ES2249984B2

ES2249984B2 - FLAT REFLECTING ANTENNA IN PRINTED TECHNOLOGY WITH IMPROVED BANDWIDTH AND POLARIZATION SEPARATION.

Info

Publication number: ES2249984B2
Application number: ES200401382A
Authority: ES
Inventors: Jose Antonio Encinar Garcinuño; Antonio Pedreira Rios
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2024-06-08
Also published as: ES2249984A1

Abstract

Antena reflectora plana en tecnología impresa con ancho de banda mejorado y separación de polarizaciones. Esta invención consiste en una antena reflectora impresa formada por la repetición de una celda unidad que consta de varios dipolos metálicos paralelos de distinta longitud impresos en una lámina de material dieléctrico sobre un plano metálico, que refleja el campo electromagnético procedente de un alimentador formando un haz colimado, o conformado, mediante un ajuste de la fase del campo reflejado en cada elemento. El control de fase se realiza ajustando las longitudes de los dipolos. La utilización de varios dipolos permite aumentar el ancho de banda sin necesidad de recurrir a estructuras multicapa. Como los dipolos solo controlan la fase de una polarización lineal, la polarización ortogonal se controla mediante una segunda capa de dipolos situados en la cara inferior del dieléctrico perpendicularmente a los de la cara superior, obteniéndose un bajo nivel de acoplo entre polarizaciones.Flat reflector antenna in printed technology with improved bandwidth and polarization separation. This invention consists of a printed reflector antenna formed by the repetition of a unit cell consisting of several parallel metal dipoles of different lengths printed on a sheet of dielectric material on a metallic plane, which reflects the electromagnetic field from a feeder forming a beam. collimated, or shaped, by adjusting the phase of the field reflected in each element. Phase control is done by adjusting the lengths of the dipoles. The use of several dipoles allows to increase the bandwidth without resorting to multilayer structures. Since the dipoles only control the phase of a linear polarization, the orthogonal polarization is controlled by a second layer of dipoles located in the lower face of the dielectric perpendicular to those of the upper face, obtaining a low level of coupling between polarizations.

Description

Antena reflectora plana en tecnología impresa con ancho de banda mejorado y separación de polarizacionesFlat reflector antenna in printed technology with improved bandwidth and polarization separation

Technical sector to which the invention relates

Esta invención se enmarca en los sectores de tecnología de radiocomunicaciones, tecnología de radar y tecnología espacial.This invention is framed in the sectors of radiocommunication technology, radar technology and technology space.

Statement of prior art

Esta invención está relacionada con antenas reflectoras planas formadas por agrupaciones de elementos radiantes impresos, como alternativa a los reflectores parabólicos o conformados, que habitualmente se emplean en sistemas de radar, en comunicaciones terrestres y vía satélite, tanto en el segmento de tierra como de vuelo.This invention is related to antennas flat reflectors formed by groups of radiant elements printed, as an alternative to parabolic reflectors or formed, which are usually used in radar systems, in terrestrial and satellite communications, both in the segment of Earth as of flight.

Como los reflectores parabólicos (figura 1), reflectores conformados, etc. un reflector plano impreso, también denominado Reflectarray (figura 2) [D. G. Berry, R. G. Malech W. A. Kennedy, "The Reflectarray Antenna", IEEE Trans. on Antennas and Propagation, Vol. AP-11, 1963, pp.646-651] produce un cierto diagrama de radiación generando un frente de onda plano dirigido en la dirección adecuada, a partir de la radiación incidente proveniente del alimentador situado en un punto denominado foco (1). Esto se consigue proporcionando la corrección de fase adecuada en cada punto de la superficie reflectora, en un rango de 360º.As the parabolic reflectors (figure 1), shaped reflectors, etc. a printed flat reflector, too called Reflectarray (figure 2) [D. G. Berry, R. G. Malech W. A. Kennedy, "The Reflectarray Antenna", IEEE Trans. on Antennas and Propagation, Vol. AP-11, 1963, pp.646-651] produces a certain radiation pattern generating a plane wavefront directed in the right direction, from the incident radiation coming from the feeder located at a point called focus (1). This is achieved providing adequate phase correction at each point of the reflective surface, in a 360º range.

