ES2246564T3 - Arquitectura de red de bocinas encasilladas que utiliza uniones plegadas. - Google Patents
Arquitectura de red de bocinas encasilladas que utiliza uniones plegadas.Info
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- H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
Abstract
Una matriz (10) de antena de cornetes cuadrados invertidos que consta de un divisor de potencia (11) que se construye a partir de una única pieza de metal y de una placa de metal plana que se fija a una superficie trasera del divisor de potencia. El divisor de potencia se fabrica utilizando una variedad de uniones de guía de ondas (14-16) acopladas entre submatrices (20) de cornete cuadrado invertido sensiblemente idénticas. Las uniones incluyen una unión en T mágica central (14) que permite acoplar la energía desde un puerto de entrada (12a) en el divisor de potencia. Se usan montajes en paralelo y en serie de uniones en T (15, 16) plegadas que se suceden de forma alternativa, para llevar la energía eléctrica acoplada por medio de la unión en serie central a las submatrices de cornete cuadrado invertido. Se usan montajes en paralelo y en serie de uniones en T plegadas especialmente dimensionadas en las submatrices de cornete cuadrado invertido. Las terminaciones (27) adaptadas de las guíasde ondas son reunidas en guías de ondas entre cada uno de los radiadores de cornete cuadrado invertido de las submatrices. El montaje de una antena completamente operativa (30) incluye una cubierta de radomo (18b), una placa de corrección de cuadratura (18a), y un polarizador revirado (18c) dispuesto enfrente de los elementos de radiación (13) de la matriz de antena de cornete cuadrado invertido.
Description
Arquitectura de red de bocinas encasilladas que
utiliza uniones plegadas.
La presente invención se refiere a una red de
antena de bocinas encasilladas (boxhorn) que comprende un divisor de
potencia y una pluralidad de subredes de antena de bocinas
encasilladas que tienen radiadores de bocinas encasilladas formados
en una superficie radiante de la red de antena.
Teniendo dicho divisor de potencia una superficie
frontal, una superficie posterior y una pluralidad de uniones en T
que acoplan energía a la pluralidad de radiadores de bocinas
encasilladas.
Tal red de antena de bocinas encasilladas es
conocida por el documento WO 97/08775.
Una red de antena convencional es conocida como
una red de antena de bocinas encasilladas que es una disposición
particular de elementos de antena de bocinas encasilladas situados
en redes rectangulares o en redes en escalón que son alimentadas
desde un divisor de potencia colectivo de guía de ondas con retardo
de tiempo verdadero. Los elementos de antena de bocinas encasilladas
pueden estar acampanados en el plano E. Carga dieléctrica puede ser
empleada para reducir el tamaño de la red de antena de bocinas
encasilladas. La red de antena de bocinas encasilladas también puede
ser formada usando una pluralidad de redes. Aunque es excitada de
modo normalmente uniforme, pueden hacerse diseños de amplitud y fase
ahusadas. El haz principal generado por la red de antena de bocinas
encasilladas es perpendicular a la cara de la red de antena en todas
las frecuencias y así la red de antena no tiene ángulo de
conmutación de haz. Los elementos de bocinas encasilladas fueron
desarrollados primero durante la Segunda Guerra Mundial y sus
parámetros de diseño fueron comunicados en un libro de S. Silver
titulado "Teoría y diseño de antenas de microondas", publicado
por McGraw-Hill, 1.949, páginas 377 a 380.
Las redes de antenas de bocinas encasilladas son
polarizadas linealmente a lo largo de uno de los ejes principales de
la red de antena. Para aplicaciones de comunicaciones de microondas
en línea visual de lóbulos laterales pequeños, tales redes de
antenas están equipadas típicamente con polarizadores de torsión de
tipo de transmisión a 45 grados. Estos polarizadores giran el plano
de polarización a un plano diagonal. Cuando la red de antena está
montada con la diagonal orientada horizontalmente, los lóbulos
laterales en plano horizontal son mejorados mucho y la antena
resultante satisface las especificaciones internacionales exigentes
para lóbulos laterales en plano horizontal. Los márgenes de
frecuencias de tales redes de antena de bocinas encasilladas son
típicamente 2 a 40 GHz. Pueden ser acomodadas anchuras de banda de
hasta el 12 por ciento.
Típicamente, la red de antena de bocinas
encasilladas incluye dos componentes metálicos, una cara de red de
antena en una pieza que contiene los elementos de antena de bocinas
piramidales y un divisor de potencia en una pieza. En este caso, los
dos componentes son fijados entre sí con tornillos. Esto es conocido
y es mencionado en la presente como una red estándar de antena de
bocinas encasilladas. Sin embargo, en ciertas aplicaciones sería
deseable reducir más el tamaño de la red de antena de bocinas
encasilladas.
Además, el corazón de la red de antena de bocinas
encasilladas es el divisor (o combinador) de potencia. En redes
típicas de antenas de bocinas encasilladas que tienen ganancias en
el margen de 35 a 43 dBi, son necesarios divisores de potencia desde
512 vías a 4.096 vías. El diseño y la fabricación de tales divisores
presentan grandes dificultades en comportamiento funcional,
tolerancias de fabricación y costes de producción de redes
convencionales de antenas de bocinas encasilladas. Sería conveniente
tener una estructura de antena de bocinas encasilladas que minimice
la complejidad de los divisores de potencia usados en ella.
El documento WO 97/08775 antes mencionado expone
una red de antena de bocinas encasilladas como se mencionó al
principio. Esta red de antena conocida también es ensamblada a
partir de dos partes de antena, o sea, una parte inferior que
comprende el divisor de potencia y una parte superior que comprende
los radiadores de bocinas encasilladas.
