ES2180425B2 - Agrupamiento de antenas impresas de banda ancha situadas sobre cavidades y excitadas mediante sonda coaxial capacitiva. - Google Patents
Agrupamiento de antenas impresas de banda ancha situadas sobre cavidades y excitadas mediante sonda coaxial capacitiva.Info
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Abstract
Agrupamiento de antenas impresas de banda ancha situadas sobre cavidades y excitadas mediante sonda coaxial capacitiva. Esta invención consiste en un agrupamiento de antenas impresas multicapa con parches en configuración individual o apilada, separados por capas de substrato dieléctrico continuo, y dispuestas sobre cavidades metálicas. La alimentación se realiza mediante acoplo coaxial capacitivo insertando una cabeza metálica en el extremo de la sonda y utilizando la primera capa de dieléctrico como separación sonda-parche alimentado. El emplazamiento de la estructura multicapa sobre las cavidades metálicas posibilita la configuración habitual de parches grabados sobre un mismo substrato dieléctrico continuo, y añade las ventajas propias de las antenas impresas inmersas en cavidades en cuanto a ancho de banda y características de radiación. Se evita así la complejidad tecnológica de situar estructuras multicapa en las cavidades, o la inserción de placas o postes metálicos entre los parches y a través de los substratos.
Description
Agrupamiento de antenas impresas de banda ancha
situadas sobre cavidades y excitadas mediante sonda coaxial
capacitiva.
La invención se encuadra en los sectores de la
tecnología de radiocomunicaciones, tecnología radar y sistemas de
comunicaciones móviles y vía satélite.
Esta invención está relacionada con las antenas
impresas o antenas microstrip. Este tipo de antenas fue introducido
en los años 50 [H. Gutton and G. Baissinot, Patente Francesa nº
703113, 1955] pero recibieron poca atención hasta inicios de los 70.
El interés en ellas nació a partir del uso cada vez más extendido de
circuitos impresos como líneas de transmisión a frecuencias
elevadas, surgiendo así la posibilidad de utilizar la misma
tecnología para fabricar elementos radiantes. A pesar de las
desventajas inherentes, en las configuraciones más sencillas, de
reducido ancho de banda, baja eficiencia de radiación, pobre pureza
en la polarización, radiación espúrea desde la alimentación,
limitaciones en la capacidad de potencia o problemas de tolerancia,
poseen muchas propiedades que las hacen únicas y muy atractivas en
su utilización como sistemas radiantes: Son estructuras compactas,
ligeras de peso, adaptables a infinidad de geometrías en vehículos y
aeronaves, fáciles de reproducir e integrables con redes de
alimentación y dispositivos de microondas utilizando la tecnología
microstrip.
Los agrupamientos o arrays de antenas microstrip
se emplean como sistemas radiantes de gran ganancia con la
posibilidad de utilización como antenas de barrido o
direccionamiento electrónico [R.J. Mailloux, J.F. McIlvenna and N.P.
Kernweis, "Microstrip array technology", IEEE Trans.
Antennas Propagation, vol. 29, nº 1. Jan. 1981.
pp.25-37]. Representan una alternativa a los
reflectores, a las antenas de barrido mecánico y a los arrays de
dipolos y guías de onda como elementos radiantes.
Las antenas microstrip, también llamadas antenas
de parche, consisten en su forma básica en metalizaciones o parches
muy delgados, dispuestos sobre una lámina substrato dieléctrico con
un espesor generalmente muy pequeño en longitudes de onda, colocada
a su vez encima de un plano de masa y alimentados mediante sonda
coaxial o línea coplanar microstrip. A lo largo de los años se han
propuesto sin embargo múltiples variaciones en la forma de los
parches, técnicas de alimentación, configuración de los substratos y
geometría de los arrays [J. R. James and P.S. Hall, Eds.,
Handbook of Microstrip Antennas. London: Peter Peregrinus Ltd
Press, 1989].
Una de las principales limitaciones de las
antenas microstrip es su estrecho ancho de banda en impedancia
(entre el 2% y 5% con configuraciones básicas) debido a la pequeña
separación existente entre los parches y el plano de masa, y dado
que se comporta como un resonador de alto factor de calidad
Q. Muchos de los trabajos e investigaciones en este campo están
dirigidos a superar esta limitación y han conducido a nuevas
configuraciones y a la aplicación de diferentes métodos de análisis
para su estudio y diseño [D. M. Pozar AA review of Bandwidth
enhancement techniques for microstrip antennas@. Microstrip
Antennas, Chaper 4, IEEE Press, Piscataway, New Jersey, 1995].
