ES2405598T3 - Sistema de antena de banda ancha para comunicaciones por satélite - Google Patents

Abstract

Antena para comunicaciones por satélite de banda ancha, en particular para aplicaciones móviles, compuesta porun conjunto de antenas de bocina primarias (1) que se encuentran conectadas la una a la otra a través de una redde alimentación por guías de ondas (2), donde la antena se compone de un número N>=N1 x N2 de antenas de bocinaprimarias, donde N1 y N2 son números enteros pares, caracterizada porque N1 > 4 N2, para toda la superficie deabertura A de la antena A>=L x H, donde L<= 4 H y L < N1 λ, donde λ indica la longitud de onda mínima del espaciolibre de la onda electromagnética a ser transmitida o recibida, las antenas de bocina primarias posibilitan de modo talla recepción y la transmisión de dos ondas electromagnéticas ortogonales linealmente polarizadas, que éstasdisponen de una superficie de abertura rectangular a >= 1 x h, donde 1 < h y 1 < λ y de una salida (3)aproximadamente cuadrática, donde L >= N1 l, H >= N2 h, y A >= N1 x N2 x l x h >= L x H, y las antenas de bocinaprimarias (1) son alimentadas de modo tal directamente en su salida a través de guías de ondas (4, 5) rectangulares,que una de las polarizaciones lineales ortogonales es suministrada y conducida de forma paralela con respecto a lasuperficie de abertura y la otra de las polarizaciones lineales ortogonales es suministrada y conducida en un planode forma perpendicular con respecto a la superficie de abertura mediante una guía de ondas tabicada (6), lasbocinas de las antenas de bocina primarias se encuentran aplanadas y, paralelamente a la superficie de aberturapresentan una longitud 1H < 1,5 λ, la red de alimentación por guías de ondas (2) se compone de una red dealimentación para una de las dos polarizaciones lineales ortogonales y de otra red de alimentación separada de laprimera para la otra de las dos polarizaciones lineales ortogonales, cada una de las dos redes de alimentación seencuentra constituida como un árbol binario con divisores de potencia E y H binarios (7, 8), de manera que elrespectivo último divisor de potencia en el nivel más bajo del árbol binario reúna las potencias de dos semi aberturascon respectivamente N/2 antenas de bocina primarias para cada una de las dos polarizaciones ortogonales, deforma separada y asimétrica, la configuración de la abertura de la antena sigue en cada caso aproximadamente larelación

Description

Sistema de antena de banda ancha para comunicaciones por satélite

La presente invención hace referencia a un sistema de antena de banda ancha para las comunicaciones entre portadoras móviles y satélites, en particular para aplicaciones aeronáuticas.

La necesidad de canales de banda ancha inalámbricos para la transmisión de datos con tasas de bits muy elevadas aumenta permanentemente, en particular en el ámbito de las comunicaciones por satélite. Sin embargo, especialmente en el ámbito aeronáutico, hacen falta antenas adecuadas que en particular puedan cumplir con los requisitos exigidos para la utilización móvil, como por ejemplo dimensiones y peso reducidos. Para las comunicaciones direccionales inalámbricas de datos a través de satélites (por ejemplo en banda Ku o banda Ka) existen además exigencias extremas en cuanto a las características de transmisión de los sistemas de antenas, ya que una interferencia de los satélites contiguos debe evitarse de forma fiable.

El peso y el tamaño del sistema de antenas son de gran importancia para las aplicaciones aeronáuticas, puesto que dicho sistema reduce la carga útil del avión y ocasiona costes operativos adicionales.

Por tanto, el problema reside en el hecho de proporcionar sistemas de antenas lo más pequeños y livianos posible, los cuales sin embargo durante su funcionamiento cumplan con las exigencias regulatorias para los modos de transmisión y de recepción.

Las exigencias regulatorias para el modo de transmisión resultan por ejemplo de las normas CFR 25.209, CFR 25.222, ITU-R M. 1643 ó ETSI EN 302 186. Todos estos reglamentos regulatorios deben asegurar que no pueda producirse ninguna interferencia a satélites próximos en el modo de transmisión direccional de una antena satelital móvil. Para ello se definen por lo general envolventes (curvas envolventes) de una densidad de potencia espectral máxima en función del ángulo de distancia con respecto a los satélites de destino. Durante el modo de transmisión del sistema de antenas no deben sobrepasarse los valores predefinidos para un ángulo de distancia determinado. Esto implica exigencias estrictas en cuanto a las características de la antena que dependen del ángulo. La exigencia de CFR 22.209 en cuanto a la ganancia de la antena dependiente del ángulo en la banda Ku, en la dirección del azimut (tangencial a la órbita de Clarke), se representa a modo de ejemplo en la figura 5a (curva marcada en negrita). Con un ángulo de distancia creciente con respecto a los satélites de destino, la ganancia de la antena debe decrecer en gran medida. Esto puede lograrse físicamente sólo a través de configuraciones de amplitudes y de fases de la antena muy homogéneas. Por lo general se emplean por lo tanto antenas parabólicas que presentan estas propiedades. Las antenas de esa clase, sin embargo, no son adecuadas para la utilización móvil, en particular en aviones. Para reducir la resistencia del aire se utilizan aquí aberturas de la antena rectangulares o casi rectangulares que presentan una relación de aspecto de ancho por altura de a lo sumo 1:4. Puesto que los reflectores parabólicos sólo poseen una efectividad muy reducida, en esas relaciones de aspecto se consideran preferentemente los conjuntos de antenas para estas aplicaciones, por ejemplo en aviones o automóviles.

No obstante, en el caso de los conjuntos de antenas se presenta el problema conocido de los así llamados quot;grating lobesquot; (lóbulos reticulados). Los grating lobes son lóbulos laterales parásitos que se originan debido a que los centros de los haces de los elementos de la antena que forman el conjunto de la antena, condicionados por la construcción, deben presentar una determinada distancia uno con respecto al otro. En el caso de determinados ángulos de los haces, esto conduce a una interferencia positiva de los radiadores de la antena y, con ello, a una radiación no deseada de potencia electromagnética en áreas angulares no deseadas. En la teoría de conjuntos de antenas bidimensionales (por ejemplo de J. D. Kraus y R. J. Marhefka, quot;Antennas: for all applicationsquot; (Antenas: para todas las aplicaciones), 3era edición, Series McGraw-Hill de ingeniería eléctrica, 2002) se demuestra que sólo se producen grating lobes parasitarios significativos cuando los centros de los haces del conjunto de antenas se encuentran distanciados unos de otros en menos de una longitud de onda de la longitud de onda útil.

Debido a que los conjuntos de antenas deben disponer de una red de alimentación, se presenta el problema práctico de encontrar topologías de red y de conjunto de antenas que, por una parte, cumplan con los requerimientos antes mencionados en cuanto a la distancia máxima de los centros de los haces y, por otra parte, necesiten tan poco espacio de construcción como sea posible. Además, las redes de alimentación sólo pueden ser mínimamente disipativas para poder alcanzar una elevada eficiencia de la antena y, con ello, un tamaño mínimo de la antena.

En las comunicaciones por satélite direccionales se utilizan por lo general además dos polarizaciones independientes de la señal para aumentar la tasa de bits. Por lo tanto, el sistema de antenas debe estar en condiciones de procesar dos polarizaciones independientes de forma simultánea. Tanto en el modo de transmisión como en el modo de recepción se requiere una elevada separación de polarización para que no se produzca una mezcla y, con ello, una disminución de la eficiencia. Para el modo de transmisión existen además exigencias regulatorias estrictas en cuanto a la separación de la polarización para que no pueda producirse ninguna interferencia de los retransmisores ortogonales contiguos (véase por ejemplo CFR 25.209 ó 25.222). Para los conjuntos de antenas, por tanto, debe garantizarse en primer lugar que los elementos primarios de los radiadores dispongan de un buen mantenimiento y de una buena separación de la polarización y, en segundo lugar, que en las redes de alimentación no se produzca ninguna mezcla no deseada de las polarizaciones ortogonales.

El desacoplamiento de polarización requerido en las señales polarizadas es muy exigente para el sistema de antenas, en especial en el caso de las aplicaciones aeronáuticas. Puesto que los sistemas de esa clase por lo 5 general se colocan en el fuselaje y disponen de un posicionador de dos ejes, la abertura de la antena se sitúa con su eje azimutal siempre en el plano del avión. El plano del avión es por lo general un plano tangencial con respecto a la superficie terrestre. Si la posición del avión y la posición del satélite no se encuentran en la misma longitud geográfica, entonces la abertura de la antena, cuando se encuentra orientada hacia los satélites, rota siempre alrededor de un ángulo determinado que depende de la longitud geográfica, frente al plano de la órbita de Clarke. Esta así llamada inclinación geográfica, en el caso de aplicaciones móviles, no puede ser compensada por una rotación de la antena alrededor de un eje que se sitúa perpendicularmente con respecto al plano de abertura, tal como es posible en el caso de antenas terrestres estacionarias. De este modo, un sistema de antenas aeronáutico, a pesar de las longitudes que en principio son desfavorables en cuanto a las proporciones dimensionales, debe también poder cumplir con las exigencias regulatorias en caso de presentarse una inclinación geográfica de hasta un

15 ángulo de rotación determinado de por lo general unos 635º.

