ES2866550T3 - Antenas - Google Patents

Abstract

Una matriz de elementos (20) de muesca en un sustrato para una matriz de antenas, cada elemento (20) de muesca de la matriz se forma sobre el sustrato, cada elemento de muesca comprende una primera región (26) y una segunda región (28), en la que la primera región (26) es adyacente a un borde (30) del sustrato y tiene la forma de un polígono simétrico que tiene un eje (29) de simetría normal al borde (30) del sustrato, y en donde las primeras regiones de elementos (20) de muesca que están situados directamente adyacentes entre sí son contiguas para proporcionar una primera región continua adyacente al borde (30) del sustrato; caracterizado por que la primera región tiene una dimensión paralela al borde que es mayor que su dimensión normal al borde.

Description

DESCRIPCIÓN

Antenas

Esta invención se refiere a antenas y se refiere más específicamente a elementos radiantes de muesca utilizados en matrices de antenas.

Los elementos radiantes son pequeñas antenas que tienen un patrón de radiación amplio. Se utilizan como elementos radiantes individuales en una antena de matriz escaneada electrónicamente (ESCAN). Los elementos están normalmente dispuestos en una cuadrícula rectangular o triangular con un módulo de transmisión / recepción (TRM) detrás de cada elemento. Estos TRM contienen desplazadores de fase que permiten dirigir el haz principal de la antena eligiendo un conjunto de ponderaciones de amplitud y fase que representan un ángulo de haz particular.

Una clase de estas antenas que se han adoptado ampliamente se denominan Antenas de Ranura Cónica (TSA) o elementos Vivaldi. Una ventaja de estos elementos TSA o Vivaldi es que se fabrican fácilmente mediante la impresión en una placa de circuito impreso de microondas comercial. Una serie de estos elementos comprende dos placas, cada una de las cuales tiene ranuras cónicas impresas en las superficies exteriores. Una línea de entrada de transmisión, conocida como línea de banda, se encuentra entre las placas, en sus superficies internas, antes de que las placas se unan. Un diseño conocido de este tipo se ilustra en la Figura 1. También se conoce la construcción de una matriz de estos elementos que tienen una sola placa con ranuras cónicas impresas en un lado y una línea de entrada de transmisión unida al otro lado.

Los elementos Vivaldi son ahora bien conocidos y se han propuesto varios diseños diferentes de los mismos para cumplir con diferentes requisitos. Al diseñar estos elementos, es importante asegurarse de que casi toda la energía que se alimenta al elemento a través de la línea de banda 11 se irradie realmente al espacio libre a través de la ranura 12 cónica en la parte superior del elemento (ver Figura 1). Un problema común es que la entrada de energía puede reflejarse desde el puerto 13 de entrada de línea de banda en lugar de irradiarse. Además, el acoplamiento mutuo entre los elementos de la matriz también contribuye a esta potencia reflejada. Es importante asegurarse, al diseñar estos elementos, que la potencia reflejada (coeficiente de reflexión) se minimice en todos los ángulos de exploración y frecuencias en las que opera la matriz. Convencionalmente, un elemento radiante está diseñado para operar en un rango de ángulos dentro de un cono que tiene un semi ángulo de 60 grados.

Cada uno de los elementos 10 mostrados en la Figura 1 tiene una longitud L, medida en una dirección normal al borde del sustrato. La longitud L es típicamente de 1 a 2 veces la longitud de onda de la radiación que genera el elemento, para permitir el funcionamiento en anchos de banda amplios. El ancho de banda alcanzado suele ser superior a una octava cuando se emplea en el espacio libre.

El espaciado entre los elementos adyacentes de una matriz de antenas, una parte del cual se muestra en la Figura 2, debe ser inferior a la mitad de una longitud de onda a la frecuencia máxima de funcionamiento, en una cuadrícula rectangular, para evitar lóbulos de rejilla (imágenes del haz principal) ocurriendo. Esto tiene el efecto de limitar la frecuencia de funcionamiento más baja, donde la longitud de onda es más larga, porque los elementos deben ser más anchos donde la longitud de onda es más larga. Sin embargo, esta dimensión está limitada porque el espacio entre los elementos adyacentes debe ser inferior a la mitad de una longitud de onda en la parte superior de la banda para evitar la aparición de lóbulos de rejilla.

Además, para aumentar la frecuencia superior a la que opera un elemento Vivaldi en una matriz ESCAN, es necesario reducir la separación física entre los elementos desde, por ejemplo, unos 15 mm para un límite superior teórico de 10 GHz a unos 7,5 mm para un límite superior teórico de 20 GHz. Esto tiene el efecto de limitar aún más la frecuencia más baja a la que pueden operar los elementos, porque la ranura del elemento no es lo suficientemente ancha para las longitudes de onda en el extremo inferior de la banda.