Los documentos US 4.783.663 y US 4.743.915
exponen módulos unitarios para una antena de alta frecuencia y una
antena que comprende tales módulos. Los módulos tienen elementos
radiantes en forma de bocinas, y una red de alimentación ensamblada
a partir de guías de ondas está conectada a las bocinas. Por
consiguiente, esta antena conocida es ensamblada nuevamente a partir
de dos partes fijadas entre sí.
El documento US 2.848.689 expone un dispositivo
de adaptación para uniones en T en derivación de microondas que
también son denominada uniones en T en el plano H. No son efectuadas
referencias específicas a diseños de antenas.
En vista de lo anterior, un objeto de la presente
invención es proporcionar una red de antena de bocinas encasilladas
que tenga tamaño reducido comparado con las redes estándares de
bocinas encasilladas y que minimice la complejidad de los divisores
de potencia usados en ella.
Este objeto es conseguido por la red de antena de
bocinas encasilladas como se mencionó al principio, en la que la
superficie frontal del divisor de potencia forma la superficie
radiante de la red de antena y la pluralidad de uniones en T
comprenden una unión en T mágica central y una pluralidad e uniones
en T en derivación plegadas y en serie plegadas alternativas, en la
que cada unión en T plegada tiene un puerto común girado 90º con
respecto al eje de sus puertos de salida, comprendiendo además la
red de antena una tapa sujeta a la superficie posterior del divisor
de potencia, teniendo dicha tapa un puerto de entrada que está
acoplado a la unión en T mágica central, y comprendiendo:
un polarizador de torsión dispuesto enfrente de
la superficie radiante del divisor de potencia,
una placa de corrección en cuadratura dispuesta
enfrente del polarizador de torsión, y
una tapa protectora dispuesta enfrente de la
placa de corrección en cuadratura.
Así, un primer componente comprende un divisor de
potencia que incluye una superficie radiante de la red de antena y
que está construido a partir de un solo componente metálico. Un
segundo componente comprende una chapa metálica plana que está
sujeta con tornillos a una superficie posterior del divisor de
potencia para completar la red de antena.
El divisor de potencia es fabricado usando
diversas uniones diferentes acopladas entre subredes de antena de
bocinas encasilladas sustancialmente idénticas. Las uniones incluyen
una unión en T mágica central para acoplar energía desde un solo
puerto de entrada en la chapa metálica plana a lo largo de dos
trayectos de entrada del divisor de potencia. Una pluralidad de
primeras uniones en serie plegadas es usadas para transferir
potencia acoplada por medio de la unión central a lo largo de dos
trayectos transversales opuestos del divisor de potencia. Una unión
en derivación plegada está dispuesta en uniones ente subredes de
antena de bocinas encasilladas. Una pluralidad de segundas uniones
en serie plegadas es usadas para acoplar energía a los radiadores de
bocinas encasilladas de las subredes de antena de bocinas
encasilladas. Cargas adaptadas de guías de ondas (comprendiendo
ferrita u otro material resistivo) están unidas en los canales de
guías de ondas del divisor de potencia entre cada dos de los
radiadores de bocinas encasilladas de las subredes de antena de
bocinas encasilladas.
La anchura en el plano H de los elementos de
bocinas encasilladas es crítica para el diagrama de elementos.
Normalmente, la anchura es fijada para una frecuencia dada de
aplicación, fijando así la anchura en el plano H de toda la red de
antena. La carga dieléctrica de la red de antena de bocinas
encasilladas produce una velocidad diferente de propagación para los
modos TE_{1O} y TE_{30} que son los únicos modos que se propagan
en la red de antena de bocinas encasilladas.
Un material de constante dieléctrica pequeña tal
como material alveolar teniendo una permisividad relativa de 1,05 a
1,10, por ejemplo, puede ser usado para reducir la anchura de la
red de antena por la raíz cuadrada inversa aproximadamente de la
permisividad relativa. Esta técnica permite que la red de antena sea
dimensionada para satisfacer exigencias particulares de tamaño y
volumen.
La presente invención permite que sean fabricadas
antenas que son de tamaño significativamente más delgado que las
antenas de plato parabólicas comercialmente obtenibles y con un
coste menor. Esta arquitectura de la presente invención permite que
esta antena compacta pequeña cumpla las exigencias reguladoras
respecto a ganancia, anchura de haz, lóbulos laterales y lóbulos
posteriores. Esta antena también es de tamaño reducido y es
físicamente discreta cuando es instalada en ambientes que requieren
radioinstalaciones estéticas.
La presente invención puede ser usada en
productos de radio desarrollados por el cesionario de la presente
invención. Una de las características distintivas de estos productos
de radio es la antena pequeña de perfil plano que está integrada con
la radio. Esta característica no está presente actualmente en
productos de la competencia. La selección por proveedores a clientes
de una radio particular está basada en el comportamiento funcional y
el atractivo estético. La presente invención permite que estos dos
criterios sean materializados en la antena ofrecida con la
radio.