Para sintetizar un cierto diagrama de radiación por medio de un reflector plano impreso se pueden utilizar elementos conductores que permitan variar localmente la fase del coeficiente de reflexión. Principalmente, existen dos técnicas para ello: (1) radiadores unidos a líneas de transmisión de longitud adecuada [R. E. Munson, H. A. Haddad, J. W. Hanlen, "Microstrip Reflectarray for Satellite Communications and RCS Enhancement or Reduction", patente US4684952, Agosto 1987], y (2) variaciones en la longitud del elemento resonante [D. M. Pozar, S. D. Targonski, "A Microstrip Reflectarray Using Crossed Dipoles", 1998 IEEE Intl. Symposium on Antennas and Propagat., pp. 1008-1011]. Esta última disposición presenta un ancho de banda bastante reducido, fundamentalmente debido a que sólo es posible una variación de fase lineal con la longitud del elemento dentro de un margen pequeño. Además, el máximo rango de fases que se puede conseguir con un único elemento resonante es inferior a 360º, situándose en torno a los 330º como máximo en realizaciones prácticas. Para mejorar estas características, en la patente [EP 1 120 856 Al, “Printed circuit technology multi-layer planar reflector and method for the design thereof”, Junio 1999] se ha propuesto una configuración de varias capas apiladas de metalizaciones de tamaño ligeramente diferente (figura 3), con lo que el margen de variación de la fase supera los 360 grados, siendo bastante lineal con la longitud del elemento. Con dicha tecnología de reflectores planos multicapa, se ha logrando un ancho de banda del 16% para un reflectarray de diámetro 16 longitudes de onda [J. A. Encinar, "Design of two-layer printed reflectarrays using patches of variable size", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 49, no. 10, pp. 1403-1410, Oct. 2001]. Adicionalmente, se han obtenido mejoras en el ancho de banda empleando técnicas de optimización que ajustan las dimensiones de los parches en cada capa para conseguir las fases requeridas en una banda de frecuencias [J. A. Encinar and J. A. Zornoza, "Broadband design of three-layer printed reflectarrays," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 51, no. 7, pp.1661-1664, Julio 2003]. Sin embargo, la configuración de varias capas apiladas presenta mayores tiempos y costes de fabricación, debido a que los procesos hay que repetirlos para cada capa. También puede aumentar el peso y las pérdidas disipativas en las capas de dieléctrico por el hecho de tener un mayor número de capas.To synthesize a certain radiation diagram by means of a printed flat reflector, conductive elements can be used that allow the reflection coefficient phase to be varied locally. Mainly, there are two techniques for this: (1) radiators attached to transmission lines of adequate length [RE Munson, HA Haddad, JW Hanlen, "Microstrip Reflectarray for Satellite Communications and RCS Enhancement or Reduction", US4684952, August 1987], and (2) variations in the length of the resonant element [DM Pozar, SD Targonski, "A Microstrip Reflectarray Using Crossed Dipoles", 1998 IEEE Intl. Symposium on Antennas and Propagat., pp. 1008-1011]. This last arrangement has a fairly reduced bandwidth, mainly because only a linear phase variation with the length of the element within a small range is possible. In addition, the maximum range of phases that can be achieved with a single resonant element is less than 360º, being around 330º maximum in practical embodiments. To improve these characteristics, in the patent [EP 1 120 856 Al, "Printed circuit technology multi-layer planar reflector and method for the design thereof", June 1999] a configuration of several stacked layers of metallizations of slightly different size has been proposed (Figure 3), so that the range of variation of the phase exceeds 360 degrees, being quite linear with the length of the element. With such multilayer flat reflector technology, a bandwidth of 16% has been achieved for a 16-wavelength diameter reflectarray [JA Encinar, "Design of two-layer printed reflectarrays using patches of variable size", IEEE Trans. Antennas Propagat ., Vol. 49, no. 10, pp. 1403-1410, Oct. 2001]. Additionally, improvements in bandwidth have been obtained using optimization techniques that adjust the dimensions of the patches in each layer to achieve the required phases in a frequency band [JA Encinar and JA Zornoza, "Broadband design of three-layer printed reflectarrays, " IEEE Trans. Antennas Propagat ., Vol. 51, no. 7, pp. 1661-1664, July 2003]. However, the configuration of several stacked layers has greater manufacturing times and costs, because the processes must be repeated for each layer. It can also increase the weight and dissipative losses in the dielectric layers by the fact of having a greater number of layers.

