ES2310282T3 - Red de barrido electronico en 2-d (bidimensional) de banda ancha con alimentacion de cts (elemento transversal continuo) y desfasadores mems (sistema microelectromecanico). - Google Patents
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Abstract
Una antena (10) orientable, ESA, de red de lentes de barrido electrónico que comprende: una lente de alimentación de paso de banda ancha (11) que incluye una primera y una segunda red de elementos radiantes de banda ancha (14; 14a; 14b) y una red de módulos (18) de variación de fase o desfasadores dispuesta entre la primera y la segunda red de elementos radiantes (14; 14a; 14b); y una red de alimentación de elemento de transmisión transversal continuo (CTS) (12) dispuesta junto a la primera red de elementos radiantes (14, 14a, 14b) con el fin de entregar un frente de onda plano en el campo cercano; caracterizada porque los módulos (18) de variación de fase o desfasadores consisten en módulos (18) de variación de fase o desfasadores MEMS que orientan un haz irradiado por la red de alimentación CTS (12) en dos dimensiones, la primera y la segunda red de elementos radiantes de banda ancha (14a, 14b) se fabrican sobre una tarjeta de circuito impreso (84), tarjeta PCB, y los módulos (18) de variación de fase o desfasadores MEMS se montan en la PCB (84), entre los elementos radiantes de banda ancha de entrada y salida (14a, 14b), y cada módulo (18) de variación de fase o desfasador MEMS incluye una pluralidad de espigas de conexión de CC (92) que se extienden a través del grosor de la tarjeta PCB (84) y están conectadas eléctricamente con líneas de señalización de control y polarización de CC (108) dispuestas en el lado de la tarjeta PCB (84) opuesto a lado en el que estén montados los módulos (18) de variación de fase o desfasadores MEMS, encaminadas por el centro de la tarjeta PCB (84) y que se extienden hasta un borde de la tarjeta PCB (84), estando conectadas las líneas de señalización de control y polarización de CC (108) con una línea de distribución de CC (138).
Description
Red de barrido electrónico en
2-D (bidimensional) de banda ancha con alimentación
de CTS (elemento transversal continuo) y desfasadores MEMS (sistema
microelectromecánico).
La presente invención se refiere a una antena
orientable de red de lentes de barrido electrónico (ESA), que
comprende:
una lente de alimentación de paso de banda
ancha, que incluye una primera y una segunda red de elementos
radiantes de banda ancha y una red de módulos de variación de fase
o desfasadores dispuestos entre la primera y la segunda red de
elementos radiantes; y
una red de alimentación, de elemento de
transmisión transversal continuo (CTS), dispuesta junto a la primera
red de elementos radiantes con el fin de entregar un frente de onda
plano en el campo cercano.
La presente invención se refiere, también, a un
método de barrido de frecuencias de energía de radiofrecuencia.
Una antena y un método de este tipo se conocen a
partir del documento US 6.421.021.
Los sistemas avanzados de radar aéreos y
espaciales han usado hasta ahora antenas de barrido electrónico
(ESA) que incluyen miles de elementos radiantes. Por ejemplo,
grandes radares de control de tiro susceptibles de ser aplicados
contra múltiples objetivos, simultáneamente, pueden usar ESA con el
fin de conseguir el producto de apertura de potencia necesario.
La arquitectura espacial de lentes puede
constituir un enfoque para fabricar ESA destinadas a sistemas de
radar aéreos y espaciales. Pero cuando se utiliza arquitectura
espacial de lentes a frecuencias elevadas, por ejemplo, la
banda-X, y los componentes más activos, tales como
variadores de fase, se agrupan en una zona determinada, el peso, la
mayor densidad térmica, y el consumo de energía pueden afectar
negativamente al coste y a la posibilidad de aplicación de tales
sistemas.
Hasta ahora, los circuitos de variación de fase
para antenas de red de lentes de barrido electrónico han incluido
ferritas, diodos PIN y dispositivos de conmutación de transistores
de efecto de campo (FET). Estos variadores de fase son pesados,
consumen una cantidad considerable de CC y son caros. Además, la
puesta en práctica de diodos PIN y conmutadores FET en circuitería
de variadores de fase de radiofrecuencia (RF) es complicada por la
necesidad de un circuito adicional de polarización mediante CC en la
trayectoria de la RF. El circuito de polarización por CC necesario
para diodos PIN y conmutadores FET limita la eficacia de la
frecuencia de variación de fase y aumenta las pérdidas de RF. Dotar
a una ESA de módulos de transmisión/recepción (T/R) disponibles
actualmente no es deseable por razones de coste, disipación de calor
inadecuada y consumo de energía ineficaz. En suma, el peso, el
coste y la eficacia de los circuitos de variación de fase
disponibles hacen que éstos sean poco prácticos para radares
espaciales y ESA de comunicaciones, en los que se usan miles de
estos dispositivos.
