ES2591327T3 - Elementos de control de haz de antena, sistemas, arquitecturas y métodos para radar, comunicaciones y otras aplicaciones - Google Patents
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Abstract
Un sistema (10) que comprende: una unidad de campo de radar configurada para soportarse mediante una estructura que bloquea parcialmente el ángulo de visión que incluye: - una antena que comprende una pluralidad de elementos de antena (12) dispuestos de manera azimutal alrededor de la unidad de campo para proporcionar un área de cobertura sustancialmente continua, que no incluye la estructura, en el plano azimutal, estando dispuestos los elementos de antena en un conjunto en los ejes azimutal y de elevación, siendo la antena una antena de conjunto en fase en la que la radiación desde la antena puede orientarse tanto en azimut como en elevación; y - al menos un elemento de control de haz (20) situado a lo largo del perímetro de la antena a un primer ángulo azimutal con relación al eje de lóbulo principal de la antena para excluir la estructura del campo de radiación del conjunto de antena, de manera que se reduzcan los reflejos de la estructura recibidos mediante la antena, incluyendo el elemento de control de haz un material reflectante (28) y un material de absorción (30) situados entre la antena y el material reflectante configurados para atenuar la radiación que se acerca a la antena desde la estructura y la radiación emitida mediante la antena hacia la estructura.
Description
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DESCRIPCION
Elementos de control de haz de antena, sistemas, arquitecturas y metodos para radar, comunicaciones y otras aplicaciones
Campo tecnico
La presente invencion se refiere, en general, a sistemas de control de haz de antena y, mas espedficamente, a elementos de control de haz de antena, sistemas, arquitecturas, y metodos para radar y otras aplicaciones, tales como sistemas de comunicacion, etc.
Antecedentes de la tecnica
Las antenas transmisoras y receptoras de radio se instalan con frecuencia en el lateral de las torres, tales como torres de turbinas eolicas y de telecomunicaciones, y otras estructuras ffsicas, asf como en las cercamas de otros sistemas que emplean transmisores y receptores de radio. Las antenas con cobertura azimutal ancha o que pueden explorar un rango azimutal ancho pueden tener la estructura ffsica dentro de su area de radiacion, donde la estructura puede perturbar la funcion de la antena. Ademas, los conjuntos de antenas a menudo generan un lobulo principal deseado, pero tambien lobulos lateral y trasero que pueden reducir la ganancia efectiva y direccionalidad del conjunto total y producir reflejos indeseados, disminuyendo de esta manera el rendimiento del sistema.
Aunque la propia estructura ffsica limitara el angulo azimutal utilizable para la antena, incluso para angulos azimutales fuera del sector ffsicamente bloqueado, parte del haz de antena puede iluminar la estructura ffsica, reduciendo la precision por reflejos indeseados mediante la estructura, o la estructura puede producir reflejos secundarios incluso cuando no esta iluminada. Tambien, el haz de antena no debe apuntarse de manera que la interferencia de multiples trayectorias mediante la estructura pueda perturbar la funcion del sistema. Para que la antena opere en angulos azimutales cercanos a la estructura, se requiere una antena de alta ganancia. Para una antena con haz orientado, los angulos de exploracion cercanos a la estructura pueden no ser utilizables. Para conjuntos de baja ganancia, el angulo de exploracion utilizable se vuelve fuertemente limitado debido al lobulo ancho y posibles lobulos laterales. Anadir material absorbente de RF en la estructura ffsica reducira el problema. Sin embargo, ya que la estructura de la torre puede ser muy grande en comparacion con la propia antena, anadir material absorbedor a la propia estructura puede ser caro o poco practico.
Ademas, la proximidad de otros sistemas que emplean transmisores y receptores de radio, tales como radar y sistemas de comunicaciones, puede limitar el angulo utilizable y/o el ancho de banda de un sistema. Los sistemas basados en radio vecinos combinados con la interferencia de estructura ffsica pueden limitar de manera grave el rango operacional de los sistemas basados en antena.
Las soluciones de la tecnica anterior al problema de obstrucciones ffpicamente implican el uso de antenas direccionales o absorbedores. Las antenas direccionales, tales como cuernos, a menudo proporcionan ganancia superior, pero limitan el area de cobertura de la antena, requiriendo de esta manera mas antenas para proporcionar la cobertura y aumentando el coste. El numero aumentado de antenas puede hacer tambien la instalacion y operacion de las antenas mas diffcil, si las antenas tienen que alinearse con mayor precision. El uso de absorbedores, tales como aquellos descritos en la Patente de Estados Unidos n.° 5.337.066, reduce la ganancia de la antena, que, a su vez, ffpicamente reduce la distancia de cobertura de la antena.
Se requieren soluciones de antena mejoradas que superen las diversas limitaciones asociadas con las soluciones de la tecnica anterior para posibilitar sistemas con rendimiento y aplicaciones mejorados.