Como reflectarray de polarización dual, se ha patentado una configuración formada por agrupamientos de dos dipolos ortogonales [J. R. Profera, E. Charles, "Reflectarray antenna for communication satellite frequency re-use applications", patente US5543809, Agosto 1996]. El agrupamiento de dipolos verticales actúa como reflector para la polarización vertical y el de dipolos horizontales para la otra polarización. Al encontrarse los dipolos ortogonales separados físicamente, el ajuste de la fase en la superficie del reflectarray para colimar el haz se realiza de forma independiente para cada polarización. Con objeto de reducir el acoplo entre polarizaciones ortogonales en reflectarrays con dipolos cruzados, se ha propuesto una configuración con dos capas apiladas de agrupamientos de dipolos, en la que las dos polarizaciones se separan mediante una rejilla de hilos o tiras conductoras [K. C. Clancy, m. E. Cooley, D. Bressler, "Apparatus and method for reduccing polarization cross-coupling in cross dipole reflectarrays", patente US2001/0050653 Al, Marzo 2000]. En dicha invención también se contempla la posibilidad de que los agrupamientos de dipolos ortogonales para las dos polarizaciones se encuentren sobre el mismo plano. En ese caso, cada dipolo está formado por hilos muy próximos, que actúan como un único dipolo de anchura mayor, con el único objetivo de no afectar a la polarización ortogonal. En esta configuración las curvas de fase en función de la longitud son similares a las obtenidas con un solo dipolo de mayor anchura, pero con mejores prestaciones en pureza de polarización que los reflectarrays formados por dipolos en cruz. Con objeto de aumentar el margen de fases que puede conseguirse variando la longitud de los dipolos hasta 360º se han propuesto distintas soluciones [J. P. McKay et al., "Full dinamic range reflectarray element", patente US6,072,438, Dic. 1998]. Dichas soluciones consisten en: a) variar la anchura de los dipolos, y b) incluir además de los dipolos de longitud variable, otros dipolos acoplados de distinta longitud, en los que se varía la separación y/o la longitud del dipolo más corto. Sin embargo en las invenciones anteriores, las curvas de fase en función de la longitud de los dipolos sigue siendo similar a las obtenidas para reflectarrays de una sola capa basados en dipolos de longitud variable, y en consecuencia, el ancho de banda sigue siendo insuficiente para la mayoría de las aplicaciones comerciales.As a dual polarization reflectarray, a configuration consisting of clusters of two orthogonal dipoles has been patented [JR Profera, E. Charles, "Reflectarray antenna for communication satellite frequency re-use applications", US5543809, August 1996]. The grouping of vertical dipoles acts as a reflector for vertical polarization and that of horizontal dipoles for the other polarization. When the orthogonal dipoles are physically separated, the adjustment of the phase on the surface of the reflectarray to collimate the beam is performed independently for each polarization. In order to reduce the coupling between orthogonal polarizations in reflectors with crossed dipoles, a configuration with two stacked layers of dipole clusters has been proposed, in which the two polarizations are separated by a grid of wires or conductive strips [KC Clancy, m . E. Cooley, D. Bressler, "Apparatus and method for reduccing polarization cross-coupling in cross dipole reflectarrays", US2001 / 0050653 Al, March 2000]. This invention also contemplates the possibility that the orthogonal dipole clusters for the two polarizations are on the same plane. In that case, each dipole is formed by very close threads, which act as a single dipole of greater width, with the sole objective of not affecting orthogonal polarization. In this configuration the phase curves depending on the length are similar to those obtained with a single dipole of greater width, but with better performance in polarization purity than the reflectors formed by cross dipoles. In order to increase the range of phases that can be achieved by varying the length of the dipoles up to 360 °, different solutions have been proposed [JP McKay et al ., "Full dynamic range reflectarray element", US Pat. No. 6,072,438, Dec. 1998]. Said solutions consist of: a) varying the width of the dipoles, and b) including in addition to the dipoles of varying length, other coupled dipoles of different length, in which the separation and / or the length of the shorter dipole is varied. However, in the previous inventions, the phase curves depending on the length of the dipoles remains similar to those obtained for single-layer reflectors based on dipoles of variable length, and consequently, the bandwidth remains insufficient for Most commercial applications.

Explanation of the invention.

En esta invención se propone un reflector plano, o reflectarray, que incorpora agrupaciones con varios dipolos paralelos impresos, con objeto de conseguir un efecto similar al de tener varias capas de metalizaciones, pero con una sola capa, bien para conseguir el reflector con una sola capa o, al menos, obtener una reducción del número de éstas. Los elementos del reflector se sitúan en una retícula, ocupando cada elemento una celda de dicha retícula. Cada elemento está formado por dos o más dipolos paralelos de dimensiones ligeramente diferentes impresos en una lámina de material dieléctrico sobre un plano de masa.In this invention a flat reflector is proposed, or reflectarray, which incorporates clusters with several dipoles printed parallels, in order to achieve an effect similar to that of have several layers of metallizations, but with a single layer, well to get the reflector with a single layer or at least get a reduction in the number of these. The reflector elements are they place in a grid, each element occupying a cell of said reticle Each element is formed by two or more parallel dipoles of slightly different dimensions printed on a sheet of dielectric material on a mass plane.

La innovación de incorporar varios dipolos paralelos de longitudes próximas a la resonancia en la misma capa y en una misma celda del reflectarray permite aumentar el desfasaje introducido en el campo reflejado a valores superiores a los 360º requeridos en el diseño de reflectarrays así como un comportamiento más lineal de la fase, debido a que la fase se controla con las longitudes de varios elementos resonantes (dipolos). De esta forma se consigue un efecto similar al obtenido para configuraciones de reflectarrays multi-capa, pero empleando una sola capa.The innovation of incorporating several dipoles parallel lengths close to resonance in the same layer and in the same cell of the reflectarray allows to increase the offset entered in the field reflected at values greater than 360º required in the design of reflectarrays as well as a behavior more linear phase, because the phase is controlled with the Lengths of several resonant elements (dipoles). Thus an effect similar to that obtained for configurations of multi-layer reflectors, but using only one cap.

