ES2204951T3

ES2204951T3 - Antena de haz eliptico reconfigurable, con funcion de zoom y giratoria.

Info

Publication number: ES2204951T3
Application number: ES95919437T
Authority: ES
Inventors: Salvatore Contu; Alberto Meschini; Roberto Mizzoni
Original assignee: Alenia Spazio SpA
Current assignee: Alenia Spazio SpA
Priority date: 1994-11-25
Filing date: 1995-05-10
Publication date: 2004-05-01
Anticipated expiration: 2015-05-10
Also published as: EP0741917A1; JPH09504158A; AU2526695A; DE69531604T2; WO1996017403A1; IT1275349B; FI962951A; DK0741917T3; JP3188474B2; EP0741917B1; FI962951A0; ITRM940777A1; US5977923A; ITRM940777A0; DE69531604D1

Abstract

LA PRESENTE INVENCION ES UNA ANTENA DE MICROONDAS DE DOBLEREFLECTOR (FIG. 1), QUE PUEDE CLASIFICARSE COMO PERTENECIENTE A LA FAMILIA DE LA OPTICA GREGORIANA, CAPAZ DE PROPORCIONAR UN HAZ ELIPTICO CON UN EJE PRINCIPAL QUE PUEDE SER ORIENTADO EN CUALQUIER DIRECCION REQUERIDA DEL ESPACIO (FIG. 2), MEDIANTE LA SIMPLE ROTACION DE UN SUB-REFLECTOR (2) ALREDEDOR DEL EJE (4 DE FIG. 1). AÑADIENDO UN MAYOR GRADO DE LIBERTAD, ES DECIR, UNA TRASLACION INDEPENDIENTE DEL MISMO SUB-REFLECTOR (2) Y/O DEL REFLECTOR PRINCIPAL (3) A LO LARGO DE EJES (5) Y/O (6), ES POSIBLE OBTENER UN CONSIDERABLE GRADO DE RECONFIGURABILIDAD DE LA FORMA DEL HAZ. EN PARTICULAR, ES POSIBLE ENSANCHAR LOS EJES DEL HAZ, PARA VARIAR EL INDICE ENTRE LOS EJES DEL HAZ ELIPTICO PARA CUALQUIER ORIENTACION DEL EJE PRINCIPAL, O PARA OBTENER UN HAZ CIRCULAR (FIGS.3A Y 3B). ESTAS CARACTERISTICAS SON TALES QUE HACEN QUE LA PRESENTE INVENCION SEA UTIL PARA SU USO COMO ANTENA EN SATELITES CON UNA REUTILIZACION DE FRECUENCIA EN UN ENTORNO OPERACIONAL CON UNO MAS HACES ACTIVOS SIMULTANEOS. LA INVENCION PUEDE CLASIFICARSE COMO PERTENECIENTE AL CAMPO TECNICO DE LAS ANTENAS DE MICROONDAS Y AL CAMPO DE APLICACION DE LAS ANTENAS RECONFIGURABLES PARA EL USO EN SATELITES O ESTACIONES ESPACIALES O SISTEMAS DE RADAR DE TIERRA.

Description

Antena de haz elíptico de reconfigurable, con función de zoom y giratoria.

La presente invención se refiere a una antena gregoriana de microondas de doble reflector según lo expuesto en el preámbulo de la reivindicación 1 y a un método según lo expuesto en el preámbulo de la reivindicación 5. Una antena gregoriana de este tipo se describe en US-A-4 425 566.

La invención pertenece al campo técnico de las antenas de microondas y al campo de la aplicación de las antenas reconfigurables para uso en satélites artificiales o estaciones espaciales o en sistemas de radar con base en tierra.

La antena gregoriana según la invención alcanza, mediante la rotación de su subreflector y/o a través del movimiento axial de dicho subreflector o del reflector principal, la rotación de un haz elíptico (figura 2) sin ninguna variación de la anchura y polarización del haz y/o de este mismo haz en una elipse circular expandida la reconfigurabilidad (efecto zoom) o una elipse intermedia entre el haz original y el circular (variación de la forma del haz, figuras 3a, 3b). Por otra parte, mediante otro perfil del subreflector, también es posible alcanzar en ensanchamiento (zoom) del haz circular a otro haz circular (figura 3c).

Los moderados requisitos de reconfigurabilidad de los sistemas de antena futuros son:

(a): reorientación del haz;

(b): haz elíptico giratorio sin rotación de polarización;

(c): haz circular o elíptico con la posibilidad de zoom, es decir, ensanchamiento de la cobertura sin variación de la relación entre los ejes de la elipse y del producto de área por ganancia;

(d): posibilidad de convertir un haz circular en elíptico (y viceversa) sin variación del producto de área x ganancia.

De éstas solamente la función (a) está normalmente disponible para las antenas de satélites de comunicaciones de banda Ku. Las otras funciones son altamente deseables, junto con la primera de ellas, y en las combinaciones establecidas, en principio, sólo por la capacidad del tipo de antena considerado de no degradar la calidad del servicio como consecuencia de la mayor flexibilidad así asegurada. La implementación práctica de las funciones (b), (c) y (d), por cuanto se ha indicado anteriormente, debe cumplir los requisitos siguientes:

(i): aumento mínimo de las dimensiones y de la masa de la antena;

(ii): ausencia de movimientos de masas grandes;

(iii): ausencia de movimiento de los iluminadores (inadmisibles en presencia de altos niveles de energía);

(iv): ningún movimiento de las piezas internas de los iluminadores (esto no es recomendable puesto que puede generar potencialmente productos de intermodulación);

(v): fiabilidad y simplicidad máximas, número mínimo de accionadores;

(vi): sensibilidad mínima a errores de alineación y a excursiones térmicas.

Los requisitos arriba indicados conducen a investigar soluciones que pueden alcanzar las funciones de reconfigurabilidad actuando sobre la óptica del sistema y, donde sea posible, intentando evitar los movimientos del sistema de iluminación o de masas grandes. La solución aquí propuesta cumple estos requisitos.

Consiste en una configuración de antena (figura 1) que puede implementar un haz elíptico giratorio con anchura constante del haz o con contorno variable, con las características de radiación eléctrica típicas del reflector doble desviado de tipo gregoriano. Esto último se puede definir como alta eficacia del lóbulo de antena, valores bajos de polarización cruzada y lóbulos laterales.

Estas características son requisitos esenciales para el uso como antenas de comunicaciones a bordo de satélites con capacidad de polarización doble en un ambiente operativo que tenga más de un haz simultáneamente activos. Los aspectos innovadores de la invención aquí descrita, comparados con la clase de antenas gregorianas ya conocidas, son los siguientes:

(a): Movimientos para lograr la reconfigurabilidad (rotación del subreflector; traslación del reflector principal y/o del subreflector propiamente dicho) nunca se han sugerido o implementado en el pasado. Esto es porque la óptica gregoriana clásica no permite, por ejemplo, la rotación del subreflector.

(b): Los perfiles de las superficies y del método a través de los cuales se forman tales superficies, permiten la rotación del haz manteniendo prácticamente constantes las características de radiación eléctrica de los componentes copolares y polares cruzados mediante una rotación simple del subreflector. También se debe observar que la orientación del campo eléctrico no cambia durante la rotación. Ésta es una característica esencial para el funcionamiento de la antena dentro de un ambiente operativo que incluye varios haces simultáneos.

