WO2021089902A1 - Elemento resonador multi-banda para realización de filtros, polarizadores y superficies selectivas en frecuencias - Google Patents

Elemento resonador multi-banda para realización de filtros, polarizadores y superficies selectivas en frecuencias Download PDF

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Miguel Alejandro Salas Natera
Roberto Garrote Moreno
Ramón MARTÍNEZ RODRÍGUEZ-OSORIO
Francisco Eduardo Carrasco Yepez
José Antonio ENCINAR GARCINUÑO
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    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole

Definitions

  • phased array antennas or electronically oriented or electronically scanned antennas
  • Phasor's core technology uses ASIC microprocessors, in which each ASIC is linked to a radiating "element", creating a digitally steerable beam antenna. Additionally, as this system immediately converts signals to digital, the architecture supports theoretically unlimited scalability, with no traditional losses associated with analog systems.
  • Kymeta's meta-materials technology is a novel and patented application of a new field in materials science. In effect, metamaterics "bend" radio waves to achieve electronically steered antenna functionality. This, together with a polarizing "film” covering the antenna, allows connectivity with communication satellites.
  • the authors propose a radiating element for antenna array. This element is designed to work in the L and C bands and the SAR (Synthetic Aperture Radar) system for which the element is designed requires a range of beam sweep angles of +/- 25 degrees.
  • the authors present a design of a group of antennas whose radiating elements share aperture, that is, they have in the same aperture of the antenna a radiating element for the transmission band and another element for the reception band. For this, they superimpose the transmission and reception elements in certain positions and thus share the area of the opening.
  • These elements of [2] transmit the signal through a rectangular slot to a circular cavity formed by pins in the case of the element that does not share position.
  • the invention in a similar way to that used in the previous case to separate the frequency bands, in the reference patent they propose to excite one of the frequencies through an inductive coupling, while the other frequency is done by coupling. capacitive by proximity. Microstrip lines are used at both frequencies to feed the single polarized radiating element.
  • the invention relates to a dual polarization radiating element with a lower patch to radiate in a first polarization and a second patch to radiate in a second orthogonal polarization. Furthermore, the invention relates to a dual-band dual polarization antenna assembly sharing aperture area.
  • the authors present a double-stacked patch as a double-band solution in K and Ka. This solution proposes feeding the active patch through a cross-shaped slot that limits, unlike the circular slot proposed in the present patent presented in [13], the sequential feeding to only four points.
  • the present invention which is based on a multi-band resonator element, solves the aforementioned problems, improving the axial ratio within an enlarged cone of vision of the radiating element under analysis and allowing multi-band dichroic sub-reflector designs, as well as in the implementation of filters with multiple cavity pass bands as a resonant element.
  • This improvement in the axial ratio consists of obtaining a purity of circular polarization less than or equal to 2dB for an observation range of + 1-15 degrees with respect to the axis or “broadside”.
  • multiband sub-reflectors can be made for S, C, X, Ku, K, Ka bands, etc. Being limited in the upper bands by the physical dimensions and the available manufacturing technologies. These multiband embodiments may contain, for example, the S, C and Ku bands, or the X, K and Ka bands, depending on the application and configuration of the antenna system with the dichroic sub-reflector under design.
  • This resonator element is made up of a series of “stubs” adjusted in frequencies and arranged radially on what would be a ring, thus making a ring of “stubs”, or linearly on the four sides on what would be a rectangle. , thus forming a rectangle of "stubs".
  • the length of the stubs, the width and separation of the tracks, and the radius of the ring that they form control the adaptation. of the patch with the medium in the opening of the antenna system and optimize the axial relationship with respect to the axis of symmetry or "broadside" direction as explained above.
  • the length of the “stubs” adjusts the central band, while the separation of the tracks of the “stubs” adjusts the central and upper bands.
  • the radius of the ring formed by the stubs adjusts the upper and lower bands.
  • dichroic sub-reflector In order to maximize transmission in a dichroic sub-reflector, it has been shown that it must have symmetry with respect to the impedances seen on both sides of it, and these must be separated by an effective distance of half a wavelength. Then, it is possible to implement two classes of dichroic sub-reflectors, one symmetric with two resonators formed by “stubs” on both faces, or a non-symmetric one with a resonator formed by “stubs” on one of its faces and a smooth resonator ring. on the other side.
  • the symmetrical configuration allows the lower and upper bands to be adjusted in reflection, while the center one adjusts in transmission.
  • the non-symmetric configuration allows the lower band to be adjusted in transmission, while the central and upper bands in reflection. Referring to reflection, to the ability to reflect electromagnetic waves on the surface of the dichroic sub-reflector, while, to transmission, to the ability to transmit electromagnetic waves through it.
  • Figure 1 shows the resonator element formed by a series of "stubs" (13.a or 13.b) adjusted in frequencies and arranged radially between inner rings (12.a) and outer rings (11.a), thus forming a ring of "stubs". They can also be arranged linearly on the four sides of a rectangle, with lower rings (12.b) and outer rings (11.b), thus forming a rectangle of "stubs".
  • Figure 2 shows a possible embodiment of the radiating element (20) of double band and double polarization formed with a resonator with C-type sections joined with stubs (21) formed with copper lines, it is superimposed on a corrugated cone of a Teflon-type material (22), in order to adapt the impedance seen inside the cavity (24) with that outside the resonator, inside the cavity there is a filter (23) formed by 4 resonators circular (23.a, 23.d, 23.g and 23.k) the same as those in Figure 1, supported on a layer of ceramic dielectric (23.b, 23.e, 23.h and 23.j), and separated with a “foam” type material (23.c, 23.f and 23.i), the purpose of which is to reduce the distance between each filter in the cavity by its dielectric constant, even if it is close to one.
