ES2222394T3 - Perfeccionamientos en fuentes de transmision/recepcion de ondas electromagneticas para antena con multi-reflectores. - Google Patents

Abstract

Fuente de transmisión/recepción (T/R) de ondas electromagnéticas para una antena de multi-reflector del tipo que incluye medios de radiación longitudinal (12, 12¿) que funcionan en una primera banda de frecuencias y una red de n elementos radiantes (11) del tipo de ondas progresivas, que funciona en una segunda banda de frecuencias con los n elementos radiantes dispuestos simétricamente alrededor de los medios de radiación longitudinal, teniendo la red y los medios de radiación longitudinal un centro de fase sensiblemente común, caracterizado porque la red de n elementos radiantes está excitada mediante una guía de ondas (15) que constituye una cavidad en forma de "rodaja de piña" con una sección transversal poligonal.

Description

Perfeccionamientos en fuentes de transmisión/recepción de ondas electromagnéticas para antena con multi-reflectores.

La presente invención se refiere a una antena fuente de transmisión (T) / recepción (R), denominada en adelante Fuente T/R, que puede situarse en el punto focal de un sistema de antena, y más especialmente, en el punto focal de una antena de doble reflector del tipo Cassegrain. Una aplicación posible para esta fuente T/R se encuentra en los sistemas de comunicación vía satélite que utilizan las bandas C, Ku o Ka.

La solicitud de patente europea publicada EP 1 162 686 A1, que forma parte del estado de la técnica en el sentido del artículo 54(3), reivindica la prioridad de la solicitud de patente nacional francesa FR2810163, registrada con el número 00 07424.

En la solicitud de patente francesa Nº 00 07424, presentada el 9 de junio de 2000 a nombre de THOMSON MULTIMEDIA, con el título "Mejoras para fuentes de transmisión / recepción de ondas electromagnéticas", se propone una fuente T/R híbrida constituida por una red de hélices excitada por un circuito impreso de alimentación que rodea una antena de radiación longitudinal, como una hélice o un "polyrod".

A fin de minimizar las interacciones entre las fuentes de transmisión y de recepción, es conveniente utilizar la red de hélices para la recepción y la fuente de radiación longitudinal para la transmisión. No obstante, en la recepción, las pérdidas del circuito impreso de alimentación afectan por partida doble al cálculo de enlace. En efecto, el factor de mérito G/T de la antena se reduce debido, por una parte, a la reducción de la ganancia G de la antena y, de otra parte, al aumento de la temperatura de ruido T del sistema con motivo de las pérdidas por disipación en el circuito de alimentación. Desde este punto de vista, la solución propuesta en la solicitud de patente 00 07424 permite mejorar el factor G/T de la antena utilizando una red de hélices, preferiblemente con una red de patches.

Además, en la solicitud de patente francesa 00 07424, el sustrato sobre el cual está grabado el circuito impreso de alimentación de las hélices, y que incluye los circuitos de recepción de la antena, está colocado perpendicularmente al eje de radiación de las hélices. De este modo, en una estructura Cassegrain, a fin de evitar bloqueos debidos al LNB (Low Noise Block), es necesario colocar el foco del sistema de doble reflector en el vértice del reflector principal. Esta limitación de la geometría del sistema Cassegrain exige la utilización de una fuente demasiado direccional, cuyo efecto consiste en aumentar el nivel de los lóbulos secundarios del sistema de la antena.

En efecto, como se muestra en la Figura 1, que representa esquemáticamente una estructura Cassegrain que incluye un reflector principal 1, una fuente 2, y un reflector secundario 3 enfrentado a la fuente 2, los lóbulos secundarios proceden, principalmente:

i)

de la difracción mediante el reflector secundario 3. La energía difractada tiene un nivel absoluto en dB igual a (G-Edge). G es la ganancia de la fuente primaria definida esencialmente por su directividad. Para un funcionamiento óptimo del sistema de antena de doble reflector, el valor de Edge está en torno a 20 dB. El nivel de los lóbulos secundarios resultantes de esta difracción está en torno al valor de (G-Edge).

ii)

de unos lóbulos secundarios I radiados por la misma fuente 2 y que no interceptan al reflector secundario 3. Si la fuente primaria 1 presenta un nivel de lóbulos secundarios igual en dB a SLL, entonces, el nivel absoluto de los lóbulos secundarios del sistema de antena resultantes de los lóbulos secundarios de la fuente primaria es igual a (G-SLL).