A este respecto, para antenas satelitales móviles, en especial aeronáuticas, se presentan los siguientes problemas que deben ser resueltos de forma simultánea:

1.

una dimensión posible mínima para cumplir con las exigencias regulatorias,

2.

una eficiencia máxima de la antena con un peso mínimo,

3.

un gran ancho de banda para cubrir la banda de recepción y la banda de transmisión (por ejemplo para el funcionamiento con banda Ku: 10, 7-12, 75 GHz y 13, 75-14, 5 GHz),

4.

muy buenas características en cuanto al direccionamiento,

5.

una elevada separación de polarización,

6. una compensación de la inclinación geográfica a través del seguimiento de los planos de polarización en el caso 25 de señales polarizadas.

Estado del arte:

Es conocido el hecho de que las antenas que se encuentran diseñadas como conjuntos de antenas de bocina cuentan con una eficiencia elevada. Si los conjuntos de antenas de bocina son alimentados a través de una red de guía de ondas, entonces la atenuación de las ondas electromagnéticas a través de redes de esa clase puede ser muy reducida. Un conjunto de esa clase se sugiere por ejemplo en la especificación de patente US 5243357. Sin embargo, en este documento se hace referencia a una antena utilizada solamente para recepción (columna 1, línea 10 y siguientes). El alto grado de desacoplamiento de polarización requerido para el funcionamiento como antena de transmisión no puede ser alcanzado con la red sugerida de guías de ondas cuadráticas. Asimismo, la distancia entre los elementos del radiador es comparativamente elevada al encontrarse condicionada por la construcción, puesto 35 que las guías de ondas cuadráticas deben poseer dimensiones en el rango de la mitad de la longitud de onda de la frecuencia utilizable para guiar las ondas de forma eficiente, y los centros de los elementos de radiación, por tanto, se encuentran distanciados unos de otros mucho más que en una longitud de onda. Es conocido el hecho de que esto produce lóbulos laterales significativos (los así llamados quot;grating lobesquot;) en las características de la antena. Estos lóbulos laterales no son perjudiciales en el caso del modo de recepción puro. Sin embargo, un modo de transmisión regulatoriamente permitido no es posible, puesto que por ejemplo CFR 25.209 y CFR 25.222 establecen exigencias muy elevadas en cuanto a la supresión de lóbulos laterales. Puede lograrse un mejoramiento de la separación de polarización a través de redes de alimentación separadas. De este modo, por ejemplo en la solicitud US 2005/0146477, se sugiere utilizar respectivamente una red de alimentación propia para la polarización circular en el sentido a la izquierda y para la polarización circular en el sentido a la derecha. Los elementos del radiador (aquí 45 cruces de aberturas), sin embargo, deben para ello ser alimentados en forma secuencial. Esto restringe en alto grado el ancho utilizable de la banda. Con una disposición de esta clase no es posible un funcionamiento típico de la banda Ku, por ejemplo con una banda de recepción de 10,7 GHz hasta 12,75 GHz y una banda de transmisión de 14,0 GHz hasta 14,5 GHz. En la solicitud US 5568160 se sugiere también alimentar la red del distribuidor con cruces de aberturas. Los elementos primarios de la antena, sin embargo, son aquí antenas de bocina cuadráticas. La red de alimentación se divide en una red para la polarización horizontal y una red para la polarización vertical. De esta manera es posible un alto grado de desacoplamiento de polarización. No obstante, los centros de los radiadores, condicionados por la construcción, también aquí se sitúan comparativamente muy distanciados unos de otros, de modo tal que se presentan lóbulos laterales parasitarios. El mismo problema se presenta en las disposiciones propuestas por ejemplo en las solicitudes US 6225960, WO 2006/061865 y GB 2247990 Para lograr una

homogeneización de la configuración de la abertura, en la solicitud US 6201508 se sugiere colocar una rejilla (quot;crossed septumquot;; columna 3, línea 26) sobre cada antena de bocina. Los centros de los elementos de radiación, sin embargo, se encuentran también aquí distanciados unos de otros mucho más que en una longitud de onda y, condicionados por la correlación de fases, se producen igualmente lóbulos laterales parasitarios. El dispositivo, condicionado por la construcción, posee además una altura considerable (extensión perpendicular con respecto al plano de abertura), debido a lo cual apenas si puede ser empleado para aplicaciones aeronáuticas (en la banda Ku quot;0.37 mquot;; columna 5, línea 15).

Dibujos:

Las figuras 1a-c representan el diseño conforme a la invención de una abertura de un conjunto de una antena y el diseño esquemático de las redes de alimentación;

La Figura 2 muestra el diseño detallado de la superficie de abertura;

Las figuras 3a-d muestran el lado posterior de una antena conforme a la invención y el diseño detallado del conjunto de la antena de bocina con las redes de alimentación para dos polarizaciones lineales ortogonales;

Las figuras 4a-b, a modo de ejemplo, representan un divisor de un conjunto E y un divisor de un conjunto H de las redes de alimentación;

Las figuras 5a-b muestran un diagrama típico de una antena de una antena conforme a la invención;

La figura 6 muestra el lado posterior de una antena conforme a la invención con diplexores de frecuencia y amplificadores;

La figura 7 representa un módulo de la guía de ondas conforme a la invención para el seguimiento de la polarización;

La figura 8 muestra un sistema de antenas aeronáutico con un posicionador de dos ejes;

La figura 9 representa un divisor combinado de conjunto E y conjunto H, con cuya ayuda puede realizarse un seguimiento muy preciso de la antena.

Es objeto de la presente invención el proporcionar un sistema de antenas de banda ancha, en particular para aplicaciones aeronáuticas, el cual permita un modo de transmisión y un modo de recepción acorde a las exigencias regulatorias y el direccionamiento preciso de la antena hacia los satélites de destino.

Este objeto se alcanzará a través de la invención conforme a la reivindicación 1. Las figuras 1a-c representan un diseño preferente, conforme a la invención, del sistema de antenas. La antena para comunicaciones por satélite de banda ancha, en particular para aplicaciones móviles, se compone de un conjunto de antenas de bocina primarias

(1) que se encuentran conectadas la una a la otra a través de una red de alimentación por guías de ondas (2), donde la antena se compone de un número N= N1 x N2 de antenas de bocina primarias, donde N1 x N2 son números enteros pares, para toda la superficie de abertura A de la antena A=L x H, donde L � 4 H y L lt; N1 A, donde A indica la longitud de onda mínima del espacio libre de la onda electromagnética a ser transmitida o recibida, las antenas de bocina primarias posibilitan de modo tal la recepción y la transmisión de dos ondas electromagnéticas ortogonales linealmente polarizadas, que éstas disponen de una superficie de abertura rectangular a = 1 x h, donde 1 lt; h y 1 lt; A y de una salida (3) aproximadamente en forma cuadrática, donde L = N1 l, H = N2 h, y A = N1 x N2 x l x h = L x H, y las antenas de bocina primarias (1) son alimentadas de modo tal directamente en su salida a través de las guía de ondas (4,5) rectangulares, que una de las polarizaciones lineales ortogonales es suministrada y conducida de forma paralela con respecto a la superficie de abertura y la otra de las polarizaciones lineales ortogonales es suministrada y conducida en un plano de forma perpendicular con respecto a la superficie de abertura mediante una guía de ondas tabicada (6), las bocinas de las antenas de bocina primarias se encuentran aplanadas y paralelamente a la superficie de abertura presentan una longitud 1H lt; 1,5 A, la red de alimentación por guías de ondas (2) se compone de una red de alimentación para una de las dos polarizaciones lineales ortogonales (4) y de otra red de alimentación separada de la primera para la otra de las dos polarizaciones lineales ortogonales (5), cada una de las dos redes de alimentación se encuentra constituida como un árbol binario con divisores de potencia E y H binarios (7, 8), de manera que el respectivo último divisor de potencia en el nivel más bajo del árbol binario reúne las potencias de dos semi aberturas con respectivamente N/2 antenas de bocina primarias para cada una de las dos polarizaciones ortogonales, de forma separada y asimétrica, la configuración de la abertura de la antena sigue en cada caso aproximadamente la relación

donde k y m son números enteros y 2k+m= N1, y las potencias p i,j, i=1.. N1, j=1.. N2 indican las contribuciones de potencia de las antenas de bocina primarias individuales, la configuración de la abertura a través de divisores de potencia E y H binarios (7, 8) se encuentra realizada en cada una de las dos redes de alimentación para cada una de las polarizaciones ortogonales, y toda la superficie de abertura se encuentra cubierta por una rejilla de igualación de fases (9), donde las mallas (10) de la rejilla de igualación de fases (9) presentan una dimensión cuadrática con longitudes del borde b y en cada caso aproximadamente b = 1, h = 2 b y b lt; A de manera que en la dirección N1 los travesaños de la rejilla se sitúan sobre los rebordes de dos antenas de bocina contiguas y en la dirección N2 del travesaño de la rejilla se encuentran en cada caso aproximadamente de forma precisa en el centro de la superficie de abertura de las antenas de bocina individuales.