  • a filter formed by 4 resonators circular (23.a, 23.d, 23.g and 23.k) the same as those in Figure
  • This design achieves circular polarizations with a purity less than or equal to 2dB for all angles belonging to the “Broadside” centered cone of vision.
  • the feeding of the design could be carried out by different techniques, such as, for example, by capacitive coupling with a feeder formed by a “stub” and a slot.
  • Figure 3 shows the design of the unit cell (30) that would configure a frequency-selective surface, to be used in dichroic sub-reflectors.
  • Component (31) is a layer of dielectric material (for example kapton), it is located in front of the copper resonator (32) to protect it from possible deterioration due to climatic phenomena, then there is another layer of dielectric material (for example kevlar) (33) and as in figure 2 a “foam” type material is placed or “Honeycomb” (34) to adjust the space with the next layer of “kevlar” (35) and “kapton” (36).
  • dielectric material for example kapton
  • Figure 4 shows the two unit cells (40), made up of two elements the same as those in figure 3, placed opposite each other, as the same element is the distance that separates the element (41) from the ( 42) is about half a wavelength because their impedances are equal.
  • the layers that make up the two cells are: (41.a) and (42.f) which consist of a layer of dielectric material (for example kapton), (41. b) and (42.e) which are the resonator of copper, (41.c) and (42. d) are another layer of dielectric material (for example kevlar), (41. d) and (42.c) are material of the “foam” or “honeycomb” type, (41 .e) and (42.
  • layers (41.f) and (42.a) are a new layer of “kapton”.
  • This distribution is used on a frequency selective dichroic surface of a communication system that can work simultaneously both in transmission and in reflection, presenting a double working band in the case of reflection, and a working band in the case of transmission, the two reflection bands are separated from each other by the transmission band.
  • the two reflection bands could be fed by a coaxial system, having the advantage of a simpler feeder design than that necessary for figure 4 since the two frequency bands that reflect the signal are further apart from each other.
  • any feeder dedicated to the corresponding band to which it has been tuned could be used.
  • Figure 5 shows two symmetric unit cells (50), this design presents a variation with respect to figure 4, and is the replacement of the resonator element (42.e) by a ring (52.e), the layers that form the design are: (51.a) and (52.f) which consist of a layer of dielectric material (for example kapton), (51. b) copper resonator and (52.e) which is a copper ring, (51 . c) and (52.d) are another layer of dielectric material (for example kevlar), (51. d) and (52.c) are material of the “foam” or “honeycomb” type, (51.
  • layers (51. f) and (52.a) are a new layer of “kapton”.
  • the distance that separates the element (51) from (52) is not half a wavelength, since the impedance of the ring (52.e) is not the same as that of the resonator element (51. b) , so this distance will vary depending on the specifications to be obtained.
  • unit cells are obtained placed on a frequency-selective dichroic surface of a communication system that can act simultaneously in transmission and reflection, having in this case a double working band in reflection and a working band for transmission, in this case the two reflection bands meet more closely than in the case of figure 4 the reflection bands.
  • the same strategy as that proposed for figure 4 would be used, or a double band non-coaxial feeder.
  • the same strategy is followed as for figure 4.
  • Figure 6 shows the response in adaptation (60) and reflection (61) of the design of figure 5, thus showing the three operating frequencies, two for reflection (61) and one for transmission (60).
  • Figure 7 shows the response in adaptation (70) and reflection (71) of the design of figure 4, thus showing the three operating frequencies, two for transmission (70) and one for reflection (71).
  • Figure 8 shows the response in axial relation optimized by the resonant element as opening polarizer, for the first design frequency (80) and the second design frequency (81), of figure 2.
  • Figure 9 shows the negative image of the two resonant elements presented in figure 1, that is, in the circular resonator, the new metal section is (91.a), while (92.a) is air or groove of a metal structure, in the same way in the rectangular shaped resonator, due to the design structure some metal lines (93.a) must be added to support the interior part of the design. The incorporation of these lines does not significantly affect the radiation characteristics of the element. Similarly, in the square design the new metal section is (91. b) and the air section is (92. b), it is also necessary to incorporate the metal lines (93.b) to be able to support the inner part.
  • Figure 10 shows a multi-band dipole that can be implemented as a complement to the previous resonators by joining two half-rings (102) and (103) through a stub (101), both in copper and in its negative version. (groove).
  • This element can be implemented to improve the axial relationship within an enlarged cone of vision of the radiating element under analysis, such as the one presented in Figure 2, which consists of an irises filter 23.a, 23.g, 23.d and 23.k, in the dielectric charge in the opening 22 that can be a shaped or corrugated cone, in a cavity 24 that contains the elements above, to work on two separate frequencies, and the multiband resonator element at aperture 21 that improves the relationship between the field components for large angles with respect to the axis or angles of elevation.
  • Figure 2 consists of an irises filter 23.a, 23.g, 23.d and 23.k, in the dielectric charge in the opening 22 that can be a shaped or corrugated cone, in a cavity 24 that contains the elements above, to work on two separate frequencies, and the multiband resonator element at aperture 21 that improves the relationship between the field components for large angles with respect to the axis or angles of elevation.
