ES2231557T3 - Antena de sistema de elementos orientable mecanicamente. - Google Patents

Abstract

Antena que comprende: un primer conjunto (12) que presenta por lo menos un puerto (14a; 14b) de antena, proporcionando dicho primer conjunto (12) una señal de alimentación en respuesta a una señal de entrada proporcionada a dicho por lo menos un puerto de antena; y un segundo conjunto (26) que presenta un circuito (37) de alimentación acoplado a una pluralidad de elementos radiantes (30) que definen una apertura radiante, estando acoplado dicho circuito (37) de alimentación al primer conjunto (12) de manera que acopla energía entre dicho primer conjunto (12) y dicha pluralidad de elementos radiantes (30), cooperando el primer y el segundo conjuntos (12, 26) para determinar un ángulo (è) de barrido de la antena, caracterizada porque el primer conjunto es un conjunto (12) de plato inferior; dicha señal de alimentación se proporciona en una primera superficie (12a) de dicho conjunto (12) de plato inferior; el segundo conjunto es un conjunto (26) de plato superior; y dicho conjunto (26) de plato superior está dispuesto giratoriamente en la primera superficie (12a) de dicho conjunto (12) de plato inferior de tal manera que dicho circuito (37) de alimentación acopla energía entre dicho conjunto (12) de plato inferior y dicha pluralidad de elementos radiantes (30), y una posición de dicho circuito (37) de alimentación sobre dicho conjunto (26) de plato superior con respecto a dicho conjunto (12) de plato inferior determina el ángulo (è) de barrido de la antena.

Description

Antena de sistema de elementos orientable mecánicamente.

La presente invención se refiere a una antena que comprende un primer conjunto que presenta por lo menos un puerto de antena, proporcionando dicho primer conjunto una señal de alimentación en respuesta a una señal de entrada proporcionada a dicho por lo menos un puerto de antena; y un segundo conjunto que presenta un circuito de alimentación acoplado a una pluralidad de elementos radiantes que definen una apertura radiante, estando acoplado dicho circuito de alimentación al primer conjunto de manera que acopla energía entre dicho primer conjunto y dicha pluralidad de elementos radiantes, cooperando el primer y el segundo conjuntos para determinar un ángulo de barrido de la antena.

Como ya es conocido en la técnica, los sistemas de comunicación por satélite incluyen un satélite el cual incluye un transmisor de satélite y un receptor de satélite a través de los cuales el satélite transmite señales hacia y recibe señales desde otras plataformas de comunicación. Las plataformas de comunicación que se comunican con el satélite están situadas frecuentemente en la superficie de la tierra o, en el caso de plataformas aerotransportadas, a cierta distancia por encima de la superficie de la tierra. Las plataformas de comunicación con las que se comunican los satélites se pueden proporcionar, por ejemplo, en forma de los denominados terminales de tierra, estaciones aerotransportadas (por ejemplo, terminales en aviones o helicópteros) o estaciones móviles con base en tierra (a las que se hace referencia ocasionalmente como sistemas de comunicaciones móviles). En la presente memoria, a todas estas plataformas se les hará referencia como plataformas con base en tierra.

Para posibilitar la transmisión de señales de radiofrecuencia (RF) entre el satélite y las plataformas con base en tierra, las plataformas con base en tierra utilizan una antena de recepción la cual recibe, por ejemplo, señales del satélite, y acopla las señales recibidas a un circuito receptor en la plataforma con base en tierra. Además las plataformas con base en tierra pueden incluir un transmisor acoplado a una antena de transmisión. El transmisor genera señales RF las cuales se alimentan hacia la antena de transmisión y a continuación son emitidas hacia el sistema de comunicación por satélite. Por lo tanto las antenas de transmisión y recepción usadas en las plataformas con base en tierra deben ser capaces de proporcionar un camino de comunicación entre el transmisor y el receptor de la plataforma con base en tierra y el transmisor y el receptor del satélite.

Para establecer una comunicación entre uno o más satélites y la plataforma con base en tierra, la antena situada en la plataforma con base en tierra debe ser capaz de realizar un barrido del haz de la antena para en primer lugar localizar y a continuación realizar un seguimiento del satélite. Un tipo de antena capaz de realizar un barrido del haz de antena es una antena de sistema de elementos en fase, orientable electrónicamente (ESA). No obstante, un problema en relación con las antenas ESA es que son relativamente grandes y caras. De este modo, típicamente las antenas ESA no son adecuadas para su uso con aquellas plataformas con base en tierra que se mueven frecuentemente desde una ubicación a otra.

Además, aunque las antenas ESA pueden cambiar rápidamente la posición del haz de antena, dichas antenas siguen proporcionando solamente un único haz de antena en cualquier instante de tiempo. Por esta razón, las antenas ESA únicamente permiten la comunicación con un satélite al mismo tiempo. Dicho de otra manera, las antenas ESA solamente permiten una comunicación secuencial con los satélites.

En un artículo titulado "Electronically Scanned Millimeter Wave Antenna Using a Rotman Lens", en Radar 97, 14-16 de Octubre de 1997, IEE Conference Publication nº 449, en las páginas 374 a 378, E. o. Rausch, A.F. Peterson, y W. Wiebach describen una antena del tipo definido anteriormente en el comienzo de la presente memoria en el que el primer conjunto consta de un sistema de conmutadores combinado con un distribuidor de guía de ondas, y el segundo conjunto consta de una lente de Rotman acoplada a otro distribuidor de guía de ondas que alimenta a un sistema de 34 elementos radiantes, siendo cada elemento una antena de bocina. La lente de Rotman consta de una zona de placas paralelas con puertos de guía de ondas distribuidos alrededor de la periferia de las placas. En un lado de las placas se han situado puertos de conformación de haz o focales, y dichos puertos se alimentan por medio del sistema de conmutadores. La energía que se alimenta hacia un puerto focal específico es emitida desde los elementos radiantes como un haz propagado en una dirección específica. La orientación electrónica del haz se consigue conmutando la energía de entrada de un puerto focal a otro, de manera que se puede realizar un barrido del haz en una dimensión. El ángulo máximo de barrido es \pm22,2 grados, y la frecuencia está en la banda Ka (de 33 a 37 gigahercios). El modo de transmisión en la cavidad de la lente es el modo TEM, aunque vuelve al modo TEM_{1D} en los puertos del sistema que están conectados a los elementos de antena. Se señala que el desplazamiento del haz en función de la frecuencia se puede eliminar completamente rediseñando la lente de manera que el modo TEM esté presente por toda la estructura de la lente, aunque la lente descrita da como resultado un barrido con frecuencia de 0,7 grados por gigahercio.