Un objeto principal de esta invención es un reflector plano, o reflectarray, en tecnología impresa con varios dipolos paralelos en la misma capa y en la misma celda. En la figura 4 se muestra un croquis del reflectarray objeto de la invención. Este reflector plano refleja el campo electromagnético de polarización lineal, con el campo eléctrico en la dirección de los dipolos, procedente de un alimentador (14), formando un haz colimado o conformado en una dirección y a una frecuencia determinadas. De forma recíproca, el reflector recibe un haz en una dirección y a una frecuencia determinadas y refleja el campo de polarización lineal, con el campo eléctrico en la dirección de los dipolos, concentrándolo sobre el punto focal donde se encuentra el alimentador (14). Para conseguir el diagrama de radiación deseado, la fase del campo reflejado en cada elemento se ajusta variando la longitud de los dipolos. El elemento reflectante en cada celda (figura 5) está formado por dos o más dipolos (15, 16, 17...), de dimensiones I_{i}, la longitud del dipolo "i", y w_{i}, su anchura, impresos en una lámina de material dieléctrico que se encuentra a una cierta distancia de una lámina metálica (11), que actúa como plano de masa. La lámina dieléctrica (9) con los dipolos impresos y el plano de masa pueden estar separados por aire o por otra lámina de material dieléctrico, denominada separador (20, figura 7). Se considera el espesor de las metalizaciones despreciable, mientras que el de la lámina dieléctrica (9), soporte de los dipolos, tiene un espesor d. La configuración del elemento viene dada, entonces, por el número de dipolos, n, sus posiciones y la relación entre sus longitudes. El elemento se caracteriza por la fase de su coeficiente de reflexión en función de la longitud de los dipolos, calculada a varias frecuencias. Eligiendo adecuadamente la separación de los dipolos y la relación entre longitudes, se consigue una variación lineal de la fase en función de la longitud de éstos, en un margen superior a los 360º, cosa que resulta imposible con un solo dipolo por elemento. Una característica notable del reflectarray de dipolos paralelos con respecto a los de una sola capa de parches de tamaño variable es que permite aumentar la banda de frecuencias de trabajo debido a su mejor respuesta de fase con la longitud resonante de los dipolos.A main object of this invention is a flat reflector, or reflectarray, in printed technology with several parallel dipoles in the same layer and in the same cell. In the figure 4 shows a sketch of the reflectarray object of the invention. This flat reflector reflects the electromagnetic field of linear polarization, with the electric field in the direction of the dipoles, coming from a feeder (14), forming a collimated beam or shaped in a certain direction and at a certain frequency. From reciprocally, the reflector receives a beam in one direction and at a certain frequency and reflects the polarization field linear, with the electric field in the direction of the dipoles, concentrating it on the focal point where the feeder (14). To achieve the desired radiation pattern, the phase of the field reflected in each element is adjusted by varying the Length of the dipoles. The reflective element in each cell (Figure 5) is formed by two or more dipoles (15, 16, 17 ...), of dimensions I_ {i}, the length of the dipole "i", and w_ {i}, its width, printed on a sheet of dielectric material that is found at a certain distance from a metal sheet (11), which It acts as a mass plane. The dielectric sheet (9) with the dipoles printed and the mass plane can be separated by air or by another sheet of dielectric material, called separator (20, figure 7). The thickness of the metallizations is considered negligible, while that of the dielectric sheet (9), support of the dipoles, it has a thickness d. Item settings is given, then, by the number of dipoles, n, their positions and The relationship between their lengths. The element is characterized by phase of its reflection coefficient depending on the length of the dipoles, calculated at various frequencies. Properly choosing the separation of the dipoles and the relationship between lengths, is get a linear variation of the phase depending on the length of these, in a margin greater than 360º, which results impossible with a single dipole per element. A feature notable of the reflectarray of parallel dipoles with respect to those of a single layer of variable size patches is that it allows to increase the working frequency band due to its better response of phase with the resonant length of the dipoles.

Otro objeto de la invención consiste en un reflectarray para polarización dual, formado por elementos como el mostrado en la figura 6 que se obtienen metalizando en la cara inferior del dieléctrico (9) otra agrupación de dipolos (18 y 19), dispuestos perpendicularmente a los de la cara superior (15 y 16). Con los dipolos impresos en cada cara se ajusta de forma independiente la fase para cada polarización lineal, obteniendo un nivel muy bajo de acoplo entre polarizaciones y permitiendo eventualmente una separación de los dos alimentadores, uno para cada polarización, situados en focos diferentes (figura 9).Another object of the invention consists of a reflectarray for dual polarization, formed by elements such as shown in figure 6 that are obtained by metallizing on the face bottom of the dielectric (9) another grouping of dipoles (18 and 19), arranged perpendicular to those of the upper face (15 and 16). With the dipoles printed on each face it adjusts so independent phase for each linear polarization, obtaining a very low level of coupling between polarizations and allowing eventually a separation of the two feeders, one for each polarization, located in different foci (figure 9).

Otra caracteristica del reflectarray de polarización dual con dipolos paralelos es su bajo acoplo entre polarizaciones, debido a que no existe contacto eléctrico entre los dipolos de ambas polarizaciones, y por tanto estos reflectores presentarán menores niveles de polarización cruzada que otros tipos de reflectarrays. En consecuencia la síntesis de diagramas de radiación puede realizarse de forma independiente para cada polarización. Esto permitiria, primero simplificar el proceso de diseño y, segundo diseñar el reflectarray con diagramas de radiación diferentes en cada polarización, pudiendo generarse haces colimados o conformados en direcciones distintas.Another feature of the reflectarray of Dual polarization with parallel dipoles is its low coupling between polarizations, because there is no electrical contact between the dipoles of both polarizations, and therefore these reflectors will have lower cross polarization levels than other types of reflectarrays. Consequently the synthesis of diagrams of radiation can be performed independently for each Polarization. This would allow, first to simplify the process of design and, second, design the reflectarray with diagrams of different radiation in each polarization, being able to generate beams collimated or shaped in different directions.