El documento US 6.421.021 mencionado
anteriormente, describe un sistema de antenas de red activa de
lentes de alimentación espacial que presenta una red activa de
lentes con una primera red de elementos radiantes que definen una
abertura frontal de antena, una segunda red de elementos radiantes
que definen una abertura trasera de antena y una red de módulos de
transmisión/recepción emparedados entre la abertura frontal y la
abertura trasera. La abertura de alimentación incluye una abertura
de CTS de banda ancha que genera una onda plana en el campo
cercano.
La publicación de Lee J. et al., "Array
antennas using low loss MEMS phase shifters" (Red de antenas que
usan variadores de fase de sistema microelectromecánico de baja
pérdida), IEEE Antennas and Propagation Society International
Symposium 2002, Digest (Compendio), Aps. San Antonio, Texas, EE.UU.,
16-21 de junio, New York, NY, EE.UU.: IEEE, US,
vol. 1 de 4, 16 de junio de 2002, páginas 14-17,
XP010591632 ISBN:
0-7803-7330-8,
describe una red de antenas que usa variadores de fase de sistema
microelectromecánico de baja pérdida.
Un objeto de la presente invención consiste en
ofrecer una antena orientable de red de lentes de barrido
electrónico con sistema microelectromecánico con una distribución
de energía mejorada, especialmente la distribución de CC, y un
método de barrido de frecuencias de energía de radiofrecuencia que
emplea una distribución de energía
mejorada.
mejorada.
La presente invención ofrece una antena
orientable de red de lentes de barrido electrónico (ESA) con sistema
microelectromecánico (MEMS). La antena ESA MEMS incluye una lente
de alimentación de paso de banda ancha y una red de alimentación de
elemento de transmisión transversal continuo (CTS). La lente de
alimentación de paso de banda ancha incluye una primera y una
segunda red de elementos radiantes de banda ancha y una red de
módulos de variación de fase o desfasadores MEMS dispuesta entre la
primera y la segunda red de elementos radiantes. La red de
alimentación de elemento de transmisión transversal continuo (CTS)
está dispuesta junto a la primera red de elementos radiantes con el
fin de entregar un frente de onda plano en el campo cercano. Los
módulos de variación de fase o desfasadores MEMS orientan un haz
irradiado por la red de alimentación CTS en dos dimensiones.
La presente invención ofrece, también, un método
de barrido de frecuencias de energía de radiofrecuencia, que
comprende las etapas de introducir energía de RF en una red de
alimentación de elemento de transmisión transversal continuo (CTS),
irradiar la energía de RF en forma de onda plana, a través de una
pluralidad de elementos de radiación CTS, en el campo cercano,
entregar la onda plana de RF en una abertura de entrada de una
lente de alimentación de paso de banda ancha que incluye una
pluralidad de módulos de variación de fase o desfasadores MEMS,
convertir el plano de onda de RF en señales de RF discretas, usar
los módulos de variación de fase o desfasadores MEMS para tratar
las señales de RF, irradiar las señales de RF a través de una
abertura de radiación de la lente de alimentación de paso de banda
ancha, volviendo a combinar así las señales de RF y generando un
haz de antena, y variar la frecuencia de la señal de RF introducida
en la red de alimentación de CTS para cambiar así la posición
angular del haz de antena en el plano E de la lente de alimentación
de paso de banda ancha y para realizar un barrido de frecuencias
mediante el haz de antena.
Para la consecución de los fines anteriores y
otros, la invención comprende las particularidades descritas
completamente en lo que sigue y señaladas especialmente en las
reivindicaciones. La descripción que sigue y los dibujos adjuntos
presentan en detalle ciertas realizaciones ilustrativas de la
invención. Pero estas realizaciones son indicativas de sólo algunos
de los distintos modos de puesta en práctica de los principios de
la invención. Otros objetos, ventajas y nuevas características de la
invención resultarán evidentes a partir de la descripción detallada
que sigue de la invención, cuando se considera junto con los
dibujos.
La figura 1 muestra una vista de entorno físico,
esquemática, de varias aplicaciones de radar que incorporan una
antena orientable de red de barrido electrónico (ESA) con variadores
de fase de sistema microelectromecánico (MEMS) de acuerdo con la
presente invención.
La figura 2 muestra una vista en planta, desde
arriba, de un par de elementos radiantes de banda ancha y un módulo
de variación de fase o desfasador MEMS de acuerdo con la presente
invención.
La figura 3 muestra una antena de red de lentes
de barrido electrónico, de acuerdo con la presente invención,
incluyendo la antena de lente una lente de alimentación de paso de
banda ancha con siete módulos de variación de fase o desfasadores
MEMS y una red de alimentación de elemento de transmisión
transversal continuo (CTS) con siete elementos radiantes CTS.
La figura 4 muestra una vista en planta, desde
arriba, de la antena de red de lente de barrido electrónico de la
figura 3, excepto porque la antena de lente de la figura 4 dispone
de 16 módulos de variación de fase o desfasadores MEMS y elementos
radiantes CTS.