El procedimiento más directo para incrementar el
ancho de banda es la utilización de substratos eléctricamente
gruesos y con baja permisividad eléctrica. Sin embargo otras
propiedades, tanto en parches aislados como en arrays, se degradan
debido a la generación de ondas de superficie en el substrato
dieléctrico. Así, al incrementar la separación entre parche y plano
de masa, la eficiencia de radiación disminuye ya que las ondas de
superficie constituyen un mecanismo de pérdidas, y las
características de radiación se deterioran debido a la radiación
espuria. Estos efectos se incrementarán con el grosor del
dieléctrico existiendo por tanto un compromiso entre la eficiencia
de la antena y el espesor del substrato. En el caso de arrays, la
utilización de substratos gruesos también motiva que la impedancia
de entrada de la línea de alimentación presente mayores variaciones
con el ángulo de apuntamiento, debido al incremento del acopio entre
elementos por onda de superficie. En arrays planares con gran número
de elementos se llega a generar el fenómeno llamado de ángulo ciego
(scan blindness) dentro del margen visible de barrido, produciéndose
un acercamiento de este ángulo a direcciones de apuntamiento
cercanas a la dirección normal al array (broadside). Este hecho
provocará una disminución considerable en la capacidad de barrido
del array resultando también un compromiso entre volumen de barrido
y espesor del substrato.
Cuando se puede evitar la utilización de
substratos eléctricamente gruesos, el acopio entre elementos por
onda de superficie se reduce considerablemente. Se comprueba como
las características de barrido de arrays de antenas microstrip
convencionales sobre substratos dieléctricos continuos, cuando se
emplean espesores pequeños de los substratos
(d<0.02\lambda_{0}) no difieren de las del mismo array pero con
paredes metálicas situadas entre los elementos radiantes, salvo para
ángulos de apuntamiento cercanos a la dirección del plano del array
(endfire). En el caso de substrato dieléctrico continuo el deterioro
en el comportamiento del array con el ángulo de barrido se produce
al incrementar el espesor o permitividad de los substratos
dieléctricos.
Con objeto de disminuir las perdidas y conseguir
unas características adecuadas de ancho de banda y capacidad de
barrido en el caso de arrays de antenas impresas, se han propuesto
[F. Zavosh and J. T. Aberle, "Infinite phased arrays of
cavity-backed patches", IEEE Trans. Antennas
Propagat., Vol. 42, no 3 March 1994, pp.
390-398] estructuras de antenas impresas situadas en
cavidades metálicas en las que la utilización de paredes metálicas
situadas entre los parches elimina el acopio por onda de superficie.
De esta manera se puede aumentar sustancialmente el espesor del
dieléctrico, sin que por ello se deterioren las características de
radiación, la eficiencia o la cobertura de barrido. En el caso de
arrays, esta configuración no sólo permite utilizar substratos
gruesos sin la limitación en la capacidad de barrido sino que al
contrario conlleva una mejora de esta característica. Las antenas
impresas situadas en cavidad son sin embargo tecnológicamente más
complejas y costosas de fabricar, ya que los parches no se
encuentran situados sobre un substrato dieléctrico continuo, y deja
de ser utilizable parcialmente la tecnología microstrip dando lugar
a estructuras más elaboradas.
Por otra parte, en el caso de excitación mediante
sonda coaxial, la utilización de substratos eléctricamente gruesos
con objeto de incrementar las características de ancho de banda
conlleva una impedancia de entrada excesivamente inductiva debido al
efecto de la sonda, y por tanto una no deseable desadaptación. En
este caso, el acoplo capacitivo dentro de la propia estructura
radiante, en vez de la unión directa, ha sido utilizado en distintas
configuraciones [P.S. Hall, "Probe compensation in thick
microstrip patches", Electron. Lett., no. 23, pp.
606-607, 1987] para compensar la componente
inductiva que introduce la sonda.
Otro procedimiento que posibilita incrementar las
características de ancho de banda es la utilización de antenas
microstrip multicapa con parches en configuración apilada [A.
Sabban, " A new broadband stacked two layer microstrip
antennas". IEEE Antennas and Propagation Symp. Dig., 1983,
pp. 63-66]. Esta técnica consistente en la
utilización de uno o más parches apilados sobre distintas capas de
dieléctrico superpuestas y acoplados al parche alimentado, Los
parches parásitos introducen resonancias adicionales en el rango de
frecuencias de funcionamiento, permitiendo alcanzar mayores anchos
de banda que con la configuración convencional de parches
individuales. La utilización de antenas microstrip multicapa con
parches apilados proporciona por otra parte altas ganancias, baja
polarización cruzada y ofrecen la posibilidad de funcionamiento en
varias frecuencias. La configuración de arrays impresos multicapa ha
sido también utilizada en estructuras en cavidad con el objeto de
eliminar los efectos del acoplo por onda de superficie y obtener las
ventajas citadas anteriormente. [F. Zavodh and J.T. Aberle,
"Single and stacked circular microstrip patch antennas backed
by circular cavity". IEEE Trans. Antennas Propagation, vol.
43 nº 7, July 1995, pp. 746-750]. Sin embargo
representan de nuevo una complicación tecnológica añadida respecto a
las estructuras habituales multicapa de parches apilados y separados
mediante capas de dieléctrico continuas.
