ES2613129T3 - Antena integrada en casco o fuselaje - Google Patents

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ES2613129T3 ES09173165.3T ES09173165T ES2613129T3 ES 2613129 T3 ES2613129 T3 ES 2613129T3 ES 09173165 T ES09173165 T ES 09173165T ES 2613129 T3 ES2613129 T3 ES 2613129T3
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Abstract

Una estructura de antena integrada en un casco o fuselaje (1401, 1601, 1701), en el que la estructura de antena comprende una antena (1200, 1300), de agrupación, comprendiendo la antena de agrupación un número de elementos de antena, comprendiendo cada elemento de antena un radiador (1202, 1302, 1404, 1501, 1603, 1702) y una alimentación RF, estando dispuestos los elementos de antena en una estructura (1503-1506) reticular dentro de un área (1103) de antena que comprende un área de antena central y una región de transición fuera del área de antena central con láminas (1306, 1307, 1402, 1403, 1602, 1703) resistivas dispuestas para tener una alta conductividad en la región de transición cerca del casco o fuselaje (1401, 1601, 1701) y una conductividad que disminuye en la dirección hacia el área de antena central, proporcionando así un ajuste ahusado en el coeficiente de reflexión sobre un intervalo de frecuencia amplio, caracterizada porque un número de los radiadores de antena así como las láminas (1306, 1307, 1402, 1403, 1602, 1703) resistivas están dispuestas en sustancialmente el mismo plano que una superficie exterior circundante del casco o fuselaje (1401, 1601, 1701) y porque los radiadores de antena son elementos conductivos rodeados, en la región de transición, por las láminas (1306, 1307, 1402, 1403, 1602, 1703) resistivas.

Description

Antena integrada en casco o fuselaje
Campo técnico
La presente invención se refiere a antenas integradas en cascos o fuselajes de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
Técnica anterior
Actualmente existe la necesidad de crear una firma de radar baja para diferentes objetos tales como, por ejemplo, aeronaves, es decir, para diseñar aeronaves que tienen una visibilidad de radar baja. Un procedimiento significativo se ha logrado en un numero de áreas problemáticas tales como, por ejemplo:
•
Admisión/escape
•
Cabina/cubierta exterior
•
Forma del casco o fuselaje
•
Amortiguadores
•
Armamento
pero todavía existe un problema con la reducción de la firma pasiva de los sensores de aeronave tales como antenas.
Se han propuesto un número de soluciones para antenas con una baja firma de radar o una baja Sección Transversal de Radar, RCS.
Las antenas, como por ejemplo antenas de radar en aeronaves, son a menudo las llamadas antenas de agrupación, es decir, antenas que consisten en un número de elementos de antena que funcionan entre sí. Para reducir la RCS de antenas de agrupación en un casco conductivo, el documento WO 2006/091162 ha propuesto rodear la agrupación con una lámina resistiva, fina y ahusada. La Figura 1 muestra una sección transversal de una antena de acuerdo con la técnica anterior. Una unidad 101 de antena con radiadores 102 de antena y una cubierta 103 dieléctrica se monta en un casco 104. Una lámina 105 resistiva y ahusada se aplica como un armazón en la parte superior de la unidad 101 de antena. Por ahusada se entiende que la resistividad varía desde “alta resistividad” más cerca del centro de la antena a “baja resistividad” más cerca del casco conductivo. Este procedimiento puede reducir la retrodispersión provocada por discontinuidades entre el área de la antena y el fuselaje o casco sustancialmente.
Aunque es eficaz, este procedimiento tiene un problema con una relativa profundidad de fase alta ΔΦ, véase la Figura 1. ΔΦ, 106, es la diferencia en fase reflejada desde el casco y desde la región de agrupación que provoca una gran RCS.
La agrupación es normalmente mucho más gruesa que el casco o fuselaje, asignando de esta manera un volumen innecesariamente grande a la aeronave.
Independientemente del espesor de la agrupación, la interacción provoca un debilitamiento del casco o fuselaje ya que los materiales de pérdida baja de RF activa (RF = Radio Frecuencia) en la agrupación normalmente no pueden soportar mucha tensión mecánica. Además, deben concebirse por tanto unos refuerzos de consumo de peso adicional.
Al aplicar la capa resistiva en una altura significativa sobre los radiadores de antena, un haz transmitido interfiere con la capa resistiva en ángulos de escaneo moderados. Esto necesita la introducción de una región de transición comparablemente grande (es decir, lámina resistiva) que a su vez hace que la rendija en el casco o fuselaje sea mayor de lo necesario. La Figura 2 ilustra esquemáticamente los parámetros que afectan a la anchura de la región de transición. Los radiadores 203 de antena se ubican a una cierta distancia 204 desde un casco 201. Una primera parte 205 de la región de transición depende principalmente de la frecuencia operativa y tendría una anchura de N*λ. Normalmente es suficiente con N = 1-8. Los valores N mayores pueden sin embargo ser necesarios si se necesitan reducciones RCS muy grandes. Una segunda parte de la región 207 de transición es una función de la diferencia de profundidad de fase ΔΦ que exhibe algún grado de proporcionalidad con la distancia 204. Finalmente, una tercera parte 209 de la región de transición es una función del ángulo de escaneo α, también indicada como 211. Un gran ángulo de escaneo significa que la sección 209 tiene que ser más ancha, lo que conduce a que la región de transición total sea más grande.
Esta solución es la más eficaz para la incidencia TE (polarización Eléctrica Transversal), pero no para la incidencia TM (polarización Magnética Transversal). La solución generalmente reconocida a este programa es introducir además amortiguadores (por ejemplo, de masa) dentro de la antena cerca de sus bordes. Pero de nuevo, esto se
asocia con costes adicionales y una anchura incrementada de la región de transición. La Figura 3 explica la diferencia en el manejo de la onda TE, Figura 3A y la onda TM, Figura 3B, con un casco 301, una antena 302 y una lámina 303 resistiva. Una onda 305 incidente se propaga en la dirección de la flecha. Para una onda TE el campo E es perpendicular al plano del papel ilustrado con un círculo y un punto. Una onda TM tiene un campo magnético en la misma dirección que el campo E en la Figura 3A. El campo E para la onda TM se muestra con una flecha 306. Esto significa que el campo E para una onda TE tendrá una dirección a lo largo de la lámina resistiva y se absorberá mediante la lámina. La onda TM, sin embargo, tendrá solo un pequeño componente en la dirección a lo largo de la lámina resistiva y por tanto se absorberá mediante la lámina únicamente en un pequeño grado. La onda TM se dispersará en su lugar en el borde de la antena. Una manera de disminuir la dispersión es incluir un material 307 absorbente en el extremo de la antena. Esto incrementará sin embargo la anchura de la antena y añadirá costes.
