The aim of this paper is to introduce some theory as well as prototype results of a Ku-band active transmitarray. Its architecture is based in two bi-dimensional radio interfaces interconected by a multiport microwave circuit. This makes the system reconfigurable through a driver device acting on the microwave circuit, which is based in analog phase shifters. The development of the prototypes implies the design of broadband multilayer antenna patches and a novel high-performance reflection analog phase shifte

Muñoz Acevedo, Alfonso

Padilla de La Torre, Pablo

Sierra Castañer, Manuel

Archivo Digital UPM

Diseño, simulación y prototipado de un transmitarray reconfigurable en banda Ku

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid

  
 
DISEÑO, SIMULACIÓN Y PROTOTIPADO DE 
UN TRANSMITARRAY RECONFIGURABLE EN 
BANDA Ku 
A. Muñoz-Acevedo, P. Padilla, M. Sierra-Castañer 
alfonsoma@gr.ssr.upm.es, ppadilla00@gr.ssr.upm.es, m.sierra.castaner@gr.ssr.upm.es. 
Dpto. de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones. Universidad Politécnica de Madrid. 
Avenida de la Complutense, s/n, 28040, Madrid. 
 
 
Resumen –  The aim of this paper is to introduce some theory 
as well as prototype results of a Ku-band active transmitarray. 
Its architecture is based in two bi-dimensional radio interfaces 
interconected by a multiport microwave circuit. This makes 
the system reconfigurable through a driver device acting on 
the microwave circuit, which is based in analog phase shifters. 
The development of the prototypes implies the design of broad-
band multilayer antenna patches and a novel high-performance 
reflection analog phase shifter 
 
I. INTRODUCCIÓN 
El objetivo de este trabajo es abordar el estudio de un 
transmitarray activo en la banda de 12 GHz. Presentaremos  
algunos fundamentos teóricos de los que parten nuestros 
diseños para extraer ciertas conclusiones sobre la medida de 
prestaciones de nuestros prototipos. 
Nuestra atención se centrará en dibujar la línea de trabajo 
que dota al transmitarray de inteligencia. Ello requiere tener 
presente el funcionamiento de transmitarray como dispositivo 
de microondas para así introducir un módulo que implemente 
la componente reconfigurable. En consecuencia, nuestra 
toma de contacto con el transmitarray parte de unas primeras 
nociones sobre este tipo de estructuras. 
 Un transmitarray es un dispositivo de RF con dos in-
terfaces radio. Una de ellas funciona en recepción y la 
segunda, en transmisión. Entre ambas existe una etapa 
de procesado que actúa sobre la radiación entrante, 
configurando así la saliente. 
 Para que un transmitarray sea reconfigurable es preciso 
que la etapa intermedia tenga un comportamiento fácil-
mente modificable. Esto requiere que se pueda efectuar 
sobre él un control que modifique la onda saliente. Este 
planteamiento nos conduce a la necesidad de introducir 
elementos activos dentro de la circuitería intermedia. 
 Dicha circuitería consistirá en una red multipuerta de 
microondas basada en desfasadores controlables por un 
dispositivo driver al uso. 
Que este último módulo de procesado electromagnético ofrez-
ca verdadera reconfigurabilidad requiere que nuestros 
desfasadotes tengan un amplio margen dinámico y un control 
flexible. En la figura 1 queda resumida la idea de 
transmitarray que estudiamos en el presente artículo. 
 
 
Figura. 1. Idea de transmitarray reconfigurable 
 
II. ESTRUCTURA DE TRANSMITARRAY 
A continuación nos dedicamos a analizar cada una de las 
partes que lo componen por separado. 
 
II-A.  Elemento radiante 
 
Consultando la teoría de arrays de antenas concluimos que 
para lograr reconfigurabilidad en el apuntamiento en torno a 
2 ejes ortogonales es necesario disponer de un array bidimen-
sional de elementos radiantes. Para lograr cierta 
homogeneidad en la estructura, nuestras interfaces radio 
serán ambas iguales en recepción y transmisión. La 
alimentación de los elementos del array de transmisión se 
efectuará con una corriente Im,n, de acuerdo con la matriz de 
la figura 2. 
 
 
Figura. 2. Matriz de alimentación de los elementos radiantes en transmisión 
       Actas del XXIII Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI 2008). Madrid, 22-24 Septiembre 2008. ISBN: 978-84-612-6291-5
  
 
Nuestra interfaz radio consistirá en un array plano 
cuadrado, lo que significa que M = N en la figura 2. Es preciso 
definir cuál será nuestra unidad radiante. Se nos presentan dos 
opciones: hacer que la unidad radiante sea simplemente un 
parche o que, por otra parte, esta estructura radiante sea una 
agrupación de parches idénticamente alimentados. 
Apreciamos estas dos opciones en la figura 3. 
 