Otro objeto de la invención consiste en un reflectarray para polarización circular, empleando el mismo elemento reflectante que para polarización dual. El funcionamiento en polarización circular se consigue descomponiéndola en dos lineales, paralelas a los dipolos de cada cara. El conjunto de los dipolos ortogonales reflejan la señal conservando su polarización.Another object of the invention consists of a reflectarray for circular polarization, using the same reflective element that for dual polarization. The performance circular polarization is achieved by breaking it down into two linear, parallel to the dipoles of each face. The set of orthogonal dipoles reflect the signal while retaining its Polarization.

Otro objeto de la invención consiste en un reflectarray multicapa para polarización lineal, dual o circular empleando en cada capa varios dipolos paralelos. En la figura 7 se muestra una configuración de dos capas para polarización lineal, siendo (9) y (10) dos láminas dieléctricas separadas por el separador dieléctrico (20) y que contienen las metalizaciones (15 y 16). De forma similar, la figura 8, representa un reflectarray de dos capas (9 y 10) para polarización dual o circular mediante la metalización, en la cara inferior de las láminas, de los dipolos (18, 19), perpendiculares a los de la cara superior (15, 16). En esta figura no se muestran los separadores. Otra característica del reflectarray de dos capas con dipolos paralelos es que introduce más grados de libertad, las longitudes de los dipolos en las dos capas, y permite ajustar las fases requeridas a varias frecuencias de trabajo, permitiendo así realizar diseños de reflectarrays multifrecuencia o de banda más ancha, con solo dos capas.Another object of the invention consists of a multilayer reflectarray for linear, dual or circular polarization using in each layer several parallel dipoles. In figure 7 it shows a two layer configuration for linear polarization, being (9) and (10) two dielectric sheets separated by the dielectric separator (20) and containing the metallizations (15 and 16). Similarly, Figure 8 represents a reflectarray of two layers (9 and 10) for dual or circular polarization by means of metallization, on the underside of the sheets, of the dipoles (18, 19), perpendicular to those of the upper face (15, 16). In This figure does not show the separators. Another feature of two-layer reflectarray with parallel dipoles is that it introduces more degrees of freedom, the lengths of the dipoles in the two layers, and allows adjusting the required phases at various frequencies of work, allowing to make reflectarrays designs multifrequency or wider band, with only two layers.

Otra característica de los reflectores planos con dipolos impresos paralelos consiste en que pueden construirse en varios paneles planos para ser plegados y desplegados, puesto que no se requiere contacto eléctrico entre los dipolos de las distintas celdas.Another feature of flat reflectors with parallel printed dipoles is that they can be constructed in several flat panels to be folded and unfolded, since no electrical contact is required between the dipoles of the Different cells

Brief description of the figures

Figura 1: Reflector parabólico. A partir de la señal procedente del foco (1), se obtiene un frente de onda plano (8) compensando las distintas distancias que recorren los rayos hasta alcanzar el reflector (2) con las distancias que recorren (6 y 7) hasta alcanzar el plano (8), de manera que la distancia que recorren los rayos desde el plano (8) hasta el foco (1), reflejándose en la parábola (2) es constante.Figure 1: Parabolic reflector. From the signal from the focus (1), a flat wave front is obtained (8) compensating the different distances the rays travel until reaching the reflector (2) with the distances they travel (6 and 7) until reaching the plane (8), so that the distance that they travel the rays from the plane (8) to the focus (1), Reflecting in the parable (2) is constant.

Figura 2: Reflector plano. A partir de la señal procedente del foco (1), se obtiene un frente de onda plano (8) compensando las distintas distancias que recorren los rayos hasta alcanzar el reflector (2) con desfasajes introducidos por los radiadores que forman dicho reflector. Cada uno de los radiadores de que consta el reflector (2) introduce el desfasaje adecuado para conformar el haz reflejado produciendo, en este caso, un frente de onda plano (8) a partir de uno aproximadamente esférico (3)Figure 2: Flat reflector. From the signal from the focus (1), a flat wave front (8) is obtained compensating the different distances that the rays travel up to reach the reflector (2) with phase shifts introduced by the radiators that form said reflector. Each of the radiators of which the reflector consists (2) introduces the appropriate offset for shaping the reflected beam producing, in this case, a front of flat wave (8) from an approximately spherical one (3)

Figura 3: Reflector piano formado por dos láminas dieléctricas delgadas (9 y 10) con metalizaciones impresas, con objeto de ensanchar el ancho de banda utilizable.Figure 3: Piano reflector formed by two thin dielectric sheets (9 and 10) with printed metallizations, in order to widen the usable bandwidth.

Figura 4: Reflector plano formado por una lámina dieléctrica fina (9) elevada sobre un plano de masa (11), caracterizada por tener metalizados dipolos en sus dos caras, cada una de las cuales responde a una polarización.Figure 4: Flat reflector formed by a sheet fine dielectric (9) raised on a mass plane (11), characterized by having metallic dipoles on both sides, each one of which responds to a polarization.

