IT9067404A1 - Circuito di alimentazione per antenne radar - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Circuito di alimentazione per antenne radar"

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad una configurazione di alimentazione per antenne radar ed è particolarmente adatta al funzionamento radar ad alte frequenze, al di sopra, ad esempio, dei 70-80 GHz. A tali frequenze è difficile realizzare un circuito di alimentazione d'antenna che sia allo stesso tempo efficiente e poco costoso.

I circuiti integrati a microonde (MIC) sono stati proposti in vista dell'uso nei circuiti di alimentazione d'antenna ma hanno avuto una tendenza ad introdurre limitazioni sia per quanto riguarda la configurazione fisica, sia per l'efficienza. Tecniche quasi-ottiche (o di ottica gaussiana) sono state anche proposte, senza però raggiungere il livello desiderato di efficienza e di facilità di fabbricazione .

Secondo la presente invenzione, un circuito di alimentazione per antenne radar comprende un asse ottico che si estende fra un interfaccia di antenna ed un circuito integrato a microonde posto trasversalmente all'asse ottico, il circuito integrato a microonde comprendendo una schiera di elementi di antenna conduttivi e circuiti a striscia associati e la configurazione comprendendo mezzi di focalizzazione quasi-ottici che accoppiano gli elementi di antenna e l'interfaccia di antenna, la configurazione comprendendo inoltre mezzi di duplexaggio per accoppiare cammini di secomuni

gnale di trasmissione e ricezione/in corrispondenza dell'interfaccia di antenna a cammini separati di segnale di trasmissione e di ricezione/ in corrispondenza del circuito integrato a microonde.

La configurazione comprende di preferenza una griglia a conduttori paralleli suscettibile di trasmettere o riflettere un segnale radar a seconda dell'orientamento relativo del piano di polarizzazione del segnale radar e dei conduttori della griglia, la griglia essendo disposta su ed in posizione obliqua rispetto all'asse ottico così da riflettere segnali polarizzati in modo adeguato fra il circuito integrato a microonde e l'interfaccia di antenna e separare così o segnali di ricezione polarizzati in modo diverso o cammini di segnale di trasmissione e ricezione. Possono essere comprese due griglie a conduttori paralleli configurate in modo da riflettere segnali ricevuti co-polari e con polarizzazione incrociata verso rispettive schiere di elementi di antenna, le schiere essendo orientate in allineamento con i rispettivi segnali co-polare e con polarizzazione incrociata. I conduttori delle griglie, se proiettati su un piano al quale l'asse ottico è perpendicolare, sono spostati reciprocamente di 45°e la configurazione comprende inoltre mezzi disposti fra le due griglie per fare ruotare di 45° il piano di polarizzazione di un segnale incidente, la griglia più distante dall'interfaccia di antenna insieme ai mezzi di rotazione su 45° costituendo i cosiddetti mezzi di duplexaggio .

Pud essere compresa una terza griglia disposta sull'asse ottico a distanza dall'interfaccia di antenna con le due griglie che forniscono la separazione dei segnali ricevuti co-pòlari e con polarizzazione incrociata, mentre la terza griglia fornisce la deviazione del cammino del segnale di trasmissione verso una schiera di elementi di antenna di trasmissione, le tre schiere di elementi d'antenna essendo complanari ed avendo orientamenti tali per cui la schiera coni polarizzazione incrociata è a 4-5° sia rispetto alla schiera co-polare, sia alla schiera di trasmissione, le quali sono distanziate reciprocamente di 90°. In alternativa ci può essere una alimentazione di trombino di trasmissione allineata con l'asse ottico e separata dall'interfaccia di antenna dalle due griglie.

Le schiere di elementi di antenna sono montate di preferenza su un substrato comune.

Una delle schiere di elementi di antenna pub costituire una schiera di trasmissione e di ricezione ed i mezzi di duplexaggio possono essere forniti dai circuito a striscia associati.