Figura. 3. Elementos radiantes unitarios 
 
Optaremos por la matriz de 2x2 parches como unidad 
radiante, consiguiendo así simplificar la circuitería activa del  
transmitarray. 
Diseñamos nuestro parche unitario para funcionar en 
banda ancha. Un esquema de su arquitectura es la figura 4. Es 
importante añadir que el sistema de alimentación se basa en 
un plano de masa perforado a través del cual introducimos una  
vía que alimenta directamente el parche inferior. 
 
 
Figura. 4. Arquitectura del parche radiante en banda ancha 
 
II-B.  Red de alimentación 
 
Nuestra decisión de elegir un sub array 2x2 como unidad 
radiante nos lleva a la necesidad de construir una red de 
alimentación. Este dispositivo conectará cada uno de estos 4 
parches a una salida de RF y se utilizará tanto en el array de 
recepción como en el de transmisión. 
Por tanto es importante que nuestra red de alimentación 
consiga los siguientes puntos: 
 
 Actuando en recepción: sumar la potencia de las señales 
de los parches con una ponderación uniforme en módulo 
y fase. 
 Actuando en transmisión: presentar bajas pérdidas de 
reflexión en el puerto de entrada y distribuir esta potencia 
uniformemente en módulo y fase a los 4 puertos de  
salida. 
 
Optamos por diseñar una red de alimentación ”en H”. 
Teniendo en cuenta la topología del circuito, el esquema 
circuital de nuestra red de alimentación podría resumirse en 
la figura 5. Los accesos a parche son los puertos 2 a 5. 
Podemos observar cómo se conectan compensaciones 
capacitivas ”C”, uniones en T, los transformadores de 
longitud eléctrica 2 y los tramos de línea a impedancia 
característica Z0 con longitudes eléctricas x. 
 
 
Figura. 5. Esquema circuital de la red de alimentación “en H” 
 
II-C.  Desfasador 
 
El desfasador constituye el elemento central del trans-
mitarray. El circuito de microondas que actúa como etapa 
intermedia está formado por un conjunto de N2 unidades 
desfasadoras. Para entender cómo se interconectan, hemos de 
volver a la figura 2. Cada una de las N2 unidades 
desfasadoras se encargan de implementar un desfase 
controlable entre el elemento radiante en (m, n) y su 
homólogo de la interfaz radio opuesta. 
 
 
Figura. 6. Desfases entre los puertos de nuestro circuito branch-line. 
 
Nuestro propósito es ahora desarrollar un circuito de dos 
puertos de RF entre los cuales podamos implementar un 
desfase gradual y controlable. Para ello nos basaremos en un 
circuito branch-line en 90 grados. En la figura 6 analizamos 
los desfases de las señales que atraviesan este circuito. Este 
branch funcionará como circuito de dos puertos accediendo a 
él por 1 y 4. En 2 y en 3 efectuamos un control sobre la 
combinación lineal de señales  que llegan desde el puerto 1, 
obteniendo en   4 una señal cuya fase puede separarse en las 
componentes  y . La primera componente es un offset 
invariable debido a las dimensiones físicas del circuito, si bien 
 es el desfase progresivo controlable que caracteriza al 
circuito desfasador. Estas consideraciones se esquematizan en 
la figura 7. 
III. RESULTADOS 
Nos centraremos ahora en presentar los resultados de simu-
lación que estos dispositivos ofrecen. Para ello haremos uso 
       Actas del XXIII Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI 2008). Madrid, 22-24 Septiembre 2008. ISBN: 978-84-612-6291-5
  
 
de CST Microwave Studio 6, software comercial de 
simulación en onda completa. De este modo tendremos una 
idea muy aproximada de cómo se comportarán nuestros 
prototipos una vez construidos. 
 
 
 
Figura. 7. Funcionamiento del circuito desfasador 
 
 
 
Figura. 8. Adaptación del parche en simulación 
 
En primer lugar evaluamos resultados del parche unitario. 
Es interesante comprobar su funcionamiento en banda ancha 
en torno a la frecuencia de 12 GHz. Los resultados de 
adaptación se encuentran en la figura 8. Su diagrama de 
radiación se compara en la figura 9 (a) con el correspondiente 
al array de   4 parches en 9 (b). Comprobamos que la 
agrupación en array de 2x2 redunda en un aumento de la 
directividad en 6 dB y    la aparición de lóbulos secundarios. 
 
 
Figura. 9. Diagramas de radiación: parche (a) y celda radiante (b) 
 
La simulación de la red de alimentación nos ofrece resul-
tados precisos de la adaptación en el puerto que se conecta con 
la etapa intermedia así como curvas de transmisión a los 
parches. En la figura 10 verificamos la adaptación a 12 GHz 
en el puerto 1 y una transmisión de potencia en torno a -6 dB 
a los puertos 2 a 5. 
La simulación del desfasador se articula en torno a 
resulta-dos en reflexión - transmisión por una parte y por otro 
lado, resultados de desfasaje. En la figura 11 comprobamos en 
azul la adaptación en puertos de RF del desfasador y en rojo la 
transmisión entre los mismos. 
 