A través del dimensionamiento del conjunto de antenas de bocina con un número N= N1 x N2 de antenas de bocina primarias, donde N1 gt; 4N2, y N1 y N2 son números enteros pares, se logra una abertura rectangular de la antena que cumple con las exigencias de una altura lo más reducida posible para las aplicaciones móviles, en particular para las aplicaciones aeronáuticas. Esta especificación en cuanto al dimensionamiento asegura además que durante la rotación de la antena alrededor del eje del haz principal el ensanchamiento del lóbulo principal, asociado inevitablemente a la rotación, se mantenga reducido dentro del ángulo del conjunto +/-35°, importante para la aplicación. En el caso de una relación de 4:1 para longitudes y lados, el ensanchamiento, por ejemplo en la banda de transmisión Ku (14 GHz-14,5 GHz), asciende a sólo unos pocos décimos de grado.

El ángulo del conjunto para la inclinación geográfica de +/-35° es por esto especialmente importante, puesto que, por ejemplo en la banda Ku, todo el continente norteamericano puede ser cubierto sólo con un satélite. Esto conduce a una reducción considerable de los costes de suministro de un servicio correspondiente.

Si N1 y N2 son número pares, entonces el conjunto de antenas de bocina puede ser alimentado de forma eficiente a través de una red de suministro binaria en ambas direcciones.

La especificación respectiva al dimensionamiento para la longitud L del conjunto de antena de bocinas, L lt; N1 A asegura que no se presenten lóbulos laterales parasitarios en la dirección azimutal, los cuales se producen debido a una distancia demasiado grande de los centros de los haces de las antenas de bocina primarias. La longitud de onda A debe ser la más pequeña de las longitudes de onda presentes en el modo de transmisión. En el modo de transmisión de la banda Ku esto es por ejemplo la longitud de onda en 14.5 GHz, de manera que Aquot;2,07 cm, Un modo de transmisión permitido en cuanto a las regulaciones sólo es posible a través de la supresión de los lóbulos laterales parasitarios.

Las antenas de bocina primarias, tal como se representa en la figura 1b y en la figura 2, poseen una superficie de abertura rectangular a, donde a = 1 x h y 1 lt; h. Conforme a las especificaciones, el conjunto de antenas de bocina se encuentra diseñado de modo tal que L = N1 l, H = N2 h, y A = N1 x N2 x 1 x h = L x H, donde A indica la superficie de abertura total del conjunto. De esta manera, las superficies de abertura a de las antenas de bocina primarias se sitúan unas bien próximas junto a las otras en dirección azimutal y en dirección de elevación y, con su borde corto, se encuentran orientadas en la dirección azimutal y, con su borde largo, en la dirección de elevación. Con 1 lt; A se logra que no puedan presentarse lóbulos laterales parasitarios en el caso de una configuración aplanada de las bocinas. Si por ejemplo para el modo de transmisión de la banda Ku en la banda de frecuencia 14 GHz-14,5 GHz se escoge 1 lt; A max y lA max quot;2,07 cm, entonces con la sugerencia conforme a la invencion de h = 2 1 Y N1 gt; 4 N2, se obtiene un conjunto de antenas de bocina de dimensión mínima, cumpliendo así con las exigencias regulatorias. Si en cuanto a las regulaciones se exige por ejemplo, para el ancho 3dB L3dB del lóbulo principal en 2° azimut, entonces con la fórmula de aproximación conocida resulta L3dB = 51°/LA (por ejemplo B. J. D. Kraus y R. J. Marhefka, quot;Antennas: for all applicationsquot; (Antenas: para todas las aplicaciones) 3era edición, Series McGraw-Hill de ingeniería eléctrica, 2002) pa. 374) con LA = Lmax = N1min un número mínimo N1min = 26. Para el número mínimo de N2, N2min es válido entonces N2min : 4, cumpliendo con la especificación que indica que N1 y N2 deben ser números pares enteros.

Si de forma adicional se recurre a la especificación de la reivindicación 1, donde la red de alimentación se encuentra diseñada como un árbol binario, resulta entonces un conjunto de antenas de bocina con N1 =32 y N2 =4, es decir, Lquot;64cm Y Hquot;16cm, Si se escoge la configuracion de la aberturaa través dedivisores de potencia E y H binarios simétricos y asimétricos, entonces el diagrama de antenas puede cumplir con las especificaciones regulatorias.

A través del dimensionamiento de las antenas de bocina primarias se asegura además que éstas puedan disponer de una salida cuadrática que soporte dos polarizaciones lineales ortogonales. La salida cuadrática (3) es alimentada a través de dos guías de ondas rectangulares que se sitúan en dos planos ortogonales una con respecto a la otra. Esta geometría asegura una separación efectiva de la polarización. Asimismo, la guía de ondas de alimentación que se encuentra situada en un plano perpendicular con respecto al plano de abertura está provista de una guía de ondas tabicada (6) que impide la migración parasitaria de la polarización ortogonal en esta ramificación de la guía de ondas. El paso desde la salida cuadrática (3) de la antena de bocina primaria hacia la entrada de la guía de ondas rectangular, situada en el plano de abertura, de una polarización lineal, se realiza típicamente de forma escalonada. Esto puede mejorar a su vez la separación de la polarización y el ancho de la banda. En la figura 2 se representa una forma de ejecución típica del desacoplamiento de señal desde las antenas de bocina primarias.

Para mantener las dimensiones del conjunto de bocinas lo más reducidas posible, las bocinas de las antenas de bocina primarias se encuentran aplanadas en la dirección del haz. Su longitud asciende sólo a 1H lt; 1,5 A perpendicularmente con respecto a la superficie de abertura. Esta longitud es mucho menor que la longitud que resultaría según las especificaciones conocidas relativas al dimensionamiento para aberturas de bocinas y, sin una rejilla de igualación de fases, conduce a una inadaptación de impedancia en la onda de espacio libre y, con ello, a pérdidas de reflexión considerables. Sin embargo, si la abertura se encuentra provista de una rejilla de igualación de fases conforme a la invención, entonces las bocinas pueden dimensionarse conforme a la invención sin que se produzcan pérdidas significativas. Esto conduce a una reducción considerable del tamaño de la antena en su totalidad. En las antenas acordes a la invención, la rejilla de igualación de fases no sólo cumple la función de homogeneizar la configuración de fases de la abertura, sino que también es útil para la adaptación de impedancia de las antenas de bocina primarias a la impedancia de ondas de espacio libre.

Para alcanzar una separación de polarización lo mayor posible y un ancho de banda instantáneo lo mayor posible se proporciona una red de alimentación separada para cada una de las dos polarizaciones ortogonales. La alimentación separada directamente desde la salida de la bocina presenta la ventaja de que las dos polarizaciones ortogonales lineales pueden procesarse de forma separada y puede tener lugar un ajuste de fases de alta precisión. Esto es necesario para poder alcanzar la precisión requerida para el seguimiento de la polarización de por lo general lt; 1° sobre el ancho de banda instantáneo total de más de 3 GHz. La separación de la banda de transmisión y la de recepción se facilita además a través de diplexores de frecuencia adecuados.

El diseño de las redes de alimentación como árboles binarios, tal como se representa de forma esquemática en la figura 1c, posibilita la utilización de divisores de potencia del conjunto E y del conjunto H (7, 8) simétricos y asimétricos, binarios y de alta precisión, tal como se representa a modo de ejemplo en la figura 4a y en la figura 4b. Esta elevada precisión se requiere para alcanzar una respuesta de frecuencia casi idéntica para ambas polarizaciones en todo el ancho de banda instantáneo, lo cual es necesario para poder alcanzar la precisión requerida para el seguimiento de la polarización. En función de la construcción, puede lograrse un ajuste de fases altamente efectivo en todo el ancho de banda instantáneo a través de una combinación adecuada de piezas de la guía de ondas con piezas del cable coaxial. Esto presenta además la ventaja de que las configuraciones de amplitudes y de fases de la abertura pueden ser graduadas con exactitud. Esto es necesario para poder observar el envolvente regulatorio de forma fiable en todo el ancho de banda de transmisión requerido, por lo general de más de 500 MHz. Se ha demostrado que, en contraposición a los divisores de potencia múltiples, en el caso de estructuras de alimentación mayores, resultan promedialmente por lo general tolerancias condicionadas por la producción en el caso de estructuras binarias. Las guías de ondas (2) de las redes de alimentación se encuentran dimensionadas para ambas polarizaciones de modo tal que, en primer lugar, se logra dentro de lo posible guiar las ondas sin pérdidas en todo el ancho de banda instantáneo y, en segundo lugar, a través de una densidad elevada de integración se minimiza el espacio de construcción requerido. En la banda Ku, por ejemplo, se utilización por tanto guías de ondas cuya proporción dimensional sea esencialmente menor que la proporción estándar 1:2. En la forma de ejecución representada en la figura 1a las guías de ondas (2) poseen sólo una proporción dimensional de 6,5:16. Se ha demostrado que ésta es suficiente para cubrir todo el ancho de banda instantáneo de 0,7 GHz-12,75 GHz y 13,75 GHz-14,5 GHz. En comparación con guías de ondas con dimensiones estándar se alcanza de esta manera una reducción significativa del volumen en las redes de alimentación de aprox. 20% y una reducción del peso correspondiente. De este modo, la forma de ejecución representada en las figuras 3a-d para la banda Ku posee en total sólo una profundidad (extensión perpendicular con respecto al plano de abertura) de aprox. 15 cm., lo cual es particularmente ventajoso para las aplicaciones aeronáuticas.