  • This improvement of the axial ratio consists of obtaining a purity of circular polarization less than or equal to 1.5dB for an observation range of + 1-15 degrees, or less than or equal to 2dB for an observation range of +/- 85 degrees, with respect to the axis or "broadside" or axis.
  • This element can also be implemented in multi-band dichroic sub-reflector designs.
  • These multi-band sub-reflectors can be realized for practically any ratio of bands with the normalized frequency response presented in Figures 6 and 7, for the non-symmetric and symmetric configurations, respectively.
  • These bands can be, for example: [S, C, X], [Ku, K, Ka], [X, K, Ka], etc.
  • these implementations in dichroic sub-reflectors limited in the upper bands by the physical dimensions and the available manufacturing technologies.
  • the length of the stubs in Figure 2 the width and spacing of the closest tracks in Figure 1
  • the radius of the ring that the set of stubs forms are adjusted to improve adaptation of the resonant patch or cavity with the medium at the opening of the antenna. In addition, they optimize the axial relationship with respect to the axis of symmetry or "broadside" direction as explained above.
  • dichroic sub-reflector In order to maximize transmission in a dichroic sub-reflector, it has been shown that it must have symmetry with respect to the impedances seen on both sides of it, and these must be separated by an effective distance of approximately half a wavelength in practice. as represented in Figures 4 and 5. Then, it is possible to implement two kinds of dichroic sub-reflectors based on the multi-band resonator elements of Figure 1 and the periodic cell of Figure 3. That is, one symmetrical with two resonators formed by “stubs” 41. b and 42.e on both faces in Figure 4, or a non-symmetric one with a resonator formed by “stubs” 51. b on one of its faces and a smooth resonator ring 52.e on the other side in Figure 5.
  • the symmetric configuration allows adjusting the lower and upper bands in reflection, while the central one is adjusted in transmission as can be seen in Figure 7.
  • the non-symmetric configuration allows adjusting the lower band in transmission, while the bands central and superior in reflection as can be seen in Figure 6.
  • the slots presented in Figure 9 can also be implemented, to implement different designs and manufacturing techniques.
  • the adjustable dipole of Figure 10 can be inserted within the previous elements depending on the polarization of the system and its multi-band application.

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Abstract

Elemento resonador multi-banda, que por un lado compensa las componentes de un campo electromagnético radiado desde su centro de fase ubicado en el eje de simetría del resonador para controlar la pureza de polarización de un elemento radiante. Por otro lado, permite seleccionar los campos electromagnéticos reflejados y transmitidos en una superficie selectiva en frecuencia y multi-banda. En este sentido, es un elemento innovador que permite el diseño de elementos radiantes directivos y con relación axial para su polarización circular menor o igual a 1.5 dB para todos los ángulos pertenecientes a la semiesfera centrada en "broadside". Así mismo, este puede ser utilizado en el diseño de reflectarrays, transmitarrays y cualquier superficie dicroica multi- banda, así como en superficies de metamateriales.

Description

ELEMENTO RESONADOR MULTI-BANDA PARA REALIZACIÓN DE FILTROS, POLARIZADORES Y SUPERFICIES SELECTIVAS EN FRECUENCIAS
DESCRIPCIÓN
SECTOR TÉCNICO
Electrónica, Tecnologías de la información y las comunicaciones, Tecnologías aeronáuticas y navales, Tecnologías de los materiales, Tecnologías agrarias y forestales, Tecnología y producción industriales.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Actualmente existe la necesidad de proveer soluciones que permitan mejorar los sistemas de antenas actuales para comunicaciones por satélite y cumplir con los requisitos actuales y futuros, en especial, los requisitos de apuntamiento fino, bajo perfil y bajo peso. Estos requisitos son esenciales para que los sistemas de antenas para las aplicaciones SATCOM móviles consigan tomar una posición en el mercado tal que los sistemas de comunicaciones por satélite comiencen a ser competitivos en diferentes escenarios.
La tecnología de phased array antennas, o antenas orientadas electrónicamente o con barrido electrónico, promete la implementación de antenas planas como solución a requisitos de bajo perfil para cualquier tipo de vehículo, es decir, perfectas para sistemas de comunicaciones de bajo perfil y en movimiento, pero las opiniones difieren en cuanto a su viabilidad comercial.
Hasta ahora, estas antenas planas (o phased array) han sido prohibitivamente caras y en su mayoría limitadas al uso militar. Sin embargo, al menos dos compañías, Phasor, Inc. (www.phasorsolutions.com) y Kymeta Corp. (www.kymetacorp.com) están desarrollando nuevas tecnologías y nuevos enfoques para llevar las antenas de bajo perfil al mercado.
La tecnología core de Phasor usa microprocesadores ASIC, en el que cada ASIC está vinculado a un "elemento" radiante, creando una antena con haz orientable digitalmente. Además, como este sistema convierte inmediatamente señales a digital, la arquitectura soporta escalabilidad en teoría ilimitada, sin pérdidas tradicionales asociadas con sistemas analógicos. La tecnología de meta-materiales de Kymeta es una aplicación patentada y novedosa de un nuevo campo en la ciencia de los materiales. Efectivamente, los meta- mate ría les "doblan" las ondas de radio para lograr la funcionalidad de antena dirigida electrónicamente. Esto, junto con una "película" polarizadora que cubre la antena, permite la conectividad con los satélites de comunicaciones.
