IT201700011859A1 - reconfigurable device in wave guide for supplying arrays of linear antennas - Google Patents
reconfigurable device in wave guide for supplying arrays of linear antennasInfo
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Description
“DISPOSITIVO RICONFIGURABILE IN GUIDA D’ONDA PER L’ALIMENTAZIONE DI SCHIERE DI ANTENNE LINEARI”. "RECONFIGURABLE DEVICE IN WAVE GUIDE FOR THE POWER SUPPLY OF LINEAR ANTENNAS ARRANGES".
STATO DELL’ARTE E CAMPO DI UTILIZZO Le schiere di antenne sono una tecnologia fondamentale per realizzare antenne ad alta direttività, di basso profilo, e potenzialmente con la capacità di orientare dinamicamente la direzione del fascio. STATE OF THE ART AND FIELD OF USE Antenna arrays are a fundamental technology for making antennas with high directivity, low profile, and potentially with the ability to dynamically orient the direction of the beam.
Le schiere di antenne sono fatte da elementi radianti posti, di norma con spaziatura uniforme, in una determinata superficie. Quando le antenne sono alimentate con lo stesso segnale RF, producono un diagramma di radiazione le cui caratteristiche dipendono dalla fase e ampiezza con cui ciascun elemento radiante è alimentato. In tal modo è possibile generare un fascio con determinate caratteristiche di larghezza, forma o direzione, e lobi laterali. L’alimentazione delle schiere di antenne è un argomento estremamente vasto e complesso, che può essere implementato in molti modi diversi, dipendentemente dal tipo di caratteristiche che si desidera ottenere. Arrays of antennas are made of radiating elements placed, usually with uniform spacing, in a certain surface. When the antennas are fed with the same RF signal, they produce a radiation pattern whose characteristics depend on the phase and amplitude with which each radiating element is fed. In this way it is possible to generate a beam with certain characteristics of width, shape or direction, and lateral lobes. Powering antenna arrays is an extremely vast and complex subject, which can be implemented in many different ways, depending on the type of characteristics you want to obtain.
Un caso abbastanza comune è quello in cui la schiera di antenne planare viene suddivisa in schiere lineari. E’ precisamente questo il campo di utilizzo in cui si situa il presente brevetto. A fairly common case is where the planar antenna array is divided into linear arrays. This is precisely the field of use in which this patent is located.
In linea generale è possibile dividere i tipi di alimentazione di schiere di antenne lineari in due gruppi: In general it is possible to divide the types of power supply of linear antenna arrays into two groups:
- alimentazione parallela - parallel power supply
- alimentazione serie - series power supply
L’alimentazione parallela (FIG. 1) permette tipicamente di ottenere una larga banda istantanea di funzionamento, tuttavia risulta complessa e ingombrante. L’alimentazione serie (FIG. 2) è dal punto di vista meccanico / architetturale più semplice (con una singola linea di alimentazione è possibile alimentare molti elementi radianti); tuttavia la rete – a meno di accorgimenti particolari quali quelli descritti in [1] - è a banda stretta, in quanto con tale sistema non è possibile garantire una fase di alimentazione degli elementi radianti omogenea al variare della frequenza di lavoro. The parallel power supply (FIG. 1) typically allows to obtain an instantaneous broad band of operation, however it is complex and bulky. The series power supply (FIG. 2) is from the mechanical / architectural point of view simpler (with a single power supply line it is possible to power many radiant elements); however, the network - unless special arrangements such as those described in [1] - are narrow band, since with this system it is not possible to guarantee a homogeneous supply phase of the radiant elements as the working frequency varies.
Le reti di alimentazione serie possono essere risonanti o ad onda viaggiante. L’effetto della variazione della frequenza (rispetto alla frequenza di progetto) in questi due tipi di reti di alimentazione serie è diverso: nel caso di reti ad onda viaggiante, si ottiene quello che viene chiamato in inglese “frequency squint”, fenomeno per cui la direzione del fascio si modifica al variare della frequenza; nel caso di reti risonanti, al variare della frequenza si ottiene una distorsione del fascio e un aumento del livello di perdite di riflessione (“return loss”), con conseguente crollo del guadagno. Series power networks can be resonant or traveling wave. The effect of the frequency variation (with respect to the design frequency) in these two types of series power supply networks is different: in the case of traveling wave networks, what is called in English "frequency squint" is obtained, a phenomenon for which the direction of the beam changes as the frequency varies; in the case of resonant networks, as the frequency varies, a distortion of the beam is obtained and an increase in the level of reflection losses (“return loss”), with a consequent drop in gain.