Las diversas características y ventajas de la
presente invención pueden ser comprendidas más fácilmente con
referencia a la descripción detallada siguiente considerada en
conjunción con los dibujos adjuntos en los que números de referencia
iguales designan elementos estructurales iguales, y en los que:
la Figura 1 ilustra una vista posterior de una
porción de una red de antena de bocinas encasilladas (boxhorn) de
acuerdo con los principios de la presente invención, con su tapa
suprimida;
la Figura 2 ilustra una vista frontal de la red
de antena de bocinas encasilladas de la Figura 1;
las Figuras 3a y 3b ilustran vistas posterior y
lateral en corte transversal, respectivamente, de una subred
ejemplar de 8 bocinas encasilladas usada en la red de antena de
bocinas encasilladas;
las Figuras 4a y 4b ilustran vistas posterior y
lateral en corte transversal, respectivamente, de una unión central
en serie usada en la red de antena de bocinas encasilladas;
las Figuras 5a y 5b ilustran vistas posterior y
lateral en corte transversal, respectivamente, de una primera unión
en serie plegada usada en la red de antena de bocinas
encasilladas;
\newpage
las Figuras 6a y 6b ilustran vistas posterior y
lateral en corte transversal, respectivamente, de una unión en
derivación plegada usada en la red de antena de bocinas
encasilladas;
las Figuras 7a y 7b ilustran vistas posterior y
lateral en corte transversal, respectivamente, de una primera unión
en serie plegada usada en la red de antena de bocinas
encasilladas;
las Figuras 7c y 7d ilustran vistas posterior y
lateral en corte transversal, respectivamente, de una segunda unión
en serie plegada usada en la red de antena de bocinas
encasilladas;
las Figuras 8a y 8b ilustran vistas posterior y
lateral en corte transversal, respectivamente, de una primera unión
en serie plegada usada en la red de antena de bocinas encasilladas;
y
la Figura 9 ilustra una vista lateral de un
conjunto ejemplar de antena configurado completamente de acuerdo con
la presente invención.
Refiriéndose a las figuras de los dibujos, la
Figura 1 ilustra una vista posterior de una porción de una red 10 de
antena de bocinas encasilladas de acuerdo con los principios de la
presente invención. La Figura 2 ilustra una vista frontal de la red
10 de antena de bocinas encasilladas de la Figura 1. La red 10
ejemplar de antena de bocinas encasilladas mostrada en las Figuras 1
y 2 tiene dimensiones totales de 33,9 cm en cada lado y 2,156 cm de
espesor.
La red 10 de antena de bocinas encasilladas
comprende un divisor 11 de potencia y una tapa 12 comprendiendo una
chapa metálica plana, que tiene un puerto 12a de entrada en ella,
que está sujeta con tornillos a una superficie posterior 19a del
divisor 11 de potencia. El divisor 11 de potencia tiene una
superficie frontal 19b (Figura 2) que forma una superficie radiante
de la red 10 de antena e incluye una pluralidad de elementos
radiantes 13 de antena o radiadores 13 de bocinas encasilladas (512
por ejemplo). El divisor 11 de potencia está construido a partir de
una sola pieza metálica. El divisor 11 de potencia es fabricado
usando una variedad de diferentes uniones en T 14, 15, 16 de guías
de ondas acopladas entre subredes 20 de 8 bocinas encasilladas
sustancialmente idénticas.
Las uniones en T 14-16 de guías
de ondas incluyen una unión en T mágica central 14 para acoplar
energía desde el puerto de entrada único 12a en la tapa 12 (chapa
metálica plana) a lo largo de dos trayectos de entrada del divisor
11 de potencia. Una pluralidad de primeras uniones 15a en serie
plegadas de guías de ondas son usadas para transferir potencia desde
la unión en T mágica central 14 a lo largo de dos trayectos
transversales opuestos del divisor 11 de potencia. Las Figuras 3a y
3b ilustran una subred 20 ejemplar de 8 bocinas encasilladas. Cargas
27 adaptadas de guías de ondas, comprendiendo ferrita u otro
material resistivo, están dispuestas selectivamente en canales de
guías de ondas del divisor 11 de potencia, y en particular entre
cada dos de los radiadores 13 de bocinas encasilladas de las
subredes 20 de 8 bocinas encasilladas. Las diversas uniones 14, 15,
16 de guías de ondas y las cargas 27 son mostradas y descritas con
más detalle con referencia a las Figuras 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a,
6b, 7a, 7b y 8.
Más específicamente, la red 10 de antena de
bocinas encasilladas es formada usando una secuencia de uniones
14-16 de guías de ondas como sigue en este ejemplo
de una unidad de 512 vías. La primera unión es una unión en T mágica
central 14 con una carga 27 de guía de ondas en su puerto 17b en
derivación. La unión en T mágica central 14 divide por dos la
potencia de radiofrecuencia (RF) (o sea, un divisor de potencia de
1:2). En un brazo 14c en serie de la unión en T mágica 14, un
elemento 18 de desfase en 90 grados está instalado en la sección de
guía de ondas rectangular. El elemento 18 de desfase en 90 grados es
preferiblemente un elemento 18 de desfase de tipo de placa
dieléctrica que tiene un coste relativamente bajo. En el brazo 14d
en serie opuesto, no hay nada dispuesto en la guía de ondas.
La división de potencia es realizada entonces
para dividir la potencia en una relación de 1:64. En la siguiente
división de potencia, una primera unión en T en derivación plegada
15a es usada para dividir la potencia en (1/2)*(1/2)=1:4. Esto es
efectuado en dos lugares. En la división siguiente, una primera
unión en T en serie plegada 16a (4 lugares) divide la potencia en
1:8. En la división siguiente, una segunda unión en T en derivación
plegada 15b (8 lugares) divide la potencia en 1:16. En la división
siguiente, una segunda unión en T en serie plegada 16b (16 lugares)
divide la potencia en 1:32. En la división siguiente, una tercera
unión en T en derivación plegada 15c (32 lugares) divide la potencia
en 1:64.
Hay tres divisiones subsiguientes que son
efectuadas usando ciertos de los tipos de uniones anteriores pero
con dimensiones internas modificadas ligeramente para optimizar la
pérdida de retorno. La necesidad de estas modificaciones ligeras es
debida a interacciones electromagnéticas complejas entre las uniones
muy juntas. En la división siguiente, una primera unión en T en
serie plegada especial 16c (64 lugares) divide la potencia en 1:128.