Estos diseños, algunos en bandas diferentes a las bandas K/Ka y otros que simplemente proponen un array de antenas o apertura para cada banda de frecuencia, no proponen aún una solución doble banda y doble polarización que permita reducir drásticamente el volumen, peso y coste de los sistemas de antena para los terminales de comunicaciones móviles o fijos por satélite. En este sentido, nuevas soluciones y tecnologías de antenas se deben explorar.
Se ha trabajado para buscar soluciones innovadoras para proporcionar sistemas de antenas capaces de proveer barrido del haz en sistemas ultra compactos.
En el estado del arte encontramos artículos científicos que presentan array de antenas de doble banda con elementos distintos que comparten la apertura del sistema de antena. La alimentación de los elementos de la antena en estos casos puede ser diversa, aunque no optimizan las prestaciones que puede ofrecer una alimentación por acoplo con ranura. Por otro lado, existen patentes que presentan elementos radiantes de doble banda y multi-banda, y elementos con doble polarización. A continuación, presentamos la discusión del estado del arte con los elementos significativos que se pueden comparar objetivamente elementos radiantes de doble banda y doble polarización en términos de sus características de diseño, especificaciones y prestaciones.
En [1] los autores proponen un elemento radiante para arreglo de antenas. Este elemento está diseñado para trabajar en las bandas L y C y el sistema SAR (Synthetic Aperture Radar) para el que está diseñado el elemento requiere un rango de ángulos de barrido de haz de +/- 25 grados. En [2] los autores presentan un diseño de una agrupación de antenas cuyos elementos radiantes comparten apertura, esto es, que posee en la misma apertura de la antena un elemento radiante para la banda de transmisión y otro elemento para la banda de recepción. Para esto, superponen los elementos de transmisión y recepción en determinadas posiciones y así comparten el área de la apertura. Estos elementos de [2], transmiten la señal a través de una ranura rectangular a una cavidad circular formada por pines en el caso del elemento que no comparte posición. En el caso de los elementos que comparten posición, para la banda alta se repite la estructura mientras que para la banda baja los autores proponen una estructura de cavidad coaxial que rodea al elemento de frecuencia más alta. Autores en [3] proponen un sistema de arreglo de antenas para radares de apertura sintética de doble banda y doble polarización. Al igual que en el caso anterior, el arreglo de antenas está compuesto por dos elementos que trabajan en bandas diferentes pero que comparte el área de la apertura de la antena. Las bandas de operación de este sistema de antena son las bandas C y X. Con la misma filosofía de compartir el área de la apertura de la antena con diferentes elementos sintonizados en las diferentes bandas de trabajo los autores en [4] proponen un array de antenas para trabajar en las bandas de frecuencia de 1 y 2 GHz con dipolos doblados en C y dispuestos especularmente como elementos radiantes. La alimentación de los elementos es directa por medio de un puerto coaxial a cada par de dipolos. Los autores en [5] presentan un elemento de doble polarización que trabaja en una sola banda (V) con una estructura multicapa en guía de onda basado en Gap Waveguide Technology. Estos elementos radiantes no presentan una optimización de las prestaciones en cuanto a la pureza de polarización o relación axial apropiada para aplicaciones de baja direcciones de apuntamiento o de llegada.
En cuanto a elementos radiantes presentados en el estado del arte de forma individual para luego ser utilizados en arreglos de antenas sin ningún otro propósito, a continuación, presentamos los elementos patentados relacionados con la invención. Los autores en [6] presentan un elemento complementario alimentado por una ranura rectangular que a su vez está alimentada por una estructura en micro-strip. Este elemento es de banda única y polarización lineal única, pero muestra el concepto de alimentación por ranura. En [7] se propone una antena de doble banda para arreglos de antenas adaptativos por diferencias de fase, pero utilizan un arreglo de antena para cada banda de frecuencia y éstos están diferenciados por un diplexor. Por otro lado, los autores en [8] proponen un elemento compacto de polarización simple circular, pero de doble banda que comprende un divisor de potencia pasivo en tecnología de micro-strip que alimenta unas ranuras en cruz y con éstas se acopla a un parche rectangular con elementos multi-resonantes. Por otro lado, un elemento radiante de doble banda para un radar de apertura sintética es presentado en [9] En este caso proponen una alimentación a los elementos radiantes a través de una ranura cuadrada o cavidad que excita una ranura en forma de anillo. Este último no presenta elementos resonantes para realizar una selección de las bandas en la apertura. En [10], de forma parecida a la que utilizan en caso anterior para separar las bandas de frecuencias, en la patente de la referencia proponen excitar a través de un acoplo inductivo una de las frecuencias, mientras que la otra frecuencia se hace por acoplo capacitivo por proximidad. En ambas frecuencias se utilizan líneas microstrip para alimentar el elemento radiante de polarización simple. En [11], la invención se refiere a un elemento radiante de doble polarización con un parche inferior para radiar en una primera polarización y un segundo parche para radiar en una segunda polarización ortogonal. Además, la invención se refiere a un conjunto de antena de polarización dual de doble banda compartiendo área de la apertura. En [12], los autores presentan un parche doble apilado como solución de doble banda en K y Ka. Esta solución propone la alimentación del parche activo mediante una ranura en forma de cruz que limita, a diferencia de la ranura circular propuesta en la presente patente presentada en [13], la alimentación secuencial a solo cuatro puntos.