In altri brevetti sono state proposte [1-2] soluzioni di reti di alimentazione serie riconfigurabili, ovvero con sistemi di variazione della velocità di propagazione dell’onda che permettono di variare la fase con cui sono alimentati gli elementi radianti. In questo modo è possibile utilizzare una rete di alimentazione serie all’interno di una banda istantanea limitata: cambiando la velocità di propagazione dell’onda è possibile cambiare il punto centrale della banda di lavoro. In other patents [1-2] solutions of reconfigurable series power supply networks have been proposed, or with systems for varying the wave propagation speed that allow the phase with which the radiant elements are powered to be varied. In this way it is possible to use a series power supply network within a limited instantaneous band: by changing the wave propagation speed it is possible to change the central point of the working band.
In [1] viene proposto un sistema riconfigurabile basato su una rete di distribuzione serie ad onda viaggiante. Il sistema è costituito da una guida principale e da degli accoppiatori che prelevano il segnale dalla guida. In trasmissione lo sfasamento del segnale avviene solo dopo che questo è stato raccolto dal punto di prelievo tramite dei materiali riconfigurabili elettronicamente ovvero mediante l'utilizzo di uno strato dielettrico riconfigurabile tramite movimentazione meccanica. La soluzione permette di eseguire una scansione del diagramma di radiazione dell'antenna. In [2] viene proposto un sistema basato su una distribuzione serie del segnale in cui degli sfasatori vengono inseriti tra un punto di prelievo e il successivo. Il sistema proposto è fondato sull'utilizzo di sfasatori non reciproci realizzati in guida d'onda toroidale e ferrite il cui contributo di ritardo di fase sull'onda viaggiante assume due valori differenti a seconda della direzione di propagazione del segnale. In [1] a reconfigurable system based on a traveling wave series distribution network is proposed. The system consists of a main guide and couplers that take the signal from the guide. In transmission, the phase shift of the signal occurs only after it has been collected from the sampling point by means of electronically reconfigurable materials or by using a dielectric layer that can be reconfigured by mechanical movement. The solution allows you to scan the radiation pattern of the antenna. In [2] a system based on a series distribution of the signal is proposed in which phase shifters are inserted between one pickup point and the next. The proposed system is based on the use of non-reciprocal phase shifters made in toroidal and ferrite waveguide whose phase delay contribution on the traveling wave takes on two different values depending on the direction of propagation of the signal.
Il sistema proposto garantisce adattamento all'ingresso della rete di distribuzione al variare dell'angolo di scansione e può essere utilizzato sia in reti ad onda viaggiante che in reti ad onda stazionaria, ma non può prescindere dall'utilizzo di sfasatori non reciproci. The proposed system guarantees adaptation to the input of the distribution network when the scanning angle varies and can be used both in traveling wave networks and in stationary wave networks, but cannot ignore the use of non-reciprocal phase shifters.
Il dispositivo proposto si può considerare un’evoluzione del brevetto [2], nel quale i seguenti passaggi inventivi sono aggiunti: The proposed device can be considered an evolution of the patent [2], in which the following inventive steps are added:
1. Il sistema di alimentazione utilizza sfasatori dielettrici e quindi reciproci, similmente anche ad 1) ma a differenza dello stesso gli sfasatori sono posti tra un punto di prelievo / iniezione e l’altro. 1. The power supply system uses dielectric and therefore reciprocal phase shifters, similarly also to 1) but unlike the same, the phase shifters are placed between one pickup / injection point and the other.
2. In una configurazione del sistema si utilizzano tecniche di prelievo/iniezione del segnale molto compatte, tali da permettere l’affiancamento delle schiere lineari a distanze inferiori a un quarto di lunghezza d’onda. 3. In un’ulteriore configurazione del sistema, avanzata rispetto al punto precedente, è possibile variare meccanicamente il livello di prelievo / iniezione del segnale. 2. In a system configuration, very compact signal sampling / injection techniques are used, such as to allow the alignment of linear arrays at distances of less than a quarter of a wavelength. 3. In a further configuration of the system, advanced with respect to the previous point, it is possible to mechanically vary the level of withdrawal / injection of the signal.
