ES2943121T3 - Elemento radiante con cavidad y red radiante con al menos dos elementos radiantes - Google Patents

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Abstract

El elemento radiante (10) comprende una cavidad (11) con simetría de revolución alrededor de un eje Z, un núcleo metálico central (12) que se extiende axialmente en el centro de la cavidad y N elementos planos elípticos (131, 132,..., 13N) distintos metales sucesivos, apilados unos sobre otros, paralelos a la pared inferior (15) de la cavidad, comprendiendo el núcleo central un extremo inferior fijado a la pared metálica inferior de la cavidad y un extremo superior libre (16), cada uno siendo el elemento plano metálico elíptico centrado en la cavidad e integral con el núcleo central, estando los N elementos planos elípticos regularmente espaciados y teniendo dimensiones decrecientes monótonamente entre el extremo inferior y el extremo superior del alma central, donde N es un número entero mayor que 2 . (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Elemento radiante con cavidad y red radiante con al menos dos elementos radiantes
La presente invención se refiere a una novedosa arquitectura de elemento radiante con cavidad y a una red radiante que comprende al menos dos elementos radiantes. Es especialmente aplicable al ámbito espacial y para aplicaciones de uno o varios haces.
Una fuente de radiofrecuencia utilizada en una antena consiste en un elemento radiante acoplado a una cadena de radiofrecuencia RF. En las bandas de baja frecuencia, por ejemplo la banda C, el elemento radiante suele consistir en una bocina y la cadena de RF incluye componentes de RF para realizar las funciones de transmisión y recepción en monopolarización o bipolarización para cubrir las necesidades de los usuarios. El enlace con las estaciones terrestres suele ser bipolar.
La masa y tamaño de las cadenas de radiofrecuencia RF son un punto crítico en el campo de las antenas espaciales para su uso a bordo de satélites, especialmente en la gama de bajas frecuencias, como la banda C. En la gama de altas frecuencias, por ejemplo en bandas Ka o Ku, existen elementos radiantes muy compactos cuya tecnología puede transponerse a la banda C, pero las fuentes de radiofrecuencia obtenidas siguen siendo voluminosas y masivas y plantean un problema de implantación cuando tienen que integrarse en una red focal que comprende un gran número de fuentes.
Existen elementos radiantes con cavidad que tienen la ventaja de ser compactos, pero estos elementos radiantes están limitados en términos de ancho de banda y sólo pueden utilizarse en monopolarización y en una única banda de frecuencia de funcionamiento o en dos bandas de frecuencia muy estrechas.
Los siguientes documentos divulgan elementos radiantes del estado de la técnica:
- US 2012/112977 A1
- RAWAT SANYOG ET AL, "Stacked elliptical patches for circularly polarized broadband performance", 2014 INTERNATIONAL CONFERENCE ON SIGNAL PROPAGATION AND COMPUTER TECHNOLOGY (ICSPCT 2014), IEEE, (20140712), doi:10.1 109/ICSPCT2014.6884942, páginas 232 -235
- US 5010348 A
- WEILY A R ET AL, "Circularly Polarized Ellipse-Loaded Circular Slot Array for Millimeter-Wave WPAN Applications", IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, (20091001), vol. II. 57, no. 10, doi:10.1109/TAP2009.2029305, ISSN 0018-926X, páginas 2862 - 2870
- KOUTSOUPIDOU MARIA ET AL, "A microwave breast imaging system using elliptical uniplanar antennas in a circular-array setup", 2015 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON IMAGING SYSTEMS AND TECHNIQUES (IST), IEEE, (20150916), doi:10.1109/IST.2015.7294522, páginas 1 -4
- US 2012/062440 A1
- XIN ZHANG ET AL, "Design of circularly polarized stacked microstrip antennas", ANTENNAS, PROPAGATION AND EM THEORY, 2008. ISAPE 2008. 8TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, (20081102), ISBN 978-1-4244-2192-3, páginas 11 - 14 WO2017/100126 A1
El objetivo de la invención es remediar las desventajas de los elementos radiantes conocidos y producir un nuevo elemento radiante compacto con un ancho de banda suficientemente amplio para permitir el funcionamiento en dos bandas de frecuencias disjuntas, respectivamente de transmisión y de recepción, en bandas de baja frecuencia, incluida la banda C, y permitiendo también el funcionamiento según dos polarizaciones circulares ortogonales, respectivamente derecha e izquierda.