El cambio gradual de los coeficientes de reflexión, Γn, de los radiadores de antena mediante la introducción de pequeños cambios de la geometría interna del elemento que proporcionarían un cambio del coeficiente de reflexión Γ también se ha sugerido como un medio para reducir la RCS. La proposición mostrada en la Figura 4 va destinada a cambiar el coeficiente de reflexión Γ de elementos de antena de doble polarización sobre toda la superficie de la agrupación, mientras se mantienen las pérdidas de transmisión/recepción tan bajas como sea posible. Por tanto, se consideraron los cambios reactivos (capacitivos/inductivos), en lugar de los resistivos. La Figura 4 muestra radiadores de antena, en este caso conseguidos como guías 401 de onda con perturbaciones 402 y un casco 403. En el diagrama de la Figura 4, un eje 404 vertical representa el coeficiente de reflexión Γn y un eje 405 horizontal representa la posición de cada elemento n de antena. Las perturbaciones 402 se diseñan de manera que el coeficiente de reflexión Γ esté más cerca de los bordes interiores de la antena donde la antena coincide con el casco y de manera baja en la parte intermedia de la antena creando así una transición delicada desde el coeficiente de alta reflexión del casco al coeficiente de baja reflexión de la antena. Esta transición delicada reduce la dispersión y de esta manera la RCS.
Un inconveniente con esta solución es que el carácter reactivo de las perturbaciones implica que la reducción de firma solo es eficaz sobre un ancho de banda limitado.
Otro inconveniente es que también es un procedimiento muy costoso para diseñar un gran número de elementos de antena individuales.
El procedimiento requiere que ambas polarizaciones terminen y se usen perturbaciones de doble polarización, o, lo que solo es posible en principio, que solo una polarización termine mientras se introduce una perturbación de una única polarización. Este requisito de que ambas polarizaciones terminen apropiadamente tiene un coste extra si la función de la antena solo requiere una única polarización.
La profundidad 406 de fase de la dispersión también es un problema; no siempre es posible introducir las perturbaciones reactivas en el plano donde sería óptimo que estuvieran al mismo nivel que un plano de tierra.
Como se ha mencionado antes existen diferentes tipos de retrodispersión que provocan una alta RCS:
•
Dispersión de borde provocada por discontinuidades entre el área de la antena y el casco. Este tipo de dispersión puede tratarse aplicando una capa resistiva como se ha analizado antes. La resistencia de la dispersión de borde queda afectada también por ΔΦ, es decir, la diferencia de fase entre las señales reflejadas desde el casco en la región de antena. Esta dispersión puede reducirse en cierto grado haciendo que la antena sea lo más fina posible.
•
La dispersión de lóbulos de rejilla se analizará en más detalle a continuación.
El articulo de Volakis J.L. et al "Broadband RCS reduction of rectangular patch by using distributed loading", Electronic Letters, IEE, GB, volumen 28, N.º 25, diciembre de 1992, páginas 2322-2323, ISSN 0013-5194, desvela un parche rectangular montado en el fuselaje de un vehículo aéreo y rodeado por un lazo resistivo estrecho.
Existe por tanto una necesidad de una solución de antena mejorada integrada en el casco y con una baja RCS al mismo tiempo que es ligera y rentable de producir.
Sumario
Es por tanto el objeto de la invención proporcionar una antena de agrupación de baja RCS integrada en un casco o fuselaje con un número de elementos de antena, comprendiendo cada elemento de antena un radiador y una alimentación RF, estando dispuestos los elementos de antena en una estructura reticular dentro de un área de antena que comprende un área de antena central y una región de transición fuera del área de antena central, lo que puede solucionar el problema de lograr una RCS muy baja y al mismo tiempo ser ligera y rentable de fabricar.
Este objeto se logra mediante una estructura de antena integrada en un casco o fuselaje, en el que la estructura de antena comprende una antena de agrupación, comprendiendo la antena de agrupación un número de elementos de antena, comprendiendo cada elemento de antena un radiador y una alimentación RF, estando dispuestos los elementos de antena en una estructura reticular dentro de un área de antena que comprende un área de antena central y una región de transición fuera del área de antena central con láminas resistivas dispuestas para tener una
alta conductividad en la región de transición cerca del casco o fuselaje y una conductividad que disminuye en la dirección hacia el área de antena central, proporcionándose un ajuste ahusado en el coeficiente de reflexión sobre un intervalo de frecuencia amplia, en el que un número de los radiadores de antena así como la lámina resistiva están dispuestos en sustancialmente el mismo plano que una superficie exterior circundante del casco o fuselaje y
5 en el que los radiadores de antena son elementos conductivos rodeados, en la región de transición, mediante las láminas resistivas.
Cada radiador de antena en la región de transición tiene una lámina resistiva correspondiente alrededor del radiador.
Un elemento de antena se define por tanto como una disposición de radiador y alimentación RF para el radiador. El radiador puede ser un parche, un dipolo, etc. Las disposiciones de alimentación RF comprenden medios 10 convencionales para suministrar energía RF al radiador tales como sondas insertadas en cavidades, estando unidas las cavidades al radiador, o dirigir conexiones galvánicas mediante tiras, alambres, etc.
Una antena de agrupación es un número de elementos de antena que funcionan entre sí.
