ES2295944T3 - Sistema de antenas de elementos multiples con una inclinacion electrica controlable. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de antenas de elementos múltiples en fase con inclinación eléctrica controlable que incluye una antena (124) con múltiples elementos de antena (124U1 a 124L3), comprendiendo el sistema: (a) medios (42, 46, 94) para proporcionar dos señales de base con demora relativa variable entre ellas, (b) medios de división (106a, 106b) para dividir las señales de base en componentes de señal, caracterizado porque el sistema (40) tiene: (c) medios de conversión primeros (110 a 114) para convertir los componentes de señal en componentes transformados con potencias que varían a medida que varía la demora relativa, y (d) medios de conversión segundos (116 a 120) para convertir los componentes transformados en señales de conducción de elemento de antena con fases que varían progresivamente desde un elemento de antena (por ejemplo, 124U1) hasta un elemento de antena (por ejemplo, 124U2) a través de la antena (124) cuando el haz de antena se inclina eléctricamente el cual varía individualmente a medida que varía la demora relativa.
Description
Sistema de antenas de elementos múltiples con
una inclinación eléctrica controlable.
La presente invención se refiere a un sistema de
antenas de elementos múltiples en fase con inclinación eléctrica
controlable. El sistema de antenas es adecuado para utilizarlo en
muchos sistemas de telecomunicaciones, sin embargo encuentra una
aplicación particular en redes de radio móvil celular, normalmente
referidas como redes de teléfonos móviles. Más específicamente,
pero sin limitación, el sistema de antena de la invención se puede
utilizar con redes de teléfonos móviles de segunda generación (2G)
tales como el sistema GSM, CDMA (IS95), D-AMPS
(IS136) y sistemas PCS y redes de teléfonos móviles de tercera
generación (3G) tales como la de Sistema de Telefonía Móvil
Universal (UMTS), y otros sistemas celulares.
Los operadores de redes de radio móvil celular
generalmente emplean sus propias estaciones de base cada una de las
cuales tiene al menos una antena. En una red de radio móvil celular,
las antenas son un factor primario al definir un área de cobertura
en la que puede tener lugar la comunicación a la estación de base.
El área de cobertura generalmente se divide en varias células
asociadas cada una de ellas con una antena y una estación de base
respectiva.
Cada celda contiene una estación de base para
comunicar por radio con todas las radios móviles (móviles) en esa
célula. Las estaciones de base se conectan entre sí mediante otros
medios de comunicación, normalmente líneas de tierra fijas, o
enlaces de radio de punto a punto, que permiten a las radios móviles
comunicarse una con otra a través del área de cobertura de la
célula además de con la red de teléfono publica en el exterior de
la red de radio de móviles celulares.
Las redes de radio móvil celular que utilizan
antenas de elementos múltiples en fase son conocidas: tal antena
comprende un conjunto de elementos de antena individual (usualmente
ocho o más) tales como dipolos o parches. La antena tiene un patrón
de radiación que incorpora un lóbulo principal y lóbulos laterales.
El centro del lóbulo principal es la dirección de la antena de
máxima sensibilidad en modo de recepción y la dirección de su haz
de radiación de salida principal en modo de transmisión. Una
propiedad bien conocida de una antena de elementos múltiples en
fase es que las señales recibidas por los elementos de antena se
retrasan por una demora que varía con la distancia del elemento
desde un borde de los elementos múltiples, entonces el haz de
radiación principal de la antena se dirige hacia la dirección la
demora en aumento. El ángulo entre los centros de haz de radiación
principal correspondientes a la variación en demora de cero y no
cero, depende del tipo de cambio de demora con la distancia a
través de los elementos múltiples.
La demora se puede realizar de manera
equivalente cambiando la fase de señal, por lo tanto la expresión
elementos múltiples en fase. Por consiguiente, se puede alterar el
haz principal del patrón de antena ajustando la relación de fase
entre señales transmitidas a los elementos de antena. Esto permite
al haz ser dirigido para modificar el área de cobertura de la
antena.
Los operadores de antenas de elementos múltiples
en fase en redes de radio móvil celular tienen un requisito para
ajustar su patrón de radiación vertical de antenas, es decir el
corte transversal del patrón en el plano vertical. Esto es
necesario para alterar el ángulo vertical del haz principal de la
antena, también conocido como la "inclinación", con objeto de
ajustar el área de cobertura de la antena. Tal ajuste puede
requerirse, por ejemplo, para compensar cambios en la estructura de
red celular o número de estaciones de base o antenas. El ajuste del
ángulo de inclinación de la antena se conoce mecánica y
eléctricamente, o bien individualmente o en combinación.
El ángulo de inclinación de la antena se puede
ajustar mecánicamente moviendo los elementos de antena o su
caparazón-protector (radoma): lo que se conoce como
ajustar el ángulo de "inclinación mecánica". Como se describió
anteriormente, el ángulo de inclinación de antena se puede ajustar
eléctricamente cambiando el retraso de tiempo o fase de las señales
enviadas a o recibidas desde cada elemento múltiple de antena (o
grupo de elementos) sin movimiento físico: esto se conoce como
ajustar el ángulo de "inclinación eléctrica". Cuando una red de
radio móvil celular, usa un patrón de radiación vertical de antenas
de elementos múltiples en fase (VRP) tiene varios requisitos
importantes:
- 1.
- ganancia en alineación elevada;
- 2.
- un primer nivel de lóbulo lateral superior suficientemente bajo para impedir interferencias a móviles que utilizan una estación base en una célula diferente;
- 3.
- un primer nivel de lóbulo lateral inferior suficientemente alto para permitir comunicaciones en la proximidad inmediata de la antena;
- 4.
- niveles de lóbulo lateral que permanezcan dentro de límites predeterminados cuando la antena se inclina eléctricamente.
Los requisitos son contradictorios entre sí, por
ejemplo, aumentar la ganancia en alineación puede aumentar el nivel
de los lóbulos laterales. También puede cambiar la dirección y nivel
de los lóbulos laterales cuando la antena se inclina
eléctricamente.
Para proporcionar un compromiso conveniente de
funcionamiento del sistema completo se ha encontrado un primer
nivel máximo de lóbulo lateral superior, respecto al nivel de
alineación, de -18dB.
El efecto de ajustar bien el ángulo de
inclinación mecánica o el ángulo de inclinación eléctrica es
reposicionar la alineación, de modo que para un conjunto que se
coloca en un plano vertical, apunta bien por encima o por debajo el
plano horizontal, y por tanto cambia el área de cobertura de la
antena. Es deseable ser capaz de variar la inclinación mecánica y
la inclinación eléctrica de una antena de estación de base de radio
celular: esto permite una máxima flexibilidad en la optimización de
la cobertura de célula, puesto que estas formas de inclinación
tienen diferentes efectos en la cobertura terrestre de antena y
también en otras antenas en la vecindad inmediata de la estación.
También, se mejora la eficacia de funcionamiento si el ángulo de
inclinación eléctrica se puede ajustar a distancia desde el
conjunto de antena. Mientras un ángulo de inclinación mecánica de
antena se puede ajustar volviendo a posicionar su
caparazón-protector, cambiar su ángulo de
inclinación eléctrica requiere circuitos electrónicos adicionales
que aumentan el coste y la complejidad de la antena. Además, si una
única antena se comparte entre varios operadores es preferible
proporcionar un ángulo diferente de inclinación eléctrica a cada
operador.
La necesidad de un ángulo individual de
inclinación eléctrica de una antena compartida hasta ahora ha dado
como resultado compromisos en el funcionamiento de la antena. La
ganancia en alineación decrecerá en proporción al coseno del ángulo
de inclinación debido a una reducción en la abertura de la antena
(esto es inevitable y sucede en todos los diseños de antena). Como
consecuencia del método utilizado para cambiar el ángulo de
inclinación se pueden obtener reducciones adicionales en la ganancia
en alineación.