Se prevé realizar las redes de alimentación de modo tal que el divisor de potencia en el nivel más bajo reúna las señales de las dos semi aberturas con respectivamente N/2 antenas de bocina primarias. Esto presenta la ventaja de que este divisor de potencia puede ser diseñado también como un divisor combinado de conjunto E y conjunto H. De este modo, no sólo la señal de suma de ambas semi aberturas puede tomarse directamente en la salida de la abertura, sino también la señal de diferenciación. Si la señal de diferenciación se procesa de forma adecuada, esto permite el direccionamiento preciso de la antena hacia los satélites de destino. Para el modo de transmisión de la banda Ku en los Estados Unidos, la norma CFR 25.222 exige una precisión de lt; 0.2° en el direccionamiento hacia los satélites de destino. Con los métodos tradicionales del seguimiento quot;open loopquot; (bucle abierto), con la ayuda de datos de posición (por ejemplo mediante GPS y/o detectores inerciales) esto es posible sólo durante períodos breves. Por lo tanto el modo de transmisión debe ser interrumpido y la antena debe ser direccionada nuevamente con la ayuda de la señal de recepción.

Si por el contrario la abertura se encuentra diseñada de modo tal que pueda disponerse de la señal de diferenciación, entonces con la ayuda de un seguimiento quot;closed loopquot; (bucle cerrado) pueden lograrse precisiones más duraderas en el tiempo lt;lt;0.2°.

En la figura 1c se representa el diseño esquemático de ambas redes de alimentación para las dos polarizaciones lineales ortogonales. Las dos polarizaciones son separadas directamente en la salida (3) de las antenas de bocina primarias (1) y son suministradas y conducidas en dos redes de alimentación separadas (4) (línea continua) y (5) (línea punteada). Ambas redes de alimentación se encuentran diseñadas como árboles binarios con divisores (7) de conjunto E y divisores (8) de conjunto H. En el nivel más bajo, las señales de N/2 antenas de bocina primarias se reúnen respectivamente de forma simétrica. Para la medición de la señal de diferenciación de ambas semi aberturas para la dos polarizaciones, el divisor puede diseñarse en el nivel más bajo como un divisor combinado de conjunto E y conjunto H (30).

Se prevé además que la abertura se encuentre provista de una configuración hiperbólica de la amplitud que obedezca igualmente de forma aproximada a la relación

15 donde k y m son números enteros y 2k+m= N1, y las potencias p i,j,, i=1.. N1, j=1.. N2 indican las contribuciones de potencia de las antenas de bocina primarias individuales. Se ha demostrado que las configuraciones de amplitud que obedecen a esta relación -siempre que se encuentren presenten todas las otras características acordes a la invención - generan diagramas de antenas que pueden observar los envolventes regulatorios típicos (por ejemplo definidos en CFR 25.209 y ETSI EN 302 186). Esta clase de configuraciones de amplitud, junto con las especificaciones relativas al dimensionamiento para el conjunto de antenas de bocina, las antenas de bocina primarias individuales y la rejilla de igualación de fases de la reivindicación 1, posee además la propiedad de que, en caso de un ángulo de inclinación geográfica creciente, no se presentan quot;grating lobesquot; parasitarios, sino que el nivelde los lóbulos laterales en dirección azimutal se reduce en todo el ancho de banda instantáneo. Ésta es una ventaja esencial de las disposiciones acordes a la invención en comparación con las disposiciones conocidas hasta el

25 momento. El efecto se representa en la figuras 5a y 5b para una forma de ejecución típica y para una frecuencia en la banda de transmisión Ku (14.25 GHz). El ángulo theta indica el ángulo a lo largo de la tangente en la órbita de Clarke en el punto en donde se encuentra el satélite geoestacionario, y el ángulo de inclinación, el ángulo de rotación de la abertura perpendicularmente con respecto a la dirección del haz cuando la antena se encuentra direccionada hacia ese satélite. La curva marcada en negrita (quot;FCCquot;) indica el envolvente regulatorio conforme a CFR 25.209, el cual no debe ser sobrepasado por la ganancia en la antena quot;gainquot;. La figura 5a muestra el ángulo del conjunto de -180° a +180°, la figura 5b el área alrededor del lóbulo principal.

La configuración de la abertura se encuentra realizada a través de divisores de potencia E y H (7, 8) binarios asimétricos y simétricos en cada una de las dos redes de alimentación para cada una de la dos polarizaciones ortogonales, de manera que es efectiva en todo el ancho de banda instantáneo. Esto presenta la ventaja de que

35 también en la banda de recepción se alcanza una directividad elevada y la irradiación parasitaria de señales de satélites contiguos es reducida en alto grado. En la figura 1c se representa una forma de ejecución típica de las redes de alimentación. En las figuras 4a y 4b se representan formas de ejecución típicas de los divisores de potencia del conjunto E (7) y divisores del conjunto H (8).

Tal como se representa en las figuras 1a, 1b y 2, se prevé además que toda la superficie de abertura se encuentre cubierta por una rejilla de igualación de fases (9), donde las mallas (10) de la rejilla de igualación de fases (9) presenten una dimensión cuadrática con longitudes del borde b y en cada caso aproximadamente b = 1, h = 2 b y b lt; A, de manera que en la dirección N1 los travesaños de la rejilla se sitúen sobre los rebordes de dos antenas de bocina contiguas y en la dirección N2 del travesaño de la rejilla se encuentren en cada caso aproximadamente de forma precisa en el centro de la superficie de abertura de las antenas de bocina (1) individuales. El 45 dimensionamiento b = 1 y con ello b lt; A asegura que la rejilla de igualación de fases en dirección azimutal siga la periodicidad del conjunto de antenas de bocina, de manera tal que no se presenten lóbulos laterales parasitarios adicionales. En la dirección de elevación, los travesaños de la rejilla de igualación de fases dividen las superficies de abertura de las antenas de bocina primarias en dos partes iguales, tal como se muestra en la figura 1a. Esta disposición presenta la ventaja de que la configuración de fases del conjunto se hace homogénea en ambas direcciones y también al rotar la abertura alrededor de la dirección del haz principal no se presentan lóbulos laterales parasitarios condicionados por la correlación de fases. Debido a que la rejilla posee celdas cuadráticas, tampoco al existir una inclinación geográfica se produce una distorsión de los vectores del conjunto E y del conjunto H, aún cuando, como en el caso de las disposiciones acordes a la invención, las superficies de la abertura de las antenas de bocina primarias poseen una proporción dimensional de 1:2. De esta manera, el número de antenas de bocina

55 primarias requeridas puede ser dividido en dos en la dirección de elevación, puesto que en esta dirección no deben tener ninguna extensión que sea menor a A. Las exigencias topológicas en cuanto a las redes de alimentación se simplifican así de manera considerable y se logra una reducción adicional del volumen o del peso.

La extensión de la rejilla de igualación de fases (9) en dirección perpendicular con respecto a la superficie de abertura asciende por lo general a A/4 y A/2. Esta extensión es determinada a través de la extensión lH de las antenas de bocina que, conforme a la invención, asciende a lt; 1,5 A A través de una variación de ambas longitudes, el ancho de banda instantáneo y la adaptación de impedancia a las ondas de espacio libre pueden ser graduados de forma correspondiente de acuerdo con las respectivas exigencias. Las disposiciones acordes a la invención, en comparación con conjuntos de antenas de bocina no modificadas, presentan la ventaja de que existe un grado de libertad adicional para el diseño de la abertura y la potencia de la antena de las bocinas reducidas puede ser optimizada con respecto al espacio de construcción disponible.

A continuación se describen formas de ejecución ventajosas de la antena.

Con respecto a la conformidad regulatoria y a causa de la fabricación más sencilla, es ventajoso que la configuración de la abertura de la antena siga en cada caso aproximadamente la relación

donde k y n son número enteros y m ıNNP N1 y en cada caso aproximadamente es válido pi,j = p 2k+m+1-ij para i=1.. N1/2, y las potencias pi,j, i=1.. N1, j=1.. N2 indican las contribuciones de potencia de las antenas de bocina primarias individuales. Mediante esta clase de configuraciones trapezoidales de la amplitud se logra minimizar el número de divisores de potencia asimétricos de las redes de alimentación, cumpliendo no obstante con las exigencias regulatorias. Las redes se vuelven con ello considerablemente más tolerantes a los fallos y pueden fabricarse de forma más sencilla. Para el ejemplo arriba mencionado de una abertura para la banda Ku con N1=32 y N2=4 resulta por ejemplo m=16 y k=8, de manera que en principio se requieren sólo 8 divisores de potencia asimétricos diferentes. Esto representa una simplificación considerable. En las figuras 5a y 5b se representa un diagrama de antena medido de una antena conforme a la invención con una configuración trapezoidal de la abertura.

Otra simplificación en la fabricación se logra debido a que la configuración de la abertura de la antena sigue en cada caso aproximadamente la relación

donde k y n son número enteros y m ıNNP N1 y en cada caso aproximadamente es válido pi,j = p 2k+m+1-ij para i=1.. N1/2, y las potencias pi,j, i=1.. N1, j=1.. N2 indican las contribuciones de potencia de las antenas de bocina primarias individuales, así como las potencias p k+m,j hasta p 2+m,j son respectivamente independientes linealmente una de otra, de manera que las p 1,j hasta p k,j y las p k+m,j hasta p 2k+m,j se sitúan respectivamente al menos de forma aproximada en una recta, y las pendientes de ambas rectas se diferencian al menos de forma aproximada sólo a través del signo.

