dielectrico, por ejemplo en RO 4003 realiza la funcion de separador entre los chips de RF 803 y el plano de masa, y realiza los pasos de las senales de controles hacia los chips de DC situados en la cara posterior del sustrato. El encaminamiento de las senales de controles en la cara delantera se realiza entonces el seno de los chips de RF. Los procedimientos microelectronicos pueden utilizarse para realizar las lfneas resistivas, al menos por seccion, en el entorno en el que estas lfneas cruzan unas ranuras.
En una segunda realizacion ilustrada en la figura 8b, el panel esta constituido por un sustrato dielectrico multicapa sobre el que se graba el motivo 851 metalico de la celda, y sobre el que se situan unos componentes MEMS 853. Se trata entonces de un concepto hfbrido.
Como se ha ilustrado en la figura 9, es posible disponer unas vfas 901 de controles en la periferia de la celda (en el marco 908), o en su centro, sin alterar fundamentalmente su funcionamiento. Tambien, la disposicion periodica de los pasos metalicos en la periferica podra tener el mismo efecto que un muro periferico metalico que conecte el marco 908 y el plano de masa. Varias de estas vfas podrfan utilizarse entonces para encaminar unas senales de control desde la cara posterior hacia la cara delantera. Es igualmente posible conectar el parche central de la celda 903 al plano de masa mediante un paso metalico sin modificar significativamente su comportamiento electrico. Puede implantarse igualmente una via 902 de control en este entorno. Cuando esta via se utiliza para el control, debe aislarse del motivo para evitar cualquier riesgo de cortocircuito electrico.
Una dificultad consiste entonces en enrutar en la cara delantera esta senal de control sin alterar el funcionamiento de la celda desfasadora. Si la tecnologfa permite realizar unas lmeas muy resistivas (tfpicamente 10 kQ), los controles pueden encaminarse a los MEMS sin precauciones particulares. Las pistas de control pueden atravesar por ejemplo las ranuras resonantes sin alterar su comportamiento. Puede recomendarse sin embargo igualmente no utilizar estas lfneas resistivas mas que con moderacion, para que la impedancia total de la lfnea no sea demasiado grande. Este es el caso por ejemplo si se utiliza un dispositivo de diagnostico, permitiendo verificar si el microconmutador se ha activado correctamente. En este caso, la lfnea de control podra ser resistiva por seccion, correspondiendo estas secciones a los pasos de las ranuras.
La figura 10 presenta otro modo de realizacion de una celda desfasadora radiante segun la invencion. La celda comprende una pluralidad de elementos conductores 1001, 1002 en la forma, por ejemplo, de motivos impresos sobre un sustrato dielectrico. La celda comprende un elemento conductor 1001 central y cuatro elementos conductores 1002 perifericos colocados alrededor de este primer elemento conductor 1001, formando los centros de los cuatro elementos conductores 1002 perifericos un cuadrado en el centro del que se coloca el elemento conductor 1001 central. Se intercalan unos elementos conductores 1004 de interconexion entre cada uno de los elementos conductores 1001, 1002.
Los elementos conductores 1001, 1002 se unen con los elementos conductores 1004 de interconexion mediante unas cargas 1006 capacitivas variables y controladas.
Debido a sus reducidas dimensiones, un elemento conductor 1001 no permite, por sf mismo, crear un modo
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resonante. Es la interconexion de estos elementos conductores la que puede permitir establecer un modo de ese tipo.
En el ejemplo, cada elemento conductor tiene un motivo en la forma de cruz de cuatro ramas ortogonales, de manera que para unos elementos conductores alineados, los extremos de las ramas de las cruces pertenezcan a dos cruces adyacentes que esten proximas y facilmente conectables mediante un elemento conductor 1004 de interconexion.
Se disponen unas cargas 1005 capacitivas variables y controladas en interfaz entre los elementos conductores 1004 de interconexion y los extremos de las ramas de las cruces que forman los elementos conductores 1001, 1002.
La figura 11 ilustra una pluralidad de configuraciones tomadas sucesivamente por una misma celda desfasadora tal como la presentada en la figura 10.
En una primera configuracion 1101, la celda se comporta como un parche metalico completo. Todos los elementos conductores se unen mediante unas cargas capacitivas. Esta primera configuracion 1101 puede, por ejemplo, utilizarse para operar un desfase de la onda incidente de aproximadamente 180°.
En una segunda configuracion 1102, las cargas 1110 capacitivas centrales —aquellas que en el ejemplo se colocan en interfaz entre el elemento conductor central y los elementos conductores de interconexion— se disminuyen, de manera que la celda se comporte como una abertura en el plano de masa, dicho de otra manera, como una ranura 1150 anular. La celda tiene un comportamiento inductivo. Esta segunda configuracion 1102 puede corresponder a un desfase que se aleja progresivamente de los 180° para alcanzar, por ejemplo, aproximadamente 80° cuando las capacidades centrales estan totalmente descargadas.