En el capítulo 20, Figura 20-2
del Antenna Engineers Handbook de R. C. Johnson, McGraw Hill, ISBN
0-07-032381-X, se
describe un método conocido para ajustar localmente o a distancia un
ángulo de inclinación eléctrica de antenas de elementos múltiples
en fase. En este método una señal portadora transmisora de radio
frecuencia (RF) se transmite a la antena y se distribuye a los
elementos de radiación de antena. Cada elemento de antena tiene
asociado consigo un cambiador de fase respectivo de modo que la
señal de fase se puede ajustar como una función de distancia a
través de la antena para variar el ángulo de inclinación eléctrica.
La distribución de potencia a los elementos de antena cuando la
antena no está inclinada se proporciona a fin de establecer el
nivel de lóbulo lateral y la ganancia en alineación. El control
óptimo del ángulo de inclinación se obtiene cuando el frente de
fase se controla para todos los ángulos de inclinación de modo que
el nivel de lóbulo lateral no aumenta por encima de la gama de
inclinación. Si se requiere, el ángulo de inclinación eléctrica se
puede ajustar a distancia utilizando un servomecanismo para
controlar los cambiadores de fase.
Esta antena de método de técnica anterior tiene
varias desventajas. Se requiere un cambiador de fase para cada
elemento de antena. El coste de la antena es elevado debido al
número de cambiadores de fase requeridos. La reducción de costes
aplicando dispositivos de demora a los respectivos grupos de
elementos de antena en vez de a elementos individuales aumenta el
nivel de lóbulo lateral. Para ajustar los retrasos se utilizan
acoplamientos mecánicos de dispositivos de demora, pero resulta
difícil hacer esto correctamente, además se requieren conexiones
mecánicas y engranajes que dan como resultado una distribución de
demoras no optima. El nivel de lóbulo lateral superior aumenta
cuando la antena se inclina hacia abajo originando así una fuente
potencial de interferencia a móviles que utilizan otras células. Si
la antena se comparte por varios operadores, los operadores tienen
un ángulo común de inclinación eléctrica en vez de ángulos
diferentes. Finalmente, si la antena se utiliza en un sistema de
comunicaciones (como es común) con conexión superior y con conexión
inferior a diferentes frecuencias (sistema dúplex de división de
frecuencia), los ángulos de inclinación eléctrica en modos de
transmisión y recepción son diferentes.
Las Solicitudes de Patente Nos.
PCT/GB2002/004166, PCT/GB2002/004930, GB307558.7 y GB0311371.9
describen diferentes soluciones para ajustar localmente o a
distancia un ángulo de antena de inclinación eléctrica merced a una
diferencia de fase entre dos señales transmitidas a un circuito de
antena. El documento PCT/GB2004/001297 se refiere a ajustar la
inclinación eléctrica al dividir una señal portadora en dos señales,
cambiando la fase de manera variable de una señal respecto a la
otra y aplicando una fase a la conversión de potencia de las
señales resultantes. Las señales convertidas se dividen y se someten
a la conversión de potencia a fase para alimentar a los elementos
de antena. La inclinación eléctrica se ajusta variando el cambio de
fase entre las dos señales. El documento PCT/GB2004/002016 se
refiere también a introducir un cambio de fase relativo variable
entre dos señales, que luego se dividen en componentes: se forman
combinaciones vectoriales de los componentes para proporcionar
señales de guiado respectivas para elementos de antena individuales.
Aquí una vez más la inclinación eléctrica se ajusta variando el
cambio de fase entre las dos señales.
No obstante, existe un problema relacionado con
la división de señales de RF, debido a que las relaciones de
división pueden ser demasiado elevadas para llevarse a cabo en una
operación de división única: se pueden requerir dos o más
operaciones en cascada lo que aumenta el tamaño de circuito, los
costes y la complejidad. La razón de esto estriba en el hecho de
que los divisores se realizan dividiendo una pista de micro bandas
en una tarjeta de circuito en bandas más estrechas con diferente
impedancia comparada con la de la pista antes de la división. La
impedancia de micro banda se refiere a una anchura de pista mediante
una expresión muy complicada y empírica, que para una pista de 50
Ohm un espesor típico de soporte de placa sería de 2,8 mm de
anchura. A medida que se aumenta la impedancia la pista se estrecha
hasta que es demasiado estrecha para un pegado fiable al soporte.
El fallo para producir un pegado fiable se produce con anchuras de
pista menores de aproximadamente 0,2 mm: esta anchura da una
impedancia de aproximadamente 150 Ohms, que representa una relación
de división de 9,5 dB, que por tanto no es deseable exceder para un
partidor único.
El documento PCT/GB2004/001297 requiere
relaciones de partición de 19 dB, lo que significa al menos dos
operaciones de partición en cascada.
Otros problemas potenciales son los siguientes:
a) se pueden requerir muchas más salidas de partición que las que
se puede realizar en un divisor único; b) variando de manera amplia
las relaciones de división reduce la gama de frecuencia sobre la
que una antena se puede inclinar mientras retiene un nivel deseable
de lóbulo lateral inferior; y c) divisiones múltiples dan como
resultado una red de transmisión de señal corporativa a una antena
con diferentes longitudes de transmisión a elementos de antena
individuales. De estos c) requiere componentes adicionales para
introducirse de modo que el tiempo de transito de señal hasta cada
elemento sea el mismo para obtener una red de fase neutra y una
respuesta de frecuencia optimizada. Todos estos problemas hacen
deseable reducir el número de divisores y las relaciones de
división.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar una forma alternativa de sistema de antenas de
elementos múltiples.
La presente invención proporciona un sistema de
antenas de elementos múltiples en fase con inclinación eléctrica
controlable que incluye una antena con elementos de antena múltiples
por lo que el sistema tiene:
- a)
- medios para suministrar dos señales de base con un demora relativa variable entre ellas,
- b)
- medios de división para dividir las señales de base en componentes de señal,
- c)
- medios convertidores primeros para convertir los componentes de señal en componentes transformados con potencias que varían a medida que varía la demora relativa, y
- d)
- medios convertidores segundos para convertir los componentes transformados en señales de guiado de elemento de antena con fases que varían progresivamente a través de la antena de elemento de antena a elemento de antena cuando el haz de antena se inclina eléctricamente y el cual varía individualmente a medida que varía la demora relativa.
La invención proporciona la ventaja de que
permite que se controle la inclinación eléctrica con una sola
demora relativa variable, aunque si se requiere se pueden utilizar
una pluralidad de demoras para aumentar una gama obtenible de
inclinación eléctrica y esto requiere relativamente pocas
operaciones de división.
Los medios convertidores primeros pueden ser una
pluralidad de dispositivos de acoplamiento de radio frecuencia
híbridos ("híbridos") dispuestos para proporcionar sumas y
diferencias de pares de componentes de señal, teniendo cada par
componentes de señal desde ambas señales de base. Pueden ser una
pluralidad de híbridos de 180 grados dispuestos para proporcionar
sumas y diferencias de pares de componentes de señal, teniendo cada
par de señal componentes desde ambas señales de base. Cada par
puede tener componentes de señal de igual magnitud, no siendo igual
cada magnitud de componente de par a la de otro par.
Los híbridos pueden ser híbridos primeros y los
medios convertidores segundos pueden incorporar una pluralidad de
híbridos segundos dispuestos para generar las señales de guiado de
elemento de antena. Los medios de división de pueden ser unos
medios divisores primeros y los medios convertidores segundos pueden
incorporar unos medios divisores segundos dispuestos para dividir
las sumas y diferencias en componentes para introducirlos a los
híbridos segundos. Los medios divisores primeros se pueden disponer
para dividir cada una de las señales de base en tres componentes de
señal. Los medios divisores segundos pueden ser una pluralidad de
divisores de dos direcciones.
En una realización preferida, la invención se
dispone de manera que todas las pistas para señales de base hacia
elementos de antena contengan el mismo número y tipo de
componentes.
En otro aspecto, la presente invención
proporciona un método de controlar la inclinación eléctrica de un
sistema de antenas de elementos múltiples en fase que incluye una
antena con múltiples elementos de antena, por lo que el método
incorpora las operaciones de:
a) proporcionar dos señales de base con demora
relativa variable entre ellas,
b) dividir las señales de base en componentes de
señal,
c) convertir los componentes de señal en
componentes transformados con potencias que varían a medida que la
demora relativa varía, y
d) convertir los componentes transformados en
señales de guiado de elemento de antena con fases que varían
progresivamente a través de la antena de elemento de antena a
elemento de antena cuando el haz de antena se inclina
eléctricamente y que varía individualmente a medida que varía la
demora relativa.