Specialmente la compattezza è di fondamentale importanza in schiere di antenne molto dense, quali ad esempio schiere interallacciate (che nella stessa apertura combinano elementi operanti a frequenze o polarizzazioni diverse) ovvero (o in combinazione con) schiere a controllo elettronico di polarizzazione (che necessitano di una doppia alimentazione per ogni schiera di elementi lineari). In questi tipi di schiere la distanza tra elementi radianti è molto ravvicinata (e in particolare, inferiore a un quarto di lunghezza d’onda rispetto alla frequenza massima). Particularly compactness is of fundamental importance in very dense antenna arrays, such as interlaced arrays (which in the same aperture combine elements operating at different frequencies or polarizations) or (or in combination with) electronically controlled polarization arrays (which require a double power supply for each array of linear elements). In these types of arrays the distance between radiating elements is very close (and in particular, less than a quarter of a wavelength compared to the maximum frequency).
DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE DESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invenzione consiste di un dispositivo in guida d’onda passivo e riconfigurabile atto ad alimentare due o più antenne ovvero due o più schiere di antenne. The present invention consists of a passive and reconfigurable waveguide device capable of powering two or more antennas or two or more arrays of antennas.
Ulteriormente secondo l’invenzione il dispositivo in guide d’onda ha dei punti di prelievo / iniezione del segnale RF (alimentazione) corrispondenti alla posizione degli elementi radianti ovvero delle sotto-schiere di elementi radianti. Furthermore, according to the invention, the waveguide device has points of withdrawal / injection of the RF signal (power supply) corresponding to the position of the radiating elements or of the sub-arrays of radiating elements.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione la velocità di propagazione dell’onda elettromagnetica all’interno del dispositivo in guida d’onda è variata in modo meccanico tramite la variazione della posizione o della rotazione di un dielettrico: in questo modo è possibile sintonizzare la frequenza di lavoro della rete di alimentazione e/o il puntamento del fascio ad una data frequenza di lavoro, nel caso di rete ad onda viaggiante (FIG. 3, FIG. 4, FIG. 5). Advantageously, according to the invention, the propagation speed of the electromagnetic wave inside the waveguide device is varied mechanically by varying the position or rotation of a dielectric: in this way it is possible to tune the working frequency of the power supply network and / or the aiming of the beam at a given working frequency, in the case of a traveling wave network (FIG. 3, FIG. 4, FIG. 5).
Più dettagliatamente secondo l’invenzione il dispositivo può essere realizzato in guida d’onda rettangolare ovvero di tipo “a rilievo” (singolo o doppio, in inglese “single ridge” o “double ridge”). More specifically, according to the invention, the device can be made in a rectangular waveguide or "relief" type (single or double, in English "single ridge" or "double ridge").
Nel caso di dispositivo realizzato in guida d’onda rettangolare i punti di alimentazione delle antenne o delle sotto-schiere di antenne possono essere realizzati, secondo l’invenzione, con un cilindro metallico (“post”) che entra nella guida da una delle sue pareti strette, perpendicolare alla direzione del campo E riferita alla configurazione di campo detta TE10, e sono a contatto galvanico con una parte metallica che tocca galvanicamente una delle due pareti larghe della guida d’onda (FIG. 6). In questo modo è possibile affiancare due o più guide d’onda sulla parete larga (FIG. 7) mantenendo la distanza tra schiere di antenne adiacenti uguale o inferiore ad un quarto di lunghezza d’onda. Questo è dovuto al fatto che le guide d’onda rettangolari possono notoriamente essere strette a piacimento sulla parete corta pur mantenendo invariate le caratteristiche del modo di propagazione fondamentale detto TE10. In the case of a device made in a rectangular waveguide, the feeding points of the antennas or of the sub-arrays of antennas can be made, according to the invention, with a metal cylinder ("post") which enters the guide from one of its narrow walls, perpendicular to the direction of the field E referred to the field configuration called TE10, and are in galvanic contact with a metal part that galvanically touches one of the two wide walls of the wave guide (FIG. 6). In this way it is possible to place two or more waveguides side by side on the wide wall (FIG. 7) while maintaining the distance between adjacent antenna arrays equal to or less than a quarter of a wavelength. This is due to the fact that the rectangular waveguides can notoriously be narrow at will on the short wall while maintaining the characteristics of the fundamental propagation mode called TE10 unchanged.
Ulteriormente secondo l’invenzione, la posizione di dette parti metalliche collegate al cilindro metallico e ad una delle pareti della guida può essere regolata lungo l’asse parallelo al cilindro metallico tramite una vite di regolazione, in modo tale da modulare il livello del segnale prelevato / immesso (FIG. Furthermore, according to the invention, the position of said metal parts connected to the metal cylinder and to one of the walls of the guide can be adjusted along the axis parallel to the metal cylinder by means of an adjustment screw, in such a way as to modulate the level of the signal taken. / entered (FIG.
8). 8).