En una tercera configuracion 1103, las cargas 1120 capacitivas perifericas —es decir aquellas que en el ejemplo se colocan en interfaz entre los elementos conductores perifericos y los elementos conductores de interconexion— se disminuyen, de manera que se atenue el comportamiento inductivo en beneficio del comportamiento capacitivo de la celda radiante. Esta tercera configuracion 1103 puede corresponder a una variacion del desfase comprendida entre 80° (segunda configuracion 1102) y -20° cuando las capacidades perifericas s estan totalmente descargadas.
En una cuarta configuracion 1104, las cargas 1110 capacitivas centrales se incrementan, mientras que las cargas capacitivas perifericas se mantienen descargadas. La celda tiene, en esta cuarta configuracion 1104, un comportamiento capacitivo. Esta cuarta configuracion 1104 puede corresponder a una variacion del desfase comprendido entre -20° y -50°.
En una quinta configuracion 1105, las cargas capacitivas centrales se incrementan hasta encontrar el estado de la primera configuracion 1101, pudiendo corresponder esta configuracion, en el ejemplo, a un desfase aplicado a la serial incidente entre -50° y -180°. La celda encuentra su estado inicial correspondiente a un parche metalico completo.
La figura 12 ilustra unos medios de encaminamiento de las senales de control hacia una celda desfasadora tal como la de la figura 10.
Se realizan unas vfas 1210 a la altura de los centros de las cruces que forman los elementos conductores. El enrutado de los controles puede efectuarse a la altura inferior de la superficie de la celda.
La celda desfasadora segun la invencion presenta varias ventajas con respecto a las soluciones del estado de la tecnica.
Una primera ventaja es que la celda desfasadora es adecuada para presentar dos resonancias complementarias, una primera resonancia mediante un resonador equivalente de tipo ranura y una segunda resonancia por un resonador equivalente de tipo parche. Esto permite evitar la presencia de modos grandemente resonantes, y limitar de ese modo la sensibilidad de las celdas a las variaciones de frecuencia. El valor de fase evoluciona asf de manera mucho mas lineal en funcion de la frecuencia de la senal fuente, evitando de ese modo unos saltos de fase bruscos. La celda desfasadora segun la invencion es utilizable sobre una banda de frecuencias mas grande (por ejemplo 30 % de la banda).
Una segunda ventaja es la disminucion de los efectos parasitos de una red reflectora tal como se describe en la solicitud de patente FR 0450575 debido a que no hay una gran ruptura entre dos celdas adyacentes que constituyan la red reflectora. Esto es posible gracias a la posibilidad de cubrir un desplazamiento de fase de 360° mediante el ciclo de control de las cargas localizadas variables que permiten minimizar la variacion en frecuencia de la fase.
Gracias a la invencion, es posible concebir una red reflectora para una antena cuya superficie este cubierta de celdas desfasadoras radiantes segun la invencion. Estas ultimas se controlan para introducir un desfase elegido sobre una onda incidente, cada una de las celdas adyacentes esta controlada de manera que el resonador equivalente tenga una configuracion proxima a la de la celda adyacente. La invencion se aplica particularmente en las antenas de red reflectora embarcadas sobre un vehfculo movil, tal como, por ejemplo, una antena de satelite de
telecomunicacion.
La celda puede utilizarse en paneles de satelite destinados a una utilizacion en la banda Ku o en la banda Ka a la vez en emision y en recepcion. Como ejemplo, las celdas desfasadoras segun la invencion pueden emplearse alrededor de 20 GHz para la emision y alrededor de 30 GHz para la recepcion.
Claims (14)
- 5101520253035404550551. Celda desfasadora radiante que comprende una pluralidad de elementos conductores (207, 209, 1001, 1002) formados en la superficie de un sustrato, por encima y a distancia de un plano de masa, estando separados dichos elementos conductores por unas ranuras (202, 203, 204), formando la disposicion de las ranuras (204) un resonador equivalente cuya forma electrica configura el desfase aplicado sobre una onda a reflejar, comprendiendo dicha celda unas cargas (206, 1005) variables controladas adecuadas para hacer variar la longitud y/o la anchura electrica de dichas ranuras, disponiendose los elementos conductores (207, 209, 1001, 1002) y las cargas (206, 1005) variables controladas para que segun al menos una primera configuracion de dichas cargas, se forme una superficie conductora anular de senales de hiperfrecuencia con el fin de crear un resonador de dominancia inductiva, y para que segun al menos una segunda configuracion, se forme una ranura alrededor de al menos un elemento conductor (209, 1001) central con el fin de crear un resonador de dominancia capacitiva, caracterizada porque dicha superficie conductora esta formada por una pluralidad de elementos conductores (207, 1002) que rodean dicho elemento conductor central (209, 1001) y separados entre si por dichas ranuras (204) que presentan una orientacion radial con relacion a dicho elemento conductor central.