Figura 5: Celda unidad formada por varios dipolos (15, 16 y 17) paralelos. Cada uno de ellos se define por su longitud (I_{i}), anchura (w_{i}) y las posiciones de sus centros, no indicadas en la figura. Las dimensiones de la celda, largo y ancho, se mantienen constantes a lo largo de toda la superficie y en todas las capas del reflector.Figure 5: Unit cell consisting of several dipoles (15, 16 and 17) parallel. Each of them is defined by its length (I_ {i}), width (w_ {i}) and the positions of their centers, not indicated in the figure. The dimensions of the cell, long and wide, they remain constant throughout the entire surface and in all reflector layers.

Figura 6: Celda unidad para polarización dual formada por dos dipolos paralelos (15 y 16) en la cara superior de una lámina de dieléctrico (9) y otros dos (18 y 19), perpendiculares a ellos, situados en la cara inferior de (9).Figure 6: Unit cell for dual polarization formed by two parallel dipoles (15 and 16) on the upper face of a dielectric sheet (9) and two others (18 and 19), perpendicular to them, located on the underside of (9).

Figura 7: Reflector para polarización lineal formado por dos láminas de dieléctrico (9 y 10) conteniendo cada una de ellas metalizaciones con varios dipolos por celda (15 y 16). En general, los tamaños de los dipolos en las distintas capas son diferentes.Figure 7: Reflector for linear polarization formed by two sheets of dielectric (9 and 10) containing each one of them metallizations with several dipoles per cell (15 and 16). In general, the sizes of the dipoles in the different layers are different.

Figura 8: Reflector para polarización dual formado por dos láminas de dieléctrico (9 y 10) conteniendo, cada una de ellas, metalizaciones con varios dipolos por celda (15 y 16) en la cara superior y dipolos perpendiculares (18 y 19) en la cara inferior de la lámina (9), y del mismo modo, la lámina (10) tiene los dipolos (15 y 16) en su cara superior y los (18 y 19), perpendiculares a ellos en su cara inferior. El número de dipolos por celda puede variar para cada capa.Figure 8: Reflector for dual polarization formed by two sheets of dielectric (9 and 10) containing, each one of them, metallizations with several dipoles per cell (15 and 16) on the upper face and perpendicular dipoles (18 and 19) on the face bottom of the sheet (9), and similarly, the sheet (10) has the dipoles (15 and 16) on their upper face and the (18 and 19), perpendicular to them on their lower face. The number of dipoles per cell may vary for each layer.

Figura 9: Reflector que divide la señal incidente (12) en sus dos polarizaciones (13), que dirige a sendos alimentadores (14), permitiendo la diversidad por polarización o distinto diagrama de radiación para cada una de ellas.Figure 9: Reflector that divides the signal incident (12) in its two polarizations (13), which directs both feeders (14), allowing diversity by polarization or Different radiation diagram for each of them.

Figura 10: Ejemplo de realización del reflector plano, formado por una capa de kapton (9) con dos dipolos metalizados por celda en amas caras (polarización dual), un plano de masa (11) y un separador (21), en este caso poliestireno expandido. Dos tapas de policarbonato (22) protegen la estructura y le dan rigidez.Figure 10: Example of the reflector embodiment flat, formed by a layer of kapton (9) with two dipoles metallized by cell in expensive masters (dual polarization), a plane of mass (11) and a separator (21), in this case expanded polystyrene. Two polycarbonate caps (22) protect the structure and give it rigidity.

Figura 11: Ejemplo de antena completa. Con un único soporte metálico (27) se consigue sujetar el alimentador (14) en su posición, dar rigidez al reflector (23) y proporcionar un medio para la instalación de la antena en una pared.Figure 11: Example of complete antenna. With a only metal support (27) is able to hold the feeder (14) in position, stiffen the reflector (23) and provide a means for installing the antenna on a wall.

Figura 12: Planta, alzado y vista lateral del soporte metálico.Figure 12: Plan, elevation and side view of the metallic support.

Figura 13: Desarrollo del soporte de la antena, fabricado sobre chapa metálica. Contiene la brida (29) que sujeta el alimentador, las cuatro presillas (24) que sujetan a presión el reflector, los topes (28) para marcar su posición y las patillas (25) que se sujetan a la pared.Figure 13: Development of the antenna support, manufactured on sheet metal. It contains the flange (29) that holds the feeder, the four clips (24) that hold the reflector, the stops (28) to mark its position and the pins (25) that are attached to the wall.

Figura 14a. Detalle de los tornillos de fijación (30) de la antena. Apretando los tornillos se dobla más o menos la patilla (25) para permitir cierto grado de orientación. (31) son arandelas planas y (32) es un taco de nylon.Figure 14a. Detail of the fixing screws (30) of the antenna. Tightening the screws bends more or less the pin (25) to allow some degree of orientation. (31) are flat washers and (32) is a nylon block.

Figura 14b. Detalle de la sujeción del alimentador (14) mediante la brida (29), apretando el alimentador por medio del tomillo (35), provisto de tuercas y arandelas (34).Figure 14b Fastener detail feeder (14) by means of the flange (29), tightening the feeder by means of the thyme (35), provided with nuts and washers (3. 4).