Las solicitudes de patente europea EP 1689030 y EP 1635187 describen conjuntos de radar planares o planos para uso en vetffculos tales como coches. En la primera solicitud se usa un absorbedor y refuerzo metalico para proporcionar apantallamiento de un componente de senal reflejado de polarizacion cruzada que es ortogonal a la senal co-polarizada principal desde una antena de conjunto de parche, se usa una placa de rendija para bloquear la senal de polarizacion cruzada y reflejarla de vuelta en el volumen de dispositivos de antena. En la ultima solicitud se proporciona una unidad de radar auto-contenida.
Sumario de la invencion
La invencion se define en las reivindicaciones independientes a las que se hace ahora referencia. Se exponen caracteffsticas preferidas en las reivindicaciones dependientes.
La presente invencion proporciona un sistema que comprende elementos de control de haz de antena para radar para mejorar el rendimiento de transmision y recepcion de los dispositivos y sistemas que emplean tales antenas. El impacto de la radiacion reflejada o que emana desde estructuras proximas, radares y redes en antenas de alta o baja ganancia puede gestionarse proporcionando uno o mas elementos de control de haz que pueden colocarse en el campo cercano de la antena para aumentar la ganancia de antena y potenciar la radiacion emitida o recibida
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mediante la antena a un angulo menor que un primer angulo con relacion a la ganancia de antena y la radiacion emitida o recibida mediante la antena a un angulo mayor que un primer angulo. En diversas realizaciones, puede aumentarse la ganancia de antena e intensidad pico 20 a un angulo menor que el primer angulo y puede reducirse la ganancia de antena e intensidad pico a un angulo mayor que el primer angulo con relacion a la ganancia de antena en ausencia del elemento de control de haz.
Los elementos de control de haz pueden desplegarse en combinacion con las antenas en diversos sistemas de la presente invencion de manera que el impacto de la radiacion reflejada desde el aerogenerador, 25 comunicacion, u otras torres que soportan el sistema u otras estructuras proximas, asf como radiacion desde redes de comunicacion inalambricas proximas puede reducirse a un nivel aceptable. La cantidad de radiacion reflejada desde estructuras y la radiacion desde redes proximas que es aceptable puede depender de la aplicacion particular en la que se despliega el sistema inventivo. Por ejemplo, aplicaciones de radar y de telefoma movil de voz y de datos pueden tener 30 requisitos diferentes de relacion de senal a ruido, asf como otras caractensticas de senal.
Los elementos de control de haz incluyen materiales absorbente y reflectante que se usan en combinacion para mejorar la ganancia de la antena, mientras se reduce la transmision y recepcion de radiacion indeseable mediante la antena. Los elementos de control de haz pueden situarse proximos a la antena para que sean comparables en tamano con la propia antena, que es beneficioso desde una perspectiva de coste e instalacion. Un experto en la materia apreciara que el impacto del elemento de control de haz en el rendimiento de senal/radiacion patron/antena se vera influenciado por su localizacion en el campo cercano.
La antena aplicable consiste en elementos de antena basicos en un conjunto en los ejes horizontal (azimut) y vertical (elevacion). El uso del presente elemento de control de haz permite que se use un haz de antena ancho, que es deseable por razones de coste, puesto que puede reducirse el numero de elementos de antena. La antena de area ancha inventiva con el elemento de control de haz con rendimiento mejorado proporciona tambien margen adicional en la instalacion y uso de la antena, debido al area y distancia de cobertura aumentadas. Ademas de sistemas fijos, el elemento de control de haz inventivo es compatible con elementos de antena controlados en fase, que permite que se use orientacion de haz, por ejemplo en aplicaciones de radar de exploracion electronica, etc.
De esta y otras maneras, la presente invencion trata las limitaciones de la tecnica anterior como se hara evidente adicionalmente a partir de la memoria descriptiva y los dibujos.
Breve descripcion de los dibujos
Los dibujos adjuntos se incluyen con el fin de ilustracion ejemplar de diversos aspectos de la presente invencion, y no con fines de limitar la invencion, en los que:
La Figura 1 muestra realizaciones de un sistema de antena con al menos un elemento de control de haz;
La Figura 2 muestra realizaciones de al menos una porcion de un sistema de antena con referencia al eje de radiacion y elemento de control de haz;
Las Figuras 3a y b muestran representaciones de la seleccion de un primer angulo y colocacion de un elemento de control de haz con relacion a un elemento de antena, lobulos principal y lateral idealizados y una estructura,
La Figura 4 muestra realizaciones de conjunto 2x8 desde el lado trasero siendo el eje Z el angulo de haz azimutal de referencia;
Las Figuras 5-7 muestran diversos resultados de simulacion y prueba de ganancia de antena frente a angulo azimutal con y sin el elemento de control de haz de la presente invencion,
Las Figuras 8a y b muestran representaciones de la colocacion del sistema de antena en una aplicacion de aerogenerador,
Las Figuras 9a y b muestran las realizaciones de la presente invencion usadas en aplicaciones de comunicacion y radar, y,
La Figura 10 muestra realizaciones alternativas para despliegue en diversas aplicaciones desde una vista superior.