La invención describe una región de transición con radiadores de antena rodeados con finas láminas resistivas de 0,00001-1 mm. La parte inferior del intervalo es típica cuando se usa la técnica de deposición de vapor metálico para 15 conseguir la lámina y la parte superior del intervalo puede ser típica cuando se usa pasta semiconductiva. Una lámina resistiva significa por tanto una capa de material resistivo con el espesor antes mencionado. La conductividad de las láminas cerca del casco es mayor y después disminuye en la dirección hacia el área de antena central, proporcionando así un ajuste ahusado en el coeficiente de reflexión que cubre partes sustanciales del intervalo de frecuencia 0,5-40 GHz. Una realización típica puede ofrecer un buen ajuste ahusado dentro de un ancho de banda
20 de hasta 3 octavas. Sin embargo, los anchos de banda más estrechos y más amplios, dependiendo de la frecuencia operativa, quedan dentro del alcance de la invención.
Una característica importante de la invención es que un número de radiadores con las láminas resistivas correspondientes están dispuestos en sustancialmente el mismo plano que la superficie exterior circundante del casco o fuselaje.
25 Además, la invención ofrece la ventaja adicional de una baja RCS en combinación con un peso adicional pequeño, conformidad de superficie y pequeña profundidad de integración.
La antena puede, por ejemplo, instalarse en el casco o fuselaje de una aeronave, proyectil de artillería, misil o embarcación.
Otras ventajas de la invención se logran si la estructura de antena tiene una o varias características de las 30 reivindicaciones dependientes tales como, por ejemplo:
• Una fabricación fácil al poder producir de antemano y ensayar la unidad de antena completa montada en una placa o sustrato dieléctrico en una placa de tierra donde la placa se diseña para encajar en el casco o rendija de fuselaje. La placa puede ser una escotilla existente en el casco o fuselaje.
• Implementar amortiguadores de masa o tarjetas resistivas orientadas verticalmente en secciones terminales para 35 implementar la absorción de incidencia TM.
•
La invención puede encajar fácilmente en un casco o fuselaje curvado.
•
La protección medioambiental puede lograrse añadiendo un revestimiento protector exterior que cubre el área de antena.
•
La antena puede integrarse en una escotilla que cubre una abertura en el casco o fuselaje.
40 Breve descripción de los dibujos
La presente invención se entenderá más claramente a partir de la descripción detallada proporcionada a continuación en los dibujos adjuntos que se proporcionan a modo de ilustración únicamente, y que por tanto no limitan la invención y en los que:
la Figura 1 muestra esquemáticamente una sección transversal de una agrupación de antena con una lámina 45 resistiva de acuerdo con la técnica anterior.
La Figura 2 muestra esquemáticamente una sección transversal de una antena de la técnica anterior que ilustra los parámetros que deciden la anchura de la región de transición.
La Figura 3 ilustra esquemáticamente cómo las ondas TE y TM se absorben mediante la lámina resistiva.
La Figura 4 muestra esquemáticamente una sección transversal de una solución de antena de la técnica anterior 50 con una coincidencia ahusada sobre la rendija que muestra también la variación del coeficiente de reflexión
sobre el área de la rendija.
La Figura 5 muestra esquemáticamente una vista en perspectiva de una agrupación de elemento de ranura en un casco o fuselaje. Esto no es parte de la invención.
La Figura 6 muestra esquemáticamente una vista en perspectiva de una agrupación de elemento de ranura con un recubrimiento resistivo de las ranuras de borde. Esto no es parte de la invención.
La Figura 7 muestra esquemáticamente una sección transversal de la estructura de antena de acuerdo con la invención que incluye el diagrama de la variación de la conductividad de superficie con la posición a lo largo de una sección transversal de la antena. Esto no es parte de la invención.
La Figura 8 muestra esquemáticamente una vista en perspectiva de una cavidad. Esto no es parte de la invención.
La Figura 9 muestra esquemáticamente una vista en perspectiva de una cavidad con un relleno de ranura integrado de material dieléctrico. El relleno de ranura de material dieléctrico se llamará a partir de ahora tapón. Esto no es parte de la invención.
La Figura 10 muestra esquemáticamente una vista en perspectiva de cavidades y tapones para una antena de agrupación de ranura. Esto no es parte de la invención.
La Figura 11 muestra esquemáticamente una vista superior de la agrupación de elemento de ranura. Esto no es parte de la invención.
La Figura 12 muestra esquemáticamente una vista en perspectiva de una antena de agrupación de dipolo.
La Figura 13 muestra esquemáticamente una vista en perspectiva de una antena de agrupación de dipolo de acuerdo con la invención con una transición revestida de manera resistiva alrededor de una antena de agrupación de dipolo.
La Figura 14 muestra esquemáticamente una sección transversal de una realización de dipolo/parche de la invención.
La Figura 15 muestra esquemáticamente diferentes configuraciones de estructura reticular.
La Figura 16 muestra esquemáticamente una sección transversal de una antena de acuerdo con la invención con amortiguadores de masa.
La Figura 17 muestra esquemáticamente una sección transversal de una realización de la invención con dos capas de sustratos dieléctricos con radiadores.
Descripción detallada
La invención a continuación se describirá en detalle en referencia a los dibujos.
Las Figuras 1-4 ya se han descrito en relación con la técnica anterior antes mencionada.
Los ejemplos que usan elementos de ranura descritos a continuación y los ilustrados en las Figuras 5-11 no son parte de la invención, pero se incluyen con fines informativos.
La Figura 5 muestra una vista en perspectiva de una agrupación 503 de elemento de ranura que es parte de un casco o fuselaje 501 o una escotilla en el casco o fuselaje, funcionando también el casco o fuselaje como un plano de tierra alrededor de los radiadores. Las ranuras 505 se han hecho directamente en el casco o fuselaje por ejemplo mediante fresado. La agrupación consiste en un número de ranuras dispuestas en filas 507 de ranura horizontal y columnas 509 de ranura vertical, conformando una llamada estructura reticular rectangular. Cada ranura tiene las mismas dimensiones y el tamaño de ranura se dimensiona de manera que una frecuencia adecuada se obtiene de acuerdo con normas bien conocidas por un experto en la materia. La longitud normal de una ranura es la mitad de una longitud de onda, λ/2. Un símbolo 511 de coordenadas define los ejes x, y, y z en la Figura 5.
