ES2952243T3

ES2952243T3 - Elementos radiantes de acceso múltiple

Info

Publication number: ES2952243T3
Application number: ES19212776T
Authority: ES
Inventors: Jean-Philippe Fraysse; Charalampos Stoumpos; Hervé Legay; Ségolène Tubau
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2023-10-30
Anticipated expiration: 2039-12-02
Also published as: EP3664214B1; US20200176878A1; FR3089358A1; US11444384B2; FR3089358B1; CA3063463A1; EP3664214C0; EP3664214A1

Abstract

Elemento radiante (700) que comprende al menos dos guías de potencia y una bocina (703) común a al menos dos guías de potencia y que tiene una interfaz de excitación (704), comprendiendo cada guía de potencia una guía de acceso (701,711) y una guía de excitación (702,712). conectado a la guía de acceso (701,711) mediante una interfaz de acceso y conectado al cuerno común (703) mediante la interfaz de excitación (704), estando cada guía de excitación (702,712) ensanchada en la dirección de la interfaz de acceso hacia la interfaz de excitación (704).), estando cada guía de excitación (702, 712) desprovista de un eje de simetría, estando dispuestas las dos guías de potencia simétricamente entre sí. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Elementos radiantes de acceso múltiple

La invención se refiere al campo general de las antenas, especialmente antenas de satélite, en particular antenas activas, antenas de red o antenas multihaz. Tales antenas comprenden varios elementos radiantes. La invención se refiere más específicamente a elementos radiantes compactos de acceso múltiple con alta eficiencia de radiación. Una antena de red está formada por elementos radiantes que deben cumplir determinadas características. En particular, deben tener una superficie radiante cuyas dimensiones máximas dependan de la frecuencia de funcionamiento y de la separación angular deseada entre el lóbulo principal generado por la antena y sus lóbulos de red. Teniendo en cuenta estas limitaciones dimensionales, deben ofrecer una eficiencia superficial máxima, es decir, cercana al 100%. La eficacia superficial caracteriza el coeficiente entre la directividad del elemento radiante y la que se obtendría con una abertura radiante que ocupara el espacio asignado al elemento radiante y sobre la que se impusiera una distribución uniforme del campo eléctrico. La maximización de la eficiencia superficial de los elementos radiantes permite optimizar la ganancia de la antena de red y reducir los niveles de los lóbulos red.

Cumpliendo estas restricciones, para una superficie de antena dada, la ganancia será máxima, y así será posible minimizar la potencia de los amplificadores de las antenas emisoras o maximizar la relación G/T de las antenas receptoras.

Los elementos radiantes también deben tener una huella pequeña y una masa baja y/o la capacidad de ser excitados de forma compacta en polarización única o doble y un ancho de banda compatible con la aplicación prevista.

Así pues, un problema general que la invención pretende resolver consiste en diseñar elementos radiantes que permitan obtener a la salida de la abertura radiante un campo eléctrico lo más uniforme posible respetando las restricciones de dimensionamiento impuestas. En particular, cada elemento de radiación debe ser compacto y tener un perfil corto.

En el estado de la técnica existen varias soluciones para el diseño de elementos radiantes para antenas de satélite. En general, todos utilizan estructuras metálicas para minimizar las pérdidas por inserción. En particular, las soluciones descritas en los documentos de patente FR 2477785, EP1930982 y FR2739226.

La figura 1 muestra un primer ejemplo de elemento radiante 100 según la técnica anterior. El elemento radiante de la figura 1 comprende una primera guía de ondas de acceso 101 y una segunda guía de ondas en forma de bocina 102 abocardada hacia la abertura radiante. En el ejemplo de la figura 1, la sección transversal de la bocina es cuadrada. Este tipo de elemento radiante conocido garantiza una transición suave entre la señal guiada a través de la guía de acceso 101 y la señal radiada a la salida de la bocina 102.

Sin embargo, el elemento radiante 100 mostrado en la Figura 1 tiene la desventaja de una baja eficiencia de radiación, ya que no es posible obtener un campo eléctrico uniformemente distribuido sobre su apertura. La estructura de la bocina 102 sólo favorece la propagación del modo fundamental de la onda excitada en la guía de acceso 101.

La figura 2 muestra una vista esquemática en sección transversal del elemento radiante 100. La curva 103 muestra la distribución de la densidad de campo eléctrico radiada en la abertura de la bocina 102. Como se muestra en la figura 2, la energía máxima del campo eléctrico radiado se alcanza en el centro de la abertura, mientras que la energía disminuye gradualmente desde el centro hacia los bordes de la abertura.

