ES2836264T3 - Conjunto de antenas en fase - Google Patents

Abstract

Conjunto de antenas en fase, con al menos cuatro elementos de antena en fase (1) conectados a través de al menos una red de alimentación (12), en donde un elemento de antena en fase (1) consiste en · un radiador de guía de ondas (2) con un desacoplamiento o acoplamiento de señal (8), · un actuador de fase (3), que se monta en forma giratoria en el radiador de guía de ondas (2) y que contiene un soporte (4) y al menos dos polarizadores (5a, 5b), en donde cada uno de los al menos dos polarizadores (5a, 5b) puede convertir una señal de polarización circular en una señal de polarización lineal para producir una onda (14a) con polarización circular y fase incidente j en el radiador de guía de ondas (2) por medio de un primer polarizador (5a) de los al menos dos polarizadores (5a, 5b) del actuador de fase (3) en una onda (14b) con polarización lineal y convertir esta onda (14b) de polarización lineal de nuevo en una onda (14c) con polarización circular mediante un segundo polarizador (5b) de los al menos dos polarizadores (5a, 5b) del actuador de fase (3), · un elemento de conexión (6), y · una unidad de accionamiento (7) montada en un soporte (9), que está conectada al actuador de fase (3) a través del elemento de conexión (6) de tal manera que la unidad de accionamiento (7) puede girar el actuador de fase (3) alrededor de un eje (11) del radiador de ondas (2), de modo que mediante el giro del elemento de conexión (6) y por lo tanto también de los dos polarizadores (5a, 5b) en un ángulo Dq, la onda de polarización del eje lineal (14b) entre los dos polarizadores (5a, 5b) puede girarse en el ángulo Dq en un plano perpendicular a la dirección de propagación, presentando la onda de polarización circular (14c), por lo tanto, una nueva posición de fase de j + 2 Dq, y · una unidad de cálculo (13) que está conectada mediante líneas de control (10) con las unidades de accionamiento (7) de los elementos de antena en fase (1) y ajusta la rotación de los respectivos actuadores de fase (3).

Description

DESCRIPCIÓN

Conjunto de antenas en fase

La invención se refiere a un conjunto de antenas en fase, en particular para intervalos de frecuencias de GHz y para su uso en soportes móviles como vehículos de motor, aviones o barcos.

En las aplicaciones móviles, el control de fase del sistema de antenas tiene la función de dirigir siempre de manera óptima el haz principal del conjunto de antenas hacia un objetivo durante el movimiento espacial de soporte móvil. En muchos casos, un enlace de radio permanente con la antena de destino debe mantenerse de forma fiable incluso cuando el soporte se mueve rápidamente.

Sin embargo, el control de fase también puede utilizarse para rastrear un objetivo móvil con un conjunto de antenas estacionarias o móviles, como es el caso de las aplicaciones de radar.

Se sabe que el patrón de antenas de los conjuntos de antenas estacionarias puede ser modificado espacialmente por medio de ajustadores de fase variables y controlables, permitiendo así que el haz principal realice un giro en diferentes direcciones.

Los ajustadores de fase modifican la fase relativa de las señales recibidas o transmitidas por los diferentes miembros individuales del conjunto de antenas. Cuando se utilizan los ajustadores de fase para ajustar la fase relativa de las señales de las antenas individuales, el haz principal (“main beam”) del diagrama patrón de antenas del conjunto de antenas apunta en la dirección deseada.

Los ajustadores de fase actualmente conocidos suelen consistir en cuerpos sólidos no lineales ("solid state phase shifters” -ajustadores de fase de estado sólido-), en su mayoría ferritas, microinterruptores (tecnología MEMS, interruptores binarios) o cristales líquidos ("liquid cristals"). Sin embargo, todas estas tecnologías tienen la desventaja de que suelen provocar una pérdida considerable de señal, ya que parte de la potencia de alta frecuencia se disipa en los ajustadores de fase. En particular, para las aplicaciones en el intervalo de GHz, debido a ello disminuye de manera significativa la eficiencia de las antenas de conjuntos en fase.

Esto constituye una dificultad considerable, en particular, en el caso de los conjuntos de antenas que se van a utilizar en los soportes de telefonía móvil, porque estas aplicaciones requieren antenas con la mayor eficiencia posible debido al limitado espacio disponible. Las antenas deben ser lo más pequeñas y ligeras posibles, lo que no puede lograrse con los sistemas de control de fase conocidos.

Además, los ajustadores de fase convencionales siempre deben acomodarse en las redes de alimentación de las antenas del sistema, lo que normalmente hace que dichas antenas sean muy pesadas o que su grosor sea muy grande.

En contraposición, son deseables los sistemas de antenas de bajo perfil, pequeñas y ligeras, en particular, para aplicaciones en soportes de movimiento rápido como aviones y trenes.

Además, los conjuntos de antenas en fase que utilizan ajustadores de fase convencionales son muy costosas. En particular, para las aplicaciones civiles por encima de 10 GHz esto impide el uso de estas antenas.

Otro inconveniente es la necesidad de un control preciso del patrón de antena de los conjuntos de antenas en fase. Si las antenas del conjunto de antenas se utilizan en aplicaciones de retransmisión de radio con satélites, existen requisitos estrictos sobre la conformidad reglamentaria del diagrama de antena. Para cada dirección del haz principal, el diagrama debe obedecer a la máscara reguladora durante la transmisión. Esto sólo puede asegurarse de manera fiable si se conoce en todo momento tanto la amplitud como la fase de cada elemento individual del conjunto de antenas.

Aunque ninguna de las tecnologías actualmente conocidas para los ajustadores de fase permite la determinación fiable instantánea, es decir, inmediata, de la posición de la fase de la señal después del actuador de fase, que está disponible sin necesidad de realizar más cálculos. Para ello sería necesario poder determinar con fiabilidad el estado del actuador de fase en cualquier momento. Pero esto es prácticamente imposible con el estado sólido, los MEMS o los cambiadores de fase de cristal líquido.