Las ranuras en la fila 507 de ranuras están en paralelo y un borde 513 superior de cada ranura tiene el mismo valor de coordenada y. La distancia entre las ranuras cercanas es constante, así como la distancia entre las filas de ranuras cercanas.
Las ranuras en la columna 509 de ranuras tienen los mismos valores de coordenada x.
En lugar de hacer que las ranuras estén directamente en el casco o fuselaje, una rendija puede realizarse en el casco o fuselaje y una placa con la configuración de ranuras descrita anteriormente y con las dimensiones de la rendija se inserta en la rendija y se monta de manera que la superficie de la placa esté alineada con la superficie del casco o fuselaje. La superficie del casco o fuselaje puede ser plana o curvada lo que significa que la placa se
moldea para amoldarse a la superficie del casco o fuselaje sin dejar discontinuidades excepto por las ranuras. La placa puede fabricarse de metal o de un compuesto reforzado con carbono o cualquier otro material conductivo mecánicamente fuerte.
Las ranuras pueden rellenarse con material dieléctrico mecánicamente fuerte para restaurar la resistencia que se reduce cuando se realizan ranuras o se perfora.
Tal como conoce bien un experto en la materia no existirá contribución RCS en la polarización cruzada hasta frecuencias donde la longitud de onda es igual a dos anchuras de ranura. Ya que la anchura de la ranura puede ser bastante estrecha, unas buenas propiedades RCS en ondas de polarización cruzada se obtienen para altas frecuencias, por ejemplo, muy por encima de la primera resonancia de ranura. Con una achura de ranura de 3 mm esto se corresponde con una frecuencia de 50 GHz por debajo de la que no existirán contribuciones RCS. Ya que las frecuencias de radar operativas son 1-40 GHz, normalmente 8-12 GHz (la llamada banda X) proporcionando una longitud de onda de aproximadamente 3 cm, no habrá RCS en la banda de frecuencia operativa con una anchura de ranura de 3 mm.
La longitud de la ranura debería ser aproximadamente λ/2, es decir, una longitud de ranura típica para una antena de 10 GHz es 1,5 cm.
Tal como conocen bien los expertos en la materia, puede obtenerse una RCS extremadamente baja para ondas copolarizadas desde 0 Hz hasta la frecuencia de desconexión de la ranura, lo que a su vez está ligeramente por debajo de la frecuencia funcional más inferior de la agrupación.
Para reducir la contribución de la dispersión de borde a la RCS para ondas incidentes en frecuencias por encima de la desconexión de ranura, pero por debajo de la frecuencia sobre la que ocurren lóbulos de rejilla, las ranuras rellenadas con material dieléctrico alrededor del borde de una agrupación 601 de elemento de ranura en la Figura 6 se cubren con una fina lámina 605 resistiva con forma de ranura de 0,00001-1 mm. La parte inferior del intervalo es típica cuando se usa una técnica de deposición de vapor metálico para conseguir la lámina, y la parte superior del intervalo puede ser típica cuando se usa una pasta semiconductiva. La Figura 6 muestra la agrupación de elemento de ranura con 10 columnas y 6 filas, es decir, en total 60 ranuras en una estructura reticular rectangular. El símbolo 607 de coordenadas define los ejes x, y, y z en la Figura 6. Las ranuras se definen de acuerdo con las coordenadas x/y donde x es la columna e y es la fila. La ranura 606 se indica de esta manera como 8/3. Las ranuras cubiertas con una fina película resistiva se marcan en negro. La ranura 606 no se cubre de esta manera con una lámina. Esto significa que todas las ranuras en las filas 602 y 608 de ranuras y en las columnas 603 y 604 de ranuras se cubren con este fino recubrimiento resistivo. Estas ranuras forman un primer anillo de ranuras cubiertas con láminas que también se definen como ranuras 1/1-10/1, 1/6-10/6, 1/2-1/5 y 10/2-10/5. Un segundo anillo de ranuras cubiertas con láminas consiste en ranuras 2/2-9/2, 2/5-9/5, 2/3-2/4 y 9/3-9/4. Las láminas más cercanas al casco o fuselaje tendrán una baja resistividad, mientras que las láminas más cerca del centro de la antena tendrán una resistividad mayor. Esto significa que las ranuras en el segundo anillo tienen una resistividad mayor que las ranuras en el primer anillo. Las ranuras en el área de la antena central, o la parte activa de la antena, no deberían cubrirse con láminas resistivas. La Figura 6 muestra un ejemplo donde la región de transición, es decir, la región entre el área de casco o fuselaje con un alto coeficiente de reflexión y el área de la antena con un bajo coeficiente de reflexión, tiene dos anillos de ranuras cubiertas con láminas resistivas. Esto significa que en la región de transición cada radiador, en este caso una ranura, tiene una lámina resistiva correspondiente. Por supuesto, es posible dentro del alcance de la invención tener regiones de transición que comprendan 1, 3, 4 anillos de ranuras o más cubiertas con láminas resistivas.
La región de transición logra que las propiedades de superficie, tal como el coeficiente de reflexión, cambien gradualmente desde el casco o fuselaje, sobre la región de transición con ranuras hasta el área de la antena central. Como consecuencia, la retrodispersión y por tanto la RCS se reducirán. Otra manera de verlo es que la invención proporciona un ajuste ahusado en el coeficiente de reflexión sobre un intervalo de frecuencia amplio.
