ES3036328T3 - Portable low-mass and low-power microwave radiometer with radiometer antenna and radiometer electronics - Google Patents

Abstract

La invención divulgada muestra un radiómetro de microondas portátil, estable y de baja masa (0) para medir microondas en el rango espectral entre 1 y 300 GHz, que comprende al menos una antena de matriz de parches (1) y una electrónica adecuada conectada (2) con componentes de radiofrecuencia y componentes de procesamiento de señales, lo que permite mediciones más estables y más precisas de la temperatura de brillo mientras está montado en particular en un vehículo aéreo no tripulado (UAV). Esto se consigue con una antena de matriz de parches (1) que comprende al menos una matriz de parches (10, 10') con una capa de sustrato de parche (100, 100') de un material dieléctrico con un patrón de un número par de parches impresos (101, 101') en un lado frontal que se imprime, mientras que los parches impresos (101, 101') se conectan a través de alimentaciones de inserción a líneas de tira, en donde las líneas de conector se conectan a las líneas de tira para ser conducidas desde un lado posterior de la capa de sustrato de parche (100, 100') hasta y a través de una capa conductora de tierra (108, 108'), que se fija al lado posterior de la capa de sustrato de parche (100, 100') en una distancia definida (d, d') formando un espacio de aire (106, 106') entre ambas capas (100, 100', 108, 108') mediante una multiplicidad de espaciadores (107, 107'). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Radiómetro de microondas portátil de baja masa y bajo consumo con antena de radiómetro y electrónica de radiómetro

CAMPO TÉCNICO

[0001] La presente invención describe un radiómetro portátil de microondas estable de baja masa para medir microondas en el intervalo espectral entre 1 y 300 GHz, conectable a una electrónica de radiómetro, que comprende por lo menos una antena de matriz de parches y una electrónica adecuada conectada con componentes de radiofrecuencia y componentes de procesamiento de señales.

ESTADO DE LA TÉCNICA

[0002] Los radiómetros de microondas de alta precisión que detectan emisiones naturales en el espectro de microondas protegido para usos pasivos de 1400-1427 MHz fueron demostrados por Gamma Remote Sensing AG con los sistemas ELBARA-I a El Ba RA-MI.

[0003] Se conocen radiómetros de microondas de baja masa y bajo consumo que detectan la emisión natural en el espectro de microondas protegido para usos pasivos de 1400-1427 MHz, producidos por unas pocas empresas/universidades de rivad as.

[0004] Estos tres grupos son

(1) Balamis (https://www.balamis.com/) procedente de la Universidad Politécnica de Cataluña, España;

(2) The Soil Moisture Company (http://thesoilmoisturecompany.comf) una empresa conjunta entre una empresa de vehículos aéreos no tripulados (UAV) Blackswift technologies y el Centro de Tecnología Medioambiental de la Universidad de Colorado, EE.UU.; y

(3) Skaha Remote Sensing, una empresa privada procedente de la Columbia Británica, Canadá.

[0005] Cada uno de estos grupos ha desarrollado radiómetros compactos de banda L capaces de realizar mediciones aéreas desde UAV, pero sus diseños incorporan electrónica menos estable, calibraciones cuestionables y antenas inferiores más grandes y más pesadas en comparación con nuestra invención presentada en la parte descriptiva.

[0006] El diseño de la Soil Moisture Company usa un avión no tripulado de ala fija. La carencia de control de ángulo de visión en combinación con la dependencia angular alta de temperatura de brillo hace que la solución de ala fija sea bastante difícil de implementar para recuperaciones con precisión de propiedades de tierra. El diseño también depende de una visión constante del cielo para medir la diferencia entre el suelo y el cielo ("correlación diferencial").

[0007] Los múltiples motores y mandos a distancia de RF que operan en los UAV de múltiples rotores crean un entorno de campo electromagnético dinámico que puede alterar el radiómetro sensible. Las versiones basadas en UAV de los radiómetros de Balamis y Skaha se ven muy afectadas por esta interferencia de radiofrecuencia (RFI) del propio dron. El uso de una "etapa posterior digital", como las usadas en todos estos sistemas, permite el posprocesamiento y el filtrado, pero también es propensa a la inestabilidad debido a la deriva del oscilador local. La dependencia del filtrado digital también puede hacer que la RFI sature los amplificadores y comprometa la señal antes de que llegue a la etapa posterior.

[0008] Las antenas usadas en los sistemas del estado de la técnica utilizan hasta ahora (1) antena de parche estándar, (2) matriz de dipolo colineal, (3) antena de matriz de parches/backfire polarizada circularmente, que se determinan a partir de imágenes, vídeos y documentación disponible sobre estos productos de los grupos mencionados anteriormente.

[0009] Los parches o conjuntos de parches estándar tendrán menor ganancia y mayor pérdida (menor eficiencia) que la antena introducida con esta invención. Las antenas usadas en el estado de la técnica proporcionan normalmente patrones de antena no simétricos. Los patrones de antena no simétricos dan como resultado píxeles de tierra elípticos alargados en los datos resultantes. El estado de la técnica usa o polarización única (2), o polarización dual con la misma antena (1) y (3).

