Las diferentes superficies geométricas simples para diseñar una antena con reflector pasivo en microondas son: paraboloide, hiperboloide, esfera y elipsoide. En la figura 5.1 se muestran los perfiles de las superficies simples más usuales en la implementación de antenas reflectoras pasivas [2].
Ciertas versiones históricas, aunque no confirmadas, indican que la primera aplicación de un reflector fue hecha por Arquímedes (287-212 aC) para defender su ciudad natal, Siracusa, utilizando espejos reflectores para concentrar los rayos del Sol y poder quemar la flota enemiga romana.
Las superficies reflectoras parabólicas pueden tomar distintas formas. Los reflectores simples más usados en el rango de microondas son el paraboloide de revolución y el paraboloide cilíndrico (Figuras 5.2a y 5.2b). El paraboloide de revolución se obtiene al hacer rotar una parábola sobre el eje que contiene al vértice del paraboloide y el foco del perfil parabólico, mientras que el cilíndrico se obtiene al desplazar un perfil parabólico en forma lineal.
a) b)
Figura 5.2 – a) Paraboloide de revolución alimentado con bocina y b) paraboloide cilíndrico alimentado con dipolo.
Utilizando óptica geométrica podemos demostrar que si un haz de rayos paralelos incide sobre un reflector del tipo paraboloide de revolución, éstos convergerán (enfoque) en un punto que se conoce como el punto focal. De la misma manera, si una fuente puntual se coloca en el punto focal, los rayos reflejados por un reflector parabólico van a surgir como un haz paralelo, lo cual demuestra el principio de reciprocidad de las antenas reflectoras.
Mientras, en un paraboloide cilíndrico, el haz de rayos paralelos incidente sobre el reflector se concentra en una línea ubicada en el foco, y viceversa. Este último reflector es sólo útil con alimentadores principales del tipo lineal.
Hay otros reflectores cuyo análisis está ampliamente documentado en la literatura. Uno de ellos es el reflector esférico, que ha sido utilizado para la radioastronomía y aplicaciones de estación de tierra, debido a que el haz de antena puede ser eficientemente escaneado moviendo su alimentación. Un ejemplo de esta superficie es el reflector esférico de Arecibo, Puerto Rico, cuyo diámetro es de 1000 pies (305 m) y
cuya superficie primaria está integrada en el suelo, mientras que el barrido del haz se lleva a cabo con el movimiento de la alimentación.
Figura 5.3 – Antena reflectora de Arecibo, Puerto Rico, utilizada como radiotelescopio (video).
Dado que en superficies geométricas simples (Figura 5.1) el cabezal de equipo (front- end), se coloca en el punto focal de la parábola, esta configuración es generalmente conocida como de foco primario (prime focus). El cabezal del equipo puede ser un receptor como en el caso de un radiómetro o un transmisor/receptor en un enlace satelital. La desventaja de estas geometrías simples es la disposición frontal del alimentador principal, siendo necesaria la colocación de una línea de transmisión para llegar al cabezal del equipo, que normalmente se coloca detrás o debajo del reflector. Esto puede requerir el uso de largas líneas de transmisión cuyas pérdidas no pueden no ser tolerables en muchas aplicaciones, especialmente en las de bajo ruido, o en sistemas de transmisión.
En el caso especialmente de los sistemas utilizados en radiometría, en donde es necesario amplificadores de bajo ruido con un sistema de enfriado, el cabezal del equipo receptor puede ser demasiado pesado y voluminoso, ocasionando un bloqueo de las señales que arriban al reflector.
Los reflectores duales o sistemas de doble reflector solucionan parte de esta problemática. Los reflectores duales más comunes, que surgen como combinación de reflectores simples son los observados en la figura 5.4.
a) b)
Figura 5.4 – Perfil de la geometría de combinación con doble reflector, a) Sistema Cassegrain y b) Sistema Gregoriano.
El sistema Cassegrain es un diseño de telescopio reflector publicado en 1672 y atribuido a Laurent Cassegrain. A través de la óptica geométrica, Cassegrain mostró que los rayos incidentes paralelos se pueden enfocar en un punto mediante la utilización de dos reflectores. Para lograr esto, la superficie del reflector principal (primario) debe ser una paraboloide, el reflector secundario (subreflector) una hiperboloide, y la alimentación debe ser colocada a lo largo del eje de la parábola, por lo general cerca del vértice. Cassegrain utilizó este sistema para construir telescopios ópticos, y entonces su diseño fue copiado para su uso en sistemas de radio frecuencia. Para esta disposición, los rayos que emanan de la alimentación iluminan el reflector secundario y se reflejan hacia el reflector primario, como si procedieran del punto focal del paraboloide (reflector primario). Los rayos reflejados por el reflector principal se convierten en rayos paralelos, siempre que el reflector principal sea un paraboloide y el reflector secundario sea un hiperboloide. Con la disposición de un Sistema Cassegrain, el equipo de transmisión y / o recepción se puede colocar detrás del reflector primario. Este esquema hace que el sistema sea relativamente más accesible para su mantenimiento y ajustes.
Entre los muchos tipos de telescopios reflectores, el sistema Gregoriano representa el primero, en orden de tiempo, en haber sido realizado. Ideado por el astrónomo James Gregory en 1663, está constituido por un espejo primario cóncavo que refleja la luz hacia otro espejo secundario también cóncavo, el cual a su vez la envía hacia el ocular situado más allá de un orificio practicado en el espejo primario. Se trata de un diseño muy similar al que más tarde se adoptaría en el telescopio Cassegrain, pero con la diferencia de que en este último el espejo secundario es convexo.
Como vimos en la Sección 4.8 se pueden generar también antenas del tipo foco desplazado (offset) tomando una sección de la superficie reflectora, con las mejoras de
reducir lo lóbulos laterales, tener una buena eficiencia de apertura y evitar el boqueo de la señal que produce el cabezal del receptor como sucede en reflectores de foco primario (Figuras 5.5a y 5.5b).
a) b)
Figura 5.5 – Perfil geométrico de antenas tipo foco desplazado, a) antena foco desplazado con foco primario y b) antena foco desplazado con doble reflector.