Para intentar obtener una distribución más homogénea del campo eléctrico sobre la apertura del elemento radiante, el perfil de la bocina puede modificarse como se describe en el ejemplo de la figura 3. En este ejemplo, la bocina 302 ya no tiene un perfil lineal recto, sino un perfil ondulado denominado "spline". Dicho perfil consiste en crear ondulaciones en la pared de la bocina 302 para excitar y controlar la propagación de los modos superiores de la onda radiada en el interior de la bocina. Este ejemplo se describe en la publicación (1). Gracias a este tipo de perfil, se obtiene una combinación adecuada de los diferentes modos de propagación de las ondas sobre la apertura radiante de la bocina 302, lo que da lugar a una distribución más homogénea del 303 campo eléctrico, como se muestra en la Figura 3. Sin embargo, la distribución del campo eléctrico sigue sin ser uniforme, ya que la energía disminuye hacia el centro de la apertura en esta imagen. En otras variantes de este tipo de bocina, el campo eléctrico puede tener más de dos máximos de energía, pero en todos los casos la distribución del campo eléctrico no es uniforme.

La figura 4 muestra otro ejemplo de un elemento radiante 400 como el descrito en la publicación (2). En este ejemplo, se utiliza una red de bocinas, cada una con una pequeña abertura, para obtener una mejor eficiencia de radiación global para la abertura radiante de la antena. El elemento radiante 400 se compone así de varios subelementos, cada uno de los cuales comprende una guía de acceso 401, 411 y una bocina 402, 412 del tipo descrito en la figura 1. Un distribuidor de potencia 404 garantiza la alimentación uniforme y en fase de los distintos subelementos de la red. La distribución 403 de la densidad del campo eléctrico irradiado en la abertura de la red de bocinas tampoco es uniforme. En particular, tiene un mínimo cercano a 0 en el centro de la distribución.

La solución mostrada en la figura 4 tiene la ventaja de utilizar subelementos radiantes con una apertura pequeña y que, por lo tanto, son mucho más cortos que un elemento radiante del tipo mostrado en la Figura 1. Esta solución permite desarrollar elementos radiantes compactos. Sin embargo, no es posible obtener una distribución uniforme del campo eléctrico sobre la apertura radiante, ya que, como muestra la curva 403 de la figura 4, el campo eléctrico tangencial se anula en las paredes metálicas de este elemento radiante, y se identifican niveles mínimos de campo eléctrico entre las diferentes bocinas 402, 412, lo que penaliza la eficiencia global de radiación. Otra desventaja de la solución mostrada en la figura 4 es que requiere el uso de un distribuidor de potencia 404 conectado a los subelementos radiantes para alimentarlos en fase. El divisor 404 debe respetar la malla de la antena y ser muy compacto para no penalizar el perfil general de la antena.

La figura 5 muestra otro ejemplo de elemento radiante 500 descrito en la patente USUS6211838. Esta solución consiste en una red de abertura radiante alimentada por un distribuidor de potencia integrado en la bocina 502 a medida que se abocarda. Esta solución tiene una eficacia de radiación comparable a la del ejemplo de la figura 4, con el mismo inconveniente de niveles mínimos de campo eléctrico entre las diferentes aberturas, como ilustra la curva de campo eléctrico 503.

La figura 6 muestra otro ejemplo de un elemento radiante 600 descrito en la solicitud de patente francesa solicitud de patente francesa FR3012917. En este ejemplo, el elemento radiante 600 está formado por varias cavidades Fabry-Pérot 603,613,604 superpuestas, siendo alimentado el conjunto por varias guías de acceso 602,612. Cada cavidad Fabry-Perot 603,613,604 es una cavidad metálica cerrada por una rejilla 606,616,626 que está configurada para reflejar parte de la señal inyectada en el centro de la cavidad hacia su periferia. Este enfoque proporciona una mejor eficiencia de radiación superficial que las soluciones descritas anteriormente, como se ilustra en la curva de campo eléctrico 605. Sin embargo, tiene el inconveniente de ser difícil de aplicar en una banda de frecuencias amplia garantizando al mismo tiempo una buena adaptación a los accesos.

Ninguna de las soluciones del estado de la técnica permite obtener una densidad de campo eléctrico verdaderamente uniforme a la salida de la bocina manteniendo al mismo tiempo la compacidad requerida para las aplicaciones de antenas activas.

La invención propone un nuevo tipo de elemento radiante basado en la excitación de una única abertura radiante por varios accesos. A diferencia de un conjunto conocido de elementos radiantes, el elemento radiante propuesto comprende una bocina común para todos los accesos que están acoplados a la bocina común en una interfaz de excitación y a través de guías de excitación.

El uso de una bocina común a varios accesos permite promover la excitación de los modos superiores de la onda en la superficie radiante, a diferencia de un conjunto convencional de elementos radiantes. Para controlar los niveles de excitación y la combinación de los distintos modos de propagación de las ondas por la abertura radiante, las guías de excitación también funcionan en varios modos. La excitación y el control de estos modos en las guías de excitación se consiguen en particular gracias a su disimetría.