El funcionamiento secuencial se usa en sistemas de comunicación que presentan la capacidad denominada "interrupción antes de la conmutación". En este tipo de sistema de comunicación, una plataforma con base en tierra "interrumpe" la comunicación con un satélite antes de establecer una comunicación con otro satélite. Dichos sistemas de comunicación pueden utilizar un sistema de antena de un único haz (por ejemplo, una antena ESA) el cual puede adquirir cada sistema de satélite secuencialmente.

No obstante, algunos sistemas de comunicación requieren la capacidad denominada "conmutación antes de la interrupción". En los sistemas de comunicación del tipo conmutación antes de la interrupción, una plataforma con base en tierra no interrumpe la comunicación con un satélite hasta que ya ha establecido comunicaciones con otro satélite. Para comunicarse con múltiples satélites simultáneamente, la plataforma con base en tierra debe tener un sistema de antena que proporcione simultáneamente múltiples haces de antena. Como las antenas ESA pueden proporcionar solamente un único haz, para proporcionar dos haces es necesario que la plataforma con base en tierra utilice dos antenas ESA. De este modo, los sistemas de comunicación que utilizan antenas ESA y que presentan una capacidad del tipo conmutación antes de la interrupción pueden resultar prohibitivos desde el punto de vista económico.

Algunas plataformas con base en tierra de la técnica anterior utilizan antenas de barrido de frecuencia. En una antena de barrido de frecuencia, la posición del haz de la antena (a la que se hace referencia también como ángulo de barrido de la antena) varía a medida que varía la frecuencia de funcionamiento de la antena. Como la posición de cualquier satélite individual es relativamente constante, una vez que se ha establecido un camino de comunicación entre la antena del satélite y la antena de la plataforma con base en tierra, la variación del ángulo de barrido de la antena de la plataforma con base en tierra puede dar como resultado la pérdida del camino de comunicación establecido. De este modo, en general no es deseable que el ángulo de barrido cambie una vez que se ha establecido un camino de comunicación.

Para evitar que el ángulo de barrido varíe, las antenas con barrido de frecuencia deben funcionar en una banda de frecuencias relativamente estrecha. No obstante, sistemas de comunicaciones diferentes funcionan a frecuencias diferentes diseminadas por una gama de frecuencias relativamente ancha (por ejemplo, las gamas de frecuencias de la banda K y Ka). Como las antenas con barrido de frecuencia funcionan únicamente en una banda de frecuencias relativamente estrecha, típicamente dichas antenas son compatibles con solamente un único sistema de comunicación por satélite (es decir, un único sistema que funciona en una banda de frecuencias relativamente estrecha). De este modo, típicamente es necesario dotar a una antena diferente de cada plataforma diferente con base en tierra que funciona con sistemas diferentes de comunicación por satélite.

Por esta razón, sería deseable proporcionar una antena fiable que presente unos costes relativamente bajos y que sea compacta en comparación con los costes y el tamaño de una antena ESA. Además, sería deseable proporcionar una antena que se pueda usar con un terminal de tierra, en una estación aerotransportada tal como un avión o un helicóptero, en un vehículo móvil de tierra tal como un HUMV. Aún más, sería deseable proporcionar una antena que funcionase en una gama de frecuencias relativamente ancha al mismo tiempo que proporcionando un haz de antena que sea orientable por toda la gama de frecuencias de tal manera que la antena sea compatible con muchos sistemas diferentes de comunicación por satélite, funcionando cada uno de ellos a una frecuencia diferente en la gama operativa de frecuencias de la antena.

Según la presente invención, una antena del tipo definido anteriormente en la parte inicial de la presente memoria descriptiva está caracterizada porque: el primer conjunto es un conjunto de plato inferior; dicha señal de alimentación se proporciona en una primera superficie de dicho conjunto de plato inferior; el segundo conjunto es un conjunto de plato superior; y dicho conjunto de plato superior está dispuesto giratoriamente en la primera superficie del conjunto de plato inferior de tal manera que el circuito de alimentación acopla energía entre el conjunto de plato inferior y la pluralidad de elementos radiantes, y una posición del circuito de alimentación sobre el conjunto de plato superior con respecto al conjunto de plato inferior determina el ángulo de barrido de la antena. Con esta disposición específica, se proporciona una antena capaz de realizar un barrido de su haz de antena variando el ángulo entre el circuito de alimentación sobre el conjunto de plato superior y el conjunto de plato inferior. Los conjuntos de plato inferior y superior se pueden obtener a partir de guías de ondas de placas paralelas. Las guías de ondas en cada uno de los conjuntos de plato inferior y superior están alineadas y el circuito de alimentación en el conjunto de plato superior se puede proporcionar en forma de un acoplador de línea (por ejemplo, una ranura) el cual acopla energía entre la línea de transmisión de la guía de ondas de placas paralelas y una alimentación común. El ángulo en el que el acoplador de línea intercepta señales de alimentación en el conjunto de plato inferior determina el ángulo de barrido de la antena en el plano de elevación. De este modo, variando el ángulo en el que el acoplador de línea intercepta señales de alimentación en el conjunto de plato inferior se varía el ángulo de barrido de la antena en el plano de elevación.