- 2. Celda desfasadora radiante segun la reivindicacion 1, en la que los elementos conductores (207, 1002) que forman la superficie conductora estan situados en la periferia, uniendose cada uno de dichos conductores (207, 1002) perifericos al conductor (209, 1001) central y a los conductores perifericos vecinos por medio de cargas (206, 1005) capacitivas controladas.
- 3. Celda desfasadora radiante segun la reivindicacion 1 o 2, en la que los elementos conductores (1001, 1002) tienen forma de cruz de cuatro ramas alineadas segun varias filas, perteneciendo la cruz a dos filas sucesivas que estan desfasadas unas con relacion a otras, estando unidas las cruces por medio de cargas capacitivas variables controladas.
- 4. Celda (200) desfasadora radiante segun la reivindicacion 1 o 2, en la que dicha superficie conductora esta formada por unas tiras (207) conductoras enmarcadas por unas ranuras (202, 203) anulares estando unidas dichas tiras mediante unas cargas (206) capacitivas adecuadas para modificar la longitud y/o la anchura electrica de dichas ranuras (204) que presentan una orientacion radial, formando unas ranuras de interconexion de dichas ranuras anulares (202, 203).
- 5. Celda desfasadora radiante segun una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en la que, cuando la celda esta en la primera configuracion, las cargas que unen entre si los elementos conductores (207, 1002) perifericos estan activadas, las cargas que unen el elemento conductor (209, 1001) central a los elementos conductores (207, 1002) perifericos estan desactivadas, de manera que se forma una ranura resonante cuya contribucion principal equivale a la de un circuito LC paralelo.
- 6. Celda desfasadora radiante segun la reivindicacion 5, en la que las cargas que unen entre si los elementos conductores (207, 1002) perifericos estan adaptadas para tomar unos valores multiples entre dos valores extremos para poder hacer variar las dimensiones de la ranura resonante equivalente progresivamente en funcion de dichos valores.
- 7. Celda desfasadora radiante segun una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, en la que, cuando la celda esta en la segunda configuracion, las cargas que unen entre si los elementos conductores (207, 1002) perifericos estan desactivadas, las cargas que unen el elemento conductor (209, 1001) central a los elementos conductores (207, 1002) perifericos estan activadas, de manera que se forma una microtira resonante cuya contribucion principal equivale a la de un circuito LC serie.
- 8. Celda desfasadora radiante segun la reivindicacion 7, en la que las cargas que unen el elemento conductor (209, 1001) central a los elementos conductores (207, 1002) perifericos estan adaptadas para tomar unos valores multiples entre dos valores extremos para poder hacer variar las dimensiones de la microtira resonante equivalente progresivamente en funcion de dichos valores.
- 9. Celda desfasadora segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las cargas que unen el elemento conductor (209, 1001) central a los elementos conductores (207, 1002) perifericos estan adaptadas para variar independientemente del valor de las cargas que unen entre si los elementos conductores (207, 1002) perifericos, de manera que el desplazamiento de fase aplicado a la onda incidente se descomponga en dos intervalos de desfase, siendo obtenidos los desfases aplicados en el primer intervalo con una configuracion de tipo ranura resonante, obteniendose los desfases aplicados en el segundo intervalo con una configuracion de tipo microtira resonante.
- 10. Celda desfasadora radiante segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las cargas variables y las dimensiones de los elementos conductores (207, 209, 1001, 1002) estan determinadas para que la configuracion de la celda que permite aplicar el desfase correspondiente al primer extremo del desplazamiento de fase sea identica a la configuracion de la celda que permite aplicar el desfase correspondiente al segundo extremo del rango.
- 11. Celda desfasadora radiante segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el desplazamiento de fase es de 360°.
- 12. Celda desfasadora radiante segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que los elementos conductores, las ranuras y las cargas capacitivas estan dispuestas sobre la celda segun un centro de simetrfa5 colocado en el centro de la celda.
- 13. Celda desfasadora radiante segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las cargas capacitivas son unos diodos, unos MEMS, o unas capacidades ferroelectricas.
- 14. Red reflectora que comprende una pluralidad de celdas desfasadoras radiantes segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, formando dichas celdas la superficie reflectante de la red.10 15. Antena que comprende una red reflectora segun la reivindicacion 14.
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