Antena de zona Fresnel - Fresnel zone antenna
Las antenas de zona de Fresnel son antenas que enfocan la señal utilizando la propiedad de cambio de fase de la superficie de la antena o su forma. Hay varios tipos de antenas de zona de Fresnel , a saber, placa de zona de Fresnel , antenas de placa de zona de Fresnel compensadas, antenas reflectantes de corrección de fase o antenas "Reflectarray" y antenas de Fresnel tridimensionales. Son una clase de antenas difractivas y se han utilizado desde radiofrecuencias hasta rayos X.
Antena Fresnel
Las antenas de zona Fresnel pertenecen a la categoría de antenas reflectoras y de lente . Sin embargo, a diferencia de las antenas tradicionales de reflector y lente, el efecto de enfoque en una antena de zona de Fresnel se logra controlando la propiedad de cambio de fase de la superficie y permite formas de antena planas o arbitrarias. Por razones históricas, una antena de zona de Fresnel plana se denomina antena de placa de zona de Fresnel. Una placa de zona de Fresnel desplazada puede montarse a ras en la pared o el techo de un edificio, imprimirse en una ventana o adaptarse a la carrocería de un vehículo.
Las ventajas de la antena de placa de zona de Fresnel son numerosas. Normalmente es barato de fabricar e instalar, fácil de transportar y empaquetar y puede lograr una alta ganancia. Debido a su naturaleza plana, la fuerza de carga del viento de una placa de zona de Fresnel puede ser tan pequeña como 1/8 de la de los reflectores convencionales sólidos o de malla de alambre de tamaño similar. Cuando se utiliza en frecuencias de ondas milimétricas , una antena de zona de Fresnel puede integrarse con el circuito integrado monolítico de ondas milimétricas (MMIC) y, por lo tanto, se vuelve incluso más competitiva que una matriz de antenas impresas.
La antena de placa de zona de Fresnel más simple es la placa de zona de media onda circular inventada en el siglo XIX. La idea básica es dividir una apertura plana en zonas circulares con respecto a un punto focal elegido sobre la base de que toda la radiación de cada zona llega al punto focal en fase dentro del rango de ± π / 2. Si la radiación de zonas alternas se suprime o cambia de fase en π, se obtiene un enfoque aproximado y se puede colocar una alimentación allí para recolectar la energía recibida de manera efectiva. A pesar de su simplicidad, la placa de zona de media onda se mantuvo principalmente como un dispositivo óptico durante mucho tiempo, principalmente porque su eficiencia es demasiado baja (menos del 20%) y el nivel de lóbulos laterales de su patrón de radiación es demasiado alto para competir con el reflector convencional. antenas.
En comparación con las antenas de lentes y reflectores convencionales, la investigación publicada sobre antenas de zona de Fresnel de ondas milimétricas y microondas parece ser limitada. En 1948, Maddaus publicó el diseño y el trabajo experimental de antenas de lentes de media onda escalonadas que operan a 23 GHz y se lograron niveles de lóbulos laterales de alrededor de -17 dB. En 1961, Buskirk y Hendrix informaron sobre un experimento sobre antenas reflectoras de placa de zona de inversión de fase circular simples para operación de radiofrecuencia . Desafortunadamente, el lóbulo lateral que lograron fue tan alto como -7 dB. En 1987, Black y Wiltse publicaron su trabajo teórico y experimental sobre la placa de zona de cuarto de onda escalonada a 35 GHz. Se logró un nivel de lóbulo lateral de aproximadamente -17 dB. Un año más tarde, Huder y Menzel informaron de un reflector de placa de zona de inversión de fase que funcionaba a 94 GHz, y se obtuvo una eficiencia del 25% y un nivel de lóbulo lateral de -19 dB. Los investigadores de la NASA informaron de un experimento en una antena similar a 11,8 GHz en 1989. Se midieron un ancho de banda de 5% a 3 dB y un nivel de lóbulos laterales de -16 dB.
Hasta la década de 1980, la antena de placa de zona de Fresnel se consideraba un mal candidato para aplicaciones de microondas . Sin embargo, tras el desarrollo de los servicios DBS en los años ochenta, los ingenieros de antenas comenzaron a considerar el uso de placas de zona de Fresnel como antenas candidatas para la recepción DBS, donde el costo de la antena es un factor importante. Esto, hasta cierto punto, proporcionó un impulso comercial a la investigación sobre las antenas de la zona de Fresnel.