A continuación se describirá más detalladamente la invención a título de ejemplo haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

la Fig. 1 es una vista en perspectiva, en un despiece ordenado parcial, de una antena en forma de sistema de elementos, independiente de la frecuencia y orientable mecánicamente, que constituye una forma de realización de la invención;

la Fig. 2 es una vista en perspectiva en despiece ordenado de la antena de sistema de elementos, independiente de la frecuencia, y orientable mecánicamente, de la Fig. 1;

la Fig. 3 es una vista superior de una capa de conformación de haz;

la Fig. 4 es una vista en sección transversal de la capa de conformación de haz de la Fig. 3 según la línea 4-4 de la Fig. 3;

la Fig. 4A es un detalle de una parte de la capa de conformación de haz de las Figs. 3 y 4;

la Fig. 5 es un diagrama esquemático de una estructura de alimentación común de un tipo que se puede usar en la antena de la Fig. 1;

la Fig. 5A es una vista esquemática, en sección transversal, de una antena de sistema de elementos, independiente de la frecuencia y orientable mecánicamente;

la Fig. 6 es una vista en perspectiva, en despiece ordenado, de un conjunto de plato inferior y un conjunto acoplador de línea;

la Fig. 6A es una vista superior de un conjunto de plato inferior que presenta un conjunto acoplador de línea dispuesto sobre el mismo;

la Fig. 6B es una representación de la distribución de la amplitud del campo eléctrico del conjunto de plato inferior y el conjunto acoplador de línea de la Fig. 6A con respecto a la distancia a través del conjunto de plato inferior y el conjunto acoplador de línea;

la Fig. 7 es una vista superior de un conjunto de plato inferior;

la Fig. 8 es una vista en sección transversal de un conjunto de plato inferior según las líneas 8-8 de la Fig. 7;

la Fig. 9 es una vista de un detalle del conjunto de plato inferior de la Fig. 8; y

la Fig. 10 es una vista esquemática de un circuito de alimentación de tipo pillbox (caja de pastillas).

Descripción detallada de la invención

Haciendo referencia a continuación a la Fig. 1, una antena 10 incluye un conjunto 12 de plato inferior que presenta una superficie 12a y un par de puertos 14a, 14b de antena. En una forma de realización específica, cada uno de los puertos 14a, 14b de antena se corresponde con un puerto de alimentación para una de entre dos señales ortogonales de radiofrecuencia (RF) (por ejemplo, campos eléctricos dirigidos Ex, Ey).

El conjunto 12 de plato inferior se obtiene a partir de un par de placas conductoras 16, 18 que forman un par de caminos de transmisión de guía de ondas de placas paralelas tal como se describirá posteriormente en relación con las Figs. 7 a 9. Un elemento 20 que se proyecta desde la superficie 12a del conjunto 12 de plato inferior proporciona en este último un circuito de transición de guía de ondas. En una forma de realización, el circuito de transición de guía de ondas se proporciona en forma de un recodo de noventa grados tal como se describirá posteriormente en relación con la Fig. 9. En este momento, es suficiente con señalar que el circuito de transición de guía de ondas acopla señales de los caminos de transmisión de guía de ondas formados en las placas 16, 18 a través del elemento 20 y hacia los caminos de transmisión de guía de ondas que conducen a las aperturas 22a, 24a de guía de ondas proporcionadas en el elemento 20. De este modo, las señales alimentadas hacia los puertos 14a, 14b producen una señal de alimentación que se propaga a través de un camino de transmisión proporcionado en las placas 16, 18 y a través de un circuito de transición en el elemento 20 y que es emitida a través de las aperturas 22a, 24a hacia una zona 25 de excitación del conjunto inferior 12. La señal de alimentación así proporcionada proporciona una excitación uniforme en la zona 25 de alimentación.

Un conjunto 26 de plato superior presenta una capa radiante 28 con una pluralidad de elementos radiantes, indicados de forma general con la referencia 30, dispuestos sobre la misma. Los elementos radiantes 30 se pueden obtener según los tipos descritos en las patentes U.S. n.º 5.483.248 y nº 5.995.055, cedidas ambas al cesionario de la presente invención e incorporándose ambas a la presente memoria en su integridad como referencia. El conjunto 26 de plato superior incluye un camino 31 de transmisión que acepta la señal de alimentación que se propaga desde las aperturas 22a, 24a de guía de ondas en el conjunto 12 de plato inferior.

En este caso, el camino 31 de transmisión se proporciona a partir de un par de líneas de transmisión de guía de ondas con aperturas 32, 33. En una forma de realización, las líneas de transmisión de guía de ondas se obtienen a partir de un par de placas conductoras que forman guías de ondas de placas paralelas. Cuando el conjunto 26 de plato superior está dispuesto sobre la superficie 12a del conjunto 12 de plato inferior, las aperturas 32, 33 se alinean con las aperturas 22a, 24a proporcionadas en el elemento 20.

La posición del conjunto 26 de plato superior con respecto al conjunto 12 de plato inferior determina el ángulo de barrido de un haz principal 31a de antena en un plano de elevación (es decir, el ángulo \theta) tal como se muestra en el sistema de coordenadas cartesianas de la Fig. 1. De este modo, la rotación del conjunto 26 de plato superior con respecto al conjunto 12 de plato inferior (por ejemplo, rotación en el sentido de las agujas del reloj o contraria a las agujas del reloj del conjunto 26 de plato superior en el plano x-y del sistema de coordenadas cartesianas de la Fig. 1), realiza un barrido del haz 31a de antena en el plano de elevación. Debería indicarse que la posición del haz 31a de antena no varía en respuesta a una variación de la frecuencia de funcionamiento de la antena 10.

Una rotación de ambos conjuntos 12, 26 de plato (es decir, la rotación en el plano x-y del sistema de coordenadas cartesianas de la Fig. 1) da como resultado el movimiento del haz de antena en la dirección acimutal (es decir, la dirección \varphi tal como se muestra en el sistema de coordenadas de la Fig. 1). Como las direcciones del haz de elevación y acimutal son ortogonales, la antena puede realizar un barrido de un volumen cónico. En una forma de realización específica, la antena 10 realiza un barrido de un volumen cónico de aproximadamente cincuenta grados.