In qualunque configurazione del tipo sopra descritto pub essere compresa una piastra in quarto d'onda interposta fra l 'interfaccia di antenna e la griglia più vicina, la piastra in quarto d'onda realizzando la conversione fra la polarizzazione lineare sul lato di alimentazione della piastra in quarto d'onda e la polarizzazione circolare sul lato dell'antenna.

Verranno ora descritti, a titolo di esempio, due forme di attuazione di un circuito di alimentazione di antenna secondo l'invenzione, il tutto con riferimento ai disegni annessi, in cui:

- la figura 1 è un diagramma di cammini di alimentazione fra i circuiti radar e l'antenna che fa vedere schiere di antenna MIC accoppiate selettivamente a cammini ottici;

le figure 2, 3 e 4 fanno vedere circuiti a mic rostriscia MIC rispettivamente per: la sezione di ricezione canpolarizzazione incrociata, la sezione di ricezione co-polare e la sezione di trasmissione della figura 1;

- la figura 5 è un diagramma di una seconda forma di attuazione simile a quella della figura 1 ma con la commutazione duplex incorporata nella microstriscia invece che nei componenti ottici;

- la figura 6 fa vedere i circuiti a microstriscia della figura 5 in maggior dettaglio; e

- la figura 7 fa vedere la configurazione fisica ed i collegamenti di una configurazione di alimentazione MIC/quasi-ottica in un'antenna.

Facendo ora riferimento alla forma di attuazione illustrata nelle figure 1 a 4, un asse ottico 1 è allineato con l'asse del radome (così come illustrato in figura 7). Lungo questo asse è disposta una successione di componenti quasi-ottici che producono una selettiva diramazione di un segnale assiale verso circuiti integrati a microonde a seconda del piano di polarizzazione. Tre griglie 3, 5 e 7, comprendenti ciascuna una schiera piana di sottili conduttori con spaziature comparabili alla lunghezza d'onda di funzionamento, sono disposte a 45° rispetto al cammino ottico 1 in modo da riflettere un segnale con un piano di polarizzazione adeguato ad angoli retti rispetto al cammino ottico. Le griglie sono illustrate schematicamente in vista laterale nella parte superiore della figura 1 ed in pianta nella parte inferiore. Si vede che, in vista in pianta, i fili delle griglie sono a 90°, 45° e -45° rispetto all'asse ottico, rispettivamente, nelle griglie 3, 5 e 7. Le griglie 5 e 7 si possono quindi vedere come aventi fili ad un angolo pari a arc tan rispetto ai loro bordi longitudinali in modo da ottenere l'angolo necessario di 45° (dei fili) quando fatti oscillare. Si pub anche vedere che quando proiettati in in piano trasversale rispetto all'asse 1, i fili sono, rispettivamente, a 0° , 45° e -45° rispetto all'orizzontale.

In posizione opposta alla griglia 7 si trova una schiera trasmittente MIC con quattro elementi conduttivi A, B, C, e D illustrati nella parte inferiore della figura 1 attraverso la griglia 7. Questa schiera e la relativa circuitazione a striscia sono illustrate in dettaglio nella figura 4. Quando la schiera trasmittente è opportunamente attivata, quattro componenti di segnale in fase ed aventi un piano di polarizzazione così come indicato dalla freccia 9 vengono proiettate.verso la griglia 7.

Il segnale di trasmissione comprendente queste quattro componenti all'unisona viene focalizzato da una lente dielettrica 11 di silice fusa sulla griglia 7 lungo un cammino 13. Il segnale, avendo un piano di polarizzazione parallelo ai fili della griglia, viene riflesso lungo l'asse ottico 1.

(Il cammino 13 è illustrato spostato rispetto all'asse ottico 1 per motivi di chiarezza).

I cerchi lungo il cammino 13 che circondano le frecce fanno vedere la direzione del vettore E del segnale polarizzato guardando nella direzione di trasmissione del segnale, ossia guardando da destra verso sinistra per il cammino 13.

