A broadband circularly polarized and electronically steering antenna for satellite communication in X band is presented. The antenna operates with Left Hand Circular Polarization in Reception band (7.25-7.75 GHz) and Right Hand Circular Polarization in Transmission band (7.9-8.4 GHz). The key element is a resonant double stacked patch, which is fed by a 90º branch-line coupler to obtain the desired circular polarizations (RHCP or LHCP) and ensures adequate port coupling isolation. The arrangement features and the compactness are required for airborne antenna arrays. The design procedure of the antenna, able to get  an electronically steering direction, are outline

Exposito Dominguez, Gonzalo

Ortiz, Noelia

Sierra Castañer, Manuel

Sánchez, Adrián

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid

  
 
ANTENA IMPRESA CON ESCANEO 
ELECTRÓNICO EN SISTEMAS 
EMBARCADOS PARA 
COMUNICACIONES POR SATÉLITE 
EN BANDA X 
Gonzalo Expósito
(1)
, Adrián Sánchez
(2)
,  Noelia Ortiz
(2)
,  Manuel Sierra Castañer
(1)
. 
gexposito@gr.ssr.upm.es, asanchez@ttinorte.es, nortiz@ttinorte.es, mscastaner@gr.ssr.upm.es 
(1) Dpto. de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones, Universidad Politécnica de Madrid. Avda. de la 
Complutense nº30 “Ciudad Universitaria” 28040 Madrid, España. 
(2) Dpto. Radiofrecuencia & Microondas, Tecnologías de Telecomunicaciones e Información. C/Albert 
Einstein, 14. 39011 Santander, España. 
 
 
 
Abstract- A broadband circularly polarized and electronically 
steering antenna for satellite communication in X band is 
presented. The antenna operates with Left Hand Circular 
Polarization in Reception band (7.25-7.75 GHz) and Right Hand 
Circular Polarization in Transmission band (7.9-8.4 GHz). The 
key element is a resonant double stacked patch, which is fed by a 
90º branch-line coupler to obtain the desired circular 
polarizations (RHCP or LHCP) and ensures adequate port 
coupling isolation. The arrangement features and the 
compactness are required for airborne antenna arrays. The 
design procedure of the antenna, able to get an electronically 
steering direction, are outlined.  
I. INTRODUCCIÓN 
El objetivo de este trabajo es el desarrollo de un terminal 
embarcado de comunicaciones por satélite en banda X para 
su aplicación a STEALTH. El proyecto STEALTH  
comprende el estudio de sensores integrados de 
comunicaciones para aviones de baja observabilidad.  La 
función principal de esta antena es la transmisión de video 
por satélite en tiempo real en misiones de reconocimiento. Un 
ejemplo de la antena se muestra en la Fig. 1. La antena 
terminal es una antena impresa [1] de escaneo variable en 
elevación, y mecánico en azimut capaz de orientar el haz 
principal en la dirección del satélite en función de la posición 
terrestre del aeroplano.  
II. ESPECIFICACIONES Y ARQUITECTURA 
La antena terminal requiere una ganancia de 31dB para 
ofrecer cobertura en las diferentes longitudes y latitudes de la 
tierra, y debe cumplir las recomendaciones UIT-R S.580-7 y 
UIT-R S.742. Para cumplir los gálibos de lóbulos 
secundarios y obtener la ganancia necesaria, la estructura 
estará compuesta por un array [2] de 16 filas separadas  
20.7mm (0.5λ a 7.25 GHz) y 24 columnas separadas 
35.17mm (0.85λ a 7.25 GHz).  
El rango de apuntamiento que debe cubrir la antena es de 
10º a 60º sobre el horizonte en elevación y 360º en azimut.  
 
Fig. 1. Rangos de direccionamiento del haz. 
La dirección de apuntamiento en   azimut   se  consigue   
mecánicamente gracias a un soporte rotatorio, por el 
contrario el direccionamiento en elevación se consigue 
electrónicamente con una red activa (ver apartado: III.B. Red 
de alimentación activa). Para evitar los ángulos próximos a 
“end-fire” y la pérdida de ganancia que eso conlleva cuando 
se apunta al horizonte,  es necesario inclinar la antena. Sin 
embargo no podemos olvidar que esta antena tiene que estar 
integrada en el fuselaje del avión y por tanto debe cumplir 
unos requisitos de aerodinámica. Por eso, se llega a una 
solución de compromiso donde la antena es inclinada 
mecánicamente 30º como se muestra en la Fig. 1.  
La antena final tiene una dimensión máxima de 
35x85x5cm, sin embargo el perfil de la estructura se ve 
incrementado al inclinar la superficie (Өtilt=30º), resultando 
unas dimensiones finales de 33x85x20cm. El terminal de 
reducidas dimensiones y bajo peso es óptimo para este tipo 
de sistemas embarcados.  
III. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA 
Una de las principales características del sistema es el 
gran ancho de banda de los elementos radiantes ~15% 
(capaces de cubrir las bandas de Tx y Rx simultáneamente) 
además de tener un gran ancho de haz, que permite la 
comunicación sin necesidad de estabilizar y apuntar 
  