La Figura 7 muestra en sección transversal una agrupación 701 ranurada con ranuras realizadas directamente en el casco o fuselaje 702. Cada ranura 703 se llena con un material dieléctrico y cada ranura se conecta directamente con una cavidad 705 rellenada con material dieléctrico. Cada cavidad se encierra en una caja metálica con un fondo 716 y paredes 715 laterales. Puede existir un orificio para la inserción de una sonda de alimentación RF en el fondo 706 de cada cavidad. Sin embargo, la energía RF puede suministrarse en la cavidad de muchas otras maneras como conocen los expertos en la materia. La cavidad 705 se describe en más detalle en la Figura 8 a continuación. El relleno dieléctrico de la cavidad y la ranura puede ser el mismo pero el relleno de la ranura tiene ventajosamente un módulo de elasticidad similar al del casco o fuselaje. Las láminas 707-712 resistivas cubren las ranuras más cerca del casco o fuselaje. La región de transición puede comprender de esta manera tres anillos de radiadores. La región de transición se ilustra en la Figura 11. La resistividad es baja en las láminas 707 y 712 exteriores, mayor para las láminas 708 y 711 y más mayor para las láminas 709 y 710 creando así el ajuste ahusado del coeficiente de reflexión.
La variación de la conductividad de superficie a lo largo de la superficie de la agrupación de antenas se muestra en el diagrama de la Figura 7. Un eje 713 X representa la posición de cada elemento n de antena y un eje 714 y es la
conductividad de superficie de ranura σs. Por consiguiente, el coeficiente de reflexión es alto en el área del casco o fuselaje ya que el casco o fuselaje es un buen reflector cuando el casco o fuselaje se fabrica de un material tal como metal o como un compuesto reforzado con carbono y el coeficiente de reflexión es Γ = 1. En el área de antena central el coeficiente de reflexión de la célula de unidad Γ es bajo y en la región de transición, es decir, la región con las ranuras cubiertas con láminas, el coeficiente de reflexión se reduce gradualmente hacia el centro de la antena.
Para minimizar la RCS es una ventaja que los radiadores con láminas resistivas correspondientes que cubren los radiadores estén dispuestos en sustancialmente el mismo plano que la superficie exterior circundante del casco o fuselaje, siendo la única diferencia el espesor de las láminas resistivas y posiblemente también el espesor de un revestimiento protector medioambiental que cubre el área de antena y se superpone también a parte del área del casco o fuselaje. En referencia a la Figura 2, esta se corresponde con la situación cuando la distancia 204 se vuelve cero. La región de transición comprenderá en este caso secciones 205 y 207.
La Figura 8 es una vista en perspectiva de una cavidad 801. La cavidad comprende paredes 802, 803, 804 y 805 conductivas en cada lado de una ranura, que se extienden sustancialmente en perpendicular al casco o fuselaje y hacia dentro y tienen un contacto galvánico o capacitivo con el casco o fuselaje. Una pared 806, la parte inferior, conecta los extremos libres de las paredes 802-805 y conecta de manera galvánica estas paredes. La cavidad es de esta manera una caja abierta en la parte 807 superior y montada con la abertura hacia el casco o fuselaje. La sujeción al casco o fuselaje puede realizarse mediante cualquier procedimiento convencional siempre y cuando se asegure un contacto galvánico entre el casco o fuselaje y las paredes 802-805. La alimentación RF se logra con una sonda 808 insertada en la cavidad a través de un orificio 809. La sonda puede ser de cualquier tipo convencional bien conocido por un experto en la materia.
La Figura 9 muestra en una vista en perspectiva una cavidad 901 fabricada de un material dieléctrico y un tapón 902 también fabricado de material dieléctrico. Todas las superficies 903-908 son metalizadas, así como las superficies 909 orientadas hacia los lados del tapón 902 dieléctrico con forma de ranura. La única superficie no metalizada es una superficie 910 y una parte correspondiente de la superficie 908. La pieza completa, que comprende la cavidad y el tapón puede montarse en el casco o fuselaje ranurado mediante la inserción del tapón en la ranura. A través de por ejemplo la superficie 907 inferior existirá un orificio para insertar la sonda de alimentación RF, que no se muestra en la figura. El material dieléctrico para la cavidad 901 y el tapón 902 puede ser del mismo o de diferente tipo con constantes dieléctricas diferentes. Una posible adicional es que el material dieléctrico en la cavidad y el relleno consista en varias capas de material dieléctrico teniendo cada uno una constante dieléctrica diferente para optimizar el rendimiento de la antena. Como alternativa, en lugar de metalizar las superficies 903-907 laterales la pieza 901 dieléctrica puede colocarse en una caja metálica tal como se describe en relación con la Figura 8 anterior.
La Figura 10 muestra una vista en perspectiva de cómo conseguir una antena de agrupación de ranuras a partir de tipos estándar de materiales de Tarjeta de Circuito Impreso (PCB). Las constantes dieléctricas para la PCB deberían estar preferentemente por debajo de 4, pero también pueden considerarse valores mayores. La superficie superior de la PCB está fresada de manera que permanecen un número de elementos dieléctricos con forma de ranura o tapones 1001. Existen canales 1011 chapados, verticales y pasantes, que juntos actúan como paredes de separación eléctricamente entre las cavidades. El número de canales chapados pasantes debe adaptarse a la frecuencia operativa y elegirse de manera que se obtenga un confinamiento suficiente para el campo electromagnético en la cavidad. Todas las superficies 1005 y 1008 laterales se metalizan, así como una superficie 1009 inferior, una superficie 1010 superior y las superficies orientadas hacia los lados del tapón 1001 dieléctrico con forma de ranura. La única superficie no metalizada es la superficie 1002 superior del tapón dieléctrico con forma de ranura y una parte correspondiente de la superficie 1010. Los enchapados pasantes metalizados crean una estructura reticular rectangular de “islas” dieléctricas cada una con un tapón dieléctrico con forma de ranura. Cada “isla” tiene lados metalizados, mediante los canales chapados pasantes, superficies inferiores y superiores, así como una superficie de envoltura metalizada del tapón 1001 con forma de ranura. Cada “isla” tiene un orificio, por ejemplo, en la superficie inferior para insertar la sonda de alimentación RF (que no se muestra en la figura) tal como se describió en relación con la Figura 8. La unidad 1000 dieléctrica completa puede conectarse a una estructura reticular de ranuras en un casco o fuselaje que tiene el patrón correspondiente como los elementos con forma de ranura de la unidad dieléctrica. La forma de la unidad dieléctrica puede ser plana o curva para encajar en un montaje alineado hacia el casco o fuselaje.