El aspecto de método de la invención puede
incorporar características preferidas equivalentes mutatis
mutandis a las del aspecto del sistema de antena.
Con objeto de que la invención se pueda
entenderse mejor, se describirán realizaciones de la misma, solo a
modo de ejemplo, con relación a los dibujos que se acompañan en los
que:
La Figura 1 muestra un patrón de radiación
vertical (VRP) de antenas de elementos múltiples en fase con ángulos
de inclinación eléctrica de cero y no cero;
La Figura 2 ilustra una antena de elementos
múltiples en fase de la técnica anterior con un ángulo de
inclinación eléctrica regulable;
La Figura 3 es un diagrama de bloques de un
sistema de antenas de elementos múltiples en fase de la invención
que utiliza una sola demora de tiempo;
La Figura 4 es un diagrama de bloques de un
sistema de antenas de elementos múltiples en fase de la invención
que utiliza dos demoras de tiempo;
La Figura 5 muestra una red de distribución de
potencia para utilizarla en el sistema de las Figuras 3 ó 4;
Las Figuras 6a y 6b muestran una red de
distribución de potencia para utilizarla en un sistema de la
invención con una antena de 12 elementos;
La Figura 7 es un diagrama en esquema de un
dispositivo de acoplamiento de RF hibrido utilizado en las redes de
las Figuras 5 y 6;
Las Figuras 8a y 8b son diagramas de vector que
ilustran fases de señales de guiado de elemento de antena
producidas por l red de la Figura 6;
La Figura 9 muestra un hibrido 182 de 180 grados
que recibe entradas A y B de dos tensiones de igual amplitud Va y
Vb que tienen entre ellas un cambio de fase relativo de \phi;
La Figura 10 es un diagrama de vectores de los
vectores +A, +B, -B, A+B y A-B;
La Figura 11 muestra como varían las magnitudes
relativas de A+B y A-B (línea discontinua) a medida
que su diferencia de fase \phi se ajusta desde -180 grados hasta
0 hasta 180 grados; y
La Figura 12 muestra la variación de fase A+B y
A-B a medida que \phi se ajusta desde 180 grados a
0 hasta +180 grados.
\vskip1.000000\baselineskip
Haciendo referencia a la Figura 1, en ella se
muestran los patrones de radiación vertical (VRP) 10a y 10b de una
antena 12 que son unos elementos múltiples en fase de elementos de
antena individuales (no mostrados). La antena 12 es plana, tiene un
centro 14 y se extiende perpendicular al plano del dibujo los VPRs
10a y 10b corresponden a respectivamente a una variación en demora
o fase de cero y no cero de señales de elementos de antena con
distancia de elemento de conjunto a través de la antena 12 desde un
borde de conjunto. Tienen lóbulos principales respectivos 16a, 16b
con ejes geométricos o "eje de alineación" 18a, 18b, lóbulos
laterales superiores primeros 20a, 20b y lóbulos laterales
inferiores primeros 22a, 22b; 18c indica la dirección de alineación
para una variación en demora de cero para compararlo con el
equivalente no cero 18b. Cuando se hace referencia a sin el sufijo
a ó b, por ejemplo, lóbulo lateral 20, se está haciendo referencia
sin distinción a cualquiera de los pares de elementos relevantes.
El VRP 10b está inclinado (hacia abajo como se ilustra) respecto al
VRP 10a, es decir hay un ángulo - el ángulo de inclinación - entre
ejes geométricos de haz principal 18b y 18c que tienen una magnitud
que depende del grado en que varía la demora con la distancia a lo
largo de la antena 12.
El VRP tiene que satisfacer varios criterios: a)
ganancia en elevación elevada; b) el lóbulo lateral superior
primero 20 debería estar a un nivel suficientemente bajo para
impedir originar interferencia a móviles que utilizan otra célula;
c) el lóbulo lateral inferior primero 22 debería estar a un nivel
suficiente para hacer posible comunicaciones en la antena de la
vecindad inmediata de la 12; y d) cuando la antena se inclina
eléctricamente el nivel y dirección de los lóbulos laterales deben
permanecer dentro de límites de diseño predeterminados. Estos
requerimientos son conflictivos entre sí, por ejemplo, maximizar la
ganancia en alineación puede hacer aumentar los lóbulos laterales
20, 22. Respecto a un nivel de alineación (longitud máxima del haz
16), se ha establecido un nivel máximo de -18 dB de lóbulo lateral
superior primero para proporcionar un compromiso conveniente en el
funcionamiento de todo el sistema. La ganancia en alineación
disminuye en proporción al coseno del ángulo de inclinación debido
a la reducción de la abertura efectiva de la antena. Dependiendo en
cómo se hace variar el ángulo de inclinación pueden obtenerse
reducciones adicionales en ganancias en alineación.
El efecto de ajustar bien el ángulo de
inclinación mecánica o el ángulo de inclinación eléctrica es volver
a posicionar la alineación de modo que apunte bien por encima o por
debajo del plano horizontal y por lo tanto ajustar el área de
cobertura de la antena. Para la máxima flexibilidad de uso, una
estación de base de radio celular preferiblemente tiene disponible
la inclinación mecánica y la inclinación eléctrica ya que cada una
de ellas tiene un efecto diferente sobre la cobertura en el terreno
y también sobre otras antenas en la vecindad próxima. También es
conveniente si la inclinación eléctrica de una antena se puede
ajustar a distancia de la antena. Además, si una antena única se
comparte entre varios operadores, es preferible proporcionar un
ángulo de inclinación eléctrica para cada operador, aunque esto
compromete el funcionamiento de la antena de la técnica
anterior.
Haciendo referencia ahora a la Figura 2, se
muestra un sistema 30 de antenas de elementos múltiples en fase, de
la técnica anterior, en el que el ángulo de inclinación eléctrica es
ajustable. El sistema 30 incorpora una entrada 32 para una señal
portadora de transmisor de radio frecuencia (RF), conectándose la
entrada a una red 34 de distribución de potencia. La red 34 se
conecta a través de cambiadores Phi.E0, Phi.E1L a
Phi.E(n)L y Phi.E1U del sistema 30 de antenas de
elementos múltiples en fase: aquí el sufijo U indica superior y el
sufijo L indica inferior, n es un entero positivo arbitrario que
define el tamaño de los elementos múltiples en fase, y las líneas
de puntos tales como la 36 indican el elemento importante que se
puede replicar o retirar según se requiera para cualquier tamaño de
conjunto deseado.
El sistema 30 de antenas de elementos múltiples
en fase funciona como sigue. Una señal portadora de trasmisor de
RF, se transmite a la red 34 de distribución de potencia a través de
la entrada 32: la red 34 divide esta señal (no necesariamente en
partes iguales ) entre los cambiadores de fase Phi.E0, Phi.E1L a
Phi.E(n)L y Phi.E1U a Phi.E(n)U, los
cuales cambian de fase sus respectivas señales divididas y las pasan
con cambios de fase a elementos de antena asociados E0, E1L a
E(n)L, E1U a E(n)U respectivamente. Los
cambios de fase se eligen para seleccionar un ángulo apropiado de
inclinación eléctrica. La distribución de potencia entre los
elementos de antena E0 etc., cuando el ángulo de inclinación
es cero se elije para establecer apropiadamente el nivel de lóbulo
lateral y de ganancia en alineación. El control óptimo del ángulo de
inclinación eléctrica se obtiene cuando se controla el frente de
fase a través del conjunto de elementos E0 etc., para todos
los ángulos de inclinación de modo que el nivel del lóbulo lateral
no aumenta sensiblemente sobre la gama de inclinación. Si se
requiere, el ángulo de inclinación eléctrica se puede ajustar a
distancia utilizando un servomecanismo para controlar los
cambiadores de fase Phi.E0, Phi.E1L a Phi.E(n)L y
Phi.E1U a Phi.E(n)U, que se pueden accionar
mecánicamente.