En los arrays de antenas microstrip situadas
dentro de cavidades metálicas, éstas se implementan utilizando
distintas técnicas como el fresado de bloques metálicos, la
utilización de paneles metálicos de nido de abeja (honeycomb) o
entrelazando tiras metálicas para formar las paredes laterales de
las cavidades. Estas técnicas hacen necesario el truncamiento de las
láminas de dieléctrico, sobre las cuales se encuentran grabadas las
metalizaciones, en planchas individuales para cada parche o parches
apilados, y el posterior emplazamiento de estos en las cavidades
metálicas. Además, si se utilizan estructuras multicapa con parches
apilados o alimentación mediante acopio coaxial capacitivo, el
proceso de alineamiento de los parches entre sí y con la sonda, o el
ensamblado de las distintas capas dieléctricas, no puede realizarse
de forma conjunta para todos los elementos del array como se lleva a
cabo habitualmente en el caso de utilización de substratos
dieléctricos continuos. Otra técnica para la implementación de las
paredes metálicas consiste en partir de estructuras
multidieléctricas habituales con parches apilados separados por
dieléctricos continuos, e insertar postes metálicos o placas
metálicas a través de los substratos dieléctricos y hasta plano de
masa. Todas estas estructuras tienen sin embargo el inconveniente de
ser tecnológicamente más complejas, y por tanto de más difícil
construcción y con más altos costes de fabricación que la
configuración habitual de arrays microstrip sobre substrato
dieléctrico continuo, que no requiere un tratamiento posterior.
Existen múltiples referencias que proponen y
analizan estructuras de antenas impresas con parches individuales o
apilados y en las que, o bien se utiliza la configuración habitual
en las que los parches se encuentran grabados sobre un mismo
substratos dieléctrico continuo, o bien se emplean estructuras en
las que los dieléctricos y parches se encuentran inmersos dentro de
cavidades metálicas. Los autores no tienen conocimiento de que se
haya propuesto arrays de antenas impresas en las que se combine la
utilización de parches grabados sobre substratos dieléctricos
continuos y el empleo de cavidades metálicas vacías con el objeto de
obtener una simplificación tecnológica manteniendo las ventajas
eléctricas que añaden la inclusión de los parches entre las
cavidades. En ocasiones se añade una cubierta de dieléctrico sobre
arrays de antenas microstrip pero sólo con el objeto de proteger la
estructura radiante de los efectos medioambientales. En la patente
[G. Raguenet, F. Magnin, @Broadband cavity-like
array antenna element and a conformal array subsystem comprising
such elements@, patente US5434581, Noviembre de 1993] se describe un
array realizado en tecnología impresa en la que los parches se
sitúan en la base de las cavidades metálicas y la alimentación se
realiza mediante línea microstrip coplanar. En esta invención se
pretende evitar la utilización de substratos gruesos o la
configuración de parches apilados con el fin de lograr estructuras
radiantes ligeras y conformables. A diferencia de la invención
propuesta, la característica de banda ancha se obtiene dimensionando
adecuadamente las cavidades situadas sobre los parches de forma que
se comporta como un array de aperturas en la que éstas contribuyen a
fijar la banda de resonancia. La inserción de cavidades en la
patente referenciada no tiene por objeto evitar el acoplo mutuo
entre elementos a diferencia de la invención que se propone. Por el
contrario, en la presente invención, la característica de banda
ancha se obtiene mediante un incremento de la distancia parche
alimentado-plano de masa (reducción de factor de
calidad Q) en combinación con la utilización de parches apilados
sobre substratos
continuos.
continuos.
En el marco de arrays de antenas microstrip, la
utilización de paredes metálicas situadas entre los elementos
radiantes permite conjugar ancho de banda y capacidad de barrido, ya
que se elimina el acoplo por onda de superficie entre los parches
impresos a través del substrato dieléctrico. En estas estructuras la
utilización de substratos eléctricamente gruesos con el propósito de
mejorar las características de ancho de banda no conlleva una
reducción de la eficiencia de la antena, ni la distorsión de las
características de radiación como en el caso de arrays microstrip
con parches situados sobre substrato dieléctrico continuo.
El objetivo de la invención está orientado a la
obtención de un array de antenas impresas que posea las ventajas en
cuanto a capacidad de barrido, ancho de banda, características de
radiación o eficiencia, propias de las configuraciones con parches
inmersos en cavidades, pero constituidas a partir de una misma
lámina dieléctrica sobre la cual se encuentran grabados los parches,
sin la necesidad de un posterior tratamiento o proceso de
transformación, como el truncamiento e inclusión en cavidades, o la
inserción de placas o postes metálicos.
