ES2267156T3 - Antena de microondas con doble reflector. - Google Patents
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Abstract
UNA ANTENA DE MICROONDAS CON REFLECTOR DOBLE COMPRENDE LA COMBINACION DE UN REFLECTOR PRINCIPAL PARABOROIDAL QUE TIENE UN EJE; UNA GUIA DE ONDAS Y CUERNO DE ALIMENTACION DE MODO DOBLE QUE SE EXTIENDE A LO LARGO DEL EJE DEL REFLECTOR PRINCIPAL, UN SUBREFLECTOR PARA REFLEJAR LA RADIACION DEL CUERNO DE ALIMENTACION EN EL REFLECTOR PRINCIPAL EN EL MODO DE TRANSMISION Y UN BLINDAJE QUE SE EXTIENDE DESDE EL BORDE EXTERIOR DEL REFLECTOR PRINCIPAL Y GENERALMENTE EN PARALELO AL EJE DEL REFLECTOR PRINCIPAL, ESTANDO LA SUPERFICIE INTERIOR DEL BLINDAJE ALINEADA CON MATERIAL ABSORBENTE PARA ABSORBER LA RADIACION NO DESEADA. EL SUBREFLECTOR ESTA CONFIGURADO PARA PRODUCIR UNA DISTRIBUCION DE ENERGIA DE APERTURA QUE ESTA SUSTANCIALMENTE CONFINADA A LA REGION DEL REFLECTOR PRINCIPAL FUERA DE LA SOMBRA DEL SUBREFLECTOR. EL SOPORTE PARA EL SUBREFLECTOR ES PREFERIBLEMENTE UN CONO DIELECTRICO HUECO QUE TIENE UN ESPESOR RESONANTE PARA HACER QUE LA ENERGIA QUE PASE A TRAVES DE DICHO CONO ESTE EN FASE CON LA ENERGIA REFLEJADA DESDE DICHO CONO PARA CONSEGUIR LA CANCELACION DE FASE.
Description
Antena de microondas con doble reflector.
La invención se refiere en general a antenas de
microondas, y, más en concreto, a antenas de microondas del tipo
que incluye un reflector paraboloide con un dispositivo de
alimentación que incluye un subreflector conformado (placa contra
salpicaduras) y una bocina de alimentación de modo doble.
La geometría típica de una antena Cassegrain
hiperbólica convencional incluye una bocina de alimentación
primaria, un subreflector hiperbólico, y un reflector paraboloide
principal. La porción central del subreflector hiperbólico está
conformada y colocada de manera que su punto focal virtual sea
coincidente con el centro de fase de la bocina de alimentación y su
punto focal real sea coincidente con el punto focal virtual del
reflector parabólico principal. En el modo de transmisión, la
bocina de alimentación ilumina el subreflector, el subreflector
refleja esta energía en una onda esférica alrededor de su punto
focal real para iluminar el reflector principal, y el reflector
principal convierte la onda esférica a una onda plana a través de la
abertura del reflector principal. Para suprimir la radiación de
ángulo ancho, la antena emplea un blindaje cilíndrico recubierto con
absorbente en el reflector principal. En el modo de recepción, el
reflector parabólico principal es iluminado por una onda plana
entrante y refleja esta energía en una onda esférica para iluminar
el subreflector, y el subreflector refleja la energía entrante en
la bocina de alimentación.
La geometría de una antena de alimentación
primaria típica incluye una bocina de alimentación con un
botón-gancho, y un reflector parabólico principal.
La porción central del reflector parabólico principal está
conformada y colocada de manera que su punto focal virtual sea
coincidente con el centro de fase de la bocina de alimentación. En
el modo de transmisión, la bocina de alimentación ilumina el
reflector principal, y el reflector principal irradia una onda
plana a través de la abertura del reflector principal. Para suprimir
la radiación de ángulo ancho, la antena emplea un blindaje
cilíndrico recubierto con absorbente en el reflector principal. En
el modo de recepción, el reflector parabólico principal es
iluminado por una onda plana entrante y refleja la energía entrante
en la bocina de alimentación.