Respecto a las realizaciones en superficies selectivas en frecuencia como reflectarrays y transmitarrays, asi como en subreflectores dicroicos y metasuperficies, encontramos en el estado del arte los siguientes desarrollos. En [14] se configura un anillo cargado con “stubs” de dos tipos, unos de tipo “interruptor” y otros sin “interruptor”, de este modo se pueden “conectar” o “desconectar” “stubs” del anillo en función de las necesidades del sistema, el motivo de tener “stubs” sin interruptor es para cambiar el diámetro efectivo del anillo y su respuesta, que mediante las distintas configuraciones de estos se consiguen distintas frecuencias de resonancia y respuestas en reflexión. En [15] se diseña un anillo con dos stubs cortos cargados con una pequeña sección rectangular, con estos dos últimos componentes se modifican las dos frecuencias de resonancia que aparecen en el diseño de este elemento. Por otro lado, los autores en [16] presentan un elemento de doble banda para superficies selectivas en frecuencia basado en resonadores LC dispuestos en paralelo. Este elemento requiere de la implementación de vías metalizadas y múltiples estructuras resonantes en ambas caras, haciendo su fabricación compleja y costosa. Es importante resaltar que los autores demuestran que con una estructura el ancho de banda obtenido es de banda estrecha, y que para obtener una transmisión de banda ancha con esta estructura es necesaria la implementación de varias estructuras resonantes a diferentes frecuencias en una celda unitaria.
Autores en [17] presentan el diseño de una superficie dicroica que trabaja en frecuencias desde 50.2 GHz hasta 230 GHz para el instrumento a bordo del satélite MetOp de segunda generación. Para este diseño, los autores proponen elementos en forma de C que conforman dos ranuras multi-resonantes, una recta y otra en forma de anillo. Este elemento no es apropiado para todas las incidencias oblicuas cuento estas no varíen solo que Theta sino que también lo haga en Phi. Por otro lado, autores en [18] presentan un elemento complejo para su fabricación que es utilizado para el diseño de superficies selectivas en frecuencia en sistemas de tres bandas. Este elemento está basado en tecnología SIW (Substrate Integrated Waveguide) conformando una cavidad con filtro de irises rectangulares.
Ninguno de los trabajos anteriores resuelve por un lado, la optimización de la relación axial para bajos ángulos de observación de un elemento radiante unitario, como tampoco la implementación de una superficie dicroica multibanda con la flexibilidad de configurar las bandas en transmisión y reflexión.
Referencias
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DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención, que se basa en un elemento resonador multi-banda, resuelve los problemas anteriormente mencionados, mejorando la relación axial dentro de un cono ampliado de visión del elemento radiante bajo análisis y permitiendo diseños de sub reflectores dicroicos multi-banda, como también en la implementación de filtros con múltiples bandas de paso en cavidad como elemento resonante.
Esta mejora de la relación axial consiste en obtener una pureza de polarización circular menor o igual a 2dB para un rango de observación de +1-15 grados respecto al eje o “broadside”. Por otro lado, los sub-reflectores multibanda pueden realizarse para las bandas S, C, X, Ku, K, Ka, etc. Estando limitados en las bandas superiores por las dimensiones físicas y las tecnologías de fabricación disponibles. Estas realizaciones multibanda, pueden contener, por ejemplo, las bandas S, C y Ku, o las bandas X, K y Ka, dependiendo esto de la aplicación y configuración del sistema de antena con sub-reflector dicroico bajo diseño.
Este elemento resonador está formado por una serie de “stubs” ajustados en frecuencias y dispuesto de forma radial sobre lo que sería un anillo, realizando así un anillo de “stubs”, o de forma lineal sobre los cuatro lados sobre lo que sería un rectángulo, formando así un rectángulo de “stubs”.
Para el caso de aplicación en la apertura de elementos radiantes para mejorar la relación axial de elementos radiantes o antenas, la longitud de los “stubs”, el ancho y separación de las pistas, y el radio del anillo que estos forman, controlan la adaptación del parche con el medio en la apertura del sistema de antena y optimizan la relación axial respecto al eje de simetría o dirección de “broadside” como se ha explicado anteriormente.
Para el caso de aplicación en sub-reflectores dicroicos, la longitud de los “stubs” ajusta la banda central, mientras que la separación de las pistas de los “stubs” ajusta las bandas central y superior. El radio del anillo formado por los “stubs” ajusta las bandas inferior y superior. Por último, otra variable importante para el diseño de un sub-reflector dicroico, utilizando cualquier resonador, es la del periodo de la celda utilizada. Esta variable para el caso concreto de la invención aquí presentada, ajusta todas las bandas, pero siendo su impacto mayor en las bandas inferior y superior. Con este conjunto de parámetros y directrices es posible diseñar el elemento resonante dentro de una celda periódica para su implementación en un sub-reflector dicroico que trabaje en un conjunto de bandas específicas.
Para poder maximizar la transmisión en un sub-reflector dicroico, este está demostrado que debe tener simetría respecto a las impedancias vistas en ambas caras del mismo, y éstas deben estar separadas en una distancia efectiva de media longitud de onda. Entonces, es posible implementar dos clases de sub-reflectores dicroicos, uno simétrico con dos resonadores formados por “stubs” en ambas caras, o uno no-simétrico con un resonador formado por “stubs” en una de sus caras y un anillo resonador liso en la otra cara.