(c): Otra característica original de esta invención está en su capacidad de combinar la rotación del subreflector con otro movimiento adicional (traslación del subreflector y/o del reflector principal) a lo largo de ejes predeterminados, que proporciona una capacidad notable de reconfigurar el haz elíptico inicial, para cualquier orientación deseada del haz propiamente dicho, con eficacia, pureza de polarización y lóbulos laterales comparables con los de un haz fijo de tipo gregoriano. En concreto, con este movimiento es posible variar progresivamente la relación de los ejes principales del haz elíptico para cualquier orientación de los ejes u obtener una cobertura elíptica conformada gradualmente a la de un haz circular.

Las antenas capaces de funcionamiento eléctrico adecuado para los actuales requisitos para las telecomunicaciones por satélite pertenecen al grupo de la óptica gregoriana de reflector doble. Esta óptica proporciona alta eficacia de cobertura, lóbulos laterales bajos y cuando se cumplen algunas relaciones geométricas, pureza de polarización muy alta con tamaño y masa compatibles con su instalación a bordo de satélites (las antenas de estos tipos se han de montar de hecho a bordo de los satélites Intelsat VIII).

Como es obvio por la figura 1, la geometría propuesta pertenece a la familia de la óptica gregoriana, mostrada en la figura 4. Esta óptica está compuesta por los mismos elementos que forman la antena aquí propuesta (a excepción de los movimientos y de los perfiles de la superficie), tal como un reflector principal 3, un subreflector 2 y una alimentación adecuada 1.

El diseño de las antenas gregorianas clásicas empieza generalmente con las superficies canónicas (con referencia a la figura 4, el subreflector 2 es elipsoidal y el reflector 3 es parabólico). Estas superficies proporcionan niveles extremadamente bajos de polarización cruzada cuando se cumple el requisito geométrico de pureza máxima mostrado en la figura 4.

Se cumple esta condición cuando la excentricidad e del elipsoide del subreflector 2 satisface la relación geométrica de los ángulos \beta_{f} y \beta_{s} mostrados en la figura 4. En esta figura, \beta_{f} es el ángulo entre el eje de simetría 9 del iluminador 1, cuyo centro de fase está en el punto 7 que coincide con uno de los focos del subreflector elipsoidal 2 y eje de propagación Z. El ángulo \beta_{s} es el ángulo entre tal eje 9 y el eje 10 que cruza ambos focos del elipsoide.

Se debe observar que el subreflector 2 de la figura 4 es un elipsoide obtenido por revolución alrededor del eje 10, mientras que la óptica de esta invención (figura 1) tiene una superficie de subreflector que no se puede obtener por revolución alrededor de los puntos de cruce de eje 7 y 8.

El sistema óptico así obtenido puede generar un haz circular. El procedimiento que se adopta comúnmente partiendo de la óptica estándar de la figura 4, cuando se requiere un contorno elíptico del haz, consiste en formar numéricamente la superficie 2 del subreflector y/o el reflector principal 3 y aceptar las degradaciones eléctricas en los términos de pureza de polarización que derivan de este sistema perturbado.

Estas degradaciones son normalmente aceptables cuando las desviaciones introducidas en las superficies son
pequeñas.

El sistema óptico así generado no puede proporcionar claramente una rotación del haz elíptico girando el
subreflector.

De hecho, no hay hasta la fecha soluciones que permitan la reconfiguración del haz en términos de rotación y/o reconfiguración y/o ensanchamiento (zoom) del contorno del haz en tal tipo de antenas, usando una sola alimentación.

Es un hecho que la única función que está disponible hoy día en estas antenas es la reorientación del haz, una función que se realiza normalmente a través de un sistema de accionadores biaxiales dentro de un cono de \pm 11 grados (campo visual útil de la tierra desde un satélite de órbita geoestacionaria).

Los sistemas adoptados normalmente para obtener los haces de antena conformados, cuando se requieren un contorno reconfigurable y alta pureza de polarización, pertenecen a otra clase y tipo de antenas.

En detalle, se utilizan dos redes de alimentación, localizadas en el plano focal de un sistema óptico del tipo de reflector de rejilla doble. Tales sistemas tienen un reflector trasero y un reflector delantero. El reflector delantero se realiza por la aplicación de tiras metálicas lineales sobre la superficie dieléctrica de la envuelta delantera según se muestra como ejemplo en la figura 27. El reflector trasero puede ser sólido o con rejilla con tiras ortogonales a las del reflector delantero.

En detalle, las figuras 27a (vista delantera), 27b (vista superior) y 27c (vista lateral) proporcionan las tres elevaciones principales de este sistema óptico.

\newpage

En estas figuras se ofrece un esbozo esquemático del grupo de alimentaciones 1 para la polarización del campo eléctrico a lo largo del eje X junto con el grupo correspondiente de iluminadores 1' para polarización a lo largo de Y. El reflector delantero con rejilla 3 es sensible a la polarización X y el trasero 3' (sólido o de rejilla) es sensible a la polarización Y.

Las características de este sistema óptico son tales que cada reflector opera en polarización única y se beneficia del efecto de filtración de espacio del otro reflector en los componentes de polarización cruzada que se irradiarían de otro modo sobre la cobertura de servicio.

Los elementos de radiación son excitados normalmente por una red de formación de haz que contiene componentes de microondas capaces de cambiar la excitación de los elementos de radiación colocados en el plano focal a través de los divisores de potencia y/o los desplazadores de fase.

Según se ha observado ya, la técnica antes descrita, basado en redes de alimentación reconfigurables, pertenece a otra clase de familias de antenas que no son de interés aquí puesto que lo que nos interesa aquí son las antenas reconfigurables de alimentación única, extremadamente simples y ligeras, que pueden explotar el grado de libertad de la óptica para lograr un mejor rendimiento eléctrico en comparación con las antenas de alimentación múltiple que tienen la misma abertura del reflector principal.

La invención se describirá ahora con referencia a su forma de implementación actualmente preferida, que se ofrece como ilustración solamente, sin ninguna limitación y con referencia a los dibujos suministrados:

Figura 1: Geometría del sistema óptico propuesto. Incluye los elementos siguientes:

1: Alimentación;

2: Subreflector;

3: Reflector principal;

4: Eje A-A alrededor del que rotar el subreflector para rotar el haz elíptico;

5: Eje B-B a lo largo del que trasladar el subreflector para la reconfiguración del haz;

6: Eje C-C a lo largo del que trasladar el reflector principal para la reconfiguración del haz (como alternativa a la traslación a lo largo del eje B-B);

7: Punto geométrico que corresponde al centro de fase de la alimentación 1;

8: Foco del reflector principal 3;

9: Eje de simetría de la alimentación 1;

20: Punto cáustico o pseudo foco en el que convergen los rayos de la alimentación 1 después de la reflexión por el subreflector 2 (tal lugar coincide con el foco 8 del reflector principal 3).

Figura 2a: Término de eje cartesiano que muestra las coordenadas de ángulo (Acimut=Az, Elevación=E1) de una dirección genérica de observación.

Figura 2b: Contorno esquemático del haz elíptico y de sus orientaciones posibles en el plano Acimut-Elevación.

