ES2672338B2 - Dispositivo de cruce de microondas - Google Patents

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Abstract

Dispositivo de cruce de microondas.#En este documento se describe un dispositivo de cruce de microondas que permite que dos señales de microondas se crucen de forma relativa sin que exista, de manera ideal o teórica, un intercambio de potencia o acoplamiento cruzado. El dispositivo objeto de la invención descrita en este documento presenta al menos dos posibles realizaciones basadas en el mismo concepto inventivo, una de ellas presenta cuatro puertos con entradas y salidas en guía rectangular que permite el cruce de dos señales de microondas con un mínimo de interferencia; mientras que la otra presenta cuatro puertos con entradas y salidas en guía de onda doble caballón (doble-ridge) que permite el cruce de dos señales (canales) de microondas con un mínimo de interferencia.

Description

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DISPOSITIVO DE CRUCE DE MICROONDAS
DESCRIPCION
OBJETO DE LA INVENCION
El objeto de la invencion se enmarca en el campo tecnico de las telecomunicaciones.
Mas concretamente, el objeto de la invencion va dirigido a su empleo como elemento de una red de conformado de haz compacta, que facilite el cruce de unos canales con otros a lo largo de la red de distribucion. De hecho, el objeto de la invencion aqul descrita tiene especial utilidad en aplicaciones relacionadas con los satelites de telecomunicaciones que emplean antenas de multiples haces; cuyos elementos radiantes estan intercalados y requieren redes de alimentacion con dispositivos de cruce de microondas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Un dispositivo de cruce de microondas (crossover, en ingles) es un tipo especial de dispositivo que permite que dos senales de microondas se crucen de forma relativa sin que exista (idealmente) un intercambio de potencia (sin cross-coupling o acoplamiento cruzado). Este tipo de dispositivo es necesario cuando se disenan componentes de microondas muy compactos, donde el espacio es limitado, y donde las estructuras estan forzadas por restricciones de ubicacion.
Esta configuration permite un incremento considerable de la capacidad del sistema con respecto a la cobertura contorneada, implementando un esquema de reutilizacion de frecuencias en diferentes haces puntuales. Dicho funcionamiento requiere la radiation de multiples haces independientes que se deben generar en el plano focal del reflector del satelite. Con el fin de generar todos estos haces, se deben implementar redes avanzadas y compactas de formation de haces, de modo que todas las antenas de alimentacion se alimenten correctamente con una estructura compacta y de bajo peso.
Una red de conformado de haz puede definirse de forma general como una red capaz de generar la distribucion de amplitud y de fase de radiofrecuencia (RF) necesarias
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para la excitacion de cada elemento en una agrupacion de antenas. Por ejemplo, la agrupacion de antenas puede estar alimentada por una matriz de Butler, en la que los dispositivos de cruce de microondas son elementos clave para que todos los elementos radiantes esten en el mismo plano flsico. En esta aplicacion, el haz de la antena se dirige en una direccion especlfica del espacio dependiendo del puerto de entrada.
En la literatura tecnica de circuitos planares se pueden encontrar muchas soluciones para dispositivos crossover. La estrategia mas comun en los circuitos planares se basa en el uso de algun tipo de circuito en forma de anillo (ver por ejemplo referencias en documentos tales como:
• "A novel compact planar crossover with simple design procedure", Liu Xin, Yu Cuiping, Liu Yuanan, Li Shulan, Wu Fan, Su Ming, Proceedings of 2010 Asia- Pacific Microwave Conference, pp. 1633-1636
• "Development Of Finite Ground Coplanar (FGC) Waveguide 90 Degree Crossover Junctions With Low Coupling", George E. Ponchak, Emmanouil Tentzeris, 2000 IEEE MTT-S Digest, pp. 1891-1894.
• "A planar balanced crossover", Yi-Hsin Pang, Everett D. Lin, Yen-Yin Chen, IEEE Transactions on Microwave Theory And Techniques, vol. 64, no. 6, pp. 1812-1821, June 2016.
• "Compact single-/dual-band planar crossovers based on strong coupled lines", Wenjie Feng, Tianyu Zhang, Wenquan Che, Quan Xue, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 6, no. 6, pp. 854863, June 2016.