La configuración que se propone en la invención
(figuras 1, 2 y 3) es un agrupamiento de antenas impresas (1) de
banda ancha formado por una lámina de substrato dieléctrico (2) de
pequeño espesor eléctrico (<0.02\lambda_{0}) sobre la cual se
graba un agrupamiento de metalizaciones o parches, que se sitúa
sobre un array de cavidades vacías (3) no rellenas de dieléctrico,
de sección rectangular, formadas por paredes metálicas (4) y con el
mismo tipo de retícula y periodicidad que el agrupamiento de
parches. La alimentación se realiza mediante sonda coaxial
capacitiva (5), procedente de un cable coaxial (6), que se inserta
por la base de la cavidad metálica o plano de masa (7), y en cuyo
extremo se sitúa un ensanchamiento formando una cabeza metálica en
forma de prisma recto o cilindro (8) cuya base superior es coplanar
a la apertura de la cavidad y a la cara inferior no metalizada del
substrato. En la figura 1 se muestra una perspectiva de un array de
antenas microstrip con la configuración propuesta constituido por
parches de forma arbitraria y cavidades de sección rectangular.
Pueden utilizarse parches conductores de forma
rectangular, circular, elíptica, cuadrada o de cualquier otro tipo
de polígono dependiendo de la aplicación, además de cavidades
metálicas de sección rectangular, circular o cuadrada. Una variante
a esta configuración consiste en situar sobre el array de cavidades
metálicas varias capas de dieléctrico (2a y 2b) con parches en
configuración apilada (1a y 1b) tal como se muestra en la figura 2.
En este caso la capa de dieléctrico inferior hace de separación
entre la cabeza metálica y el parche aumentado. En la figura 3 se
presenta la sección transversal y longitudinal de un elemento del
array en este caso, con dos parches apilados de forma rectangular
(9a y 9b) y cavidades (3) de sección cuadrada.
En la estructura propuesta la utilización
combinada de cavidades eléctricamente gruesas, excitación capacitiva
y en su caso el empleo de parches apilados, conforman un array de
barrido electrónico en tecnología impresa mediante el cual se
consiguen importantes mejoras en el ancho de banda y capacidad de
barrido. Además se conjugan distintas ventajas tanto tecnológicas
como eléctricas difíciles de obtener de forma combinada con
estructuras simples. A continuación se describe el funcionamiento y
se detallan las características de diseño e innovaciones en la
invención propuesta.
-. La innovación de emplazar los substratos y
parches sobre las cavidades metálicas y no inmersos en ellas, tal
como se muestra en las figuras 1, 2 y 3 hace posible que las
metalizaciones (1) se sitúen sobre una misma lámina o láminas
continuas de material dieléctrico (2). De esta forma se pueden
utilizar las técnicas habituales de fabricación en tecnología
microstrip sin la necesidad de un tratamiento o modificación
posterior como en el caso de que los parches estén inmersos en las
cavidades metálicas. Cada capa de la estructura multidieléctrica
situada sobre las cavidades, constituida por metalizaciones impresas
sobre láminas de material dieléctrico se obtiene mediante
procedimientos convencionales de fotograbado y ataque químico,
eliminando el material conductor de una lámina de dieléctrico
recubierta por una de sus caras por una capa conductora, o cortando
los parches conductores mediante un plotter de corte o un láser, y
retirando posteriormente el material conductor.
-. Las cavidades (3) sobre las cuales se sitúan
las metalizaciones y los substratos dieléctricos se comportan como
una capa adicional de substrato de muy baja permitividad
(dieléctrico aire) que se dimensiona como eléctricamente grueso con
el objeto de obtener una característica de banda ancha en
impedancia.
-. En la configuración propuesta la estructura
multicapa de dieléctricos (2a y 2b) con parches apilados (1a y 1b)
es soportada por las paredes metálicas (4) no siendo necesaria la
utilización de dieléctricos dentro de éstas. De esta forma se
simplifican y abaratan los procesos de fabricación ya que se elimina
la complejidad tecnológica que supone incluir tramos de dieléctrico
truncados dentro de las cavidades, o la inserción de postes o placas
metálicas a través de los substratos y plano conductor. Además se
favorece desde el punto de vista eléctrico la radiación.
-. Los espesores de la lámina o láminas de
substrato dieléctrico situadas sobre las cavidades deberán diseñarse
eléctricamente delgados, con el fin de minimizar la generación y
propagación de ondas de superficie a través de ellas y reducir por
tanto el acoplo entre los distintos elementos radiantes. En el
apartado de antecedentes se puso de manifiesto que el efecto de este
acoplo en las características de barrido cuando se emplean espesores
pequeños de los substratos es despreciable, salvo para ángulos de
barrido próximos a la dirección endfire. En el proceso de diseño se
comprueba que estos espesores contribuyen a fijar el acoplo
capacitivo y las resonancias adicionales, y que es factible la
utilización de espesores de dieléctrico finos que cumplan estos
propósitos.
-. La configuración resultante da lugar por
tanto a un array de antenas microstrip en el que la distancia plano
de masa-parche alimentado es eléctricamente gruesa,
y en la que sin embargo la generación de ondas de superficie y por
tanto el acoplo mutuo está limitado, con la posibilidad de la
utilización de parches en configuración apilada. Será factible
obtener una característica de banda ancha de la estructura radiante
sin que se produzca un decremento en la cobertura de barrido o
incluso conseguir una mejora de esta característica en ciertos
planos. La forma y tamaño de las cavidades metálicas no contribuye a
fijar la frecuencia de resonancia ni el ancho de banda.