En la figura 6 se representa otra forma de ejecución ventajosa. Si la antena es utilizada al mismo tiempo para transmitir y para recibir, es entonces ventajoso que la salida de la red de alimentación de cada una de las dos polarizaciones ortogonales, respectivamente a través de una guía de ondas (11), se encuentre conectada a un diplexor de frecuencia de la guía de ondas (12) que separa la banda de frecuencia de transmisión de la banda de la frecuencia de recepción, y la salida (13) de la banda de frecuencia de recepción de ambos diplexores de frecuencia de la guía de ondas (12) se encuentre conectada respectivamente a un amplificador de bajo nivel de ruido (14). Se prevé para ello la utilización de componentes de la guía de ondas, ya que éstos pueden poseer la menor atenuación y la mayor aislación entre la banda de transmisión y la banda de recepción. La salida de la banda de frecuencia de recepción se encuentra a su vez conectada directamente, o de forma preferente a través de una guía de ondas, a un amplificador de bajo nivel de ruido, de manera que la potencia de ruido parasitaria sea mínima gracias a las conexiones de disipación.

Debido al reducido ruido propio de las antenas acordes a la invención pueden utilizarse aquí, de forma ventajosa, también amplificadores de bajo nivel de ruido refrigerados. La potencia de recepción de la antena puede aumentarse aún más en especial a través de amplificadores de bajo nivel de ruido refrigerados o amplificadores de bajo nivel de ruido activa o pasivamente refrigerados por criogenia.

En la figura 7 se representa una forma de ejecución típica de un módulo de guía de ondas para el seguimiento de la polarización. Para compensar la inclinación geográfica u otras rotaciones de polarización causadas por desplazamientos correspondientes del soporte de la antena, es ventajoso que las dos señales ortogonales linealmente polarizadas que se sitúan en ambas salidas de las redes de alimentación y/o en las salidas del diplexor de frecuencia de la guía de ondas y/o en las salidas del amplificador de bajo nivel de ruido sean alimentadas ortogonalmente en uno o varios módulos de la guía de ondas, los cuales se componen de dos piezas de la guía de ondas (15, 16) que se encuentran conectadas la una a la otra a lo largo de su eje, las cuales pueden ser rotadas una contra la otra alrededor del eje (17) de la guía de ondas a través de un accionamiento por motor, de manera que en el lado (21) de los módulos de la guía de ondas que se encuentra situado de forma opuesta a los puntos de alimentación (20), señales rotadas linealmente polarizadas pueden ser desacopladas en su polarización con respecto a las señales ortogonales linealmente polarizadas suministradas, de manera que la polarización de las ondas incidentes puede reconstruirse o la polarización de las ondas a ser transmitidas puede ser controlada.

Si la antena para la recepción y para la transmisión de señales es utilizada en bandas de frecuencia diferentes que eventualmente se encuentran muy separadas, es entonces ventajoso que la antena se encuentre equipada con un módulo de la guía de ondas para el seguimiento de la polarización para la banda de transmisión y con un módulo de la guía de ondas separado del primero para el seguimiento de la polarización para la banda de recepción. Ambos módulos de la guía de ondas pueden ser ajustados precisamente a la banda correspondiente. Gracias a esto se logra un seguimiento altamente preciso de la polarización y es posible minimizar las desviaciones condicionadas por dispersión de la frecuencia de las guías de ondas.

Si la antena debe emplearse no sólo para la recepción y para la transmisión de señales polarizadas lineales, sino también para la recepción y/o transmisión de señales circularmente polarizadas, es entonces ventajoso que las dos señales ortogonales linealmente polarizadas que se sitúan en ambas salidas de las redes de alimentación y/o en las salidas del diplexor de frecuencia de la guía de ondas y/o en las salidas del amplificador de bajo nivel de ruido sean convertidas por uno o varios acopladores híbridos de 90º en señales circularmente polarizadas ortogonales, de manera que a través de la antena puedan también transmitirse y/o recibirse señales circularmente polarizadas. En la distribución adecuada de las señales de recepción y de transmisión es posible también el modo simultáneo con las cuatro polarizaciones ortogonales posibles (2 x lineal + 2 x circular), tanto en el modo de transmisión como también en el modo simultáneo de recepción. Por lo tanto, una disposición conforme a la reivindicación 1 posee la mayor variabilidad posible.

En particular es ventajoso para las aplicaciones móviles que la antena se encuentre colocada sobre un eje de elevación de un posicionador de dos ejes, y los módulos de la guía de ondas para la compensación de las rotaciones de polarización y/o los acopladores híbridos de 90º para la reconstrucción de señales circularmente polarizadas se encuentren colocados sobre la plataforma azimutal del posicionador, y la antena y los módulos de la guía de ondas y/o los acopladores híbridos de 90º se encuentren conectados los unos a los otros mediante cables flexibles de alta frecuencia. Esta disposición de abertura y módulos de alta frecuencia reduce el espacio de construcción requerido y facilita la integración, en especial en el caso de aplicaciones aeronáuticas. En la figura 8 se representa una disposición típica con un posicionador de dos ejes. La abertura del conjunto de bocinas con red de alimentación (2) se encuentra montada sobre el eje de elevación (23) y, con la ayuda del motor de elevación (24) y del mecanismo de elevación (25), puede ser direccionada en la dirección de elevación. La antena puede ser rotada alrededor del eje azimutal (27) con la ayuda del motor azimutal. En el eje azimutal (27) se encuentra integrado un paso de rotación de alta frecuencia, por lo general con dos canales. Las cajas electrónicas (28) y (29) contienen usualmente la unidad electrónica de control para el posicionador y módulos de alta frecuencia adicionales, como por ejemplo módulos acordes a la reivindicación 4 para el seguimiento de la polarización. Las cajas (28) y (29) pueden contener además la unidad electrónica de procesamiento para el seguimiento preciso de la antena, como una unidad electrónica para procesar la señal de suma y de diferenciación de un divisor combinado de conjunto E y conjunto H. Debido a condiciones ambientales extremas a las que se encuentran expuestas en particular antenas aeronáuticas orientadas al fuselaje, puede ser ventajoso que todos o una parte de los componentes de la antena se encuentren completa o parcialmente plateados o cobreados, todos o una parte de los componentes se encuentren soldados con estaño, y/o soldados y/o adheridos los unos a los otros, la antena, exceptuando la superficie de abertura, se encuentre provista desde el exterior completa o parcialmente con una capa protectora para evitar la penetración de humedad, y en el plano entre las bocinas primarias (1) y la rejilla de igualación de fases (9) o en el plano de las salidas (3) de las bocinas, se encuentre colocada una película impermeable que impida la penetración de humedad en las bocinas primarias y en la red de alimentación de las guías de ondas. En particular en el caso de aplicaciones móviles, las antenas acordes a la invención, debido a la reducción del peso, se componen por lo general de metales livianos como aluminio o de materiales plásticos metalizados. Para incrementar la eficiencia de la antena es ventajoso platear o cobrear estos materiales, puesto que la plata y el cobre poseen una conductividad de alta frecuencia muy elevada. Para garantizar la estanqueidad de alta frecuencia también en el caso de cambios de temperatura extremadamente rápidos, es ventajoso soldar con estaño, soldar o encolar al menos las partes críticas de la abertura, donde en el caso de un encolado se utilizan por lo general pegamentos eléctricamente conductores. Puede ser necesario además proteger la abertura contra la penetración de humedad, en particular a través de agua de condensación. Puesto que se ha demostrado que la rejilla de igualación de fases no debe ser conectada directamente a las antenas de bocina primarias, es ventajoso colocar una película de protección necesaria entre los planos de las bocinas primarias y la rejilla de igualación de fases o en plano de las salidas de las bocinas (3). Esto presenta además la ventaja de una estabilidad mecánica muy elevada también en el caso de una modificación abrupta de la presión ambiente.

Para la protección contra la penetración de humedad puede colocarse un material transparente de alta frecuencia apropiado sobre la rejilla de igualación de fases, también desde el exterior. En particular son materiales apropiados las placas delgadas de espumas de células cerradas (por ejemplo poliestireno, Airex, etc.). Estas placas pueden ser adheridas con pegamentos flexibles o viscoplásticos adecuados y/o atornilladas a la superficie de la rejilla de igualación de fases, impidiendo así de forma fiable la penetración de humedad o de otras materias no deseables en la antena. Es asimismo ventajoso aplicar una sustancia impermeabilizante y/o fungicida en la superficie del material protector, ya que esto impide el asentamiento no deseado de organismos biológicos (quot;biological slimequot;, hongos) que pueden afectar negativamente las propiedades de alta frecuencia. También es posible espumar directamente las aberturas de la rejilla de igualación de fases.