[0010] La medición de dos polarizaciones con la misma antena provoca correlación y diafonía que pueden dificultar o imposibilitar la obtención de dos mediciones polarizadas lineales ortogonales independientes requeridas por la mayoría de los algoritmos de recuperación.

[0011] Con respecto a Acevo-Herrera R, Aguasca A, Bosch-Lluis X, Camps A, Martínez-Fernández J, Sánchez-Martín N, Pérez-Gutiérrez C. Design and first results of an UAV-borne L-band radiometer for multiple monitoring purposes. Remote Sensing. julio de 2010;2(7):1662-79; y Acevo-Herrera R, Aguasca A, Bosch-Lluis X, Camps A. On the use of compact L-band dicke radiometer (ARIEL) and UAV for soil moisture and salinity map retrieval: 2008/2009 field experiments. In2009 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium 12 de julio de 2009 (Vol.

4, págs. IV-729). IEEE, este radiómetro usa una única polarización en incidencia nadir, proporcionando muy poca información para una recuperación fiable de la humedad del suelo.

[0012] Otros tipos de antenas que se han considerado para radiometría incluyen: antenas de bocina, matrices colineales, matrices de parche de polarización dual y matrices circulares. Las antenas de bocina son demasiado grandes y masivas para llevarlas en un UAV o para ser consideradas portátiles. Los demás diseños de antena también presentan desventajas, principalmente en lo que respecta a su peso total y su resolución.

[0013] El estado de la técnica más cercano que se ha encontrado es el documento CA2916617, que analiza un radar/radiómetro activo/pasivo combinado transportado en UAV con resolución mejorada. El concepto se basa en radios definidas por software (SDR). El sistema descrito en esta solicitud de patente presenta una serie de desventajas en comparación con la invención propuesta. En cuanto a la electrónica del radiómetro, no se ha descrito ningún filtro de paso de banda frontal, aunque la capacidad de filtrar la RFI de la función de correlación cruzada existe con las SDR, si la RFI satura el LNA, los datos serán inutilizables. En el documento CA2916617 no se resuelve el problema relativo a la deriva asociada con el oscilador local (LO) del SDR, como se ha mencionado anteriormente. Además, no se describe explícitamente el diseño de la antena, sólo se menciona una antena "superando a las antenas de parche" y se menciona una posible antena backfire de malla, que aún no se ha demostrado, y tiene desventajas conocidas. Es dudoso si el aparato descrito podrá ser movido lo suficientemente bien por un dron.

[0014] Se conocen diferentes diseños de antenas para radiómetros de HUGHES R ET AL: "Mechanical Development of a Very Non-standard Patch Array Antenna for Extreme Environments", AEROSPACE CONFERENCE, 2012 IEEE, 3 de marzo de 2012 (2012-03-03), páginas 1 -16, XP032229907, CUCINI A ET AL: "Development of a Microstrip Array Antenna for L-band Radiometer", MICROWAVE RADIOMETRY AND REMOTE SENSING OF THE ENVIRONMENT, 11 de marzo de 2008 (2008-03-11), páginas 1-4, XP031291866 y el documento CN 106 384 882. Algunas de estas antenas son explícitamente antenas de matriz de parches no estándar, porque se usan en entornos extremos, como en el espacio cerca de Júpiter. Los diseños de estas antenas deben adaptarse a la alta radiación electromagnética y cósmica y requieren materiales no estándar. Por regla general, no usan parches impresos, e incluso si lo hacen, la red de alimentación no está en el mismo plano que los parches impresos, usan respectivamente elementos de parche de aluminio mecanizado con un sistema de cableado coaxial propenso a pérdidas y errores de fase. Alternativamente, requieren una capa dieléctrica densa en forma de estructura de panal. La estructura de panal da lugar a un dieléctrico efectivo del sustrato, hecho de Astrocuarzo cargado con carbono. Es dudoso que estos radiómetros y respectivamente, diseños de antena, puedan ser manejados con un dron en la atmósfera terrestre, y si pudiese ser, no sería alcanzable una precisión de medición suficientemente buena.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

[0015] El objeto de la presente invención es crear un radiómetro ligero completo, con una antena de baja masa altamente eficiente y direccional mejorada y/o una electrónica de radiómetro optimizada, que permita mediciones más estables y más precisas de la temperatura de brillo, especialmente detectables desde un vehículo aéreo no tripulado (UAV) como un dron multicóptero. El radiómetro completo con antena de baja masa también puede montarse en estaciones meteorológicas, vehículos terrestres, etc. Pueden conseguirse ventajas introduciendo la electrónica del radiómetro y la antena de baja masa, altamente eficiente y direccional, que juntas forman el radiómetro. Aunque podrían usarse con otros componentes electrónicos y antenas, en la presente baja masa significa masas por debajo de 5 kilogramos para el radiómetro completo.

[0016] La nueva antena de matriz de parches usa aire como material de sustrato en lugar de una placa de circuito impreso de un material dieléctrico como se hace típicamente con las antenas de parche. Debido a este nuevo diseño de antena, un ancho de haz de antena completo de media potencia de 37 grados proporciona una resolución muy superior y disminuye las pérdidas óhmicas, críticas para la radiometría.