-. La alimentación mediante acoplo capacitivo
(ver, figura 1, 2 ó 3) necesaria para cancelar el efecto inductivo
de la sonda, se implementa con la cabeza metálica (8) de sección
circular o rectangular por ejemplo, situada en el extremo de la
sonda coaxial (5) sobre la cual se sitúa la estructura multicapa
formada por dieléctricos y parches radiantes. La componente serie
capacitiva viene fijada por el espesor y permitividad de la primera
capa de dieléctrico (2b) así como por la sección de la cabeza
capacitiva. Mediante el procedimiento adecuado de diseño se fijan
estos parámetros de forma que se puedan utilizar substratos
dieléctricos standard. De esta forma las tolerancias de permitividad
y espesor de los substratos, que son críticos para fijar la
capacidad serie vienen fijados por substratos comerciales. Por otra
parte el acoplo capacitivo evita soldaduras, necesarias en el caso
de unión directa sonda-parche y por tanto la
necesidad de acceso al interior de la cavidad una vez situada la
estructura multicapa sobre las cavidades metálicas.
-. En la estructura propuesta serán aplicables
las técnicas habituales de posicionamiento y ensamblado de
estructuras multicapa, con las ventajas que ello conlleva desde el
punto de vista de fabricación, además de conseguir un alineamiento
más uniforme entre los distintos elementos que conforman el array.
Así, la alineación de los parches entre sí y respecto a la sonda
capacitiva en una misma célula del array, además de la unión de las
distintas capas de dieléctrico entre sí y con las paredes metálicas,
se realiza de forma conjunta para todos los elementos del array,
realizando perforaciones a través de la estructura multidieléctrica
y la cavidad, insertando pasadores o tornillos a través de aquellas,
y utilizando películas adhesivas para la fijación mecánica de las
distintas capas de dieléctrico y cavidades metálicas.
-. Durante el proceso de diseño se hace
necesario variar la posición relativa del conjunto
sonda-cabeza metálica respecto a los parches con
objeto de modificar la componente resistiva que presenta el sistema
radiante. Se ha comprobado que la adaptación y por tanto el ancho de
banda es sensible a un desalineamiento de esta posición. En el caso
de parches inmersos dentro de las cavidades se utilizan diseños en
los que los parches están centrados dentro de la cavidad y es el
punto de inserción de la sonda a través del plano de masa (longitud
(17) en la figura 3) el que se hace variar. En la presente invención
se propone la posibilidad de ajustar la componente resistiva que
presentan los elementos radiantes, además de con una variación de la
posición de la sonda coaxial en la cavidad, desplazando los parches
de su posición central respecto a la cavidad tal como se muestra en
la figura 3 (variación de la distancia (16)) dando lugar a diseños
en los que los parches pueden estar descentrados respecto a aquellas
en una misma célula del array. Este procedimiento tiene la ventaja
desde el punto de vista tecnológico de que una vez fabricadas las
cavidades, y fijados los puntos de inserción de las sondas coaxiales
en aquellas, es posible establecer de forma precisa y simple la
posición relativa de la estructura multicapa respecto a las sondas.
El grado de precisión viene determinado por técnicas bien conocidas
de alineamiento. Se dispondrá por tanto de un grado de libertad
adicional para fijar la componente resistiva durante el proceso de
fabricación, y antes de la etapa de ensamblado de las distintas
capas de substrato dieléctrico entre sí y con el array de cavidades
metálicas.
Figura 1. Perspectiva del array plano propuesto
en la invención con parches en configuración individual. La
estructura consta de un array de antenas impresas o parches (1)
grabados sobre una lámina de material dieléctrico o substrato
continuo (2) y común para todos los elementos que conforman el
array. Los parches se representan en la figura con forma arbitraria,
dependiendo ésta de la aplicación en cada caso. El substrato se
encuentra emplazado a su vez sobre un array de cavidades vacías (3),
rodeadas de paredes metálicas (4), con el mismo tipo de retícula y
periodicidad que el array de parches metálicos. La alimentación se
realiza mediante acoplo capacitivo con una sonda coaxial (5)
procedente de un cable o de un conector coaxial (6) que se introduce
por la base de la cavidad metálica o plano de masa (7) y termina en
un ensanchamiento formando una cabeza metálica en forma de prisma
recto o cilíndrico (8) cuya base superior es coplanar a la apertura
de la cavidad y a la cara inferior no metalizada del substrato.
Figura 2. Perspectiva del array plano propuesto
en la invención con parches en configuración apilada. La estructura
es similar al caso de array simple descrito en la figura 1 pero
compuesta en este caso por dos arrays de antenas impresas (1a y 1b)
de forma arbitraria grabados sobre capas de dieléctrico distintas
(2a y 2b) y dispuestas en configuración apilada. El resto de las
referencias son las ya indicadas en la figura 1.