Las líneas de transmisión de la guía de ondas de placas paralelas formadas en el conjunto 26 de plato superior aparecen como guías de ondas relativamente anchas y por lo tanto es posible excitar un campo de alimentación electromagnético cuasi transversal (TEM), el cual es un campo con pérdidas relativamente bajas. Idealmente, es deseable excitar toda la apertura circular de la antena 10 ya que si se excita toda la apertura circular, será posible conseguir un patrón de radiación de campo lejano que presente un haz principal y una serie de haces de lóbulos laterales con un nivel del primer lóbulo lateral aproximadamente 17 decibelios (db) por debajo del haz principal. Gracias a la característica cuasi TEM de la señal de alimentación, se excitan casi todos los elementos radiantes 30.

El mecanismo de barrido usa componentes no activos y por lo tanto la antena 10 es una antena de costes relativamente bajos. Además, la antena se puede proporcionar como una antena relativamente compacta que presente un perfil relativamente bajo. En una forma de realización, la distancia desde una superficie de fondo del conjunto 12 de plato inferior a la superficie de la capa radiante 28 en la que están dispuestos los elementos radiantes 30 de antena es aproximadamente 3 pulgadas.

Cuando la antena 10 se proporciona como parte de un sistema de comunicación, los puertos 14a, 14b de guía de ondas de la antena pueden estar acoplados a uno o más multiplexores o a uno o más circuitos receptores o a uno o más circuitos transmisores. En una forma de realización, un primer puerto de entre los puertos 14a, 14b de antena está acoplado a un circuito receptor y un segundo puerto de entre los puertos 14a, 14b de antena está acoplado a un circuito transmisor. De esta manera, la antena 10 puede proporcionar haces simultáneos de barrido de transmisión y recepción (es decir, la antena 10 se puede proporcionar como una antena dúplex total).

En una de las aplicaciones, la antena 10 puede actuar como una antena de un terminal de tierra para comunicaciones de Internet con requisitos de transferencia del tipo interrupción antes de la conmutación. En una aplicación de este tipo, puede que sea deseable utilizar dos de dichas antenas 10, presentando cada una de ellas una característica de funcionamiento dúplex total de tal manera que cada antena proporcione una capacidad de haz de señal dúplex total con un terminal de satélite. Una primera de entre las antenas se comunica con el satélite y una segunda de entre las antenas está acoplada a otros terminales de tierra a través de conexiones de Internet similares. Como cada antena puede transmitir y recibir simultáneamente en frecuencias diferentes, las señales se mueven en direcciones opuestas al mismo tiempo.

Como el ángulo de barrido de la antena es independiente de la frecuencia, la antena puede funcionar en un satélite u otro sistema de comunicación en una gama de frecuencias relativamente amplia. En una forma de realización, la antena se proporciona de manera que presenta un ancho de banda operativo del 55%.

Proporcionando los caminos de transmisión entre los puertos 14a, 14b de antena y los elementos 30 de radiación a partir de las guías de ondas de placas paralelas y utilizando circuitos de transición y acopladores con pérdidas relativamente bajas, se obtiene la antena 10 que presenta unas pérdidas de transmisión y dispersión relativamente bajas. Además, la apertura activa de la antena es circular y se utiliza totalmente en el área disponible. Proporcionando la antena como una antena de bajas pérdidas y utilizando eficazmente la apertura disponible de la antena, un sistema de comunicación que utiliza la antena puede usar un único amplificador de transmisión y recepción, evitándose por lo tanto la complejidad y los costes asociados a una antena ESA.

Debería entenderse que cada uno de los puertos 14a, 14b de antena está acoplado de forma independiente a los elementos radiantes 30 sobre la capa radiante. De este modo se pueden alimentar y acoplar de forma independiente polarizaciones dobles.

Por ejemplo, al puerto 14a se le puede suministrar una primera señal que tiene una primera polarización, por ejemplo, una señal E_{x} que tiene un campo eléctrico dirigido sobre el eje x. De forma similar, al puerto 14b se le puede suministrar una segunda señal que tiene una segunda polarización, por ejemplo, una señal E_{y} que tiene un campo eléctrico dirigido sobre el eje y. La primera y la segunda señales se tratan de forma independiente en la antena 10 desde los puertos 14a, 14b por toda la apertura de la antena en la capa radiante 28. De este modo, es posible combinar la primera y la segunda señales (por ejemplo, en los puertos 14a, 14b). En el caso de que la primera y la segunda señales sean señales dirigidas ortogonalmente (por ejemplo, E_{x}, E_{y}) las señales se pueden combinar para proporcionar una señal que presente cualquier polarización incluyendo una polarización circular.

Haciendo referencia a continuación a la Fig. 2, en la que se disponen elementos similares del sistema 10 de antena de la Fig. 1 que presentan denominaciones de referencias similares, el conjunto 26 de plato superior incluye la capa 28 de radiación (en este caso, en aras de una mayor claridad, se han omitido los elementos radiantes 30). La capa 28 de radiación se puede obtener, por ejemplo, a partir de un sustrato dieléctrico que presente una primera superficie en la que una pluralidad de elementos radiantes 30 se incrusten o alternativamente se dispongan sobre la misma o se proporcionen en su interior. En una forma de realización, que se describirá posteriormente en relación con la Fig. 5A, la capa 28 de radiación se obtiene a partir de una capa de espuma (por ejemplo, una espuma de células abiertas o cerradas) que presenta una capa de Kapton dispuesta sobre la misma. A continuación, los elementos radiantes 30 se disponen sobre la capa de Kapton.