En particular para las aplicaciones aeronáuticas puede además ser ventajoso proporcionar a la red de alimentación aberturas de ventilación. Las aberturas de ventilación pueden impedir que al agua de condensación se acumule en el interior de la antena, lo cual puede ser perjudicial para las propiedades de alta frecuencia de la antena. Preferentemente, las aberturas de ventilación se realizan en el borde largo de las guías de ondas de la red de alimentación, ya que aquí sólo circulan corrientes de alta frecuencia reducidas. La dimensión de las aberturas de ventilación es por lo general mucho menor que las longitudes de onda para las cuales se encuentra diseñada la antena. Sin embargo, las aberturas de ventilación pueden realizarse también en la película protectora de la rejilla de igualación de fases o en el material que cubre la rejilla de igualación de fases, de modo que aquí pueden realizarse además aberturas de mayor tamaño. Para impedir la penetración de suciedad o de otras sustancias no deseadas, como por ejemplo aceite, puede también ser ventajoso que las aberturas de ventilación se encuentren provistas sólo de membranas permeables al vapor de agua (por ejemplo membranas Gore repelentes al aceite).

La figura 9 representa una forma de ejecución típica de un divisor combinado de conjunto E y conjunto H, con cuya ayuda puede realizarse un seguimiento muy preciso de la antena. Una ejecución ventajosa de la antena se caracteriza porque el último divisor de potencia de la guía de ondas de cada una de las dos redes de alimentación (4,5) que reúne las señales de ambas semi aberturas respectivamente con N/2 antenas de bocina primarias se encuentra diseñado como un divisor combinado E y H (30), de manera que en estos cuatro puertos de la guía de ondas se encuentran tanto la señal de suma (31) de ambas semi aberturas simétricas como la señal de diferenciación (32) de ambas semi aberturas simétricas y para cada una de las dos polarizaciones ortogonales pueden ser derivadas de forma separada tanto la señal de suma como la señal de diferenciación. Los divisores combinados E y H, los así llamados quot;Magic Teesquot;, son elementos de cuatro puertos que debido a sus propiedades geométricas pueden proporcionar tanto la señal de suma de dos señales suministradas, como también la señal de diferenciación. Gracias al diseño binario de las redes de alimentación, en las aberturas del conjunto de bocinas conforme a la invención es posible incorporar un quot;magic Teequot; en lugar del último divisor de potencia binario. La señal de diferenciación puede entonces ser utilizada sola o junto con la señal de suma para lograr un direccionamiento altamente preciso de la antena hacia los satélites de destino. Puesto que la señal de diferenciación desaparece en el caso de un direccionamiento exacto, y la señal de suma es máxima en el caso de un direccionamiento exacto, por ejemplo el cociente de las potencias de suma Pdiferencia/Psuma tiene un mínimo extremadamente marcado (un así llamado quot;ceroquot;) en el caso de un direccionamiento exacto. En el caso de desviaciones del direccionamiento exacto, el valor del cociente aumenta de forma considerable y puede ser utilizado para un seguimiento preciso y rápido de la antena. La fase de la señal de alta frecuencia del puerto de diferenciación (32) tiene un punto de anulación en el caso de un direccionamiento exacto, de manera que el signo de la posición de fase indica la dirección en la cual la antena debe ser orientada. Puesto que el seguimiento de alta precisión en antenas debe efectuarse en principio sólo a lo largo de la órbita de Clarke - la dirección azimutal- es suficiente dividir la abertura en dos mitades en dirección azimutal. Por lo general, en la dirección de elevación es suficiente un seguimiento quot;open loopquot; con la ayuda de datos de posición y/o datos de detectores inerciales.

Si el último divisor de potencia se encuentra diseñado como un divisor combinado de conjuntos E y H (30), es entonces ventajoso que el puerto de diferenciación (32) del divisor combinado E y H se encuentre equipado con un filtro de bloqueo de la banda de transmisión que impida la penetración de señales de transmisión en la ramificación de diferenciación y que el puerto de diferenciación (32) se encuentre conectado a un amplificador de bajo nivel de ruido a través del filtro de bloqueo de la banda de transmisión. Puesto que para un seguimiento altamente preciso de la antena con la ayuda de la señal del puerto de diferenciación sólo debe utilizarse la señal de recepción, el amplificador de bajo nivel de ruido que intensifica la señal puede ser protegido de forma efectiva mediante un filtro de bloqueo de la banda de transmisión contra la saturación a través de la señal de transmisión que por lo general es muy intensa. Por lo general se utiliza para ello un filtro de bloqueo de la guía de ondas, debido a que esta clase de componentes poseen sólo una atenuación muy reducida. Es además ventajoso conectar el amplificador de bajo nivel de ruido directamente al filtro de bloqueo de la banda de transmisión, preferentemente también a través de guías de ondas, ya que de este modo la pérdida de señal puede ser minimizada. Si la señal de recepción es lo suficientemente intensa pueden pensarse no obstante también otras formas de ejecución en las cuales el amplificador de bajo nivel de ruido sea conectado a través de un cable de alta frecuencia, por ejemplo de una línea coaxial, al filtro de bloqueo de la banda de transmisión.

En particular para aplicaciones móviles, es ventajoso que las señales de diferenciación y/o una parte de las señales de suma de ambas semi aberturas simétricas sean transmitidas a una unidad electrónica de procesamiento que evalúe la intensidad y/o la posición de fase de las señales de diferenciación y/o de las señales de suma y las transmita a la unidad electrónica de control del posicionador de la antena, de manera que la unidad electrónica de control pueda hacer un seguimiento de la antena de modo tal que la señal de diferenciación sea mínima, manteniendo la antena orientada hacia los satélites de destino cuando el soporte de la antena se desplaza relativamente hacia los satélites de destino. De acuerdo con la construcción, la antena se encuentra direccionada de forma óptima hacia los satélites de destino cuando la señal de recepción es mínima en el puerto de diferenciación del divisor combinado de conjunto E y conjunto H. Este criterio de optimalidad puede ser utilizado de forma sencilla para un seguimiento altamente preciso de la antena en caso de un desplazamiento del soporte de la antena al ser procesado por una unidad electrónica de control apropiada y transmitido al controlador del sistema de posicionamiento de la antena. Debido a que la señal de diferenciación se encuentra a disposición permanentemente en cuanto al aspecto temporal son posibles tasas de exploración muy elevadas y, con ello, un seguimiento muy rápido, también en el caso de que el soporte de la antena se mueva rápidamente. Puesto que la fase de la señal de diferenciación posee un punto de anulación rápido en caso de un direccionamiento óptimo hacia los satélites de destino, es ventajoso evaluar también la posición de fase de la señal de diferenciación y utilizarla para el seguimiento. Por lo general de este modo puede alcanzarse una elevada precisión durante el seguimiento, como si se utilizara sólo la intensidad de la señal de diferenciación. Debido a que el diagrama de la antena del puerto de diferenciación posee dos lóbulos principales que en un caso desfavorable pueden señalar hacia satélites cercanos, es asimismo ventajoso comparar la señal de diferenciación en cuanto a su intensidad y/o a su posición de fase con la señal de suma para excluir durante el seguimiento la interferencia parasitaria de satélites cercanos. En principio pueden eliminarse términos de interferencia parasitarios en la señal de diferenciación a través de un procesamiento adecuado de la señal de suma, ya que el diagrama de la antena del puerto de suma sólo posee un único lóbulo principal, bien definido. Esto puede tener lugar, por ejemplo, al ser proyectada la señal de diferenciación en la señal de suma de forma ajustada en cuanto a las fases.

Para hacer un seguimiento de la antena de forma precisa pueden utilizarse en principio tanto señales Beacon del satélite como también señales normales del respondedor. Un satélite Beacon se compone por lo general de una señal de banda estrecha similar a ondas continuas (lt; 1 kHz), mientras que un respondedor normal irradia por lo general una señal de banda ancha (en banda Ku, por ejemplo 30 MHz) a la cual se le proporciona un contenido de información a través de una codificación de fases (por ejemplo QPSK, fase en cuadratura). En ambos casos puede ser ventajoso aumentar la señal con respecto a la relación de la señal del puerto de diferenciación y/o de la señal de suma, de manera tal que se limite el ancho de banda de ruido. El procesamiento de las señales de alta frecuencia se facilita también debido a que la unidad electrónica de procesamiento para las señales de diferenciación y/o las señales de suma comprende uno o varios mezcladores de frecuencia y/o uno o varios mezcladores de frecuencia variables controlables, mediante los cuales la señal de diferenciación o una parte de la señal de diferenciación y/o la señal de suma o una parte de la señal de suma pueden ser convertidas en una banda de base definida y ser procesadas allí. A través de la utilización de mezcladores de frecuencia variables controlables, (quot;sintetizadores de frecuenciaquot;) el respondedor o la gama de frecuencia utilizada para el seguimiento puede ser direccionada de forma dirigida.

En el caso de señales satelitales que posean una intensidad adecuada, la señal de diferenciación y la señal de suma pueden ser evaluadas directamente en la banda de base. Para ello es ventajoso que la intensidad de la señal de diferenciación y/o de la señal de suma en la banda base sea medida con un circuito electrónico apropiado y sea transferida a la unidad electrónica de control del posicionador de la antena. Pueden utilizarse a este respecto componentes electrónicos estándar, como amplificadores adecuados o detectores de potencia que se encuentran disponibles a bajo precio para bandas de base típicas en la gama de MHz.

En el caso de señales satelitales débiles o de configuraciones satelitales desfavorables puede ser ventajoso que la señal de diferenciación y/o la señal de suma en la banda base sea digitalizada con un convertidor analógico digital y sea transmitida a un procesador que disponga de métodos apropiados de evaluación para determinar la intensidad y/o la posición de fase de la señal de diferenciación y/o de la señal de suma, y que transfiera esta información a la unidad electrónica de control del posicionador de la antena. A través de la digitalización de las señales es posible la evaluación controlada por software y, con ello, la adaptación flexible a las respectivas condiciones. El procesador puede estar compuesto por ejemplo por una FPGA especialmente programada o por una unidad operativa de programación libre. Para mejorar la calidad de la señal pueden utilizarse por ejemplo filtros controlables implementados por software, con la ayuda de los cuales puede ser optimizado el ancho de banda de ruido.