Se apreciara que las implementaciones, caractensticas, etc., descritas con respecto a las realizaciones en las figuras espedficas pueden implementarse con respecto a otras realizaciones en otras figuras, a menos que se establezca expresamente o no sea posible de otra manera.
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Descripcion de las realizaciones
La Figura 1 representa un sistema ejemplar 10 que incluye una antena que tiene uno o mas elementos de antena 12 que pueden disponerse en un conjunto en los ejes horizontal (azimut) y/o vertical (elevacion), asf como otras configuraciones segun se desee. Por ejemplo, los elementos en la realizacion ilustrada en la Figura 1 estan dispuestos en conjuntos soportados mediante un panel 14, que esta conectado adicionalmente mediante un marco 16 para formar una unidad de campo desplegable. El sistema 10 incluye al menos un elemento de control de haz 20 que esta situado de acuerdo con la presente invencion y la aplicacion proxima a la antena 12 a un primer angulo, para atenuar la radiacion emitida desde o que se acerca a la antena a un angulo mayor que el primer angulo con relacion a radiacion emitida desde o que se acerca a la antena a un angulo menor que el primer angulo.
Se apreciara que el impacto del elemento de control de haz 20 puede describirse en terminos de senales, o mas generalmente radiacion, que pasa a traves de la antena, o como alternativa mediante el rendimiento de la antena, por ejemplo, la ganancia. Por ejemplo, el elemento de control de haz 20 puede aumentar la ganancia de la antena potenciando de esta manera la senal o la radiacion aumentando la intensidad, potencia total en el lobulo principal y/o la forma del lobulo principal. A la inversa, reducir la ganancia de la antena produce senales/radiacion atenuadas. Ademas, la radiacion y las senales pueden usarse de manera intercambiable en diversas aplicaciones. Los ejemplos pueden centrarse en una descripcion para facilitar la descripcion de la invencion, pero a menos que se indique de otra manera pretenden limitar la invencion.
El elemento de control de haz 20 puede implementarse de una diversidad de sistemas 10, tales como sistemas de radar incluyendo aquellos descritos en la Patente de Estados Unidos n.° 7.136.011.
Debena observarse que un elemento de control de haz 20 de acuerdo con la invencion puede ser parte de un sistema 10 que incluye un unico elemento de antena, unos conjuntos de elementos, o incluso varios conjuntos que operan en un conjunto de conjuntos. A menos que se indique de otra manera, una referencia al elemento o conjunto de antena 12 en lo sucesivo en el presente documento se pretende que cubra cualquiera y todas estas configuraciones alternativas, y el numero de referencia 12 puede hacer referencia a un unico elemento o a una pluralidad de elementos en un conjunto o a una pluralidad de conjuntos conectados al mismo transmisor. De manera similar, antena se usara como un termino general que hace referencia a cualquier configuracion de uno o mas elementos de antena.
El elemento de control de haz 20 puede incluir al menos un material parcialmente reflectante situado para reflejar la radiacion del lobulo lateral en la direccion de la radicacion de lobulo principal. Por ejemplo, el elemento de control de haz 20 puede configurarse para reflejar y atenuar la radiacion de lobulo lateral emitida desde la antena a un angulo que es mayor que el primer angulo en la direccion de la radiacion de lobulo principal que se emite desde la antena a un angulo menor que el primer angulo.
El elemento de control de haz 20 puede configurarse para atenuar senales de diversos grados, o radiacion mas en general, que se acercan y emiten desde la antena a un angulo que es mayor que el primer angulo. Por ejemplo, si se usa un material reflectante, puede configurarse para reducir fuertemente la potencia de senal, o intensidad de radiacion en la antena a angulos mayores que el primer angulo reduciendo de manera eficaz la ganancia de antena dependiendo de la cantidad de material de atenuacion usado en combinacion con el material reflectante. Al mismo tiempo, el material reflectante puede usarse para aumentar la ganancia de antena para potenciar la radiacion, es decir, aumentar la intensidad o potencia pico, a angulos menores que el primer angulo a alcances variables dependiendo de la cantidad de material de atenuacion usado en combinacion con el material reflectante.
En diversas realizaciones, el elemento de control de haz 20 puede configurarse para minimizar el impacto en la ganancia de antena y las caractensticas de senal o radiacion resultantes a menores que el primer angulo. Por ejemplo, puede ser deseable limitar el impacto del elemento de control de haz 20 en el lobulo principal, mientras se modifican los lobulos laterales. En otras realizaciones, puede ser deseable estrechar o ensanchar el lobulo principal, asf como controlar la intensidad maxima de la senal/radiacion o ganancia pico de la antena.
