Diseño de reflectarray para recepción simultánea ... - de URSI España

DISEÑO DE REFLECTARRAY PARA RECEPCIÓN SIMULTÁNEA DE TVDESDE LOS SATÉLITES ASTRA E HISPASATJ. Agustín Zornoza Ramírez , José A. Encinar GarcinuñoDepartamento de Electromagnetismo y Teoría de CircuitosUniversidad Politécnica de Madridazr@etc.upm.es,encinar@etc.upm.esRESUMENSe presenta el diseño de una antena reflectarray de unsolo alimentador con dos haces separados 54.98º. Dichoángulo se corresponde con el ángulo que hay entre lossatélites Astra1 e Hispasat vistos desde Madrid. El reflectores elíptico de ejes 41 cm. y 37 cm. y la frecuencia centralde diseño es 11.95 GHz. Los resultados presentados avalanla viabilidad de dicha antena.donde (x i ,y j ) es el punto central de cada parche, k 0 esla constante de propagación y A(x i ,y j ) es la distribución deamplitud del campo reflejado para cada uno de los haces(igual para ambos haces).Zzf1. INTRODUCCIÓNxfMediante el empleo de antenas reflectarrays esposible obtener una antena de doble haz de forma fácil yeconómica. Para ello simplemente se tiene que usar unadistribución correcta del tamaño de los parches que formanel array reflector.Xxiθ0yjYEl aspecto exterior que presenta la antena es igual alde un reflectarray de un único haz: un foco y un reflectorplano. Sin embargo, la diferencia viene dada por ladistribución de los tamaños de los parches en el reflector,por la posición del foco y por el tamaño del reflector (parael caso de doble haz la superficie debería ser mayor en unfactor de 2 si se quiere la misma ganancia que para un solohaz reflejado).2. DISEÑO DE DOBLE HAZ2.1. Planteamiento del problemaEn un reflectarray multihaz, el campo reflejado en lasuperficie reflectora viene dado por la suma de lasdistribuciones de campo correspondientes a cada uno delos haces [1]. Para el caso particular de estudio, elreflectarray se ha diseñado de tal forma que se reflejan doshaces con la misma amplitud en las direcciones simétricasθ 1=27.49º, φ 1=90º y θ 2=27.49º, φ 2=270º, como se muestraen la figura 1. El campo reflejado necesario en cadaelemento del reflector plano vendrá dado por:E x , y ) = 2A(x , y )cos( k sen(27.49) y ) (1)( i ji j 0 jFigura 1. Esquema de reflectarray de doble haz diseñado.Debido a la simetría de los haces reflejados el campode la expresión 1 es real, pero por regla general suele sercomplejo y así se considerará en el caso estudiado.Mientras que la fase del campo es posible obtenerlavariando las dimensiones de cada uno de los parches queforman el reflectarray [2], no así el módulo ya que vieneimpuesto por el alimentador empleado. Por un lado paraque la fase del campo reflejado coincida con la impuestapor (1) el desfasaje introducido en cada elemento debe ser,desfasaje x , y ) = k d(x , y ) − fase(E(x , y )) (2)( i j 0 i ji jsiendo d(x i ,y j ) la distancia entre el alimentador y elparche situado en (x i ,y j ). Por otro lado, el módulo de (1)tiene un comportamiento oscilatorio en y de periodoy T =27.175mm, que no puede conseguirse con unalimentador tipo bocina (distribución de amplitud encoseno alzado).2.2. Solución propuestaEn la figura 2 se representa exclusivamente el términodel módulo del campo reflejado que produce la oscilación.Con círculos se destacan aquellos puntos equiespaciadosy T /2 que se caracterizan por presentar todos el mismo1URSI 2001

valor. En el diseño propuesto se toma dicha distancia comoperiodo y se supone el campo en cada célula periódicaconstante para el cálculo de los diagramas de radiación.Los tamaños de los parches se ajustan para conseguir lafase del coeficiente de reflexión dada en (2). Con estassuposiciones el diagrama de radiación tiene dos haces. Esimportante resaltar que el número de elementos en y debeser par, de tal forma que las posiciones de los centros delos parches coincidan con los puntos remarcados de lafigura 2.En la figura 4 se presenta el corte en el plano φ=90ºdel diagrama de radiación obtenido a las frecuencias 11.7,11.95 y 12.2 GHz para la polarización x, siendo igual parala polarización y.Es conocido que las antenas reflectarrays presentanbajos niveles de polarización contrapolar y uncomportamiento en banda estrecha [3]. Se muestra en lafigura 4 dicho comportamiento para una banda de500 MHz, donde se observa un ligero desapuntamiento yuna pequeña variación de la ganancia que se traducen enuna pérdida máxima de 0.4 dB en la dirección deapuntamiento.Figura 2. Oscilación en la amplitud del campo reflejado.2.3. Reflectarray elíptico diseñadoEl reflectarray diseñado emplea tecnología impresamulticapa [2] cuya configuración se muestra en la figura 3.El diseño se ha realizado para dos polarizaciones.Características:• Célula periódica cuadrada de lado: 13.6 mm.• Posición del alimentador: x f =-0.14m, y f =0m, z f =0.34m• Superficie reflectora: eje mayor 408 mm. (30 parches)eje menor 367 mm. (27 parches)638 parches en totalmetalcucladrohacellFigura 4. Diagrama de radiación en la polarización x.3. CONCLUSIONESSe ha diseñado un reflectarray elíptico de doble hazbasado en tecnología impresa multicapa. Los diagramas deradiación obtenidos parecen indicar que el comportamientoes bueno en cuanto a directividad se refiere, pero por otrolado se aprecia una limitación en la respuesta enfrecuencia. El siguiente paso a seguir pasa por laconstrucción de un prototipo que valide el proceso dediseño y la optimización del mismo de cara a aumentar labanda de frecuencias conseguida.4. REFERENCIASFigura 3. Corte trasversal de la estructura multicapa.2.4. ResultadosEn la generación de los diagramas de radiación que sepresentan a continuación se ha considerado en todomomento un alimentador tipo bocina con un pedestal de–10 dB en los extremos de la superficie reflectora.[1] Zornoza, J.A. y Encinar, J.A., “Diseño de reflectarraysmultihaz y de haz conformado”, XV Simposium NacionalU.R.S.I., Zaragoza, España, Sept. 2000, pp. 271-2.[2] Encinar, J.A., 'Design of Two-layer Printed Reflectarraysusing Patches of Variable Size', IEEE Transactions onAntennas and Propagation, June 2001.[3] Huang, J., 'Capabilities of printed reflectarray antennas',International Symposium 1996, Boston, 1996, pp.131-4.2URSI 2001