Si las señales de la antena, a los fines de un seguimiento de alta precisión, son convertidas en una banda de base, digitalizadas y transferidas a un procesador, entonces especialmente en el caso de aplicaciones aeronáuticas, en las cuales el soporte de la antena (por ejemplo el avión) puede desplazarse a gran velocidad, es ventajoso que el procesador disponga de un método de evaluación mediante el cual sea posible compensar el desplazamiento de Doppler de la señal de diferenciación y/o de la señal de suma que se produce en el caso de desplazamientos rápidos del soporte de la antena. En contraposición a la implementación electrónica de una unidad electrónica de seguimiento de Doppler, el seguimiento implementado por software es relativamente accesible en un procesador adecuado cuando las señales ya presentan una forma digitalizada. Puesto que el desplazamiento de Doppler máximo puede calcularse sobre la velocidad máxima del soporte de la antena es posible configurar un filtro implementado por software de forma correspondiente. Con la ayuda por ejemplo de una FFT (Transformada rápida de Fourier) puede entonces determinarse la frecuencia actual de la señal, ajustarse el ancho de banda de ruido y medirse la intensidad de la señal.

Puesto que la abertura de la antena en aplicaciones móviles y particularmente en aplicaciones aeronáuticas no puede rotar alrededor del eje del haz, puede ser ventajoso que una rotación de polarización, condicionada por la posición espacial del soporte de la antena, de la señal de diferenciación y/o de la señal de suma de ambas semi aberturas, pueda ser compensada por uno o varios módulos de la guía de ondas conforme a la reivindicación 4, o debido a que el procesador de la unidad electrónica de procesamiento disponga de un método de evaluación apropiado. De este modo se impide una mezcla de las señales de polarización diferente y, con ello, una interferencia de la señal que podría perjudicar el seguimiento preciso. En principio, de acuerdo con el caso de aplicación, se encuentran a disposición dos métodos, la utilización de módulos de la guía de ondas, conforme a la reivindicación 4, y el procesamiento mediante un software. Debido a que la posición del soporte de la antena es por lo general conocida, por ejemplo a través de GPS, la rotación de la polarización puede calcularse de forma sencilla y puede entonces ser transmitida al controlador del módulo de la guía de ondas o al procesador.

Si las señales del puerto de diferenciación y del puerto de suma se encuentran presentes en forma digitalizada, se ha demostrado que es ventajoso que el método de evaluación del procesador consista en multiplicar dos o más valores sucesivos de la amplitud de la señal de diferenciación de la banda de base y en sumar estos productos en un tiempo determinado Lt para formar una suma S1 multiplicando respectivamente dos o más valores sucesivos de la amplitud de la señal de suma de la banda de base y sumando estos productos en un tiempo determinado Lt para formar una suma S2 después de la expiración del período de tiempo Lt formando el cociente S1, S2 y/u otra función adecuada f(S1, S2) , comparando el valor así obtenido de acuerdo con el método de la distancia más reducida o de otro método apropiado con el de la curva estándar fN (L,S1, S2) conocido por la medición de calibración o cálculo, determinando de este modo el valor del ángulo de desviación 8 y transmitiéndolo a la unidad electrónica de control del posicionador de la antena. Con la ayuda de este método pueden procesarse incluso señales de diferenciación en las cuales la potencia de ruido es mayor que la potencia de la señal. Al seleccionar de forma adecuada el período de tiempo Lt desaparece todo el nivel de ruido en el correlator de multiplicación y se hace visible la intensidad de la señal periódica típicamente generalizada. Si la señal de suma es también procesada de forma correspondiente, entonces por ejemplo el cociente S1, S2 será independiente de las respectivas amplitudes de señal, lo cual es muy ventajoso en el caso de intensidades variables de la señal. La curva estándar fN (L,S1, S2) independiente de la intensidad de la señal puede ser calculada a través de procedimientos matemáticos sencillos. Para un seguimiento preciso, la curva estándar puede sin embargo ser medida también con la ayuda del método y de un respondedor o Beacon de satélite adecuado y después ser almacenada. Debido a su simplicidad el método puede ser implementado también por ejemplo en la electrónica analógica.

Puesto que en particular las antenas aeronáuticas son montadas bajo un radomo aerodinámicamente optimizado, en función de las condiciones espaciales de construcción, puede ser necesario modificar la forma rectangular de las aberturas acordes a la invención. En especial puede ser necesario realizar un redondeo de las esquinas en la abertura (bocinas con potencias p 11, p 1N1, p 1N2, p N2N1 en la figura 1b) para respetar la distancia con respecto al lado inferior del radomo. Se ha demostrado que una modificación de los bordes de la bocina o una reducción de la abertura de la bocina e incluso el retirar por completo bocinas del conjunto de bocinas en las esquinas de la abertura no afecta en alto grado la capacidad de potencia de la antena ni sus propiedades relativas a las características de la antena.

En una ejecución que no se encuentra representada, la antena conforme a la invención se encuentra diseñada de modo tal que hasta en total N1/2 antenas de bocina primarias que se sitúan en el borde de la abertura no se encuentran realizadas de forma física, o en su perfil se encuentran realizadas de forma modificada o reducida, las celdas asociadas de la rejilla de igualación de fases se encuentran modificadas correspondientemente de modo tal, que los bordes de las celdas se encuentran además situados sobre los bordes de las antenas de bocina primarias, la configuración de la abertura conforme a la invención se encuentra realizada sólo para líneas completas del conjunto de antenas de bocina primarias que contienen N1 antenas de bocina primarias (véase la figura 1b), y la estructura de árbol binaria de ambas redes de alimentación (véase la figura 1b) se encuentra ajustada de forma apropiada en caso de que se presenten fallas de antenas de bocina primarias.

Claims (18)

1. REIVINDICACIONES

   1. Antena para comunicaciones por satélite de banda ancha, en particular para aplicaciones móviles, compuesta por un conjunto de antenas de bocina primarias (1) que se encuentran conectadas la una a la otra a través de una red de alimentación por guías de ondas (2), donde la antena se compone de un número N=N1 x N2 de antenas de bocina 5 primarias, donde N1 y N2 son números enteros pares, caracterizada porque N1 gt; 4 N2, para toda la superficie de abertura A de la antena A=L x H, donde L 4 HY L lt; N1 A, donde A indica la longitud de onda mínima del espacio libre de la onda electromagnética a ser transmitida o recibida, las antenas de bocina primarias posibilitan de modo tal la recepción y la transmisión de dos ondas electromagnéticas ortogonales linealmente polarizadas, que éstas disponen de una superficie de abertura rectangular a = 1 x h, donde 1 lt; h y 1 lt; A y de una salida (3) aproximadamente cuadrática, donde L = N1 l, H = N2 h, y A = N1 x N2 x l x h = L x H, y las antenas de bocina primarias (1) son alimentadas de modo tal directamente en su salida a través de guías de ondas (4, 5) rectangulares, que una de las polarizaciones lineales ortogonales es suministrada y conducida de forma paralela con respecto a la superficie de abertura y la otra de las polarizaciones lineales ortogonales es suministrada y conducida en un plano de forma perpendicular con respecto a la superficie de abertura mediante una guía de ondas tabicada (6), las

   15 bocinas de las antenas de bocina primarias se encuentran aplanadas y, paralelamente a la superficie de abertura presentan una longitud 1H lt; 1,5 A, la red de alimentación por guías de ondas (2) se compone de una red de alimentación para una de las dos polarizaciones lineales ortogonales y de otra red de alimentación separada de la primera para la otra de las dos polarizaciones lineales ortogonales, cada una de las dos redes de alimentación se encuentra constituida como un árbol binario con divisores de potencia E y H binarios (7, 8), de manera que el respectivo último divisor de potencia en el nivel más bajo del árbol binario reúna las potencias de dos semi aberturas con respectivamente N/2 antenas de bocina primarias para cada una de las dos polarizaciones ortogonales, de forma separada y asimétrica, la configuración de la abertura de la antena sigue en cada caso aproximadamente la relación

   25 donde k y m son números enteros y 2k+m= N1, y las potencias p i,j, i=1.. N1, j=1.. N2 indican las contribuciones de potencia de las antenas de bocina primarias individuales, la configuración de la abertura a través de divisores de potencia E y H binarios (7, 8) se encuentra realizada en cada una de las dos redes de alimentación para cada una de las polarizaciones ortogonales, y toda la superficie de abertura se encuentra cubierta por una rejilla de igualación de fases (9), donde las mallas (10) de la rejilla de igualación de fases (9) presentan una dimensión cuadrática con longitudes del borde b y en cada caso aproximadamente b = 1, h = 2 b y b lt; A, de manera que en la dirección N1 los travesaños de la rejilla se sitúan sobre los rebordes de dos antenas de bocina (1) contiguas y en la dirección N2 del travesaño de la rejilla se encuentran en cada caso aproximadamente de forma precisa en el centro de la superficie de abertura de las antenas de bocina (1) individuales.
2. 2. Dispositivo conforme a la reivindicación 1, caracterizado porque la configuración de la abertura de la antena sigue 35 en cada caso aproximadamente la relación

   donde k y n son número enteros y m� 2 k, 2k+m=N1 y en cada caso aproximadamente es válido pi,j = p2k+m+1-ij para i=1.. N1/2, y las potencias pi,j, i=1.. N1, j=1.. N2 indican las contribuciones de potencia de las antenas de bocina primarias individuales.
3. 3. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la salida de la red de alimentación de cada una de las dos polarizaciones ortogonales, respectivamente a través de una guía de ondas (11), se encuentra conectada a un diplexor de frecuencia de la guía de ondas (12) que separa la banda de frecuencia de transmisión de la banda de la frecuencia de recepción, y la salida (13) de la banda de frecuencia de recepción de ambos diplexores de frecuencia de la guía de ondas (12) se encuentra conectada respectivamente a

   45 un amplificador de bajo nivel de ruido (14).