Figura 3a: Reconfiguración esquemática del haz elíptico a haz circular y viceversa.

Figura 3b: Contorno esquemático del efecto zoom sobre el haz elíptico.

Figura 3c: Contorno esquemático del efecto zoom sobre un haz circular.

Figura 4: Geometría clásica de un sistema óptico gregoriano que destaca las condiciones para la pureza de polarización máxima. Incluye:

1: Alimentación;

2: Subreflector;

3: Reflector principal;

8: Foco del reflector principal;

9: Eje de simetría del iluminador 1:

10: Eje de rotación de simetría de la superficie del subreflector (elipsoide);

21: Primer foco del subreflector que coincide con el foco del reflector principal;

22: Segundo foco del subreflector.

Figura 5: Detalle de la geometría del sistema óptico propuesto que muestra la geometría inicial del subreflector y la condición de pureza de polarización máxima en el plano de simetría de la antena. Incluye:

1: Alimentación;

2: Subreflector con perfil esférico;

3: Reflector principal parabólico;

4: Eje de rotación de subreflector;

7: Centro de fase de la alimentación 1;

8: Foco del reflector principal 3;

9: Eje de simetría de la alimentación 1;

11: Centro de la esfera a la cual pertenece el subreflector esférico;

12: Intersección del eje de simetría 9 de la alimentación 1 con la superficie del subreflector 2;

13: Extensión geométrica de la superficie esférica del subreflector;

14: Dirección de un rayo desde el infinito a lo largo de la dirección (-Z) después de la reflexión en la extensión geométrica de la esfera en el punto 16;

15: Eje que describe la perpendicular a la esfera en el punto 16;

16: Punto de intersección del eje Z con la extensión geométrica de la superficie esférica 13;

20: Lugar cáustico o pseudo foco en el que convergen los rayos de la alimentación 1 después de la reflexión por el subreflector 2 (tal lugar coincide con el foco 8 del reflector principal 3).

Figura 6: Detalle de la geometría final del sistema óptico propuesto que destaca los planos principales de simetría del subreflector. Incluye:

1: Alimentación;

2: Subreflector conformado;

3: Reflector principal conformado;

4: Eje de rotación del subreflector;

5: Eje de traslación del subreflector;

6: Eje de traslación del reflector principal;

17: Primer plano de simetría del subreflector conformado;

18: Segundo plano de simetría (perpendicular al primero) del subreflector conformado.

Figura 7a: Subreflector de perfil esférico. Incluye:

1: Alimentación;

2: Subreflector esférico;

7: Centro de fase de la alimentación 1;

8: Foco del reflector principal;

11: Centro de la esfera a la que pertenece el subreflector;

13: Extensión geométrica del subreflector esférico;

20: Punto en el cual los rayos de alimentación convergen después de la reflexión por el subreflector (coincide con el foco del reflector principal).

Figura 7b: Subreflector conformado con perfil elíptico con curvatura en el plano de simetría de la antena mayor que el subreflector esférico inicial. Incluye:

1: Alimentación;

2: Subreflector con perfil elíptico;

7: Centro de fase de la alimentación 1;

8: Foco del reflector principal;

11: Centro de la esfera 13;

13: Perfil esférico original del subreflector;

20: Punto sobre el cual los rayos de la alimentación 1 convergen después de la reflexión por el subreflector 2;

21: Primer foco del subreflector con perfil elíptico;

22: Segundo foco del subreflector con perfil elíptico;

23: Extensión geométrica del subreflector elíptico.

Figura 7c: Subreflector conformado con perfil elíptico con curvatura (en el plano de simetría de la antena) más pequeña que la del subreflector esférico inicial. Incluye:

1: Alimentación;

2: Subreflector con perfil elíptico;

7: Centro de fase de la alimentación 1;

8: Foco del reflector principal;

11: Centro de la esfera 13;

13: Perfil esférico original del subreflector;

20: Punto sobre el cual convergen los rayos de la alimentación 1 después de la reflexión por el subreflector 2;

21: Primer foco del subreflector 2 con perfil elíptico;

22: Segundo foco del subreflector 2 con perfil elíptico;

23: Extensión geométrica del subreflector elíptico.

Figura 8: Geometría inicial del sistema óptico que pertenece a los ejemplos nº 1 y nº 2 para demostrar la rotación y capacidad de reconfiguración de un haz elíptico o la capacidad del zoom de un haz circular. Incluye:

1: Alimentación;

2: Subreflector;

3: Reflector principal parabólico;

4: Eje alrededor del cual rota el subreflector;

5,6: Ejes coincidentes a lo largo de los cuales se trasladan los reflectores principal o secundario;

F: longitud focal del reflector principal 3;

D: Diámetro proyectado a lo largo de la dirección de propagación del reflector principal 3;

C: Distancia del vértice del reflector principal al borde inferior del reflector propiamente dicho;

d: Diámetro del subreflector.

Figura 9a: Patrón de radiación copolar de la antena de la figura 8 con el subreflector esférico inicial que muestra los isoniveles en dBi comparados con el valor isotrópico. El valor de cada nivel se muestra en la figura.

Figura 9b: Patrón de radiación polar cruzado de la antena de la figura 8 con el reflector esférico inicial que muestra los isoniveles en dB con respecto al pico del diagrama copolar. El valor de cada nivel se muestra en la figura.

Figura 10a: Ejemplo de una rotación del haz elíptico. Patrón de radiación copolar de la antena de la figura 8 con el subreflector conformado elípticamente, ángulo de rotación del subreflector: 0 grados. Muestra los isoniveles en dBi relevantes para el valor isotrópico. El valor de cada nivel se muestra en la figura.

Figura 10b: Ejemplo de una rotación del haz elíptico. Patrón de radiación polar cruzado de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente. Ángulo de rotación del subreflector: 0 grados. Muestra los isoniveles en dB relevante para el pico del diagrama copolar. El valor de cada nivel se muestra en la figura.

Figura 11a: Ejemplo de la rotación del haz elíptico. Patrón de radiación copolar de la antena de la figura 8 con el subreflector conformado elípticamente, ángulo de rotación del subreflector: 45 grados. Muestra los isoniveles en dBi con referencia al valor isotrópico. El valor de cada nivel se muestra en la figura.

Figura 11b: Ejemplo de rotación del haz elíptico. Patrón de radiación polar cruzado de la antena de la figura 8 con el subreflector conformado elípticamente, ángulo de rotación del subreflector: 45 grados. Muestra los isoniveles en dB relevantes para el pico del diagrama copolar. El valor de cada nivel se muestra en la figura.

Figura 12a: Ejemplo de rotación del haz elíptico. Patrón de radiación copolar de la antena de la figura 8 con el subreflector conformado elípticamente, ángulo de rotación del subreflector: 90 grados. Muestra los isoniveles en dB relevantes para el valor isotrópico. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 12b: Ejemplo de rotación del haz elíptico. Patrón de radiación polar cruzado de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente. Ángulo de rotación del subreflector: 90 grados. Muestra los isoniveles en dB relevantes para el pico del patrón copolar. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 13a: Ejemplo de rotación y zoom del haz elíptico. Patrón de radiación copolar de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente y traslación de 50 milímetros del subreflector, ángulo de la rotación del subreflector: 0 grados. Muestra los isoniveles en dBi referidos al valor isotrópico. El valor de cada nivel se ofrece en la misma figura.