[0017] La invención comprende una electrónica de radiómetro de microondas de baja masa y bajo consumo optimizada para detectar emisiones naturales en el espectro de microondas protegido para usos pasivos de 1400 1427 MHz. Las temperaturas de brillo de polarización dual medidas por la invención pueden usarse con algoritmos de recuperación establecidos para extraer parámetros como: humedad del suelo, humedad de la nieve, densidad de la nieve, salinidad de la superficie del mar, biomasa en bosques, temperatura interna del hielo de los glaciares, contenido de humedad en materiales de construcción (por ejemplo, hormigón), etc.

[0018] El diseño de la electrónica de nuestro radiómetro usa múltiples etapas de filtrado analógico de paso de banda en la etapa frontal para eliminar las emisiones no deseadas del motor, y también utiliza una tasa de muestreo alta del detector para filtrar las señales RFI espurias dependientes del tiempo.

[0019] La detección directa se realiza con un detector de potencia de ley cuadrada, como parte de la electrónica del radiómetro, que elimina la necesidad de un oscilador local y garantiza que esté detectándose la frecuencia correcta por la respuesta medida de los filtros analógicos pasivos.

[0020] La electrónica se optimiza aún más mediante el uso de calibración interna de dos puntos, eliminando la necesidad de ver el cielo, lo que también proporciona una mejor precisión, que la conocida en el estado de la técnica.

[0021] Comercialmente, los radiómetros descritos pueden ser usados por empresas agrícolas que desarrollan herramientas para agricultores, profesionales de la predicción y modelización de desastres naturales, y en general por agencias de investigación científica y aeroespacial. Los datos de temperatura de brillo de microondas convertidos en mapas de humedad del suelo se usarían para alimentar los programas de riego con el fin de optimizar la eficiencia del uso del agua y aumentar el rendimiento mediante la disminución del estrés de los cultivos. La humedad del suelo es uno de las principales entradas de los modelos de deslizamientos de tierras y flujos de escombros que intentan predecir estas catástrofes naturales. Los usuarios finales pueden ser gobiernos, compañías de seguros o investigadores en este campo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

[0022] Puede obtenerse una mayor comprensión de varios aspectos de la invención haciendo referencia a la siguiente descripción detallada junto con los dibujos asociados, que se describen brevemente a continuación.

[0023] Debe tenerse en cuenta que en las realizaciones descritas de forma diferente, las mismas piezas se proporcionan con los mismos símbolos de referencia o los mismos nombres de componentes, las divulgaciones contenidas en toda la descripción pueden aplicarse de manera análoga a las mismas piezas con los mismos símbolos de referencia o los mismos símbolos de componentes.

[0024] A continuación se describe una realización ejemplar preferida de la materia de la invención junto con los dibujos adjuntos.

Figura 1a muestra una vista superior esquemática de un radiómetro con una electrónica y una antena de matriz de parches, en donde la antena de matriz de parches comprende dos matrices de parches conectadas, que detectan radiación de microondas polarizada diferente, mientras que la

Figura 1b muestra una vista lateral esquemática de la antena de matriz de parches y de la electrónica, en donde la antena de matriz parches está escalada en altura para mostrar mejor el entrehierro.

Figura 2 muestra un diagrama esquemático de la electrónica y de la antena de matriz de parches, en donde la dirección de transmisión de señales se indica mediante una línea de puntos con flechas desde la entrada a una unidad informática.

DESCRIPCIÓN

[0025] En lo sucesivo se describe un radiómetro de microondas de baja masa y bajo consumo 0 y sus componentes para la detección de emisiones naturales en el espectro de microondas protegido para usos pasivos de 1400-1427 MHz en la banda L (IEEE) de la banda UHF. El radiómetro 0 comprende en general una electrónica de radiómetro 2 y una antena 1, que están conectadas en estado de funcionamiento y podrían manejarse cada una con una electrónica o antena diferente, por lo que su combinación da los mejores resultados posibles, como demostraron las mediciones. Gracias a la nueva electrónica de radiómetro 2 y/o al nuevo diseño de la antena 1, es posible disponer de un radiómetro de detección de microondas estable y preciso de baja masa, bajo volumen y bajo consumo 0 en un pequeño paquete, permitiendo una alta ganancia, la direccionalidad de la detección de microondas y una radiometría precisa de baja pérdida. El uso más importante serán las mediciones de la humedad del suelo y la profundidad óptica de la vegetación.

[0026] Los datos de temperatura de brillo de microondas resultantes, convertidos en mapas de humedad del suelo, pueden usarse para alimentar los programas de riego con el fin de optimizar la eficiencia del uso del agua y aumentar el rendimiento disminuyendo el estrés de los cultivos. En investigación se usan a menudo radiómetros de banda L para la detección de la fusión de la nieve, estudios de física del suelo, salinidad del mar y muchas otras aplicaciones. La cartografía basada en drones de las temperaturas de brillo de la banda L también será útil para los estudios de reducción de escala de satélites y muchos otros parámetros de recuperación de la banda L que se están desarrollando actualmente.

[0027] La radiometría pasiva requiere una antena 1 altamente eficiente para medir con precisión las temperaturas de brillo de microondas de la escena, en lugar de medir la temperatura física de la propia antena 1.