Detailed exposition of an embodiment of the invention

Aquí se detalla la fabricación de un reflector plano de polarización dual, realizado en una sola capa para sustituir el paraboloide de una antena doméstica de televisión vía satélite. Por ello, al ser un producto de electrónica de consumo, se ha buscado la mayor economía posible, sobre todo en los materiales seleccionados. Como separador dieléctrico se ha empleado una lámina de poliestireno expandido, llegando a un compromiso entre caracteristicas eléctricas y precio. Para las tapas se ha elegido policarbonato, pero también podria servir PVC, polietileno, etc.Here we detail the manufacture of a reflector dual polarization plane, made in a single layer to replace the paraboloid of a domestic television antenna via satelite. Therefore, being a consumer electronics product, the greatest possible economy has been sought, especially in the selected materials. As dielectric separator has been used an expanded polystyrene sheet, reaching a compromise between electrical characteristics and price. For the tapas you have chosen polycarbonate, but it could also serve PVC, polyethylene, etc.

Se realiza la estructura de la figura 10, formada por las siguientes capas, de abajo a arriba: Una lámina metálica (11) de aluminio, que actúa como plano de masa. Sobre él se sitúa una lámina de poliestireno expandido (21) de 6mm (aproximadamente un cuarto de longitud de onda en el dieléctrico) de espesor, que actúa de separador. A continuación va una lámina de kapton (9) con los dipolos fotograbados, verticales en la cara superior y horizontales en la inferior, para conseguir polarización dual. El conjunto se encierra entre dos láminas de policarbonato (22) que le dan rigidez a la estructura, así como protección para su instalación a la intemperie.The structure of figure 10 is made, formed by the following layers, from bottom to top: A sheet metallic (11) aluminum, which acts as a mass plane. About him place an expanded polystyrene sheet (21) of 6mm (approximately a quarter of the wavelength in the dielectric) thick, which acts as a separator. Next is a sheet of Kapton (9) with photoetched dipoles, vertical on the face upper and horizontal in the lower, to achieve polarization dual. The set is enclosed between two sheets of polycarbonate (22) that give rigidity to the structure, as well as protection for Outdoor installation.

La figura 11 muestra la antena completa. Un soporte metálico (27), obtenido de una única chapa, sin necesidad de uniones ni soldaduras, sostiene el alimentador (14) en su posición y con la orientación adecuada, de tal manera que su centro de fase coincida con el foco del reflector. Las presillas (24) sujetan a presión el reflector, y las "patillas" (25) sirven para separar el conjunto de la pared donde se instale. Van atravesadas por sendos tornillos (26) que realizan la fijación de la antena en la pared. Asimismo, permiten la orientación de la antena, ya que las patillas en forma de "U" se pueden doblar para apuntar la antena.Figure 11 shows the complete antenna. A metal support (27), obtained from a single sheet, without the need of joints or welds, holds the feeder (14) in its position and with the proper orientation, so that its center phase matches the focus of the reflector. The clips (24) they hold the reflector under pressure, and the "pins" (25) serve to separate the wall assembly where it is installed. Go crossed by two screws (26) that fix the The antenna on the wall. They also allow the orientation of the antenna, since the U-shaped pins can be bent to aim the antenna.

El diseño del reflector con dipolos paralelos se realiza en las siguientes etapas:The reflector design with parallel dipoles is performed in the following stages:

1.one.: Partiendo de la posición del alimentador y de la dirección de radiación de la antena se obtiene el desfasaje que debe introducir cada elemento del reflectarray para generar el diagrama de radiación deseado, a la frecuencia central.Starting from the position of feeder and antenna radiation direction is obtained the offset that each element of the reflectarray must introduce to generate the desired radiation pattern, at the frequency central.

2.2.: Se determinan las posiciones de los centros de los dipolos en cada celda y la longitud relativa entre ambos, de manera que se obtenga una variación de fase con las longitudes de los dipolos suficientemente lineal. Para ello se emplea un programa de análisis que calcula la fase del coeficiente de reflexión de una estructura periódica con los dipolos y las distintas capas de dieléctrico mediante "Método de los Momentos en el dominio espectral".Be determine the positions of the dipole centers in each cell and the relative length between the two, so that it is obtained a phase variation with the lengths of the dipoles linear enough For this, an analysis program is used which calculates the phase of the reflection coefficient of a structure periodic with the dipoles and the different layers of dielectric using "Method of Moments in the domain spectral".

3.3.: En cada elemento del reflectarray se ajustan las dimensiones de los dipolos para conseguir el desfasaje necesario. Para ello se utiliza una rutina de optimización que llama de forma iterativa al programa de análisis y va ajustando las dimensiones de cada elemento hasta conseguir la fase definida en la etapa 1). El programa de análisis calcula la fase del coeficiente de reflexión en cada periodo suponiendo periodicidad local, es decir analizando cada elemento con sus dimensiones en un entorno periódico.In Each element of the reflectarray adjusts the dimensions of the dipoles to get the necessary offset. This is used for an optimization routine that iteratively calls the program of analysis and adjusts the dimensions of each element until get the phase defined in stage 1). The analysis program calculate the phase of the reflection coefficient in each period assuming local periodicity, that is, analyzing each element with its dimensions in a periodic environment.

A partir de las dimensiones y posiciones de los parches en cada celda se obtiene la mascara de fotograbado para la realización del reflector por técnicas convencionales de fotograbado.From the dimensions and positions of the patches in each cell you get the photogravure mask for the realization of the reflector by conventional techniques of photoengraving.