Figura 13b: Ejemplo de rotación y zoom del haz elíptico. Patrón de radiación polar cruzado de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente y traslación de 50 milímetros del subreflector. Ángulo de rotación del subreflector: 0 grados. Muestra los isoniveles en dB relevantes para el pico del patrón copolar. El valor de cada nivel se ofrece en la misma figura.

Figura 14a: Ejemplo de rotación y zoom del haz elíptico. Patrón de radiación copolar de la antena de la figura 8 con el subreflector conformado elípticamente y traslación del subreflector de 50 milímetros, ángulo de rotación: 45 grados. Muestra los isoniveles en dBi referidos al valor isotrópico. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 14b: Ejemplo de rotación y zoom del haz elíptico. Patrón de radiación polar cruzado de la antena de la figura 8 con subreflector elíptico. Traslación del subreflector: 50 milímetros, ángulo de la rotación: 45 grados. Muestra los isoniveles en dB comparados con el pico del patrón copolar. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 15a: Ejemplo de rotación y zoom del haz elíptico. Patrón de radiación copolar de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente. El subreflector se traslada 50 milímetros y gira 90 grados. Muestra los isoniveles en dBi referidos al valor isotrópico. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 15b: Ejemplo de rotación y zoom del haz elíptico. Patrón de radiación polar cruzado de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente. La traslación del subreflector es de 50 milímetros y el ángulo de rotación es 90 grados. Muestra los isoniveles en dB con respecto al pico del patrón copolar. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 16a: Ejemplo de rotación y zoom del haz elíptico. Patrón de radiación copolar de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente y el reflector principal trasladado 100 milímetros. La orientación del subreflector es 0 grados. Muestra los isoniveles en dBi referidos al valor isotrópico. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 16b: Ejemplo de rotación y zoom del haz elíptico. Patrón de radiación polar cruzado de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente y el reflector principal trasladado 100 milímetros. Orientación del subreflector: 0 grados. Muestra los isoniveles en dB comparados con el valor copolar máximo. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 17a: Ejemplo de rotación y zoom del haz elíptico. Patrón de radiación copolar de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente y reflector principal trasladado 100 milímetros. Orientación del subreflector: 45 grados. Muestra los isoniveles en dBi referidos al valor isotrópico. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 17b: Ejemplo de rotación y zoom del haz elíptico. Patrón de radiación polar cruzado de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente y reflector principal trasladado 100 milímetros. Orientación del subreflector: 45 grados. Muestra los isoniveles en dBi comparados con el pico del patrón copolar. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 18a: Ejemplo de rotación y zoom del haz elíptico. Patrón de radiación copolar de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente y reflector principal trasladado 100 milímetros. Orientación del subreflector: 90 grados. Muestra los isoniveles en dBi referidos al valor isotrópico. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 18b: Ejemplo de rotación y zoom del haz elíptico. Patrón de radiación polar cruzado de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente y el reflector principal trasladado 100 milímetros. Orientación del subreflector: 90 grados. Muestra los isoniveles en dB comparados con el pico del patrón copolar. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 19a: Ejemplo de la rotación y reconfigurabilidad del haz elíptico. Patrón de radiación copolar de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente y traslación de -50 milímetro del reflector principal. Orientación del subreflector: 0 grados. Muestra los isoniveles en dBi referidos al valor isotrópico. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 19b: Ejemplo de la rotación y reconfigurabilidad del haz elíptico. Patrón de radiación polar cruzado de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente y traslación de -50 milímetro del reflector principal. Orientación del subreflector: 0 grados. Muestra los isoniveles en dB comparados con el pico del patrón copolar. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 20a: Ejemplo de la rotación y reconfigurabilidad del haz elíptico. Patrón de radiación copolar de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente y traslación de -50 milímetro del reflector principal. Orientación del subreflector: 45 grados. Muestra los isoniveles en dBi referidos al valor isotrópico. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 20b: Ejemplo de la rotación y reconfigurabilidad del haz elíptico. Patrón de radiación polar cruzado de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente y traslación de -50 milímetro del reflector principal. Orientación del subreflector: 45 grados. Muestra los isoniveles en dB comparados con el pico del patrón copolar. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 21a: Ejemplo de la rotación y reconfigurabilidad del haz elíptico. Patrón de radiación copolar de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente y traslación de -50 milímetro del reflector principal. Orientación del subreflector: 90 grados. Muestra los isoniveles en dBi referidos al valor isotrópico. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 21b: Ejemplo de la rotación y reconfigurabilidad del haz elíptico. Patrón de radiación polar cruzado de la antena de la figura 8 con subreflector conformado elípticamente y traslación de -50 milímetro del reflector principal. Orientación del subreflector: 90 grados. Muestra los isoniveles en dB comparados con el pico del patrón copolar. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 22a: Ejemplo del zoom de un haz circular. Patrón de radiación copolar de la antena de la figura 8 con un subreflector simétrico rotatorio con respecto al eje 4. Posición axial del subreflector: nominal (haz circular no expandido). Muestra los isoniveles en dBi referidos al valor isotrópico. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 22b: Ejemplo del zoom de un haz circular. Patrón de radiación polar cruzado de la antena de la figura 8 con un subreflector simétrico rotatorio con respecto al eje 4. Posición axial del subreflector: nominal (haz circular no expandido). Muestra los isoniveles en dB comparados con el pico del patrón copolar. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 23a: Ejemplo del zoom de un haz circular. Patrón de radiación copolar de la antena de la figura 8 con un subreflector simétrico rotatorio con respecto al eje 4. Posición axial del subreflector: +60 milímetros (haz circular expandido). Muestra los isoniveles en dBi referidos al valor isotrópico. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 23b: Ejemplo del zoom de un haz circular. Patrón de radiación polar cruzado de la antena de la figura 8 con un subreflector simétrico rotatorio con respecto al eje 4. Posición axial del subreflector: +60 milímetros (haz circular expandido). Muestra los isoniveles en dB comparados con el patrón copolar máximo. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 24: Óptica gregoriana canónica que muestra los parámetros geométricos para realizar un zoom de un haz circular. Incluye:

1: Alimentación;

2: Subreflector elipsoidal;

3: Reflector principal parabólico;

6: Eje a lo largo del cual se efectúa la traslación del reflector principal para ensanchar el haz;

7: Centro de fase de la alimentación 1;

8: Foco del reflector principal parabólico 3;

9: Eje de simetría de la alimentación 1;

10: Eje rotatorio de simetría de la superficie del subreflector (elipsoide);

21: Primer foco del elipsoide del subreflector;

22: Segundo foco del elipsoide del subreflector;

24: Eje de propagación del reflector principal 3 (o eje Z);

F: Longitud focal del reflector parabólico 3;

D: Diámetro (proyectado a lo largo de la dirección de propagación) del reflector principal 3;

Cl: Distancia del vértice del reflector 3 desde el borde inferior del reflector propiamente dicho;

C: Distancia entre los dos focos del subreflector 2;

e: Excentricidad del subreflector elipsoidal 2;

\beta: Ángulo entre el eje 10 y el eje 24;

\beta_{s}: Ángulo entre el eje 10 y el eje 9.