La configuración simétrica permite ajustar las bandas inferior y superior en reflexión, mientras que la central se ajusta en transmisión. Por otro lado, la configuración no- simétrica permite ajustar la banda inferior en transmisión, mientras que las bandas central y superior en reflexión. Refiriéndose a reflexión, a la capacidad de reflejar las ondas electromagnéticas en la superficie del sub-reflector dicroico, mientras que, a transmisión, a la capacidad de transmitir las ondas electromagnéticas a través del mismo.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para completar la descripción de la invención y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de sus características, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización de la misma, se acompaña un conjunto de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se han representado las siguientes figuras:
La Figura 1 presenta el elemento resonador formado por una serie de “stubs” (13.a o 13.b) ajustados en frecuencias y dispuesto de forma radial entre unos anillos interiores (12.a) y unos anillos exteriores (11.a), formando así un anillo de “stubs”. También pueden estar dispuestos de forma lineal sobre los cuatro lados de un rectángulo, con anillos inferiores (12.b) y anillos exteriores (11.b), formando así un rectángulo de “stubs”.
La figura 2 muestra una posible realización del elemento radiante (20) de doble banda y doble polarización formado con un resonador con secciones tipo C unidas con stubs (21) formado con líneas de cobre, se encuentra superpuesto sobre un cono corrugado de un material de tipo teflón (22), con el fin de adaptar la impedancia vista dentro de la cavidad (24) con la exterior al resonador, en el interior de la cavidad se encuentra un filtro (23) formado por 4 resonadores circulares (23.a, 23.d, 23.g y 23.k) iguales que los de la Figura 1, soportados sobre una capa de dieléctrico cerámico (23.b, 23.e, 23.h y 23.j), y separados con un material de tipo “foam” (23.c, 23.f y 23.i), cuya finalidad es hacer disminuir la distancia entre cada filtro de la cavidad por la constante dieléctrica de ésta, aunque sea cercana a uno. Por lo anterior, con materiales dieléctricos de constante dieléctrica mayor, obtendremos un filtro más compacto, pero esto puede suponer aumentar considerablemente las pérdidas. Este diseño obtiene polarizaciones circulares con una pureza menor o igual a 2dB para todos los ángulos pertenecientes al cono de visión centrado en “Broadside”. La alimentación del diseño se podría realizar mediante diferentes técnicas, como, por ejemplo, por acoplo capacitivo con un alimentador formado por un “stub” y una ranura.
La figura 3 muestra el diseño de la celda unitaria (30) que configuraría una superficie selectiva en frecuencia, para ser utilizada en sub-reflectores dicroicos .El componente (31) es una capa de material dieléctrico (por ejemplo kapton), se encuentra delante del resonador de cobre (32) para protegerlo de posibles deterioros debido a fenómenos climáticos, seguidamente hay otra capa de material dieléctrico (por ejemplo kevlar) (33) y al igual que en la figura 2 se coloca un material de tipo “foam” o “honeycomb” (34) para ajustar el espacio con la siguiente capa de “kevlar” (35) y “kapton” (36).
La figura 4 muestra las dos celdas unitarias (40), formadas por dos elementos iguales que los de la figura 3, colocados de manera opuesta el uno del otro, al ser el mismo elemento, la distancia que separa el elemento (41) del (42) es de aproximadamente media longitud de onda debido a que sus impedancias son iguales. Las capas que forman las dos celdas son: (41.a) y (42.f) que consisten en una capa de material dieléctrico (por ejemplo kapton), (41. b) y (42.e) que son el resonador de cobre, (41.c) y (42. d) son otra capa de material dieléctrico (por ejemplo kevlar), (41. d) y (42.c) son material de tipo “foam” o “honeycomb”, (41.e) y (42. b) vuelve a ser una capa de “kevlar”, y finalmente las capas (41.f) y (42.a) son una nueva capa de “kapton”. Esta distribución se emplea sobre una superficie dicroica selectiva en frecuencia de un sistema de comunicaciones que puede trabajar simultáneamente tanto en transmisión como en reflexión, presentando doble banda de trabajo en el caso de reflexión, y una banda de trabajo en el caso de transmisión, las dos bandas de reflexión se encuentran separadas entre ellas por la banda de transmisión. Las dos bandas de reflexión se podrían alimentar mediante un sistema coaxial, teniendo la ventaja de un diseño de alimentador más sencillo que el necesario para la figura 4 ya que las dos bandas de frecuencia que reflejan la señal se encuentran más separadas entre sí. Para la alimentación de la banda de transmisión se podría utilizar cualquier alimentador dedicado a la banda correspondiente a la que se ha sintonizado.
La figura 5 muestra dos celdas unitarias simétricas (50), este diseño presenta una variación respecto a la figura 4, y es la sustitución del elemento resonador (42.e) por un anillo (52.e), las capas que forman el diseño son: (51.a) y (52.f) que consisten en una capa de material dieléctrico (por ejemplo kapton), (51. b) resonador de cobre y (52.e) que es un anillo de cobre, (51. c) y (52.d) son otra capa de material dieléctrico (por ejemplo kevlar), (51. d) y (52.c) son material de tipo “foam” o “honeycomb”, (51. e) y (52.b) vuelve a ser una capa de “kevlar”, y finalmente las capas (51. f) y (52.a) son una nueva capa de “kapton”. En este caso la distancia que separa al elemento (51) del (52) no es de media longitud de onda, ya que la impedancia del anillo (52.e), no es la misma que la del elemento resonador (51. b), con lo que esta distancia variará en función de las especificaciones a obtener. Con esta variación se obtienen las celdas unitarias colocadas sobre una superficie dicroica selectiva en frecuencia de un sistema de comunicaciones que puede actuar de manera simultánea en transmisión y reflexión, teniendo en este caso doble banda de trabajo en reflexión y una banda de trabajo para transmisión, en este caso las dos bandas de reflexión se encuentran más cercanamente que en el caso de la figura 4 las bandas de reflexión. Para la alimentación de las bandas de reflexión se utilizaría la misma estrategia que la propuesta para la figura 4, o un alimentador no coaxial de doble banda. Para la banda de transmisión se sigue la misma estrategia que para la figura 4.