La combinación de la excitación multipunto de un elemento radiante (que permite naturalmente una distribución más homogénea del campo eléctrico) con los numerosos parámetros de optimización proporcionados por la solución propuesta permite controlar más eficazmente la combinación de los diferentes modos de propagación a la salida de la abertura radiante sobre una distancia más corta en el eje de propagación de la señal que las soluciones conocidas. Como resultado, la solución propuesta permite desarrollar elementos radiantes que son a la vez muy eficientes y muy compactos.

La invención se refiere a un elemento radiante que comprende al menos dos guías de alimentación y una bocina común a las al menos dos guías de alimentación y que tiene una interfaz de excitación, siendo cada guía de alimentación distinta de las otras guías de alimentación, cada guía de alimentación está formada por una guía de acceso y una guía de excitación conectadas a la guía de acceso por una interfaz de acceso y conectadas a la bocina común por la interfaz de excitación, estando cada guía de excitación abocinada en la dirección desde la interfaz de acceso hacia la interfaz de excitación, cada guía de excitación carece de eje de simetría, las al menos dos guías de alimentación son idénticas y están dispuestas simétricamente entre sí con respecto a un plano de simetría del elemento radiante, y el perfil de abocardado de cada guía de excitación está configurado para controlar, en amplitud y en fase, los modos de propagación de una onda radiante propagada desde cada guía de acceso hasta la salida de la bocina, de modo que el campo eléctrico obtenido a la salida de la bocina es sustancialmente uniforme.

Según un aspecto particular de la invención, el perfil de abocardado de cada guía de excitación está configurado para favorecer la propagación de un modo de propagación fundamental y un modo de propagación superior de segundo orden en la guía de excitación.

De acuerdo con un aspecto particular de la invención, el perfil de abocardado de cada guía de excitación está configurado para promover la propagación, en la bocina, de varios modos de propagación de orden impar, a partir del modo de propagación fundamental y del modo de propagación superior de segundo orden propagado en cada guía de excitación.

Según un aspecto particular de la invención, el perfil de abocardado de cada guía de excitación está configurado para controlar la amplitud y la fase de cada modo de propagación propagado en la bocina de modo que el campo eléctrico resultante de la combinación de todos los modos de propagación propagados en la bocina sea uniforme a la salida de la bocina.

Según una variante particular, el elemento radiante según la invención comprende al menos cuatro guías de alimentación, siendo la bocina común a cuatro guías de alimentación, estando las cuatro guías de alimentación dispuestas simétricamente entre sí con respecto a dos planos ortogonales de simetría.

Según un aspecto particular de la invención, cada guía de alimentación está configurada de manera que el eje longitudinal de una guía de acceso está descentrado con respecto al centro de la abertura de la guía de excitación conectada a la interfaz de excitación.

Según una variante particular, el elemento radiante según la invención comprende también un distribuidor de potencia para excitar las guías de acceso en fase.

Según un aspecto particular de la invención, una sección transversal de la guía de excitación tiene forma cuadrada, rectangular o circular.

Según un aspecto particular de la invención, el elemento radiante tiene un funcionamiento en monopolarización o en bipolarización.

Según un aspecto particular de la invención, cada guía de excitación tiene un perfil de abocardado continuo o discontinuo.

Según un aspecto particular de la invención, la trompa común es de simetría axial.

Según un aspecto particular de la invención, cada guía de excitación tiene un perfil abocardado en un primer plano y un perfil invariante en un segundo plano ortogonal al primer plano.

La invención también se refiere a un dispositivo radiante que comprende al menos cuatro elementos radiantes según una de las reivindicaciones precedentes y una bocina secundaria común a los cuatro elementos radiantes y conectada mediante una interfaz de entrada a las aberturas de las respectivas bocinas de cada elemento radiante. La invención también se refiere a una antena que comprende una pluralidad de elementos radiantes o una pluralidad de dispositivos radiantes según la invención.

Dibujos anexos que ilustran la invención:

[Fig.1] La figura 1 muestra un primer ejemplo de elemento radiante según la técnica anterior,

[Fig. 2] La figura 2 muestra un segundo ejemplo de elemento radiante de la técnica anterior,

[Fig. 3] La figura 3 muestra un tercer ejemplo de elemento radiante de la técnica anterior,

[Fig. 4] La figura 4 muestra un cuarto ejemplo de elemento radiante de la técnica anterior,

[Fig. 5] La figura 5 muestra un quinto ejemplo de elemento radiante de la técnica anterior,

[Fig. 6] La figura 6 muestra un sexto ejemplo de elemento radiante de la técnica anterior,

[Fig. 7] La figura 7 muestra una vista esquemática de perfil de un ejemplo de elemento de antena según una realización de la invención,

[Fig. 8] La figura 8 muestra una vista esquemática de perfil de una guía de alimentación de un elemento de antena según una realización de la invención,

[Fig. 9] La figura 9 muestra una vista en perspectiva de un elemento de antena según una realización de la invención,

[Figura 10] La figura 10 muestra una vista esquemática de un campo eléctrico uniforme sobre la abertura radiante del elemento de antena de la figura 9,

