Antena de zona de Fresnel

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. ^{[1] [2] [3] [4] [5]} Existen varios tipos de antenas de zona de Fresnel , a saber, antenas de placa de zona de Fresnel, antenas de placa de zona de Fresnel desplazadas, antenas de matriz reflectante con corrección de fase o "Reflectarray" y antenas Fresnel tridimensionales. Son una clase de antenas difractivas y se han utilizado desde frecuencias de radio hasta rayos X.

Las antenas de zona de Fresnel pertenecen a la categoría de antenas reflectoras y de lente . Sin embargo, a diferencia de las antenas reflectoras y de lente tradicionales, 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 ^{[1] [6]} o arbitrarias. ^[4] 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 se puede montar al ras de la pared o el techo de un edificio, imprimirse en una ventana o adaptarse a la carrocería de un vehículo. ^[7]

Las ventajas de la antena de placa de zona Fresnel son numerosas. Normalmente es barata 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 Fresnel puede ser tan pequeña como 1/8 de la de los reflectores sólidos o de malla de alambre convencionales de tamaño similar. Cuando se utiliza en frecuencias de ondas milimétricas , una antena de zona Fresnel puede integrarse con el circuito integrado monolítico de ondas milimétricas (MMIC) y, por lo tanto, se vuelve incluso más competitiva que un conjunto de antenas impresas.

La antena de placa de zona de Fresnel más sencilla es la placa de zona de media onda circular inventada en el siglo XIX. La idea básica es dividir una abertura 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 se desplaza en fase en π, se obtiene un foco aproximado y se puede colocar un alimentador allí para recoger la energía recibida de manera efectiva. A pesar de su simplicidad, la placa de zona de media onda permaneció principalmente como un dispositivo óptico durante mucho tiempo, principalmente porque su eficiencia es demasiado baja (menos del 20%) y el nivel de lóbulo lateral de su patrón de radiación es demasiado alto para competir con las antenas reflectoras convencionales.

En comparación con las antenas reflectoras y de lente convencionales, la investigación publicada sobre antenas de zona de Fresnel de microondas y ondas milimétricas parece ser limitada. En 1948, Maddaus publicó el diseño y el trabajo experimental sobre antenas de lente de media onda escalonada que operaban a 23 GHz y se lograron niveles de lóbulo lateral 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 simple 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 escalonada de cuarto de onda a 35 GHz. Se logró un nivel de lóbulo lateral de aproximadamente -17 dB. Un año después, Huder y Menzel informaron sobre un reflector de placa de zona de inversión de fase que operaba a 94 GHz, y se obtuvo una eficiencia del 25% y un nivel de lóbulo lateral de -19 dB. En 1989, investigadores de la NASA informaron sobre un experimento con una antena similar a 11,8 GHz . Se midió un ancho de banda del 5 % a 3 dB y un nivel de lóbulo lateral de -16 dB. ^[1]

Hasta la década de 1980, la antena de placa de zona de Fresnel se consideraba una mala candidata para aplicaciones de microondas . Sin embargo, tras el desarrollo de los servicios DBS en la década de 1980, 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, en cierta medida, proporcionó un impulso comercial a la investigación sobre antenas de zona de Fresnel. ^{[1] [3] [5]}

La placa de zona de Fresnel desplazada se informó por primera vez en ^[8] . A diferencia de la placa de zona de Fresnel simétrica que consta de un conjunto de zonas circulares, la placa de zona de Fresnel desplazada consta de un conjunto de zonas elípticas definidas por

${\displaystyle {\frac {x^{2}}{b^{2}}}+{\frac {(yc)^{2}}{a^{2}}}=1}$

donde a, b y c están determinados por el ángulo de desplazamiento y la longitud focal y el índice de zona. Esta característica introduce algunos problemas nuevos en el análisis de antenas de placa de zona de Fresnel desplazadas. Las fórmulas y algoritmos para predecir el patrón de radiación de una antena de lente Fresnel desplazada se presentan en ^[8] , 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 servicios de radiodifusión directa (DBS), por ejemplo, una lente Fresnel desplazada se puede producir 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 recoge entonces utilizando una alimentación interior.

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 da como resultado una placa de zona de corrección de fase de subzona. ^[9] El problema con la antena de lente de placa de zona basada en dieléctrico es que, si bien 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 grave, ya que la reflexión total se puede lograr utilizando un reflector conductor detrás de la placa de zona. ^[10] Con base en el análisis del 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 multicapa circulares y desplazados se presentaron en. ^[1]

Un problema con el reflector de placa de zona multicapa es la complejidad introducida, que podría contrarrestar la ventaja de usar 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 llamado reflector plano impreso de una sola capa. ^{[1] [11]} 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. A diferencia de la antena de matriz normal, los elementos de la matriz 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 resultados experimentales en una antena de este tipo que opera en la banda X se dieron en ^[5] . Naturalmente, esto conduce a un concepto de antena más general, la matriz reflectante de corrección de fase.

Un conjunto reflectivo de corrección de fase consiste en un conjunto de elementos de cambio de fase iluminados por un alimentador colocado en el punto focal. La palabra "reflectivo" 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 un conjunto de este tipo puede reconfigurarse cambiando las posiciones de los elementos para producir diferentes patrones de radiación. Una teoría sistemática de la eficiencia de fase de las antenas de conjunto de corrección de fase pasiva y los resultados experimentales en un prototipo de banda X se informaron en ^[1] . En los últimos años, se hizo común llamar a este tipo de antenas "reflectarrays" . ^[12]

Se ha demostrado que la fase del lóbulo principal de una placa zonal sigue su fase de referencia , ^[13] 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.

${\displaystyle r_{n}={\sqrt {(n+\alpha )\lambda f+{\frac {(n+\alpha )^{2}\lambda ^{2}}{4}}}}}$

Así, cuando es posible modular la señal modificando dinámicamente las propiedades del material, la modulación de los lóbulos laterales es mucho menor que la del lóbulo principal y por eso desaparecen durante la demodulación, dejando una señal más limpia y privada. ^[14]

La dirección del haz se puede aplicar mediante el control de amplitud/fase o mediante el control de solo amplitud de los elementos de un conjunto de antenas ubicado en el punto focal de la lente como alimentación de antena. Con el control de solo amplitud, no se necesitan desfasadores que limiten el ancho de banda, lo que ahorra complejidad y alivia las restricciones de ancho de banda a costa de una capacidad limitada de dirección del haz. ^[15]

Para aumentar las propiedades de enfoque, resolución y escaneo y crear patrones de radiación con formas diferentes, la placa de zona de Fresnel y la antena se pueden ensamblar de manera que se ajusten a una formación curvilínea natural o artificial y se pueden usar como una antena difractiva ( radomo) . ^[4]