Del documento DE 37 41 501 C1 se conoce un sistema de alimentación para una antena, que puede transmitir diferentes ondas polarizadas. El sistema de alimentación utiliza un desplazador de fase fijo de 90° y un desplazador de fase móvil de 180°, de modo que la posición de fase de ambas ondas puede ajustarse entre sí. Del documento US 6 822 615 B2 se conoce un campo de antena con desfasadores entre una primera y una segunda parte del campo de antena. Finalmente, en el documento DE 10 2010 014 916 B4 se muestra un conjunto de antenas con una red de alimentación que forma grupos coherentes de radiadores individuales.

Además, el documento WO 02/084797 A1 desvela un conjunto de antenas en fase con varios elementos radiantes de polarización circular, y el conjunto de antenas con medios de movimiento para la rotación independiente y angular de al menos una parte de los elementos radiantes.

El propósito de la invención por lo tanto consiste en disponer un conjunto de antenas en fase, en particular en el intervalo de frecuencias de GHz y, en particular, para su uso en soportes móviles, que

1. permite la alineación y control exacto del haz principal del conjunto de antenas

2. permite el control y la vigilancia exactos de la posición de fase relativa de las señales de los diferentes elementos de la antena del sistema de antenas,

3. en cualquier momento la determinación instantánea de la posición de fase y de la amplitud relativa de la señal aplicada a un elemento de antena del conjunto de antenas, lo que, por lo tanto, permite en cualquier momento y en cualquier estado del sistema de antenas la determinación de su diagrama de antena,

4. no tiene ninguna o muy pocas pérdidas,

5. posee un perfil bajo y peso reducido; y

6. se puede realizar a bajo costo.

Esta tarea se resuelve por medio de un conjunto de antenas en fase de acuerdo con la invención con las características de la reivindicación 1. Los desarrollos posteriores ventajosos de la invención se indican en las reivindicaciones dependientes, la descripción y las figuras.

El conjunto de antenas en fase de acuerdo con la invención comprende al menos cuatro elementos de antena en fase (1) conectados a través de al menos una red de alimentación (12). Cada uno de los elementos de la antena comprende un radiador de guía de ondas (2) con un desacoplamiento o acoplamiento de la señal (8), un actuador de fase (3) colocado de forma giratoria en el radiador de guía de ondas (1), un soporte (4) y al menos dos polarizadores (5), siendo cada uno de los dos polarizadores al menos (5) capaz de convertir una señal de polarización circular en una señal de polarización lineal. Además, los elementos de la antena comprenden un elemento de conexión (6) y una unidad de accionamiento (7) colocada en un soporte (9), que se conecta al actuador de fase (3) a través del elemento de conexión (6) de tal manera que la unidad de accionamiento (7) puede hacer girar el actuador de fase (3) alrededor de un eje (11) del radiador de guía de ondas (2). La antena del conjunto comprende además una unidad de cálculo (13) que se conecta mediante líneas de control (10) a la o las unidades de accionamiento (7) de los elementos de la antena del conjunto en fase (1) y ajusta la rotación de los respectivos actuadores de fase (3).

En la Fig. 1 se muestra a modo de ejemplo una disposición espacial de los elementos del conjunto de antenas. Para ello, por ejemplo, cuatro elementos de antena (1) están dispuestos en una fila. Sin embargo, también es posible disponer los elementos de la antena (1) en un número mayor y/o en varias filas, es decir, en dos dimensiones. Una unidad de cálculo (13) controla toda la antena de la matriz. Cada uno de los elementos de la antena (1) tiene su propia unidad de accionamiento (7). Esto puede simplificarse aún más, como se muestra más adelante, utilizando unidades de accionamiento (7) comunes para varios elementos de la antena (1).

En la Fig. 2 se muestra el principio de funcionamiento de un elemento de antena del conjunto en fase. Una onda (14a) con polarización circular y posición de fase j que incide en el radiador de la guía de onda (2) del elemento de la antena (1) es transformada por el primer polarizador (5a) del actuador de fase (3) en una onda con polarización lineal (14b). Esta onda de polarización lineal es transformada de nuevo en una onda de polarización circular (14c) por el segundo polarizador (5b) del actuador de fase (3).

Si el actuador de fase (3) ahora es girado en un ángulo A0 con la ayuda de la unidad de accionamiento (7) y el elemento de conexión (6), entonces la onda de polarización (14b) de la onda lineal entre los dos polarizadores (5a) y (5b) gira con él en un plano perpendicular a la dirección de propagación. Debido a que el polarizador (5a) también gira, la onda circular (14c) que es generada por el segundo polarizador (5b), posee ahora un ángulo de fase de j 2 A0. La onda circular (14c) con posición de fase j 2 A0 puede entonces desacoplarse del radiador de guía de ondas (2) del elemento de antena (1) o acoplarse al radiador de guía de ondas (2) mediante el desacoplamiento o acoplamiento de la señal (8).

La unidad de accionamiento (7) está montada en un soporte (9) y se alimenta de la energía necesaria a través de líneas de suministro y de la información necesaria para la rotación en el ángulo A0 a través de líneas de control (10) con la ayuda del ordenador (13).

Debido al diseño del control de fase del elemento de la antena (1), la dependencia de la diferencia de ángulo de fase entre la onda circular saliente (14c) y la entrante (14a) de la rotación del actuador de fase (3) es estrictamente lineal, continua y estrictamente 2n periódica. Además, cualquier rotación o desplazamiento de fase puede ser ajustado continuamente por la unidad de accionamiento (7).

Dado que el actuador de fase (3) es, en términos electrodinámicos, un componente puramente pasivo que no contiene componentes no lineales, su función es completamente recíproca. Esto significa que un eje que atraviesa el actuador de fase (3) de abajo hacia arriba, gira en su fase de la misma manera que un eje que atraviesa el actuador de fase (3) de arriba hacia abajo.

La posición de fase de una señal transmitida o recibida por el radiador de guía de ondas (2) del elemento de antena (1) puede así ajustarse como se desee. También es posible la operación de transmisión y recepción simultáneas.