El elemento de control de haz 20 puede situarse proximo a una o mas antenas dependiendo de la aplicacion. Por ejemplo, el elemento de control de haz 20 puede disenarse de manera simetrica y situarse entre dos o mas elementos de antena de transmision/recepcion, para impactar los elementos de una manera similar. En otras realizaciones o aplicaciones, pueden ser mas utiles disenos asimetricos dependiendo del diseno de antena y posicion del elemento de control de haz. En diversas realizaciones, el elemento de control de haz 20 puede situarse proximo a un conjunto de antena a un primer angulo con relacion al conjunto y configurarse para reducir la ganancia de antena para atenuar senales que se acercan al conjunto a un angulo que es mayor que el primer angulo y aumentar la ganancia de antena para potenciar al menos una senal emitida desde las multiples antenas a un angulo menor que el primer angulo reflejando la radiacion desde angulos mayores que el primer angulo.
La Figura 2 muestra una porcion de una seccion transversal horizontal del sistema 10 de la Figura 1, con polarizacion vertical - el plano H es el plano del papel. Un unico elemento de antena 12 puede incluir un plano de tierra 22, el elemento de parche 24 (alimentacion electrica no mostrada), y un radomo 26. El radomo 26 y el plano de
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tierra 22 pueden extenderse a traves de varios elementos de parche 24. Sera evidente para un experto en la materia que este elemento de control de haz no esta limitado a esta geometna de conjunto, polarizacion y tipo de elemento de antena basico, y es aplicable para uso de unica cara o de doble con cualquier elemento unico y/o conjunto y tipo de elemento de antena basico. El elemento de control de haz 20 puede incluir una placa de apantallamiento 28, material absorbedor 30 y el radomo 26. Se apreciara que los radomos 26 pueden estar integrados, como planos de tierra 22. En estas realizaciones ejemplares, dos elementos 12 adyacentes entre sf en la direccion horizontal tienen un eje de referencia de radiacion azimutal nominal entre los dos elementos, y la radiacion horizontalmente puede orientarse cerca de 22,5 grados desde el eje desplazando en fase senales a los dos elementos. Si se disponen varios elementos de manera adyacente en la direccion vertical (perpendicular al plano del papel de la Figura 2), como se muestra en la Figura 1, la radiacion desde la antena puede orientarse tambien en la direccion vertical.
La seleccion del primer angulo puede verse influenciada por un numero de disenos de sistema y objetivos operacionales. Por ejemplo, el primer angulo puede depender de la geometna del sistema y el numero de elementos de antena que se emplean en cada unidad y el numero de sistemas que se desarrollan en una red. El diseno y composicion de material del elemento de control de haz seran en general una consideracion de la seleccion del primer angulo.
La Figura 3a representa los lobulos principal y lateral de radiacion que se emiten desde un elemento de antena 12 en presencia de un objeto interferente, tal como una estructura, 40 que podna provocar reflejos indeseados de la radiacion devuelta a la antena. El primer angulo puede elegirse con relacion al eje del lobulo principal de la antena o conjunto de antena para excluir la estructura 40 del campo de radiacion del elemento o conjunto de antena 12. Debena observarse que en ausencia de alguna orientacion del eje del lobulo principal por desplazamiento de fase, el eje del lobulo principal de la Figura 3a corresponde al eje de referencia de radiacion azimutal nominal de la Figura 2.
La Figura 3b muestra la colocacion del elemento de control de haz 20 en el primer angulo, para reducir fuertemente la ganancia resultante del elemento de antena 12 a angulos hacia la estructura 40. Esta configuracion reduce la radiacion en, asf como los reflejos desde, la estructura 40. Si el elemento de control de haz 20 reduce la ganancia a todos los angulos o proporciona una combinacion de ganancia reducida a angulos mayores que un angulo dado y ganancia aumentada a angulos menores que el mismo angulo puede depender de la magnitud del primer angulo y de las caractensticas del elemento de control de haz 20. En el caso de un objeto interferente 40 y la antena usada para aplicacion de radar, la transmision mediante el objeto 40 puede crear imagenes en espejo separadas del objeto observado a angulos falsos o la imagen en espejo puede mezclarse con los reflejos radiados directos a partir del objeto observado para reducir la precision angular del radar.
Dependiendo de los objetivos del sistema, que impactan adversamente a la radiacion, la radiacion se atenua hasta un punto que se degrada el rendimiento de sistema por debajo de los requisitos operacionales. En otras palabras, la radiacion emitida desde la antena a un angulo menor que el primer angulo puede modificarse sin disminuirla sustancialmente. En general, el primer angulo se selecciona de manera que los lobulos laterales se atenuan tanto como sea posible sin impactar de manera adversa la ganancia del lobulo principal. En diversas realizaciones, la configuracion del elemento de control de haz esta equilibrada para potenciar al menos una porcion de la radiacion, es decir, lobulo principal, intensidad pico, etc., mientras disminuye la radiacion en los lobulos laterales. En otras palabras, aumentar la ganancia de antena con relacion al lobulo principal, mientras se reduce la ganancia de antena con relacion a los lobulos laterales.