[0028] Se ha creado una nueva antena 1 para recibir radiación en la banda de microondas. La antena 1 comprende dos matrices de parches 10, 10'. Cada matriz de parches 10, 10' comprende una estructura de sándwich de una capa de sustrato de matriz 100, 100', un entrehierro 106, 106' y una capa de conductor de tierra 108, 108', en donde la capa de conductor de tierra 108, 108' está separada por el entrehierro 106, 106' aproximadamente una distancia d, d'. Dicha distancia d, d', respectivamente el entrehierro 106, 106', se alcanza mediante una multiplicidad de espaciadores 107, 107', situados entre la capa de sustrato de parche 100, 100' y la capa de conductor de tierra 108, 108'. Los espaciadores 107, 107' son componentes individuales, espaciados individualmente entre sí, como puede verse claramente en la Figura 1b. La capa conductora de tierra 108, 108' podría producirse como una PCB con una capa metálica de puesta a tierra o podría estar hecha completamente de metal.

[0029] Al introducir el entrehierro 106, 106' en lugar de una capa de material dieléctrico de PCB comúnmente conocida, pueden usarse parches impresos 101, 101' más grandes y puede evitarse la pérdida de señal, como demostraron las mediciones y simulaciones comparativas.

[0030] Para el entrehierro 106, 106', los mejores resultados se obtuvieron con distancias d, d' entre 5 mm y 9 mm, en particular 6 mm. Tales entrehierros 106, 106' están optimizados para radiometría en banda L como se describe aquí. La gama de parámetros se simuló para la frecuencia usada y la dimensión de la antena de matriz de parches 1 parte para sintonizar a la más alta eficiencia, o la pérdida más pequeña. Es importante que los espaciadores 107, 107' sean eléctricamente no conductores, al igual que los medios de conexión 105, 105'. El espaciador 107, 107' puede estar formado por polímeros, como Teflón o PTFE, poliamidas o Nylon o Silicona.

[0031] Para conectar la capa de conductor de tierra separada 108, 108' y la capa de sustrato de parche 100, 100' se usan una multiplicidad de medios de conexión 105, 105'. Los medios de conexión 105, 105' preferidos son los tornillos de plástico, por ejemplo de poliamidas como el Nylon. En aras de la simplicidad, los medios de conexión 105, 105' están conectados operativamente con los espaciadores 107, 107' en las mismas posiciones. Pero los medios de conexión 105, 105' también podrían ser formados por una junta pegada.

[0032] En un lado superior de la capa de sustrato de parche 100, 100', habitualmente una placa de circuito impreso, se coloca un número par de parches impresos 101, 101', en el lado superior opuesto a la capa de conductor de tierra 108, 108'. Las formas de los parches impresos 101,101' son preferiblemente idénticas, así como el número de parches 101, 101' de ambas matrices de parches 10, 10'.

[0033] Cada parche impreso 101, 101' se conecta a través de un alimentador por hendidura 102, 102' a las líneas de tira 103, 103' que discurren simétricamente a lo largo de la superficie de la matriz de parches a un conector coaxial de RF centrado 104, 104', en particular para banda L un conector SMA (SubMiniature versión A) o un conector de tipo N. La líneas de tira se refiere aquí a una línea de transmisión conductora impresa de impedancia coincidente situada sobre una capa de sustrato. Tales líneas de tira 103, 103' también pueden denominarse microlíneas de tira 103, 103'. A frecuencias altas, los SMA deben sustituirse por conectores coaxiales de precisión más pequeños. El tamaño y la forma de los parches 101, 101' se adaptan u optimizan a la frecuencia de microondas que se va a recibir. Los expertos en la materia saben cómo simular y producir tales parches impresos 101, 101' y sus alimentadores por hendidura 102, 102' en las superficies de la capa de sustrato de parche 100, 100', para optimizar la banda de frecuencia de microondas de interés. El sándwich multicapa complejo con la capa de sustrato de parche 100, 100', el entrehierro 106, 106' y la capa de conductor de tierra 108, 108' que se presenta aquí no puede describirse ni resolverse con ecuaciones analíticas. El diseño debe ajustarse usando simulaciones electromagnéticas de elementos finitos y la iteración de construcción/prueba para obtener las dimensiones necesarias para que la antena funcione en la banda protegida de detección pasiva comprendida entre 1400 y 1427 MHz; en este caso, la frecuencia central de la antena diseñada 1 es de 1413 MHz.

[0034] Los parches impresos 101, 101' se conectan a través de las líneas de tira 103, 103' como una red de alimentación de microtiras coincidente, las líneas de conexión 1030, 1030' al conector coaxial de RF 104, 104' y su conductor central coaxial 1040 mediante cables en la electrónica del radiómetro 2.

[0035] Las líneas de conexión 1030, 1030' se alimentan a través de la capa de sustrato de parche 100, 100' para conectarlas a las líneas de tira 103, 103'. La conexión entre las líneas de conexión 1030, 1030' y el conector coaxial de RF 104, 104' se realiza mediante soldadura. En la electrónica del radiómetro 2 se realiza el procesamiento, la calibración y el análisis de señales posteriores.

[0036] Como muestran las mediciones, la matriz de parches 10, 10' muestra resultados mejorados, alta ganancia, alta eficiencia, y es extremadamente ligera. Las mejoras pueden lograrse con diferentes componentes electrónicos usados.