El sistema de antenas (30) de elementos
múltiples en fase tiene varias de las siguientes desventajas:
- a)
- para cada elemento de antena, o (menos ventajosamente) por grupo de elementos se requiere un cambiador de fase;
- b)
- el coste de la antena es elevado debido al número de cambiadores de fase requeridos;
- c)
- la reducción de coste aplicando cambiadores de fase a grupos respectivos de elementos en vez de a elementos individuales de antena aumenta el nivel de lóbulo lateral;
- d)
- el acoplamiento mecánico de cambiadores de fase para establecer demoras correctamente resulta difícil y se utilizan conexiones mecánicas y engranajes que dan como resultado un esquema de demoras;
- e)
- cuando la antena se inclina hacia abajo aumenta el nivel del lóbulo lateral superior originando una fuente potencial de interferencia a móviles que utilizan otras estaciones de base;
- f)
- si una antena se comparte por diferentes operadores, todos deben utilizar el mismo ángulo de inclinación eléctrica; y
- g)
- en un sistema con conexión superior y conexión inferior a diferentes frecuencias (sistema dúplex de división de frecuencias) el ángulo de inclinación eléctrica en transmisión es diferente al de recepción.
Haciendo ahora referencia a la Figura 3, se
muestra un sistema de antenas 40 de elementos múltiples en fase que
tiene un ángulo de inclinación eléctrica ajustable. El sistema 40
tiene una entrada 42 para una señal portadora de transmisor de RF:
la entrada 42 se conecta a un divisor de potencia 44 que proporciona
dos señales de salida V1a, V1b que son señales de entrada para un
cambiador de fase variable 46 y un cambiador de fase fija 48
respectivamente. Los cambiadores de fase 46 y 48 se pueden
considerar retardadores de tiempo, dado que cambio de fase y demora
de tiempo son equivalentes en una frecuencia única. Ellos
proporcionan señales de salida respectivas V2a y V2b a una red de
distribución de potencia 50, que se describirá más adelante con
mayor detalle.
La red 50 proporciona cuatro señales de guiado
que pasan a través de cambiadores de fase 58U1, 58U2, 58L1 y 58L2 a
cuatro elementos de antena espaciados igualmente entre si 60U1,
60U2, 60L1 y 60L2 (U=superior, L=inferior) respectivamente de una
antena 60 de elementos múltiples en fase. La antena 60 tiene un
centro indicado por una línea discontinua 61. La antena 60 podría
tener cualquier número de elementos con tal de que al menos tenga
dos elementos.
El sistema de antenas 40 de elementos múltiples
en fase funciona como sigue. Una señal portadora de transmisor de
RF transmite (transmisor único) a través de la entrada 42 al divisor
de potencia 44 donde se divide en señales V1a y V1b de igual
potencia. Las señales V1a y V1b se transmiten a los cambiadores de
fase 46 y 48 variable y fijo respectivamente. El cambiador de fase
variable 46 se controla por un operador para aplicar un cambio de
fase o demora de tiempo seleccionable, y el grado de cambio de fase
aplicado aquí controla el ángulo de inclinación eléctrica de la
antena 60 de elementos múltiples en fase. El cambiador de fase fijo
48 (que es conveniente pero no esencial) aplica un cambio de fase
fijo que por conveniencia se dispone para ser la mitad del cambio
de fase máximo \phi_{M} aplicable por el cambiador de fase
variable 46. Esto permite a V1a ser variable en fase dentro de la
gama comprendida entre -\phi_{M}/2 y +\phi_{M}/2 respecto
V1b, y estas señales después del cambiador de fase resultan V2a y
V2b como se ha dicho después de salir de los cambiadores de fase 46
y 48.
A partir de sus señales de entrada V2a y V2b, la
red 50 forma una variedad combinaciones vectoriales de señales para
proporcionar una señal de guiado respectiva para cada elemento de
antena 60U1 etc. Las señales de guiado varían linealmente en
fase (o tal vez con una inclinación de fase perfilada) como una
función de distancia de elemento de antena a lo largo de la antena
60 a partir de un elemento de antena 60U2 o 60L2 en un borde, según
se requiera para producir desde la antena 60 un haz paralelo
inclinado un ángulo hacia el conjunto de alineación. Como es bien
conocido en la técnica de elementos múltiples en fase, el ángulo
depende del grado de cambio de fase con la distancia a lo largo de
la antena 60. Se puede mostrar (como se describe más adelante) que
el ángulo de inclinación eléctrica del conjunto 60 es variable
utilizando simplemente un cambiador de fase variable, el cambiador
de fase variable 46. Esto se compara con el requisito de la técnica
anterior de la Figura 2 de tener múltiples cambiadores de fase
variable, con un cambiador de fase respectiva para cada elemento de
antena. Cuando la diferencia de fase introducida por el cambiador de
fase variable 46 es positiva la inclinación eléctrica está en una
dirección, y cuando la diferencia de fase es negativa la inclinación
eléctrica está en la dirección opuesta.
Los cambiadores de fase fija 58U1 etc.,
imponen cambios de fase fijos, los cuales, entre diferentes
elementos de antena 60U1 etc., varían linealmente (ignorando
la inclinación de fase) según la posición geométrica del elemento a
lo largo del conjunto 60: es decir establecer una dirección de
referencia cero (18a ó 18b) en la Figura 1 para la alineación del
conjunto 60 cuando la diferencia de fase entre las señales V1a y V1b
impuesta por el cambiador de fase variable es cero. Los cambiadores
de fase fija 58U1 etc., no son esenciales, pero se prefieren
porque se pueden utilizar para a) proporcionar correctamente el
cambio de fase introducido por el procedimiento de inclinación, b)
optimizar la supresión de los lóbulos laterales sobre la gama de
inclinación, y c) introducir un ángulo fijo opcional de inclinación
eléctrica.
Si hay varios usuarios, cada usuario puede tener
un sistema 40 respectivo de antenas de elementos múltiples en fase.
Recíprocamente, si se requiere que los usuarios empleen una antena
común 60, entonces cada usuario tiene un conjunto de elementos
respectivos de 42 a 50 en la Figura 3, y se requiere una red de
combinación para combinar señales para transmitir al conjunto de
antena 60. La Solicitud de Patente Internacional Publicada No. WO
02/082581 A2 describe tal red.
Haciendo referencia ahora a la Figura 4, este
dibujo muestra un sistema de antenas 70 de elementos múltiples en
fase adicional de la invención que utiliza dos demoras de tiempo o
cambios de fase. El sistema 70 tiene una entrada 72 de señal
portadora de RF conectada a un divisor de potencia 74 primero, que
proporciona dos señales de salida V1a, V1b para entrada a un
cambiador de fase variable 76 primero y a un cambiador de fase 78
fijo respectivamente. Ellos proporcionan señales de salida V2a y V2b
respectivas a un segundo cambiador de fase fija 80 y a un segundo
divisor de potencia 82. Si se requiere, los cambiadores de fase fija
primero y segundo 78 y 80 primero y segundo se pueden combinar en
una unidad única. El divisor de potencia segundo 82 divide la señal
V2b en dos señales V3b1 y V3b2, las cuales pasan a un cambiador de
fase 84 variable segundo y a un cambiador de fase fija 86 tercero.
Las señales V3b1 y V3b2 pasan entonces a redes segundas 88 y 90
respectivamente de distribución de potencia, que se describirán más
adelante con mayor detalle. La señal V2a pasa a través del
cambiador de fase 80 segundo a un divisor de potencia 92 tercero
para su división en dos señales V3a1 V3a2 transmitidas a las redes
primera y segunda de distribución de potencia 88 y 90
respectivamente.
Las redes 88 y 90 proporcionan colectivamente 8
señales de guiado que pasan a través de cambiadores de fase fijos
94U1 a 94L4 a 8 elementos de antena espaciados igualmente entre sí
96U1 a 96L4 respectivamente de una antena 96 de elementos múltiples
en fase. La red 90 dirige los cuatro elementos de antena más
interiores 96U1, 96U2, 96L1 y 96L2 y la red 88 guía el resto.