En diversas realizaciones, el elemento de control de haz 20 es una combinacion en capas de material reflectante y de absorcion. El material reflectante se emplea para bloquear sustancialmente que la radiacion se acerque a la antena, es decir, senales, que se acercan a la antena desde angulos mayores que el primer angulo. El material reflectante puede servir tambien para reflejar radiacion emitida mediante la antena a angulos mayores que el primer angulo en la direccion de radiacion emitida mediante la antena a angulos menores que el primer angulo. El elemento de control de haz 20 puede configurarse de manera que la radiacion reflejada emitida mediante la antena podna potenciar el nivel de radiacion a angulos menores que el primer angulo. Los materiales reflectantes ejemplares son en general materiales que tienden a no absorber significativamente y a ser opacos a la radiacion en la frecuencia de interes. Por ejemplo, el aluminio es un material reflectante eficaz para aplicaciones de radar. Se apreciara que los materiales empleados en diversas realizaciones pueden variar de parcialmente reflectantes a completamente reflectantes dependiendo de la aplicacion.
El material de absorcion se proporciona para atenuar la radiacion que se acerca o emite desde la antena a angulos mayores que el primer angulo. La cantidad de material de absorcion usado y su configuracion en el elemento de control de haz depende de la forma de haz deseable de la radiacion. Por ejemplo, si se desea una forma de haz aguda para el lobulo principal de la radiacion o interferencia potencial desde fuentes de radiacion reflejadas o proximas puede plantear un problema, entonces el material de absorcion se aumentana en consecuencia. A la inversa, si es deseable detectar radiacion reflejada y no hay otras fuentes de interferencia proximas, entonces puede usarse una cantidad menor de material de absorcion. Materiales absorbedores ejemplares incluyen materiales absorbedores de RF comercialmente disponibles, tales como aquellos comercializados por ETS-Lindgren y ECCOSORB® AN de Emerson & Cuming. El espesor/cantidad de material absorbedor dependera de la frecuencia de interes y de la cantidad deseada de atenuacion en la aplicacion. Por ejemplo, en una aplicacion de radar a 1,3
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GHz, los espesores de absorbedor en el orden de 25 mm pueden proporcionar atenuacion significativa de lobulo lateral y trasero y angulo ancho, mientras permiten aun que el haz de lobulo principal se haga agudo mediante el material reflectante.
La forma ffsica de los elementos de control de haz puede variarse dependiendo de los requisitos de sistema. Por ejemplo, si el elemento de control de haz 20 se ha de situar entre dos antenas, entonces puede ser deseable que el elemento se conforme simetricamente, si se desea un impacto similar para ambas antenas. Si el elemento se situara con antenas en unicamente un lateral, entonces cada lateral del elemento puede configurarse para conseguir su objetivo espedfico. Por ejemplo, el lateral del elemento opuesto al lateral de una antena puede servir mejor su funcion pretendida con una forma y material diferentes. En realizaciones de elemento de control de haz plano 20, el material absorbedor esta laminado sobre uno o ambos lados de una capa reflectante dependiendo de la aplicacion.
Los elementos de control de haz 20 pueden localizarse en diversas posiciones con relacion al elemento de antena. En muchas aplicaciones, el elemento de control de haz 20 se localizara unicamente a lo largo de una porcion del penmetro de la antena. El elemento de control de haz 20 es particularmente util cuando hay un cuerpo reflectante en el rango radiactivo o de recepcion de la antena u otra antena que opere de una manera que interferina con la funcion apropiada del sistema. El elemento de control de haz 20 esta situado a lo largo del penmetro del elemento de antena a un primer angulo de manera que los reflejos de radiacion desde el cuerpo reflectante no se reciben o la radiacion no se transmite a o recibe desde una fuente/sumidero a excluir. Aunque los elementos de control de haz 20 podnan desplegarse alrededor de todo el penmetro de la antena, aumentana el coste del sistema sin proporcionar necesariamente un beneficio asociado. De hecho, puede ser deseable no incluir elementos de control de haz 20 excepto a lo largo de porciones espedficas del penmetro, puesto que el elemento de control de haz podna limitar el rendimiento de la antena en porciones donde no son necesarios.
En muchos casos, es deseable tener un sistema que proporciona area de cobertura de 360 grados. Sin embargo, en algunas aplicaciones puede ser deseable eliminar antenas del sistema que apuntan en general hacia un cuerpo reflectante conocido u otro sistema que podna interferir con el rendimiento del sistema. La eliminacion de las antenas 12 que apuntan hacia cuerpos reflectantes puede mejorar el rendimiento del sistema global, puesto que se eliminan los reflejos secundarios del cuerpo conocido que alcanzan otras antenas.