Este objeto se resuelve mediante el objeto de la reivindicación independiente, las realizaciones preferentes se definen mediante las reivindicaciones dependientes.
Otras características y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto en la siguiente descripción, que se da a título de ejemplo puramente ilustrativo y no limitativo, con referencia a los dibujos esquemáticos adjuntos que muestran:
- figuras 1a, 1b, 1c: tres esquemas, respectivamente en sección axial, en perspectiva y en vista superior, de un ejemplo de elemento radiante de bipolarización, según la invención;
- figura 1d: un esquema en sección axial de una variante de realización del elemento radiante, según la invención; - figura 2: un gráfico que ilustra dos curvas de la radiación del elemento radiante de la figura 1, en función de la frecuencia, correspondientes respectivamente a una primera polarización circular y a una segunda polarización circular, según la invención;
- figuras 3a y 3b: dos esquemas, respectivamente en perspectiva y en vista superior, de un primer ejemplo de red radiante que comprende cuatro elementos radiantes, según la invención;
- figuras 4a y 4b: dos esquemas, respectivamente en perspectiva y en vista superior, de un segundo ejemplo de red radiante que comprende cuatro elementos radiantes, que no forman parte de la invención reivindicada.
El elemento radiante 10 mostrado en las Figuras 1a, 1b, 1c comprende una cavidad 11 con simetría de revolución alrededor de un eje Z, un núcleo central metálico 12 que se extiende axialmente en el centro de la cavidad 11 y N elementos planos metálicos diferentes 131, 132, ..., 13N, apilados unos encima de otros, paralelos entre sí y paralelos a una pared metálica inferior 14 de la cavidad 11, también denominada fondo de la cavidad, siendo N un número entero mayor que 2, estando los N elementos metálicos planos centrados en la cavidad e integrantes del núcleo central 12. El núcleo central 12 tiene un extremo inferior 15 unido a la pared metálica inferior 14 de la cavidad y un extremo superior libre 16. Cada elemento plano metálico 131, 132, ..., 13N, denominado elemento plano elíptico, tiene un contorno elíptico cuya orientación y dimensiones están definidas por la orientación y dimensiones del eje mayor y el eje menor de la elipse correspondiente. Para cada uno de los elementos planos elípticos 131, 132, ..., 13n , las dimensiones del eje mayor y del eje menor del mismo contorno elíptico son diferentes, siendo la relación entre la longitud del eje menor y la longitud del eje mayor preferentemente inferior a 0,99, y ventajosamente inferior a 0,9. Los N elementos planos elípticos 131, 132, ..., 13N están espaciados uniformemente a lo largo del núcleo central 12 y tienen dimensiones monótonamente decrecientes entre el extremo inferior 15 y el extremo superior 16 del núcleo central. Preferiblemente, la monotonía decreciente es estricta. Alternativamente, las dimensiones de algunos de los elementos planos elípticos pueden ser iguales, los elementos planos elípticos pueden no tener todos las mismas dimensiones. En una realización, las dimensiones de los N elementos planos elípticos son exponencialmente decrecientes, es decir, decrecientes según la función exponencial. Alternativamente, las dimensiones de los N elementos planos elípticos decrecen según una función polinómica. Por decrecimiento según una función polinómica se entiende que las dimensiones de los N elementos planos elípticos pueden determinarse mediante una parte monótona de una función f de tipo:
Figure imgf000003_0001
donde n es un número natural y an, an-1 , a-i, a0 son coeficientes reales de la función polinómica f.