Por lo general, las antenas anteriores deben
irradiar configuraciones sustancialmente simétricas con iguales
configuraciones de radiación de plano E y plano H. La configuración
de plano E corresponde a polarización horizontal y la configuración
de plano H corresponde a polarización vertical. Para irradiar
configuraciones simétricas de las antenas Cassegrain hiperbólicas o
la antena de alimentación primaria, la bocina de alimentación debe
irradiar configuraciones de plano E y plano H aproximadamente
iguales. Una bocina ondulada irradia configuraciones de radiación
aproximadamente simétricas; sin embargo, una bocina ondulada no es
una opción de diseño preferida a causa de su alto costo de
construcción, especialmente a frecuencias de longitudes de ondas
milimétricas correspondientes al rango de 20 a 60 gigahertzios (en
adelante "GHz"). En lugar de implementar la bocina ondulada
costosa, se puede usar una bocina de modo doble (en adelante
"DM"). La bocina DM irradia modos TE_{11} y TM_{11} y
tiene un costo de construcción bajo.
Por FR 2540297 se conoce una antena de
microondas con dos reflectores y un foco en forma de aro. Por EP
136817 se conoce una antena de microondas gregoriana. Por DE
2715796 se conoce una antena Cassegrain con un subreflector
hiperbólico.
Un objeto primario de esta invención es
proporcionar una antena de microondas que tiene alta eficiencia y
muy baja radiación de ángulo ancho con una corta longitud de
blindaje.
Otro objeto de esta invención es proporcionar
dicha una antena que tiene un bajo costo de fabricación.
Otro objeto de esta invención es proporcionar
dicha una antena que tiene baja carga debida al viento.
Según la presente invención, los objetivos
anteriores se realizan proporcionando una antena de microondas de
reflector doble que incluye la combinación de un reflector principal
paraboloide que tiene un eje; una guía de ondas y bobina de
alimentación de modo doble que se extienden a lo largo del eje del
reflector principal, un subreflector para reflejar radiación de la
bocina de alimentación sobre el reflector principal en el modo de
transmisión, y un blindaje que se extiende desde el borde exterior
del reflector principal y generalmente paralelo al eje del
reflector principal, estando recubierta la superficie interior del
blindaje con material absorbente para absorber radiación indeseada.
El subreflector está configurado para producir una distribución de
potencia de abertura que (1) está confinada sustancialmente a la
región del reflector principal fuera de la sombra del subreflector,
(2) se ahusa bruscamente junto al borde exterior del reflector
principal, y (3) se ahusa bruscamente junto al borde exterior de la
sombra de dicho subreflector en dicho reflector principal. El
soporte para el subreflector es preferiblemente un cono dieléctrico
hueco que tiene un grosor resonante para hacer que la energía que
pasa a través de dicho cono esté en fase con la energía reflejada de
dicho cono con el fin de lograr cancelación de fase. En una
realización preferida, el cono de soporte hueco es concéntrico con
la bocina de alimentación y está conectado entre la superficie
exterior de la guía de ondas y el borde exterior del subreflector.
La bocina de alimentación es preferiblemente una bocina de
alimentación DM.
Otros objetos y ventajas de la invención serán
evidentes por la siguiente descripción detallada y los dibujos
acompañantes.
La figura 1 es una vista en alzado posterior de
una antena de microondas que realiza la presente invención.
La figura 2 es una vista en sección vertical
tomada en general a lo largo de la línea 2-2 en la
figura 1.
La figura 3 es una vista ampliada de la porción
de alimentación de la antena de las figuras 1 y 2.
La figura 4 es una vista en alzado tomada desde
el lado izquierdo del dispositivo de alimentación según se ve en la
figura 2.
La figura 5 es una vista en alzado tomada desde
el lado derecho del dispositivo de alimentación según se ve en la
figura 2.