La figura 5 muestra una vista, en sección
transversal, de un segmento de la red del elemento de transmisión
transversal continuo (CTS) de la figura 3.
La figura 6 muestra una tarjeta de circuito
impreso (PCB) que incluye una red de elementos radiantes de banda
ancha impresos, y una red de módulos de variación de fase o
desfasadores MEMS en la tarjeta PCB, de acuerdo con la presente
invención.
La figura 7 muestra una vista de alzado lateral
de la tarjeta PCB y los módulos de variación de fase o desfasadores
MEMS de la figura 6, en corte por la línea 7-7 de la
figura 6.
La figura 8 muestra una vista, desde abajo, de
la tarjeta PCB y los módulos de variación de fase o desfasadores
MEMS de la figura 6.
La figura 9 es una vista ampliada de un módulo
de variación de fase o desfasador MEMS de acuerdo con la presente
invención.
La figura 10 muestra una antena orientable de
red de lentes de barrido electrónico MEMS de acuerdo con la
presente invención, que muestra la estructura de montaje y sus
líneas de conexión con mayor detalle.
En la descripción detallada que sigue, a los
componentes idénticos se les han asignado los mismos números de
referencia, independientemente de si se muestran en realizaciones
diferentes de la presente invención. Con el fin de ilustrar la
presente invención de manera clara y concisa, los dibujos no se
muestran necesariamente a escala, y ciertas características pueden
presentarse de manera algo esquemática.
Con referencia inicialmente a las figuras
1-3, la presente invención consiste en una antena
orientable 10 (figura 3) de red de lentes de barrido electrónico
bidimensional con sistema microelectromecánico (MEMS) que incluye
una lente de alimentación de paso de banda ancha 11 y una red de
alimentación de elemento de transmisión transversal continuo (CTS)
12. La lente de alimentación de paso de banda ancha 11 incluye una
red trasera de elementos radiantes 14a de banda ancha, una red
frontal de elementos radiantes 14b de banda ancha, y una red de
módulos 18 de variación de fase o desfasadores MEMS (figura 2)
emparedados entre las redes trasera y frontal de elementos
radiantes 14a y 14b. La red de alimentación CTS 12, posicionada
junto a la red trasera de elementos radiantes 14a, entrega un
frente de onda plano en el campo cercano. Los módulos 18 de
variación de fase o desfasadores MEMS orientan un haz irradiado por
la red de alimentación CTS 12 en dos dimensiones, es decir en el
plano E y en el plano H, y, consiguientemente, la red de
alimentación CTS 12 solamente tiene que generar un haz fijo. Como
se apreciará, la presente invención obvia la necesidad de líneas de
transmisión, divisores de potencia e interconexiones, asociados
habitualmente con antenas de alimentación colectivas.
La antena 10 es adecuada tanto para aplicaciones
comerciales como militares, que incluyen por ejemplo aeróstatos,
barcos, aviones de vigilancia, y vehículos espaciales. La figura 1
muestra una vista de entorno físico de distintos sistemas de radar
aéreos y espaciales avanzados, en los que la antena 10 puede
incorporarse de modo adecuado. Estos sistemas incluyen, por
ejemplo, radares espaciales de banda X ligeros para sistemas de
radar 22 de apertura sintética (SAR), sistemas 26 de indicación de
objetivos móviles terrestres (GMTI), y sistemas 28 de indicación de
objetivos móviles aéreos (AMTI). Estos sistemas usan un número
sustancial de antenas, y se ha encontrado que la antena 10 de la
presente invención, merced a los módulos 18 de variación de fase o
desfasadores MEMS, presenta un coste relativamente bajo, usa,
relativamente, menos energía y pesa menos que las antenas de la
técnica anterior, que usan diodos PIN y variadores de fase de
conmutación FET o módulos de transmisión/recepción (T/R).
Como se muestra en la figura 2, cada módulo 18
de variación de fase o desfasadores MEMS está emparedado entre un
par de elementos radiantes de banda ancha 14 opuestos. En la
realización ilustrada los elementos radiantes 14 presentan,
sustancialmente, la misma geometría y están dispuestos
simétricamente en relación con el módulo 18 variación de fase o
desfasador MEMS y en relación con un eje A que representa la
dirección de alimentación/radiación de la antena 10, y, más
concretamente, de su módulo 18 de variación de fase o desfasador
MEMS. Como se apreciará, de manera alternativa, los elementos
radiantes 14 pueden presentar una geometría diferente y/o estar
dispuestos asimétricamente en relación con el módulo 18 de
variación de fase o desfasador MEMS y/o el eje A de
alimentación/radiación. En otros términos, el elemento radiante
frontal o de salida 14b puede presentar una geometría diferente a
la del elemento radiante trasero o de entrada 14a.