En una forma de realización específica, los elementos radiantes 30 se proporcionan en forma de bloques conductores pegados o alternativamente acoplados a la capa 28 de radiación. Los bloques conductores se pueden obtener por medio de un proceso de mecanizado o disponiendo los elementos radiantes 30 sobre la capa dieléctrica 28 de radiación a través de un proceso aditivo tal como una técnica de depósito de metal o a través de un proceso sustractivo tal como un proceso de impresión o un proceso de ataque químico sustractivo.

La capa radiante 28 está dispuesta sobre una primera superficie de capa 36 a plano de tierra. La capa 36 a plano de tierra se proporciona de manera que tiene una primera y una segunda superficies conductoras 36a, 36b en oposición. La capa 36 a plano de tierra se puede obtener, por ejemplo, a partir de una placa conductora o a partir de un elemento dieléctrico con superficies metalizadas 36a, 36b. La capa a plano de tierra está dispuesta sobre un circuito 37 de alimentación superior el cual a su vez está dispuesto sobre una primera superficie de un circuito acoplador giratorio 46 de línea que tiene dispuesta en él una alimentación 48 de línea. El circuito 37 de alimentación superior en combinación con la alimentación 48 de línea proporcionada en el circuito acoplador giratorio 46 de línea proporciona señales de alimentación a los elementos radiantes 30 sobre la capa radiante 28.

En esta forma de realización específica, el circuito 37 de alimentación superior se obtiene a partir de un par de capas 38, 42 de conformación de haz en columnas. Cada una de las capas 38, 42 acopla señales de alimentación de una polarización predeterminada de la alimentación 48 de línea y proporciona las señales de alimentación a los elementos radiantes 30. De esta manera, se pueden alimentar señales RF que tienen polarizaciones diferentes y las mismas se pueden acoplar de forma independiente a los elementos radiantes 30. De este modo, la antena 10 puede responder a señales de una polarización diferente predeterminada.

Tal como se muestra en la Fig. 2, cada una de las capas 38, 42 acopla señales de alimentación de la alimentación 48 de línea y proporciona las señales de alimentación a los elementos radiantes a través de columnas individuales 40, 44 dispuestas respectivamente en cada una de las capas 38, 42. De este modo, cada una de las capas 38, 42 se obtiene de manera que tiene, respectivamente, una pluralidad de columnas individuales 40, 44, las cuales proporcionan señales de alimentación a los elementos predeterminados de entre los elementos radiantes 30 sobre la capa radiante 28. En este caso solamente se muestran algunas de las columnas 40, 44, omitiéndose las restantes en aras de una mayor claridad. Tal como se describirá posteriormente en relación con las Figs. 3 a 5A, las capas 38, 42 se pueden obtener a partir de un material conductor y pueden formar un circuito de alimentación binomial. Como alternativa, las capas se pueden proporcionar en forma de capas dieléctricas metalizadas (por ejemplo, capas plásticas metalizadas).

Aunque en este caso el circuito 37 de alimentación superior se muestra de manera que se obtiene a partir de un par de capas 38, 42, debería apreciarse que en algunas formas de realización, puede que resulte deseable obtener el circuito 37 de alimentación a partir de una única capa en lugar de a partir de múltiples capas. Todavía de forma alternativa, en algunas aplicaciones puede que resulte deseable o que sea necesario obtener el circuito 37 de alimentación superior a partir de más de dos capas. El circuito 37 de alimentación se puede proporcionar de manera que presente un número cualquiera de capas siempre que dicho circuito 37 de alimentación sea capaz de acoplar una señal de alimentación del conjunto acoplador giratorio 46 de línea a los elementos radiantes 30 sobre la capa radiante 28.

Como aspecto importante cabe señalar que el circuito acoplador giratorio 46 de línea es móvil con respecto al conjunto 12 de plato inferior. Un mecanismo 49 de alineación, mostrado en este caso en forma de una espiga u otro elemento que se proyecta desde la superficie 12a y de la zona 25 del conjunto 12 de plato inferior, alinea el circuito acoplador giratorio 46 de línea con el conjunto 12 de plato inferior. En una forma de realización, las capas 28, 36, 38, 42 y 46 se combinan para proporcionar el conjunto 26 de plato superior el cual está dispuesto giratoriamente en la zona 25 de excitación del conjunto 12 de plato inferior.

Por lo tanto, debería observarse que la antena de la presente invención utiliza un mecanismo de acoplamiento de fuente en línea a guía de ondas de placas paralelas, relativamente sencillo, con una única ranura, la cual a su vez alimenta una alimentación común que tiene longitudes de camino iguales, la cual proporciona una señal de alimentación a cada elemento de antena. Además, la antena utiliza un mecanismo de acoplamiento de retardo de tiempo real de manera que cuando la frecuencia de funcionamiento de la antena varía, la posición del haz de antena sigue siendo la misma. Es decir, el haz 31a de antena (Fig. 1) está en la misma ubicación espacial a todas las frecuencias de funcionamiento de la antena para una posición de barrido mecánico determinada.

Con el planteamiento descrito en relación con las Figs. 1 y 2, se puede establecer una distribución de fase lineal a lo largo de las filas de elementos radiantes, y los conformadores de haz en columna del conjunto superior proporcionan una distribución equifase. La longitud igual de los caminos (descrita posteriormente en relación con la Fig. 5) da como resultado una antena que presenta un ancho de banda relativamente amplio.

Haciendo referencia a continuación a las Figs. 3 a 4A, en las que los elementos similares de las Figs. 1 y 2 se indican mediante signos de referencia equivalentes, una capa 38' de conformación de haz, la cual puede ser del tipo descrito anteriormente en relación con la Fig. 2, incluye una pluralidad de capas conductoras. En este caso doce capas conductoras, 50 a 68 en las que se han formado canales o abertura 69 ó que alternativamente se han proporcionado de manera que forman un circuito de conformación de haz. Las señales de alimentación se propagan a través de los canales 69 hacia los elementos radiantes 30 (Fig. 1). Aunque en este caso se muestran doce capas conductoras 50 a 68, aquellos con conocimientos habituales en la técnica apreciarán que se pueden usar menos o más de doce capas. El número específico de capas a usar en cualquier aplicación específica se selecciona según una variedad de factores que incluyen, aunque sin limitaciones, el tamaño, la forma y el número de elementos radiantes en la antena. Otros factores a considerar incluyen el coste y la complejidad de las técnicas de fabricación que se pueden usar para proporcionar las capas 38 y 42 de conformación de haz.