[0037] Como una opción para una mejora adicional, puede disponerse por lo menos un sensor de temperatura no mostrado en la matriz de parches 10, 10' para la mejora en la calibración posterior de la temperatura en la electrónica. El sensor de temperatura se conectará en consecuencia con la electrónica 2.

[0038] Particularmente ventajosa es una antena de matriz de parches 1, que comprenda dos parches 10, 10' con una configuración idéntica a la descrita anteriormente, en donde las matrices de parches 10, 10' están rotadas 90° una con respecto a la otra. Esto también se muestra en la Figura 1, en la que los patrones de antena simétricos se optimizan para recibir polarizaciones lineales horizontales y verticales. Debido a la alineación, una matriz de parches 10 recibe microondas polarizadas horizontalmente H, mientras que la segunda matriz de parches 10' recibe microondas polarizadas verticalmente V y reenvía las señales correspondientes H, V a la electrónica 2. En todas las realizaciones de la antena de matriz de parches 1, el cableado entre las matrices de parches 10, 10' y el sistema electrónico 2 es, en particular, un cable coaxial que puede transportar señales eléctricas de alta frecuencia con bajas pérdidas. Las impedancias de los parches 101, 101', de los alimentadores por hendidura 102, 102', de las líneas de tira 103, 103', de las líneas de conexión 1030, 1030', del conector coaxial de RF 104, 104' y del cableado a la electrónica deben coincidir.

[0039] Aquí, la antena de matriz de parches 1 utiliza por lo menos una matriz de parches de 2x2 10, 10' para cada polarización, proporcionando mediciones de polarización completamente independientes. La ventaja de usar dos matrices de parches separados 10, 10' en lugar de elementos de matriz con dos alimentaciones es la fuga de polarización cruzada muy baja.

[0040] En comparación con una matriz de parches de doble alimentación, este diseño logra un aislamiento de polarización cruzada superior. En comparación con una matriz polarizada circularmente dual, y convirtiendo matemáticamente en polarización lineal dual, la invención no requiere muestreo coherente de fase, que es propenso al desplazamiento IQ y a la deriva de fase. La antena de bocina es el único tipo de antena comparable que podría proporcionar una eficiencia comparable a la de la antena de matriz de parche con entrehierro 1 introducida aquí. Pero el diseño de la antena de bocina es demasiado pesado para ser usado como parte de un radiómetro ligero en un vehículo aéreo no tripulado (UAV).

[0041] Al combinar las dos matrices de parches de 2x2 10, 10', una rotada 90 grados, la invención recibe dos vistas de polarización lineal totalmente independientes de la misma huella terrestre. Otras geometrías de antena no tienen este lujo y o bien tienen un acoplamiento de polarización significativo y/o ven diferentes puntos en el suelo. Las polarizaciones lineales independientes horizontales y verticales medidas permiten el uso de técnicas establecidas de recuperación de la humedad del suelo, como los modelos de emisión Tau-Omega o Two-stream. Otros sistemas de radiómetros aerotransportados, con antenas inferiores, requieren algoritmos de recuperación sofisticados personalizados y suposiciones sobre las dos huellas del suelo, y sin la herencia establecida y la validación del algoritmo de recuperación de humedad del suelo Tau-Omega. Por supuesto, por patrón de matriz de parches pueden usarse más de cuatro parches.

[0042] Nuestro prototipo de la antena 1 de matriz de dos parches 10, 10' tiene un tamaño de 600mm x 300mm x 9mm con una masa total de aproximadamente 1600g, cuando está montada en una estructura de soporte de aluminio. La antena de matriz de parches 1 tiene un ancho de haz completo de 3dB (ancho completo a la mitad máximo) de 37 grados, y una eficiencia óhmica de 0,91.

[0043] En otra realización, la antena de matriz de parches 1 puede comprender dos matrices de parches 10, 10' que comparten una capa de sustrato de parches 100 y una capa de conductor de tierra 108, en donde dos patrones de parches 101, 101' están impresos en la superficie frontal de la misma capa de sustrato de parche 100, pero rotados 90° entre sí. Los demás componentes, como el entrehierro 106, 106', los espaciadores 107, 107' y los conectores coaxiales de RF 104, 104', se usan como se ha indicado anteriormente. Las dimensiones del parche, microtira y entrehierro deben ajustarse mediante simulación para alcanzar la frecuencia resonante y las características coincidentes deseadas.

[0044] Las señales de emisión térmica de microondas recibidas son muy débiles y necesitan ser amplificadas para su procesamiento de señales posterior. Para corregir las derivas de ganancia y desplazamiento en el tiempo mediante la electrónica optimizada 2 se requiere una calibración interna frecuente, como se representa esquemáticamente en la Figura 2. Las derivas de ganancia están correlacionadas con las derivas de desplazamiento, que son ambas funciones de la temperatura y pueden influir ambas sobre la medición y recuperación de la temperatura de brillo resultante. Por lo tanto también se optimizó la electrónica 2, dando como resultado una electrónica 2 como sigue.