El sistema de antenas 70 de elementos múltiples
en fase funciona como sigue. Una señal portadora de transmisor de
RF transmite (transmisor único) a través de la entrada 72 al primer
divisor de potencia 74 en el que se divide en señales V1a y V1b de
igual potencia. Las señales V1a y V1b se transmiten a los
cambiadores de fase fijo y variable primeros 76 y 78,
respectivamente. El cambiador de fase fijo 78 aplica un cambio de
fase de la mitad del cambio de fase máximo aplicable por el
cambiador de fase variable 76. El cambiador de fase variable 76
primero, proporciona parte del control del ángulo de inclinación
eléctrica de la antena 96 de elementos múltiples en fase, el
cambiador de fase 76 segundo proporciona el resto de este
control.
Las redes de distribución de potencia 88 y 90
reciben señales de entrada V3a1/V3b1 y V3a2/V3b2 respectivamente y
forman combinaciones vectoriales de estas señales para proporcionar
una señal de guiado respectiva para cada elemento de antena 96U1
etc. Las funciones de guía varían linealmente en fase como
una función de la distancia de elemento de antena a lo largo de la
antena 96. El uso de dos cambiadores de fase variable 76 y 84
permite que se aplique un mayor grado de cambio de fase a lo largo
de la antena 96 que en un único cambiador de fase variable (como en
la Figura 3), y entonces se puede obtener un mayor grado de
inclinación eléctrica.
Haciendo referencia ahora a la Figura 5, se
muestra una red 100 de distribución de potencia que en general es
de la clase utilizada en 50, 88 y 90 en las Figuras 3 y 4, aunque se
muestra con más elementos de antena que los que están asociados con
equivalentes descritos anteriormente. La red 100 tiene dos entradas
102a y 102b a conectadas a divisores de potencia de tres
direcciones primero y segundo 106a y 106 b respectivamente. El
divisor de potencia de tres direcciones primero 106a divide una
señal de entrada o vector A con una amplitud Va en tres señales
a1.A, a2.A y a3.A, en las que a1, a2 y a3 son relaciones escalares
de división de amplitud. Las señales a1.A, a2.A y a3.A se
transmiten a entradas 1 primera de dispositivo de acoplamiento de
señal RF híbrido de 180 grados primero, segundo y tercero
(Híbridos) 110, 112, 114 respectivamente. El divisor de potencia de
tres direcciones segundo 106b divide una señal de entrada o vector B
con una amplitud Vb en tres señales b1.B, b2.B y b3.B, en las que
b1, b2 y b3 son relaciones escalares de división de amplitud del
divisor 106b, segundo. Las tres señales b1.B, b2.B y b3.B se
transmiten a entradas segundas 2 de híbridos 110, 112, 114
respectivamente. Las amplitudes de los vectores A y B son iguales,
es decir Va = Vb. Los híbridos 110 a 114 son también conocidos como
suma y diferencia de híbridos.
Cada uno de los híbridos 110, 112 y 114 tienen
salidas de sumas y diferencias S1/D1, S2/D2 y S3/D3 respectivamente
en las que están el vector suma A+B y diferencia A-B
de sus señales de entrada A y B. Como se describirá en detalle más
abajo, una propiedad de esos híbridos es que sus salidas de sumas y
diferencias tienen una diferencia de fase fija de 90 grados entre
ellas cuando las amplitudes de sus señales de entrada son iguales.
Este es el caso incluso si varía la diferencia de fase entre estas
señales de entrada. Las señales de suma A+B están en fase una con
otra, como lo están las señales de diferencia A-B, y
las señales de suma están a 90 grados de las señales de diferencia.
Como la diferencia de fase entre las señales de entrada varía,
debido al funcionamiento del cambiador de fase variable 46, las
señales de salida de suma y diferencia varían en magnitud: por
ejemplo, con señales de fase de igual magnitud, A+B=2A y
A-B=0; con señales de entrada de igual magnitud en
fases opuestas (antifase), A+B=0 y A-B=2A; con
señales de entrada de igual magnitud que difieren en fase 90 grados,
A+B y A-B son iguales a \sqrt{A^{2} + B^{2}}.
Los híbridos 110, 112 y 114 se actúan por lo tanto como
convertidores de fase a potencia, debido a que convierten señales
de entrada con potencia constante pero con diferencia de fase
variable en señales con potencia variable pero con diferencia de
fase constante.
La suma A+B de señales desde las salidas S1, S2
y S3 de los híbridos 110, 112 y 114 se transmiten a entradas
referenciadas de forma correspondiente S1, S2 y S3 de híbridos 180
cuarto, quinto y sexto 116, 118 y 120 respectivamente.
Similarmente, la diferencia de señales A-B de las
salidas D1, D2 y D3 de los híbridos 110, 112 y 114 se transmiten a
las entradas referenciadas de forma correspondiente D1, D2 y D3 de
los híbridos 120 sexto, quinto y cuarto 120, 118 y 116
respectivamente.
Los híbridos cuarto, quinto y sexto 116 a 120
también tiene salidas de suma y diferencia indicadas en cada caso
por Suma y Diferen., en las que aparecen respectivamente los
vectores suma A+B y diferencia A-B de sus señales
de entrada. Las señales de suma A+B se transmiten a través de los
cambiadores de fase fijos respectivos 122U1 a 122U3 hacia los
elementos de antena respectivos 124U1 a 124 U3 en una mitad superior
de una antena 124 de elementos múltiples en fase de seis elementos.
Similarmente, las señales de diferencia A-B se
transmiten a través de cambiadores de fase fija 122L1 a 122L3 a
elementos de antena respectivos 124L1 a 124L3 en una mitad inferior
de la antena 124. Hablando estrictamente, los cambiadores de fase
122U1 a 122L3 y el conjunto de elementos de antena 124 no son parte
de la red 100 porque las Figuras 3 y 4 que incorporan la red ya
muestran equivalentes a estos. Los híbridos cuarto, quinto y sexto
116 a 120 convierten las diferencias de potencia entre sus entradas
en diferencia de fase en sus salidas, por tanto actúan como
convertidores de potencia a fase.
Además, si se insertan divisores adicionales
entre las salidas de híbridos primero, segundo y tercero 110 a 114
y las entradas de híbridos cuarto, quinto y sexto 116 a 120, existe
flexibilidad en establecer la fase y amplitud requerida a cada
elemento de antena 124L1 etc. Con objeto de evitar la
necesidad de disipar potencia aparte de en los elementos de antena,
cuando se divide una salida de híbridos primero, segundo o tercero
110, 112 ó 114, se añaden entonces híbridos y elementos de antena
adicionales a fin de utilizar toda la potencia de RF tan
eficientemente como sea posible.
Los elementos de antena 124U1 etc., se
asocian con cambiadores de fase respectivos 122U1 etc., cuya
finalidad es a) establecer el significado nominal de inclinación de
la antena y b) optimizar el nivel de los lóbulos de antena 124
sobre su gama de inclinación.
En la Figura 5 los híbridos 110 a 120 se
muestran con igual ponderación aplicada a sus entradas: es decir,
con señales de entrada A y B entonces la salida de la suma es (A+B)
y la salida de la diferencia es (A-B). No obstante,
también se pueden construir con entradas A y B de peso desigual
para dar una salida de suma (xA + yB) y una salida de diferencia
(xA - yB). Siendo aquí x una ponderación aplicada la entrada A e y
una ponderación aplicada a la entrada B. Para conservar la potencia
en un híbrido ponderado desigualmente, la potencia total que se
introduce en sus entradas debe ser igual a la potencia total que
fluye hacia afuera de sus salidas, ignorando las perdidas térmicas
inevitables en una realización práctica. Del uso de un híbrido
ponderado desigualmente resultan dos ventajas: a) se añade
flexibilidad adicional al diseño optimizando las distribuciones de
fase y amplitud de elemento de antena; b) la división de señal se
puede distribuir entre dos o más componentes divisores reduciendo
así la relación de división máxima de cualquier divisor y mejorando
la respuesta de frecuencia.