 
 
 
 
Figura. 10. Adaptación y transmisión en la red de alimentación 
 
 
Figura. 11. Adaptación y transmisión del desfasador 
 
Evaluamos el desfase entre la puerta de entrada y de salida 
para diferentes señales de control sobre el desfasador. En la 
figura 12 observamos gráficas de desfasaje en la banda de 12 
GHz para estas distintas señales de control. Comprobamos 
que el margen dinámico de nuestro desfasador es superior a 
360º. 
IV. PROTOTIPOS 
 
Hasta el momento disponemos de prototipos medidos de la 
celda radiante y la red de alimentación. El primero de ellos se 
puede apreciar en la figura 13. La medida en reflexión de uno 
de sus parches con los otros tres cargados a Z0 se aprecia en 
la figura 15. Por otra parte, hemos construido un prototipo de 
un único parche, obteniendo los resultados en reflexión de la 
figura 14. Comprobamos un mejor comportamiento de la 
celda radiante 2x2 respecto de la basada en un parche simple. 
También disponemos físicamente la red de alimentación. 
Podemos apreciar su prototipo en las imágenes de la figura 
16. En la imagen, sus puertas 2 a 4 están cargadas con una 
impedancia Z0, dejando visible en la puerta 5 el conector 
SMA. La medida de reflexión para esta red entrando por el 
puerto 1 y cargando a Z0 el resto de puertos está recogida en 
la figura 17. 
V. CONCLUSIONES 
En este trabajo de investigación se ha diseñado un 
transmitarray reconfigurable. Hemos partido de un punto de 
vista de ingeniería de sistemas para, a través de simulaciones 
con software comercial, llegar a unos prototipos cuya medida 
       Actas del XXIII Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI 2008). Madrid, 22-24 Septiembre 2008. ISBN: 978-84-612-6291-5
  
 
con analizador de redes valida nuestros resultados en 
simulación. 
Nuestro trabajo subsiguiente se centrará en la construcción y 
medida del subsistema desfasador. Igualmente, disponiendo 
físicamente del resto de subsistemas conseguiremos la ter-
minación del transmitarray, llevando así a cabo medidas en 
cámara anecoica. 
 
Figura. 12. Distintos desfasajes entre los puertos del desfasador. 
 
Figura. 13. Prototipo de celda radiante 
 
Figura. 14. Reflexión medida a la entrada de un parche aislado 
AGRADECIMIENTOS 
El presente trabajo se ha llevado a cabo en el Grupo de 
Radiación del departamento SSR con la ayuda de una beca 
de colaboración del Ministerio de Educación y Ciencia y una 
beca FPU del mismo Ministerio. Las simulaciones han sido 
realizadas con el software CST Microwave Studio 6.0 gracias 
a una licencia de cooperación entre CST y la UPM. El 
substrato NY empleado en la construcción de los prototipos 
fue amablemente cedido por NELTEC S.A. 
 
Figura. 15. Reflexión medida a la entrada de un parche de la celda radiante 
 
Figura. 16. Prototipo de red de alimentación 
 
Figura. 17. Reflexión medida a la entrada de la red de alimentación 
REFERENCIAS 
[1] R. E. Collin Foundations for Microwave Engineering 2nd Ed. Wiley-IEEE 
Press. December 2000. 
[2]  K. Chang Handbook of RF/Microwave Components and Engineering 
Wiley & Sons. 2003. 
[3]  C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and design, 2nd ed. Wiley,  ay 
1996. 
[4]   Sh. Zhong, G. Liu and G. Qasim, ”Closed form Expressions for Resonant 
Frequency of Rectangular Patch Antennas With Multidielectric Layers”. 
IEEE Transactions on antennas and propagation. vol 42. no. 9, September 
1994. 
[5] M. V. Schneider ”Microstrip Dispersion”, Proceedings of the IEEE, January 
1992 
[6] I. J. Bahl et al. ”Design of microstrip antennas covered with a dielectric 
layer”, IEEE transactions on antennas and propagation. vol ap-30 no. 2 
March 1982 
[7] J.I. Upshur and B. D. Geller, ”Low loss 360 degree x-band analog phase 
shifter”, Patent number: 5119050, 2 Jun 1992 
[8] Ch. Chen, W. E. Courtney, ”A Low-Loss Ku-Band Monolithic Analog 
Phase Shifter”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 
vol MTT-35 no. 3 March 1987. 
[9] P. Gay-Balmaz and J. R. Mosig, ”Three-dimensional planar radiating 
structures in stratified media”, Microwave and Millimeter-Wave 
Computer-Aided Engineering, vol. 7, no. 5 pp. 330-343, September 1997. 
 
       Actas del XXIII Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI 2008). Madrid, 22-24 Septiembre 2008. ISBN: 978-84-612-6291-5


http://oa.upm.es/3387/1/INVE_MEM_2008_54774.pdf

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