 
minuciosamente cuando se instala sobre una plataforma en 
movimiento. 
El trabajo que se presenta a continuación es el diseño del 
elemento radiante y su red de alimentación para conseguir la 
polarización circular que va a componer la antena. Cada uno 
de estos 384 elementos está conectado a un hibrido 90º, y tras 
este, simultáneamente a dos redes de distribución, una para 
Tx (7.9-8.4 GHz) que proviene de los amplificadores de 
potencia (HPA) (Fig. 7), y otra para Rx (7.25-7.75 GHz) que 
termina en los amplificadores de bajo ruido (LNA) (Fig. 8), 
consiguiendo así poder trabajar de manera independiente a 
las frecuencias asignadas. 
A.  Elemento radiante 
El elemento radiante principal está compuesto por dos 
parches cuadrados apilados [3, 4, 5] de dimensiones L2= 
12.6mm (superior) y de L1=12.3mm (inferior). Para conseguir 
la polarización circular, el parche inferior se alimenta con dos 
vías separadas del centro 3.5mm y con un desfase de 90º, 
obtenido con el acoplador “branch line”, tal y como se 
observa en Fig. 2.  
 
 
Fig. 2. Elemento radiante + híbrido doble. 
El sustrato usado para grabar los elementos radiantes y la 
red de alimentación es el NELTEC NY de constante 
dieléctrica εr=2.17 y de espesor de 1.14 mm en el parche 
inferior  2 , y 0.254mm tanto en el parche superior, como en 
la red de alimentación inferior  1  y  3 . El espesor de la 
espuma es de 3mm. Un esquema de las capas de las que 
consta se muestra en la Fig. 3. 
 
Fig. 3. Estructura de capas. 
En la implementación de la red pasiva (ver apartado: 
III.C. Red de alimentación pasiva). El problema de construir 
líneas demasiado estrechas, hizo necesario disminuir la 
impedancia característica de los divisores de potencia, es por 
eso que la impedancia característica del elemento es 25Ω.  
Las características del elemento se ven afectadas por este 
cambio de impedancia característica, ya que las vías estarán 
más juntas, el diámetro de estas será menor, y el ancho de las 
líneas en el acoplador híbrido será mayor. 
Para ofrecer  una buena adaptación de impedancias en el 
ancho de banda requerido (7.25 – 8.4GHz), se implementa un 
híbrido 90º [6] en dos etapas consiguiendo finalmente para la 
estructura un S11<-18 dB, como se muestra en la Fig. 4. 
 
Fig. 4. Parámetros S de la antena + híbrido. 
El aislamiento entre puertas es relativamente bajo debido a 
la reducida separación que existe entre las dos vías que 
alimentan al parche inferior S12<-10 dB (Fig. 4). Sin embargo, 
se ha optimizado, para conseguir un mayor aislamiento en la 
banda de frecuencias de transmisión, que será donde circule 
mayor potencia. 
En la Fig. 5 se muestra el diagrama de radiación para φ=0º 
de la componente de polarización circular a izquierdas, y a 
derechas para la frecuencia central de trabajo (f=7.825 GHz). 
 
Fig. 5. Diagrama de radiación en φ=0º: LHCP para la frecuencia central 
de trabajo, f=7.825 GHz. 
A continuación se muestra la relación axial a las tres 
frecuencias principales (7.5 GHz, 7.825 GHz, 8.15 GHz) 
(Fig. 6). Se observa que se cumplen perfectamente las 
especificaciones de relación axial AR<-3 dB en toda la banda 
de trabajo. 
 
Fig. 6. Relación axial a las frecuencias principales 7.5 GHz, 7.825 GHz y 
8.15 GHz.  
  
 
B.  Red de alimentación activa 
La red activa está compuesta por subsistemas, que 
filtrarán, mezclarán, amplificarán y en definitiva, adecuarán la 
señal para ser transmitida. En cada una de las 16 ramas 
verticales, tanto en Tx (Fig. 7), como en Rx (Fig. 8) se 
introduce un defasador electrónico variable. Estos 
desfasadores serán los responsables de orientar el haz en 
elevación. 
 
Fig. 7. Esquema transmisor. 
En el esquema del receptor (Fig. 8) los filtros tendrán un 
gran rechazo a la frecuencia de transmisión (7.9 – 8.4GHz), 
para evitar en la mayor medida posible el acoplamiento de la 
gran potencia usada en Tx. 
 
Fig. 8. Esquema receptor. 
  El rango de apuntamiento necesario en elevación es de 10º 
a 60º sobre el horizonte. Sin embargo al inclinar la estructura 
30º, el nuevo margen a cubrir electrónicamente es de 40º a 
90º. En la Fig. 9 se muestra el diagrama de radiación 
calculado analíticamente para el corte Plano E, φ=0º, para los 
ángulos de apuntamiento de 40º, 50º y 90º. Se presenta 
también en la Fig. 9 en línea discontinua, la simulación 
electromagnética con CST para esos mismos ángulos de 
apuntamiento. Se puede apreciar también (Fig. 9) como existe 
una pérdida de ganancia en el haz principal de hasta 3 dB en 
función del ángulo de separación respecto de 90º (broadside) 
[6]. 
 