La Figura 11 es una vista superior que muestra el casco o fuselaje 1101 con un área 1103 de antena, ranuras 1105, cavidades 1107, una región 1109 de transición entre límites 1113 y 1114 y un área 1112 de antena central, dentro del límite 1114. Las ranuras por ejemplo 1105, en la región de transición se cubren con láminas resistivas, marcadas en negro, mientras que las ranuras, por ejemplo, 1111 en el área central de la antena no se cubren. Las cavidades en esta realización pueden ser cajas separadas de material conductivo tal como metal montado en el casco o fuselaje o una disposición de acuerdo con la Figura 10.
Es perfectamente posible conseguir los ejemplos antes descritos en un casco o fuselaje curvado. En cualquier caso, las cavidades pueden ensamblarse posteriormente, en un casco o fuselaje con ranuras existente, o ensamblarse en una placa que posteriormente encaje en el casco o fuselaje.
Las cavidades reciben alimentación RF mediante disposiciones estándar, bien conocidas para el experto en la materia, por ejemplo, mediante sondas que sobresalen desde abajo.
Un elemento de ranuras se define como una ranura llena con un material dieléctrico y directamente unida a la cavidad 1107, posiblemente llenada con un material dieléctrico e incluyendo una disposición de alimentación RF, por ejemplo, de acuerdo con la Figura 8. El elemento de ranuras puede cubrirse con una película resistiva o no cubrirse.
En una realización, el material dieléctrico en la ranura y la cavidad es el mismo y puede fabricarse de una pieza. Si existen diferentes materiales dieléctricos en la ranura y la cavidad, los dos elementos dieléctricos pueden fabricarse en un procedimiento de moldeo de dos etapas o unirse mediante cualquier procedimiento convencional.
Una parte de, o todo, el material dieléctrico de la cavidad puede ser aire.
Solo los elementos en la región de transición se tratan con las láminas resistivas. Si existe la necesidad de transmitir a alta potencia debería considerarse que los elementos en la región de transición son inactivos, los llamados elementos simulados. Eso significa que las cavidades que pertenecen a estas ranuras no reciben alimentación RF.
Si el casco o fuselaje se fabrica de un compuesto reforzado con carbono no es necesario mejorar la conductividad de las paredes de ranuras mediante inserciones, enchapado u otros procedimientos estándar. Una alternativa se ha descrito en las Figuras 9 y 10 donde las superficies de orientación lateral del tapón dieléctrico con forma de ranura se han metalizado. La invención se describirá ahora en referencia a las Figuras 12-17.
La invención se aplica a agrupaciones de antena basadas en un sustrato o sustratos dieléctricos, con una superficie superior y una superficie inferior y radiadores finos. Los radiadores pueden fabricarse de metal o cualquier otro material altamente conductivo. La Figura 12 muestra un ejemplo de un sustrato dieléctrico de una capa con radiadores en la superficie superior. La superficie inferior está o bien chapada en metal o montada en un plano de tierra de antena separada que está en contacto eléctrico con el casco o fuselaje. La superficie superior del sustrato dieléctrico está conforme a la superficie del casco o fuselaje. La alimentación RF al radiador puede lograrse mediante alambres o microtiras en contacto galvánico con los radiadores o a través de acoplamiento electromagnético con una rendija RF. El principio de alimentación puede ser de tipo equilibrado o desequilibrado y los radiadores pueden ser, por ejemplo, dipolos, dipolos cruzados, parches, parches fragmentados tal como conoce bien un experto en la materia. Una antena 1200 de agrupación de dipolo de la Figura 12 comprende un sustrato 1201 dieléctrico y radiadores 1202 finos dispuestos en una estructura reticular rectangular en la superficie superior del sustrato dieléctrico. La superficie inferior del sustrato dieléctrico está o bien chapada en metal o montada en un plano 1203 de tierra de antena separada fabricado de un material conductivo de alta resistencia mecánica tal como metal o un compuesto reforzado con carbono.
La Figura 13 muestra una realización de una antena 1300 de agrupación con radiadores 1302 finos en un sustrato 1301 dieléctrico sobre un plano 1308 de tierra de antena separada que está en contacto eléctrico con el casco o fuselaje. Los radiadores de borde en un primer “anillo” 1303 están rodeados por cuatro tiras finas de láminas 1306 resistivas que tienen una baja resistividad. Las cuatro tiras finas de láminas 1306 resistivas tienen orificios para los radiadores 1302. Los radiadores de borde en un segundo “anillo” 1304 también están rodeados por un segundo conjunto de cuatro tiras finas de láminas 1307 resistivas, pero con una mayor resistividad. Los radiadores en el área de antena central, como "1305, no están rodeados por ninguna tira de lámina resistiva. Esta solución proporcionará un ajuste ahusado del coeficiente de reflexión sobre un intervalo de frecuencia amplia permitiendo así una baja RCS. La región de transición para esta realización comprende el área de los dos “anillos”, cubierta mediante tiras finas de láminas 1306 y 1307 resistivas, y el área de antena central está dentro de estos dos “anillos”. Dentro de la región de transición cada radiador está rodeado de esta manera mediante una fina lámina resistiva correspondiente.
Para minimizar la RCS es importante que los radiadores con las láminas resistivas correspondientes que rodean cada radiador estén dispuestos sustancialmente en el mismo plano que el casco o fuselaje circundante, siendo solo la diferencia los espesores de los radiadores y las láminas resistivas y posiblemente también el espesor de un revestimiento protector medioambiental que cubre el área de antena y se superpone también a parte del área de casco o fuselaje.
La Figura 14 muestra una sección transversal de una antena de agrupación de acuerdo con la invención conseguida con un sustrato 1405 dieléctrico con radiadores 1404 finos que están esencialmente a la misma altura que el casco o fuselaje 1401 circundante. El sustrato dieléctrico con un plano 1408 de tierra de antena separada se monta en una rendija en el casco o fuselaje y se alinea montado en el casco o fuselaje tal como se describe para la agrupación de elemento de ranura anterior. Los radiadores exteriores se rodean mediante finas tiras de láminas 1402 y 1403 resistivas tal como se describe en relación con la Figura 13.