[Figura 11] La figura 11 muestra una vista esquemática de un campo eléctrico resultante únicamente de la propagación de un modo fundamental TE¹⁰,

[Fig.12] La figura 12 muestra una vista esquemática de una combinación deseada de los componentes de los modos TE¹⁰, TE³⁰y TE⁵⁰para obtener un campo eléctrico sustancialmente uniforme,

[Fig.13] La figura 13 muestra una vista esquemática de los componentes de un modo fundamental del campo eléctrico generado en las guías de acceso del elemento de antena,

[Fig. 14] La figura 14 muestra una vista esquemática de los componentes de un modo de segundo orden del campo eléctrico generado en las guías de excitación del elemento de antena,

[Figura 15] La figura 15 muestra una versión alternativa del elemento de antena descrito en la figura 7, [Figura 16] La figura 16 muestra una vista en perspectiva de otra variante del elemento de antena descrito en las figuras 7 y 9,

[Fig. 17] La figura 17 muestra una vista esquemática de los componentes de un modo fundamental del campo eléctrico generado en una guía de acceso de sección cuadrada,

[Fig. 18] La figura 18 muestra una vista en perspectiva de otra realización de la invención,

[Fig. 19] La figura 19 muestra una vista en perspectiva de otra realización de la invención,

[Figura 20] La figura 20 muestra una vista lateral de la variante mostrada en la figura 19,

[Fig. 21] La figura 21 muestra otra realización de la invención que incorpora un divisor de potencia, [Figura 22] La figura 22 muestra una versión alternativa del elemento de antena mostrado en la figura 21, [Figura 23] La figura 23 muestra otra variante del elemento de antena mostrado en la figura 22.

La figura 7 muestra un diagrama de un ejemplo de un elemento de antena según una primera realización de la invención, visto de perfil en sección longitudinal.

En esta primera realización, el elemento de antena 700 comprende dos guías de alimentación acopladas a una bocina común 703 mediante una interfaz de excitación 704. La bocina común 703 es, por ejemplo, una bocina de simetría axial con una sección transversal cuadrada, rectangular o circular, la elección de la sección transversal se hace en función de las restricciones de tamaño del conjunto de elementos de antena, en particular la malla del conjunto. Cada guía de alimentación comprende una guía de acceso 701,711 acoplada a una guía de excitación 702,712. Las guías de acceso y de excitación, por ejemplo, se fabrican con tecnología de guía de ondas. Cada guía de excitación está abocinada en la dirección de la guía de acceso hacia la interfaz de excitación 704. Como se explicará con más detalle más adelante, una característica importante del elemento de antena es que cada guía de excitación no tiene eje de simetría, en particular su sección longitudinal (como se muestra en la figura 7) es asimétrica. Además, las dos guías de alimentación son idénticas y están dispuestas simétricamente entre sí alrededor de un plano de simetría 706 y acopladas a la interfaz de excitación 704, como se muestra en la figura 7. Las guías de acceso 701, 711 son, por ejemplo, guías de sección cuadrada o rectangular o circular con perfil recto. Las guías de excitación 702, 712 pueden tener igualmente un perfil cuadrado, rectangular o circular, pero tienen un perfil abocardado asimétrico. El perfil de abocardado de una guía de excitación está dimensionado para excitar y controlar eficazmente una combinación de modos de propagación de ondas a la salida de la abertura radiante 705 de la bocina común 703.

La figura 8 muestra una vista de perfil de una guía de alimentación 800 idéntica a una de las guías de alimentación descritas en la figura 7. La particularidad de la guía de alimentación 800 es su perfil asimétrico. Más concretamente, el eje 806 de simetría de la guía de acceso 801 está descentrado con respecto al eje 805 que pasa por el centro de la abertura 804 de la guía de excitación 802, siendo el eje 805 ortogonal a la interfaz de excitación. En otras palabras, el eje 806 de simetría de la guía de acceso 801 interseca la superficie definida por la abertura 804 de la guía de excitación en un punto que no es el centro de la superficie. Por perfil asimétrico entendemos también que la guía de excitación 802 carece de eje de simetría ortogonal, a diferencia de las bocinas que suelen utilizarse en las soluciones conocidas. En otras palabras, una sección longitudinal de una guía de excitación (como se muestra en la figura 8) no tiene eje longitudinal de simetría. En particular, el eje 805 no es un eje de simetría ya que los perfiles de antorcha a ambos lados del eje 805 no son idénticos. El perfil de abocardado de una guía de excitación puede obtenerse estableciendo valores crecientes para los perímetros de las secciones transversales de la guía en planos ortogonales a la vista de la figura 8 y que intersecan el eje 805 en una dirección creciente desde la guía de acceso 801 hacia la interfaz de excitación. La asimetría de la guía de excitación significa que los centros de las secciones transversales de la guía de excitación no están alineados en la misma línea recta perpendicular a las secciones. En algunas realizaciones, la sección transversal de la guía de excitación puede tener un perímetro que varía con valores generalmente crecientes en la dirección del mencionado eje 805, aunque localmente el perímetro puede disminuir ligeramente.