La figura 6 es una distribución de potencia de
abertura deseada a través de la mitad de la abertura, es decir, a
lo largo de un radio, del reflector principal de la antena de las
figuras 1-5.
La figura 7 es un diagrama de distribución de
rayos para la antena de las figuras 1-5.
Las figuras 8a y 8b son gráficos de
configuraciones medidas de radiación co-polar de
plano E y de plano H para la antena de microondas de las figuras
1-5 operada a 38,25 GHz.
Y las figuras 9a y 9b son gráficos de
configuraciones medidas de radiación polar-cruzada
de plano E y de plano H para la antena de microondas de la figura 1
operada a 38,25 GHz.
Aunque la invención se describirá en conexión
con algunas realizaciones preferidas, se entenderá que no se
pretende limitar la invención a esas realizaciones particulares. Por
el contrario, se pretende cubrir todas las alternativas,
modificaciones y equivalentes que se puedan incluir dentro del
espíritu y alcance de la invención definida por las
reivindicaciones anexas.
Volviendo ahora a los dibujos y con referencia
en primera lugar a las figuras 1-5, una antena de
microondas de reflector doble incluye un reflector paraboloide
principal 10, un subreflector conformado 11, un cono de soporte
dieléctrico hueco 12 y una guía de ondas 13 que forma una bocina de
alimentación DM 13a que se extiende a lo largo del eje del
reflector principal 10. En el modo de transmisión, la bocina de
alimentación DM 13a ilumina el subreflector 11 que refleja esta
energía en una onda esférica para iluminar una región anular del
reflector principal 10, que a su vez convierte la onda esférica a
una onda plana perpendicular al eje del reflector principal a
través de la abertura del reflector. En el modo de recepción, el
reflector principal 10 es iluminado por una onda plana entrante y
refleja esta energía en una onda esférica para iluminar el
subreflector 11, que a su vez refleja la energía entrante en la
bocina de alimentación 13a. (El término "alimentación" en el
sentido en que se usa así, aunque implica un uso evidente en un modo
de transmisión, se entenderá abarcando también el uso en un modo de
recepción, como es convencional en la técnica).
La guía de ondas 13 se soporta por un cubo
central 20 montado en una abertura en el centro de una chapa de
montaje 21 unida al reflector principal 10. El cubo 20 incluye una
pestaña 20a que se mantiene contra un lado de una pestaña 21a en la
chapa 21 por medio de cuatro tornillos 22 que pasan a través de un
disco 23 y se enroscan en la pestaña de cubo 20a. Cuando se
aprietan los tornillos 22, arrastran la pestaña de cubo 20a y el
disco 23 apretadamente contra lados opuestos de la pestaña 21a. La
guía de ondas 13 se fija al cubo por roscas 13b en la superficie
exterior de una porción de extremo de la guía de ondas, que acoplan
con roscas correspondientes en la superficie interior del cubo 20.
Una junta tórica 24 bloquea la entrada de humedad en la interface
entre la guía de ondas y el cubo. Se observará que las superficies
expuestas del cubo 20 y la chapa de montaje 21 en el lado del
reflector principal 10 que mira al subreflector, están confinadas a
una zona que es más pequeña que la sombra del subreflector en el
reflector principal, es decir, más pequeña que el diámetro del
subreflector y su estructura de soporte.
Con el fin de soportar el subreflector 11 en la
posición deseada con relación al reflector principal 10 y la bocina
de alimentación 13a, el subreflector se monta en el extremo ancho
del cono dieléctrico hueco 12, que se fija en su extremo más
pequeño a la superficie exterior de la guía de ondas 13.