Las capas 50 a 68 se pueden obtener a partir de un material conductor (por ejemplo, un metal tal como cobre u otro material conductor adecuado) el cual sería adecuado para formar paredes conductoras de una línea de transmisión (por ejemplo, un canal tal como el canal 69) a través de la cual se pueden propagar señales RF con unas pérdidas de transmisión relativamente bajas. Como alternativa, las capas 50 a 68 se pueden obtener a partir de un material no conductor (por ejemplo, un material dieléctrico tal como PTFE o un plástico o una espuma estructural) que tenga formados en él canales 69 los cuales a continuación se metalizan usando un material conductor apropiado el cual resultaría adecuado para proporcionar paredes conductoras de los caminos 69 de la señal de tal manera que las señales RF se pueden propagar a través de los mismos con unas pérdidas de transmisión relativamente bajas.

En una forma de realización específica, en las capas 50 a 68 se proporcionan acopladores de columna, conformadores de haz en columna y un acoplador 44 de célula unitaria. Los acopladores de columna proporcionan una transición hacia los conformadores de haz en columna. Los conformadores de haz en columna proporcionan una distribución de fase igual, con retardo de tiempo real, que presenta una distribución de la amplitud de coseno (Pd/4). Los acopladores 44 de célula unitaria se proporcionan en forma de lanzadores verticales y proporcionan una transición hacia los elementos radiantes 30 de célula unitaria. Los elementos radiantes 30 se proporcionan en forma de elementos radiantes CTS ortogonales dobles y forman una interfaz de sistema de elementos en fase hacia el espacio libre.

Haciendo referencia a continuación a la Fig. 5, se obtiene una estructura 70 de alimentación común a partir de una pluralidad de circuitos 70a a 70N de alimentación común que están dispuestos en cada cuadrante de la antena 10, mostrándose en la Fig. 5 solamente un cuadrante de antena. La estructura 70 de alimentación común puede ser del tipo proporcionado en las capas de conformación de haz descritas anteriormente en relación con las Figs. 3 a 4A. Cada uno de los circuitos 70a a 70N de alimentación común se alimenta de un punto correspondiente de entre una pluralidad de puntos 72a a 72N de alimentación. Cada uno de los circuitos 70 de alimentación común se obtiene a partir de una pluralidad de circuitos divisores de potencia indicados en general con la referencia 71. Considerando el circuito divisor 71a de potencia como representativo de todos los circuitos divisores 71 de potencia, en respuesta a una señal alimentada al puerto 71b, el circuito 71 proporciona en los puertos 71c, 71d señales de fase igual y amplitud igual.

En el circuito 70 de alimentación común se insertan adecuadamente unas líneas 77 de fase de tal manera que en respuesta a una señal proporcionada al punto 72a de alimentación, el circuito 70a de alimentación común proporciona en los puertos 74a a 74I señales de igual fase e igual amplitud. A continuación dichas señales se acoplan en acopladores de célula unitaria con los elementos respectivos de entre los elementos radiantes 30 (Fig. 1). De la misma manera el circuito 70N de alimentación común proporciona señales de igual amplitud e igual fase en los puertos 78a a 78d para los elementos radiantes 30 tal como se muestra. Debería indicarse que las alimentaciones comunes 70 incluyen una longitud 77 de camino relativamente larga la cual hace que la fase en los puertos 78a a 78d se mantenga igual a la fase en los puertos 74a a 74l.

Haciendo referencia a continuación a la Fig. 5A, una parte de una antena que puede ser similar a la antena 10 descrita anteriormente en relación con las Figs. 1 a 5 incluye una pluralidad de elementos radiantes 30' proporcionados como parte de una capa radiante 82. La capa radiante 82 se obtiene a partir de un par de capas dieléctricas 83, 84.

En una forma de realización, la capa dieléctrica 83 se proporciona en forma de una capa de Kapton que tiene unidos a la misma bloques conductores 30'. Los bloques conductores se pueden proporcionar por medio de un proceso de mecanizado o disponiendo los elementos radiantes sobre el dieléctrico a través de un proceso aditivo (por ejemplo, depósito de metal) o a través de un proceso sustractivo (por ejemplo, un proceso de impresión o un proceso sustractivo de ataque químico). La capa 84 se obtiene a partir de un material espumoso tal como una espuma de células abiertas, una espuma de células cerradas o una espuma estructural.

La capa 82 de radiación está dispuesta sobre una capa 86 a plano de tierra la cual a su vez está dispuesta sobre una capa 87 de conformación de haz en columna. Una pluralidad de acopladores 90 de línea acopla energía entre los circuitos de conformación de haz en columna proporcionados en las capas 88, 89 a través de la capa a plano de tierra (por ejemplo, a través de aberturas proporcionadas en la capa 86 a plano de tierra) y los elementos radiantes 30'.

Haciendo referencia a continuación a las Figs. 6 y 6A, en las que los elementos similares de las Figs. 1 a 4A se indican mediante signos de referencia equivalentes, el conjunto 12 de plato inferior se muestra de manera que tiene dispuesto sobre el mismo el circuito acoplador giratorio 46 de línea obtenido a partir de guías de ondas de placas paralelas. Una señal alimentada a uno de los puertos 14a, 14b (Fig. 1) se acopla a través del conjunto 12 de plato inferior a la línea 48 de alimentación.