[0045] La electrónica del radiómetro 2 comprende los siguientes componentes en la dirección de transmisión de la señal: Entradas de antena 20, conmutador de puerto n 21, carga de calibración coincidente22, LNA (amplificador de bajo ruido) invertido y carga fría activa 23, con salida terminada por una terminación LNA 24, aislador 25, primer filtro de paso de banda 26 (especialmente para banda L, 1400-1427 MHz), primer LNA 27, segundo filtro de paso de banda 28, segundo LNA 29, tercer filtro de paso de banda 30, detector de potencia de ley cuadrada 31, filtro de paso bajo 32, ADC (convertidor analógico-digital) 33 y unidad de ordenador 34. Todos los componentes están dispuestos en particular en una carcasa. Las entradas y salidas se indican en el dibujo esquemático de la figura 2.

[0046] La carga de calibración coincidente 22 y/o el LNA invertido y la carga fría activa 23 con una terminación de LNA 24 se colocan y conectan al conmutador de puerto n 21. La carga de calibración coincidente 22 está conectada al conmutador de puerto n 21 y al LNA invertido. La carga de calibración coincidente 22 no se encuentra en la cadena de RF principal y actúa únicamente como fuente de temperatura de brillo ambiental. El LNA invertido y la carga fría activa 23 y la terminación LNA 24 no están en la cadena de RF principal y son opcionales. La terminación LNA 24 es un componente electrónico pasivo, sólo para terminar el LNA invertido y la carga fría 23. Esto evita reflexiones y comportamientos no lineales del LNA invertido 23 que cambiarían su temperatura aparente de brillo de microondas.

[0047] En las entradas de antena 20, se alimentan las señales de por lo menos una antena 1, lo más preferido de una antena de matriz de parches de dos partes 1 como se ha divulgado anteriormente. Todos los componentes están adaptados a la banda de frecuencias de interés, en donde algunos componentes son para tareas de calibración de temperatura, como la carga de calibración coincidente 22 y el LNA invertido y la carga fría 23, terminados con la terminación LNA 24.

[0048] El LNA invertido y la carga fría 23 no se usan realmente como amplificador y no están en la cadena de RF principal. Ambos componentes 23, 24 no están en la cadena de RF principal y sólo actúan como una fuente de temperatura de brillo frío de calibración. Aquí no se representan los sensores de temperatura, por ejemplo los termopares. Para un experto en la materia, es conocido cómo se realiza el cableado y/o la transmisión por microondas entre los componentes y qué requisitos técnicos deben cumplir los componentes para la banda de frecuencias de interés. Toda la electrónica del radiómetro puede fabricarse en una PCB usando microtira o CPW para unir los componentes.

[0049] La electrónica 2 muestra una etapa frontal de RF de detección directa sencillo con una etapa posterior de detector de potencia de ley cuadrada 31. Al contrario que la tendencia reciente de las etapas posteriores de muestreo digital, en este diseño se usó este método establecido y simple en aras de la simplicidad, el bajo consumo de energía y la estabilidad. Se ha demostrado que las etapas posteriores digitales mitigan las interferencias de radiofrecuencia (RFI), pero con una alta tasa de muestreo del detector de potencia también podemos filtrar las RFI en el dominio temporal. La etapa frontal de RF se construye usando componentes comerciales.

[0050] La etapa frontal de RF comprende: el conmutador 21, en particular un conmutador de cuatro puertos 21, el aislador 25, el L<n>A invertido 23, los LNA 27, 29 y los filtros de banda L 26, 28, 30, y un filtro paso bajo integrador 32 como filtro RC de suavizado o integración en la salida de CC del detector.

[0051] Como filtros de paso de banda 26, 28, 30 se usan en particular filtros de paso de banda de cavidad cerámica, para la sintonización a la banda de RF protegida para uso pasivos/teóricamente libre de interferencias de radiofrecuencia.

[0052] El detector de potencia de ley cuadrada 31, cuyo voltaje de salida es proporcional al cuadrado del voltaje de entrada modulado en amplitud, es filtrado luego por paso bajo por el filtro de paso bajo 32 y muestreado por el convertidor A/D 33 a ~2 kHz. La frecuencia de corte o constante de tiempo del filtro de paso bajo 32 se ajusta en función de la tasa de muestreo A/D. La unidad de ordenador pequeña 34 recoge y guarda los datos del detector y los datos del sensor de temperatura opcional, además de controlar el interruptor.

[0053] La electrónica del radiómetro 2 se calibra nominalmente a intervalos de ~80 ms usando las dos cargas de calibración internas 22, 23/24, una carga coincidente monitorizada a temperatura ambiente 22 y una carga fría activa 23/24. También se monitoriza la temperatura física de la carga fría activa, y su temperatura de brillo se caracteriza como una función de la temperatura física usando mediciones de temperatura de brillo de cielo frío bien caracterizadas.

[0054] Los componentes se eligen para proporcionar una impedancia de entrada de 50-Q. Para mejorar la calibración, los sensores de temperatura deberían colocarse en la antena usada. En el caso de una antena de matriz de parches de dos partes 1 divulgada anteriormente, debería colocarse un sensor de temperatura en cada matriz de parches 10, 10'.