La figura 9 muestra una vista en perspectiva de una primera realización del elemento de antena según la invención. Este ejemplo se da a título ilustrativo y no limitativo para explicar cómo se determina el perfil de abocardado de una guía de excitación. En este ejemplo, las guías de excitación 902, 912 tienen un perfil abocardado en un primer plano y un perfil recto en un segundo plano ortogonal al primer plano. Así, la abertura radiante de la bocina 903 tiene forma rectangular de longitud a y anchura b. En este ejemplo, una guía de excitación 902,912 no tiene eje de simetría, es decir, no es invariable a la rotación en un ángulo de 180°, aunque tiene un plano de simetría paralelo al lado a. Como se ha explicado en el preámbulo, un objetivo general de la invención es obtener, sobre la apertura radiante 903 del elemento radiante 900, una distribución uniforme del campo eléctrico de la onda radiada.

Para el ejemplo particular mostrado en la Figura 9, se explica ahora cómo la disposición particular del elemento radiante, y en particular la forma de las guías de excitación 902, 912, permite lograr una distribución uniforme del campo eléctrico sobre la abertura radiante 903.

En el ejemplo mostrado en la Figura 9, la anchura b de la bocina es menor que N2, donde A es la longitud de onda de la señal. Con esta configuración, en la bocina sólo se propagan los modos de propagación eléctrica transversal TEm0, es decir, las componentes del campo eléctrico que son paralelas al lado de la bocina de anchura b. Los modos de propagación TE0n correspondientes a las componentes del campo eléctrico paralelas al lado de longitud a no pueden propagarse.

Obsérvese que la longitud de onda de corte de un modo de propagación TEmn viene dada por la relación:

La figura 10 representa esquemáticamente la apertura radiante del elemento de antena de la figura 9 con una distribución uniforme del campo eléctrico sobre toda la apertura. Esta distribución uniforme se representa mediante flechas del mismo grosor, que reflejan componentes transversales del campo eléctrico de la misma intensidad. La figura ¹⁰muestra la distribución deseada del campo eléctrico sobre la abertura radiante.

La figura 11 muestra una distribución del campo eléctrico sobre la misma apertura radiante, pero esta vez considerando que sólo se propaga el modo fundamental TEi0. En este caso, la energía del campo eléctrico es mayor en el centro de la abertura que en los bordes, como muestran en la figura ¹¹las flechas cuyo grosor, que refleja la intensidad del campo eléctrico, disminuye desde el centro hacia los bordes de la abertura, representando cada flecha una componente transversal del campo eléctrico. Esto demuestra que no es posible obtener una distribución uniforme del campo eléctrico si sólo se propaga el modo TE10.

La figura 12 representa esquemáticamente una combinación de varios modos que permite obtener una distribución sustancialmente uniforme 1200 del campo eléctrico. Se trata de combinar en fase varios modosTEm0, donde m es un número entero impar, con una relación de amplitud igual a 1/m entre el modo TEm0 superior, donde m es al menos 3, y el modo TE¹⁰fundamental. Idealmente, para conseguir un campo eléctrico estrictamente uniforme, necesitaríamos combinar un número infinito de modos TEm⁰, siendo m impar y variando de ¹a infinito. Sin embargo, cada modo superior está asociado a una longitud de onda de corte decreciente (Ac)mn (dada por la relación (Ec.1)). Esto significa que los modos con una longitud de onda de corte mayor que la longitud de onda de la señal no pueden propagarse. Además, el número de modos que pueden propagarse está limitado por las dimensiones (a,b) de la bocina. Por ejemplo, para una abertura rectangular de longitud a= 2,6A (siendo A la longitud de onda de la señal), sólo pueden propagarse los modos impares con m menor o igual a 5. Así, en el ejemplo de la figura 12, los modos TE¹⁰, TE³⁰y TE⁵⁰deben combinarse en fase con una relación de amplitud igual a 1/3 entre el modo superior de tercer orden y el modo fundamental y una relación de amplitud igual a 1/5 entre el modo superior de quinto orden y el modo fundamental. La figura 12 muestra un diagrama de la distribución de los campos eléctricos de los modos TE10, TE³⁰y TE50 y el resultado 1200 de la combinación mencionada. La dirección de las flechas indica la orientación del campo eléctrico.

La invención consiste, en particular, en generar y controlar el nivel del modo fundamental y de los modos impares superiores a la salida de la bocina común para obtener un campo eléctrico sustancialmente uniforme ^{120 0}sobre la abertura radiante. Para ello, la bocina común se excita a través de una interfaz de excitación alimentada por varias guías de excitación, cada una de las cuales favorece la propagación de varios modos.