Il segnale di trasmissione passa poi attraverso una lente dielettrica 15 di polietilene ad alta densità, con polarizzazione inalterata, e viene intercettato da una griglia 5 simile alla griglia 7, ma con fili a 90° rispetto a quelli della griglia 7 (in vista in pianta - come visto in precedenza). La griglia 5 risulta così trasparente rispetto al segnale di trasmissione ed il piano di polarizzazione rimane inalterato, così come illustrato da frecce inserite in un cerchio su ciascun lato della griglia 3.

Il componente successivo lungo l'asse è un rotatore Faraday 17 di tipo nato comprendente un elemento di ferrite sottoposto ad un campo magnetico. Questo componente ha l'effetto di fare ruotare il piano di polarizzazione di 45°. La direzione di rotazione è in una sola direzione intorno alla circonferenza del componente indipendentemente dalla direzione di trasmissione del segnale, vale a dire la rotazione è oraria per una direzione di trasmissione del segnale e antioraria per l'altra. Nel diagramma, così come indicato dalle frecce nei circoli, la rotazione è in verso orario da destra verso sinistra (vale a dire cammino 13) ed antioraria da sinistra verso destra (vale a dire il cammino 25 ).

La griglia 3 ha fili a 90° rispetto all'asse, vale dire l'orizzontale, per cui il segnale di trasmissione ora polarizzato verticalmente la vede come trasparente e passa attraverso un'ulteriore lente dielettrica 17 senza alcuna rotazione di piano.

A questo punto, il segnale,polarizzato verticalmente può essere considerato come costituito da due compónenti ortogonali, come indicato nel cerchio. Una piastra in quarto d'onda 21 è costituita da un disco di zaffiro avente costanti dielettriche differenziali su diametri ortogonali. L'effetto è quello di ritardare una componente del piano della costante dielettrica elevata di un quarto d'onda rispetto alla componente nel piano ortogonale. Il disco è disposto con questi due diametri allineati con le due componenti incidenti illustrate. Il risultato è che (dopo essere passate attraverso l 'ulteriore lente dielettrica 23) le due componenti sono in quadratura nello spazio e nel tempo e presentano così una polarizzazione circolare a questa interfaccia con i riflettori dell'antenna (illustrati nella figura 7). La disposizione della piastra 21 è tale per cui, nella figura 1, cosi come illustrata nella vista in prospettiva del segnale a questa interfaccia di antenna, la polarizzazione è circolare destra.

Così come -illustrato nella figura 7, in cui sono stati utilizzati gli stessi numeri di riferimento, il segnale con polarizzazione circolare viene proiettato su un riflettore ausiliario fisso 27 e da lì verso il riflettore principale orientabile 29 di un'antenna cassegrain in vista dell'illuminazione di un bersaglio.

Se un bersaglio nel fascio di trasmissione dovesse produrre una singola riflessione (una cosiddetta "odd bounce") il segnale di ritorno sarà opposto, vale a dire circolare sinistrorso, così come illustrato sul cammino 25 interfaccia di antenna. Le due componenti vengono portate in allineamento temporale dalla piastra in quarto d'onda 21 ed intercettano la griglia 3 con polarizzazione verticale (come illustrato). Poiché entrambi i segnali di trasmissione di ricezione sono lineari a questo punto e nello stesso piano verticale, il segnale ricevuto viene definito un segnale co-polare. La griglia orizzontale appare trasparente ed il piano di polarizzazione rimane inalterato prima del rotatore Faraday. In questa trasmissione da sinistra a destra attraverso il rotatore si ha una rotazione antioraria di 45° così come illustrato dalla freccia compresa in un cerchio. Così come si può vedere dalla vista in pianta della griglia 5, il segnale è ora in un piano parallelo ai fili della griglia e viene riflesso di conseguenza verso la schiera di ricezione ABCD della figura 3 tramite una lente dielettrica 31.