Las ventajas de la red 100 de distribución de
potencia, cuando se utiliza en el sistema 40, son:
- a)
- en los divisores 106a y 106b solo se requiere una operación de división, cada uno de los cuales divide en solo tres señales;
- b)
- la inclinación se realiza con un cambiador de fase único o dispositivo de demora de tempo 46;
- c)
- las señales en las entradas de red 102a y 102b y los componentes en los que se llegan a convertir pasan exactamente a través del mismo número y tipos de componentes hasta los elementos de antena 124U1 etc., es decir un divisor y dos híbridos (como se ha comentado, hablando estrictamente los divisores de fase 122U1 etc., no son parte de la red 100). Por lo tanto estas trayectorias tienen esencialmente la misma longitud eléctrica que ignora la variación debida a tolerancias de fabricación no iguales a cero. Por lo tanto, se evitan los errores de fase y amplitud en la red debidos a diferentes tipos de componentes en diferentes trayectorias y se puede retener una forma de haz buena más allá de la gama de inclinación. Además, la forma del haz se retiene por encima de una gama más amplia de frecuencias dado que los errores de fase y amplitud de cada trayectoria varía igualmente hasta un elemento y reduce el error entre elementos de antena contiguos;
- d)
- la antena se puede realizar sin la necesidad de disipar potencia RF en algún componente distinto a los elementos de antena, ignorando la desviación de componentes de propiedades ideales;
- e)
- el coste de una antena de elementos múltiples en fase es reducido comparado con una antena de un funcionamiento comparable que utiliza dispositivos de demora de tiempo variable múltiples; y
- f)
- la fiabilidad de la antena no se compromete por la utilización de un gran número de dispositivos de demora de tiempo variable.
Entre las salidas de los tres híbridos primeros
110 a 114 y las entradas de los otros híbridos 116 a 120 se pueden
introducir divisores a fin de introducir una flexibilidad adicional
al establecer fase y amplitud de señales transmitidas a los
elementos de antena. Esto se describirá en la siguiente
realización.
Haciendo referencia ahora a las Figuras 6a y 6b,
se muestra una red 140 de distribución de potencia adicional en dos
secciones 140a y 140b: la red 140 es para utilizarla con una antena
148 de elementos múltiples en fase de doce elementos igualmente
espaciados entre sí, pero en otros aspectos de la clase utilizada en
50, 88 y 90 en las Figuras 3 y 4. La red 140 es equivalente a la
descrita con relación a la Figura 5 con una columna extra de
divisores 142c a 142h e híbridos suficientes 144_{4} a 144_{9} y
cambiadores de fase fijos 146U1 a 144 L6 para proporcionar señales
para un mayor número de elementos de antena 148U1 a 148L6 de la
antena 148. Las partes equivalentes a las descritas anteriormente
tienen las mismas referencias y la descripción se concentrará en
aspectos de diferencia.
Como antes, dos vectores A y B de señal de
entrada, con amplitudes respectivas Va y Vb se dividen por los
divisores 106a y 106b en fracciones de señal a1.A, a2.A, A3.A y
b1.B, b2.B y b3.B y se transmiten a las entradas primera y segunda
1 y 2 de los híbridos primero, segundo y tercero 110 a 114: es
decir, las señales a[n].A y b[n].B se introducen en
el enésimo híbrido 110 + 2n, para n = 0, 1 y 2. Las relaciones de
división se establecen de modo que a1 = b1, a2 = b2 y a3 = b3 con
objeto de llevar a cabo la conversión de potencia a fase en los
híbridos 110 a 114.
Haciendo referencia ahora a la Figura 7, este
dibujo muestra en esquema un acoplador híbrido 132 de 180 grados
con entradas A y B y salidas A+B y A-B. Las curvas
134 indican trayectorias de entradas a salidas, y las marcas
asociadas -180 y -360 indican cambio de fase o demora equivalente
experimentada por señales que pasan a lo largo de tales
trayectorias. Como se muestra, las trayectorias 134 desde la entrada
1 de A y la entrada 2 de B hasta la salida Suma de A+B y desde A a
la salida Diferencia de A-B están asociadas todas
ellas con cambios de fase de -180 grados, mientras que la
trayectoria 135 desde la entrada 2 de B hasta la salida Diferencia
de A-B está asociada a un cambo de fase de -360
grados. Un cambio de fase de 180 grados invierte una señal
sinusoidal o la multiplica por -1, mientras que un cambio de fase de
-360 grados la deja invariable. Por lo tanto la señal A y la señal
B se invierten al pasar a la salida Suma y por tanto se añaden
juntas, pero solo la señal B se invierte en la salida Diferencia y
por tanto se resta de A. como se describirá más adelante si dos
vectores de señal de igual magnitud pero de fase diferente se suman
y restan por un híbrido de 180 grados, los vectores suma y
diferencia resultantes estarán uno de otro a 90 grados sin tener en
cuenta la diferencia de fase de entrada. Por tanto A+B y
A-B difieren 90 grados en fase, lo que es
conveniente (pero no esencial), porque simplifica el calculo de
fase de elemento de antena como se describirá más adelante. Por
consiguiente los híbridos 110 a 114 actúan como convertidores de
potencia a fase, convierten señales de entrada por ejemplo (a1.A
/b1.B) con igual amplitud pero con diferencia de fase relativa
variable en señales de salida de suma y diferencia con potencia
variable pero con diferencia de fase constante de 90 grados. Además,
las salidas A+B de los tres híbridos 110 a 114 están en fase unos
con otros y están a 90 grados de las tres salidas
A-B de estos híbridos.
Los híbridos 110 a 114 tienen salidas A+B
conectadas a divisores de dos direcciones 142c, 142e y 142g
respectivamente, salidas A-B conectadas a divisores
de dos direcciones 142d, 142f y 142h respectivamente. Los divisores
142c a 142h dividen sus señales de entrada en fracciones de señal
c1/c2, d1/d2, e1/e2, f1/f2, y h1/h2 respectivamente: estas
fracciones también se utilizan como indicios de referencia para
salidas de divisores respectivos y son para introducir en entradas
referenciadas correspondientemente respectivas c1 a h2 de híbridos
cuarto a noveno 144_{4} a 144_{9}. Los híbridos cuarto a noveno
144_{4} a 144_{9} tienen entradas A y B 1 y 2 y salidas de suma
Suma y de diferencia Diferencia A+B y A-B, y tienen
la misma construcción y modo de funcionamiento que el los híbridos
primero, segundo y tercero 110 a 114. La Tabla 1 de más abajo
muestra que entradas de los híbridos cuarto a noveno 144_{4} a
144_{9} reciben cuales señales de fracción: aquí los signos +/-
indican adición/sustracción de vector, respectivamente.
Los divisores 142c a 142h dividen sus señales de
entrada en fracciones de señal apropiadas para adición y
sustracción para formar señales de guiado de elemento de antena que
varían progresivamente con la posición de elemento de antena a lo
largo de la antena 148. La Tabla 2 de más abajo muestra que salidas
Suma/Diferencia de los híbridos cuarto a noveno 144_{4} a
144_{9} guían a cuales elementos de antena 148U1 a 148L6 a través
de cambiadores de fase fijos respectivos 146U1 a 146L6. Los
elementos de antena 148U1 a 148U6 en la mitad superior de la antena
148 están todos ellos desde salidas Suma de suma de los híbridos
cuarto a noveno 144_{4} a 144_{9}, sin embargo los de la mitad
inferior se guían desde las salidas Diferencia de diferencia de
dichos híbridos. Cada una de las salidas de los híbridos cuarto a
noveno 144_{4} a 144_{9} recibe contribuciones de señal que se
originan en las salidas suma o diferencia de los híbridos primero a
tercero 110 a 114 pero no desde los dos tipos de salida. Por
consiguiente sus señales de salida están en fase unas con otras. Los
híbridos cuarto a noveno 144_{4} a 144_{9} actúan
consecuentemente como convertidores de potencia a fase: cada uno de
ellos convierte sus dos señales de entrada (que tienen una
diferencia de fase cero pero no necesariamente igual amplitud) en
señales de salida de suma y diferencia con diferencia de fase que
varían entre híbridos diferentes pero con potencia constante
(ignorando cualquier provisión para amplitud de inclinación). La
disposición mostrada permite que se alcance un frente de fase
progresivo a lo largo de la antena 148 y permite que se utilice
eficazmente toda la potencia de entrada. Esto ignora la posibilidad
de pérdidas debidas a disipación de potencia en componentes no
ideales. Excluyendo tales perdidas, la red de distribución de
potencia 140 no genera una señal que no pueda contribuir de manera
útil a las señales de guiado de antena, de este modo no es
necesario disponer ineficazmente de una entrada de potencia.