Utilizando el ejemplo de la Figura 7, se describe ahora con más detalle el funcionamiento de los diferentes modos de propagación del campo eléctrico en el elemento de antena. Las guías de acceso 701, 711 se alimentan en fase a través de una fuente de excitación (no representada en la figura 7). Las guías de acceso 701,711 están dimensionadas para que sólo se propaguen los modos fundamentales TE¹⁰en las guías de acceso. Por ejemplo, las guías de acceso 701, 711 son guías de ondas con una sección transversal rectangular y un perfil recto, estando la sección transversal dimensionada para que sólo puedan propagarse los modos fundamentales. La figura 13 muestra esquemáticamente los campos eléctricos correspondientes a los modos fundamentales TE10,1, TE^10,2respectivamente observados a la salida de la primera guía de acceso 701 y de la segunda guía de acceso 711. Estos modos fundamentales se excitan en fase.

El abocardado progresivo de las guías de excitación 702, 712 permite entonces la propagación del modo superior de segundo orden TE20. A partir de los modos fundamentales TE101 , TE102 de las guías de acceso 701,711, se propagan un modo fundamental TE10 y un modo superior de segundo orden TE20 en cada una de las guías de excitación 702,712. La figura 14 muestra esquemáticamente los campos eléctricos correspondientes a los modos de segundo orden TE20,1, TE20,2 generados en las guías de excitación 702,712. Los modos de segundo orden TE20,1, TE20,2 se excitan en oposición de fase debido al plano de simetría 706 entre las dos guías de excitación 702,712. La propagación de los modos de segundo orden en las guías de excitación 702,712 se ve favorecida por la forma asimétrica de las guías de excitación y la desalineación entre una guía de acceso y la abertura de una guía de excitación (como se ilustra en la figura 8).

A partir de los modos fundamentales y de segundo orden generados en las guías de excitación 702,712, se obtiene una combinación adecuada de modos de orden impar (en este ejemplo, modos fundamentales, de tercer orden y de quinto orden) en la bocina común 703. Los modos de orden par (por ejemplo, de orden dos o cuatro) no pueden excitarse en la bocina común debido a la simetría de excitación de la bocina común, que está vinculada a la simetría del elemento de antena con respecto al plano 706. Esto se debe a que los modos de segundo orden generados en las guías de excitación están en oposición de fase y requieren una estructura asimétrica para propagarse. Naturalmente, no pueden propagarse en la bocina común 703.

Así, cada uno de los modos TE10,1, TE10,2, TE20,1, TE20,2 generados en las guías de excitación 702, 712 permite generar modos TE10, TE30, TE50 en la bocina común 703 (debido en particular a la mayor sección transversal de la bocina común en comparación con la sección transversal de una guía de excitación).

Los niveles de los modos TE10, TE30 y TE50 generados en la bocina 703 únicamente a partir de los modos fundamentales TE10,1 y TE10,2 generados en las guías de excitación 702, 712 no permiten, por sí solos, respetar las relaciones 1/3 y 1/5 entre estos diferentes modos para obtener un campo eléctrico uniforme.

Por otra parte, la asociación controlada de los modos TE10, TE30, TE50 generados por una parte a partir de los modos fundamentales TE10,1, TE10 ,2y de los modos TE10, TE30, TE50 generados por otra parte a partir de los modos fundamentales TE20,1, TE20,2, permite aproximarse a las relaciones de amplitud deseadas entre los diferentes modos: |TE301 |TE101 = 1/3 y |TE501 / |TE101 = 1/5 y también permite la correcta alineación de fase de estos diferentes modos.

El control de las amplitudes y fase de los modos TE10, TE30, TE50 generados en la bocina 703 a partir de los modos TE10, TE20 generados en las guías de excitación 702, 712 se obtiene mediante el perfil de abocardado asimétrico de una guía de excitación. Más concretamente, el perfil de abocardado puede obtenerse mediante optimización numérica utilizando un simulador informático para simular la propagación de los distintos modos del campo eléctrico, así como su fase y amplitud, en función del perfil abocardado. De este modo, es posible optimizar el perfil de antorcha para poder aplicar las combinaciones de modos descritas anteriormente.

El perfil de abocardado de una guía de excitación puede obtenerse determinando, para diferentes puntos del eje longitudinal de la guía de excitación, la dimensión de la sección transversal de la guía en ese punto, dimensión que aumenta con el abocardado desde la guía de acceso hacia la interfaz de excitación con la bocina común.

El perfil de abocardado de una guía de excitación puede obtenerse para un número discreto de secciones, dando lugar a un perfil discontinuo "escalonado", como se muestra en la Figura 7 o en la Figura 9. Sin embargo, el perfil también puede ser continuo, como se muestra en la figura 15, que representa una variante 1500 del elemento de antena descrito en la figura 7.

En el ejemplo descrito en la figura 9, que sirvió de base para las explicaciones anteriores, el elemento de antena tiene un perfil abocardado y asimétrico sólo en un plano, con un perfil recto invariable en el otro plano perpendicular. En otra realización ilustrada en la Figura 16, el elemento de antena 1600 también puede tener un perfil abocardado y asimétrico en los dos planos ortogonales para aumentar la apertura de radiación.