[0055] La electrónica del radiómetro 2 ofrece un tiempo de integración ajustable y un muestreo rápido en el dominio del tiempo. Para el radiómetro transportado por UAV, el tiempo de integración ajustable permite una mejor precisión radiométrica para misiones a gran altitud de vuelo, cuando la resolución espacial es inherentemente menor, y viceversa, sacrificando parte de la precisión radiométrica. Es posible obtener una resolución espacial extremadamente alta a altitudes de vuelo bajas. Para su uso como radiómetro terrestre, el tiempo de integración puede ser largo, dando como resultado una temperatura delta efectiva de bajo ruido (NEDT), o una resolución radiométrica mejorada.

[0056] El muestreo rápido en el dominio del tiempo permite filtrar las interferencias de radiofrecuencia (RFI). Al contrario que otros diseños, que usan radios definidas por software (SDR) para filtrar la RFI en el dominio de la frecuencia, la invención utiliza la teoría de la Gaussianidad del ruido en el dominio del tiempo para filtrar las muestras que contienen interferencias. Los receptores que usan detección heterodina o superheterodina, como los SDR, están sujetos a incertidumbre en la frecuencia recibida y, por tanto, en la temperatura de brillo, debido a derivas en el oscilador local dependiente de la temperatura y la potencia. La detección directa, con un filtro de paso de banda de etapa frontal, usada en la presente proporciona un equilibrio entre simplicidad y estabilidad. Los otros diseños analizados en el estado de la técnica no incorporan un filtro de etapa frontal, lo que permitiría que la RFI de una amplia banda de frecuencias saturara la primera etapa amplificadora y comprometiera las mediciones.

[0057] El radiómetro 0 resultante es un radiómetro de detección directa, de potencia total y calibrado internamente que funciona en la banda de frecuencias de 1400-1426 MHz y presenta las siguientes ventajas debido al diseño especial de la antena 1 y/o de la electrónica 2 con respecto al estado de la técnica:

(a) diseño de receptor de radiómetro de detección directa con filtrado analógico pasivo frente a los receptores heterodinos o superheterodinos, que provocan errores de deriva del oscilador local,

(b) calibración interna completa con periodo de calibración corto y sintonizable (<300 ms),

(c) medición de polarización lineal dual totalmente independiente, y

(d) el bajo consumo de energía (<4 W) permite el funcionamiento a largo plazo con batería o energía fotovoltaica (e) la rápida tasa de muestreo del detector permite el filtrado de interferencias de radiofrecuencia (RFI) en el dominio temporal.

[0058] El radiómetro total 0 ofrece ventajas sobre el estado de la técnica, ya que la detección de etapa posterior digital con tecnologías como las radios definidas por software recopilan grandes cantidades de datos, requieren un tiempo de procesamiento considerable y también consumen más energía que el diseño presentado aquí. Aunque la detección digital permite el filtrador de RFI en el dominio de la frecuencia, también está sujeta a múltiples fuentes de ruido adicionales, como el aliasing y el plegamiento de frecuencia, la deriva del oscilador local, el error de fase de las muestras en fase y en cuadratura, etc.

LISTA DE NÚMEROS DE REFERENCIA

[0059]

0 radiómetro (compacto, ligero, optimizado)

1 antena de matriz de parches (en particular de dos partes)

10, 10' matriz de parches

100, 100' capa de sustrato de parches (PCB, sustrato dieléctrico)

101, 101' parche (número par)

patrón (simétrico)

102, 102" alimentación por hendidura

103, 103' líneas de tira

1030 línea de conexión entre las líneas de tira y 104

104, 104' conector coaxial RF/Conector SMA

1040 conductor central coaxial

105, 105" medios de conexión (tornillos no conductores, pegamento)

106, 106' entrehierro

d, d' distancia (5 a 9 mm)

107, 107' espaciador (no conductor/ polímero/ PTFE/Nylon/Silicona)

108, 108' capa conductora de tierra

2 electrónica del radiómetro

20 entradas de antena (una para señal de polarización horizontal/vertical)

21 conmutador de n puertos (en particular de 4 puertos)

22 carga adaptada para calibración (calibración de temperatura/impedancia de entrada de 50-Q)

23 LNA invertido (amplificador de bajo ruido) y carga fría activa

24 terminación del LNA

25 aislador

26 primer filtro de paso de banda (1400-1427 MHz, banda L)

27 primer LNA (amplificador de bajo ruido)

28 segundo filtro de paso de banda (1400-1427 MHz, banda L)

29 segundo LNA (amplificador de bajo ruido)

30 tercer filtro de paso de banda (1400-1427 MHz, banda L)

31 detector de potencia de ley cuadrada

32 filtro de paso bajo

S dirección de la señal

33 ADC (convertidor analógico-digital)

34 unidad de ordenador

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Una antena de matriz de parches (1) para un radiómetro de microondas portátil estable de baja masa (0) para medir microondas en la banda espectral comprendida entre 1 y 300 GHz, conectable a una electrónica de radiómetro (2),caracterizada porque

la antena de matriz de parches (1) comprende por lo menos una matriz de parches (10, 10') con una capa de sustrato de parches (100, 100') en forma de placa de circuito impreso de un material dieléctrico sobre la que se imprime un patrón de parches impresos (101, 101') en una cara frontal de la capa de sustrato de parches (100, 100'),