La mayorla de crossovers planares, sin embargo, presentan una banda de operacion estrecha, y tambien presentan altas perdidas de insercion. Esto los hace inadecuados en la practica para aplicaciones espaciales (banda Ku y superiores). Por otra parte, la tecnologla en gula de onda, que es la elegida para la invencion descrita en este documento, presenta un buen comportamiento en alta potencia y, por consiguiente, es la opcion mas ampliamente utilizada para las redes de salida de los satelites de comunicaciones.
Una alternativa intermedia que combina las ventajas de la tecnologla planar con la de gula de onda es la tecnologla de gula de onda integrada en sustrato (SIW). En la literatura tecnica se puede encontrar un numero limitado de contribuciones con
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crossovers en tecnologla SIW, tal y como se desprende de:
• "Ultra-compact millimeter-wave substrate integrated waveguide crossover structure utilizing simultaneous electric and magnetic coupling", Ajay Babu Guntupalli, Tarek Djerafi, Ke Wu, 2012 MTT-S Digest, 2012, pp. 1-3.
• “60 GHz substrate integrated waveguide crossover structure", Tarek Djerafi, Ke Wu, Proceedings of the 39th European Microwave Conference, pp. 1014-1017, 2009.
y todas ellas utilizan pares de acopladores direccionales.
En "Low loss waveguide four-port crossover circuit and its feed application for crossslot antenna", K. Chang, M. Li, K. A. Hummer, R. A. Speciale, Electronics Letters, vol. 27, no. 11, pp. 997-998, 23/5/1991 se propone un crossover en gula de onda basado en una gula de ondas circular, el cual se ocupa solamente de la alimentacion de un unico elemento radiante de ranura transversal.
A dla de hoy se conocen filtros de microondas que producen un cruce de gula de onda en este sentido. Se conoce el contenido del documento EP0315064 A2, el cual hace referencia a un crossover para la construction de una matriz de Butler que comprende una estructura de gula de onda rectangular dividida por una pared que se extiende a lo largo del eje central y la divide en dos gulas de onda rectangulares y coplanares; donde la pared central dispone de sendas aperturas de longitud la mitad de la longitud de onda de la gula y separadas aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la gula. Dicho dispositivo dispone, ademas, de estructuras de acoplo de impedancias localizadas en las paredes laterales en posiciones enfrentadas a las aperturas de la pared central, es decir, se compone de dos acopladores introduciendo cada uno un desfase de 90°. En estas condiciones se produce un crossover de una gula de onda a la adyacente.
El documento US5274839 A divulga un acoplador 0-dB obtenido mediante un par de canales de gulas de onda rectangulares paralelos cuyas terminaciones definen dos puertos de entrada y dos de salida. Entre ambos canales se extienden cinco ramas de gula onda de longitud la cuarta parte de la longitud de onda de la gula (figuras 5, 6; y 11; columna 8, llneas 9-68).
EI documento "Generalized Multiport Waveguide Switches Based on Multiple Short- Circuit Loads in Power-Divider Junctions" de Ruiz-Cruz et al. presenta conmutadores
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de gula de onda multipuertos basados en cargas de cortocircuito integradas en gulas de onda rectangulares tipo ridge cruzadas. La conmutacion se consigue con cargas de cortocircuito y circuito abierto a lo largo de la gula en gulas de onda rectangulares ridge. Se presenta una clase completa de SP4T basada en este concepto, y en particular el tipo T que requiere la realization de un crossover se fabrica y prueba para banda Ku, con aislamiento mayor de 30 dB y perdidas de retorno de 23 dB.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
El objeto de la invention va dirigido a un dispositivo que implementa funciones integradas de filtro de microondas y crossover en gula de onda rectangular y en gula de doble caballon (double-ridge por su nomenclatura anglosajona de uso comun en el campo tecnico de la invencion).
El objeto de la invencion permite intercambiar la position de los puertos de salida de los dos filtros en paralelo con respecto a la posicion de sus puertos de entrada en el mismo volumen ocupado por los dos filtros; es decir, sin extenderse al espacio circundante, mientras se filtran las senales independientemente a lo largo de los dos canales. De este modo se puede obtener el dispositivo de cruce mas compacto posible, incluyendo ademas las funciones de filtrado.
