Diseño de una antena reflectarray en bandas K y Ka para enlaces de alta capacidad desde nanosatélites

Resumen

En las últimas décadas, el desarrollo de nanosatélites ha impulsado drásticamente la cantidad de lanzamientos para misiones en órbitas bajas, gracias a su bajo coste, rápido desarrollo en comparación con satélites convencionales y su potencial para ofrecer capacidades únicas en las
telecomunicaciones. Sin embargo, la capacidad limitada de los nanosatélites para alojar sistemas de antena plantea la necesidad de desarrollar sistemas de comunicación adaptados a estas nuevas exigencias. En el ámbito de las comunicaciones de radar y a larga distancia, es
crucial contar con antenas de alta ganancia, que históricamente se han basado en reflectores parabólicos o arrays. Los reflectores parabólicos presentan complicaciones en la fabricación debido a la superficie curvada, mientras que los arrays, aunque permiten la exploración del haz radiado, tienden a ser costosos en su diseño.

En este contexto, surgen los reflectarrays. Al emplear superficies reflectantes planas en lugar de curvas, combinan ventajas ofrecidas por reflectores parabólicos y arrays. Además, facilitan la exploración del haz radiado y, crucialmente, permiten mecanismos de despliegue más
sencillos y fiables en comparación con las antenas parabólicas curvadas.

En este Trabajo de Fin de Grado (TFG), se aborda el diseño de una antena reflectarray para enlaces de alta capacidad desde nanosatélites, focalizando la atención en las bandas K y Ka. La antena busca lograr una conversión de polarización doble lineal a circular, operando a frecuencias de 19.7 GHz y 29.5 GHz para transmisión y recepción, respectivamente.

El capítulo inicial establece la relevancia de la tecnología de antenas reflectarray en nanosatélites CubeSat y presenta los objetivos del proyecto. El capítulo siguiente detalla la configuración y técnica de diseño de la antena, con una dimensión de 30 cm x 30 cm y 2601 celdas distribuidas en dos capas para las dos frecuencias. Se destaca el uso de la inclinación del alimentador y la disposición de los dipolos para lograr la conversión de polarización lineal a circular sin polarizador. Además, se selecciona un CubeSat de 3U para alojar la antena, con requisitos específicos para un haz de alta ganancia con polarización circular.

El capítulo de análisis de las celdas investiga la variación de fase en relación con las longitudes y separaciones de los dipolos, resaltando el factor de escala de los dipolos laterales. Los resultados para diferentes materiales se presentan en términos de amplitudes y fases de los
coeficientes de reflexión en ambas bandas de frecuencias.

Finalmente, el capítulo de resultados presenta las conclusiones del diseño de la antena para cada celda analizada. Se resalta la diferencia entre el uso de DiClad y Rogers como sustrato dieléctrico, evidenciando interferencias en el primer caso y mejoras significativas en el segundo. En conclusión, se demuestra la viabilidad del diseño de una antena reflectarray con capacidad de cambio de polarización en las bandas K y Ka, destacando la adaptabilidad a distintas misiones y la simplicidad del proceso de conversión de polarización.