Una solución para reducir los lóbulos de un sistema Cassegrain es reducir G. No obstante, según se muestra en la Figura 2, para reducir G y mantener un valor de Edge óptimo (del orden de 20 dB), es necesario que el punto focal 2' del sistema de antena esté situado entre el reflector principal 1 y el reflector secundario 3.

El objeto de la presente invención es solventar este problema proponiendo una estructura de fuente T/R que tenga su centro de fase entre el reflector principal y el reflector secundario, sin inducir el bloqueo en el funcionamiento del sistema de antena de doble reflector. Por tanto, permite reducir los lóbulos secundarios del sistema de antena.

Por otra parte, la reducción del nivel SLL de los lóbulos secundarios de la fuente primaria permite también reducir los lóbulos secundarios del sistema de antena.

La presente invención tiene también por objeto proponer una nueva estructura de fuente T/R que permita reducir los lóbulos secundarios de fuentes de transmisión y de recepción.

Además, al contrario de un sistema de focalización basado en una lente homogénea, un sistema de antena de doble reflector presenta un punto focal perfectamente definido y requiere, para las fuentes T/R, una coincidencia perfecta de sus centros de fase.

Por tanto, la presente invención tiene también por objeto proponer una estructura de fuente T/R que permita hacer coincidir perfectamente los centros de fase de transmisión y de recepción.

Por tanto, la presente invención tiene por objeto una fuente de Transmisión / Recepción (T/R) de ondas electromagnéticas para una antena de multi-reflector del tipo Cassegrain, que incluye medios de radiación longitudinal que funcionan en una primera banda de frecuencias y una red de n elementos radiantes del tipo de ondas progresivas, que funcionan en una segunda banda de frecuencias con los n elementos radiantes dispuestos simétricamente alrededor de unos medios de radiación longitudinal, teniendo la red y los medios de radiación longitudinal un centro de fase aproximadamente común, caracterizado porque la red de n elementos radiantes se excita mediante una guía de ondas que forman una cavidad en forma de "rodaja de piña" de sección transversal rectangular.

Según un tipo de realización, la red de n elementos radiantes es una red circular, y la guía forma una cavidad en forma de "rodaja de piña". En este caso, la guía de ondas está dimensionada de forma que D sea el diámetro medio de la red circular:

D = n\lambdag/2, donde n representa el número de elementos radiantes, y \lambdag la longitud de una onda guiada a la frecuencia de funcionamiento.

\lambda g = \lambda0[\varepsilonr - (\lambda0/\lambdac)^{2}]^{^{-1}/_{2}}, siendo \lambdac la longitud de onda de corte de la guía rectangular para el modo fundamental TE01, \lambda0 la longitud de onda en el vacío, y \varepsilonr la permisividad del material dieléctrico que rellena la guía.

\lambdac = 2a(\varepsilonr)½, donde a es la longitud de onda de la guía rectangular. Para obtener una buena directividad de la fuente, se elige D como:

1,3 \lambda 0 < D < 1,9 4 \lambda0.

La guía rectangular que antecede es excitada por una sonda conectada a los circuitos de recepción (LNA (Low Noise Amplifier - Amplificador de ruido bajo), mezclador, etc...) mediante una línea coaxial.

Además, para la transmisión, la antena de radiación longitudinal, que puede consistir en un "polyrod" excitado por una guía de onda circular o cuadrada, bien por una hélice larga excitada mediante una línea coaxial, situada en el centro de la red, presenta una especie de cavidad posterior que permite:

1)

reducir los lóbulos secundarios y posteriores de la antena de radiación longitudinal,

2)

hacer coincidir los centros de fase de las fuentes de transmisión y de recepción; y

3)

mejorar el rendimiento del aislamiento entre las fuentes de transmisión y de recepción.

Finalmente, para reducir los lóbulos secundarios de la red de hélices, esta está rodeada por una segunda cavidad cónica.

Al efectuar la lectura de la descripción que se facilita más adelante de los diferentes modos de realización, aparecerán otras características y ventajas de la presente invención. Esta descripción se efectúa haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

La Figura 1 ya descrita es una representación esquemática de un sistema Cassegrain según el arte anterior.

La Figura 2, ya descrita, es una representación esquemática correspondiente a la de la Figura 1, y que explica uno de los problemas que la invención trata de resolver.

La Figura 3 es una representación esquemática de un sistema Cassegrain que incluye una fuente de acuerdo con la presente invención.

Las Figuras 4a y 4b representan, respectivamente, una vista en sección y una vista superior de un sistema fuente según un modo de realización de la presente invención.