En muchas aplicaciones, los elementos de control de haz se desplegaran unicamente a lo largo del penmetro de los elementos de antena donde hay un cuerpo reflectante conocido 40 que podna interferir con el rendimiento del sistema, tal como la deteccion de objetivos dentro del area de cobertura de un radar. En una aplicacion de radar ejemplar, el radar esta situado en proximidad cercana a una torre, u otro obstaculo, para detectar objetivos que se acercan a la torre. En estos ejemplos, puede ser deseable no colocar antenas en localizaciones donde las antenas 12 podnan emitir radiacion directamente hacia la torre 40. Los elementos de control de haz 12 se despleganan proximos a antenas que puedan recibir radiacion de otra manera directamente reflejada desde la torre 40, como se analiza a continuacion en la Figura 8b.
En muchas realizaciones, el elemento de control de haz se desacoplara electricamente de la antena, de modo que su impacto sea en la radiacion. En otras realizaciones, puede ser beneficioso acoplar la antena y el elemento de control de haz para conseguir un objetivo operacional. Tambien, el elemento de control de haz 20 puede colocarse entre la antena 12 para minimizar y posiblemente eliminar el acoplamiento mutuo de la antena 12.
La Figura 4 muestra un conjunto de 2 x 8 desde el lado trasero, siendo el eje Z el angulo de haz azimutal de referencia usado para verificacion. Sera evidente para un experto en la materia que la invencion no esta limitada a este conjunto espedfico o tipo de elemento de antena, y no esta limitada a esta geometna espedfica.
La Figura 5 muestra la ganancia de antena como funcion del angulo azimutal con y sin el elemento de control de haz 20. No se aplica orientacion de fase y el haz se apunta en el eje z a partir de las Figuras 2 y 4. En el grafico que muestra los datos sin el elemento de control de haz 20 (lmea discontinua) aparecen lmeas que muestran la demarcacion aproximada del lobulo principal y lobulos laterales. Como puede observarse en el grafico, desde el angulo del elemento de control de haz, que en este ejemplo esta situado a -22,5 grados, la atenuacion anadida es aproximadamente 4 dB (un sentido), ascendiendo hasta 13 dB a -45 grados, 22,5 grados por encima del elemento de control de haz 20. Como se observa tambien, el lobulo lateral esta atenuado en 16 dB a -70 grados. Los resultados de ensayo mostrados estan a 1325 MHz, pero se aplican resultados similares desde 1307 a 1342 MHz. Ademas, el elemento de control de haz potencia la ganancia maxima en el lobulo principal con relacion a la operacion sin el elemento de control de haz. Como puede observarse, el elemento de control de haz 20, aunque no elimina completamente los lobulos laterales, bloquea sustancialmente los lobulos laterales que atenuan las senales, o que reducen la ganancia de antena, en exceso del 90 %.
La Figura 6 muestra resultados usando un haz azimutal con un elemento de control de haz 20 situado a -22,5 grados con relacion al eje de referencia de radiacion azimutal nominal y para diversos angulos orientados. La Figura 6 muestra tambien la ganancia de antena cuando el haz se orienta hacia y lejos del elemento de control de haz. Los lobulos laterales estan completamente atenuados cuando se orienta el haz hacia el elemento de control de haz. Los lobulos laterales reaparecen cuando se orienta lejos del elemento de control de haz, pero se atenuan en
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comparacion con los lobulos laterales correspondientes sin el elemento de control de haz.
La Figura 7 muestra que la elevacion (perpendicular, eje de campo E, haz de azimut a 0 grados, haz de elevacion orientado) se ve casi sin afectar por el elemento de control de haz, cuando se despliega en un conjunto.
Aunque el elemento de control de haz puede configurarse de muchas maneras en la presente invencion, es a menudo deseable tener un numero de las siguientes propiedades:
• Preferentemente pasivo, tal como una combinacion de materiales absorbentes y reflectantes (apantallamiento). Construccion mecanica sencilla de sandwich para fabricacion a bajo coste.
• Situado en el campo cercano de la antena donde es posible un pequeno tamano, altura y coste en lugar de cubrir estructuras mayores con elementos absorbedores o reflectantes.
• Situado fuera del lobulo principal de la antena, para minima perdida y atenuacion del lobulo principal de senales deseadas y dentro del lobulo lateral de la antena, maximizando la atenuacion de lobulo lateral y trasero.
• Adecuado para reduccion y punto de corte de radiacion practico hacia estructuras externas que bloqueanan o distorsionanan de otra manera la senal y creanan reflejos indeseados y para reducir la radiacion de la antena proxima a cero a un angulo de radiacion bien definido.