En la división siguiente, una unión en T en derivación plegada
especial 15d (128 lugares) divide la potencia en 1:256. En la
división siguiente, una segunda unión en T en serie plegada especial
16d (256 lugares) divide la potencia en 1:512. Los brazos laterales
15d-2 de la segunda unión en T en serie plegada
especial 16d excitan entonces a una guía 19 de ondas de arista única
que termina en una abertura 13a (Figura 2) en el fondo del radiador
13 de bocina encasillada. En la Tabla 1 son proporcionadas las
dimensiones para cada una de las uniones 14, 15a, 15b, 15c, 15d,
16a, 16b, 16c, 16d y la subred 20 de antena para un margen ejemplar
de frecuencias operativas de 24,5 a 25,5 GHz.
Refiriéndose ahora a las Figuras 3a y 3b,
ilustran vistas posterior y lateral en corte transversal a escala
ampliada, respectivamente, de una subred 20 ejemplar de 8 bocinas
encasilladas usada en la red 10 de antena de bocinas encasilladas
mostrada en las Figuras 1 y 2. cada subred 20 de 8 bocinas
encasilladas comprende ocho radiadores 13 de bocinas encasilladas,
cuatros segundas uniones en T en serie plegadas especiales 16d, dos
uniones en T en derivación plegadas especiales 15d y una primera
unión en T en serie plegada especial 16c.
La subred 20 de bocinas encasilladas utiliza el
divisor 11 de potencia colectivo de guías de ondas de retardo de
tiempo verdadero (Figura 1) que es un laberinto de uniones
14-16 plegadas, en serie y en derivación, de guías
de ondas interconectadas por secciones de guía de ondas. La
construcción plegada es usada de modo que todo el divisor 11 de
potencia puede ser fabricado maquinándolo o fundiéndolo (colándolo)
a partir de una pieza metálica única, lo que contribuye a su bajo
coste. Plegar también contribuye a una forma delgada deseable de la
antena y reduce el peso. En la mayoría de las realizaciones, cada
unión 14-16 de guías de ondas divide la potencia
incidente en un puerto común igualmente entre otros dos puertos.
La división desigual de potencia entre brazos de
salida puede ser conseguida pero, en realizaciones preferidas de
esta antena 10, esta no ha sido efectuad porque es deseada la alta
ganancia asociada con redes de antenas alimentadas uniformemente.
Todas las uniones 14-16 en T plegadas de guías de
ondas han sido optimizadas cuidadosamente para baja relación de
ondas estacionarias de tensión (VSWR: voltage standing wave ratio).
Cada unión 14-16 de guías de ondas tiene una pérdida
de retorno mejor que 23 dB sobre una anchura de banda de frecuencias
del 12 por ciento.
Así, en un divisor típico 11 de potencia de 512
vías, son usadas nueve uniones 14-16 sucesivas de
guías de ondas. Estas uniones incluyen la unión en T mágica central
14, la primera unión en T en derivación plegada 15a, la primera
unión en T en serie plegada 16a, la segunda unión en T en derivación
plegada 15b, la segunda unión en T en serie plegada 16b, la tercera
unión en T en derivación plegada 15c, la primera unión en T en serie
plegada especial 16c, la unión en T en derivación plegada especial
15d y la segunda unión en T en serie plegada especial 16d. Debido a
la característica de retardo de tiempo verdadero del divisor 11 de
potencia, la señal reflejada en todas las uniones
14-16 de guías de ondas llega en fase con todas las
de las otras uniones 14-16 de guías de ondas al
puerto 12a de entrada de la red 10 de antena. Este efecto causa una
alta relación de ondas estacionarias de tensión (VSWR) en el puerto
12a de entrada. Por tanto, a no ser que sean empleados otros medios,
relaciones muy bajas de ondas estacionarias de tensión son
necesarias en cada unión 14-16 de guías de ondas
para cumplir una especificación de baja relación de ondas
estacionarias de tensión (VSWR).
Por ejemplo, para una VSWR máxima de 1,5:1 en el
puerto 12a de entrada de la red 10 de antena, un divisor 11 de
potencia de 512 vías requiere que cada unión 14-16
de guía de ondas tenga una VSWR de 1,5^{1/9}=1,046
aproximadamente. Esto es equivalente a una pérdida de retorno de 33
dB. En un divisor 11 de potencia de 4.096 vías, es necesaria una
pérdida de retorno de uniones de guías de ondas de 36 dB. Con
cualquier exigencia de anchura de banda sustancial de RF, la
obtención de tal VSWR baja resulta prácticamente imposible de
conseguir.
No obstante, uniones 14-16 bien
adaptadas de guías de ondas son necesarias para proporcionar buen
rendimiento en la red 10 de antena. Las uniones plegadas únicas
14-16 de guías de ondas usadas en la antena 10 son
descritas con detalle a continuación. Estas uniones
14-16 diseñadas especialmente son usadas en la
subred 20 porque las uniones 14-16 en serie están
eléctricamente próximas entre sí. Los modos de campos
electromagnéticos necesarios para satisfacer condiciones de límite
complejas producen interacción significativa entre las uniones
14-16 y requieren cambios en las dimensiones de los
dispositivos de adaptación en cada unión comparadas con las
dimensiones de las uniones 14-16 que funcionan
solas. Dimensiones específicas son presentadas en la Tabla 1 para un
margen de frecuencias de 24,5 a 25,5 GHz. Todas las uniones
14-16 de guías de ondas pueden ser maquinadas
fácilmente usando fresadoras controladas numéricamente por ordenador
a partir de metal con fines de fabricación de prototipos y todas han
sido fundidas (coladas) usando un proceso de fusión (colada) a la
cera perdida.