Para abordar estos problemas, se puede proporcionar un perfil de elemento de muesca simple, como se muestra en la Figura 3, que ilustra un par de dichos elementos adyacentes en una matriz de los mismos. Cada elemento 20 se forma retirando el revestimiento de un sustrato 22 revestido con un material eléctricamente conductor de una manera convencional. Los elementos formados tienen menos de la mitad de la altura del elemento radiante Vivaldi comparable que se muestra en la Figura 1 (es decir, tienen una longitud de aproximadamente la mitad de la longitud de onda en la frecuencia central). En esta disposición, debe entenderse que el sustrato se forma como un laminado con una línea de banda intercalada entre las capas del laminado. Las capas del laminado son proporcionadas por dos placas de circuito impreso dispuestas en una relación espalda con espalda y el reverso (no mostrado en la Figura 3) del laminado es sustancialmente similar a la vista mostrada en la Figura 3 ya que los elementos están alineados. en las dos superficies externas. Las superficies externas del sustrato laminado están acopladas eléctricamente mediante vías 23 que se extienden a través del sustrato. Cabe señalar que la disposición de las vías 23 es una elección arbitraria por parte de un diseñador experto, por lo que están disponibles otras opciones además de las mostradas.

Preferiblemente, cada elemento o matriz de elementos se fabrica utilizando dos placas, comprendiendo cada placa un material dieléctrico que tiene una capa de cobre que recubre ambos lados. Para una primera placa, las áreas del recubrimiento de metal se eliminan de una superficie para formar los elementos y de la otra superficie para formar la línea de alimentación. Para una segunda placa, las áreas del revestimiento de metal se eliminan de manera similar para formar los elementos y el otro lado tiene todo el revestimiento de metal eliminado. Las dos placas están unidas entre sí de modo que los elementos se colocan en las superficies exteriores y se proporciona una línea de alimentación en el medio, entre las superficies internas de las placas.

Como puede verse en la Figura 3, los elementos 20 de muesca comprenden cada uno una región 26 delantera que es de forma rectangular, y una región 28 trasera o interior que también es de forma rectangular. Las dos regiones están centradas en un eje 29 que es perpendicular a un borde 30 del sustrato 22 y se puede ver que el ancho de la región 26 frontal es mayor que la dimensión (o longitud) de la región en la dirección normal al borde del sustrato 22. La región 26 frontal está formada contigua a la región 28 trasera, que es de dimensiones más pequeñas que la región frontal y tiene un ancho que es menor que su longitud y que es menor que el ancho de la región 26 frontal.

La longitud total de cada elemento 20, es decir, de las longitudes combinadas de las regiones delantera y trasera, es, como se indicó anteriormente, menos de la mitad de la del elemento Vivaldi que se muestra en la Figura 2. Sin embargo, el elemento puede alcanzar anchos de banda comparables a los disponibles del elemento Vivaldi, mucho más largo, que se muestra en las Figuras 1 y 2. El límite de frecuencia superior del ancho de banda depende del espaciado S entre elementos de muesca adyacentes. El límite de frecuencia inferior depende del tamaño de los elementos de muesca. En una cuadrícula rectangular, el elemento puede alcanzar un ancho de banda de hasta una octava. Los ángulos de exploración disponibles son nominalmente un semicono de 60 grados, aunque hay algunas frecuencias y planos en los que el límite está más cerca de los 50 grados.

Se señaló anteriormente que el límite de frecuencia superior de un elemento está limitado por el espaciado entre elementos adyacentes. Por lo tanto, un espaciado más estrecho significa un aumento en el límite superior de frecuencia. Sin embargo, a medida que se reduce el espaciado de la cuadrícula, el ancho del metal entre dos elementos se reduce. Por tanto, una ventaja de tal disposición de elementos es que mantiene sustancialmente el rango de frecuencia más bajo, ya que los elementos conservan las mismas dimensiones, pero aumenta el rango de frecuencia más alto a medida que disminuye la separación entre los elementos, con respecto a un elemento Vivaldi.

Como tal, la presente invención proporciona un elemento radiante y preferiblemente una red de antenas que buscan abordar las limitaciones anteriores.

US6239761, WO97/15094, US6317094, EP0831550 US5202698, y WUNSCH G J ET AL, "FULL AND PARTIAL CROSSWALLS BETWEEN UNIT CELLS OF ENDFIRE SLOTLINE ARRAYS", TRANSACCIONES IEEE SOBRE ANTENAS Y PROPAGACIÓN, CENTRO DE SERVICIO IEEE, PISCATAWAY, Nueva Jersey, EE.UU., (200006), vol.

48, n.° 6, ISSN 0018-926X, páginas 981 - 986, describen otros ejemplos de matrices de antenas de elementos de muesca.