Antena de Fresnel compensada
La placa de zona de Fresnel descentrada se informó por primera vez en. En contraste con la placa de zona de Fresnel simétrica que consta de un conjunto de zonas circulares, la placa de zona de Fresnel descentrada consta de un conjunto de zonas elípticas definidas por
donde a, byc están determinados por el ángulo de desplazamiento y la distancia focal y el índice de zona. Esta característica introduce algunos problemas nuevos en el análisis de antenas de placa de zona de Fresnel compensadas. Las fórmulas y algoritmos para predecir el patrón de radiación de una antena de lente de Fresnel offset se presentan en, donde también se informan algunos resultados experimentales. Aunque una antena de lente Fresnel simple tiene baja eficiencia, sirve como un candidato interior muy atractivo cuando se dispone de una ventana grande o una pared eléctricamente transparente. En la aplicación de los servicios de transmisión directa (DBS), por ejemplo, se puede producir una lente de Fresnel offset simplemente pintando un patrón zonal en el vidrio de una ventana o una persiana con material conductor. La señal del satélite que pasa a través de las zonas transparentes se recopila utilizando una alimentación interior.
Antena correctora de fase
Para aumentar la eficiencia de las antenas de placa de zona de Fresnel, se puede dividir cada zona de Fresnel en varias subzonas, como subzonas de cuarto de onda, y proporcionar un cambio de fase apropiado en cada una de ellas, lo que resulta en una fase de subzona. placa de zona de corrección. El problema con la antena de lente de placa de zona basada en dieléctrico es que mientras un dieléctrico proporciona un cambio de fase a la onda transmitida, inevitablemente refleja parte de la energía de regreso, por lo que la eficiencia de dicha lente es limitada. Sin embargo, el problema de baja eficiencia para un reflector de placa de zona es menos severo, ya que la reflexión total se puede lograr usando un reflector conductor detrás de la placa de zona. Con base en el análisis de campo focal, se demuestra que se pueden obtener reflectores de placa de zona de alta eficiencia empleando la técnica de corrección de fase multicapa, que consiste en utilizar una serie de placas dieléctricas de baja permitividad e imprimir diferentes patrones zonales metálicos en las diferentes interfaces. El diseño y los experimentos de reflectores de placa de zona de corrección de fase circular y multicapa offset se presentaron en.
Un problema con el reflector de placa de zona multicapa es la complejidad introducida, que podría contrarrestar la ventaja de utilizar antenas de placa de zona de Fresnel. Una solución es imprimir una matriz no homogénea de elementos conductores en una placa dieléctrica conectada a tierra, lo que conduce al denominado reflector plano impreso de una sola capa. Esta configuración tiene mucho en común con la antena de matriz impresa, pero requiere el uso de una antena de alimentación en lugar de una red de alimentación corporativa. En contraposición a la red de antenas normal, los elementos de la red son diferentes y están dispuestos de manera pseudoperiódica. La teoría y el método de diseño de reflectores planos impresos de una sola capa que incorporan anillos conductores y los resultados experimentales en una antena de este tipo que opera en la banda X se dieron en. Naturalmente, esto conduce a un concepto de antena más general, la matriz reflectante de corrección de fase.
Antena reflectarray
Una matriz reflectante de corrección de fase consiste en una matriz de elementos de cambio de fase iluminados por una alimentación colocada en el punto focal. La palabra "reflectante" se refiere al hecho de que cada elemento de cambio de fase refleja la energía en la onda incidente con un cambio de fase apropiado. Los elementos de cambio de fase pueden ser pasivos o activos. Cada elemento de cambio de fase puede diseñarse para producir un cambio de fase que sea igual al requerido en el centro del elemento, o para proporcionar algunos valores de cambio de fase cuantificados. Aunque el primero no parece ser comercialmente atractivo, el segundo demostró ser una configuración de antena práctica. Una ventaja potencial es que dicha matriz se puede reconfigurar cambiando las posiciones de los elementos para producir diferentes patrones de radiación. Se informó una teoría sistemática de la eficiencia de fase de antenas de matriz de corrección de fase pasiva y los resultados experimentales en un prototipo de banda X. En los últimos años, se volvió común llamar a este tipo de antenas "reflectarrays".
Modulación de fase de referencia
Se ha demostrado que la fase del lóbulo principal de una placa de zona sigue su fase de referencia , una longitud de trayectoria constante o fase añadida a la fórmula para las zonas, pero que la fase de los lóbulos laterales es mucho menos sensible.
Entonces, cuando es posible modular la señal cambiando dinámicamente las propiedades del material, la modulación de los lóbulos laterales es mucho menor que la del lóbulo principal y, por lo tanto, desaparecen con la demodulación, dejando una señal más limpia y privada.
Antenas Fresnel de dirección de haz
La dirección del haz se puede aplicar mediante control de amplitud / fase o control de amplitud únicamente de los elementos de una matriz de antenas colocadas en el punto focal de la lente como alimentación de antena. Con el control de solo amplitud, no se necesitan desplazadores de fase que limiten el ancho de banda, lo que ahorra complejidad y alivia las limitaciones de ancho de banda a costa de la capacidad limitada de dirección del haz.
Antenas Fresnel tridimensionales
Para aumentar las propiedades de enfoque, resolución y escaneo y para crear patrones de radiación de diferentes formas, la placa de la zona de Fresnel y la antena pueden ensamblarse de manera que se adapten a una formación curvilínea natural o artificial y usarse como una antena difractiva: Radome .