Figura 25: Ejemplo del zoom de un haz circular. Patrón de radiación de la antena de la figura 24 con subreflector elipsoidal canónico. Reflector principal en su posición nominal y subreflector en posición nominal. Diagrama copolar que muestra los isoniveles en dB relativos al pico del haz. El valor de cada nivel se muestra en la misma figura.

Figura 26: Ejemplo del zoom de un haz circular. Patrón de radiación de la antena de la figura 24 con subreflector elipsoidal canónico. Reflector principal trasladado 128 milímetros a lo largo del eje 6, hacia el subreflector. Diagrama copolar que muestra los isoniveles en dB relacionados con el pico del haz. El valor de cada nivel se muestra en el lado de la misma figura.

Figura 27: Geometría de un sistema de reflector de rejilla doble. Incluye:

1: Alimentación (o red de alimentaciones) relacionada con la polarización X; Ç

1': Alimentación (o red de alimentaciones) relacionada con la polarización Y;

3: Superficie de rejilla sensible (o reflectora) a la polarización X;

3': Superficie sólida o de rejilla sensible a la polarización Y.

Figura 28: Geometría de un sistema de reflectores gregorianos de rejilla doble capaz de rotar el haz elíptico mediante la rotación simultánea de los dos subreflectores. Incluye:

1: Alimentación para polarización X;

1': Alimentación para polarización Y;

2: Subreflector relacionado con la alimentación 1;

2': Reflector secundario relacionado con la alimentación 1';

3: Superficie de rejilla sensible a polarización X;

3': Superficie de rejilla (o sólida) sensible a polarización Y;

4: Eje de rotación del subreflector relacionado con la alimentación 1;

4': Eje de rotación del subreflector relacionado con la alimentación 1'.

Figura 29: Geometría de un sistema óptico gregoriano clásico que muestra los grados de libertad de traslación del subreflector y/o del reflector principal. Incluye:

1: Alimentación;

2: Subreflector;

3: Reflector principal;

6: Eje C-C a lo largo del que trasladar el reflector principal para la reconfiguración del haz (como alternativa a la traslación a lo largo de B-B);

8: Foco del reflector principal;

9: Eje de simetría de la alimentación 1;

21: Primer foco del subreflector coincidente con el foco del reflector principal;

22: Segundo foco del subreflector.

La operación de la invención se describirá ahora con referencia a las figuras antes indicadas. El sistema óptico propuesto se ilustra cualitativamente en la figura 1. Esta figura también muestra los ejes implicados en el movimiento de las superficies. Con referencia a la figura 1, la óptica de la antena incluye:

-: una alimentación 1 con características de radiación primaria adecuadas (patrón de simetría rotatoria y bajo nivel de polarización cruzada). Tal alimentación tiene su centro de fase indicado por el punto 7.

-: un subreflector conformado 2 con una superficie que tiene dos planos de simetría ortogonales (véase la figura 6) que se cruzan a lo largo del eje de rotación 4 (eje A-A). Este eje de rotación biseca el ángulo entre el eje 9 de la alimentación 1 y el eje desviado 5 del reflector principal 3 (eje B-B).

-: un reflector principal 3 con un perfil conformado adecuadamente.

-: un eje de rotación 4 del subreflector (eje A-A). Rotando el subreflector alrededor de este eje es posible alcanzar la rotación del haz elíptico (figura 2).

-: un eje de traslación 5 del subreflector (eje B-B). Trasladando el subreflector a lo largo de este eje y combinando este movimiento con la rotación del subreflector, es posible reconfigurar el haz elíptico inicial (figuras 3a, 3b).

-: eje de traslación 6 del reflector principal (eje C-C). Este eje es el eje alternativo a lo largo del cual desplazar el reflector principal en vez del subreflector para reconfigurar el haz de la antena, según la versión de esta invención actualmente preferida por los inventores. En esta versión, los ejes 5 y 6 coinciden con el eje desviado del reflector principal, pero más en general pueden diferir. En una versión con tres motores independientes, todos los movimientos pueden ser utilizados para lograr la rotación del haz elíptico, el zoom del mismo haz elíptica a otro más ancho y/o la reconfiguración del haz de la antena en un haz elíptico con un eje principal que se puede acortar gradualmente para lograr un haz circular (figura 3a). La reconfiguración también es posible con dos movimientos directos solamente, pero con diferentes límites de excursión para la traslación superficial y con funcionamiento similar pero no idéntico.

El sistema óptico propuesto adopta una técnica de diseño que se puede simplificar como sigue. La figura 5 muestra la geometría inicial. El centro de fase 7 del iluminador 1 se desplaza adecuadamente con respecto al centro de la esfera 13 que genera el subreflector 2.

La orientación 9 de la alimentación 1 es tal que asegure características óptimas de pureza de polarización al sistema óptico, que tiene lugar cuando el eje 9 coincide con el rayo 14 reflejado (en el punto 16) por la extensión geométrica de la esfera 13 para un rayo fuente procedente del infinito en la dirección axial -Z.

En detalle, por lo tanto, el eje Z debe formar un ángulo con la perpendicular 15 de la esfera en el punto 16 igual al formado por el eje de la alimentación con la perpendicular 15. Las características de exploración de una superficie esférica son tales que colimen los rayos de la alimentación colocada fuera del centro de la esfera (punto 7), aproximadamente en el punto 20, que coincide con el foco 8 del reflector parabólico principal 3.

Mediante la selección adecuada de los parámetros ópticos es posible implementar un sistema ligeramente aberrado, con el resultado de un patrón de radiación casi circularmente simétrico a nivel secundario.

Para recuperar las aberraciones residuales de la óptica, que son debidas al subreflector esférico, el reflector principal 3 se forma adecuadamente para lograr un haz circular perfectamente enfocado y simétrico en la salida principal del reflector.

Rotando el subreflector esférico 2 alrededor del eje 4 que pasa a través del centro 11 de la esfera 13 y a través del punto 12 formado por la intersección del eje 9 de la alimentación 1 con el subreflector esférico 2, resultará la invariancia del patrón de radiación secundaria, puesto que nada ha cambiado desde un punto de vista geométrico.

El paso siguiente es conformar adecuadamente la superficie esférica del subreflector para generar la asimetría requerida en el patrón de radiación secundaria. Con referencia a la figura 6, que representa el mismo sistema óptico, la conformación del subreflector 2 se logra manteniendo la simetría de la superficie reflectora del subreflector con respecto a los planos principales 17 y 18.

Tales planos son perpendiculares entre sí y se cruzan a lo largo del eje de rotación 4 del subreflector 2. El respeto a los principios del diseño indicados arriba asegura lograr con una buena aproximación que, para cualquier rotación arbitraria del subreflector 2 con respecto a su eje de simetría rotatorio original 4, se produce una rotación igual del patrón de radiación secundaria de la antena.

La traslación posible del subreflector 2 a lo largo del eje 5 o del reflector principal 3 a lo largo del eje 6 (estos coinciden realmente con el ángulo desviado del reflector principal) puede asegurar las funciones de reconfiguración y también de zoom del haz.