4. 4.

   Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las dos señales ortogonales linealmente polarizadas que se sitúan en ambas salidas de las redes de alimentación y/o en las salidas del diplexor de frecuencia de la guía de ondas (12) y/o en las salidas del amplificador de bajo nivel de ruido (14) son alimentadas ortogonalmente en uno o varios módulos de la guía de ondas, los cuales se componen de dos piezas de la guía de ondas (15, 16) que se encuentran conectadas la una a la otra a lo largo de su eje, las cuales pueden ser rotadas una contra la otra alrededor del eje (17) de la guía de ondas a través de un accionamiento por motor, de manera que en el lado (21) de los módulos de la guía de ondas que se encuentra situado de forma opuesta a los puntos de

   alimentación (20) señales rotadas linealmente polarizadas pueden ser desacopladas en su polarización con respecto a las señales ortogonales linealmente polarizadas suministradas, de manera que la polarización de las ondas incidentes puede reconstruirse o la polarización de las ondas a ser transmitidas puede ser controlada.

5. 5.

   Dispositivo conforme a la reivindicación 4, caracterizado porque la antena se encuentra equipada con un módulo de la guía de ondas para el seguimiento de la polarización para la banda de transmisión y un módulo de la guía de ondas separado de éste para el seguimiento de la polarización para la banda de recepción.

6. 6.

   Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las dos señales ortogonales linealmente polarizadas que se sitúan en ambas salidas de las redes de alimentación (2) y/o en las salidas del diplexor de frecuencia de la guía de ondas (12) y/o en las salidas del amplificador de bajo nivel de ruido (14) son convertidas por uno o varios acopladores híbridos de 90º en señales circularmente polarizadas ortogonales, de manera que a través de la antena pueden también transmitirse y/o recibirse señales circularmente polarizadas.

7. 7.

   Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la antena se encuentra colocada sobre un eje de elevación (23) de un posicionador de dos ejes, y los módulos de la guía de ondas (15, 16) conforme a la reivindicación 4 y/o los acopladores híbridos de 90º conforme a la reivindicación 5, se encuentran colocados sobre la plataforma azimutal del posicionador, y la antena y los módulos de la guía de ondas (15, 16) y/o los acopladores híbridos de 90º se encuentran conectados los unos a los otros mediante cables flexibles de alta frecuencia.

8. 8.

   Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones precedentes, en particular para aplicaciones aeronáuticas, caracterizado porque todos o una parte de los componentes de la antena se encuentran completa o parcialmente plateados o cobreados, todos o una parte de los componentes se encuentran soldados con estaño, y/o soldados y/o adheridos los unos a los otros, la antena, exceptuando la superficie de abertura, se encuentra provista desde el exterior completa o parcialmente de una capa protectora para evitar la penetración de humedad, y en el plano entre las bocinas primarias (1) y la rejilla de igualación de fases (9) o en el plano de las salidas (3) de las bocinas, se encuentra colocada una película impermeable que impide la penetración de humedad en las bocinas primarias y en la red de alimentación de las guías de ondas.

9. 9.

   Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el último divisor de potencia de la guía de ondas de cada una de las dos redes de alimentación (4, 5) que reúne las señales de ambas semi aberturas respectivamente con N/2 antenas de bocina (1) se encuentra diseñado como un divisor combinado E y H (30), de manera que en estos cuatro puertos de la guía de ondas se encuentran tanto la señal de suma (31) de ambas semi aberturas simétricas como la señal de diferenciación (32) de ambas semi aberturas simétricas y para cada una de las dos polarizaciones ortogonales pueden ser derivadas de forma separada tanto la señal de suma como la señal de diferenciación.

10. 10.

    Dispositivo conforme a la reivindicación 9, caracterizado porque el puerto de diferenciación (32) del divisor combinado E y H se encuentra equipado con un filtro de bloqueo de la banda de transmisión que impide la penetración de señales de transmisión en la ramificación de diferenciación y el puerto de diferenciación (32) se encuentra conectado a un amplificador de bajo nivel de ruido a través del filtro de bloqueo de la banda de transmisión.

11. 11.

    Dispositivo conforme a la reivindicación 9, en particular para aplicaciones móviles, caracterizado porque las señales de diferenciación y/o una parte de las señales de suma de ambas semi aberturas simétricas son transmitidas a una unidad electrónica de procesamiento que evalúa la intensidad y/o la posición de fase de las señales de diferenciación y/o de las señales de suma y las transmite a la unidad electrónica de control del posicionador de la antena, de manera que la unidad electrónica de control puede hacer un seguimiento de la antena de modo tal que la señal de diferenciación sea mínima, manteniendo la antena orientada hacia los satélites de destino cuando el soporte de la antena se desplaza relativamente hacia los satélites de destino.

12. 12.

    Dispositivo conforme a la reivindicación 11, caracterizado porque la unidad electrónica de procesamiento para las señales de diferenciación y/o las señales de suma comprende uno o varios mezcladores de frecuencia y/o uno o varios mezcladores de frecuencia variables controlables mediante los cuales la señal de diferenciación o una parte de la señal de diferenciación y/o la señal de suma o una parte de la señal de suma pueden ser convertidas en una banda de base definida y ser procesadas allí.

13. 13.

    Dispositivo conforme a la reivindicación 12, caracterizado porque la intensidad de la señal de diferenciación y/o de la señal de suma en la banda base es medida con un circuito electrónico apropiado y es transferida a la unidad electrónica de control del posicionador de la antena.

14. 14.

    Dispositivo conforme a la reivindicación 12, caracterizado porque la señal de diferenciación y/o la señal de suma en la banda base es digitalizada con un convertidor analógico digital y es transmitida a un procesador que dispone

    de métodos apropiados de evaluación para determinar la intensidad y/o la posición de fase de la señal de diferenciación y/o de la señal de suma, y que transfiere esta información a la unidad electrónica de control del posicionador de la antena.

15. 15.

    Dispositivo conforme a la reivindicación 14, en particular para aplicaciones aeronáuticas, caracterizado porque el procesador dispone de un método de evaluación mediante el cual es posible compensar el desplazamiento de Doppler de la señal de diferenciación y/o de la señal de suma que se produce en el caso de desplazamientos rápidos del soporte de la antena.

16. 16.

    Dispositivo conforme a la reivindicación 9, caracterizado porque una rotación de polarización, condicionada por la posición espacial del soporte de la antena, de la señal de diferenciación y/o de la señal de suma de ambas semi aberturas, puede ser compensada por uno o varios módulos de la guía de ondas conforme a la reivindicación 4, o debido a que el procesador de la unidad electrónica de procesamiento dispone de un método de evaluación apropiado.

17. 17.

    Dispositivo conforme a la reivindicación 14, caracterizado porque el método de evaluación del procesador consiste en multiplicar dos o más valores sucesivos de la amplitud de la señal de diferenciación de la banda de base y en sumar estos productos en un tiempo determinado Lt para formar una suma S1, multiplicando respectivamente dos o más valores sucesivos de la amplitud de la señal de suma de la banda de base y sumando estos productos en un tiempo determinado Lt para formar una suma S2, formando el cociente S1/ S2 y/u otra función adecuada f(S1, S2) después de la expiración del período de tiempo Lt, comparando el valor así obtenido de acuerdo con el método de la distancia más reducida o de otro método apropiado con el de la curva estándar fN (8, S1, S2) conocido por la medición de calibración o cálculo, determinando de este modo el valor del ángulo de desviación 8 y transmitiéndolo a la unidad electrónica de control del posicionador de la antena.

18. 18.

    Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque hasta en total N1/2 antenas de bocina primarias que se sitúan en el borde de la abertura no se encuentran implementadas de forma física, o en su perfil se encuentran realizadas de forma modificada o reducida, las celdas asociadas de la rejilla de igualación de fases se encuentran modificadas correspondientemente de modo tal, que los bordes de las celdas se encuentran a su vez situados sobre los bordes de las antenas de bocina primarias (1), la configuración de la abertura conforme a la invención de acuerdo con la reivindicación 1 ó la reivindicación 2 se encuentra realizada sólo para líneas completas del conjunto de antenas de bocina primarias (1) que contienen N1 antenas de bocina primarias (1), y la estructura de árbol binaria de ambas redes de alimentación (4, 5) se encuentra ajustada de forma apropiada en caso de que se presenten fallas de antenas de bocina primarias.