Específicamente, el extremo pequeño del cono hueco 12 termina en un
manguito cilíndrico 12a que tiene roscas internas para enganchar
roscas externas en la guía de ondas 13. Una pestaña de tope 13c en
la guía de onda determina la posición final del cono hueco 12 a lo
largo de la longitud de la guía de ondas, y una junta tórica 25 se
monta preferiblemente en la interface entre la guía de ondas y el
manguito 12a para evitar la migración de humedad al interior del
subsistema que incluye la guía de ondas, la bocina de alimentación,
el cono de soporte hueco y el subreflector. El grosor resonante del
cono dieléctrico hueco 12 se selecciona preferiblemente para hacer
que la energía que pasa a través del cono hueco esté en fase con la
energía reflejada del cono hueco con el fin de lograr cancelación
de fase. El cono dieléctrico hueco se moldea preferiblemente de un
material dieléctrico adecuado que sea térmicamente estable y no
absorba humedad, de modo que proporcione integridad mecánica,
estabilidad y resistencia a la antena.
Con el fin de facilitar la unión del
subreflector al cono hueco de soporte 12, el extremo ancho del cono
hueco 12 termina en una pestaña que se extiende hacia fuera 12b
formando un rebaje que es complementario de la porción periférica
exterior del subreflector. Específicamente, la pestaña 12b se
extiende a lo largo del borde exterior del subreflector y una
porción periférica adyacente de la superficie del subreflector que
mira al cono hueco 12. Se forman roscas cooperantes en las
superficies opuestas de la periférica exterior del subreflector 11
y un labio 12c en el extremo exterior de la pestaña 12b de manera
que estas dos partes se puedan enroscar conjuntamente de forma
simple. Una junta tórica 26 entre las superficies opuestas de la
pestaña 12b y el subreflector 11 evita la migración de humedad a
través de esa interface.
El subreflector está conformado de manera que
(1) sustancialmente la toda la radiación reflejada por el
subreflector ilumine la porción del reflector principal 10 entre el
borde exterior del reflector principal y el borde exterior de la
sombra del subreflector en el reflector principal, y (2) la
distribución de potencia de abertura sea aproximadamente constante
a través de la porción principal, preferiblemente al menos dos
tercios de la zona, de la región iluminada del reflector principal
10. La distribución de potencia de abertura cae preferiblemente
bruscamente en los bordes interior y exterior de la zona iluminada
del reflector principal 10. Un ejemplo específico de tal
distribución de potencia de abertura se ilustra en la figura 6,
donde la potencia deseada P_{A} se representa como una función de
la distancia normalizada del eje de abertura, o X/(D/2) donde X es
la distancia del eje de abertura y D es el diámetro del reflector
principal.
La distribución de rayos correspondiente entre
el subreflector 11 y el reflector principal 10 se ilustra en la
figura 7. Se puede ver que la forma generalmente cóncava entre el
centro y borde exterior del subreflector produce un haz anular que
confina la iluminación del reflector principal a una región anular
entre la sombra del subreflector y el borde exterior del reflector
principal.
Para obtener la forma correcta del subreflector
11 que produce la distribución de potencia de abertura deseada de
la figura 6, se deben cumplir simultáneamente las condiciones
siguientes: (1) conservación de potencia de la energía de la bocina
de alimentación después de la reflexión del subreflector y reflector
principal, (2) invocación de la Ley de Snell en el subreflector y
el reflector principal, y (3) realizar fase aproximadamente
constante a través de la porción iluminada de la abertura del
reflector. Estas tres condiciones proporcionan ecuaciones
diferenciales que se pueden resolver para determinar las formas
óptimas para el reflector principal y el subreflector. Una vez
determinadas las formas, se puede usar una parábola de ajuste óptimo
para la forma real del reflector principal.
Para suprimir la radiación de ángulo ancho, la
antena de las figuras 1-5 emplea un blindaje
cilíndrico recubierto con absorbente 30 recubierto con material
absorbente 31 para absorber radiación indeseada. En la realización
preferida ilustrada en los dibujos el blindaje 30 se forma como una
parte integral del reflector principal 10, que se extiende desde el
borde exterior del reflector principal y generalmente paralelo al
eje del reflector principal. Una ventaja de la antena de esta
invención es que la longitud del blindaje recubierto con absorbente
se puede reducir significativamente en comparación con los blindajes
requeridos para antenas Cassegrain hiperbólicas previas o antenas
de alimentación primaria. Dado que el subreflector conformado 11
realiza la rápida caída de potencia en el borde del reflector, la
longitud del blindaje recubierto con absorbente necesario para
absorber radiación de ángulo ancho se reduce significativamente.