Cada elemento radiante de banda ancha 14 incluye
un par de salientes a modo de garra 32 con una parte de base
rectangular 34, una parte de vástago 38 relativamente más estrecha y
una parte distal arqueada 42. Los salientes a modo de garra 32
forman hendiduras 36 entre ellos que proporcionan una trayectoria
por la que pueda propagarse energía de RF (por ejemplo, en la
dirección del eje A de alimentación/radiación) durante el
funcionamiento de la antena 10. Las partes de base 34, denominadas
en este documento, también, planos de tierra, se encuentran una
junto a otra, a cada lado del eje A de alimentación/radiación y son
adyacentes al módulo 18 de variación de fase o desfasador por
extremos opuestos del mismo, en la dirección del eje A de
alimentación/radiación. En conjunto, las partes de base 34
presentan una anchura sustancialmente igual a la anchura del módulo
18 de variación de fase o desfasador MEMS. Las partes de vástago 38
son más estrechas que las partes de base 34 respectivas y
sobresalen en relación con las partes de base 34 en la dirección del
eje A de alimentación/radiación, y, también, se encuentran una
junto a otra, a cada lado del eje A de alimentación/radiación. Las
partes distales arqueadas 42 sobresalen en relación con las partes
de vástago 38 respectivas en la dirección del eje A de
alimentación/radiación y se ramifican lateralmente alejándose del
eje A de alimentación/radiación y alejándose una de otra. Las
partes distales arqueadas 42 forman, conjuntamente, una abertura a
modo de V ensanchada progresivamente o arqueada, que se ensancha
hacia fuera a partir del módulo 18 de variación de fase o desfasador
en la dirección del eje A de alimentación/radiación. La abertura
ensanchada de un elemento radiante de banda ancha 14 del extremo
trasero de la lente de alimentación de paso de banda ancha 11 recibe
y canaliza energía de RF de la red de alimentación CTS 12 y propaga
la energía de RF, a través de la hendidura 36 correspondiente, al
módulo 18 de variación de fase o desfasador MEMS correspondiente. La
abertura ensanchada de un elemento radiante de banda ancha 14 del
extremo opuesto o frontal de la lente de alimentación de paso de
banda ancha 11 irradia energía de RF proveniente del módulo 18 de
variación de fase o desfasador MEMS correspondiente, a través de la
hendidura 36 correspondiente, al espacio libre.
Volviendo a la figura 3, los módulos 18 de
variación de fase o desfasadores MEMS están configurados a modo de
red en la lente de alimentación de paso de banda ancha 11. Así, la
lente de alimentación de paso de banda ancha 11 incluye una
abertura de entrada 54 que comprende una red de elementos radiantes
de entrada 14a detrás de los módulos 18 de variación de fase o
desfasadores MEMS, y una abertura de salida o radiante 58 que
comprende una red de elementos radiantes de salida 14b frente a los
variadores de fase MEMS 18. La lente de alimentación de paso 11 de
la figura 3 presenta una red o agrupación de cuatro (4) filas y
siete (7) columnas de variadores de fase MEMS 18 y cuatro (4) filas
y siete (7) columnas de elementos radiantes de entrada y salida 14a
y 14b. Podrá apreciarse que la red puede comprender cualquier
cantidad adecuada de variadores de fase MEMS 18 y elementos
radiantes de entrada y salida 14a y 14b, del modo deseado para una
aplicación particular. Por ejemplo, en la figura 4, la lente de
alimentación de paso de banda ancha 11 incluye 16 variadores de fase
MEMS 18 y 16 elementos radiantes de banda ancha de entrada y salida
14a y 14b.
La lente de alimentación de paso de banda ancha
11 se alimenta especialmente mediante la red de alimentación CTS
12. La red de alimentación CTS 12, ilustrada en las figuras 3 y 4,
incluye una pluralidad de entradas 62 de RF (cuatro en la
realización de la figura 3), un elemento continuo 64 y una
pluralidad de elementos radiantes CTS 68 que sobresalen del
elemento continuo 64 en dirección a la abertura de entrada 54 de la
lente de alimentación de paso de banda ancha 11. En la realización
ilustrada, los elementos radiantes CTS 68 coinciden, en número, con
los elementos radiantes de entrada y salida 14a y 14b. Además, en la
realización ilustrada, los elementos radiantes CTS 68 están
separados sustancialmente, en dirección transversal, en la misma
distancia que los elementos radiantes de entrada 14a y los
elementos radiantes de salida 14b. Podrá apreciarse que la
separación entre los elementos radiantes CTS 68 no tiene que ser la
misma ni tiene que corresponderse con la separación entre los
elementos radiantes de entrada 14a. Por otro lado, podrá apreciarse
que los elementos radiantes CTS 68 (es decir, las columnas) y/o las
entradas 62 de RF (es decir, las filas) de la red de alimentación
CTS 12 no tienen que ser los mismos, en número, ni tienen que estar
alineados o corresponder con las columnas y filas de elementos
radiantes de entrada y salida 14a y 14b ni con los módulos 18 de
variación de fase o desfasadores de la lente de alimentación de
paso de banda ancha 11. Así, la red de alimentación CTS 12 puede
tener más o menos filas y/o columnas que la lente de alimentación de
paso de banda ancha 11 en función de, por ejemplo, la aplicación
particular de la antena.