El cuarto híbrido 144_{4} conduce un par más
exterior de elementos de antena 148U6 y 148L6. Los híbridos quinto
a noveno 144_{5} a 144_{9} conducen pares de elementos de antena
148U5/148L5, 148U4/148L4, 148U3/148L3, 148U2/
148L2 y 148U1/148L1 respectivamente que están progresivamente más próximos a un centro de antena 150 en el que está centrado cada par.
148L2 y 148U1/148L1 respectivamente que están progresivamente más próximos a un centro de antena 150 en el que está centrado cada par.
La tabla 2 de más abajo muestra señales de
salida desde los híbridos 144_{4} a 144_{9}. Las fracciones de
división c1 etc., son necesariamente cantidades escalares,
pero los términos en paréntesis en la Tabla 2 columna 4, por
ejemplo, (a1.A+b1.B) y (a1.A-b1,B), son adiciones y
sustracciones de vectores. La diferencia de fase entre Va y Vb se
impone como se describió anteriormente con referencia a las Figuras
3 ó 4, y los vectores se indican mediante caracteres en negrilla.
Además, como se describió anteriormente las resultantes de las
adiciones de vector (a1.A+b1.B), etc., entre señales de igual
magnitud están todas en fase unas con otras, y difieren en fase en
90 grados a todas las sustracciones de vector
(a1.A-b1,B), etc. Por consiguiente las
sustracciones de vector están todas ellas en cuadratura con las
adiciones de vector.
Las expresiones en la cuarta columna de la tabla
2 son de la forma P +Q, en la que Q es un vector en
cuadratura con un vector P. Todos los vectores P están
en fase unos con otros y todos los vectores Q están en fase
unos con otros. Por tanto se pueden escribir como P
+jQ, en donde P y Q son magnitudes escalares
de P y Q. Por ejemplo, para el elemento de antena
148U6:
Denominando P_{n} y Q_{n} a
los componentes en fase y en cuadratura de la tensión suministrada
a los enésimos elementos de antena superior e inferior 148Un y 148Ln
(para n = 1 a 6), la fase \phi_{n} de esta tensión viene
dada por:
En donde Q_{n} es positivo para el
elemento de antena 148Un en la mitad superior de la antena 148 y
negativo para el elemento de antena 148Ln en la mitad inferior.
La magnitud escalar Vn de la tensión de enésimo
elemento de antena viene dada por:
Todas las contribuciones (por ejemplo, c1.(a1.A
+ b1.B) a señales que alcanzan los elementos de antena 148U1 a
148L6 desde las entradas 102a y 102b pasan a través del mismo número
y tipos de componentes: es decir, cada contribución pasa a través
de una trayectoria que contiene un divisor de tres direcciones, un
híbrido, un divisor de dos direcciones, otro híbrido y un cambiador
de fase fijo. No hay necesidad de componentes
Los separadores de tres direcciones 106a y 106b
establecen principalmente la inclinación de amplitud y los
separadores de dos direcciones 142c a 142h establecen principalmente
la inclinación de fase: aquí inclinación significa perfil de fase o
amplitud a través de los elementos de antena 148U1 a 148L6. El
diseño de la red 140 es simétrico con bloques de funciones
iterativos, y que ella misma se presta optimizaciones relativamente
fáciles. También se adapta fácilmente a diferentes números de
elementos de antena en antenas cambiando el número de divisores e
híbridos. Tiene relativamente pocos divisores teniendo en cuenta el
número de elementos de antena en el conjunto 140.
La Figura 8a es un diagrama de vector de señales
de guiado producidas por la red 140 para elementos de antena 148U1
a 148U6 en la mitad superior de la antena 148: los efectos de los
cambiadores de fase 146U1 a 146L6 se han ignorado por conveniencia.
Las flechas horizontales, verticales e inclinadas tales como 160,
162, 164 indican componentes en fase, componentes de cuadratura y
vectores de señal de elemento de antena real, respectivamente. Los
números del 1 al 6 rodeados por un circulo tal como el 166 indican
que vectores de señal contiguos se a asocian con los elementos de
antena 148U1 a 148U6, respectivamente. Vectores equivalentes (no
mostrados) para señales de guiado para elementos de antena 148L1 a
148 L6 se obtienen haciendo que cada flecha vertical 162 se
extienda hacia abajo desde los ejes horizontales 168 en vez de hacia
arriba. Es decir, produciendo imágenes especulares respectivas de
los vectores de señal 164 por reflexión en los ejes horizontales168.
La Figura 8a muestra que la red 140 produce señales de guiado de
elemento de antena con fase progresiva correctamente a lo largo de
la antena 148.
El funcionamiento óptimo de la antena 148 se
obtiene cuando se selecciona un ángulo de inclinación máximo
correspondiente al máximo nivel de lóbulo lateral permisible cuando
se inclina. Las relaciones de división se eligen entonces para dar
un frente de fase lineal para este ángulo de inclinación máxima.
La Figura 8b es un diagrama de vector completo
que corresponde a la Figura 8a pero mostrando vectores de señal de
guiado de elemento de antena indicados por flechas sólidas como la
169 para el conjunto completo de antena 140.
Haciendo referencia ahora a las Figuras 9 a 12,
la Figura 9 muestra una disposición 180 de un híbrido único 182 de
180 grados que recibe entradas A y B de dos tensiones de igual
amplitud Va y Vb que tienen entre ellos un cambio de fase relativo
de \phi. Estas tensiones se obtienen tomando una tensión única V
en una entrada 184, dividiéndola en dos tensiones iguales en 186 y
haciendo pasar una de los tensiones resultantes a través de un
cambiador de fase variable 188. El híbrido 182 genera señales de
salida de suma y diferencia A+B y A-B a partir de
señales de entrada A y B.
La Figura 10 es un diagrama de vectores +A, +B,
-B, A+B y A-B, siendo los dos últimos líneas
discontinuas. Debido a que A y B son iguales, +A, +B y -B se pueden
mostrar como radios de un circulo 200, que es el circulo
circunscrito al triangulo de vectores +A, +B y A+B. Los vectores +B
y -B, al ser iguales y opuestos, proporcionan conjuntamente un
diámetro del circulo 200, y por geometría un diámetro subtiende un
ángulo recto sobre otros puntos del circulo tal como origen O. No
obstante, los vectores A+B y A-B unen el origen O a
los respectivos extremos del diámetro +B/-B, por tanto los vectores
A+B y A-B tienen entre ellos un ángulo recto (ó 90
grados respecto al cambio de fase relativo) sin tener en cuenta el
valor de la diferencia de fase \phi entre +A y +B.
La Figura 11 muestra como las magnitudes
relativas de A+B y A-B (líneas discontinua) varían a
medida que su diferencia de fase relativa \phi se ajusta desde
-180 grados a 0 hasta +180 grados: A+B va sinusoidalmente desde 0 a
1 a 0, y A-B va cosinusoidalmente desde 1 a 0 a 1.
La Figura 12 muestra como varían las fases de A+B y
A-B (línea discontinua) a medida que \phi se
ajusta desde -180 grados a 0 hasta +180 grados: A+B va desde -90
grados a +90 grados, y A-B va inicialmente desde 0 a
\phi = -180 grados a +90 grados con \phi=0 y después cambia
bruscamente hasta -90 grados al pasar por 0 y a continuación varía
suavemente hasta 0 con \phi = +180 grados.
Para controlar la inclinación de inclinación
eléctrica lo que proporciona la invención es como sigue. Como de ha
dicho, en la Figura 6 la señal de guiado para cada elemento de
antena 148U1 etc., es un vector que se puede escribir como
P + jQ. Cuando la diferencia de fase entre los
vectores de entrada A y B (o las tensiones Va y Vb) es cero, es
decir \phi = 0, la diferencia de salida A-B desde
todos los híbridos 110 etc., es también cero, como se
muestra en la Figura 11. Por lo tanto cuando la antena no está
inclinada las señales de guiado para todos los elementos de antena
148U1 etc., tienen la misma fase, la fase "no
inclinada" y Q = 0 en P +jQ.