Refiriéndose a las Figuras 4a y 4b, ilustran
vistas posterior y lateral en corte transversal a escala ampliada,
respectivamente, de la unión en T mágica central 14 usada en la red
10 de antena de bocinas encasilladas de la Figura 1. La unión en T
mágica central 14 es usada en el puerto 12a de entrada de la red 10
de antena. La unión en T mágica central 14 comprende un
transformador 14a de impedancia de cuatro escalones (mostrado
rodeado por un rectángulo de trazos) situado en una pared ancha de
guía de ondas enfrente de un brazo común 146b (o puerto 14b en
derivación) de la unión en T mágica central 14. La pérdida de
retorno de la unión en T mágica central 14 es mejor que 23 dB sobre
la banda de frecuencias de diseño.
Refiriéndose a las Figuras 5a y 5b, ilustran
vistas posterior y lateral en corte transversal a escala ampliada,
respectivamente, de las uniones en T en derivación plegadas primera,
segunda y tercera 15a, 15b, 15c usadas en la red 10 de antena de
bocinas encasilladas de la Figura 1. Cada unión en T en derivación
plegada 15a, 15b, 15c tiene su puerto o brazo común
15a-1 girado 90 grados con respecto al eje de sus
puertos 15a-2 de salida, plegando así la estructura.
Los dispositivos de adaptación incluyen un par de irises
15a-3 adyacentes a su unión 15a-4 en
T en los brazos 15a-2 de salida y un transformador
15a-5 de impedancia de tres escalones en su brazo
común 15a-. La pérdida de retorno de cada una de las uniones en T en
derivación plegadas primera, segunda y tercera 15a, 15b, 15c es
mejor que 23 dB sobre la banda de frecuencias de diseño.
Refiriéndose a las Figuras 6a y 6b, ilustran
vistas posterior y lateral en corte transversal a escala ampliada,
respectivamente, de las uniones en T en serie plegadas primera y
segunda 16a, 16b usadas en la red 10 de antena de bocinas
encasilladas de la Figura 1. Cada unión en T en serie plegada 16,
16b comprende un puerto común o en derivación 16a-1
o brazo 16a-1 que ha sido girado 90 grados respecto
al eje de sus puertos 16a-2 de salida o brazos
16a-2, plegando así la estructura. Los dispositivos
de adaptación incluyen un transformador 16a-3 de
impedancia situado en cada brazo 16a-2 de salida y
un iris capacitivo 16a-4 dispuesto en el brazo común
16a-1. La pérdida de retorno de las uniones en T en
serie plegadas primera y segunda 16a, 16b es mejor que 23 dB sobre
la banda de frecuencias de diseño.
Refiriéndose a las Figuras 7a, 7b, ilustran
vistas posterior y lateral en corte transversal a escala ampliada,
respectivamente, de la primera unión en T en serie plegada especial
16c usada en la red 10 de antena de bocinas encasilladas de la
Figura 1. La primera unión en T en serie plegada especial 16c usada
en la subred 20 comprende un puerto común 16c-1
(brazo común 16c-1) que ha sido girado 90 grados
respecto al eje de sus puertos 16c-2 de salida
(brazos 16c-2 de salida), plegando así la
estructura. Los dispositivos de adaptación incluyen un par de bornes
16c-3 y un transformador 16c-4 de
impedancia de tres escalones en su brazo común
16c-2.
Refiriéndose a las Figuras 7c y 7d, ilustran
vistas posterior y lateral en corte transversal a escala ampliada,
respectivamente, de la segunda unión en T en serie plegada especial
16d usada en la red 10 de antena de bocinas encasilladas de la
Figura 1. La segunda unión en T en serie plegada especial 16d usada
en la subred 20 comprende una T en serie cuyo puerto común
16d-1 (brazo común 16d-1) ha sido
girado 90 grados respecto al eje de sus puertos
16d-2 de salida (brazos 16d-2 de
salida), plegando así la estructura. Los dispositivos de adaptación
incluyen un par de bornes 16d-3 adyacentes a una
entrada a los radiadores 13 de bocinas encasilladas y un
transformador 16d-4 de impedancia de dos escalones
en su brazo común 16d-2. Las dimensiones de la
segunda unión en T en serie plegada especial 16d son dadas en la
Tabla 1 con referencia a las Figuras 3a y 3b.
En el diseño de la antena 10 de bocinas
encasilladas, los brazos 16d-2 de salida de las
segunda unión en serie plegada especial 16d (adyacente a cada
radiador 13 de bocina encasillada) son girados 90 grados
adicionales. Estos brazos 16d-2 conectan entonces
con una abertura 13a o ranura 13a de alimentación (Figura 2) situada
en la de cada radiador 13 de bocina encasillada. Cada brazo
16d-2 es una guía de ondas de arista única en corte
transversal, cuya arista está extendida para formar los bornes
16d-3 de adaptación.
Refiriéndose a las Figuras 8a y 8b, ilustran
vistas posterior y lateral en corte transversal a escala ampliada,
respectivamente, de la unión en T en derivación plegada especial 15d
usada en red de antena de bocinas encasilladas de la Figura 1. La
unión en T en derivación plegada especial 15d tiene su puerto o
brazo común 15d-1 girado 90 grados respecto al eje
de sus puertos 15d-2 de salida, plegando así la
estructura. Los dispositivos de adaptación incluyen un par de irises
15d-3 adyacentes a su unión en T
15d-4 en los brazos 15d-2 de salida
y un transformador 15d-5 de impedancia de tres
escalones en su brazo común 15d-1. La pérdida de
retorno de la primera unión en T en serie plegada 16a es mejor que
23 dB sobre la banda de frecuencias de diseño.
El radiador 13 de bocina encasillada está formado
en la superficie radiante del divisor 11 de potencia y es mostrado
en la Figura 2. Las dimensiones del radiador 13 de bocina
encasillada dadas en la Tabla 1 producen una supresión óptima de
lóbulos de rejilla en el plano H cuando este elemento es usado en
una red 10 de antena mayor. La pérdida de retorno barrida para la
subred 20 de ocho bocinas encasilladas es mejor que 18 dB.