La figura 5 muestra una vista, en sección
transversal, de un segmento de la red de alimentación CTS 12 de la
figura 3. La red de alimentación CTS 12 incluye un dieléctrico 70
hecho de plástico, tal como rexolita o polipropileno, mecanizado o
extrudido para darle la forma mostrada en la figura 5. Luego, el
dieléctrico 70 se reviste de una capa de metal 74 con el fin de
formar el elemento continuo 64 y los elementos radiantes CTS 68. La
red de alimentación CTS 12 se presta a procesos de extrusión de
plástico y revestimiento metálico de grandes series, comunes en
operaciones de fabricación del campo del automóvil, y, en
consecuencia, facilita costes de fabricación bajos.
La red de alimentación CTS 12 es una red o
agrupación de acoplamiento/radiación de microondas. Como se muestra
en la figura 5, modos de guía de onda paralela incidente originados
a partir de una alimentación de línea principal de configuración
arbitraria, tienen asociados con ellos componentes de corriente
eléctrica longitudinales interrumpidos por la presencia del
elemento continuo 64, que excita una corriente de desplazamiento
longitudinal, en dirección z, a través de la interfaz entre el
elemento de transmisión y la placa paralela. Esta corriente de
desplazamiento inducido, a su vez, excita ondas electromagnéticas
equivalentes que se desplazan en el elemento de transmisión
continuo 64, en dirección x, hacia los elementos radiantes CTS 68 y
al espacio libre. Se ha encontrado que tales antenas CTS no
barredoras pueden funcionar a frecuencias de hasta 94 GHz. Para más
detalles en relación con una red de alimentación CTS ilustrativa
puede hacerse referencia a las patentes norteamericanas nos.
6.421.021; 5.361,076; 5.349.363 y 5.266.961, todas las cuales se
incorporan a este documento como referencia en su totalidad.
En funcionamiento, se alimenta energía de RF en
serie, a partir de las entradas 62 de RF, a los elementos radiantes
CTS 68, a través de la guía de onda de placa paralela de la red de
alimentación CTS 12, que es irradiada en forma de onda plana en el
campo cercano. Puede notarse que las distancias en que la energía de
RF se desplaza desde la entrada 62 de RF a los elementos radiantes
68 no son iguales. La onda plana de RF es emitida en la abertura de
entrada 54 de la lente de alimentación de paso de banda ancha 11 por
los elementos radiantes CTS 68 y, luego, es convertida en señales
de RF discretas. A continuación, las señales de RF son tratadas por
los módulos 18 de variación de fase o desfasadores MEMS. Para más
detalles en relación con variadores de fase MEMS puede hacerse
referencia a las patentes norteamericanas nos. 6.281.838; 5.757.379
y 5.379.007.
Luego, las señales MEMS tratadas se vuelven a
irradiar a través de la abertura radiante 58 de la lente de
alimentación de paso de banda ancha 11, que, entonces, recombina las
señales de RF y forma el haz de antena orientado. En una red de
alimentación CTS 12 alimentada en serie de este tipo, el haz de
antena se mueve con posiciones angulares diferentes en el plano E
78 (figura 3) en función de la frecuencia, y se ilustra a modo de
ejemplo mediante la referencia 80 en la figura 4. A medida que la
frecuencia varía, la fase de salida de cada elemento radiante CTS
68 cambia con regímenes diferentes, dando lugar al barrido de
frecuencias.
En una realización alternativa, se consigue una
frecuencia de banda ancha al alimentar los elementos radiantes CTS
68 en paralelo usando una alimentación de guía de onda de placa
paralela colectiva (no mostrada). Al alimentar en paralelo a los
elementos radiantes CTS 68, las distancias en que la energía de RF
se desplaza desde la entrada 62 de RF hasta los elementos radiantes
68 es la misma. A medida que la frecuencia varíe, la fase de salida
de cada elemento radiante CTS 68 cambia con, sustancialmente, el
mismo régimen, y así el haz de antena irradiado a través de la
abertura radiante 58 permanece en posición fija.
Las figuras 6-10 muestran una
realización ilustrativa de una red de elementos radiantes de banda
ancha 14a y 14b y módulos 18 de variación de fase o desfasadores
MEMS, cuyos elementos radiantes de banda ancha 14a y 14b están
fabricados sobre una tarjeta de circuito impreso (PCB) 84, y los
módulos 18 de variación de fase o desfasadores MEMS están montados
en la tarjeta PCB 84 entre los elementos radiantes de entrada y
salida 14a y 14b. Cada módulo 18 de variación de fase o desfasador
MEMS incluye un alojamiento 86 (figura 9) hecho de kovar, por
ejemplo, y un número adecuado de conmutadores de variador de fase
MEMS (no mostrados), por ejemplo, dos, montados en el alojamiento
86. Se apreciará que el número de conmutadores de variador de fase
MEMS dependerá de la aplicación particular.