La conformación del subreflector se efectuará normalmente numéricamente, manteniendo la simetría del subreflector con respecto a sus planos principales 17, 18 en la figura 6. Sin embargo, para destacar mejor el alto número de posibilidades, es mejor representar los varios perfiles posibles del subreflector analíticamente y de manera cualitativa, según se muestra en la figura 7.

En detalle, la figura 7a se muestra de nuevo para esclarecer las geometrías implicadas en el subreflector esférico inicial ya mostrado en la figura 5. Con referencia a la figura 7a, el centro de fase 7 de la alimentación 1 está desplazado con respecto al centro 11 de la esfera 13 a la cual pertenece el subreflector esférico 2.

Después de la reflexión en el subreflector 2, los rayos se coliman en el punto 20 que coincide realmente con el foco 8 del reflector principal. La extensión geométrica de la esfera 13 también se muestra para claridad en la misma figura.

Las figuras 7b y 7c muestran cómo la sección inicialmente esférica del subreflector se puede formar analíticamente para obtener dos clases diferentes de perfil elíptico.

En detalle, la figura 7b muestra el caso en el que el subreflector 2, inicialmente esférico 13, se forma con un radio de curvatura mayor que el del subreflector esférico. Con referencia a la figura 7b, los rayos que salen del centro de fase 7 de la alimentación 1 ahora se recogen, después de la reflexión en el subreflector elíptico 2 (con los focos 21 y 22) en el punto 20 que difiere del punto original 8, para lograr la iluminación asimétrica requerida del reflector principal, que mantiene su foco en el punto 8.

La figura 7c, por el contrario, muestra el caso del subreflector 2 con perfil elíptico con radio de curvatura más corto que el de la esfera inicial 13. En este caso, los rayos que salen del centro de fase 7 de la alimentación 1 se coliman, después de la reflexión en el subreflector 2, en el punto 20 que esta vez está más próximo a la superficie 2 del subreflector propiamente dicho.

Con referencia a la figura 6, como la forma del subreflector puede ser diferente a lo largo de los dos planos principales 17 y 18, según los tipos de perfil descritos arriba, parece evidente que la asimetría generada en el nivel del subreflector se puede explotar para generar el haz elíptico requerido después de la reflexión por el reflector principal. Las tres posibilidades diferentes que se presentan cubren analíticamente los tipos principales de conformación para las coberturas elípticas y circulares.

Ahora mostraremos, como ejemplos prácticos obtenidos mediante conformación analítica del subreflector y sin conformar (por brevedad) el reflector principal, el funcionamiento típico y las funciones de reconfiguración que se puede obtener después de cada movimiento.

Dado que los parámetros geométricos de la óptica no se han sometido a un procedimiento fino de optimización, y dado que los perfiles superficiales no se han utilizado lo mejor posible, el funcionamiento mostrado puede ser mejorado substancialmente. Se proponen dos ejemplos con los parámetros iniciales de la figura 8. El primer ejemplo pretende mostrar la capacidad de rotación, zoom y reconfiguración de un haz elíptico. El segundo caso, en cambio, pretende mostrar la capacidad de zoom de un haz circular.

Ejemplo nº 1 Rotación, zoom y reconfigurabilidad de un haz elíptico

El ejemplo se propone en la frecuencia de 12,75 GHz.

La figura 8 ilustra la geometría inicial del sistema óptico. Es del mismo tipo e incluye los mismos elementos ya mostrados en las figuras 1 y 6.

Con referencia a la figura 8, los puntos siguientes pueden ser identificados: alimentación 1, subreflector 2, reflector principal 3, eje de rotación secundario del reflector 4 y eje de traslación del reflector principal o del subreflector 5 (aquí se suponen coincidentes).

La misma figura muestra los valores numéricos que definen la óptica y la ecuación de la esfera que define el subreflector. El reflector principal es parabólico con los datos geométricos mostrados en la figura 8.

El patrón de radiación del componente copolar obtenido a nivel secundario se muestra en la figura 9a en términos de isoniveles en dBi relacionados con el valor isotrópico.

El patrón correspondiente del componente polar cruzado se muestra en cambio en la figura 9b, a través de isoniveles en dB normalizados al valor máximo del copolar (los valores de los niveles se muestran en el lado de la figura).

En detalle, se debe observar el haz copolar con simetría cuasi-circular (el reflector principal no se ha con formado por razones de brevedad) y el valor bajo de polarización cruzada (<- dB 37 en comparación con el pico del copolar) correspondiente al sistema óptico inicial.

(1a) Función de rotación del haz elíptico

Con referencia a la figura 8, la superficie del subreflector se conforma ahora analíticamente con los parámetros siguientes: A = 570 milímetros, B = 640 milímetros, C = 570 milímetros. Los patrones de radiación obtenidos para tres posiciones del subreflector, rotadas 0 grados, 45 grados y 90 grados respectivamente, alrededor del eje 4, se muestran en las figuras 10, 11 y 12. La misma representación en decibelios a través de los isoniveles, comparados con el isotrópico, ya descrito en la figura 9, se ha adoptado también en estas figuras para el copolar (figuras 10a, 11a, 12a). Sus valores polares cruzados también se muestran en las figuras 10b, 11b y 12b con la misma representación en decibelios relativos, adoptados ya en la figura 9.

Estas figuras muestran la invariancia substancial a la rotación del haz elíptico copolar, aunque se ha recurrido a la conformación analítica para las superficies del subreflector y del reflector principal. Por otra parte, los niveles de polarización cruzada se mantienen a los valores extremadamente bajos (en línea con las figuras iniciales). Estas características permiten utilizar la antena a bordo de los satélites, con reutilización de la polarización dentro de un entorno operativo con uno o más haces simultáneamente activos.

(1b) Funciones de rotación y zoom del haz elíptico

Los ejemplos de zoom del haz elíptico de las dimensiones nominales de 1,6 grados x 3,0 grados (ya mostrados en las figuras 10, 11 y 12) se muestran ahora con traslación de reflector principal 3 de la figura 8 o del subreflector 2 a lo largo del eje 5. El haz elíptico se ensancha para lograr una cobertura nominal de 1,9 grados x 4,3 grados.

Las figuras 13, 14 y 15 muestran el efecto zoom del haz elíptico obtenido combinando la rotación del subreflector con su traslación en una distancia de 50 milímetros a lo largo del eje 5 (de la figura 8) hacia el reflector principal 3.

Las figuras 13, 14 y 15 muestran los patrones de radiación de los componentes copolares y polares cruzados para tres rotaciones del subreflector ya analizados en las figuras 10, 11 y 12, respectivamente.

En detalle, las figuras 13a, 14a y 15a muestran los patrones de radiación del copolar con la misma representación en decibelio referidos al nivel isotrópico usado ya para los otros patrones copolares mostrados hasta ahora.

Las orientaciones del subreflector con respecto al eje 4 de la figura 8 son respectivamente 0 grados, 45 grados y 90 grados, como para los ya mostrados para el haz elíptico giratorio original.

Las figuras 13b, 14b y 15b muestran los valores polares cruzados correspondientes para las figuras 13a, 14a, 15a. La representación es en decibelios relacionados con el pico del copolar, según lo efectuado ya para los otros patrones polares cruzados mostrados.