En la ilustración de la Fig. 2, se implementa el desacoplamiento o acoplamiento de la señal (8) como una línea de microcinta (8) en un sustrato (81). Para ello, el radiador de guía de ondas (2) del elemento de antena (1) está provisto de un hueco en el punto de acoplamiento o desacoplamiento que permite que la línea de microcintas junto con el sustrato se inserte en el radiador de guía de ondas (2). A fin de asegurar que las corrientes de alta frecuencia que fluyen en las paredes internas del radiador de la guía de ondas (2) no sean interferidas, se proporcionan contactos continuos de electricidad (83) (“vías”) que establecen un contacto eléctrico entre los lados superior e inferior del radiador de la guía de ondas (2). Además, en el sustrato (81) hay un rebaje (82) por el que se puede hacer pasar el eje (6) que conecta la unidad de accionamiento (7) con el actuador de fase (3).

Si ahora se interconectan entre sí varios elementos de antena en fase (1), entonces se crea un conjunto de antenas en fase de acuerdo con la invención. Esto se muestra esquemáticamente en la Fig. 3.

La Fig. 3a muestra esquemáticamente el conjunto de antenas, la Fig. 3b la red de alimentación (12) correspondiente. Consiste en dos redes (12a) y (12b), las que en cada caso procesan la polarización ortogonal.

Las señales de los cuatro elementos de la antena (1) se combinan o distribuyen en modo de transmisión a través de las redes de alimentación (12a) y (12b), que contienen los acoplamientos (8a) y (8b).

Las unidades de accionamiento (7) de los controles de fase individual están controladas por un ordenador (13), que puede ser un microprocesador, por ejemplo, conectado a las líneas de señal (10) que conectan todas las unidades de accionamiento a la unidad de cálculo.

Los acoplamientos de entrada y salida (8a) y (8b), así como las redes de suministro (12a) y (12b) se conformaron como líneas de microcintas (8a, b) sobre un sustrato, de forma análoga a la ilustración de la Fig. 2.

El desacoplamiento o acoplamiento de la señal (8) también se conformó en dos partes como una línea de microcintas (8a) y (8b) ortogonal, en forma de clavijas, en sustratos separados.

Estas conformaciones pueden ser ventajosas si se van a recibir y/o transmitir simultáneamente dos señales de polarización ortogonal con el conjunto de antenas. También pueden compensarse los desequilibrios de fase si las señales se procesan en un sistema ortogonal.

Si luego los controles de fase (3) se ajustan con la ayuda del ordenador (13) de tal manera que haya un desfase relativo constante D j entre las señales de los elementos individuales, entonces el haz principal del conjunto de antenas apunta en una dirección específica dependiente de la diferencia de fase D j.

Dado que las relaciones de amplitud de las señales transmitidas o recibidas de los distintos elementos de la antena (1) se conocen con precisión a través de la red de alimentación (12) y, además, la posición de fase de cada una de esas señales puede determinarse con precisión mediante los controles de fase (3), el diagrama de antena del conjunto de antenas se determina completamente de forma determinista en cada estado de la antena del sistema de antenas (es decir, también en cualquier momento deseado).

Si la potencia de cálculo necesaria está disponible en un microprocesador o en otro punto del sistema de antenas, es por lo tanto posible calcular analíticamente todo el patrón de antenas en cualquier momento con muy alta precisión. Esta es una ventaja significativa de los diagramas de acuerdo con la invención, en particular, con respecto a la conformidad reglamentaria del diagrama de antena que se requiere típicamente en las aplicaciones civiles.

Incluso si los conjuntos de antenas contienen varios miles de antenas individuales, como por lo general es el caso en la gama de frecuencias por encima de 10 GHz, el correspondiente patrón de antena puede calcularse con gran precisión con una potencia de cálculo relativamente baja utilizando la Transformación rápida de Fourier (FFT). Los correspondientes algoritmos rápidos de FFT son bien conocidos.

El peso del control de fase (actuador de fase (3), conexión (6) y unidad de accionamiento (7)) de los elementos individuales de la antena (1) es típicamente muy pequeño. Si los polarizadores (5) se realizaron con tecnología de película delgada sobre sustratos finos de RF, y si el soporte está hecho de espuma de células cerradas, entonces el peso del control de fase es típicamente solo unos pocos gramos. Por lo tanto, solamente se necesitan accionamientos muy pequeños y ligeros, como micromotores eléctricos, para la unidad de accionamiento. El peso de estos micromotores eléctricos también está en el intervalo de los gramos.

El peso de un control monofásico, en particular, en el intervalo de frecuencias por encima de 10 GHz, es entonces de sólo unos pocos gramos, lo que, incluso en el caso de conjuntos de antenas con mil irradiadores individuales, da como resultado un peso total del control de toda la fase del conjunto de antenas de solo unos pocos kilogramos. Esto es particularmente ventajoso para las aplicaciones en aeronaves, donde el peso debe ser lo más bajo posible.

A esto se suma la muy baja disipación del control de fase de acuerdo con la invención. El aporte de calor de los elementos de control de fase es insignificante debido a las muy bajas pérdidas óhmicas. Si se utilizan motores eléctricos como unidades de accionamiento, su eficiencia es típicamente > 95%, de modo que las unidades de accionamiento tampoco causan prácticamente ninguna entrada de calor. Además, el consumo de energía de los micromotores, por ejemplo, sólo está en el intervalo de mW, de modo que el requerimiento de energía de los controles de fase es solo de unos pocos vatios, incluso en el caso de conjuntos de antenas con miles de radiadores individuales.

Esta constituye una ventaja adicional del control de fase de acuerdo con la invención. Incluso en el caso de conjuntos de antenas con muchos miles de radiadores individuales, la refrigeración activa no es necesaria ni en el modo de transmisión ni tampoco en el de recepción. Por el contrario, para los conjuntos de antenas que utilizan desplazadores de fase de semiconductores convencionales o desplazadores de fase MEMS, es esencial una costosa refrigeración activa, al menos en el modo de transmisión, debido a las elevadas pérdidas.