En el ejemplo mostrado en la Figura 9, la sección transversal de una guía de excitación es rectangular. Sin embargo, la sección transversal de una guía de excitación también puede ser cuadrada o circular, lo que permite que el elemento de antena funcione en modo bipolar. En este caso, las guías de excitación propagan modos TE0n transversales además de los modos TEm0 transversales descritos anteriormente para una guía con sección transversal rectangular. En otras palabras, el campo eléctrico puede propagarse con modos en ambas direcciones perpendiculares, como se ilustra en la Figura 17 para el caso de los modos fundamentales TE10 y TE01 y una sección transversal de guía de ondas cuadrada.

Según una variante de la invención, el elemento de antena no está limitado al funcionamiento de dos accesos como se ha descrito hasta ahora. Puede comprender más de dos guías de alimentación, preferiblemente un número igual a una potencia de dos.

Según una realización de la invención descrita en la Figura 18, el elemento de antena 1800 puede comprender cuatro guías de alimentación 1801, 1802, 1803, 1804, dispuestas simétricamente con respecto a dos planos ortogonales de simetría, y una bocina común 1810. Cada guía de alimentación comprende una guía de acceso y una guía de excitación asimétrica. Una ventaja de este diseño es que proporciona una apertura radiante más amplia. La figura 19 describe otra realización del elemento de antena 1900, que esta vez comprende 16 guías de alimentación dispuestas en grupos de cuatro. Cada grupo de cuatro guías de alimentación está dispuesto como en el elemento de antena 1800 de la figura 19. La bocina es común a las ocho guías de alimentación, lo que aumenta aún más la apertura radiante.

En una variante del ejemplo mostrado en la figura 19, que es ventajosa para un gran número de guías de alimentación, típicamente al menos 16, la bocina común puede estar compuesta de varios niveles o gradas. Este principio se ilustra en la figura 20 mediante una vista lateral de un elemento de antena con dieciséis guías de alimentación. El elemento de antena 2000 de la figura 20 comprende una bocina común formada por cinco bocinas elementales, tres de las cuales son visibles en la vista lateral de la figura 20. Encima de los cuatro juegos de cuatro guías de avance se sitúan cuatro bocinas elementales 2001, 2002. Otra bocina elemental, 2003, se sitúa por encima de las cuatro bocinas 2001, 2002 del primer nivel. Así, la corneta 2003 del segundo nivel combina las cuatro corneta 2001,2002 del primer nivel. El principio descrito en la figura 20 puede ampliarse fácilmente a bocinas dispuestas en más de dos niveles. Por ejemplo, si el elemento de antena comprende 16x4=64 guías de alimentación, puede comprender tres niveles de bocinas, un primer nivel con 16 bocinas cada uno comunes a cuatro guías de alimentación, un segundo nivel con 4 bocinas y un tercer nivel con una bocina.

Sin ir más allá del ámbito de la invención, son posibles otras disposiciones, en particular con respecto al número de guías de alimentación o de acceso por elemento de antena.

Como se ha explicado anteriormente, para obtener un funcionamiento óptimo del elemento radiante de acceso múltiple según la invención, las guías de acceso deben excitarse en fase. Para ello, se puede conectar un divisor de potencia a las entradas de la guía de acceso.

La figura 21 muestra un ejemplo de un elemento de antena de dos accesos 2100 que funciona en modo de polarización única. En este ejemplo, las dos guías de acceso se excitan en fase por medio de un divisor de potencia 2101 que comprende principalmente una unión de plano H 2102 y secciones de adaptación 2103 para interconectar la unión de plano H con las guías de acceso del elemento de antena, por un lado, y la fuente de excitación, por otro. La figura 22 muestra otro ejemplo de un elemento de antena de cuatro accesos 2200 que funciona en modo de polarización dual. En este ejemplo, las cuatro guías de acceso están acopladas a un divisor de potencia 2201 que distribuye a cada guía de acceso una fracción de la señal de cada una de las dos polarizaciones con la misma amplitud y fase. Un ejemplo de divisor de potencia adaptado para realizar esta función es un divisor que comprende cuatro transductores orto-modo del tipo descrito en la solicitud de patente francesa del Solicitante presentada con el número FR1700993.

En los ejemplos descritos en las Figuras 21 y 22, el divisor de potencia está separado del elemento de antena y no permite que se generen modos de propagación de orden superior.

En otra realización descrita en la Figura 23, el divisor de potencia está integrado en el elemento de antena 2300. En otras palabras, las funciones de distribución de potencia y excitación de los modos de propagación se combinan y realizan conjuntamente mediante un único dispositivo en tecnología de guía de ondas. Una ventaja de este método es que permite añadir parámetros de optimización a las simulaciones, lo que permite afinar el perfil del elemento de antena para obtener un campo eléctrico uniforme en toda la abertura radiante.