Figura 3. Vista lateral (parte superior de la
figura) y frontal (parte inferior) de la célula periódica de un
array de antenas impresas propuesto en la invención con parches en
configuración apilada. El espaciado entre los elementos del array
viene dado por las dimensiones (10) y (11). Cada célula consta de
dos parches conductores rectangulares (9a y 9b) de dimensiones (14 y
15) grabados sobre sendas láminas apiladas de material dieléctrico
continuo (2a y 2b) y una cavidad vacía (3) de sección cuadrada, lado
(12) y espesor (13) formada por paredes metálicas (4) cuya base
constituye el plano de masa del array (7). La alimentación en cada
elemento se realiza mediante acoplo capacitivo con una sonda coaxial
(5) procedente de un cable o de un conector coaxial (6) y terminada
en una cabeza metálica (8) de sección circular y, diámetro (18). Las
dimensiones (16) y (17) indican respectivamente los desplazamientos
de los parches y cabeza metálica respecto a la pared de la cavidad.
Las dimensiones (19) y (20) indican los diámetros exterior e
interior del cable coaxial. \varepsilon_{0}, \varepsilon_{r1} y
\varepsilon_{r2} representan respectivamente la constante
dieléctrica en la cavidad (vacío) y las constantes dieléctricas
relativas correspondientes a las capas de dieléctrico (2a) y
(2b).
Figura 4. Perspectiva que representa un modo de
implementación de las cavidades metálicas aplicable tanto a la
configuración propuesta en la invención como al caso de antenas
microstrip inmersas en cavidad. La técnica consiste en entrelazar
tiras metálicas (21) que se engarzan mediante muescas (22)
practicadas en aquellas para formar las paredes laterales de las
cavidades. La estructura así formada se fija a continuación sobre
una placa metálica (23) que actúa de plano de masa.
Figura 5. Representación del módulo del
coeficiente de reflexión activo en radiación normal al plano del
array (p) en función de la frecuencia (f), correspondiente a un
array periódico de antenas microstrip multicapa compuesta por dos
capas de substrato dieléctrico y parches, situadas sobre cavidades
metálicas y cuya célula periódica se muestra en la figura 3. En la
figura también se incluye la recta de coeficiente de onda
estacionaria (COE) igual a 1.5. Las características geométricas y
eléctricas del array están especificadas en la sección
correspondiente a exposición detallada de un modo de realización de
la invención.
Figura 6. Representación del diagrama de campo de
elemento activo normalizado en los planos E (\varphi = 90º) y H
(\varphi = 0º) en función del ángulo de barrido y a la frecuencia
de 6.4 GHz, correspondiente al array periódico de antenas microstrip
cuya célula periódica se muestra en la figura 3. Plano E: (--)
componente copolar E_{\theta}. La componente contrapolar del plano
E es despreciable. Plano H: (- -) componente copolar E_{\nu}. (--
- --) componente contrapolar E_{\theta}.
Figura 7. Representación del coeficiente de
reflexión activo adaptado en radiación normal (\Gamma) en función
del ángulo de barrido, en los planos E y H, y a la frecuencia de 6.4
GHz, correspondiente al array, periódico de antenas microstrip cuya
célula periódica se muestra en la figura 3. Plano H: (-- --) Plano E
( -- ).
En este apartado se describen los pasos a seguir
para la implementación de un array como el descrito en la invención
con doble capa de substrato dieléctrico y parches apilados. En la
figura 3 se muestra la sección transversal y longitudinal de una
célula de la estructura diseñada formada por parches rectangulares y
cavidades de sección cuadrada.
Previamente a la fase de diseño y descripción del
modo de realización se seleccionan la tecnología y materiales a
emplear. Se propone una fabricación a partir de materiales
habituales pero el array podrá también ser construido con materiales
cualificados para aplicaciones espaciales. Los arrays de parches
metálicos se construyen a partir de láminas de material dieléctrico
de pequeño espesor (<0.02\lambda_{0}) metalizadas por una sus
caras. Se eligen por ejemplo substratos dieléctricos comerciales de
polytetrafluoretileno (PTFE) de constante dieléctrica relativa igual
a 2.55 y tangente de pérdidas 0.002, recubierto por una de sus caras
con una película de cobre de 35 micras. Los espesores serán elegidos
de entre los disponibles comercialmente durante la fase de
diseño.
Las cavidades metálicas se implementan mediante
fresado de bloques metálicos de latón o cobre, o a partir de la
utilización de paneles metálicos en nido de abeja (honeycomb). Se
pueden emplear otras técnicas con menores costes de fabricación como
la esquematizada en la figura 4. Esta consiste en entrelazar láminas
metálicas (21) que se engarzan mediante ranuras (22) practicadas en
aquellas para formar las paredes laterales de las cavidades,
situándolas posteriormente sobre una base metálica (23) que
constituye el plano de masa.
La alimentación en cada célula de array se
realiza a partir de un conector coaxial SMA de 50 ohmios cuyo
conductor interior se hace penetrar a través de la base de la
cavidad, y en cuyo extremo se fija a la cabeza metálica que servirá
para realizar el acoplo capacitivo.