Por consiguiente, la presente invención proporciona una matriz de elementos de muesca para una matriz de antenas según la reivindicación 1.

Es preferible que la región trasera tenga la forma de un polígono que tenga un eje de simetría normal al borde del sustrato. Además, es preferible que la región trasera tenga una dimensión paralela al borde más pequeña que su dimensión normal al borde.

Preferiblemente, el eje de simetría normal al borde del sustrato puede ser el mismo para las regiones delantera y trasera. Más preferiblemente, las regiones delantera y trasera son ambas sustancialmente rectangulares. Es preferible proporcionar una pluralidad de estos elementos de muesca sobre un sustrato en una disposición uniformemente espaciada.

Preferiblemente, se proporciona una línea de banda eléctricamente conductora para acoplar los elementos de muesca a una fuente común.

También es posible que los elementos de muesca se proporcionen en una sola superficie del sustrato. Preferiblemente, el sustrato tiene superficies principales opuestas, se proporciona una capa de material conductor en cada superficie principal, y una matriz de dichos elementos de muesca está formada por la capa de material conductor en cada superficie principal, de modo que los elementos de muesca en cada superficie principal están en alineación y correspondencia con el otro. Es preferible que los elementos de muesca estén alineados a lo largo de un borde de los mismos en dicha disposición espaciada uniformemente.

Debe entenderse que los elementos de muesca pueden proporcionarse con formas diferentes a las descritas a continuación en las realizaciones de la invención.

A continuación se describirán realizaciones específicas de la invención, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos que tienen números de referencia similares, en donde:

La Figura 1 es una ilustración esquemática de una parte de una superficie de una red de antenas que ilustra una antena de ranura cónica (TSA) o elementos Vivaldi, como se conoce en la técnica;

La Figura 2 muestra una vista de una red de antenas que utiliza los elementos TSA o Vivaldi mostrados en la Figura 1, como se conoce en la técnica;

La Figura 3 es una ilustración esquemática de una parte de una superficie de una red de antenas de la técnica anterior que ilustra dos elementos de muesca adyacentes proporcionados en un borde de un sustrato de una matriz de antenas;

La Figura 4 es una ilustración esquemática de una parte de una superficie de una red de antenas que ilustra cuatro elementos de muesca adyacentes proporcionados en un borde de un sustrato de una matriz de antenas de acuerdo con un aspecto de la presente invención; y

Las Figuras 5A y 5B son vistas esquemáticas de disposiciones de elementos de muesca según la presente invención dispuestos en una cuadrícula de 90 grados para proporcionar un funcionamiento de banda ancha con polarización dual.

Una disposición alternativa de elementos de muesca, de acuerdo con una realización preferida de la presente invención, puede extender el ancho de banda de frecuencia de una antena que incluye tales elementos de muesca eliminando el material conductor por completo entre los elementos adyacentes. Esta realización se muestra en la Figura 4 donde, como puede verse, no queda ningún espacio entre los elementos de muesca frontales formados por el revestimiento eléctricamente conductor en la superficie del sustrato.

En esta realización preferida, se proporciona una pluralidad de elementos 20 de muesca adyacentes entre sí en una matriz de los mismos. Cada elemento 20 se forma retirando el revestimiento de un sustrato 22 revestido con un material eléctricamente conductor de una manera convencional. Los elementos formados tienen menos de 1/2 de la altura del elemento radiante Vivaldi comparable que se muestra en la Figura 1 (es decir, tienen una longitud de aproximadamente la mitad de la longitud de onda en la frecuencia central). En esta realización, debe entenderse que el sustrato se forma como un laminado con una línea de banda intercalada entre las capas del laminado. Las capas del laminado son proporcionadas por dos placas de circuito impreso dispuestas en una relación espalda con espalda y el reverso (no mostrado en la Figura 4) del laminado es sustancialmente similar a la vista mostrada en la Figura 4 ya que los elementos están alineados en las dos superficies externas. Las superficies externas del sustrato laminado están acopladas eléctricamente mediante vías 23 que se extienden a través del sustrato. Cabe señalar que la disposición de las vías 23 es una elección arbitraria por parte de un diseñador experto, por lo que están disponibles otras opciones además de las mostradas.

Como puede verse en la Figura 4, los elementos 20 de muesca comprenden todos regiones 26 frontales adyacentes, de modo que se forma una región frontal continua, y una región 28 trasera o interior. Las regiones delantera y trasera, o interior, son rectangulares en forma y están centradas en un eje 29 que es perpendicular a un borde 30 del sustrato. Puede verse que el ancho de la región 26 frontal es mayor que la dimensión (o longitud) de la región en la dirección normal al borde 22 del sustrato. La región 26 frontal está formada de manera contigua a las regiones 26 frontales adyacentes. Además, la región 26 frontal está formada de manera contigua a la región 28 trasera, que tiene dimensiones más pequeñas que la región 26 frontal y tiene una anchura que es menor que su longitud y que es menor que la anchura de la región 26 frontal.