Por ejemplo, un diámetro típico de abertura del reflector de doce
pulgadas, la longitud del blindaje recubierto con absorbente es
aproximadamente tres pulgadas para la antena de esta invención, en
comparación con ocho a diez pulgadas para una antena de alimentación
primaria o seis a ocho pulgadas para una antena Cassegrain
hiperbólica. La longitud reducida del blindaje recubierto con
absorbente reduce la carga debida al viento en la antena y mejora el
aspecto ambiental y estético de la antena.
Una ventaja adicional del subreflector
conformado usado en la antena de esta invención es que proporciona
una pequeña relación de voltaje de ondas estacionarias ("VSWR")
y configuraciones de radiación mejoradas. El subreflector
conformado retrodispersa muy poca energía en la región de bocina o
región de sombra de la antena. Dado que la energía dispersada de la
bocina y sombra del subreflector produce la degradación de
configuraciones de radiación, el subreflector conformado reduce la
VSWR y mejora las configuraciones radiadas.
Las figuras 8a y 8b son gráficos de
configuraciones medidas de radiación co-polar de
plano E y de plano H para la antena de microondas de las figuras
1-5 operada a 38,25 GHz, y las figuras 9a y 9b son
gráficos de las configuraciones de radiación
polar-cruzada de plano E y de plano H medidas
correspondientes. Las configuraciones de plano E y de plano H
cumplen los requisitos corrientemente exigidos por el Instituto
Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI) en Europa y la FCC
en los Estados Unidos. Las configuraciones también son altamente
direccionales. Aunque las configuraciones ilustrativas se produjeron
a una frecuencia de 38,25 GHz, se pueden obtener resultados
similares a través del rango de frecuencia de microondas que se
extiende desde aproximadamente 2 GHz a aproximadamente 60 GHz
modificando simplemente las dimensiones de la bocina de alimentación
DM y la forma del subreflector. Además, la forma particular del
subreflector ilustrada en las figuras 2 y 3 es adecuada para uso en
un rango de frecuencia que se extiende desde aproximadamente 22 GHz
a aproximadamente 40 GHz con modificación apropiada de las
dimensiones de la bocina de alimentación DM.
Así, se puede ver que la antena descrita
anteriormente proporciona una antena de microondas de bajo costo
que tiene alta eficiencia directiva y baja radiación de ángulo ancho
con longitudes de blindaje muy pequeñas. A su vez, la pequeña
longitud de blindaje proporciona en la antena una baja carga debida
al viento que reduce el costo de la estructura de soporte requerida
para la antena.
Claims (12)
1. Una antena de microondas de reflector doble
para usar en sistemas de comunicaciones terrestres, incluyendo
dicha antena la combinación de
un reflector paraboloide principal (10) que
tiene un eje;
una guía de ondas (13) y bocina de alimentación
de modo doble (13a) que se extienden a lo largo el eje de dicho
reflector principal (10),
un subreflector conformado (11) para reflejar
radiación de dicha bocina de alimentación (13a) sobre dicho
reflector principal (10) en el modo de transmisión sin que dicha
radiación reflejada se enfoque entre el subreflector y el reflector
principal, donde la superficie de dicho subreflector (11) que mira a
dicho reflector principal (10) es generalmente cóncava entre el
centro y el borde exterior del subreflector (11), estando
configurado dicho subreflector (11) para producir una distribución
de potencia de abertura que
- (a)
- está confinada sustancialmente a la región de dicho reflector principal (10) fuera de la sombra de dicho subreflector (11),
- (b)
- se ahusa bruscamente junto al borde exterior del reflector principal (10), y
- (c)
- se ahusa bruscamente junto al borde exterior de la sombra de dicho subreflector (11) en dicho reflector principal (10), y
un blindaje (30) que se extiende desde el borde
exterior de dicho reflector principal (10) y generalmente paralelo
al eje del reflector principal (10), estando recubierta la
superficie interior de dicho blindaje (30) con material absorbente
para absorber radiación indeseada.