• Robusto a diversos angulos de haz principal orientados en una antena de conjunto en fase, donde el lobulo puede orientarse tanto en el eje del elemento absorbedor como en el eje perpendicular o unicamente uno de dichos ejes. La distorsion del haz en el eje perpendicular es insignificante. La distorsion del haz en el eje del elemento de control de haz esta bien controlada incluso cuando el haz principal esta orientado cerca del angulo del elemento de control de haz.
• Efecto predecible en el haz de antena, que puede compensarse de manera predecible en procesamiento de senal posterior, es decir, buena correspondencia entre simulacion electromagnetica en 3D y mediciones.
• Patrones de radiacion bien controlados y predecibles incluso con orientacion de haz en ambos ejes permiten rendimiento de radar de alta precision incluso a angulos de exploracion cercanos a una estructura ffsica donde la precision estana comprometida de otra manera cuando se usan antenas de baja ganancia.
• Permite la operacion a angulos de exploracion cercanos a objetos indeseados tales como torres y edificios, insensibles a cambios en el objeto indeseado a enmascarar.
• Aumenta la ganancia del lobulo principal efectiva hacia el lateral del elemento de control de haz. La ganancia aumentada es comparable a usar un conjunto de antena de orden superior. Como ejemplo, un conjunto de 2 con el elemento de control de haz funciona comparable a un conjunto de 4 elementos en el lateral del elemento de control de lobulo.
En diversas realizaciones, los elementos de control de haz estan configurados para permitir que dos o mas antenas tengan areas de cobertura solapante, mientras aun realizan la tarea de atenuar y potenciar las diversas senales. En otras realizaciones, los elementos de control de haz se configuraran para minimizar o eliminar el solapamiento entre las areas de cobertura de antena. Los expertos en la materia apreciaran las compensaciones con solapamiento que proporciona un area de cobertura continua y sin solapamiento que permite la reutilizacion del espectro, etc., para multiples antenas. Por ejemplo, en aplicaciones de radar puede ser deseable proporcionar area de cobertura solapante para asegurar que los objetivos que se estan detectando por el radar puedan rastrearse continuamente en el area de cobertura. En aplicacion de comunicaciones, puede no ser deseable tener rangos solapantes, si se va a usar el mismo espectro de frecuencia.
Las Figuras 8a y b muestran realizaciones (no necesariamente a escala) del sistema 10 desplegado cerca de la estructura 40. En estas realizaciones, los elementos de antena 12 pueden proporcionarse de manera azimutal y/o verticalmente para proporcionar un area de cobertura sustancialmente continua en el plano azimutal. Se apreciara que los elementos de antena normalmente no se desplegaran en la direccion de la estructura o estructuras 40 para reducir coste y/o rendimiento de control. En la presente invencion, uno o mas elementos de control de haz 20 pueden desplegarse para evitar que se reciban reflejos desde la estructura 40 por los elementos de antena 12. Aunque la Figura 8a y b muestra unicamente una estructura 40, se apreciara que pueden estar muchas estructuras 40 en un area de cobertura potencial para el sistema 10, tal como en un parque de aerogeneradores, y el angulo de cobertura azimutal del sistema 10 y el numero y diseno de elementos de control de haz 20 puede variarse para adaptarse al despliegue particular.
En realizaciones de antena de radar, el sistema 10 puede instalarse en torres y edificios donde estas estructuras 40 bloquearan parcialmente el angulo de vision, y pueden generar trayectorias de senal indeseadas que reducen la precision de medicion de angulo de radar, como se ha descrito anteriormente. El elemento de control de haz 20 asegura un punto de corte predecible de radiacion en la estructura externa 40, permitiendo buena precision en angulos azimutales de haz orientado de menos de 5 grados desde el elemento de control de haz. En estas realizaciones, puede ser deseable proporcionar cobertura de menos de 360 debido a la proximidad de la estructura ffsica 40. Como tal, no se usara unicamente el elemento de control de haz 20 para bloquear sustancialmente la radiacion que se transmite hacia o se refleja mediante la estructura 40, sino que el sistema 10 puede configurarse para excluir elementos de antena 12 o exploraciones en la direccion de la estructura ffsica 40, como se muestra en las figuras.
5
10
15
20
25
30
La Figura 9a representa realizaciones de torre de comunicacion, tal como para antenas de estacion base de red celular y otros sistemas de comunicacion inalambricos, en los que multiples sistemas 10 se situan proximos a la estructura 40. Las antenas basicas normalmente son conjuntos con alta ganancia de elevacion y baja ganancia azimutal, donde los lobulos lateral y trasero azimutales pueden radiar bien en celulas vecinas y cercanas a las vecinas de manera que estas celulas pueden separarse en frecuencia, codigo o tiempo para evitar interferencia. En estas aplicaciones, el elemento de control de haz 12 puede mejorar el aislamiento entre cada celula en el eje azimutal, permitiendo la re-utilizacion de intervalos de frecuencia, codigo o tiempo en la estacion base, ademas de evitar la interferencia de la estructura. La reutilizacion en aplicaciones de comunicacion puede proporcionar un beneficio significativo en que la reutilizacion aumenta de manera eficaz el ancho de banda disponible de la estacion.