Figura 6 muestra la respuesta en adaptación (60) y reflexión (61) del diseño de la figura 5, mostrándose así las tres frecuencias de funcionamiento, dos para la reflexión (61) y una para la transmisión (60). Figura 7, muestra la respuesta en adaptación (70) y reflexión (71) del diseño de la figura 4, mostrándose así las tres frecuencias de funcionamiento, dos para la transmisión (70) y una para la reflexión (71).
La figura 8 muestra la respuesta en relación axial optimizada por el elemento resonante como polarizador en apertura, para la primera frecuencia de diseño (80) y la segunda frecuencia de diseño (81), de la figura 2.
La figura 9 muestra la imagen en negativo de los dos elementos resonantes presentados en la figura 1, es decir, en el resonador circular, la nueva sección de metal es la (91.a), mientras que la (92.a) es de aire o en ranura de una estructura de metal, de igual modo en el resonador de forma rectangular, debido a la estructura del diseño se deben añadir unas líneas metálicas (93.a) para soportar la parte interior del diseño. La incorporación de estas líneas no afecta de manera significativa a las características de radiación del elemento. De igual manera, en el diseño cuadrado la nueva sección de metal es la (91. b) y la sección de aire es la (92. b), también es necesaria la incorporación de las líneas metálicas (93.b) para poder soportar la parte interior.
La figura 10 muestra un dipolo multi-banda que puede ser implementado como complemento de los resonadores anteriores mediante la unión de dos semianillos (102) y (103) a través de un stub (101), tanto en cobre como en su versión de negativo (ranura).
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Con referencia a la numeración adoptada en las figuras descritas anteriormente, se profundiza a continuación en la descripción de la presente invención, la cual se basa en un elemento resonador multi-banda, como el representado en la Figura 1, que está formado por una serie de “stubs” (13.a o 13.b) ajustados en frecuencias y dispuesto sobre lo que sería un anillo o un rectángulo, realizando así un anillo o rectángulo de “stubs”.
Este elemento puede ser implementado para mejorar la relación axial dentro de un cono ampliado de visión del elemento radiante bajo análisis, como el presentado en la Figura 2, que consiste en un filtro de irises 23.a, 23.g, 23.d y 23.k, en la carga dieléctrica en la apertura 22 que puede ser un cono conformado o corrugado, en una cavidad 24 que contiene a los elementos anteriores, para trabajar en dos frecuencias separadas, y el elemento resonador multibanda en la apertura 21 que mejora la relación entre las componentes del campo para ángulos grandes respecto al eje o ángulos de elevación. Esta mejora de la relación axial consiste en obtener una pureza de polarización circular menor o igual a 1.5dB para un rango de observación de +1-15 grados, o menor o igual a 2dB para un rango de observación de +/-85 grados, respecto al eje o “broadside” o eje.
Este elemento también puede ser implementado en diseños de sub-reflectores dicroicos multi-banda. Estos sub-reflectores multi-banda pueden realizarse para prácticamente cualquier relación de bandas con la respuesta normalizada en frecuencia que se presenta en las figuras 6 y 7, para las configuraciones no simétricas y simétricas, respectivamente. Estas bandas pueden ser, por ejemplo: [S, C, X], [Ku, K, Ka], [X, K, Ka], etc. Estando, estas implementaciones en sub-reflectores dicroicos, limitadas en las bandas superiores por las dimensiones físicas y las tecnologías de fabricación disponibles.
Para el caso de aplicación en la apertura de elementos radiantes para mejorar la relación axial de elementos radiantes o antenas, la longitud de los “stubs” en la Figura 2, el ancho y separación de las pistas más cercanas en la Figura 1, y el radio del anillo que el conjunto de “stubs” forma, se ajustan para mejorar adaptación del parche o cavidad resonante con el medio en la apertura de la antena. Además, optimizan la relación axial respecto al eje de simetría o dirección de “broadside” como se ha explicado anteriormente.
Para el caso de aplicación en sub-reflectores dicroicos, podemos partir del resonador de la Figura 1 , pero ahora agregando a este elemento (32) las capas correspondientes a los materiales dieléctricos, que pueden ser, según diseño y para una fabricación con tecnología clásica de la realización presentada en la Figura 3: Capton (31), Kevlar (33), Foam o Honeycomb (34), Kevlar (35), y Capton (36). Estos materiales podrían cambiar dependiendo de la técnica o tecnología de fabricación seleccionada. Ahora, la longitud de los “stubs” ajusta la banda central de la Figura 6, mientras que la separación de las pistas de los “stubs” ajusta las bandas central y superior de la Figura 6. El radio del anillo formado por los “stubs” ajusta las bandas inferior y superior de la Figura 6. Por último, otra variable importante para el diseño de un sub-reflector dicroico, utilizando cualquier resonador, es la del periodo de la celda utilizada (lados simétricos de la celda de las Figuras 3, 4 y 5). Esta variable, para el caso concreto de la invención aquí presentada, ajusta todas las bandas, pero es su impacto mayor en las bandas inferior y superior. Con este conjunto de parámetros y conociendo sus efectos en la respuesta del elemento, es posible diseñar el elemento resonante dentro de una celda periódica para su implementación en un sub-reflector dicroico que trabaje en un conjunto de bandas específicas.