La cavidad 11 está delimitada por la pared metálica inferior 14 y por las paredes metálicas laterales 17 y está llena de aire. El elemento radiante 10 comprende además al menos una fuente de alimentación consistente en una línea coaxial 18 conectada al primer elemento plano elíptico 131 situado más cerca del extremo inferior 15 del núcleo central 12. Así, sólo el primer elemento plano elíptico 131 se alimenta directamente de la línea coaxial 18. El primer elemento plano elíptico 131 irradia una onda de radiofrecuencia que se propaga en la cavidad y genera corrientes en la superficie de los otros elementos planos elípticos 132,..., 13N que luego se acoplan paso a paso por acoplamiento electromagnético inducido. El primer elemento plano elíptico 131 es, por tanto, un elemento plano excitador.
Los ejes mayores de las formas elípticas correspondientes a los diferentes elementos planos elípticos pueden estar todos orientados en una única dirección común o en direcciones diferentes. Los N elementos planos elípticos pueden estar todos alojados dentro de la cavidad como se muestra en las figuras 1a, 1b, 1c, pero esto no es obligatorio y alternativamente, algunos elementos planos elípticos correspondientes a las dimensiones más pequeñas y frecuencias más altas, pueden sobresalir de la cavidad como se muestra en la figura 1d
Cuando el elemento radiante comprende una única línea de alimentación coaxial 18, los distintos elementos planos elípticos 131, 132, ..., 13N se desplazan progresivamente en rotación entre sí alrededor del núcleo central 15, como se muestra por ejemplo en la Figura 1b. A continuación, los ejes mayores de las formas elípticas correspondientes a los distintos elementos planos elípticos se orientan en distintas direcciones. El desplazamiento en rotación de los distintos elementos planos elípticos, permite obtener una radiación del elemento radiante en polarización circular. El eje de radiación del elemento radiante corresponde al eje Z.
El gráfico de la figura 2 muestra las dos curvas 21, 22 de la radiación de un elemento radiante según la invención, en función de la frecuencia, estando el elemento radiante alimentado por una sola línea coaxial y comprendiendo elementos planos elípticos desplazados en rotación progresivamente uno respecto del otro como en las figuras 1a, 1b, 1c, 1d. El desplazamiento rotacional entre el primer y el enésimo elemento plano elíptico de los N elementos planos elípticos, es de aproximadamente 90°.
La primera curva 21 corresponde a la radiación del elemento radiante según una primera polarización circular en el sentido de avance y la segunda curva 22 corresponde a la radiación del elemento radiante según una segunda polarización circular en sentido inverso.
Como se muestra en estas dos curvas, con una sola línea de alimentación, el elemento radiante opera en dos anchos de banda diferentes muy amplios comprendidos entre 3,7GHz y 6,4GHZ y en cada ancho de banda las polarizaciones son diferentes e invertidas. En cada ancho de banda, los niveles de ganancia de polarización cruzada (en inglés: cross polarisation) son inferiores a -15 dB en comparación con los niveles de ganancia de la polarización operativa correspondiente.
Este elemento radiante permite, por tanto, operar en dos bandas de frecuencias diferentes distintas, por ejemplo de transmisión y de recepción, con polarizaciones diferentes y un buen nivel de ganancia.
Estas dos curvas 21, 22 muestran que la combinación de la cavidad con una pluralidad de elementos planos elípticos de diferentes dimensiones permite la radiación del elemento radiante en un ancho de banda mucho más amplio que los elementos radiantes convencionales. Esto se debe a que los elementos planos elípticos de mayores dimensiones participan en la radiación del elemento radiante a bajas frecuencias, mientras que los elementos planos elípticos de menores dimensiones participan en la radiación del elemento radiante a frecuencias más altas. El decrecimiento gradual de las dimensiones de los elementos planos elípticos a lo largo del núcleo central 12 permite una radiación continua en una amplia banda de frecuencias. Además, el funcionamiento con doble polarización circular se debe a un efecto natural especialmente notable que corresponde a una inversión natural del sentido de polarización en las bandas de frecuencias más altas.