Industrial application

Esta invención puede aplicarse a la fabricación de reflectores para antenas en aplicaciones de radar y de comunicaciones, terrestres y vía satélite, presentando importantes ventajas sobre los reflectores convencionales a los que sustituye. Por tratarse de un reflector plano puede construirse en varias partes para ser plegado para el transporte y posteriormente desplegado. La superficie del reflector puede adaptarse a las estructuras existentes, como fachadas de edificios, paneles en satélites de comunicaciones, etc. Puede utilizarse como reflector para polarización dual con un nivel de aislamiento entre polarizaciones mejor que el que proporcionan los reflectores convencionales y otros tipos de reflectarrays.This invention can be applied to manufacturing of reflectors for antennas in radar applications and communications, terrestrial and satellite, presenting important advantages over conventional reflectors that it replaces. Since it is a flat reflector, it can be constructed in several parts to be folded for transport and subsequently unfolded. The reflector surface can be adapted to the existing structures, such as building facades, panels in communications satellites, etc. It can be used as a reflector for dual polarization with an isolation level between polarizations better than what the reflectors provide Conventional and other types of reflectarrays.

La presente invención puede construirse en materiales calificados para espacio. Por ello, este tipo de reflectores impresos con dipolos paralelos tiene un importante campo de aplicación en la industria espacial como alternativa a los diferentes tipos de reflectores embarcados en satélites, parabólicos, de rejilla o de haz conformado. En particular puede ser una alternativa a los reflectores denominados "dual gridded" que se emplean cuando se requiere un nivel de polarización cruzada muy reducido. También son una alternativa a los reflectarrays impresos multicapa con parches rectangulares, por presentar mejores prestaciones en polarización cruzada y simplificar los procesos de fabricación, al reducir el numero de
capas.The present invention can be constructed in space qualified materials. Therefore, this type of reflectors printed with parallel dipoles has an important field of application in the space industry as an alternative to the different types of reflectors shipped on satellites, parabolic, grid or shaped beam. In particular, it can be an alternative to the so-called "dual gridded" reflectors that are used when a very low cross polarization level is required. They are also an alternative to multilayer printed reflectorrays with rectangular patches, for presenting better cross-polarization performance and simplifying manufacturing processes, by reducing the number of
layers.

Claims

1. Flat reflector in printed technology formed by a grouping of unit cells with conductive elements printed on a sheet of dielectric material (9), on a conductive plane (11), in which each unit cell is designed to get electromagnetic energy from a feeder (14) located at a focal point, it is reflected forming a collimated beam of linear polarization in a certain direction, and by reciprocity, which when it receives a collimated beam of linear polarization in a certain direction reflects it by concentrating it at the point focal where the feeder is located; characterized by containing several parallel dipoles (15, 16, 17, ...) of lengths slightly different from the resonance length, in the same unit cell and on the same face of a sheet of dielectric material (9), where the positions of the dipoles and their relative lengths in the unit cell are chosen to increase the offset introduced by the cell to values greater than 360º with a more linear behavior of the phase, producing an improvement in the antenna bandwidth, and where the lengths of the dipoles in each cell are adjusted to achieve an offset of the reflected field that allows collimating the electromagnetic field from the feeder or concentrating in the feeder an incident collimated beam in the reflector, at one or more frequencies within the working band of the reflector .

2. Flat reflector according to 1, characterized by having on the underside of the dielectric (9) another group of dipoles (18, 19, ...), arranged perpendicularly to those of the upper face (15, 16, 17, .. .), in which the lengths of the dipoles on the lower face (18, 19) are adjusted in each cell to achieve an offset of the field reflected in the orthogonal linear polarization that allows collimating the electromagnetic field from the feeder or concentrating on the feeder a collimated beam incident on the reflector, resulting in a dual polarization antenna with high isolation between polarizations.

3. Flat reflector according to 1, characterized by having two dielectric sheets (9) and (10) with the dipoles (15, 16, ...) of the two parallel layers, for linear polarization, separated from each other and from the conductive plane by separators (20, 21), with the aim of introducing more degrees of freedom, the lengths of the dipoles in the two layers, and allowing multi-frequency reflectorrays or wider band designs.

4. Flat reflector according to 1 and 3, characterized by having printed dipoles (18, 19, ...) on the underside of the dielectric sheets (9) and (10), perpendicular to the dipoles of the upper face (15, 16, 17, ...) in order to collimate or shape the beam for dual or circular polarization.

5. Flat reflector according to 1 to 4, in which the dipole dimensions in each cell are adjusted to get The electrical characteristics of a beam reflector conformed.

6. Flat reflector according to 1 to 5, characterized by collimating the electromagnetic field from the circular polarization feeder or concentrating on the feeder an incident collimated beam in the circular polarization reflector.

7. Flat reflector according to 1 to 5, characterized by having two feeders (14) located at two different focal points, operating in orthogonal polarizations, in which the lengths of the dipoles (15, 16, 17, ...), and (18, 19, ...) in each cell are adjusted to ensure that the beams coming from the two feeders are reflected forming collimated beams in the same predetermined direction or in different directions.

8. Flat reflector according to 1 to 7, characterized by being constructed in several pieces to be folded and unfolded.