La Figura 5 es una vista detallada en sección de una hélice utilizada en el sistema de las Figuras 4.

La Figura 6 es una curva que facilita los resultados del acoplamiento de la guía rectangular con las hélices en función de la frecuencia.

La Figura 7 es una vista idéntica a la de la Figura 4a que muestra el sistema realizado para simulación.

Las Figuras 8, 9 y 10 son curvas que facilitan los resultados de simulaciones realizadas con el sistema fuente de la Figura 7; y

La Figura 11 representa otra forma de realización de un sistema fuente de acuerdo con la presente invención.

A efectos de simplificación, en las figuras, los mismos elementos tienen las mismas referencias.

Haciendo referencia a las figuras 3 a 11, ahora se describirán los diferentes modos de realización de la presente invención.

La Figura 3 muestra, esquemáticamente, una vista en sección de la fuente T/R 10 objeto de la invención, colocada en el punto focal PF de un sistema de antena de doble reflector situado entre los dos reflectores 1 y 3.

La antena fuente de Transmisión / Recepción objeto de la invención se beneficia de las siguientes ventajas, comparado con soluciones más convencionales que utilizan la tecnología de guía de onda, a saber:

Un tamaño, peso y coste reducidos, así como un buen aislamiento eléctrico entre los canales de transmisión y de recepción, gracias a un aislamiento físico entre los dos canales.

Además, comparado con el sistema descrito en la solicitud de patente francesa 00 074 24:

i)

permite reducir aún más las pérdidas de la fuente formada por la red de hélices gracias a unas pérdidas muy pequeñas de su circuito de alimentación, utilizando una guía rectangular mono-modo, conocida para estas pérdidas mínimas, y cuya longitud se reduce por término medio a la mitad del perímetro de la red circular.

ii)

aporta una solución barata al problema de los lóbulos secundarios de las antenas de doble reflector de tipo Cassegrain, excesivamente altos:

-

permitiendo colocar el centro de fase del sistema fuente híbrido entre el reflector principal y el reflector secundario; y

-

reduciendo los lóbulos secundarios de las fuentes primarias de transmisión y de recepción.

iii)

permite hacer coincidir perfectamente los centros de fase de las fuentes de transmisión y de recepción, y permite asimismo situar la fuente primaria de forma óptima, tanto para la transmisión como para la recepción.

A continuación, se describirá más detalladamente, haciendo referencia a las figuras 4 a 10, una forma de realización preferente de la presente invención.

Las Figuras 4a y 4b presentan, respectivamente, una vista en sección y una vista superior del sistema fuente objeto de la invención. En este caso en particular:

-

la red de n elementos radiantes del tipo de ondas progresivas está formado por ocho hélices 11. Están situadas sobre la circunferencia de un círculo de diámetro D que funciona en una segunda banda de frecuencias. Están montadas sobre la cara superior 15a de una guía de onda 15 en forma de "rodaja de piña".

-

la antena de radiación longitudinal situada en medio de la red es un "polyrod" 12.

Como se muestra en las figuras 4a y 7, las cavidades posteriores 13 y 14, que permiten reducir la radiación de los lóbulos laterales en el caso del "polyrod" y de la red de hélices, son cónicas.

La guía de onda 15 rectangular en forma de "rodaja de piña" está excitada por una línea coaxial 16. Las hélices radiantes 11 están a su vez acopladas mediante una sonda 17 a la cavidad de la guía rectangular.

Para una excitación óptima de las hélices, estas se colocan en medio de la sección derecha de la guía en unos planos de campo máximo, a saber, los planos de los circuitos abiertos.

La Figura 5 muestra el detalle y las dimensiones de una hélice 11 excitada a 12 GHz montada sobre una guía de onda 15 de sección transversal poligonal, y más específicamente, rectangular, con unas dimensiones a y b.

La Figura 6a presenta unas simulaciones que muestran el resultado del acoplamiento de la guía rectangular a las hélices de acuerdo con la invención, así como la adaptación de la cavidad de la guía, a la frecuencia central de 12 GHz, en el caso de 4 hélices como las hélices 11-2, 11-3, 11-4, 11-5 en relación con el puerto A1 (Figura 6b).