Las redes de alimentación (12) de la antena del conjunto en fase pueden consistir en líneas de microcintas en un sustrato de RF adecuado, como se muestra en forma esquemática en la Fig. 3b. Para minimizar las pérdidas, estas líneas de microcintas también pueden haberse realizado como líneas de tiras suspendidas (“suspended stripelines”), es decir, en construcción coaxial. Partes de las redes de alimentación (12) también pueden consistir en guías de ondas, lo que pueden reducir aún más las pérdidas.

Así es ventajoso, por ejemplo, conectar grupos de elementos de antenas en fase (1) dentro de los grupos de antenas a través de líneas de microcintas y luego interconectar aún más estos grupos a través de guías de onda. Tales redes de alimentación híbridas (12) permiten entonces una alta densidad de elementos de antena. Si los trayectos largos, por ejemplo, en grandes conjuntos de antenas, se implementan con tecnología de guía de ondas, las pérdidas a pesar de ello continúan siendo limitadas.

La impedancia de onda del elemento de la antena (1) es completamente independiente de la posición de fase relativa de la onda entrante y saliente. Esto no suele ocurrir con los elementos de antena cuya posición de fase se controla por medio de actuadores de fase no lineales como los actuadores de fase de semiconductores o los actuadores de fase de cristales líquidos. Allí, la impedancia de la onda depende de la posición relativa de la fase, lo que hace que estos componentes sean difíciles de controlar.

El radiador de guía de ondas (2) preferentemente se conformó de manera que contenga al menos una sección cilíndrica de la guía de ondas. Esto garantiza de manera fiable que en su interior se puede formar un modo de oscilación electromagnética cilíndricamente simétrica (modo) de polarización circular, que puede ser transformado por los polarizadores (5) en un modo de polarización lineal.

Tanto la terminación del radiador de la guía de ondas como su abertura (apertura) no deben presentar necesariamente una sección transversal circular. Dependiendo del tipo de acoplamiento hacia fuera o hacia dentro (8), la terminación de la guía de ondas puede ser, por ejemplo, cónica o escalonada en un lado. La abertura del radiador de guía de ondas también puede diseñarse cónica (radiador de bocina), cuadrada o rectangular, por ejemplo, cuando se utiliza en campos de antenas bidimensionales.

Dado que los modos cilíndricos simétricos también pueden propagarse en guías de onda con secciones transversales no circulares, como las elípticas o poligonales, también son concebibles otros diseños de radiadores de guías de onda.

Para aplicaciones por encima de 10 GHz puede resultar ventajoso para los conjuntos de antenas densamente empaquetadas conformar el radiador de guía de onda como una guía de onda omnidireccional, ya que dichas guías de onda permiten la mayor densidad de empaquetamiento y también admiten modos de cavidad cilíndrica simétrica.

Para mejorar la ganancia de la antena del elemento de antena del conjunto con control en fase, también puede ser ventajoso conformar el radiador de guía de ondas como un radiador de bocina.

Por lo demás, el diseño dimensional del radiador de guía de ondas (2) para una banda de frecuencia operativa específica se basa en los procedimientos conocidos de la tecnología de antenas.

El eje de rotación (11) de los actuadores de fase (3) está situado preferentemente en el eje de simetría de la respectiva sección cilíndrica de la guía de onda que contiene cada radiador de la guía de onda (2) preferentemente.

Los polarizadores (5a) y (5b) preferentemente están colocados de forma perpendicular al eje de rotación (11) y paralelos entre sí en el soporte (4).

Para la rotación del actuador de fase (3), una rotación alrededor de un cuarto de círculo (-45° a 45°) habitualmente es suficiente para realizar un intervalo de giro de -90° a 90° en un conjunto de antenas y así cubrir todo el hemisferio por encima de la antena.

El control de fase funciona prácticamente sin pérdidas, ya que las pérdidas inducidas por los polarizadores (5a, b) y el soporte dieléctrico (4) son muy pequeñas si se diseñan en consecuencia. En las frecuencias de 20 GHz, por ejemplo, las pérdidas totales son inferiores a 0, 2 dB, lo que corresponde a una eficiencia de más del 95%. Por el contrario, los actuadores de fase convencionales suelen tener pérdidas de varios dB en estas frecuencias.

Con respecto a sus características de alta frecuencia, la antena del conjunto en fase de acuerdo con la invención es, por lo tanto, difícilmente distinguible de un campo de antena correspondiente sin control de fase.

Se sabe, por ejemplo, que los radiadores de bocina rellenos de forma dieléctrica, en particular, en frecuencias superiores a 20 GHz, se utilizan en campos de antenas debido a su alta eficiencia de antena. Si tales campos de antena se realizan como antenas de conjuntos en fase de acuerdo con la invención, las propiedades de RF, en particular, la ganancia de la antena y la eficiencia de la misma, de los campos de antena no cambian a pesar del control de fase adicional.

Si la unidad de accionamiento (7) está equipada con un sensor de posición angular, o si ella misma ya tiene una posición angular definida (como, por ejemplo, es el caso de algunos motores piezoeléctricos), la posición de fase de la onda (14a) irradiada por el radiador de la guía de ondas puede determinarse con precisión instantáneamente en cualquier momento.

Debido a la sencilla construcción del actuador de fase (3) y al hecho de que solo se requieren unidades de accionamiento (7) de construcción muy sencilla para la rotación de un cuarto de círculo, el control de fase puede realizarse de forma muy económica. Incluso las grandes antenas de conjuntos con control de fase con muchos miles de elementos de antena son posibles sin ningún problema.

Como unidades de accionamiento (7), por ejemplo, se pueden utilizar tanto motores eléctricos de bajo costo o micromotores eléctricos, como motores piezoeléctricos o simples actuadores hechos de materiales electroactivos.

Preferentemente, los elementos de accionamiento son componentes SMD que pueden soldarse directamente en una placa de circuito adecuado como soporte (9). Las líneas de suministro y control (10) pueden entonces ser diseñadas como líneas de microcintas, lo que permite una alta densidad de integración.

El elemento de conexión (6) preferentemente se conformó como un eje y consiste preferentemente en un material plástico dieléctrico no metálico como el plástico. Esto tiene la ventaja de que los modos de la cavidad cilíndrica no se ven afectados, o sólo muy poco, cuando el eje está montado simétricamente en el radiador de la guía de ondas (1).