Para ello se propone un dispositivo que combina las funciones de filtro de microondas y cruce de senales, tal y como se muestra en la figura 1. El dispositivo esta formado por dos filtros que pueden comprender estructuras de filtrado y que podemos denominar por ejemplo: "a” y “b” estando divididos en dos partes (en la figura 1, elementos 11 y 12 para el filtro “a”, y elementos 21 y 22 para el filtro “b”) conectadas a traves de un elemento de acople comun a ambos filtros tal y como puede ser una cavidad comun (recuadro rayado en la figura 1). Las distintas partes de los filtros estan situadas de tal forma que la cavidad comun implementa un cruce de gulas de ondas para guiar la senal desde la parte 1-a (elemento 11 en figura 1) a la parte 1-b (elemento 12 en figura 1) del primer filtro, y desde la parte 2-a (elemento 21 en figura 1) a la parte 2-b (elemento 22 en figura 1) del segundo filtro, sin acoplo de energla de un filtro a otro. Este documento describe varias implementaciones de la funcion de cruce.
El dispositivo objeto de la invencion presenta dos posibles realizaciones alternativas
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como solucion al problema planteado.
En una posible implementation del objeto de la invention se tiene un dispositivo de microondas de cuatro puertos con entradas y salidas en gula rectangular que permite el cruce de dos senales de microondas con un mlnimo de interferencia. El dispositivo esta disenado de tal manera que los dos canales de senal exhiban un comportamiento tipo filtro de microondas, donde la frecuencia central, el ancho de banda y el orden de los filtros se pueden disenar y fabricar de acuerdo con las especificaciones del sistema en el que el dispositivo tenga que operar.
En una implementacion alternativa del objeto de la invencion se tiene un dispositivo de microondas de cuatro puertos con entradas y salidas en gula de onda doble caballon (double-ridge) que permite el cruce de dos senales (canales) de microondas con un mlnimo de interferencia. El dispositivo esta disenado de tal forma que los dos canales de senal exhiben un comportamiento tipo filtro de microondas, donde la frecuencia central, el ancho de banda y el orden de los filtros se pueden disenar y fabricar de acuerdo con las especificaciones del sistema en el que el dispositivo tenga que operar.
DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Para complementar la description que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracterlsticas de la invencion, de acuerdo con un ejemplo preferente de realization practica de la misma, se acompana como parte integrante de dicha descripcion, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista esquematica del objeto de la invencion.
Figura 2.- Muestra una vista en perspectiva del dispositivo de la invencion en su realizacion basada en filtros con puertos rectangulares operando a distintas frecuencias; definiendo dos filtros cruzados en gula rectangular para diferentes frecuencias cuya respuesta se aprecia en la grafica incluida en esta figura 2.
Figura 3.- Muestra una vista en perspectiva del dispositivo de la invencion en su realizacion usando dos filtros de tres polos con ventanas inductivas; definiendo dos filtros
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cruzados en gula rectangular sintonizados a la misma frecuencia central cuya respuesta se aprecia en la grafica incluida en esta figura 3.
Figura 4.- Muestra una vista en perspectiva del dispositivo de la invencion en su realizacion usando filtros de gula de onda con doble caballon (double-ridge) operando a distintas frecuencias; definiendo dos filtros cruzados en gula con doble caballon con diferentes frecuencias centrales cuya respuesta se aprecia en la grafica incluida en esta figura 4.
Figura 5.- Muestra un detalle del elemento de acoplo empleado en el dispositivo en gula de onda con doble caballon (double-ridge) de la figura 4.
Figura 6.- Muestra una vista en perspectiva del dispositivo de la invencion en su realizacion usando filtros cruzados con doble caballon (double-ridge) operando a la misma frecuencia central, cuya respuesta se aprecia en la grafica incluida en esta figura 6.
REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
La invencion descrita en este documento puede emplearse en los satelites de telecomunicaciones que emplean antenas de multiples haces puntuales (spot-beams); como un elemento clave para implementar las redes de alimentacion de estas antenas. De este modo, se tiene que una realizacion preferente del objeto de la invencion propuesta, se tiene un dispositivo que combina las funciones de filtro de microondas y cruce de senales, se muestra en la figura 1; donde se aprecia la estructura basada en dos filtros (1,2) preferiblemente basados en gulas rectangulares, disenado para operar preferentemente a dos frecuencias centrales diferentes y preferentemente con el mismo ancho de banda, con un resonador cruzado central compartido que actua como cavidad (3) central de los dos filtros (1,2) tal y como se aprecia en la figura 2 o en la figura 3.