De este modo, la dimensión de la guía rectangular 15 se obtiene de la siguiente manera:

(I)D \ = \ 8 \ \lambda g \ / \ 2 \ = \ 4 \ \lambda g

(en el caso de una red de 8 hélices 11); \lambdag es la longitud de onda guiada a la frecuencia de funcionamiento;

(II)\lambda g \ = \ \lambda0[\varepsilon r - (\lambda0/\lambda c) ^{2}] ^{^{-1} / _{2}}

\lambdac es la longitud de onda de corte de la guía rectangular para el modo TE10 y \lambda0 es la longitud de onda en el vacío;

\lambdac = 2a(\varepsilonr)½; a es la longitud de la guía rectangular

\varepsilonr = permisividad del material dieléctrico que rellena la guía

-

Además, para una iluminación óptima del reflector secundario, la directividad de la fuente primaria varía entre +/- 20º y +/- 30º a -20 dB. Estos valores de directividad se obtienen para unos diámetros medios D como:

(III)1,3 \lambda0 < D < 1,9 \lambda0

siendo \lambda0 la longitud de onda en el vacío.

Para D fijada para la directividad de la fuente, las ecuaciones (I) y (III) permiten deducir una relación entre \lambdag y \lambda0. Teniendo en cuenta esta relación en (II), se deduce a. Para minimizar las pérdidas en la guía rectangular, la altura B de la guía rectangular se selecciona igual a aproximadamente la mitad de su longitud. Por tanto, b \sim a/2.

En general, para minimizar las pérdidas y el coste, la guía se elige vacía (\varepsilonr = 1). No obstante, si la guía es demasiado larga, o si es necesario dejar más espacio en el centro para colocar el "polyrod" 12 con su cavidad posterior 13, basta con rellenar la guía con un material dieléctrico de permisividad \varepsilonr > 1. La longitud de la guía se reduce en un factor (\varepsilonr)-½.

Para la dimensión de la cavidad exterior, los tamaños \Delta,\alpha y h se ajustan a fin de reducir el nivel de los lóbulos secundarios de la red de hélices.

Para la cavidad interior 13, el diámetro dc viene dado por la dimensión de la guía rectangular 15 y, más especialmente, por su longitud a. Como se muestra en la Figura 7, la profundidad d es tal que el centro de fase Pf del "polyrod" 12 (que se encuentra aproximadamente a 1/3 de la longitud del "polyrod") coincide con el centro de fase Fh de la red de hélices 11 (es decir, en medio de la red de hélices y aproximadamente a 1/3 de la longitud de la hélice). De este modo, haciendo referencia a la Figura 7, y a partir de un origen situado sobre la base y en el centro de la cavidad cónica de la profundidad d, el punto Pf se encuentra a una altura aproximada de Lp/3, donde Lp es la longitud total del "polyrod" 12 medida a partir del origen. Para hacer coincidir los centros de fase, es necesario que los puntos Fh estén a la misma altura que Pf, lo que se traduce mediante la relación

d + Lh/3 = Lp/3, es decir, d = (Lp - Lh)/3;

donde

Lh es la longitud de cada una de las hélices 11.

Las dimensiones de cada una de las hélices 11, operando en modo longitudinal a la frecuencia central, así como las del "polyrod" central en función de las directividades buscadas, vienen dadas por unas fórmulas clásicas conocidas por cualquier experto en la materia.

Finalmente, la forma de la cavidad posterior del "polyrod" central puede modificarse. De este modo, en lugar de una forma cónica 13, la cavidad posterior puede adoptar una forma cilíndrica o similar.

La Figura 7 representa una realización particular de la fuente de Transmisión / Recepción objeto de la invención. La sección de Transmisión está constituida por el "polyrod" 12 y funciona en la banda 14-14,5 GHz. La sección de Recepción funciona en la banda 11,7-12,5 GHz y está constituida por una red de ocho hélices 11 situadas sobre un círculo de diámetro D = 42 mm, es decir, aproximadamente 1,7 \lambda0, donde \lambda0 representa la longitud de onda en el vacío a la frecuencia central de la banda de recepción, es decir, \lambda0 = 24,7 mm.

Para esta realización, la forma del "polyrod" 12 se ha optimizado primero. Después, los tres tipos de cavidades interiores (es decir, una cavidad cilíndrica, una cavidad cilíndrica con trampas y una cavidad cónica), todas con una profundidad d = 30 mm, es decir, aproximadamente (Lp-Lh)/3 = (110-30)/3 = 26,6 mm a fin de hacer coincidir los centros de fase de las dos fuentes, se han simulado. La cavidad cónica ha permitido obtener el mejor resultado para esta configuración. La adaptación del "polyrod" en la banda prevista (14-14,5 GHz), así como los diagramas de radiación obtenidos en presencia de la cavidad cónica, se facilitan en la Figura 8.