Si se utilizan modos coaxiales para operar el radiador de guía de ondas (2), también se pueden utilizar ejes metálicos.

Sin embargo, también es concebible que la unidad de accionamiento (7) esté colocada, por ejemplo, junto al radiador de guía de ondas (2) y el elemento de conexión (6) consista, por ejemplo, en una correa que se guía a través de pequeñas aberturas laterales en el radiador de guía de ondas y que, por lo tanto, accione el actuador de fase.

También es concebible que la unidad de accionamiento (7) haga girar el actuador de fase (3) sin contacto, por ejemplo, a través de un campo magnético giratorio. Para ello, se puede montar un rotador magnético, por ejemplo, encima de la terminación del radiador de la guía de ondas, que actúa entonces junto con el campo magnético giratorio como elemento de conexión (6), si, por ejemplo, las partes del polarizador consisten en materiales magnéticos.

Los polarizadores (5a, b) pueden, por ejemplo, consistir en simples polarizadores planos en meandro que se aplican a un material portador convencional. Estos polarizadores pueden producirse mediante procesos de grabado conocidos o mediante procesos aditivos ("impresión de circuitos").

Como se muestra en la Fig. 4, los al menos dos polarizadores (5a) y (5b) tienen preferentemente una forma simétrica al eje (11), de modo que pueden transformar de forma sencilla en la sección de guía de onda cilíndrica simétrica del radiador de la guía de onda.

El polarizador (5a, b) que se muestra en la Fig. 4 se conformó como un polarizador de meandro. Los polarizadores de meandro multicapa son ventajosos aquí, ya que pueden tener grandes anchos de banda de frecuencia y así permitir el funcionamiento de banda ancha.

Sin embargo, como es de conocimiento del experto, existe un gran número de otros posibles diseños de polarizadores para las ondas electromagnéticas que pueden transformar una onda de polarización circular en una onda de polarización lineal.

De esta manera, p. ej., son concebibles diseños en los que la conversión de la polarización de la señal no se realiza mediante polarizadores planos sino mediante estructuras distribuidas espacialmente en el soporte (por ejemplo, polarizadores de septo). Para la función de la invención sólo es importante que estas estructuras puedan transformar primero una onda con polarización circular incidente en el radiador de la guía de ondas (2) en una onda con polarización lineal y luego transformarla de nuevo en una onda con polarización circular.

Para el soporte (4) pueden usarse, por ejemplo, las espumas de células cerradas de baja densidad, que se sabe que tienen pérdidas de radiofrecuencia muy bajas, pero también pueden utilizarse materiales plásticos como el politetrafluoroetileno (teflón) o las poliimidas. Debido al pequeño tamaño del actuador de fase en el intervalo de una longitud de onda, especialmente en frecuencias superiores a 10 GHz, las pérdidas de RF siguen siendo muy pequeñas en el radiador de la guía de onda (1) si la impedancia se ajusta al modo electromagnético correspondiente.

Dado que, desde un punto de vista electrodinámico, el diseño dimensional del elemento de control de fase (3) a una frecuencia de funcionamiento específica es similar al diseño dimensional del radiador de guía de ondas (2) a una frecuencia de funcionamiento específica, el elemento de control de fase (3), por lo general, puede colocarse dentro del radiador de guía de ondas (2) sin dificultades.

En cualquier caso, aunque las dimensiones del radiador de guía de ondas (2) se elijan para ser muy pequeñas, el actuador de fase (3) puede hacerse lo suficientemente pequeño como para que quepa dentro del radiador de guía de ondas (2) seleccionando la constante dieléctrica del material del soporte (4) en consecuencia.

Según las especificaciones de diseño conocidas para un radiador de guía de ondas, su diámetro mínimo suele estar en el intervalo de una longitud de onda de la frecuencia de funcionamiento. La extensión del radiador de la guía de ondas en la dirección de las ondas incidentes suele estar en el intervalo de algunas longitudes de onda de la frecuencia operativa.

Dado que los polarizadores (5a) y (5b) y su distancia (por ejemplo, media longitud de onda) entre sí también están diseñados en función de la longitud de onda de la frecuencia de funcionamiento según los procedimientos conocidos de adaptación de la impedancia, las dimensiones del actuador de fase siempre están en el intervalo de las dimensiones del radiador de la guía de ondas.

A una frecuencia de 20 GHz, por ejemplo, las dimensiones del elemento de control de fase (3) suelen ser inferiores a una longitud de onda, es decir, aproximadamente 1 cm x 1 cm. Si el soporte (4) se diseña como un empaque dieléctrico y la constante dieléctrica se elige correspondientemente grande, entonces también se pueden realizar factores de forma mucho más pequeños. Las pérdidas óhmicas aumentan entonces ligeramente, pero todavía se encuentran solo en el intervalo de porcentajes.

Otros ejemplos de realización de la invención se explican en las siguientes figuras, las que muestran:

Figura 5

Figura 6

Figura 7

Figura 8

Figura 9

Figura 10

La Fig. 5 muestra un

64 elementos de antenas de conjunto en fase (1).

Los elementos de la antena (1) están dispuestos en un campo bidimensional y las líneas de control (10) de las unidades de accionamiento (7) de los elementos individuales de la antena controlada por fase (1) están conectadas a una unidad de microprocesador (13) como ordenador.

Con la ayuda de tales disposiciones bidimensionales de elementos de antena de conjuntos en fase (1), el lóbulo principal del diagrama de antena del campo de antenas, que forma un conjunto de antenas bidimensionales, puede girarse en cualquier dirección en el hemisferio por encima del conjunto.

La alineación del haz de la antena (“antenna beam”) se efectúa de manera análoga a la representación de la Fig. 3a controlando las unidades de accionamiento (7) de los elementos individuales de la antena por medio de la unidad de microprocesador (13) de tal manera que los actuadores de fase de los elementos individuales de la antena (1) se giran de tal forma que prevalece una cierta relación de fase relativa entre los elementos de la antena (1) del conjunto de antenas.