Parece evidente por estos patrones de radiación que la función de zoom del haz elíptico se ha implementado con una buena invariancia rotatoria del haz elíptico a los valores polares cruzados extremadamente controlados y en línea con la polarización cruzada inicial del haz original.

Se puede obtener el mismo efecto de ensanchamiento del haz elíptico trasladando el reflector principal 3 de la figura 8 a lo largo del eje 5 en vez del subreflector 2. Los resultados, que se obtienen trasladando 100 milímetros el reflector principal 3 a lo largo del eje 5 de la figura 8, se muestran en las figuras 16, 17 y 18 respectivamente para las mismas tres orientaciones (0 grados, 45 grados, 90 grados). En concreto, las figuras 16a y 16b muestran 6b el patrón de radiación copolar en dBi (valores absolutos con respecto al isotrópico) y el polar cruzado (con los niveles en dB relacionados con el pico del copolar) para la orientación de 0 grados del subreflector. Por lo tanto, se ofrecen las mismas representaciones en las figuras 17a y 17b para la rotación de 45 grados y en las figuras 18a y 18b para la posición de 90 grados del subreflector.

También en este caso se puede ver cómo se produce el efecto de ensanchamiento del haz elíptico, para cualquier orientación del subreflector, con valores polares cruzados extremadamente bajos.

(1c) Función de rotación y reconfiguración del haz elíptico

La variación continua del contorno elíptico a un contorno circular se puede obtener a través del mismo sistema óptico de la figura 8, combinando la rotación con traslación del subreflector o del reflector principal, pero en dirección opuesta a la usada para el ensanchamiento del haz elíptico ya demostrado en el punto (1b).

Un ejemplo práctico de tal reconfigurabilidad se muestra en las figuras 19, 20 y 21, que representan los patrones de radiación a nivel secundario obtenidos trasladando 50 milímetros el reflector principal 3 de la figura 8 a lo largo del eje 5 en dirección opuesta a la seguida previamente, para tres orientaciones del subreflector. En concreto, la figura 19a muestra los isoniveles en dBi con respecto al valor isotrópico del patrón copolar, para la orientación de 0 grados del subreflector alrededor del eje 4 de la figura 8. La figura 19b muestra el patrón de radiación correspondiente del polar cruzado con los niveles de dB relacionados con el pico del copolar.

Se muestran patrones similares en las figuras 20a y 20b para la orientación del subreflector en 45 grados. El caso relacionado con la orientación del subreflector a 90 grados se muestra finalmente en las figuras 21a y 21b, que muestran los patrones de radiación copolar y polar cruzado respectivamente. Las figuras muestran claramente la capacidad de los movimientos de reconfigurar el haz elíptico nominal continuamente a un haz elíptico con una relación de los ejes secundario y principal menor que el valor inicial, para cualquier orientación del haz elíptico. En concreto, como caso extremo, es posible obtener el haz circular mostrado como círculo en las figuras 19a, 20a y 21a.

Ejemplo nº 2 Zoom del haz circular

El perfil del subreflector 2 de la figura 8 se modifica aquí analíticamente para mostrar la posibilidad de ensanchar (zoom) un haz circular con traslación a lo largo del eje 5 de los reflectores secundario o principal. Para este ejemplo, los parámetros del subreflector son los siguientes: A = B = 640 milímetros, C = 570 milímetros. El patrón de radiación inicial correspondiente se muestra en las figuras 22a (copolar) y 22b (polar cruzado).

El haz copolar obtenido es casi circular con una anchura del haz a -3 dB de aproximadamente 2 grados. Más específicamente, la figura 22a muestra el patrón copolar en dBi con niveles absolutos referidos al isotrópico, mientras que la figura 22b muestra el patrón polar cruzado con los niveles en dB relacionados con el copolar. El efecto de una traslación de 60 milímetros del subreflector a lo largo del eje 5 de la figura 8, en la dirección del reflector principal 3, se muestra en la figura 23. Como se puede ver, el patrón de radiación copolar mostrado en la figura 23a se ha ensanchado para lograr una anchura del haz a -3 dB de 3,2 grados.

El contorno ligeramente elíptico se puede mejorar adecuadamente optimizando el focal del reflector principal 3 de la figura 8 o mediante conformación numérica de la superficie del mismo reflector.

En la figura 23a los valores de las curvas de isonivel se muestran en dBi con respecto al isotrópico, mientras que la figura 23b muestra los valores del isonivel en dB relacionados con el pico del copolar. Es posible obtener un efecto de ensanchamiento similar (o zoom) trasladando el reflector principal 3 de la figura 8 a lo largo del eje 5 hacia el subreflector 2.

La función del zoom mantiene las características de radiación extremadamente satisfactorias para los componentes copolares y polares cruzados, para poder utilizar el sistema como antena a bordo de un satélite con reutilización de frecuencia y con más de un haz funcionando simultáneamente.

El funcionamiento mostrado en el ejemplo se debe entender como demostración de las posibilidades ofrecidas por los movimientos arriba mencionados y no como el funcionamiento efectivo obtenible en un diseño de detalle.

La función del zoom o ensanchamiento del haz circular es compatible, con funcionamiento excelente, incluso con óptica gregoriana canónica, cuya geometría ya se ha ilustrado en la figura 4, como también se ilustrará en base a la figura 24.

Con un fin ilustrativo, la función de ensanchamiento de un haz circular por un factor 1,6:1 se representará mediante traslación del reflector principal a lo largo del eje 6 de la figura 24, que proporciona los parámetros geométricos de la óptica canónica considerada en el ejemplo propiamente dicho. El patrón de radiación nominal se muestra en la figura 25a. Estas figuras muestran los isoniveles en dB relacionados con el pico de la antena. La anchura del haz a -3 dB es 2 grados.

La figura 26 muestra el haz ensanchado a 3,2 grados a -3 dB obtenido mediante una traslación del reflector de 128 milímetros hacia el subreflector a lo largo del eje 6 de la figura 24. Es notable la capacidad de mantener una simetría circular del haz y niveles muy bajos de lóbulos laterales.

Los niveles de polarización cruzada (no mostrados aquí por razones de brevedad) en ambos casos se mantienen a niveles extremadamente bajos dentro del área de cobertura útil (-34 dB con respecto al valor local del copolar), para poder utilizar el sistema como antena a bordo de los satélites con reutilización de frecuencia.

Se debe observar que, aunque la función de zoom es compatible con la traslación del subreflector y del reflector principal, el último se prefiere realmente porque parece optimizar mejor el funcionamiento eléctrico del haz circular ensanchado.

La función de rotación del haz elíptico se puede ampliar también a la otra óptica. En concreto, una extensión a la óptica de rejilla (descrita en la sección 4, figura 27) de la rotación del haz elíptico por la rotación del subreflector es posible e implica la introducción de dos subreflectores según se muestra en la figura 28. Con referencia a esta figura, se puede identificar los elementos siguientes:

(a): Alimentación 1 relacionada con la polarización X;

(b): Alimentación 1' relacionada con la polarización Y;

(c): Subreflector 2 relacionado con la alimentación 1;

(d): Subreflector 2' relacionado con la alimentación 1';

(e): Reflector delantero principal de rejilla 3 sensible a la polarización X;

(f): Reflector trasero principal de rejilla (o sólido) 3' relacionado con la polarización Y;

(g): Eje de rotación 4 del subreflector 2 relacionado con la alimentación 1. Girando el subreflector 2 alrededor de este eje es posible obtener la rotación del haz elíptico con la polarización a lo largo del eje X;

(h): Eje de rotación 4' del subreflector 2' relacionado con la alimentación 1'. Girando el subreflector 2' alrededor de este eje es posible obtener la rotación del haz elíptico con polarización a lo largo del eje Y.