Referencias

(1) Design, manufacturing and test of a spline-profile square horn for focal array applications Isabelle Albert ; Maxime Romier ; Daniel Belot ; Jean-Pierre Adam; Pierrick Hamel, 201215 International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics, Año: 2012

(2) Multibeam antennas on phased arrays: An overview on recent ESA developments; Giovanni Toso ; Piero Angeletti ; Cyril Mangenot; The 8th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2014); Año: 2014

Claims

REIVINDICACIONES

1. Elemento radiante (700,800) que comprende al menos dos guías de alimentación y una bocina común (703) a las al menos dos guías de alimentación y que tiene una interfaz de excitación (704), siendo cada guía de alimentación distinta de las otras guías de alimentación, estando constituida cada guía de alimentación por una guía de acceso (701,711,801) y una guía de excitación (702,712,802) conectada a la guía de acceso (701,711,801) por una interfaz de acceso y conectada a la bocina común (703) por la interfaz de excitación (704), estando cada guía de excitación (702, 712, 802) abocardada en la dirección que va de la interfaz de acceso a la interfaz de excitación (704), estando cada guía de excitación (702, 712, 802) desprovista de eje de simetría, siendo las al menos dos guías de alimentación idénticas y estando dispuestas simétricamente entre sí con respecto a un plano de simetría del elemento radiante.

2. Elemento radiante (700, 800) según la reivindicación 1, en el que el perfil de abocardado de cada guía de excitación (702, 712, 802) está configurado para controlar, en amplitud y fase, los modos de propagación de una onda radiante propagada desde cada guía de acceso (701, 711, 801) hasta la salida de la bocina (703), de modo que el campo eléctrico obtenido a la salida de la bocina (703) es sustancialmente uniforme.

3. Elemento radiante (700,800) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el perfil de abocardado de cada guía de excitación (702,712,802) está configurado para favorecer la propagación de un modo de propagación fundamental (TE¹⁰) y un modo de propagación superior de segundo orden (TE²⁰) en la guía de excitación (702, 712, 802).

4. Elemento radiante (700, 800) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el perfil de abocardado de cada guía de excitación (702, 712, 802) está configurado para favorecer la propagación, en la bocina (703), de una pluralidad de modos de propagación de orden impar (TE¹⁰, TE³⁰, TE⁵⁰), a partir del modo de propagación fundamental (TE¹⁰) y del modo de propagación superior de segundo orden (TE²⁰) propagados en cada guía de excitación (702, 712, 802).

5. Elemento radiante (700, 800) según la reivindicación 3 en el que el perfil de abocardado de cada guía de excitación (702, 712, 802) está configurado para controlar la amplitud y la fase de cada modo de propagación (TE¹⁰, TE³⁰, TE⁵⁰) propagado en la bocina (703) de modo que el campo eléctrico resultante de la combinación de todos los modos de propagación (TE¹⁰, TE³⁰, TE⁵⁰) propagados en la bocina es uniforme a la salida de la bocina (703).

6. Elemento radiante (1800, 1900, 2000) según una de las reivindicaciones anteriores que comprende al menos cuatro guías de alimentación, siendo la bocina (1804) común a cuatro guías de alimentación, estando las cuatro guías de alimentación dispuestas simétricamente entre sí alrededor de dos planos ortogonales de simetría.

7. Elemento radiante (800) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que cada guía de alimentación está configurada de manera que el eje longitudinal (806) de una guía de acceso (801) está descentrado con respecto al centro de la abertura (804) de la guía de excitación (802) conectada a la interfaz de excitación.

8. Elemento radiante (2100, 2200, 2300) según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un distribuidor de potencia (2101, 2201) para excitar las guías de acceso en fase.

9. Elemento radiante según una de las reivindicaciones anteriores, en el que una sección transversal de la guía de excitación tiene forma cuadrada, rectangular o circular.

10. Elemento radiante según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el elemento radiante tiene un funcionamiento de monopolarización o bipolarización.

11. Elemento radiante según una de las reivindicaciones anteriores, en el que cada guía de excitación tiene un perfil de abocardado continuo o discontinuo.

12. Elemento radiante según una de las reivindicaciones anteriores en el que la bocina común es de simetría axial.

13. Elemento radiante según una de las reivindicaciones anteriores, en el que cada guía de excitación tiene un perfil abocardado en un primer plano y un perfil invariante en un segundo plano ortogonal al primer plano.

14. Dispositivo radiante (2000) que comprende al menos cuatro elementos radiantes según una de las reivindicaciones anteriores y una bocina secundaria (2003) común a los cuatro elementos radiantes y conectada mediante una interfaz de entrada a las aberturas de las respectivas bocinas (2001, 2002) de cada elemento radiante.

15. Antena que comprende una pluralidad de elementos radiantes según una de las reivindicaciones 1 a 13 o una pluralidad de dispositivos radiantes según la reivindicación 14.