La precisión de la alineación del haz principal es muy alta, porque la posición de fase de las señales irradiadas o recibidas por los elementos individuales de la antena (1) puede ajustarse como se desee, y en principio con la misma precisión, con la ayuda del control de fase.

Esta es otra ventaja importante de esas antenas de conjuntos de antenas en fase, por ejemplo, en comparación con las antenas de conjuntos de antenas en fase que utilizan actuadores de fase binarios. Esto se debe a que con los actuadores binarios, la posición de fase de las señales individuales sólo puede, en principio, ajustarse granularmente en determinados pasos. Por lo tanto, en principio no es posible una alineación de alta precisión del patrón de la antena.

La recepción o transmisión directa de señales con polarización lineal por el conjunto de antenas en fase es posible mediante el uso de elementos especiales de antena en fase (1).

Tal elemento de antena se muestra en la Fig. 6 y se caracteriza porque se colocó al menos un polarizador adicional (15) en el radiador de la guía de ondas (2) del elemento de la antena de conjunto en fase (1) antes del actuador de fase (3), que puede transformar las señales de polarización lineal en señales de polarización circular, y se acopla al menos un polarizador adicional (16) después del actuador de fase (3) y antes de del acoplamiento (8), que puede transformar las señales de polarización circular en señales de polarización lineal.

El actuador de fase (3) consta además del soporte (4) y los polarizadores (5a) y (5b) y dispone de una unidad de accionamiento (7) que está conectado por medio del elemento de conexión (6) al actuador de fase (3) o al soporte (4) de tal manera que se puede girar el actuador de fase (3) en el radiador de la bocina (2).

Debido a que el primer polarizador adicional (15) convierta una señal incidente con polarización lineal en una señal con polarización circular, es posible que el actuador de fase (3) cumpla fácilmente su función.

El polarizador (16), que está colocado después del actuador de fase (3) y antes del desacoplamiento (8), transforma entonces la señal de polarización circular generada por el actuador de fase (3) en una señal de polarización lineal que puede desacoplarse directamente del correspondiente desacoplamiento (8) en modo lineal.

La función de la disposición nuevamente es totalmente recíproca. En el caso de la transmisión, el acoplamiento (8) excita un modo lineal en el radiador de la guía de ondas (2), que se transforma en un modo circular por el segundo polarizador (16). Una posición de fase dependiente del ángulo de rotación del actuador de fase (3) sobre el eje (11) es impresa en este modo circular por el actuador de fase (3). La señal de polarización circular con la posición de fase fijada, que sale del actuador de fase (3), es transformada por el primer polarizador adicional (15) en una señal con polarización lineal y la posición de fase impresa y es irradiada por el radiador de guía de ondas (2) del elemento de antena (1).

La disposición que se muestra en la Fig. 6 también funciona para dos polarizaciones lineales ortogonales incidentes simultáneos si el desacoplamiento o acoplamiento de la señal (8) se diseña en consecuencia para dos modos lineales ortogonales, por ejemplo, como se muestra en la Fig. 3.

También es posible la transmisión y recepción simultánea de señales de la misma o diferente polarización.

Una realización del elemento de la antena mostrado en la Fig. 6 se muestra en forma esquemática en la Fig. 7.

El desacoplamiento o acoplamiento de la señal (8) se realizó en una sola pieza como una línea de microcintas sobre un sustrato, de forma análoga a la ilustración de la Fig. 2.

Los polarizadores adicionales (15) y (16) están cada uno incrustados en una empaquetadura dieléctrica (17a) o (17b) y normalmente están montados de forma permanente en el radiador de la guía de ondas (2). La terminación de la guía de onda debajo del desacoplamiento o acoplamiento de la señal (8) también está completa con una empaquetadura dieléctrica (17).

Esta estructura tiene la ventaja de que todo el espacio interior del emisor de la guía de ondas (2) está completo con un dieléctrico típicamente similar y, por lo tanto, no pueden producirse discontinuidades de modo.

El polarizador (16) y su relleno dieléctrico (17a), al igual que el relleno dieléctrico (17), presentan un rebaje para el elemento de conexión (6) análogo al sustrato (véase la Fig. 2 (81)), de modo que se pueda girar libremente el elemento de conexión (6).

Análogamente a la extracción en dos partes (8a, b) que se muestra en la Fig. 3a y la Fig. 3b, el desacoplamiento (8) del ejemplo de realización de la Fig. 7 también puede conformarse para dos modos lineales ortogonales.

Para compensar la rotación de la polarización de una onda incidente, también es concebible conformar el primer polarizador adicional (15) para que sea giratorio y equiparlo con un accionamiento independiente, de modo que este polarizador (15) pueda girar alrededor del eje (11) independientemente del elemento de control de fase (3) en el radiador de la guía de ondas (2).

Tal disposición es particularmente ventajosa cuando, en las disposiciones móviles, el movimiento del soporte causa una rotación del vector de polarización de la onda incidente con respecto al conjunto de antenas montadas fijamente en el soporte.

Como esa rotación de la polarización por lo general es independiente de la rotación de la fase que sirve a la orientación espacial del haz de la antena, debe ser posible girar el polarizador (15) independientemente de la rotación del actuador de fase (3).

En la Fig. 8 se muestra esquemáticamente un ejemplo de diseño correspondiente.

El primer polarizador adicional (15) está montado de forma rotatoria en el radiador de la guía de ondas (2) y conectado a su propio accionamiento (19) por medio de un eje (18), de modo que el accionamiento (19) puede girar el polarizador (15) alrededor del eje (11).

La rotación independiente del polarizador (15) de la rotación del actuador de fase (3) se concretó de manera tal en el ejemplo de realización de la Fig. 8 que el eje (6), que conecta el actuador de fase (3) con su unidad de accionamiento (7), se realizó como un eje hueco. En este eje hueco se encuentra el eje (18) que conecta el polarizador (15) con su accionamiento (19).

Dado que el plano de polarización de un eje con polarización lineal solo se define en un intervalo angular de 180°, un intervalo angular de -90° a 90°, es decir, una rotación semicircular, es suficiente para la rotación del polarizador (15).