La longitud total de cada elemento 20, es decir, de las longitudes combinadas de la región 26 delantera y la región 28 trasera, es, como se indicó anteriormente, menos de la mitad de la del elemento Vivaldi que se muestra en la Figura 2. Como las regiones 26 frontales de los elementos 20 son contiguos, la separación entre los elementos se minimiza, permitiendo un límite de frecuencia superior más alto que el proporcionado en la realización antes mencionada mientras se retiene el límite de frecuencia inferior de la realización antes mencionada ya que el tamaño de los elementos permanece igual. Se ha calculado que cualquier matriz de estos elementos, y por lo tanto una matriz que comprenda esos elementos, puede funcionar en un ancho de banda extendido de frecuencia aproximada f1 <frecuencia <2.5 x f1 en un cono completo de 60 grados.

Aunque la construcción de las antenas de las Figuras 3 y 4 se crea sobre un sustrato laminado, debe entenderse claramente que la invención se puede implementar proporcionando una matriz de elementos de muesca en una sola superficie de un sustrato con la línea de banda requerida (normalmente llamada una microcinta en este caso) formada en una cara inversa del sustrato a partir de la cual se forman los elementos.

El resultado de extender el ancho de banda con elementos dispuestos en una antena de matriz como se describe es que, al colocar los elementos en una cuadrícula a 90 grados entre los planos de matriz vertical y horizontal, los elementos también pueden proporcionar operación de banda ancha de polarización dual, como se muestra en las Figuras 5A y 5B donde la Figura 5A es una ilustración esquemática de los módulos 52, 54 de elementos de muesca utilizados en la construcción de una cuadrícula de módulos como se muestra en la Figura 5B. Aquí, los módulos 54 verticales y los módulos 52 horizontales están dispuestos en un patrón de cuadricula utilizando postes 56 metálicos para asegurar los módulos 52, 54 en su lugar.

Para obtener una buena polarización cruzada en todos los ángulos de exploración, los elementos de dicha matriz de ^{elementos deben tener una longitud inferior a A / 2 en la dirección del eje de simetría. Esto proporciona un rendimiento} de polarización cruzada mejorado en comparación con el rendimiento de una matriz similar de elementos Vivaldi o una matriz de elementos de muesca.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Una matriz de elementos (20) de muesca en un sustrato para una matriz de antenas, cada elemento (20) de muesca de la matriz se forma sobre el sustrato, cada elemento de muesca comprende una primera región (26) y una segunda región (28), en la que la primera región (26) es adyacente a un borde (30) del sustrato y tiene la forma de un polígono simétrico que tiene un eje (29) de simetría normal al borde (30) del sustrato, y en donde las primeras regiones de elementos (20) de muesca que están situados directamente adyacentes entre sí son contiguas para proporcionar una primera región continua adyacente al borde (30) del sustrato; caracterizado por que la primera región tiene una dimensión paralela al borde que es mayor que su dimensión normal al borde.

2. Una matriz de elementos de muesca según cualquier reivindicación anterior, en la que la segunda región tiene la forma de un polígono que tiene un eje de simetría normal al borde del sustrato.

3. Una matriz de elementos de muesca según cualquier reivindicación anterior, teniendo la segunda región una dimensión paralela al borde y una dimensión normal al borde, en la que la dimensión paralela al borde es menor que la dimensión normal al borde.

4. Una matriz de elementos de muesca según cualquiera de las reivindicaciones 2 o 3, en la que el eje de simetría normal al borde del sustrato es el mismo para la primera y la segunda región.

5. Una matriz de elementos de muesca según cualquier reivindicación anterior, en la que la primera y la segunda regiones son ambas sustancialmente rectangulares.

6. Una matriz de elementos de muesca según la reivindicación 1, en donde los elementos de muesca se proporcionan en una sola superficie del sustrato.

7. Una matriz de elementos de muesca según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde se proporciona una microbanda eléctricamente conductora para acoplar los elementos de muesca a una fuente común.

8. Una matriz de elementos de muesca según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que el sustrato tiene superficies principales opuestas, se proporciona una capa de material conductor en cada superficie principal y una matriz de dichos elementos de muesca está formada por la capa de material conductor en cada superficie principal de modo que los elementos de muesca en cada superficie principal estén alineados con la otra.

9. Una antena que comprende la matriz de elementos de muesca de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en la que los elementos de muesca están alineados a lo largo de un borde de la antena en dicha disposición espaciada uniformemente.