Para poder maximizar la transmisión en un sub-reflector dicroico, este está demostrado que debe tener simetría respecto a las impedancias vistas en ambas caras del mismo, y éstas deben estar separadas en una distancia efectiva de aproximadamente en la práctica, de media longitud de onda como está representado en las Figuras 4 y 5. Entonces, es posible implementar dos clases de sub-reflectores dicroicos basados en los elementos resonadores multi-banda de la Figura 1 y la celda periódica de la Figura 3. Esto es, uno simétrico con dos resonadores formados por “stubs” 41. b y 42.e en ambas caras en la Figura 4, o uno no-simétrico con un resonador formado por “stubs” 51. b en una de sus caras y un anillo resonador liso 52.e en la otra cara en la Figura 5.
La configuración simétrica permite ajustar las bandas inferior y superior en reflexión, mientras que la central se ajusta en transmisión como puede observarse en la Figura 7. Por otro lado, la configuración no-simétrica permite ajustar la banda inferior en transmisión, mientras que las bandas central y superior en reflexión como puede observarse en la Figura 6.
Para lo anterior, también se pueden implementar las ranuras presentadas en la Figura 9, para implementar diferentes diseños y técnicas de fabricación. Igualmente, el dipolo ajustable de la Figura 10 se puede introducir dentro de los elementos anteriores dependiendo de la polarización del sistema y su aplicación multi-banda.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Elemento resonador multi-banda caracterizado por que comprende una pluralidad de stubs (13.a, 13.b) ajustados en frecuencia y dispuestos según una forma geométrica a seleccionar entre una elipse o un rectángulo.
2. Elemento resonador de acuerdo a la reivindicación 1 donde la elipse tiene una relación de aspecto igual a la unidad y los stubs están dispuestos de forma radial entre unos anillos interiores (12.a) y unos anillos exteriores (11.a), formando así un anillo de “stubs” (13.a).
3. Elemento resonador de acuerdo a la reivindicación 1 donde el rectángulo tiene una relación de aspecto igual a la unidad y los stubs están dispuestos de forma lineal sobre los cuatro lados del rectángulo, con unos anillos interiores (12.b) y unos anillos exteriores (11.b), formando así un rectángulo de stubs (13.b).
4. Elemento resonador de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende una ranura discontinua (92.a, 92. b) dispuesta sobre una estructura de base (91.a, 91. b), donde la ranura tiene una forma que depende de la forma geométrica seleccionada y los stubs ajustados en frecuencia.
5. Elemento resonador de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho elemento resonador comprende un material metálico.
6. Filtro en cavidad que comprende una pluralidad de elementos resonadores (23.a, 23. d, 23. g, 23. k) de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde cada elemento resonador está dispuesto sobre una capa de material dieléctrico (23. b, 23. e, 23h, 23j) y separados entre sí por una capa de material de tipo espuma (23. c, 23. f, 23. i) o aire.
7. Filtro en cavidad de acuerdo a la reivindicación 6 donde los materiales dieléctricos tienen constante dieléctrica variable para cambiar la frecuencia de trabajo o su respuesta en fase, para realizar filtros paso bajo, paso alto, paso banda o paso multi-banda.
8. Elemento radiante formado por la cavidad con filtro de acuerdo a la reivindicación 7, para aplicaciones de una o múltiples bandas.
9. Elemento radiante que comprende un elemento resonador de acuerdo a la reivindicación 2, donde los stubs comprenden una longitud, un ancho, una separación de pistas y un radio del anillo, configurados para optimizar la relación axial respecto al eje de simetría del mismo.
10. Subreflector dicroico que comprende un primer elemento resonador de acuerdo a la reivindicación 2, donde los stubs comprenden: una longitud configurada para ajustar una banda central; una separación de pistas configurada para ajustar la banda central y una banda superior; y un radio del anillo configurado para ajustar una banda inferior y la banda superior.
11. Subreflector dicroico de acuerdo a la reivindicación 10 que además comprende un segundo elemento resonador (42. e) idéntico al primer elemento resonador y dispuesto a una distancia efectiva de media longitud de onda del primer elemento resonador que depende de las impedancias y frecuencias de operación, resultando una configuración simétrica.
12. Subreflector dicroico de acuerdo a la reivindicación 10 que además comprende un anillo resonador liso (52. f) dispuesto a una distancia efectiva diferente a media longitud de onda del primer elemento resonador que depende de las impedancias y frecuencias de operación, resultando una configuración asimétrica.
13. Elemento radiante que comprende un elemento resonador de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1-5, donde el elemento radiante además comprende un polarizador de apertura configurado para mejorar la relación axial de la polarización circular del elemento radiante hasta ángulos de 90 grados desde un eje broadside.
14. Antena reflectarray formada por una pluralidad de celdas periódicas (30) que comprenden, cada una de ellas, un elemento resonador de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1-5.
15. Superficie selectiva en frecuencia para una o múltiples bandas formada por una pluralidad de celdas periódicas que comprenden, cada una de ellas, un elemento resonador de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1-5, donde la superficie selectiva en frecuencia además comprende un material dieléctrico con constante dieléctrica variable.
16. Dispositivo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores que además comprende un dipolo ajustable para favorecer una polarización o aplicación.
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