El segundo polarizador adicional (16) está montado en forma fija en el radiador de la guía de ondas (2), ya que su orientación determina la orientación del modo lineal que está acoplado hacia fuera o hacia dentro por el desacoplamiento o acoplamiento (8). Por lo tanto, la orientación fija del polarizador (16) está determinada por la posición del desacoplamiento o acoplamiento (8).

Si el desacoplamiento o acoplamiento (8) se implementa en dos partes, por ejemplo, como en el ejemplo de realización de las Figs. 3a y 3b, también se puede prescindir del polarizador (16), ya que la señal con polarización circular generada por el elemento de control de fase contiene en principio toda la información de la onda incidente. Para recombinar la señal original, se puede utilizar un acoplador híbrido de 90°, por ejemplo, en el que se introduce la señal dividida en los componentes de acoplamiento (8a) y (8b).

En el caso del conjunto de antenas en fase, debido al diseño del control de fase de acuerdo con la invención, solo se requiere entonces un único acoplador híbrido de 90°, que puede integrarse, por ejemplo, en la red de alimentación (12) en la base de la red de alimentación (12) del conjunto de antenas.

Dado que las rotaciones de polarización de una onda incidente de polarización lineal afectan de la misma manera a todos los elementos de la antena de un conjunto de antenas en fase, también es concebible una realización en la que se colocó un polarizador giratorio por encima de la antena del sistema.

En la Fig. 9 se muestra en la forma esquemática un ejemplo de un conjunto de antenas, que consiste en elementos del conjunto de antenas en fase (1) de acuerdo con la invención, y que está equipado con un polarizador (21), que se encuentra situado en forma girable sobre el conjunto de antenas.

El conjunto de antenas de la Fig. 9 consta de 52 elementos de antena (1), que están dispuestos en un círculo en un campo bidimensional. Un polarizador común (21) está colocado en forma giratoria sobre el conjunto de antenas, que cubre una pluralidad, en particular también todos los elementos de la antena (1).

El polarizador (21) está diseñado aquí como un polarizador de meandro y puede ser girado alrededor de un eje (22) que es perpendicular al campo de la antena.

Si entonces una onda de polarización lineal incide en la disposición, se puede girar el polarizador (21) para transformar esta onda de polarización lineal en una onda de polarización circular.

En un polarizador de meandro, este es un ángulo de rotación donde los ejes de las líneas del meandro forman un ángulo de 45° con el vector de polarización de la onda incidente. Otros ángulos de rotación darían como resultado una onda con polarización elíptica general.

La señal así transformada en una señal de polarización circular se introduce en los elementos del conjunto de antenas en fase (1), que se diseñan, por ejemplo, según los ejemplos de realización descritos en las Fig. 3, 7 u 8. La posición de fase de la señal puede entonces ajustarse de nuevo de la manera descrita anteriormente a través de los elementos de control de fase (3) de los elementos individuales de la antena (1) y en consecuencia puede controlarse el haz principal del conjunto de antenas.

En la Fig. 10 se muestra esquemáticamente otra realización de la invención. El conjunto de antenas consiste en un conjunto bidimensional de 16 elementos de antena de conjunto en fase (1) dispuestos en un cuadrado. Sin embargo, a diferencia de los ejemplos de realización anteriores, no todos los elementos de la antena tienen su propia unidad de accionamiento (7), sino que 4 elementos de la antena situados en una fila tienen un accionamiento común. Las unidades de accionamiento (7) se conectan a cada uno de los actuadores de fase (3) de los 4 elementos de la antena (1) por medio de los elementos de conexión (6).

La fila de arriba no dispone de accionamiento. Los actuadores de fase de estos elementos de la antena se ajustan al mismo valor y así determinan la fase de referencia j . Dado que la alineación del haz principal del conjunto de antenas depende sólo de las posiciones de fase relativas de las señales de los elementos de la antena, en forma muy general es posible tal disposición.

Pero las direcciones en las que puede barrerse el haz principal el conjunto de antenas están restringidas por esta disposición a un plano perpendicular al campo bidimensional de la antena y paralelo a la línea A A' en la Fig. 10. El haz principal solo puede ser girado en este plano.

Si los actuadores de fase de las diferentes filas del conjunto de antenas entonces se ajustan con la ayuda de los accionamientos (7) de modo que haya una diferencia de fase relativa fija de D j entre las filas, el haz de la antena del conjunto de antenas se aleja de la normalidad del campo bidimensional en este plano. El ángulo de giro nuevamente es a la diferencia de fase D j.

Aunque para muchas aplicaciones, la restricción del intervalo de giro a un plano no tiene por qué ser una limitación del intervalo funcional del conjunto de antenas formado de esta manera.

Si la antena del conjunto está montada en un soporte giratorio (23) y puede ser girada alrededor de un eje perpendicular al campo de la antena, entonces el haz principal del conjunto puede ser dirigido de nuevo en cualquier dirección en el hemisferio por encima del conjunto.

La ventaja de esta realización es que el número de unidades de accionamiento (7) necesarias se reduce considerablemente. En general, si N define el número de elementos de antena de un conjunto de antenas, entonces tan solo se requieren VN unidades en lugar de N unidades. Además, solamente se requiere una unidad para la rotación del conjunto de antenas.

Para aplicaciones en las que solo se requiere un perfil bajo del conjunto de antenas y en las que no se necesitan velocidades de giro del haz demasiado altas, la realización, por lo tanto, puede ser ventajosa.

Dado que el intervalo de giro en un plano perpendicular al campo de la antena cubre un intervalo angular de -90° a 90°, el intervalo angular requerido para rotar el conjunto de antenas también solamente es de 180°. Por lo tanto, no es necesaria una rotación completa. No se requieren complejos sistemas de alimentación rotativa de alta frecuencia. En una realización sencilla, no representada acá, el conjunto de antenas está montado en un alojamiento de lecho plano y es girado por un accionamiento situado externamente y las líneas de señal, así como las líneas de alimentación y control de las unidades son conducidas al conjunto de antenas por medio de cables flexibles y envolturas de cables (“cable wraps”).