Nel caso in cui il dispositivo sia invece realizzato in guida ridge, le guide possono essere affiancate sulla parete stretta (FIG. 9). Ciò è dovuto al fatto che notoriamente le guide ridge hanno una larghezza molto inferiore alle guide d’onda rettangolari, larghezza che può essere modulata a piacimento agendo sulla dimensione del / dei ridge. In questo modo è comunque possibile ottenere delle schiere di antenna affiancate ad una distanza uguale o inferiore ad un quarto di lunghezza d’onda. If the device is instead realized in a guide ridge, the guides can be placed side by side on the narrow wall (FIG. 9). This is due to the fact that ridge guides are known to have a much smaller width than rectangular waveguides, a width that can be modulated at will by acting on the size of the ridge (s). In this way it is still possible to obtain antenna arrays side by side at a distance equal to or less than a quarter of a wavelength.
Il punto di alimentazione nel dispositivo, nel caso della guida ridge, può essere fatto con un cilindro metallici che entra nella guida da una delle sue pareti larghe, parallelo alla direzione del campo E riferito alla configurazione di campo detta TE10, ed è a contatto galvanico con la parete opposta (o con il ridge se presente) (FIG. 10). The power point in the device, in the case of the guide ridge, can be made with a metal cylinder that enters the guide from one of its wide walls, parallel to the direction of the field E referred to the field configuration called TE10, and is in galvanic contact with the opposite wall (or with the ridge if present) (FIG. 10).
In alternativa secondo l’invenzione e per entrambe le tipologie di guida utilizzata nel dispositivo (cioè guide rettangolare o guida ridge) i punti di prelievo a cilindro metallico possono essere sostituiti da fessure ricavate direttamente su una qualsiasi delle pareti della guida d’onda (FIG. 11). Alternatively, according to the invention and for both types of guides used in the device (i.e. rectangular guides or ridge guides), the metal cylinder pickup points can be replaced by slots obtained directly on any of the walls of the wave guide (FIG . 11).
DESCRIZIONE DELLE FIGURE DESCRIPTION OF THE FIGURES
La presente invenzione viene ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, secondo alcune forme di realizzazione, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui: The present invention is now described for illustrative but not limitative purposes, according to some embodiments, with particular reference to the figures of the attached drawings, in which:
- la figura 1 mostra uno schema semplificativo di una rete di alimentazione parallelo per 4 elementi radianti. - figure 1 shows a simplified diagram of a parallel power supply network for 4 radiant elements.
- la figura 2 mostra uno schema semplificativo di una rete di alimentazione serie per 4 elementi radianti. - figure 2 shows a simplified diagram of a series power supply network for 4 radiant elements.
- la figura 3 mostra, secondo l'invenzione qui descritta, il sistema meccanico per la variazione della velocità di propagazione dell'onda all'interno della guida rettangolare. In essa è evidente un oggetto dielettrico girevole (9) che ruota intorno a un asse (10) allineato con la direzione di propagazione dell'onda nella guida. Figure 3 shows, according to the invention described here, the mechanical system for the variation of the wave propagation speed inside the rectangular guide. It shows a rotatable dielectric object (9) which rotates around an axis (10) aligned with the direction of propagation of the wave in the guide.
- la figura 4 mostra, secondo l’invenzione qui descritta, un sistema meccanico alternativo per la variazione della velocità di propagazione dell’onda all’interno della guida rettangolare. In essa è evidente un oggetto dielettrico (9) che trasla all’interno della guida. - Figure 4 shows, according to the invention described here, an alternative mechanical system for the variation of the wave propagation speed inside the rectangular guide. It shows a dielectric object (9) that moves inside the guide.
- la figura 5 mostra, secondo l'invenzione qui descritta, il sistema meccanico per la variazione della velocità di propagazione dell'onda all'interno della guida "ridge". In essa è evidente un oggetto dielettrico (9) che trasla ortogonalmente rispetto alla direzione di propagazione dell'onda nella guida. Figure 5 shows, according to the invention described here, the mechanical system for the variation of the wave propagation speed inside the "ridge" guide. It shows a dielectric object (9) which translates orthogonally with respect to the direction of propagation of the wave in the guide.