Una vez elegidos los materiales se pasa a la fase
de diseño del array. Para el análisis de esta estructura periódica
multicapa se emplea un método de onda completa basado en la
utilización combinada de los métodos de adaptación modal, método de
los elementos finitos y método de los momentos en el dominio
espectral. Este procedimiento de análisis utiliza la aproximación de
array periódico infinito en la que cada elemento radiante se
considera en un entorno periódico despreciando los efectos de borde.
El método proporciona el coeficiente de reflexión activo en función
de la frecuencia o el ángulo de barrido, y el diagrama de elemento
activo de la estructura periódica, todo ello en función de los
distintos parámetros geométricos y eléctricos de la estructura y de
la excitación.
Durante el proceso de diseño se establece el
grosor de la cavidad, el tamaño de los parches y los parámetros que
fijan el acoplo capacitivo en función del ancho de banda deseado. En
este proceso los espesores y permitividades de las láminas de
substrato dieléctrico se diseñan de forma que se puedan utilizar
substratos dieléctricos standard. De esta forma las posibles
variaciones de estos parámetros vienen limitadas por las tolerancias
de substratos comerciales. La posición relativa de los parches
respecto a la sonda capacitiva en cada célula periódica, que
contribuye a fijar la componente resistiva que presenta el sistema
radiante, se establece por una parte con la variación de la posición
de la sonda coaxial en la cavidad, y por otra con un desplazamiento
de la posición de los parches respecto a una posición centrada
respecto a las cavidades, tal como se puso de manifiesto en la
explicación de la invención.
\newpage
Las especificaciones geométricas y eléctricas del
diseño que se presenta, referenciadas a la célula periódica
representada en la figura 3 son las siguientes:
-. Espaciado entre elementos del array (10 y
11): 1.95 cm.
-. Cavidad metálica: Lado de la cavidad cuadrada
(12): 1.85 cm. Espesor (13): 4.9 cm.
-. Alimentación mediante acoplo coaxial
capacitivo:
- Conector SMA (6): \varepsilon_{r} = 1.951, diámetro exterior (19): 4.1 mm., diámetro interior (20): 1.28 mm.
- Cabeza metálica (8): Diámetro (18): 2.6 mm. Espesor: 0.5 mm.
-. Desplazamiento (17) de la cabeza metálica
respecto al extremo de la cavidad: 4.8 mm.
-. Espesores y permitividades de los substratos
dieléctricos comerciales:
- Substrato inferior (2b): espeso: 0.508 mm., \varepsilon_{r1}=2.55
- Substrato superior: (2a): espesor: 0.762 mm., \varepsilon_{r2}=2.55
-. Tamaño y posición de los parches
- Parche inferior: Ancho (15): 0.95 cm., Alto (14): 1.35 cm.
- Desplazamiento (16) respecto a la cavidad: 0.35 cm.
- Parche inferior: Ancho (15): 1.15 cm., Alto (14): 1.15 cm
- Desplazamiento (16) respecto a la cavidad: 0.35 cm.
Se ha realizado distintas simulaciones
correspondientes a este diseño con el objeto de obtener las
características de ancho de banda, de radiación y comportamiento en
función del ángulo de barrido. En la figura 5 se muestra la curva
del módulo del coeficiente de reflexión activo en función de la
frecuencia obtenida a partir de las simulaciones realizadas con los
parámetros de diseño especificados. Se obtiene un ancho de banda en
impedancia de aproximadamente 2.5 GHz para un coeficiente de onda
estacionaria (COE) por debajo de 1.5, que se corresponde con un
ancho de banda relativo del 40% a la frecuencia central de 6.4 GHz.
En la figura 6 se representa el diagrama de campo de elemento activo
de las componentes copolar y contrapolar en planos E y H a la
frecuencia de 6.4 GHz. Se obtiene un nivel de polarización cruzada
por debajo de -26 dB en plano H y un nivel despreciable en plano E.
En la figura 7 se representa el coeficiente de reflexión activo
adaptado en radiación normal (\Gamma) en función del ángulo de
barrido (\vartheta) en los planos E y H y a la frecuencia de 6.4
GHz. Se observa un buen comportamiento en barrido sobre todo en
plano E. para el que el margen de barrido es de 1491 para un
coeficiente de onda estacionaria menor de 2.
Para la realización tecnológica de los substratos
dieléctricos con metalizaciones que constituyen la estructura
multicapa pueden emplearse distintas técnicas como el fotograbado,
plotter de corte o láser. Posteriormente deberá realizarse el
alineamiento y pegado de las distintas capas de substrato
dieléctrico entre sí, y con el array de cavidades metálicas,
utilizando para ello pasadores o tornillos que se insertan a través
de orificios practicados en la estructura multidieléctrica y la
cavidad.