La variación de la conductividad de superficie a lo largo de la superficie de la agrupación de antenas se muestra en el diagrama en la Figura 14 donde un eje 1406 vertical representa la conductividad de superficie σs y un eje 1407 horizontal representa la posición de cada elemento n de antena. Por consiguiente, el coeficiente de reflexión es alto en el área de casco o fuselaje ya que el casco o fuselaje es un buen reflector cuando el casco o fuselaje se fabrica de materiales tales como metal o compuesto reforzado con carbono. En la parte intermedia de la antena el coeficiente de reflexión Γ es bajo y en la región de transición, es decir, la región con las tiras de láminas 1402 y 1403
resistivas, el coeficiente de reflexión Γ de las células de unidad se reduce gradualmente hacia el área de la antena central.
Los radiadores se conectan usando alimentadores estándar, por ejemplo, ranuras o sondas. Si se usan materiales PCB de tipo estándar como los sustratos dieléctricos los radiadores pueden estar dispuestos en la capa exterior de la PCB y las líneas de suministro pueden estar en la segunda capa por debajo de la capa exterior.
El sustrato dieléctrico se monta ventajosamente en una placa metálica u otro material conductor que pueda proporcionar un diseño mecánico fuerte y al mismo tiempo funcione como un plano de tierra de antena separada. En lugar de la placa de metal como el plano de tierra de antena separada, el plano de tierra puede ser una capa en una PCB o una fina capa conductiva en la superficie inferior del sustrato dieléctrico.
El sustrato dieléctrico y el plano de tierra de antena separada pueden ser planos o curvados para conformarse al casco o fuselaje circundante.
La Figura 15a-d muestra radiadores 1501 dispuestos en configuraciones de estructura reticular diferentes, tal como, por ejemplo, cuadrática 1503, rectangular 1504, hexagonal 1505 y sesgada 1506, que pueden usarse para la invención. La estructura reticular hexagonal también es un tipo sesgado de estructura reticular. Los radiadores pueden ser ranuras, ranuras transversales, orificios circulares o rectangulares, dipolos, parches, etc. La distancia entre elementos debería ser aproximadamente λmín/2 donde λmín es la longitud de onda mínima dentro del intervalo de frecuencia operativo de la antena.
Los patrones de reflectividad repetidos regularmente en una antena de agrupación provocarán lóbulos de rejilla. Esto no es aconsejable ya que incrementará la RCS como se ha analizado antes. Si la distancia entre elementos en la estructura reticular se vuelve mayor de λamenaza-mín/2, donde λamenaza-mín es la longitud de onda más corta expedida por un sistema de radar amenazante, los lóbulos de rejilla RCS se volverán. Esto es por tanto aconsejable para mantener una separación 1502 de elementos por debajo de λamenaza-mín/2. Al usar una estructura reticular hexagonal o sesgada tal como se muestra en la Figura 15c y 15d, el inicio o aparición de lóbulos de rejilla RCS se mueven a mayores frecuencias que en el caso de una estructura reticular rectangular o cuadrática.
Como se ha mencionado antes, algunos o todos los radiadores en la región de transición, es decir, radiadores cubiertos o rodeados por una fina capa resistiva, pueden ser preferentemente elementos simulados si existe la necesidad de transmitir a alta potencia. Un elemento simulado termina ventajosamente con una impedancia que imita la impedancia de lo que los elementos de radiación activos ven hacia abajo, todo para eliminar las discontinuidades eléctricas que conducen a la retrodispersión.
La solución con un sustrato dieléctrico y radiadores finos es más eficaz para la incidencia TE, pero no para la incidencia TM. Una solución a este problema es introducir amortiguadores de masa o tarjetas resistivas orientadas verticalmente o sustancialmente verticalmente. Otro problema que puede solucionarse mediante el uso de amortiguadores de masa o tarjetas resistivas orientadas verticalmente es la propagación de onda de superficie dentro de los sustratos de antena. Una onda de superficie polarizada TM se atenuará, después de convertirse a una onda similar a TEM entre las finas tiras de láminas 1306, 1307, 1402, 1403, 1602 y 1703 resistivas y el plano de tierra bajo sustrato dieléctrico, mediante los amortiguadores de masa o tarjetas resistivas orientadas verticalmente. La Figura 16 es una sección transversal de una sección terminal de una realización de un sustrato dieléctrico de la invención con un casco o fuselaje 1601, un sustrato 1606 dieléctrico, un plano 1605 de tierra de antena separada en contacto eléctrico con el casco o fuselaje circundante, una lámina 1602 resistiva, con una resistividad que se incrementa hacia el centro y radiadores 1603, donde las propiedades de un amortiguador 1604 de masa o tarjetas resistivas orientadas verticalmente, cambia desde absorción en los bordes a un material dieléctrico de pérdida baja en el área 1112 de antena central cuando los amortiguadores de masa o tarjetas resistivas orientadas verticalmente se implementan como se muestra en la Figura 16. Un amortiguador de masa o tarjeta resistiva orientada verticalmente sustituye de esta manera al sustrato dieléctrico bajo una parte de la región de transición. Un amortiguador de masa es normalmente un material dieléctrico con propiedades de amortiguación RF tal como conoce un experto en la materia. Un revestimiento 1607 protector medioambiental puede cubrir la estructura de antena y superponerse a parte del área de casco o fuselaje. La superficie superior del revestimiento protector y medioambiental está alineada con la superficie del casco o fuselaje o sobresale de la superficie del casco o fuselaje con el espesor del revestimiento protector medioambiental.
Si la estructura de antena, cuya sección terminal se muestra en la Figura 17 con un casco o fuselaje 1701 y un plano 1705 de tierra de antena separada, tiene sus radiadores 1702 distribuidos en más de un plano, la invención permite que las tiras de láminas 1703 resistivas se introduzcan en la capa del radiador superior. Los radiadores y las láminas resistivas correspondientes en la capa superior están dispuestos en sustancialmente el mismo plano que el casco o fuselaje circundante. En esta realización, la estructura de antena comprende dos sustratos 1706 y 1707 dieléctricos apilados, cada uno con radiadores, donde los sustratos dieléctricos se han sustituido por amortiguadores 1708 y 1709 de masa en las secciones terminales bajo una parte de la región de transición. Un revestimiento 1710 protector medioambiental puede cubrir la estructura de antena de la misma manera que se ha descrito en relación con la Figura 16.
