Es bien sabido que a lo largo de la carrera espacial, las antenas han jugado un papel fundamental para el éxito de cada misión, pues es a través de ellas que pueden establecerse enlaces inalámbricos a gran distancia. Una antena transmisora convierte energía guiada (a través de un cable coaxial o una guía de ondas, por ejemplo) en energía radiada que viaja a través del espacio libre. De la misma forma, una antena receptora capta la energía del espacio libre para convertirla en energía guiada. El campo de estudio de las antenas espaciales es muy extenso, ya que existe una amplia variedad de aplicaciones. Entre éstas se pueden mencionar: telecomunicaciones, navegación, observación de la Tierra, exploración planetaria, sondas científicas, TT&C (siglas en inglés para telemetría, seguimiento y comando), misiones tripuladas y terminales de usuario, entre otras. Dependiendo de la aplicación, y por lo tanto de los parámetros de diseño (ganancia, tipo de cobertura, frecuencia de operación, polarización, etc), las antenas espaciales han sido tradicionalmente fabricadas usando cuatro tipos diferentes de estructura: antenas de hilo (monopolos, dipolos, hélices), antenas de bocina o corneta (ya sea en radiación directa o para alimentar reflectores), arreglos o agrupaciones de fase y antenas reflectoras. Las dos últimas configuraciones son las preferidas para las antenas altamente directivas, es decir, antenas que concentren la energía radiada en zonas muy bien definidas, permitiendo enlaces eficientes a gran distancia. En los últimos años ha crecido notablemente el interés por un tipo de antena que combina las características principales de las agrupaciones de fase y los reflectores: las antenas tipo reflectarray.
Las antenas tipo reflectarray consisten en un arreglo o agrupación de elementos radiantes que reflejan el campo incidente proveniente de un alimentador primario (una corneta, por ejemplo). Los elementos suelen fabricarse en tecnología microcinta, utilizando materiales dieléctricos de bajas pérdidas con parches metalizados en una cara y un plano metálico uniforme en la otra. Los parches son optimizados para introducir un desfase en el campo reflejado a nivel local, de tal forma que pueda formarse un haz en campo lejano con una forma predefinida. Por ejemplo, si el desfase es progresivo el resultado es un haz con forma de pincel que apunta en cierta dirección espacial proyectando una cobertura circular. Mediante algoritmos de síntesis de fase es posible producir de forma sencilla haces que iluminen una región de la Tierra de manera preferente, también conocida como huella. De esta forma puede cubrirse una determinada área geográfica, evitando desperdiciar la energía del haz en zonas de baja densidad demográfica, como los océanos.
Ya se ha comentado que una antena reflectarray combina las características principales de una antena reflectora y una agrupación de fase plana, pero además ofrece varias ventajas sobre ambas. Por un lado, las antenas reflectoras suelen estar limitadas en cuanto a reconfiguración, requiriendo para ello sistemas de alimentación compleja o motores que permitan movimiento mecánico de partes. En aplicaciones espaciales se prefiere evitar el uso de estructuras móviles que puedan bloquearse al requerir moverse; además un motor implica algún tipo de mantenimiento, imposible de suministrar en el espacio. Por otro lado, las agrupaciones de fase permiten controlar electrónicamente la excitación de cada elemento, con lo que es sencillo realizar el barrido del haz o reconfiguración en tiempo real. Sin embargo, requieren de pesadas y costosas unidades de hardware y líneas de transmisión con altas pérdidas.
¿Porqué la antena tipo reflectarray resulta atractiva?
La antena tipo reflectarray al igual que los reflectores se alimenta espacialmente pero permite introducir, al igual que las agrupaciones de fase, dispositivos de control electrónico en cada elemento. De esta forma ofrece bajas pérdidas y reconfiguración del patrón de radiación en tiempo real.
Además ofrecen otras ventajas:
Forma del haz flexible.- Mediante la optimización de fases en cada elemento es posible crear haces con la cobertura deseada, e incluso haces múltiples.
Perfil plano y masa reducida.- Ya que está formada por una estructura multicapa plana de materiales ligeros, gran parte de ellos certificados para aplicaciones espaciales.
Control independiente de cada polarización.- Permite utilizar cada polarización ortogonal de forma independiente. Además ofrece bajos niveles de componente contra-polar.
Integración con paneles solares.- Los materiales de la estructura radiante pueden fabricarse sobre el panel solar o detrás del mismo. De esta forma se puede optimizar el espacio disponible.
Fácil fabricación.- Se utiliza la tecnología madura de circuitos impresos.
Coste moderado.- No se requieren moldes costosos como en el caso de los reflectores con superficie perfilada. El costo de fabricación de la antena es independiente del tipo de haz.
Compatibilidad con una gran variedad de dispositivos de control.- El control de la fase en cada elemento puede realizarse con técnicas muy diversas: semiconductores, MEMS, cristales líquidos, materiales ferroeléctricos, grafeno, etc.
Posibilidad de despliegue.- La superficie reflectante puede hacerse en membranas o paneles plegables de fácil despliegue en órbita.
Arquitectura flexible.- Dependiendo de la aplicación, puede optimizarse la arquitectura de la antena, permitiendo configuraciones de alimentador centrado, excéntrico (off-set) para evitar bloqueo, o incluso configuraciones multi-reflector (óptica plegada).
Multi-reconfiguración.- Mediante diseños eficientes es posible introducir reconfiguración electrónica no solo a nivel espacial (forma y dirección del haz), sino también a nivel de frecuencia de operación o polarización del campo eléctrico.