Un par de espigas de conexión de RF 88 y una
pluralidad de espigas de conexión de CC 92 sobresalen del fondo del
alojamiento 86 en dirección sustancialmente normal al plano del
alojamiento 86 (figura 7). Las espigas de conexión de RF 88
corresponden a los elementos radiantes de entrada y salida 14a y 14b
respectivos. Las espigas de conexión de RF 88 se extienden a través
del grosor de la tarjeta PCB 84 en dirección normal al plano de la
tarjeta PCB 84, y están conectadas eléctricamente con líneas de
transmisión 104 de microbanda respectivas (es decir, un balún)
dispuestas en el lado de la tarjeta PCB 84 opuesto al lado en el que
estén montados los módulos 18 de variación de fase o desfasadores
MEMS de RF (figuras 7 y 8). Las líneas de transmisión 104 están
acopladas eléctricamente con los elementos radiantes de entrada y
salida 14a y 14b respectivos, con el fin de transmitir señales de
RF a los elementos radiantes de entrada y salida 14a y 14b y a
partir de ellos. En la realización ilustrativa mostrada, las líneas
de transmisión 104 tienen forma de L, extendiéndose una rama en las
hendiduras 36 respectivas de la parte de base rectangular 34 (figura
2) de los elementos radiantes 14a y 14b respectivos. La parte de
base rectangular 34 funciona a modo de plano de tierra de la línea
de transmisión 104. La hendidura 36 constituye una interrupción del
plano de tierra (es decir, de la parte rectangular 34) que causa un
potencial de tensión que fuerza a la energía de RF a propagarse a lo
largo de la hendidura 36 de los elementos radiantes 14a y 14b
respectivos.
Las espigas de conexión 92 de CC se extienden,
también, a través del grosor de la tarjeta PCB 84 y están conectadas
eléctricamente con líneas de señalización de control y polarización
de CC 108. Las líneas de señalización de control y polarización de
CC 108 son encaminadas por el centro de la tarjeta PCB 84 y se
extienden hasta un borde 110 de la tarjeta PCB 84.
Se apreciará que la orientación de las espigas
de conexión de RF 88 y de CC 92 en relación con el plano del
alojamiento 86 de los módulos 18 de variación de fase o desfasadores
MEMS permite a las espigas de conexión de RF 88 y CC 92 ser
instaladas verticalmente. Tal particularidad de interconexión
vertical hace la instalación de los módulos 18 de variación de fase
o desfasadores MEMS relativamente sencilla en comparación con, por
ejemplo, circuitos integrados de microondas monolíticos (MMICS)
convencionales con conectores coaxiales o uniones de alambre
externas, u otros agrupamientos convencionales con conexiones de
tipo extremo con extremo que requieren numerosas operaciones de
tratamiento. Las interconexiones verticales ofrecen flexibilidad de
instalación, permitiendo, por ejemplo, un montaje superficial, una
red de espigas de conexión en retícula, o un paquete del tipo de
agrupación o red de bolas de conexión en retícula.
Como se muestra en la figura 10, múltiples
tarjetas PCB 84 (ocho en la realización ilustrativa mostrada),
representando cada una de ellas una fila de la lente de alimentación
de paso de banda ancha 11, pueden apilarse o disponerse
verticalmente a modo de columna, separadas mediante separadores 114.
De ese modo, los elementos radiantes de entrada y salida 14a y 14b
de las aberturas radiantes 54 y 58 respectivas de la lente de
alimentación de paso de banda ancha 11 presentan una configuración
bidimensional, es decir, una estructura reticular de filas y
columnas de elementos radiantes de entrada y salida 14a y 14b. La
separación de retícula puede seleccionarse basándose en, por
ejemplo, las posibilidades de frecuencia y barrido deseadas para una
aplicación particular.
Las líneas de señalización de control y
polarización de CC de cada tarjeta PCB 84 se aplican con un
conectador 124. En la realización ilustrada existen ocho
conectadores 124. Los conectadores 124, a su vez, están acoplados
eléctricamente entre sí por medio de un cable de conexión 132, que,
a su vez, está conectado con una tarjeta de circuito impreso de
distribución de CC (PWB) 138.