Como la VSWR inherente de todas las redes de
antenas de retardo de tiempo verdadero es alta, componentes de la
red 10 de antena han sido usados para reducir la VSWR total de la
red 10 de antena. El primer componente es la unión en T mágica 14.
La unión en T mágica 14 es una unión de guías de ondas de cuatro
puertos que reduce la VSWR total de la red 10 de antena. Esto es
efectuado por los brazos 14b en derivación que tienen uniones en
derivación en sus extremos respectivos con la unión en T mágica
central 14, como se muestra en la Figura 1.
Cuando un elemento 18 de desfase en 90 grados
nominal es añadido a un brazo 14c de salida de la unión en T mágica
central 14, las dos señales reflejadas en los brazos 14c, 14d de
salida de la unión en T mágica central 14 llegan en fase a su brazo
14b en derivación. Si el brazo 14b en derivación incluye la carga 27
adaptada de guía de ondas, las señales reflejadas son acopladas a un
puerto en derivación del brazo 17b en derivación, y no aparecen en
el puerto 12a de entrada de la red 10 de antena y es reducida la
VSWR aparente de la red 10 de antena.
Un efecto de este método es que las dos mitades
de la red 10 de antena, alimentadas por los brazos 14c, 14d de
salida de la unión en T mágica central 14, son alimentadas en
cuadratura de fase (90 grados). Esto produce una inclinación del haz
generado por la red 10 de antena respecto a la normal. La
inclinación de haz es típicamente de 0,5 anchuras de haz
aproximadamente (menor que 1 grado en la mayoría de las redes de
antenas). Esta inclinación es compensada fácilmente en la
instalación de la red 10 de antena apuntando el haz
consiguientemente. Cuando el desfase en cuadratura es obtenido por
un simple cambio de longitud del trayecto de guía de ondas en un
brazo de salida de la unión en T mágica central 14, el cambio de
inclinación de haz con la frecuencia es bastante pequeño. Por tanto,
para fines prácticos, la red 10 de antena no tiene ángulo de
conmutación de haz. El resultado neto de este método de reducción de
VSWR es que las pérdidas por desajuste debidas a la alta VSWR son
sustituidas por pérdidas por disipación en la carga adaptada 27 en
el (cuarto) puerto 17b en derivación de la unión en T mágica central
14.
El segundo método es usar compensación de
inclinación de haz por placa de corrección en cuadratura. Si se
desea, una placa dieléctrica 18a (designada generalmente en la
Figura 1) puede estar dispuesta sobre una mitad de la red 10 de
antena para compensar el desfase en cuadratura. Esto reduce la
inclinación de haz a cero y mejora el diagrama de radiación haciendo
simétricos los primeros lóbulos laterales. Para compensación
perfecta de la inclinación de haz con una placa de semionda sin
reflexión, es necesaria una constante dieléctrica de 4,0.
En la práctica, pueden ser utilizados materiales
de constante dieléctrica algo menor tal como policarbonato Lexan con
una constante dieléctrica de 2,75 aproximadamente, por ejemplo. Una
pared de semionda de este material tiene un retardo de fase de
inserción de unos 70 grados. En este caso, un diseñador tiene dos
opciones. La primera opción es usar un elemento 18 de desfase en 90
grados y una placa dieléctrica 18a que desplaza la fase en 70 grados
para producir un ángulo típico de conmutación de haz de 0,2 grados y
un ángulo típico de conmutación de haz/anchura de banda en alta
potencia de 0,1, lo que produce una disminución ideal de VSWR. La
segunda opción es usar un elemento 18 de desfase en 70 grados y una
placa dieléctrica 18a que desplaza la fase en 70 grados para
producir un ángulo típico de conmutación de haz de 0 grados y un
ángulo típico de conmutación de haz/anchura de banda en alta
potencia de 0, lo que produce una disminución de VSWR ligeramente
reducida. Por tanto, cualquiera de las opciones ofrece una solución
práctica a la compensación de inclinación de haz y ambas pueden ser
aceptables dependiendo de las especificaciones que han de ser
satisfechas.
Los diagramas de radiación procedentes de la red
10 de antena de bocinas encasilladas son determinados fácilmente por
la teoría de antenas. En la red 10 de antena, el diagrama total es
el producto del diagrama de campos de los radiadores 13 de bocinas
encasilladas por un factor de red de antena. El factor de red de
antena es la expresión que explica la adición compleja de todas las
señales procedentes de los elementos de red de antena. El diagrama
total es determinado por el diagrama de los radiadores 13 de bocinas
encasilladas. Si los radiadores 13 de bocinas encasilladas son
acampanados en el plano E, la red 10 de antena puede ser ampliada en
tamaño. Sin embargo, debido a las limitaciones en el diagrama de
elementos de los radiadores 13 de bocinas encasilladas, hay una
separación fija de elementos en el plano H para una banda dada de
frecuencias.
Por tanto, las redes 10 de antenas de bocinas
encasilladas tienen tamaños relativamente fijos. Con un divisor 11
de potencia de retardo de tiempo verdadero, solo pueden ser
empleadas redes de antenas con número binario de elementos y las
dimensiones de redes de antenas solo están disponibles en tamaños
modulares. Por ejemplo, una red de antena de 512 elementos tiene
naturalmente 16 elementos en el plano H y 32 radiadores 13 de
bocinas encasilladas en el plano E. La dimensión de red en el plano
E puede ser ampliada en el 15 por ciento aproximadamente respecto a
la de una configuración en el plano E poco espaciada. Las
ampliaciones mayores que el 15 por ciento pueden causar lóbulos de
rejilla en el plano E con pérdidas de ganancia y lóbulos laterales
grandes consiguientes y, por tanto, son evitadas en los diseños.
