Antena reflectora

Una antena reflectarray (o simplemente reflectarray ) consiste en una matriz de celdas unitarias, iluminadas por una antena de alimentación (fuente de ondas electromagnéticas ). ^{[ 1 ] [ 2 ]} La antena de alimentación suele ser una bocina . Las celdas unitarias suelen estar respaldadas por un plano de tierra , y la onda incidente se refleja en ellas hacia la dirección del haz , pero cada celda añade un retardo de fase diferente a la señal reflejada. Se aplica una distribución de fase de anillos concéntricos para enfocar los frentes de onda de la antena de alimentación en una onda plana (para tener en cuenta las diferentes longitudes de trayectoria desde la antena de alimentación a cada celda unitaria). Se puede aplicar un desplazamiento de fase progresivo a las celdas unitarias para dirigir la dirección del haz. ^{[ 3 ]} Es común desplazar la antena de alimentación para evitar el bloqueo del haz. ^{[ 4 ]} En este caso, es necesario modificar la distribución de fase en la superficie del reflectarray. Un reflectarray enfoca un haz de forma similar a un reflector parabólico (disco), pero con un factor de forma mucho más delgado.

Según ^{[ 5 ]} , en un reflectarray se logra una fase constante de todo el campo reflejado en un plano normal a la dirección del haz de lápiz deseado, como se expresa por: ${\displaystyle {\frac {2\pi }{\lambda _{0}}}\left(r_{mn}-R_{mn}.r\right)-\Delta \phi _{mn}=2\pi N}$

dónde${\displaystyle \lambda _{0}}$es la longitud de onda del espacio libre,

${\displaystyle r_{mn}}$es el vector de posición del${\displaystyle {mn}}$elemento/celda unitaria en relación con${\displaystyle (0,0,F)}$,

${\displaystyle F}$es la distancia focal,

${\displaystyle R_{mn}}$es el vector de posición de${\displaystyle {mn}}$elemento n-ésimo relativo al origen${\displaystyle (0,0,0)}$es decir, el centro del reflector,

${\displaystyle r}$es el vector de dirección del haz de lápiz deseado,

${\displaystyle N=1,2,3,...}$,

y${\displaystyle \Delta \phi _{mn}}$es el cambio de fase introducido por${\displaystyle {mn}}$la celda unitaria de la matriz reflectante a su campo reflejado en relación con el campo incidente.

Para una bocina de alimentación ubicada en${\displaystyle (0,0,F)}$La fórmula para la distribución de fase óptima en un reflector convencional para un haz en la dirección del eje principal viene dada por:

${\displaystyle \Delta \phi (x_{m},y_{m})={\frac {2\pi }{\lambda _{0}}}{\sqrt {x^{2}+y^{2}+F^{2}}}}$

dónde${\displaystyle \Delta \phi (x_{m},y_{m})}$es el desfase para una celda unitaria ubicada en las coordenadas${\displaystyle (x_{m},y_{m})}$.

Es importante analizar la magnitud de la reflexión.${\displaystyle |S_{11}|}$y la fase de reflexión${\displaystyle \angle S_{11}}$en todo el ancho de banda de frecuencia de operación. Al diseñar un reflectarray, nuestro objetivo es maximizar la magnitud de la reflexión.${\displaystyle |S_{11}|}$estar cerca de 1 (0  dB). ^{[ 6 ]} La fase de reflexión${\displaystyle \angle S_{11}}$En cada celda unitaria se determina la forma y dirección generales del haz. Idealmente, el rango total de desplazamiento de fase sería de 360°. ^{[ 1 ]} La eficiencia de apertura y, por lo tanto , la ganancia del reflectarray se reducirán si no se considera el ángulo de incidencia a las celdas unitarias, o si se produce derrame o la iluminación del reflectarray no es óptima (véase también transmitarrays ). ^{[ 2 ]} De manera similar, los errores de fase debidos a la cuantización en un número discreto de estados de fase para el control digital también pueden reducir la ganancia . ^{[ 7 ]}

Un reflectarray fijo tiene una única dirección de haz por alimentación. Cambiar la forma de las celdas unitarias altera su fase de reflexión. Las celdas unitarias no se pueden reconfigurar. Esto tiene aplicaciones en comunicaciones punto a punto o para un satélite que cubre una región geográfica específica (con un contorno de haz fijo). ^{[ 8 ]} Un reflectarray reconfigurable tiene celdas unitarias cuya fase se puede controlar electrónicamente en tiempo real para dirigir el haz o cambiar su forma. Se han utilizado varios métodos para implementar celdas unitarias de reflectarray reconfigurables, incluidos diodos PIN , ^{[ 9 ] [ 10 ]} cristal líquido , ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} y materiales novedosos. Cada uno de estos métodos introduce pérdidas que reducen la eficiencia de las celdas unitarias. También es necesario considerar la linealidad (como la distorsión debida a los diodos) para minimizar la radiación fuera de banda que podría interferir con los usuarios en frecuencias adyacentes. ^{[ 15 ]}

En las comunicaciones por satélite , es necesario producir múltiples haces por alimentación, a veces operando en diferentes frecuencias y polarizaciones . ^{[ 16 ]} Un ejemplo de esto es el esquema de reutilización de frecuencia de cuatro colores . ^{[ 16 ]} La polarización circular se usa comúnmente para reducir el efecto de la despolarización atmosférica en el rendimiento del sistema de comunicación. ^{[ 17 ]} Un reflectarray de doble banda tiene dos frecuencias de banda de paso diferentes, por ejemplo para el enlace ascendente y el enlace descendente . ^{[ 18 ]} Un reflectarray bifocal tiene dos focos principales , por lo que puede enfocar frentes de onda hacia o desde dos antenas de alimentación simultáneamente. ^{[ 19 ]} Un reflectarray dual consta de dos etapas de reflexión, en las que el haz es enfocado primero por un reflectarray, luego por otro. La distribución de fase en cada reflectarray debe calcularse cuidadosamente para asegurar que las derivadas de fase sean consistentes con el ángulo de incidencia de los rayos. ^{[ 19 ]} La relación de los tamaños y posiciones de estos reflectarrays se puede usar para lograr una magnificación cuasi-óptica (estrechamiento del haz). ^{[ 20 ]}

• Arreglo de fase
• Metamaterial
• Antena de matriz de transmisión
• Onda milimétrica
• formación de haces