Tal como se ha descrito anteriormente en relación con las Figs. 1 a 4A, una señal alimentada a uno de los puertos 14a, 14b de antena se acopla a través de la guía de ondas de placas paralelas y el circuito de transición, y se proporciona al conjunto acoplador giratorio 46 de línea en forma de una señal de alimentación que presenta un frente 98 de fase uniforme. El ángulo de la señal de alimentación proporcionada por la alimentación 48 del acoplador de línea se puede calcular tal como se muestra en la Ecuación 1:

Ecuación 1sen \theta = sqrt(\varepsilon_{r}) sen \theta'

en la que:

\theta se corresponde con el ángulo de barrido en elevación de la antena;

\varepsilon_{r1} se corresponde con la constante dieléctrica relativa de los medios de transmisión en el conjunto 12 de plato inferior;

\varepsilon_{r2} se corresponde con la constante dieléctrica relativa de los medios de transmisión en el circuito acoplador 46 de línea; y

\theta' se corresponde con el ángulo del acoplador 48 de línea con respecto a la señal 98 de alimentación en fase.

De este modo, el circuito acoplador giratorio 46 de línea introduce una distribución de fase lineal con retardo de tiempo real del barrido, la cual da como resultado la orientación del haz de antena en una dirección específica.

En una forma de realización el conjunto 12 de plato inferior incluye un circuito de alimentación común el cual proporciona la señal de alimentación uniforme al circuito acoplador 46 de línea. En una forma de realización preferida que se describirá posteriormente en relación con la Fig. 10, el conjunto inferior 12 se corresponde con un conformador de haz unidimensional obtenido a partir de una alimentación denominada pillbox (TBR).

Después de disponer el circuito acoplador giratorio 46 de línea sobre el conjunto 12 de plato inferior, el circuito 46 resulta móvil con respecto al conjunto 12 de plato inferior. En particular, el ángulo con el que la línea 48 de alimentación intercepta la señal de alimentación del conjunto inferior 12 se puede cambiar. Además, el ángulo con el que la línea 48 de alimentación intercepta la señal de alimentación del conjunto de plato inferior determina el ángulo de barrido del haz 31a de antena (Fig. 1) en la dirección de elevación.

En una forma de realización, se utiliza un cojinete en forma de anillo para facilitar la rotación del circuito acoplador 46 con respecto al conjunto 12 de plato inferior para variar de este modo el ángulo con el que la línea 48 de alimentación intercepta señales de alimentación proporcionadas por el conjunto inferior 12. En una forma de realización en la que el circuito acoplador 46 gira con respecto al conjunto 12 de plato inferior, la clavija 49 de alineación puede actuar como eje de rotación.

Los puertos 14a, 14b de la guía de ondas de la antena que proporcionan la interfaz RF de la antena se pueden proporcionar, por ejemplo, en forma de guías de ondas rígidas.

Haciendo referencia a continuación a la Fig. 6B, se muestra una representación de la amplitud del campo eléctrico con respecto a la distancia. La curva 100 se corresponde con la distribución de amplitud proporcionada por un conjunto de plato inferior (por ejemplo, el conjunto 12 de plato inferior descrito anteriormente en relación con la Fig. 1) mientras que la curva 102 se corresponde con la distribución de amplitud proporcionada por un conjunto de plato superior (por ejemplo, el conjunto 26 de plato superior descrito anteriormente en relación con la Fig. 1). Idealmente, la combinación de las distribuciones 100, 102 de amplitud se corresponde con una línea recta 103. Debería indicarse que es posible variar cualquiera de las reducciones progresivas 100, 102 de amplitud proporcionadas por los conjuntos de plato bien superior o bien inferior para controlar la distribución de amplitud de la antena.

Haciendo referencia a continuación a las Figs. 7 a 9 en las que los elementos similares de las Figs. 1 y 2 se indican mediante signos de referencia equivalentes, el conjunto 12 de plato inferior incluye un par de guías de ondas de placas paralelas que forman líneas 22, 24 de transmisión de guías de ondas a través de las cuales se propaga un campo TEM idealmente uniforme. Tal como puede verse en las Figs. 8 y 9, las guías de ondas alimentan dos recodos 104, 105 de noventa grados en la guía de ondas de placas paralelas los cuales cambian la dirección y el nivel físico del campo TEM. La señal resultante obtenida a partir del conjunto de plato inferior hace que un campo TEM idealmente uniforme se propague hacia el conjunto 26 de plato superior (no mostrado en las Figs. 7 a 9) para acoplarse a los elementos radiantes tal como se ha descrito anteriormente.

Debería apreciarse que, aunque en este caso, el conjunto 12 de plato inferior se obtiene a partir de dos guías de ondas de placas paralelas, en algunas aplicaciones puede que resulte deseable o que sea necesario usar únicamente una guía de ondas de placas paralelas en cuyo caso la antena se proporcionaría de manera que presentaría solamente un único puerto de entre los puertos 14a, 14b de antena. Todavía de forma alternativa, en algunas aplicaciones puede que resulte deseable o que sea necesario obtener el conjunto de plato inferior a partir de más de dos guías de ondas de placas paralelas. En este caso, cada línea de transmisión de guía de ondas se puede proporcionar de manera que presente su propio puerto.

Debería entenderse que en los casos en los que el conjunto 12 de plato inferior se proporciona de manera que presenta menos o más de dos guías de ondas de placas paralelas, el conjunto 26 de plato superior se debe modificar de forma correspondiente para aceptar las señales obtenidas a partir del conjunto 12 de plato inferior.

Haciendo referencia a continuación a la Fig. 10, el conjunto 12 de plato inferior se proporciona de manera que presenta un conformador de haz unidimensional obtenido a partir de una alimentación pillbox 108 en la que el ángulo 110 de la alimentación 14 de la guía de ondas controla la reducción progresiva de la amplitud introducida en el plano P1. En una forma de realización, la alimentación pillbox 108 ilumina la placa paralela del conjunto 12 de plato inferior con el campo TEM que presenta una distribución de amplitud de cos-^{1} (Pd/4). La alimentación pillbox 108 proporciona una señal a través de los dos recodos 104, 105 de noventa grados (Fig. 9) en la guía de ondas de placas paralelas la cual varía la dirección y el nivel del campo TEM. A continuación el campo se alimenta a través de una segunda línea de transmisión de guía de ondas de placas paralelas dispuesta en el circuito acoplador 46 de línea hacia la línea 48 de alimentación.