Se debe observar que los criterios para la implementación del sistema geométrico para cada polarización son iguales según se ha descrito anteriormente. La idea de rotar el subreflector es posible en cualquier tipo de reflector de rejilla doble. Las ventajas intrínsecas a este sistema óptico son principalmente dos:

(1): Es posible obtener coberturas elípticas giratorias con los valores de pureza de polarización mucho mayores que los obtenibles con las antenas gregorianas del reflector sólido. Tales valores son típicos de reflectores de rejilla;

\newpage

(2): Es posible obtener dos coberturas elípticas independientes con la orientación arbitraria (una para la polarización X, otra para la polarización Y) en un sistema de polarización lineal doble.

El zoom de un haz circular o elíptico se puede aplicar también a otros tipos de óptica. En concreto, la extensión del ensanchamiento del haz de circular a circular y de elíptico a elíptico, con traslación de los reflectores principal y secundario, es aplicable, como ya se ha visto, a la óptica gregoriana clásica con las superficies estándares (mostradas en la figura 4 y en la figura 24).

En detalle, la óptica circular del haz puede incluir un subreflector elipsoidal y un reflector principal parabólico. Con referencia a la figura 24, mediante traslación del subreflector o del reflector principal a lo largo del eje 6, se puede obtener, con excelente funcionamiento copolar y polar cruzado, una función de zoom de un haz circular, según se ha descrito anteriormente.

Modificando el perfil del reflector principal analíticamente (reflector parabólico bifocal) o equivalentemente por métodos numéricos, es posible obtener un haz elíptico de la misma antena mostrada en la figura 24.

Mediante traslación del subreflector 2 y/o del reflector principal 3 a lo largo del eje 6 de la figura 24, es posible lograr un zoom y/o una reconfiguración del haz elíptico.

Las principales características de esta invención son:

-: El concepto de rotación del haz elíptico. En concreto, es posible, con una rotación simple del subreflector de una antena de la familia gregoriana, obtener la rotación del patrón de radiación manteniendo invariable la orientación del campo eléctrico y la forma del haz durante la rotación.

-: La metodología con la que se construye el sistema óptico aquí descrito y la conformación de las superficies, a través de las que se obtiene la rotación del patrón elíptico de cobertura rotando la superficie del subreflector. Esta rotación no es actualmente compatible con los sistemas gregorianos conocidos de la antena.

-: La compatibilidad del sistema óptico aquí descrito con las funciones de ensanchamiento (zoom) y/o de reconfigurabilidad del haz con traslación del subreflector o del reflector principal a lo largo de ejes bien determinados.

-: La combinación única de grados de libertad de rotación y de traslación, que permite rotar un haz elíptico, enfocarlo, y configurarlo de nuevo de un haz elíptico a otro circular, sea cual sea la orientación del haz elíptico.

-: Traslación separada o combinada del subreflector o del reflector principal, mediante la que, incluso sin una rotación del haz, es posible tener el zoom de un haz circular a otro haz circular ensanchado un factor considerable (\geq 2:1) o de un haz elíptico a otro haz elíptico ensanchado. También es posible reconfigurar un haz elíptico a un haz circular (con un diámetro próximo al eje secundario del haz elíptico) o a un haz elíptico orientado 90 grados con respecto al inicialmente disponible.

-: La posibilidad de obtener un zoom, sin rotación, del haz incluso con el tipo de óptica gregoriana clásica.

-: La posibilidad de obtener la rotación del haz elíptico con la óptica de rejilla, mediante dos subreflectores giratorios, que se pueden rotar independientemente.

La característica principal de esta invención es la compatibilidad de las funciones antes mencionadas con el funcionamiento eléctrico de radiación típico de las antenas del tipo de reflector desviado doble tal como la familia gregoriana de antenas. Estos rendimientos se pueden resumir en la eficacia alta del haz y niveles extremadamente bajos de polarización cruzada y de lóbulo lateral.

Estas características aseguran que el sistema se pueda utilizar como antena a bordo de un satélite con reutilización de polarización dentro de un entorno operativo con uno o más haces simultáneamente activos. No es objeto de reivindicación la función de exploración de haz, que es compatible con la configuración de antena aquí descrita y que se puede implementar con métodos ya conocidos, tales como la rotación de toda la antena con los motores de ejes ortogonales gemelos, o con rotación independiente solamente del reflector principal alrededor de cualquier punto seleccionado.

Claims

1. Antena gregoriana de microondas de doble reflector con haz elíptico, incluyendo:

: una alimentación (1), un reflector principal (3), y un subreflector conformado (2) que tiene una superficie con dos planos de simetría ortogonales (17, 18) que cruzan a lo largo de un eje subreflector (4),

caracterizado porque dicho subreflector (2) puede girar alrededor del eje de subreflector (4) para rotar el haz elíptico de la antena manteniendo la orientación del campo eléctrico manteniendo al mismo tiempo la forma del haz propiamente dicho, todo ello con baja polarización cruzada resultante,

y porque dicho reflector principal (3) se puede trasladar a lo largo de un eje de traslación del reflector principal y/o dicho subreflector (2) se puede trasladar a lo largo de un eje de traslación del subreflector para obtener una reconfigurabilidad del haz de la antena.

2. Antena según la reivindicación 1, donde por lo menos uno de dicho reflector principal (3) y dicho subreflector (2) se puede trasladar para ensanchar el haz elíptico producido de la antena.

3. Antena según la reivindicación 1, donde por lo menos uno de dicho reflector principal (3) y dicho subreflector (2) se puede trasladar para variar una relación de los ejes principal y secundario del haz elíptico producido.

4. Antena según la reivindicación 1, donde dicho reflector principal (3) incluye dos reflectores de polarización selectiva (3, 3') y dicho subreflector (2) incluye dos reflectores (2, 2') teniendo cada uno una alimentación asociada.

5. Método para rotar y reconfigurar un haz elíptico generado por una antena según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, incluyendo los pasos de:

-: rotar el subreflector (2) alrededor de un eje de rotación de subreflector (4) para rotar el haz elíptico de la antena manteniendo la orientación del campo eléctrico y la forma del haz, todo ello con baja polarización cruzada resultante; y

-: trasladar el reflector principal (3) a lo largo de un eje de traslación del reflector principal para reconfigurar el haz de la antena.

6. Método según la reivindicación 5, donde dicho paso de traslación incluye ensanchar el haz elíptico.

7. Método según la reivindicación 5, donde dicho paso de traslación incluye variar una relación de los ejes principal y secundario del haz elíptico.

8. Método según la reivindicación 5, donde el reflector principal (3) incluye dos reflectores de polarización selectiva (3, 3') y el subreflector (2) incluye dos reflectores (2, 2'), teniendo cada subreflector una alimentación asociada.