Claims (8)
1. Agrupamiento de antenas impresas de banda
ancha formado por:
- -
- una lámina de substrato dieléctrico de pequeño espesor eléctrico (<0.02 \lambda_{0}) sobre la cual se graba un agrupamiento de metalizaciones o parches conductores que actúan como elementos radiantes;
- -
- un array de cavidades vacías, sobre el que se coloca la lámina de sustrato dieléctrico con parches conductores, no rellenas de dieléctrico, de sección rectangular, formadas por paredes metálicas que eliminan el acoplo mutuo entre elementos radiantes, y con el mismo tipo de retícula y periodicidad que el agrupamiento de parches;
- -
- una sonda coaxial capacitiva que consiste en: un conductor cilíndrico que procede de un cable coaxial insertado por la base de la cavidad metálica o plano de masa de forma perpendicular a éste;
caracterizado por estar la
sonda coaxial terminada en una cabeza metálica con forma de prisma
recto o cilindro, colocada en el extremo de dicho conductor, cuya
base superior es coplanar a la apertura de la cavidad y a la cara
inferior no metalizada del substrato, y cuyas dimensiones se
determinan para compensar el efecto inductivo de la sonda coaxial;
y por estar los parches descentrados respecto a las cavidades de
manera que la componente resistiva que presentan los elementos
radiantes, se ajusta además de con una variación de la posición de
la sonda coaxial en la cavidad, mediante desplazamiento de los
parches de su posición central respecto a las cavidades,
estableciéndose de forma precisa y simple la posición relativa del
agrupamiento de parches respecto a las
sondas.
2. Agrupamiento de antenas impresas según
reivindicación 1, caracterizado por situar sobre el array de
cavidades metálicas varias capas de dieléctrico con parches
conductores en configuración apilada que introducen resonancias
adicionales para aumentar el ancho de banda.
3. Agrupamiento de antenas impresas según
reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por estar construido
con materiales cualificados para aplicaciones espaciales.
4. Agrupamiento de antenas impresas según
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por tener los parches
conductores de forma rectangular, circular, elíptica o cuadrada.
5. Agrupamiento de antenas impresas según
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por tener las
cavidades metálicas de sección rectangular, circular ó cuadrada.
6. Agrupamiento de antenas impresas según
reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque cada capa de la
estructura multidieléctrica situada sobre las cavidades,
constituida por metalizaciones impresas sobre láminas de material
dieléctrico se obtiene mediante procedimientos convencionales de
fotograbado y ataque químico, eliminando el material conductor de
una lámina de dieléctrico recubierta por una de sus caras por una
capa conductora, o cortando los parches conductores mediante un
plotter de corte o un láser, y retirando posteriormente el material
conductor.
7. Agrupamiento de antenas impresas según
reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque las cavidades
metálicas se implementan mediante fresado de bloques metálicos de
latón o cobre, o a partir de la utilización de paneles metálicos en
nido de abeja (honeycomb).
8. Agrupamiento de antenas impresas según
reivindicaciones 1 a 7 caracterizada porque la alineación de
los parches entre sí y respecto a la sonda capacitiva en una misma
célula del agrupamiento, además de la unión de las distintas capas
de dieléctrico entre sí y con las paredes metálicas, se realiza de
forma conjunta para todos los elementos del array, realizando
perforaciones a través de la estructura multidieléctrica y la
cavidad, insertando pasadores o tornillos a través de aquellas, y
utilizando películas adhesivas para la fijación mecánica de las
distintas capas de dieléctrico y cavidades metálicas.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200100877A ES2180425B2 (es) | 2001-04-16 | 2001-04-16 | Agrupamiento de antenas impresas de banda ancha situadas sobre cavidades y excitadas mediante sonda coaxial capacitiva. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200100877A ES2180425B2 (es) | 2001-04-16 | 2001-04-16 | Agrupamiento de antenas impresas de banda ancha situadas sobre cavidades y excitadas mediante sonda coaxial capacitiva. |
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| ES2180425A1 ES2180425A1 (es) | 2003-02-01 |
| ES2180425B2 true ES2180425B2 (es) | 2006-08-01 |
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ID=8497442
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| ES200100877A Expired - Fee Related ES2180425B2 (es) | 2001-04-16 | 2001-04-16 | Agrupamiento de antenas impresas de banda ancha situadas sobre cavidades y excitadas mediante sonda coaxial capacitiva. |
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|---|---|
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| DE3787681T2 (de) * | 1986-06-05 | 1994-05-05 | Emmanuel Rammos | Antennenelement mit einem Streifen, der zwischen zwei selbsttragenden und mit untereinanderliegenden strahlenden Schlitzen vorgesehenen Grundplatten hängt und Verfahren zur Herstellung desselben. |
| KR100270212B1 (ko) * | 1994-06-09 | 2000-10-16 | 에이. 아이. 쿠디시 | 평면 안테나 어레이 및 이를 위한 마이크로스트립 방사소자 |
| US6166693A (en) * | 1998-03-30 | 2000-12-26 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Tapered leaky wave ultrawide band microstrip antenna |
-
2001
- 2001-04-16 ES ES200100877A patent/ES2180425B2/es not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2180425A1 (es) | 2003-02-01 |
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