Cuando la diferencia de fase entre los vectores
A y B aumenta, la Figura 11 muestra que las salidas de diferencia
desde los híbridos aumentan mientras que las salidas de suma
disminuyen. Por lo tanto el valor de Q aumenta mientras que
el valor de P disminuye. Por tanto varían los ángulos de fase
de las señales de guiado a cada elemento de antena 148U1
etc. Teniendo valores progresivamente menores para P
para elementos de antena (por ejemplo, 148U1/148L1) progresivamente
más próximos al eje geométrico 150, y valores progresivamente
mayores de para P para elementos de antena (por ejemplo,
148U6/148L6) progresivamente más alejados del eje geométrico 150,
se logra un frente de fase que aumenta progresivamente a lo largo de
los elementos de antena. Por lo tanto una proporción de la potencia
de guía de antena se transfiere desde el centro de la antena 148
hasta sus extremos. Esto se logra mediante la conexión apropiada de
las salidas de los híbridos 110 a 114.
Por tanto en la Figura 5 el híbrido central 112
de los híbridos primero, segundo y tercero transmite a los
elementos de antena 124U2 y 124L2 que están a medio camino entre un
centro de antena mostrado como una línea discontinua y los
elementos 124U3/124L3 de la antena 124, mientras que los otros dos
híbridos más a la izquierda 110 y 114, tienen salidas de diferencia
A-B "intercambiadas", es decir, conectadas a un
cuarto o sexto híbrido 116 ó 120 que recibe las otras salidas A+B
de híbridos (114 ó 110). Esta disposición desplaza la potencia en
fase (el componente de vector P) desde el centro hasta los
extremos de la antena 124 logrando un frente de fase
progresivo.
La Figura 11 muestra que la fase de salida de
diferencia de híbridos varía en 180 grados dependiendo de si la
diferencia de fase entre los vectores A y B es positiva o negativa.
Esto asegura que existe un frente de fase progresivo a lo largo de
la antena tanto si la antena se inclina hacia arriba o hacia
abajo.
\newpage
Las realizaciones de la invención descrita
utilizan híbridos de 180 grados. Se pueden sustituir, por ejemplo,
por híbridos de "cuadratura" de 90 grados con la adición de
cambiadores de fase de 90 grados para obtener funcionalmente la
misma totalidad, pero esto es menos practico.
Los ejemplos de la invención descritos con
relación a las Figuras 3 a 12 se trataron en términos de
funcionamiento en transmisión. No obstante, todos los componentes
son reversibles y esos ejemplos también pueden funcionar como
receptores. Los híbridos y los cambiadores de fase son reversibles,
y los divisores funcionando al revés se convierten en
recombinadores, como se requiere en modo de recepción.
Claims (18)
1. Un sistema de antenas de elementos múltiples
en fase con inclinación eléctrica controlable que incluye una
antena (124) con múltiples elementos de antena (124U1 a 124L3),
comprendiendo el sistema:
- (a)
- medios (42, 46, 94) para proporcionar dos señales de base con demora relativa variable entre ellas,
- (b)
- medios de división (106a, 106b) para dividir las señales de base en componentes de señal,
caracterizado porque el sistema (40)
tiene:
- (c)
- medios de conversión primeros (110 a 114) para convertir los componentes de señal en componentes transformados con potencias que varían a medida que varía la demora relativa, y
- (d)
- medios de conversión segundos (116 a 120) para convertir los componentes transformados en señales de conducción de elemento de antena con fases que varían progresivamente desde un elemento de antena (por ejemplo, 124U1) hasta un elemento de antena (por ejemplo, 124U2) a través de la antena (124) cuando el haz de antena se inclina eléctricamente el cual varía individualmente a medida que varía la demora relati- va.
2. Un sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios convertidores primeros son
una pluralidad de dispositivos de acoplamiento de frecuencia de
radio híbridos "Híbridos" (110 a 114), dispuestos para
proporcionar sumas y diferencias de pares de componentes de señal,
teniendo cada par componentes de señal de ambas señales de
base.
3. Un sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios convertidores primeros son
una pluralidad de híbridos de 180 grados (110 a 114), dispuestos
para proporcionar sumas y diferencias de pares de componentes de
señal, teniendo cada par componentes de señal de ambas señales de
base.
4. Un sistema según la reivindicación 3,
caracterizado porque cada par tiene componentes de señal de
igual magnitud, pero cada magnitud de componente de par no es igual
a la de otro par.
5. Un sistema según la reivindicación 3,
caracterizado porque los híbridos son híbridos primeros (110
a 114) y los medios de conversión segundos incorporan una pluralidad
de híbridos segundos (116 a 120) dispuestos para generar señales de
guiado de elemento de antena.
6. Un sistema según la reivindicación 5,
caracterizado porque los medios de división son unos medios
de división primeros (106a, 106b) y los medios de división segundos
(116 a 120) incorporan medios de división segundos (142c a 142h)
dispuestos para dividir las sumas y diferencias en componentes para
dar entrada a los segundos híbridos (144_{4} a 144_{8}).
7. Un sistema según la reivindicación 6,
caracterizado porque los medios de división primeros (106a,
106b) están dispuestos para dividir cada una de la señales de base
en tres componentes de señal.
8. Un sistema según la reivindicación 6,
caracterizado porque los medios de división segundos son una
pluralidad de divisores de dos direcciones (142c a 142h).
9. Un sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque esta dispuesto de tal manera que todas
las trayectorias de señal se extienden desde los medios de provisión
de señal de base hasta los elementos de antena respectivos
contienen el mismo número y tipo de componentes.
10. Un método de controlar la inclinación
eléctrica de un sistema de antenas (40) de elementos multiples en
fase que incluye una antena (124) con múltiples elementos de antena
(124U1 a 124 L3), cuyo método incorpora las operaciones de:
- (a)
- proporcionar dos señales de base con demora relativa variable entre éstas,
- (b)
- dividir las señales de base en componentes de señal,
- (c)
- convertir los componentes de señal en componentes transformados con potencias que varían a medida que varía la demora relativa, y
- (d)
- convertir los componentes transformados en señales de conducción de elemento de antena con fases que varían progresivamente de elemento de antena (por ejemplo 124U1) a elemento de antena (por ejemplo 124U2) a través de la antena (124) cuando el haz de antena se inclina eléctricamente y el cual varía individualmente a medida que varía la demora relativa.
11. Un método según la reivindicación 10,
caracterizado porque la operación c) se lleva a cabo
utilizando una pluralidad de híbridos (110 a 114) dispuestos para
proporcionar sumas y diferencias de pares de componentes de señal,
teniendo cada par componentes de señal procedentes de ambas señales
de base.
12. Un método según la reivindicación 10,
caracterizado porque la operación c) se lleva a cabo
utilizando una pluralidad de híbridos de 180 grados (110 a 114)
dispuestos para proporcionar sumas y diferencias de pares de
componentes de señal, teniendo cada par componentes de señal
procedentes de ambas señales de base.
13. Un método según la reivindicación 12,
caracterizado porque cada par tiene componentes de señal de
igual magnitud, pero cada magnitud de componente de par no es igual
a la de otro par.
14. Un método según la reivindicación 12,
caracterizado porque los híbridos son híbridos primeros y la
operación d) se lleva a cabo utilizando una pluralidad de híbridos
segundos (116 a 120) dispuestos para generar las señales de
conducción de elemento de antena.
15. Un método según la reivindicación 14,
caracterizado porque la división en la operación b) es una
división primera y en la operación d) se lleva a cabo una división
segunda para dividir las sumas y diferencias en componentes para
dar entrada a los híbridos segundos (116 a 120).
16. Un método según la reivindicación 15,
caracterizado porque la primera partición divide cada una de
las señales de base en tres componentes de señal.
17. Un método según la reivindicación 15,
caracterizado porque la segunda partición es una pluralidad
de divisiones de dos direcciones.
18. Un método según la reivindicación 10,
caracterizado porque todas las trayectorias de señal que se
extienden desde los medios de provisión de señal de base a los
elementos de antena respectivos (124U1 a 124L3) contienen el mismo
número y tipos de componentes.
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