Esta inversión natural del sentido de polarización, en la banda correspondiente a las frecuencias de funcionamiento más elevadas, por ejemplo la banda de recepción, es un efecto novedoso que nunca se ha encontrado en elementos radiantes convencionales y se debe a un acoplamiento entre el elemento excitador elíptico plano 131 y el fondo de la cavidad 14 constituido por la pared inferior de la cavidad. La reflexión, en el fondo de la cavidad 14, de las ondas de radiofrecuencia emitidas por el elemento excitador elíptico plano 131 y que corresponden a las frecuencias de funcionamiento más elevadas, invierte el sentido de la polarización.
El campo eléctrico correspondiente a las frecuencias más altas es reflejado por la pared inferior 14 de la cavidad y es remitido hacia la parte superior de la cavidad después de invertir el sentido de polarización. Por el contrario, el campo eléctrico correspondiente a las bajas frecuencias se emite directamente hacia la parte superior de la cavidad sin reflexión y sin inversión del sentido de polarización.
Es posible ensamblar varios elementos radiantes idénticos 10 para formar una red radiante plana bidimensional de grandes dimensiones como se ilustra por ejemplo en las Figuras 3a y 3b donde se muestran cuatro elementos radiantes de la red. En la red radiante, los diferentes elementos radiantes están dispuestos uno al lado del otro y sus respectivas cavidades están conectadas entre sí por una placa de soporte metálica común 30 que forma un plano de tierra metálico. Por supuesto, la red radiante no se limita a cuatro elementos radiantes, sino que puede tener cualquier número de elementos radiantes superior a dos. Sin embargo, debido a que los elementos radiantes tienen una apertura reducida a la mitad de la longitud de onda central de funcionamiento en la parte inferior de la banda de frecuencia de transmisión, los elementos radiantes se acoplan entre sí con altos niveles de campo que dan lugar a una pureza de polarización deteriorada. Para resolver este problema, según la invención, se han añadido elementos absorbentes 31 hechos de un material dieléctrico entre los elementos radiantes adyacentes y fijados a la placa de soporte metálica 30. Los elementos absorbentes son volúmenes de material dieléctrico que pueden tener cualquier forma, y pueden colocarse en las uniones entre cuatro elementos radiantes adyacentes, como se muestra en las figuras 3a y 3b. La altura de los elementos absorbentes puede variar en función de su posición en la red y de la frecuencia del acoplamiento parásito a eliminar. El material dieléctrico puede consistir, por ejemplo, en un material como el carburo de silicio SiC.
Además, como la conexión en red puede dar lugar a mayores niveles de polarización cruzada, los elementos radiantes adyacentes se disponen espacialmente de modo que sus respectivos elementos planos elípticos se orientan respectivamente en paralelo a dos direcciones X, Y mutuamente ortogonales, es decir, las direcciones de los ejes mayores de sus respectivos elementos planos elípticos son mutuamente ortogonales, como se muestra en la figura 3b. Al superponer varias elipses de campo ortogonales, esta disposición espacial secuencial de los sucesivos elementos radiantes mejora la pureza de las dos polarizaciones circulares generadas por los distintos elementos radiantes de la red y reduce significativamente los niveles de polarización cruzada en el eje de radiación de la red.
Según un ejemplo, que no forma parte de la invención reivindicada, los diferentes elementos planos elípticos de cada elemento radiante no están desplazados rotacionalmente entre sí, sino que los ejes mayores de sus respectivas formas elípticas están todos alineados en una dirección común.