Seguidamente, se han optimizado el ángulo \alpha y la altura h de la cavidad cónica exterior 14 con respecto a los lóbulos secundarios del "polyrod". De este modo se ha obtenido el mejor resultado para \alpha = 45º y h = 25 mm. La Figura 9 muestra los resultados de simulación de la curva de adaptación y los diagramas de radiación obtenidos para estos valores de \alpha y h. Es posible observar una reducción significativa de los lóbulos secundarios en presencia de la cavidad exterior.

Finalmente, la Figura 10 muestra los diagramas de radiación de la red de ocho hélices, todas ellas de una longitud de 30 mm regularmente espaciadas sobre un círculo de diámetro D = 42 mm, es decir, aproximadamente alrededor de 1,7 \lambda0, donde \lambda0 representa la longitud de onda en el vacío a la frecuencia central de la banda de recepción.

La optimización de los lóbulos secundarios de la fuente de recepción por la cavidad exterior tiene como resultado unos valores óptimos de h = 25 mm y \alpha = 40º. Estos valores son ligeramente diferentes de los obtenidos para la optimización de los lóbulos secundarios de la fuente de transmisión (h = 25 mm y \alpha = 45º). Estos son los valores obtenidos para la fuente de transmisión, los cuales son los preferidos teniendo en cuenta unas limitaciones mayores en el diagrama de transmisión.

En la Figura 11, se ha representado una variante de realización de la Fuente de radiación longitudinal. En este caso, la fuente está constituida por una hélice 12 montada en una cavidad cónica 13 y acoplada mediante una sonda 17 a la alimentación Tx.

En los modos de realización representados, las polarizaciones de las fuentes de transmisión y de recepción son circulares, y pueden ser del mismo sentido o de sentido opuesto.

Como es evidente para un experto en la materia, la hélice 12' puede colocarse en una cavidad cilíndrica, como el "polyrod".

La presente invención puede modificarse de numerosas maneras, sin desviarse del marco de las siguientes reivindicaciones.

Claims (9)

1. Fuente de transmisión / recepción (T/R) de ondas electromagnéticas para una antena de multi-reflector del tipo que incluye medios de radiación longitudinal (12,12') que funcionan en una primera banda de frecuencias y una red de n elementos radiantes (11) del tipo de ondas progresivas, que funciona en una segunda banda de frecuencias con los n elementos radiantes dispuestos simétricamente alrededor de los medios de radiación longitudinal, teniendo la red y los medios de radiación longitudinal un centro de fase sensiblemente común, caracterizado porque la red de n elementos radiantes está excitada mediante una guía de ondas (15) que constituye una cavidad en forma de "rodaja de piña" con una sección transversal poligonal.

2. Fuente según la reivindicación 1, caracterizada porque la red de n elementos radiantes es una red circular.

3. Fuente según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque la guía de ondas (15) está dimensionada de forma que D es el diámetro medio de la red circular:

D = n\lambdag/2 donde n representa el número de elementos radiantes, y \lambdag la longitud de onda guiada a la frecuencia de funcionamiento.

\lambdag = \lambda0 [\varepsilonr-(\lambda0/\lambdac)^{2}]^{^{-1}/_{2}} siendo \lambdac la longitud de onda de corte de la guía rectangular para el modo fundamental TE01, \lambda0 la longitud de onda en el vacío y \varepsilonr la permisividad del material dieléctrico que rellena la guía.

\lambdac = 2a(\varepsilonr)^{^{1}/_{2}} donde a es la longitud de la guía rectangular.

4. Fuente, según la reivindicación 3, caracterizada porque D se elige como sigue:

1,3 \lambda0 < D < 1,9 \lambda0

5. Fuente según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la guía está rellena con un material dieléctrico de permisividad \geq 1.

6. Fuente según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque los elementos radiantes del tipo de ondas progresivas son hélices (11).

7. Fuente según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque los medios de radiación longitudinal están constituidos por una barra dieléctrica de radiación longitudinal o "polyrod" (12), cuyo eje coincide con el eje de radiación, excitada por medios que incluyen una guía de ondas.

8. Fuente según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque los medios de radiación longitudinal están constituidos por un dispositivo en hélice (12') cuyo eje coincide con el eje de radiación excitado por medios que incluyen una línea coa-
xial.

9. Fuente según cualquiera de las reivindicaciones 7 y 8, caracterizada porque los medios de radiación longitudinal están rodeados por una cavidad (14) que reduce los lóbulos secundarios.