Con referencia de nuevo a la figura 9, un
circuito integrado de aplicación específica (ASIC) 144 de
control/
accionamiento, que permita un barrido bidimensional en el plano E y el plano H, está previsto dentro o fuera del alojamiento 86 de cada módulo 18 de variación de fase o desfasador. El circuito ASIC 144 permite a las entradas/salidas de CC de módulos 18 de variación de fase o desfasadores MEMS adyacentes ser conectadas entre sí en serie. El circuito ASIC 144 controla los ajustes de fase de los variadores de fase o desfasadores MEMS individuales del módulo 18 de variación de fase o desfasador MEMS en el que esté instalado, y permite el control y la polarización en serie de los conmutadores de variadores de fase MEMS. Como se apreciará, el diseño del circuito ASIC 144 puede ser compatible con, por ejemplo, procesos de fabricación CMOS IC actuales.
accionamiento, que permita un barrido bidimensional en el plano E y el plano H, está previsto dentro o fuera del alojamiento 86 de cada módulo 18 de variación de fase o desfasador. El circuito ASIC 144 permite a las entradas/salidas de CC de módulos 18 de variación de fase o desfasadores MEMS adyacentes ser conectadas entre sí en serie. El circuito ASIC 144 controla los ajustes de fase de los variadores de fase o desfasadores MEMS individuales del módulo 18 de variación de fase o desfasador MEMS en el que esté instalado, y permite el control y la polarización en serie de los conmutadores de variadores de fase MEMS. Como se apreciará, el diseño del circuito ASIC 144 puede ser compatible con, por ejemplo, procesos de fabricación CMOS IC actuales.
Conjuntamente, los módulos 18 de variación de
fase o desfasadores MEMS y los elementos radiantes de banda ancha
14a y 14b, que constituyen la abertura de entrada 54 y la abertura
radiante 58 de la lente de alimentación de paso de banda ancha 11,
orientados como en la realización ilustrativa mostrada, realizan un
barrido en el plano E 78 que tiene lugar paralelamente a las filas
de elementos radiantes 14a y 14b, y un barrido en el plano H que
tiene lugar perpendicularmente a las filas de elementos radiantes
14a y 14b. Con el fin de realizar los ajustes de variación de fase
de cada módulo 18 de variación de fase o desfasador MEMS, se envía
una instrucción en serie, a partir de un ordenador de orientación de
haz, por medio de la tarjeta PWB de distribución de CC 138, a cada
módulo 18 de variación de fase o desfasador MEMS de la fila, que es
recibida por un receptor de línea diferencial previsto en el
circuito ASIC 144. La circuitería de control de lógica incorporada
en cada circuito ASIC 144 puede usarse para ajustar la polarización
de cada conmutador de variador de fase MEMS con el fin de conseguir
una salida de desplazamiento de fase deseada. Por tanto, cada
circuito ASIC 144 hace que se produzca una orientación en el plano
E y el plano H, o barrido bidimensional, del haz irradiado por la
antena 10.
Aunque la invención se haya mostrado y descrito
en relación con ciertas realizaciones ilustradas, a los expertos en
la técnica se les podrán ocurrir alteraciones y modificaciones
equivalentes a partir de la lectura y la comprensión de esta
memoria descriptiva y los dibujos adjuntos. Por otro lado, aunque
alguna característica particular de la invención puede haberse
descrito en lo que antecede en relación con solamente una de las
distintas realizaciones ilustradas, tal característica podría
combinarse con una o más características de las otras
realizaciones.
Claims (8)
1. Una antena (10) orientable, ESA, de red de
lentes de barrido electrónico que comprende:
una lente de alimentación de paso de banda ancha
(11) que incluye una primera y una segunda red de elementos
radiantes de banda ancha (14; 14a; 14b) y una red de módulos (18) de
variación de fase o desfasadores dispuesta entre la primera y la
segunda red de elementos radiantes (14; 14a; 14b); y
una red de alimentación de elemento de
transmisión transversal continuo (CTS) (12) dispuesta junto a la
primera red de elementos radiantes (14, 14a, 14b) con el fin de
entregar un frente de onda plano en el campo cercano;
caracterizada porque
los módulos (18) de variación de fase o
desfasadores consisten en módulos (18) de variación de fase o
desfasadores MEMS que orientan un haz irradiado por la red de
alimentación CTS (12) en dos dimensiones,
la primera y la segunda red de elementos
radiantes de banda ancha (14a, 14b) se fabrican sobre una tarjeta
de circuito impreso (84), tarjeta PCB, y los módulos (18) de
variación de fase o desfasadores MEMS se montan en la PCB (84),
entre los elementos radiantes de banda ancha de entrada y salida
(14a, 14b), y
cada módulo (18) de variación de fase o
desfasador MEMS incluye una pluralidad de espigas de conexión de CC
(92) que se extienden a través del grosor de la tarjeta PCB (84) y
están conectadas eléctricamente con líneas de señalización de
control y polarización de CC (108) dispuestas en el lado de la
tarjeta PCB (84) opuesto a lado en el que estén montados los
módulos (18) de variación de fase o desfasadores MEMS, encaminadas
por el centro de la tarjeta PCB (84) y que se extienden hasta un
borde de la tarjeta PCB (84), estando conectadas las líneas de
señalización de control y polarización de CC (108) con una línea de
distribución de CC (138).