En la implementation mostrada en la figura 2, el dispositivo esta formado por un primer filtro (1) y un segundo filtro (2), los cuales respectivamente se dividen en dos partes dando lugar a: una primera parte del primer filtro (11), una segunda parte del primer filtro (12), una primera parte del segundo filtro (21) y una segunda parte del segundo filtro (22), conectadas a traves de la cavidad (3) comun, estando
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preferentemente la primera parte del primer filtro (11) y la segunda parte del primer filtro (12) dispuestas alineadas y contiguas y la primera parte del segundo filtro (21) y la segunda parte del segundo filtro (22) tambien dispuestas alineadas y contiguas.. Las partes (11,12,21,22) de los filtros (1,2) estas situadas de tal forma que la cavidad (3) comun implementa un cruce de gula de ondas para guiar la senal desde la primera parte del primer filtro (11) a la segunda parte del primer filtro (12), y desde la primera parte del segundo filtro (21) a la segunda parte del segundo filtro (22), sin acoplo de energla entre filtros (1,2).
En una realizacion preferente del objeto de la invencion, se tiene que el dispositivo actua como un elemento de cruce en gula rectangular cuyos filtros (1,2) se encuentran dispuestos ortogonalmente formando una cruz. En este dispositivo (ver figura 2) los filtros en gula rectangular se configuran para operar a dos frecuencias centrales diferentes y con el mismo ancho de banda, cuyo resonador compartido (3) actua como cavidad central de los dos filtros (1,2). Si el cruce central es simetrico, no hay acoplo entre los dos filtros (1,2), y la senal puede cruzar el camino del otro filtro sin interferencias. La Fig. 2 muestra un ejemplo usando un filtro de tres polos con ventanas inductivas (4), si bien las estructuras de filtrado pueden estar basadas en acoples capacitivos o en acoples inductivos.
La estructura mostrada en la figura 2 proporciona mas de 25 dB de aislamiento entre los dos caminos (canales) de la senal. En una posible realizacion alternativa del objeto de la invencion, se procede a incrementar el orden de filtros (1,2) para as! obtener un mayor nivel de aislamiento.
La realizacion mostrada en la figura 2 se basa en dos filtros (1,2) que preferentemente tienen el mismo ancho de banda. No obstante, en posibles realizaciones alternativas del objeto de la invencion se pueden tener filtros (1,2) con respetivos anchos de banda distintos entre si.
El resonador cruzado mostrado en la estructura de la figura 2 actua como resonador central de los dos filtros. Se puede obtener el mismo funcionamiento basico si el resonador empleado como elemento de cruce es cualquier otro resonador de cualquiera de los dos filtros.
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En una posible realization alternativa del objeto de la invention, mostrada en la figura 3, el dispositivo de la invention tiene como caracterlstica la implementation del cruce de las dos senales de microondas preferentemente a la misma frecuencia. En la figura 3 se muestra asimismo una grafica donde se aprecia la respuesta obtenida.
En otra realization todavla mas alternativa del objeto de la invencion, se tiene que el dispositivo aqul descrito comprende filtros (1,2) cruzados en gula de onda de doble caballon (o double ridge) tal y como se aprecia en las figuras 4 a 6; funcionando como dispositivo de microondas de cuatro puertos con entradas y salidas en gula de onda de doble caballon (ridge), que permite el cruce de dos senales (canales) de microondas con un mlnimo de interferencia.
Ademas, el dispositivo objeto de la invencion puede estar configurado de forma que los dos canales de senal exhiban un comportamiento tipo filtro de microondas, donde la frecuencia central, el ancho de banda y el orden de los filtros (1,2) se pueden disenar y fabricar de acuerdo con las especificaciones del sistema en el que el dispositivo tenga que operar.
En los dispositivos de cruce mostrados en las figuras 4 y 6, se emplea como elemento de cruce una section de gula rectangular (ver detalles en la figura 5) que es parte del inversor central (o elemento de acople) de ambos filtros. Se puede obtener el mismo funcionamiento basico si el inversor empleado como elemento de cruce es cualquier otro inversor de cualquiera de los dos filtros (1,2).