2. La antena de la reivindicación 1, donde dicho
blindaje (30) termina en un plano que es perpendicular al eje del
reflector principal (10) y sólo ligeramente más lejos del centro del
reflector principal (10) que la superficie reflectora del
subreflector (11).
3. La antena de la reivindicación 1, donde dicho
subreflector (11) está conformado para reflejar energía de dicha
bocina (13a) en un haz anular confinado sustancialmente a la región
del reflector principal (10) fuera de la sombra del subreflector
(11).
4. La antena de la reivindicación 1 que incluye
medios de soporte dieléctricos (12) conectados entre la superficie
exterior de dicha guía de ondas (13) y el borde exterior de dicho
subreflector (11) para montar el subreflector (11) en la guía de
ondas (13).
5. La antena de la reivindicación 4, donde
dichos medios de soporte dieléctricos (12) incluyen un cono hueco
(12) tener un grosor resonante para hacer que la energía que pasa a
través de dicho cono (12) esté en fase con la energía reflejada de
dicho cono (12) con el fin de lograr cancelación de fase.
6. La antena de la reivindicación 1, donde dicha
guía de ondas (13) está unida a y soportada por un cubo en el
centro de dicho reflector principal (10).
7. Una antena de microondas de reflector doble
para uso en sistemas de comunicaciones terrestres, incluyendo dicha
antena la combinación de:
un reflector paraboloide principal (10) que
tiene un eje;
una guía de ondas (13) y bocina de alimentación
(13a) que se extienden a lo largo del eje de dicho reflector
principal (10), un subreflector conformado (11) para reflejar
radiación de dicha bocina de alimentación (13a) sobre dicho
reflector principal (10) en el modo de transmisión sin que dicha
radiación reflejada se enfoque entre el subreflector y el reflector
principal, donde la superficie de dicho subreflector (11) que mira a
dicho reflector principal (10) es generalmente cóncava entre el
centro y el borde exterior del subreflector (11), estando
configurado dicho subreflector (11) para producir una distribución
de potencia de abertura que
- (a)
- está confinada sustancialmente a la región de dicho reflector principal fuera de la sombra de dicho subreflector (11),
- (b)
- se ahusa bruscamente junto al borde exterior del reflector principal (10), y
- (c)
- se ahusa bruscamente junto al borde exterior de la sombra de dicho subreflector (11) en dicho reflector principal (10), y
un cono dieléctrico hueco (12) concéntrico con
dicha bocina de alimentación (13a) para soportar dicho subreflector
(11), teniendo dicho cono (12) un grosor resonante para hacer que la
energía que pasa a través de dicho cono esté en fase con la energía
reflejada de dicho cono con el fin de lograr cancelación de
fase.
8. La antena de la reivindicación 7 que incluye
un blindaje (30) que se extiende desde el borde exterior de dicho
reflector principal (10) y generalmente paralelo al eje del
reflector principal (10), estando recubierta la superficie interior
de dicho blindaje (30) con material absorbente para absorber
radiación indeseada.
9. La antena de la reivindicación 7, donde dicho
cono dieléctrico hueco (12) está unido a la superficie exterior de
dicha guía de ondas (13).
10. La antena de la reivindicación 8, donde
dicho blindaje (30) termina en un plano que es perpendicular al eje
del reflector principal (10) y sólo ligeramente más lejos del centro
del reflector principal (10) que la superficie reflectora del
subreflector (11).
11. La antena de la reivindicación 7, donde
dicho subreflector (11) está conformado para reflejar energía de
dicha bocina (13a) en un haz anular confinado sustancialmente a la
región del reflector principal (10) fuera de la sombra del
subreflector (11).
12. La antena de la reivindicación 7, donde
dicha guía de ondas está unida a y soportado por un cubo en el
centro de dicho reflector principal (10).
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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