Se il segnale trasmesso va soggetto ad una doppia riflessione (vale a dire una cosiddetta "even bounce") al bersaglio, esso verrà riflesso con una polarizzazione circolare destrorsa, come sul cammino 33. Dopo la trasmissione attraverso la lente 23, il segnale ricevuto sarà convertito alla polarizzazione lineare da una piastra 21 che produce un segnale risultante in un piano orizzontale come illustrato nel cerchio. Per confronto con il segnale di trasmissione verticale a questo punto il segnale orizzontale viene indicato come segnale “con polarizzazione incrociata". Questo segnale viene riflesso dalla griglia orizzontale 3 verso la lente 34 e la schiera di elementi di antenna della figura 2.

Si potrà notare che in questa configurazione il duplexaggio dei segnali trasmessi e ricevuti viene realizzato nei cammini (quasi—)ottici tramite la combinazione della rotazione controllata e degli angoli delle griglie. Nella configurazione sopra indicata, le griglie 5 e 7, o almeno le loro proiezioni in pianta, devono essere ortogonali e ciascuna a 45° rispetto alla griglia 3.

Facendo ora riferimento alla figura 2, è illustrato un circuito integrato a microonde basato su quattro elementi di antenna ABCD che sono quelli della figura 1. Questi corrispondono ai quattro elementi di antenna tradizionali che forniscono la posizione del bersaglio in azimut ed elevazione in un sistema monopulse tramite confronto di fase. I quattro elementi sono irradiati per riflessione a partire dalla griglia 3 come spiegato in precedenza. 1 segnali in uscita a partire dagli elementi vengono combinati da accopiatori ibridi 35 ciascuno dei quali produce due uscite, la somma e la differenza dei due ingressi. Un ulteriore ibrido 37 produce la somma complessiva A+B+C+D e la differenza in elevazione, (A+B)-(C+D), mentre un ulteriore ibrido 39 produce la differenza in azimut (A+C)-(B+D) ed un cosiddetto segnale di canale privo di significato applicato ad un carico resistivo 41.

Le tre uscite alla frequenza ràdar in banda M (opportunamente 94 GHz ) vengono miscelate con un segnale di oscillatore locale in rispettivi miscelatori 43, 45,. e 47. Poiché il ricevitore è un ricevitore omodino, il segnale di oscillatore locale, immesso nell'elemento 49, viene derivato (ad esempio come illustrato in figura 7 direttamente a partire dal trasmettitore, per dare una banda di frequenze in uscita di 0-4 GHz o meno.

Considerando il miscelatore 43 come un esempio, esso consiste di una giunzione circolare con due ingressi, il segnale di somma ed il segnale di oscillatore locale, e due punti di accoppiamento a diodo in corrispondenza di ciascuno dei quali un diodo (fornito come componente discreto — non illustrato per semplicità) colma un vuoto di collegamento verso una rete filtrante 51. Collegamenti su filo 53 vengono tratti dalle uscite di filtraggio verso gli elementi di uscita di somma 54. Una uscita di somma singola viene derivata da un collegamento comune .

I segnali di differenza in elevazione ed azimut vengono derivati in modo simile.

La figura 3 fa vedere un ulteriore schiera ricevente di elementi di antenna orientati come nella figura 1. Questo è un circuito MIC relativamente semplice che richiede soltanto tre giunzioni di somma 55 ed un miscelatore 57. Viene fornita una singola uscita di somma. Una uscita monopulse completa potrebbe essere fornita parimenti utilizzando ibridi invece che splitter di potenza in corrispondenza delle giunzioni.

La figura 4 fa vedere il trasmettitore MIC, ancora di forma molto semplice, che richiede soltanto giunzioni di somma, senza alcun miscelatore.