Los radiadores 13 de bocinas encasilladas son
dimensionados para situar un nulo de diagrama de elementos en el
primer ángulo de lóbulo de rejilla en el plano H. Este ángulo es
designado "ThetaG" y es dado por la expresión:
sen (ThetaG) = 0,5* longitud de
onda/paso de bocinas
encasilladas,
donde el paso de bocinas
encasilladas es la anchura interior de la bocina encasillada
(boxhorn) más el espesor de pared en el plano H, y la longitud de
onda es expresada en las mismas
dimensiones.
La referencia de Silver mencionada en la sección
preliminar indica que el diagrama de bocina encasillada es calculado
a partir de los parámetros siguientes: anchura en el plano H,
anchura de ranura de alimentación, profundidad de bocina encasillada
y radio de esquina interior en la bocina encasillada. Los cálculos
muestran que un nulo de diagrama de elementos puede ser situado en
el ángulo Theta G de lóbulo de rejilla por elecciones adecuadas de
estos parámetros. Cuando esto es efectuado, la magnitud de lóbulo de
rejilla puede ser suprimida en gran medida. Los cálculos muestran
que este lóbulo de rejilla puede ser suprimido mejor que -18 dB
sobre una anchura de banda de frecuencias del 12 por ciento. En el
centro de banda, puede ser conseguida supresión de lóbulo de rejilla
mejor que 25 dB.
Debería observarse que estos lóbulos de rejilla
aparecen en el plano H principal de la red 10 de antena. Cuando un
polarizador de torsión de tipo de transmisión a 45º grados (no
mostrado) es empleado con la red 10 de antena de bocinas
encasilladas, estos lóbulos de rejilla no aparecen en el plano
horizontal. Con fines de integridad, una vista lateral de un
conjunto 30 de antena configurado completamente es mostrado en la
Figura 9 e incluye una tapa protectora 18b (designada generalmente
en la Figura 1), que puede ser plástico formado por vacío o moldeado
por inyección tal como policarbonato Lexan, por ejemplo, una placa
18a de corrección en cuadratura, que también puede ser plástico
formado por vacío o moldeado por inyección, por ejemplo, y un
polarizador 18c de torsión (designado generalmente en la Figura 1).
La tapa protector 18b puede estar compuesta por una serie de hojas
de plástico laminadas teniendo cada una un conjunto de tiras
metálicas formadas en ella. Como se muestra en la Figura 9, el
polarizador 18c de torsión, la placa 18a de corrección en cuadratura
y la tapa protectora 18b están apiladas enfrente de la red 10 de
antena de bocinas encasilladas mostrada en las Figuras 1 y 2. La
placa 18a de corrección en cuadratura cubre una mitad de la red 10
de antena de bocinas encasilladas. La placa 18a de corrección en
cuadratura y la tapa protectora 18b pueden estar unidas entre sí. El
polarizador 18c de torsión está separado típicamente por un espacio
pequeño de las superficies adyacentes de la placa 18a de corrección
en cuadratura y de la red 10 de antena de bocinas encasilladas.
Una de las ventajas principales de la red 10 de
antena de bocinas encasilladas es que, para un tamaño dado de red de
antena, solo es necesario una mitad del número de elementos
radiantes (radiadores 13 de bocinas encasilladas) cuando es
comparada con una disposición convencional de ranuras simples de
guías de ondas. Esto simplifica mucho el diseño del divisor 11 de
potencia de retardo de tiempo verdadero dividiendo por dos el número
de de uniones 14-16 de guías de ondas que son
necesarias. En efecto, el mismo comportamiento funcional es
conseguido con la mitad de la complejidad y a costes reducidos.
Algunas aplicaciones requieren que redes
múltiples 10 de bocinas encasilladas sean unidas para formar una
antena mayor de ganancia superior. La teoría de redes de antenas
pronostica fácilmente el comportamiento funcional de diagramas de
tales redes de antenas ampliadas 10. Por ejemplo, un sistema de dos
redes de antenas que tienen dos redes de antenas cuadradas 10 unidas
en un borde y orientadas a 45 grados respecto al plano del diagrama
de radiación. Esta red 10 de antena también tiene lóbulos laterales
suprimidos en gran medida en planos a 45 grados. Esto la hace muy
útil en enlaces comerciales de microondas de línea visual que
precisan este tipo de comportamiento funcional para reducir la
interferencia con otras estaciones próximas. Tal comportamiento
funcional de lóbulos laterales es regulado por la Federal
Communications Commission (FCC) de EE.UU., el Departament of Trade
and Industry (DTI) en el Reino Unido y otras agencias
gubernamentales. Además, conjuntos de redes 10 de antenas de bocinas
encasilladas teniendo proporciones dimensionales de 1:1 tendrán los
mismos tipos de diagramas de radiación con lóbulos laterales
pequeños en planes diagonales que las redes de antenas individuales
10 excepto por anchuras de haces más pequeñas y ganancias
superiores.
Los cálculos muestran que las redes de antenas
individuales 10 no necesitan hacer contacto con sus vecinas. La
teoría de redes de antenas predice que lóbulos laterales pequeños
todavía son generados en planos diagonales incluso con separación
del 10 al 20 por ciento del tamaño de la red 10 de antena. Este
efecto permite la ampliación de la antena para estrechar la anchura
total de haz.
La presente invención permite que los sistemas de
comunicaciones digitales sean diseñados, fabricados, vendidos e
instalados en comunidades locales donde están siendo realizados
Sistemas de Comunicaciones Personales. En los Estados Unidos,
empresas importantes de comunicaciones están desarrollando teléfonos
inalámbricos, enlaces de Internet y datos en banda ancha de alto
comportamiento funcional. Como las radios digitales usadas en este
tipo de infraestructura de comunicaciones deben ser instaladas
localmente, hay números grandes de ellas. Las comunidades donde
instalaciones de tales radios han sido realizadas tienen inquietudes
estéticas sobre la proliferación de torres y antenas de plato
parabólicas antiestéticas en sus alrededores.