Claims (11)

1. Antena que comprende:

un primer conjunto (12) que presenta por lo menos un puerto (14a; 14b) de antena, proporcionando dicho primer conjunto (12) una señal de alimentación en respuesta a una señal de entrada proporcionada a dicho por lo menos un puerto de antena; y

un segundo conjunto (26) que presenta un circuito (37) de alimentación acoplado a una pluralidad de elementos radiantes (30) que definen una apertura radiante, estando acoplado dicho circuito (37) de alimentación al primer conjunto (12) de manera que acopla energía entre dicho primer conjunto (12) y dicha pluralidad de elementos radiantes (30), cooperando el primer y el segundo conjuntos (12, 26) para determinar un ángulo (\theta) de barrido de la antena, caracterizada porque el primer conjunto es

un conjunto (12) de plato inferior; dicha señal de alimentación se proporciona en una primera superficie (12a) de dicho conjunto (12) de plato inferior; el segundo conjunto es un conjunto (26) de plato superior; y

dicho conjunto (26) de plato superior está dispuesto giratoriamente en la primera superficie (12a) de dicho conjunto (12) de plato inferior de tal manera que dicho circuito (37) de alimentación acopla energía entre dicho conjunto (12) de plato inferior y dicha pluralidad de elementos radiantes (30), y una posición de dicho circuito (37) de alimentación sobre dicho conjunto (26) de plato superior con respecto a dicho conjunto (12) de plato inferior determina el ángulo (\theta) de barrido de la antena.

2. Antena según la reivindicación 1, caracterizada porque el conjunto (26) de plato superior comprende:

un acoplador giratorio (46) de línea dispuesto para acoplar energía RF que se propaga en la primera superficie (12a) de dicho conjunto (12) de plato inferior;

un acoplador de columna dispuesto para acoplar energía RF de dicho acoplador giratorio (46) de línea;

un circuito conformador de haz en columna dispuesto para acoplar energía RF de dicho acoplador de columna; y un acoplador de elementos dispuesto para acoplar energía RF entre dicho circuito conformador (52 a 64) de haz en columna y dicha pluralidad de elementos radiantes (30) de la antena; y

porque la posición de dicho acoplador giratorio (46) de línea con respecto a dicho conjunto (12) de plato inferior determina un ángulo de barrido de la antena.

3. Antena según la reivindicación 1, caracterizada porque el conjunto (12) de plato inferior comprende:

por lo menos una línea (22) de transmisión de guía de ondas de placas paralelas que presenta una primera parte acoplada al puerto (14b) de antena y que presenta una segunda parte; y

un circuito (20) de transición que presenta una primera parte acoplada a la segunda parte de dicha línea (22) de transmisión de guía de ondas de placas paralelas y una segunda parte acoplada a dicho conjunto (26) de plato superior.

4. Antena según la reivindicación 3, caracterizada porque el circuito (20) de transición comprende una línea (22) de transmisión de guía de ondas que presenta por lo menos un recodo (105) de noventa grados.

5. Antena según la reivindicación 1, caracterizada porque el conjunto (12) de plato inferior se proporciona de manera que presenta un primer y un segundo puertos (14a, 14b) de antena, y dicho conjunto (12) de plato inferior comprende además un conformador de haz obtenido a partir de un par de guías de ondas de placas paralelas, estando acoplado de forma independiente cada uno de los puertos de antena a una guía de ondas predeterminada de entre las guías de ondas de placas paralelas, y porque dicho conformador de haz está adaptado para acoplar energía entre el primer y el segundo puertos (14a, 14b) de antena y dicha pluralidad de elementos radiantes (30).

6. Antena según la reivindicación 1, caracterizada porque

el conjunto (12) de plato inferior presenta una zona (25) de alimentación; y

el conjunto de plato superior comprende:

un acoplador (46) de línea que incluye una línea (48) de alimentación, estando dispuesto de forma móvil dicho acoplador (46) de línea en la zona (25) de alimentación de dicho conjunto (12) de plato inferior para acoplar señales entre la zona (25) de alimentación de dicho conjunto de plato inferior y la línea (48) de alimentación, con

el circuito (37) de alimentación dispuesto sobre dicho acoplador (46) de línea para acoplar señales entre dicha línea (48) de alimentación y una pluralidad de puertos de alimentación de elementos radiantes dispuestos en dicho circuito (37) de alimentación; y

una capa radiante (28) que presenta dicha pluralidad de elementos radiantes (30), estando dispuesta la capa radiante (28) sobre dicho circuito (37) de alimentación de tal manera que los puertos de alimentación de elementos radiantes dispuestos en dicho circuito (37) de alimentación están acoplados eléctricamente a los elementos correspondientes de entre la pluralidad de elementos radiantes (30).

7. Antena según la reivindicación 6, caracterizada porque una posición espacial del haz de antena proporcionado por la antena se determina mediante una posición relativa de la línea (48) de alimentación en la zona (25) de alimentación.

8. Antena según la reivindicación 6, caracterizada porque el circuito (37) de alimentación comprende una estructura de alimentación común.

9. Antena según la reivindicación 6, caracterizada porque el conjunto (12) de plato inferior comprende un circuito (108) de alimentación pillbox.

10. Antena según la reivindicación 6, caracterizada porque el conjunto (12) de plato inferior comprende un circuito de alimentación común.

11. Antena según la reivindicación 6, caracterizada porque el acoplador (46) de línea comprende un par de acopladores de línea, estando dispuesto de forma móvil cada uno de dichos acopladores de línea en la zona (25) de alimentación de dicho conjunto (12) de plato inferior para acoplar señales en la zona (25) de alimentación de dicho conjunto (12) de plato inferior.