Las unidades de accionamiento (7) de las filas individuales pueden, por ejemplo, girar los ejes de los actuadores de fase (3) de los elementos de antena (1) de una fila con la ayuda de ruedas dentadas o correas de transmisión. También es posible usar engranajes de tornillo sinfín o accionamientos de tornillo sinfín, por ejemplo, como elementos de conexión (6).

Lista de referencias

Elementos de antena 1

Radiadores de guía de ondas 2

Actuador de fase 3

Soporte 4

Polarizador 5a, 5b

Elemento de conexión 6

Unidad de accionamiento 7

Desacoplamiento / acoplamiento de señal, línea de microcintas 8, 8a, 8b

Soporte 9

Líneas de control 10

Eje de giro 11

Sistema de alimentación 12, 12a, 12b

Ordenador, microprocesador 13

Onda 14, 14a, 14b, 14c

Polarizadores adicionales 15, 16

Cuerpo de relleno 17, 17a, 17b Eje del polarizador adicional 18 Accionamiento del polarizador adicional 19 Polarizador para varios elementos de antena 21

Eje del polarizador 22

Soporte giratorio 23

Sustrato 81

Rebaje 82

Contacto continuo de electricidad 83

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Conjunto de antenas en fase, con al menos cuatro elementos de antena en fase (1) conectados a través de al menos una red de alimentación (12), en donde un elemento de antena en fase (1) consiste en

• un radiador de guía de ondas (2) con un desacoplamiento o acoplamiento de señal (8),

• un actuador de fase (3), que se monta en forma giratoria en el radiador de guía de ondas (2) y que contiene un soporte (4) y al menos dos polarizadores (5a, 5b), en donde cada uno de los al menos dos polarizadores (5a, 5b) puede convertir una señal de polarización circular en una señal de polarización lineal para producir una onda (14a) con polarización circular y fase incidente j en el radiador de guía de ondas (2) por medio de un primer polarizador (5a) de los al menos dos polarizadores (5a, 5b) del actuador de fase (3) en una onda (14b) con polarización lineal y convertir esta onda (14b) de polarización lineal de nuevo en una onda (14c) con polarización circular mediante un segundo polarizador (5b) de los al menos dos polarizadores (5a, 5b) del actuador de fase (3),

• un elemento de conexión (6), y

• una unidad de accionamiento (7) montada en un soporte (9), que está conectada al actuador de fase (3) a través del elemento de conexión (6) de tal manera que la unidad de accionamiento (7) puede girar el actuador de fase (3) alrededor de un eje (11) del radiador de ondas (2), de modo que mediante el giro del elemento de conexión (6) y por lo tanto también de los dos polarizadores (5a, 5b) en un ángulo A0, la onda de polarización del eje lineal (14b) entre los dos polarizadores (5a, 5b) puede girarse en el ángulo A0 en un plano perpendicular a la dirección de propagación, presentando la onda de polarización circular (14c), por lo tanto, una nueva posición de fase de j 2 A0, y

• una unidad de cálculo (13) que está conectada mediante líneas de control (10) con las unidades de accionamiento (7) de los elementos de antena en fase (1) y ajusta la rotación de los respectivos actuadores de fase (3).

2. Conjunto de antenas de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el radiador de guía de ondas (2) está diseñado como radiador de bocina.

3. Conjunto de antenas de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde los polarizadores (5a,5b) están colocados perpendicular al eje (11) del radiador de guía de ondas (2) y paralelos entre sí en el soporte (4).

4. Conjunto de antenas de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde los polarizadores (5a,5b) están configurados como polarizadores de meandro.

5. Conjunto de antenas de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde los polarizadores (5a,5b) presentan una forma simétrica al eje de giro (11).

6. Conjunto de antenas de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde el elemento de conexión (6) está configurado como un eje que conecta el actuador de fase (3) con la unidad de accionamiento (7).

7. Conjunto de antenas de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde la unidad de accionamiento (7) contiene un motor eléctrico o un motor piezoeléctrico o un actuador en el que el actuador contiene materiales electroactivos.

8. Conjunto de antenas de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde el elemento de conexión (6) o la unidad de accionamiento (7) están provistos del sensor de posición angular.

9. Conjunto de antenas de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde el acoplamiento o desacoplamiento de la señal (8) contiene una estructura metálica en forma de bucle o de clavija, que se implementa en la técnica de línea de microcinta y/o en dos partes de manera tal que dos modos ortogonales del radiador de guía de ondas (1) pueden acoplarse o desacoplarse por separado.

10. Conjunto de antenas de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde el radiador de guía de ondas (2) contiene al menos un cuerpo de relleno dieléctrico adicional que rellena por completo o parcialmente el radiador de guía de ondas (2).

11. Conjunto de antenas de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde entre la apertura del radiador de guía de ondas (2) y el actuador de fase (3) y/o entre el actuador de fase (3) y el acoplamiento o desacoplamiento de la señal (8) está montado al menos un polarizador (15, 16) adicional que puede transformar una señal con polarización lineal en una señal con polarización circular, en el radiador de guía de ondas (2).

12. Conjunto de antenas de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el al menos un polarizador (15) adicional está colocado entre la abertura del radiador de guía de ondas (2) y el actuador de fase (3) de forma giratoria en el radiador de guía de ondas (2), y que dispone de una unidad de una accionamiento (19) adicional y un eje (18) adicional, de modo que la unidad de accionamiento (19) puede girar el polarizador (15) alrededor del eje (11) del radiador de guía de ondas (2) independientemente del actuador de fase (3) por medio del eje (18).

13. Conjunto de antenas de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los elementos de antena en fase (1) están montados en un campo de antenas mono- o bidimensional.

14. Conjunto de antenas de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, con un polarizador (21) que está colocado de forma giratoria sobre una pluralidad de elementos de antena en fase (1) de tal manera que una onda incidente de polarización lineal puede convertirse en una onda de polarización circular.

15. Conjunto de antenas de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde los elementos de antena en fase (1) del conjunto de antenas están dispuestos en filas, en donde cada fila de elementos de antena (1) dispone de una unidad motriz (7) común y una pluralidad de elementos de conexión (6), de modo que los actuadores de fase (3) de esta fila pueden ser girados por esta unidad motriz (7).