en donde los parches impresos (101, 101') están interconectados a través de alimentaciones de hendidura (102, 102') con líneas de banda (103, 103') en el mismo plano que los parches impresos de la placa de circuito impreso (101, 101'), en donde las líneas de conexión (1030) están conectadas a las líneas de tira (103, 103') y se alimentan a través de la capa de sustrato de parche (100, 100') a través de una capa de conductor de tierra (108, 108'), que está separada fijada a la cara posterior de la capa de sustrato de parche (100, 100') a una distancia definida (d, d') formando un entrehierro (106, 106') sólo entre ambas capas (100, 100', 108, 108'), en donde el entrehierro (106, 106') está formado por una multiplicidad de espaciadores simples individuales (107, 107'), y de tal manera que las líneas de conexión (1030, 1030') se conducen a través de la capa conductora de tierra (108, 108') hasta por lo menos un conector coaxial de RF (104, 104') fijado en una cara posterior de la capa conductora de tierra (108, 108'), que es o son directamente conectables sin desvíos mediante cables con la electrónica del radiómetro (2).

2. La antena de matriz de parches (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las distancias (d, d') entre la capa de sustrato de parches (100, 100') y la capa de conductor de tierra (108, 108') y, por tanto, el por lo menos un entrehierro (106, 106') están comprendidas entre 5 y 9 mm.

3. La antena de matriz de parches (1) de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde los espaciadores simples (107, 107') están hechos de materiales eléctricamente aislantes, en particular polímeros, lo más preferible hechos de silicona o politetrafluoroetileno, y están conectados por medios de conexión (105, 105') entre la capa de sustrato de parches (100, 100') y la capa conductora de tierra (108, 108').

4. La antena de matriz de parches (1) de acuerdo con la reivindicación 3, en donde los medios de conexión (105, 105') son materiales eléctricamente aislantes, en particular tornillos de polímeros sintéticos como las poliamidas.

5. La antena de matriz de parches (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde la capa conductora de tierra (108, 108') es una placa de circuito impreso con una capa metálica de conexión a tierra, o una placa metálica.

6. La antena de matriz de parches (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde por lo menos un conector coaxial de RF (104, 104') está fijado en la parte posterior de la capa conductora de tierra (108, 108') y puede conectarse a través de los cables a la electrónica del radiómetro (2).

7. La antena de matriz de parches (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde la antena de matriz de parches (1) comprende dos matrices de parches (10, 10') formadas de manera idéntica con una capa de sustrato de parches (100, 100'), entrehierros (106, 106') formados por multiplicidades de espaciadores (107, 107') y una capa conductora de tierra (108, 108'), en donde por lo menos las capas de sustrato de parches (100, 100') de las diferentes matrices de parches (10, 10') se rotan unas con respecto a las otras de tal manera que los patrones de los parches (101, 101') en las capas de sustrato de parches (100, 100') se rotan 90° unos con respecto a los otros, para permitir la medición simultánea de radiaciones de polarización diferente.

8. La antena de matriz de parches (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en donde un sensor de temperatura está unido a la red de parches (10, 10') y puede conectarse por cable a la electrónica (2).

9. Un radiómetro de microondas portátil estable de baja masa (0) para la medición de microondas en la banda espectral comprendida entre 1 y 300 GHz, que comprende por lo menos una antena de matriz de parches (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores y una electrónica de radiómetro conectada (2) con componentes de radiofrecuencia y componentes de procesamiento de señales, en donde la electrónica de radiómetro (2) comprende los siguientes componentes en dirección de transmisión de la señal (S): por lo menos una entrada de antena (20), un conmutador de puerto n (21), un aislador (25), un primer filtro de paso de banda (26), un primer amplificador de bajo ruido (27), un segundo filtro de paso de banda (28), un segundo amplificador de bajo ruido (29), un tercer filtro de paso de banda (30), un detector de potencia (31), un filtro de paso bajo (32), un convertidor de analógico a digital (33) y una unidad informática (34), en donde la por lo menos una entrada de antena (20) está conectada a la antena de matriz de parches (1).

10. Un radiómetro de microondas portátil estable de baja masa (0) de acuerdo con la reivindicación 9, en donde al conmutador de puerto n (21) se le coloca y conecta una primera carga coincidente (22) y/o un LNA invertido y carga fría activa (23) con una terminación LNA (24).

11. Un radiómetro de microondas portátil estable de baja masa (0) de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 o 10, en donde el detector de potencia (31) es un detector de potencia de ley cuadrada (31).

12. Un radiómetro de microondas portátil estable de baja masa (0) de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la primera carga adaptada (22) y la fuente activa de calibración en frío (23) están equipadas con sensores de temperatura para propósitos de calibración.

13. Un radiómetro de microondas portátil estable de baja masa (0) de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 a 12, en donde se proporcionan dos entradas de antena (20) para dos antenas de parche (1) o dos matrices de parches (10, 10') en la electrónica (2) y el conmutador de puerto n (21) es un conmutador de cuatro puertos (21).

14. El radiómetro de microondas portátil estable de baja masa (0) de acuerdo con la reivindicación 10, en donde se conecta un sensor de temperatura a cada matriz de parches (10, 10') y/o a la primera carga de calibración coincidente (22) y/o al LNA invertido y a la carga fría activa (23) con propósitos de calibración.