En este caso, para el funcionamiento del elemento radiante en dos polarizaciones mutuamente ortogonales, cada elemento radiante 10 tiene dos líneas de alimentación coaxiales 18, 28 conectadas al primer elemento plano elíptico 131 situado más cerca del extremo inferior del núcleo central. Las dos líneas de alimentación coaxiales 18, 28 se conectan respectivamente en dos puntos de conexión diferentes del primer elemento plano elíptico 131, estando situados los dos puntos de conexión según dos direcciones diferentes del primer elemento plano elíptico 131, perpendiculares entre sí, pudiendo corresponder las dos direcciones, por ejemplo, a las direcciones del eje mayor y del eje menor de la forma elíptica del primer elemento plano elíptico 131. Así, sólo el primer elemento plano elíptico es alimentado directamente por las dos líneas coaxiales según dos polarizaciones ortogonales. En este caso, el elemento radiante 10 sólo puede funcionar en una banda de frecuencia y en bipolarización, ya que en este caso, no es posible seleccionar a la vez una banda de frecuencia y una única polarización. Según esta segunda realización, para el funcionamiento en transmisión y en recepción, es necesario entonces fabricar elementos radiantes de dimensiones diferentes adaptados respectivamente a una banda de frecuencias de funcionamiento dedicada a la transmisión o a una banda de frecuencias de funcionamiento dedicada a la recepción. Las figuras 4a y 4b ilustran un ejemplo de red, que no forma parte de la invención reivindicada, que comprende elementos radiantes según esta segunda realización de la invención. Como se muestra en la Figura 4b, los elementos radiantes adyacentes están dispuestos espacialmente de manera que sus respectivos elementos planos elípticos están orientados respectivamente en dos direcciones mutuamente ortogonales X, Y, es decir, las direcciones de los ejes mayores de sus respectivos elementos planos elípticos son mutuamente ortogonales.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Uso de un elemento radiante (10) con doble polarización circular, comprendiendo dicho elemento radiante (10) una cavidad (11) con simetría de revolución alrededor de un eje Z y una fuente de alimentación, estando la cavidad (11) delimitada por paredes laterales metálicas (17) y por una pared inferior metálica (14), comprendiendo además dicho elemento radiante (10) un núcleo central metálico (12) que se extiende axialmente en el centro de la cavidad (11) y N diferentes elementos planos metálicos elípticos sucesivos (131, 132, ...., 13N) apilados unos sobre otros, paralelos a la pared inferior (14) de la cavidad, teniendo el núcleo central (12) un extremo inferior (15) fijado a la pared metálica inferior (14) de la cavidad y un extremo superior (16) libre, teniendo cada elemento plano elíptico (131, 132, ..., 13N) un extremo inferior (16) fijado a la pared metálica inferior (14) de la cavidad, teniendo el núcleo central (12) un extremo inferior (15) fijado a la pared metálica inferior (14) de la cavidad y un extremo superior (16) libre, estando cada elemento plano elíptico (131, 132, ...13N) centrado en la cavidad (11) e integral con el núcleo central (12), siendo los N elementos planos elípticos no circulares, regularmente espaciados y con dimensiones monótonamente decrecientes entre el extremo inferior (15) y el extremo superior (16) del núcleo central (12), donde N es un número entero mayor que 2, estando la fuente de alimentación constituida por una línea coaxial (18) conectada al primer elemento plano elíptico (131) situado más cerca del extremo inferior (15) del núcleo central (12) y estando los N elementos planos elípticos sucesivos (131, 132, ...., 13N) desplazados gradualmente en rotación uno respecto del otro, alrededor del núcleo central (12).
2. Uso de un elemento radiante con doble polarización circular según la reivindicación 1, en el que los N elementos planos elípticos tienen dimensiones exponencialmente decrecientes.
3. Uso de un elemento radiante con doble polarización circular según la reivindicación 1, en el que los N elementos planos elípticos tienen dimensiones decrecientes según una función polinómica.
4. Uso de una red radiante con doble polarización circular, comprendiendo dicha red radiante al menos dos elementos radiantes (10) según se define en una de las reivindicaciones 1 a 3.
5. Uso de una red radiante con doble polarización circular según la reivindicación 4, en el que los elementos radiantes (10) están dispuestos uno al lado del otro sobre una placa portadora común (30).
6. Uso de una red radiante con doble polarización circular según la reivindicación 5, en el que los elementos radiantes adyacentes entre sí están dispuestos espacialmente de tal manera que sus respectivos elementos planos elípticos (131, 132, ..., 13N) están orientados respectivamente en dos direcciones mutuamente ortogonales.
7. Uso de una red radiante con doble polarización circular según la reivindicación 6, en el que la red radiante comprende además elementos dieléctricos absorbentes (31) dispuestos entre dos elementos radiantes adyacentes (10).
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