Claims (12)

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    REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo de cruce de microondas, caracterizado porque comprende dos filtros (1,2) cruzados y que a su vez comprenden una serie de estructuras de filtrado que se cruzan en una cavidad (3) comun a ambos filtros (1,2) que es un resonador; donde el primer filtro (1) comprende una primera parte del primer filtro (11) y una segunda parte del primer filtro (12), y el segundo filtro (2) comprende una primera parte del segundo filtro (21) y una segunda parte del segundo filtro (22), estando la cavidad (3) comun ubicada en un punto de cruce central entre los filtros (1,2), estando dicho punto de cruce central definido en una zona de cruce entre los filtros (1,2) definida entre la primera parte del primer filtro (11) y la segunda parte del primer filtro (12), de tal manera que el cruce central definido es simetrico.
  2. 2. Dispositivo de cruce de microondas, segun reivindicacion 1, caracterizado porque los filtros (1,2) se encuentran dispuestos cruzados ortogonalmente formando una cruz, estando la cavidad (3) ubicada en su intersection.
  3. 3. Dispositivo de cruce de microondas, segun reivindicacion 1, caracterizado porque la primera parte del primer filtro (11) y la segunda parte del primer filtro (12) se encuentran dispuestas alineadas y contiguas.

  4. 4. Dispositivo de cruce de microondas, segun una cualquiera de las
    reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los filtros (1,2) son filtros estandar en gula rectangular con resonadores implementados mediante secciones de gula rectangular vacla.

  5. 5. Dispositivo de cruce de microondas, segun una cualquiera de las
    reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque las estructuras de filtrado estan basadas en acoples capacitivos o en acoples inductivos.

  6. 6. Dispositivo de cruce de microondas, segun una cualquiera de las
    reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los filtros (1,2) operan a la misma frecuencia.
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  7. 7. Dispositivo de cruce de microondas, segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque los filtros (1,2) tienen diferentes respectivos anchos de banda.
  8. 8. Dispositivo de cruce de microondas, caracterizado porque comprende dos filtros (1,2) que a su vez comprenden una serie de estructuras de filtrado que se cruzan en un elemento de acople comun a ambos filtros (1,2); donde el primer filtro (1) comprende una primera parte del primer filtro (11) y una segunda parte del primer filtro (12), y el segundo filtro (2) comprende una primera parte del segundo filtro (21) y una segunda parte del segundo filtro (22).
  9. 9. Dispositivo de cruce de microondas, segun reivindicacion 8 caracterizado porque la primera parte del segundo filtro (21) y la segunda parte del segundo filtro (22) se encuentran dispuestas alineadas y contiguas.
  10. 10. Dispositivo de cruce de microondas, segun reivindicacion 8 o 9, caracterizado porque los filtros (1,2) son filtros en gula de onda con doble caballon (doubleridge) donde los resonadores se implementan con secciones de gula de onda de doble caballon (double-ridge).
  11. 11. Dispositivo de cruce de microondas, segun una cualquiera de las
    reivindicaciones 8 a 10 caracterizado porque los filtros (1,2) se encuentran
    adaptados para operar a la misma frecuencia.
  12. 12. Dispositivo de cruce de microondas, segun una cualquiera de las
    reivindicaciones 8 a 10 caracterizado porque los filtros (1,2) tienen diferentes respectivos anchos de banda.
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