2. La antena ESA de la reivindicación
precedente, en la que cada módulo (18) de variación de fase o
desfasador MEMS incluye un par de espigas de conexión de RF (88)
que corresponden a un primero y un segundo elementos radiantes
(14a, 14b) respectivos de la primera y la segunda red de elementos
radiantes (14a, 14b) de la lente de alimentación de paso de banda
ancha (11).
3. La antena ESA de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que cada módulo (18) de
variación de fase o desfasador MEMS incluye un par de espigas de
conexión de RF (88) que corresponden a un primero y un segundo
elementos radiantes (14a, 14b) respectivos de la primera y la
segunda red de elementos radiantes (14a, 14b) de la lente de
alimentación de paso de banda ancha (11), y una pluralidad de
espigas de conexión de CC (92) destinadas a recibir instrucciones
en serie a partir de un ordenador de orientación de haz para
orientar, al menos parcialmente, el haz irradiado por la red de
alimentación CTS (12), y en la que las espigas de conexión de RF
(88) y de CC (92) están dispuestas perpendicularmente en relación
con un alojamiento (86) de los módulos (18) de variación de fase o
desfasadores MEMS respectivos con el fin de permitir su
interconexión con la tarjeta PCB (84) de manera relativamente
vertical.
4. La antena ESA de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, que incluye, además, un circuito
integrado de aplicación específica (144), ASIC, de
control/accionamiento previsto en relación con cada módulo (18) de
variación de fase o desfasador, con el fin de conectar
eléctricamente en serie, entre sí, módulos (18) de variación de
fase o desfasadores MEMS adyacentes y de realizar ajustes de fase
individuales de los módulos (18) de variación de fase o
desfasadores MEMS respectivos.
5. La antena ESA de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que los elementos radiantes de
banda ancha (14) de la lente de alimentación de paso de banda ancha
(11) están orientados de modo que pueda producirse un barrido en el
plano E, paralelamente a las filas de elementos radiantes (14).
6. Un método de barrido de frecuencias de
energía de radiofrecuencia, que comprende los pasos de:
introducir energía de radiofrecuencia, RF, en la
red de alimentación de elemento de transmisión transversal
continuo, CTS, (12);
irradiar la energía de RF a través de una
pluralidad de elementos radiantes CTS (68), en forma de onda plana,
en el campo cercano;
entregar la onda plana de RF en una abertura de
entrada (54) de una lente de alimentación de paso de banda ancha
(11) que incluya una pluralidad de módulos (18) de variación de fase
o desfasadores;
convertir el plano de onda de RF en señales de
RF discretas;
irradiar las señales de RF a través de una
abertura radiante (58) de la lente de alimentación de paso de banda
ancha (11), recombinando así las señales de RF y generando un haz de
antena; y
variar la frecuencia de la señal de RF
introducida en la red de alimentación CTS (12) con el fin de
cambiar, de ese modo, la posición angular del haz de antena en dos
dimensiones y realizar un barrido de frecuencias mediante el haz de
antena;
caracterizado por:
usar módulos (18) de variación de fase o
desfasadores MEMS para tratar las señales de RF,
fabricar la primera y la segunda red de
elementos radiantes de banda ancha (14; 14a; 14b) sobre una tarjeta
de circuito impreso (PCB) (84),
montar los módulos (18) de variación de fase o
desfasadores MEMS en la tarjeta PCB (84), entre los elementos
radiantes de banda ancha de entrada y salida (14; 14a, 14b),
montar líneas de señalización de control y
polarización de CC (108) en el lado de la tarjeta PCB (84) opuesto
al lado en el que están montados los módulos (18) de variación de
fase o desfasadores MEMS de RF,
encaminar las líneas de señalización de control
y polarización de CC (108) por el centro de la tarjeta PCB (84)
hasta un borde de la tarjeta PCB (84), conectándose las líneas de
señalización de control y polarización de CC (108) con una línea de
distribución de CC (138), y
dotar a cada módulo (18) de variación de fase o
desfasador MEMS de una pluralidad de espigas de conexión de CC (92)
que se extiendan a través del grosor de la tarjeta PCB (84) y estén
conectadas eléctricamente con las líneas de señalización de control
y polarización de CC (108) respectivas.
7. El método de la reivindicación 6, por el que
el paso de introducir energía de RF incluye alimentar los elementos
radiantes CTS (68) en serie.
8. El método de las reivindicaciones 6 o 7, que
incluye, además, el paso de ajustar la salida de variación de fase
de los módulos (18) de variación de fase o desfasadores respectivos
merced al ajuste de la polarización de uno o más conmutadores de
variadores de fase MEMS en los módulos (18) de variación de fase o
desfasadores MEMS respectivos.
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| US10/373,936 US6822615B2 (en) | 2003-02-25 | 2003-02-25 | Wideband 2-D electronically scanned array with compact CTS feed and MEMS phase shifters |
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