Fig. 9. Simulaciones del diagrama de radiación plano E, en función de la 
dirección de apuntamiento. 
En la Fig. 10 se muestran las alimentaciones de cada una 
de las 16 filas, de amplitud constante y de fase variable. 
(Variando para cada uno de los ángulos de apuntamiento). 
 
Fig. 10. Amplitud y fase de los elementos en la red activa.  
C.  Red de alimentación pasiva 
Las redes de distribución (una para Tx y otra para Rx) que 
reparten la potencia se componen de divisores 
desbalanceados, con los que se consigue una distribución no 
uniforme de amplitud. Tanto el ancho de haz máximo como el 
nivel de lóbulos secundarios es muy estricto y por tanto la 
excitación de los elementos en amplitud ha de ser muy 
escalonada. Debido a la gran diferencia de impedancias entre 
las ramas centrales y laterales, es necesario normalizar la 
impedancia de referencia a 25Ω para que las líneas de 
transmisión en los divisores sean implementables. El gálibo 
para estas antenas según la UIT-R S.580-7 y UIT-R S.742 y el 
diagrama de radiación, plano H φ=90º (analítico y 
electromagnéticamente simulado) se muestra en la Fig. 11. 
 
Fig. 11. Simulación del diagrama  de radiación plano H, apuntando a 
broadside. 
Elemento Amplitud Elemento Amplitud 
1 y 24 0.299 7 y 18 0.682 
2 y 23 0.363 8 y 17 0.745 
3 y 22 0.427 9 y 16 0.809 
4 y 21 0.491 10 y 15 0.873 
5 y 20 0.555 11 y 14 0.936 
6 y 19 0.618 12 y 13 1 
Tabla 1. Coeficientes de amplitud de la red pasiva de distribución 
(en cada fila). 
  
 
En la Tabla 1, se muestran los coeficientes de amplitud 
que la red de distribución pasiva consigue para cada uno de 
los 24 elementos dentro de cada una de las 16 filas. Al 
orientar el haz en azimut mecánicamente, la diferencia de 
fase entre los elementos será 0º de manera que apunte a 
broadside. 
IV. CONCLUSIONES 
En este trabajo se ha presentado una antena impresa con 
escaneo electrónico en sistemas embarcados para 
comunicaciones por satélite en banda X. Se ha desarrollado 
un elemento radiante con ancho gran ancho de banda para el 
terminal de comunicaciones, para su aplicación a STEALTH. 
También se ha estudiado y analizado las diferentes 
posibilidades para alimentar cada elemento mediante un 
hibrido con el que se consigue la polarización circular 
deseada (RHCP ó LHCP). Finalmente se presentan las redes 
de alimentación (activa y pasiva) con las que se asegura el 
cumplimiento tanto del rango de apuntamiento del haz de la 
antena, como el nivel de lóbulos secundarios exigido. 
Los resultados de los prototipos se mostrarán en la 
presentación de la URSI 2010. 
AGRADECIMIENTOS 
El presente trabajo se ha llevado a cabo en el Grupo de 
Radiación del departamento de Señales, Sistemas y 
Radiocomunicaciones en colaboración con la empresa 
Tecnologías de Telecomunicaciones e Información (TTI). 
Todas las simulaciones utilizando CST Microwave Studio 
2010 con licencia de cooperación entre CST y la Universidad 
Politécnica de Madrid. Los substratos NY que se van a 
utilizar  en los prototipos son amablemente cedidos por 
NELTEC SA. Se agradece al plan AVANZA2 por la 
financiación al proyecto STEALTH TSI 020100-2009-76.  
REFERENCIAS 
[1] J.R. James, P.S. Hall, “Handbook of Microstrip Antennas”, IEE 
Electromagnetic waves series, Peter Peregrinus Ltd, 1989. 
[2] D.M. Pozar, D.H. Schaubert, “Microstrip Antennas: The Analysis and 
design of Microstrip Antennas and Arrays”. IEEE Press, 1995. 
[3] Randy Bancroft, “Microstrip and Printed Antenna Design”, Noble 
Publishing, 2004. 
[4] R. Garg, P. Barthia, I. Bahl, A. Ittipiboon, “Microstrip Antenna design 
handbook”, Ed. Artech House, 2001. 
[5] I.J. Bahl, P. Bhartia, “Microstrip Antennas”, Artech House, Dedham, 
1980. 
[6] C.A. Balanis, “Antenna Theory, Analysis and Design”, Ed. Jhon Wiley 
& Sons, New York, 1997. 
 
 
 


Antena Impresa con Escaneo Electrónico en Sistemas Embarcados para Comunicaciones por Satélite en Banda X

Archivo Digital UPM

http://oa.upm.es/8267/1/INVE_MEM_2010_82759.pdf

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