La Figura 9b representa realizaciones de la invencion, en las que puede usarse el sistema 10 como un sistema de radar rellenador de huecos, o sombras, para uso en areas donde un radar primario 50 no puede proporcionar cobertura adecuada del area por cualquier numero de razones incluyendo la presencia de estructuras, por ejemplo, edificios, y restricciones sobre el uso de instalaciones y lugares cerca del radar. En estas realizaciones, el elemento de control de haz ayudana a reducir los reflejos del radar primario que alcanzan la antena 12. Un experto en la materia apreciara que el sistema 10 y el radar 50 pueden necesitar operar a diferentes frecuencias y orientaciones para asegurar la efectividad del sistema 10 al proporcionar cobertura de radar en areas no cubiertas adecuadamente por el radar primario 50.
La Figura 10 muestra la realizacion en la que se despliegan los elementos de antena 12 del sistema 10 que rodea y/o esta integrado con una de las estructuras 40. Aunque las realizaciones de la Figura 10 muestran elementos de antena 12 desplegados unicamente de manera parcial alrededor del penmetro de la estructura 40 y en combinacion con elementos de control de haz, se apreciara que el numero y extension angular de los elementos de antena 12 y los elementos de control de haz 20 situados alrededor de la estructura 40 puede variarse por el experto en la materia para despliegues y aplicaciones espedficas. Se apreciara adicionalmente que otras partes del sistema 10, que podnan incluir las unidades de procesamiento central, equipo de comunicacion, etc., pueden desplegarse proximas a los elementos de antena 12 en la estructura 40 o no proximas a los elementos de antena 12, por ejemplo en el suelo o proximas a otro punto de acceso en la estructura 40.
Estas y otras variaciones, modificaciones y aplicaciones de la presente invencion son posibles y se contemplan, y se pretende que la memoria descriptiva anterior y las siguientes reivindicaciones cubran tales variaciones, modificaciones y aplicaciones.
Claims (12)
- 5101520253035404550REIVINDICACIONES1. Un sistema (10) que comprende:una unidad de campo de radar configurada para soportarse mediante una estructura que bloquea parcialmente el angulo de vision que incluye:- una antena que comprende una pluralidad de elementos de antena (12) dispuestos de manera azimutal alrededor de la unidad de campo para proporcionar un area de cobertura sustancialmente continua, que no incluye la estructura, en el plano azimutal, estando dispuestos los elementos de antena en un conjunto en los ejes azimutal y de elevacion, siendo la antena una antena de conjunto en fase en la que la radiacion desde la antena puede orientarse tanto en azimut como en elevacion; y- al menos un elemento de control de haz (20) situado a lo largo del penmetro de la antena a un primer angulo azimutal con relacion al eje de lobulo principal de la antena para excluir la estructura del campo de radiacion del conjunto de antena, de manera que se reduzcan los reflejos de la estructura recibidos mediante la antena, incluyendo el elemento de control de haz un material reflectante (28) y un material de absorcion (30) situados entre la antena y el material reflectante configurados para atenuar la radiacion que se acerca a la antena desde la estructura y la radiacion emitida mediante la antena hacia la estructura.
- 2. Un sistema de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la estructura es una torre, y particularmente un aerogenerador o torre de comunicaciones.
- 3. Un sistema de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que la unidad de campo de radar esta configurada para estar en proximidad cercana a la torre para detectar objetivos que se acercan a la torre.
- 4. Un sistema de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en el que los elementos de antena no estan desplegados en la direccion de la estructura.
- 5. Un sistema de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en el que la unidad de campo de radar es un sistema de radar de exploracion electronica, controlandose los elementos de antena en fase estando configurados los elementos de antena para orientacion de haz.
- 6. Un sistema de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en el que el elemento de control de haz es plano, con material absorbedor laminado sobre uno o ambos lados de una capa reflectante.
- 7. Un sistema de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en el que el elemento de control de haz es simetrico y esta situado entre dos o mas elementos de antena para impactar la radiacion emitida o recibida mediante aquellos elementos de una manera similar.
- 8. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el elemento de control de haz es asimetrico.
- 9. Un sistema de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en el que el elemento de control de haz esta situado fuera del lobulo principal de la antena y dentro del lobulo lateral de la antena para minimizar la atenuacion del lobulo principal y maximizar la atenuacion de los lobulos lateral y trasero.
- 10. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las demas reivindicaciones, en el que el material reflectante es aluminio.
- 11. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las demas reivindicaciones, en el que el material de absorcion es un material absorbedor de frecuencia de radio.
- 12. Una turbina eolica que comprende un sistema de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior.
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