- la figura 6 mostra, secondo l'invenzione qui descritta, un punto di prelievo del segnale RF realizzato per una guida d'onda rettangolare orientata verticalmente. In essa è evidenziato il cilindro metallico (1) per mezzo del quale viene effettuato il prelievo (nel caso di antenne trasmittente) ovvero l’iniezione (nel caso di antenna ricevente) del segnale RF. Detto cilindro metallico è orientato parallelamente al piano "H" della guida d'onda e contatta galvanicamente con una parte metallica (3) direttamente connessa alla parete della guida d'onda (2). Figure 6 shows, according to the invention described here, an RF signal sampling point made for a vertically oriented rectangular waveguide. It highlights the metal cylinder (1) by means of which the sampling (in the case of transmitting antennas) or the injection (in the case of receiving antenna) of the RF signal is carried out. Said metal cylinder is oriented parallel to the "H" plane of the wave guide and galvanically contacts a metal part (3) directly connected to the wall of the wave guide (2).
- la figura 7 mostra da una prospettiva tridimensionale una delle possibili realizzazioni di una schiera di reti di alimentazione serie in guida d'onda rettangolare costituita (qui a titolo di esempio) da 3 reti aventi ognuna 5 punti di prelievo. Figure 7 shows from a three-dimensional perspective one of the possible embodiments of an array of series supply networks in a rectangular waveguide consisting (here by way of example) of 3 networks each having 5 sampling points.
- la figura 8 mostra, secondo l'invenzione qui descritta, il sistema per la variazione della posizione della lingua metallica (8) del punto di prelievo in guida d'onda rettangolare: una vite (6) permette il movimento verticale della lingua metallica e la conseguente variazione del livello di segnale prelevato ovvero iniettato. La vite contatta galvanicamente la lingua metallica in (7) garantendo la connessione tra la lingua metallica e la parete della guida d'onda. - la figura 9 mostra da una prospettiva tridimensionale una delle possibili realizzazioni di una schiera di reti di alimentazione serie in guida d'onda "ridge" costituita (qui a titolo di esempio) da 3 reti aventi ognuna 5 punti di prelievo. - Figure 8 shows, according to the invention described here, the system for changing the position of the metal tongue (8) of the sampling point in a rectangular waveguide: a screw (6) allows the vertical movement of the metal tongue and the consequent variation of the level of signal taken or injected. The screw galvanically contacts the metal tongue in (7) ensuring the connection between the metal tongue and the waveguide wall. Figure 9 shows from a three-dimensional perspective one of the possible embodiments of an array of "ridge" waveguide series power supply networks consisting (here by way of example) of 3 networks each having 5 tapping points.
- la figura 10 mostra, secondo l'invenzione qui descritta, un punto di prelievo del segnale RF realizzato per una guida d'onda "ridge" orientata orizzontalmente. In essa è evidenziato il cilindro metallico (4) per mezzo del quale viene effettuata la raccolta dell'energia. Detto cilindro metallico è orientato parallelamente al piano "E" della guida d'onda e contatta galvanicamente la guida d'onda rettangolare (5). Figure 10 shows, according to the invention described here, an RF signal sampling point made for a horizontally oriented "ridge" waveguide. It shows the metal cylinder (4) by means of which the energy is collected. Said metal cylinder is oriented parallel to the plane "E" of the wave guide and galvanically contacts the rectangular wave guide (5).
- la figura 11 mostra da una prospettiva tridimensionale una delle possibili realizzazioni di una schiera di reti di alimentazione serie in guida d'onda rettangolare costituita (qui a titolo di esempio) da 3 reti aventi ognuna 6 elementi radianti a guida d'onda fessurata (11). - Figure 11 shows from a three-dimensional perspective one of the possible embodiments of an array of series supply networks in rectangular waveguide consisting (here by way of example) of 3 networks each having 6 radiating elements with slotted waveguide ( 11).
DOCUMENTI DI TECNICA ANTERIORE PRIOR ART DOCUMENTS
[1] US9509056 (B2), "TRAVELLING WAVE ANTENNA FEED STRUCTURES", Apostolos et al. [1] US9509056 (B2), "TRAVELING WAVE ANTENNA FEED STRUCTURES", Apostolos et al.
[2] US4348681 (A), "SERIES FED PHASED ARRAY ANTENNA EXHIBITING CONSTANT INPUT IMPEDENCE DURING ELECTRONIC SCANNING", McVeigh et al. [2] US4348681 (A), "SERIES FED PHASED ARRAY ANTENNA EXHIBITING CONSTANT INPUT IMPEDENCE DURING ELECTRONIC SCANNING", McVeigh et al.
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| GHASEMI AMIRHOSSEIN ET AL: "X-band waveguide phase shifter using rotating dielectric slab", 2016 IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ANTENNAS AND PROPAGATION (APSURSI), IEEE, 26 June 2016 (2016-06-26), pages 1139 - 1140, XP032984455, DOI: 10.1109/APS.2016.7696277 * |
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