La presente invención mejora mucho la apariencia
de radios digitales típicas, reduciendo así las inquietudes de las
comunidades locales. Por tanto, una red digital que utiliza estas
radios es más probable que sea realizada de una manera rápida,
rentable y técnicamente flexible. Otro factor es que las radios
digitales están muy reguladas respecto a sus características
técnicas. Para antenas usadas de tal modo, la ganancia, los lóbulos
laterales y la polarización cruzada son establecidas por organismos
reguladores gubernamentales. Muchos países tienen exigencias
técnicas ligeramente diferentes pero todos sus oficiales de
comunicaciones quieren tener el comportamiento funcional técnico
óptimo posible para instalaciones dentro de sus países a fin de
mejorar su infraestructura y asegurar que no quedará obsoleta
fácilmente. La presente invención ayuda a cumplir estos objetivos
mientras permite la producción rentable de antenas para uso en estas
radios.
Por tanto, la presente invención se aplica a las
cuestiones importantes de estética, modernización de
infraestructuras nacionales de comunicaciones, aceptabilidad local
del equipo, alto comportamiento funcional técnico que satisface o es
mejor que las exigencias reguladoras, bajo coste de producto y
facilidad de fabricación e instalación en las grandes cantidades
precisas para estas radios digitales.
La unión en T mágica 14, las uniones en T en
derivación 15a, 15b, 15c y las uniones en T en serie 16a, 16b son
independientes y no interaccionan con otras uniones. En la red 10 de
antena ejemplar anterior, estas uniones independientes cesan en la
tercera unión en T en derivación 15c. Sin embargo, en general, tales
uniones en derivación y en serie 15a, 15b, 15c, 16a, 16b pueden ser
dispuestas en serie para formar redes 10 mayores o menores añadiendo
o sustrayendo uniones 15, 16 en derivación y en serie alternativas.
Las tres uniones plegadas espaciales finales 16c, 16d, 15d
interaccionan entre sí y forman la porción final de 8 vías del
divisor 11 de potencia.
Así, han sido descritas redes de antenas
mejoradas de bocinas encasilladas. Ha de comprenderse que las
realizaciones descritas son simplemente ilustrativas de algunas de
las muchas realizaciones específicas que representan aplicaciones de
los principios de la presente invención. Claramente, numerosas otras
disposiciones pueden ser ideadas fácilmente por los expertos en la
técnica sin apartarse del alcance de la invención.
Claims (9)
1. Una red (10) de antena de bocinas encasilladas
(boxhorn) que comprende un divisor (11) de potencia y una pluralidad
de subredes (20) de bocinas encasilladas que tienen radiadores (13)
de bocinas encasilladas formados en una superficie radiante (19b) de
la red (10) de antena,
teniendo dicho divisor (11) de potencia una
superficie frontal (19b), una superficie posterior (19a) y una
pluralidad de uniones en T (14, 15, 16) que acoplan energía a la
pluralidad de radiadores (13) de bocinas encasilladas,
caracterizada porque la superficie frontal
(19b) del divisor (11) de potencia forma la superficie radiante
(19b) de la red de antena y la pluralidad de uniones en T (14, 15,
16) comprenden una unión en T mágica central (14) y una pluralidad
de uniones en T en derivación plegadas y en serie plegadas
alternativas (15, 16), en el que cada unión en T plegada (15, 16)
tiene un puerto común (15a-1, 15d-1,
16a-1, 16c-1, 16d-1)
girado 90º con respecto al eje de sus puertos de salida
(15a-2, 15d-2,
16a-2, 16c-2,
16d-2),
y comprendiendo la red de antena además una tapa
(12) sujeta a la superficie posterior (19a) del divisor (11) de
potencia, teniendo dicha tapa (12) un puerto (12a) de entrada que
está acoplado a la unión en T mágica central (14),
y comprendiendo
un polarizador (18c) de torsión dispuesto
enfrente de la superficie radiante (19b) del divisor (11) de
potencia;
una placa (18a) de corrección en cuadratura
dispuesta enfrente del polarizador (18c) de torsión; y
una tapa protectora (18b) dispuesta enfrente de
la placa (18a) de corrección en cuadratura.
2. La red (10) de antena de la reivindicación 1,
caracterizada porque la tapa (12) comprende una chapa
metálica plana, que tiene el puerto (12a) de entrada en ella, que
está sujeta a la superficie posterior (19a) del divisor (11) de
potencia.
3. La red (10) de antena de la reivindicación 1 o
2, caracterizada porque el divisor (11) de potencia está
fabricado a partir de una sola pieza metálica.
4. La red (10) de antena de la reivindicación 1,
2 o 3, caracterizada por cargas (27) adaptadas de guías de
ondas dispuestas en canales de guías de ondas entre cada dos de los
radiadores (13) de bocinas encasilladas de las subredes (20) de
antena de bocinas encasilladas.
5. La red (10) de antena de cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el polarizador
(18c) de torsión está separado por un espacio pequeño de las
superficies adyacentes de la placa (18a) de corrección en cuadratura
y la red (10) de antena de bocinas encasilladas.
6. La red (10) de antena de cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque la placa (18a)
de corrección en cuadratura está compuesta de plástico.
7. La red (10) de antena de cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque la tapa
protectora (18a) está compuesta por una serie de hojas de plástico
laminadas, teniendo cada una un conjunto de tiras metálicas formadas
en ella.
8. La red (10) de antena de cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque el polarizador
(18c) de torsión está compuesto de plástico.
9. Un conjunto (30) de antena que comprende una
red (10) de antena según cualquiera de las reivindicaciones 1 a
8.
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