La forma del sustrato dieléctrico y el plano de tierra de antena separada pueden ser plana o curvada para conformarse al casco o fuselaje circundante.
En una realización de la invención la antena de agrupación se integra en una escotilla del casco o fuselaje. Cuando se integra la antena en la escotilla, la consideración del diseño mecánico debe realizarse en referencia de hasta qué 5 punto la escotilla debería poder aceptar una carga.
En las Figuras 16 y 17 los radiadores y las láminas resistivas, por motivos de claridad, se han ilustrado con el mismo espesor. Esto puede variar, sin embargo, y normalmente las láminas resistivas son más finas pero lo opuesto también puede ser verdad.
Dependiendo de las propiedades de superficie del tapón dieléctrico, los sustratos dieléctricos o los radiadores 10 metálicos, puede ser necesario cubrir el área 1103 de antena con un fino revestimiento de protección medioambiental.

Claims (14)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Una estructura de antena integrada en un casco o fuselaje (1401, 1601, 1701), en el que la estructura de antena comprende una antena (1200, 1300), de agrupación, comprendiendo la antena de agrupación un número de elementos de antena, comprendiendo cada elemento de antena un radiador (1202, 1302, 1404, 1501, 1603, 1702) y una alimentación RF, estando dispuestos los elementos de antena en una estructura (1503-1506) reticular dentro de un área (1103) de antena que comprende un área de antena central y una región de transición fuera del área de antena central con láminas (1306, 1307, 1402, 1403, 1602, 1703) resistivas dispuestas para tener una alta conductividad en la región de transición cerca del casco o fuselaje (1401, 1601, 1701) y una conductividad que disminuye en la dirección hacia el área de antena central, proporcionando así un ajuste ahusado en el coeficiente de reflexión sobre un intervalo de frecuencia amplio, caracterizada porque un número de los radiadores de antena así como las láminas (1306, 1307, 1402, 1403, 1602, 1703) resistivas están dispuestas en sustancialmente el mismo plano que una superficie exterior circundante del casco o fuselaje (1401, 1601, 1701) y porque los radiadores de antena son elementos conductivos rodeados, en la región de transición, por las láminas (1306, 1307, 1402, 1403, 1602, 1703) resistivas.
  2. 2.
    Una estructura de antena de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque los radiadores (1202, 1302, 1404, 1501,1603, 1702) de antena están rodeados por tiras de láminas (1306, 1307, 1602, 1703) resistivas en la región de transición y montadas en un sustrato (1201, 1301, 1405, 1606, 1706, 1707) dieléctrico que tiene una superficie superior que se conforma a la superficie exterior del casco o fuselaje (1401,1601,1701) y una superficie inferior en la que se aplica un plano (1203, 1308, 1408, 1605, 1705) de tierra de antena separada.
  3. 3.
    Una estructura de antena de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque:
    •
    los radiadores (1202, 1302, 1404, 1501, 1603, 1702) de antena son elementos conductivos montados en al menos dos capas de sustratos (1201, 1301, 1405, 1606, 1706, 1707) dieléctricos que tienen una capa superior con una superficie superior y una capa inferior con una superficie inferior en la que se aplica un plano (1203, 1308, 1408, 1605, 1705) de tierra de antena separada
    •
    la superficie superior se conforma a la superficie exterior del casco o fuselaje (1401, 1601, 1701)
    •
    los radiadores de antena en la capa superior y dentro de la región de transición están rodeados por las tiras de láminas (1306, 1307, 1602, 1703) resistivas.
  4. 4.
    Una estructura de antena de acuerdo con la reivindicación 2 o 3, caracterizada porque el plano (1203, 1308, 1408, 1605, 1705) de tierra de antena separada se fabrica de un material conductivo de alta resistencia mecánica tal como metal o un compuesto reforzado con carbono.
  5. 5.
    Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2-4, caracterizada porque los radiadores de antena en la región de transición se rodean mediante un anillo (1303, 1304) de las tiras de láminas (1306, 1307, 1602, 1703) resistivas.
  6. 6.
    Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2-4, caracterizada porque la región de transición comprende al menos dos anillos (1303, 1304) de radiadores de antena, estando rodeados los radiadores por las tiras de láminas (1306, 1307, 1602, 1703) resistivas, estando el primer anillo más cerca del casco
    o fuselaje (1401, 1601, 1701) que tiene las tiras de láminas resistivas con una baja resistencia y los siguientes anillos con tiras de láminas resistivas con una resistencia que se vuelve mayor cuanto más cerca está el anillo del área de antena central.
  7. 7.
    Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2-6, caracterizada porque el sustrato (1201, 1301, 1405, 1606, 1706, 1707) dieléctrico bajo una parte de la región de transición se sustituye por amortiguadores (1604, 1708, 1709) de masa o tarjetas resistivas orientadas verticalmente.
  8. 8.
    Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2-7, caracterizada porque los radiadores (1202, 1302, 1501, 1404, 1603, 1702) se fabrican de metal.
  9. 9.
    Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2-8, caracterizada porque el sustrato dieléctrico o el plano de tierra de antena separada, o tanto el sustrato dieléctrico como el plano de tierra de antena separada, se fabrican de materiales de alta resistencia mecánica.
  10. 10.
    Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el casco o fuselaje (1401, 1601, 1701) tiene una superficie curvada.
  11. 11.
    Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque al menos uno de los radiadores de antena en la región de transición está inactivo.
  12. 12.
    Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el área de antena se cubre con un revestimiento (1607, 1710) de protección medioambiental fino.
  13. 13.
    Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el casco o fuselaje (1401, 1601, 1701) es la superficie exterior de una aeronave, proyectil de artillería, misil o embarcación.
  14. 14.
    Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la antena se integra en la escotilla que cubre una abertura en el casco o fuselaje.
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