La figura 5 fa vedere una forma di attuazione alternativa che impiega soltanto due griglie e due corrispondenti schiere di elementi di antenna MIC. Le griglie sono più semplici, essendo entrambe di forma rettangolare sebbene relativamente ortogonali. In questa struttura non è necessario alcun rotatore Faraday, come si può vedere seguendo lo sviluppo dei piani di polarizzazione nei cerchi. Si può notare che non si ha separazione dei cammini di trasmissione e di ricezione (co-polare) nelle porzioni ottiche della configurazione: il duplexaggio viene effettuato nei circuiti MIC.

Facendo riferimento alla figura 6, sono illustrati entrambi i circuiti MIC della figura 5, incorporati in una singola scheda, una caratteristica vantaggiosa che può essere adottata in forme di attuazione preferite dell'invenzione. La schiera 39 è collegata così come in figura 2 per fornire somma e le differenze in azimut ed elevazione, sebbene con un orientamento iniziale di 90° degli elementi di antenna, cosi come richiesto dalla griglia della figura. Un ingresso di oscillatore locale comune 63 alimenta entrambi i ricevitori 59 e 61. Un accoppiatore ibrido 65 suddivide l'alimentazione di oscillatore locale verso i due ricevitori, un cammino 67 essendo introdotto in un circolare o duplexer 69. Questo elemento commuta il segnale di oscillatore locale verso la schiera 61 in vista della trasmissione e commuta il segnale ricevuto a partire dalla schiera verso un cammino 71 in direzione di un miscelatore 73. L'ingresso di oscillatore locale verso il miscelatore viene derivato dal cammino 67 tramite un accoppiatore 75 ed un cireolatore 77. L'uscita del ricevitore viene quindi derivata come segnale di somma in uscita dal miscelatore.

In questo caso il duplexaggio viene realizzato dai circuiti MIC, mentre il segnale di oscillatore locale viene fatto passare verso là .schiera 61 mentre il segnale di trasmissione ed il segnale di ricezione co-polare vengono separati dal circolatore 69.

La figura 7 fa vedere la configurazione complessiva. Un circuito di alimentazione combinato MIC/quasi-attico viene diretto verso il riflettore ausiliario 27 di un antenna cassegrain con un radome 28. Il riflettore principale 29 è orientabile tramite un servo sistema 30 così da inseguire un bersaglio.

Il circuito di alimentazione illustrato in questa configurazione differisce da quello della figura 1 per il fatto che il segnale di trasmissione è fornito da un trombino 35 invece che dai circuiti MIC della figura k e dalla griglia 7, ma per il resto è simile. Le varie uscite di somma e differenza vengono quindi elaborate in modo selettivo per scopi di riconoscimento e di conferma del bersaglio.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Configurazione di alimentazione per antenna radar comprendente un asse ottico che si estende fra un interfaccia di antenna ed un circuito integrato a microonde posto trasversalmente rispetto all 'asse ottico, il circuito integrato a microonde comprendendo una schiera di elementi di antenna conduttivi e circuiti a striscia associati, e la configurazione comprendendo mezzi di focalizzazione quasi-attici che accoppiano detti elementi di antenna e detta interfaccia di antenna, la configurazione comprendendo inoltre mezzi di duplexaggio per accoppiare cammini di segnale di trasmissione e ricezione comuni in corrispondenza di dette interfacce di antenna a cammini di segnale di trasmissione e di ricezione separati in corrispondenza di detto circuito integrato a microonde.
2. 2. Configurazione di alimentazione secondo la rivendicazione 1, comprendente una griglia a conduttori paralleli suscettibili di trasmettere o riflettere un segnale radar a seconda dell'orientamento relativo del piano di polarizzazione del segnale radar e dei conduttori della griglia, detta griglia essendo disposta su ed obliquamente rispetto a detto asse ottico cosi da riflettere segnali polarizzati adeguatamente fra detto circuito integrato a microonde e detta interfaccia di antenna e separare così o segnali di ricezione con polarizzazione diversa o cammini di segnali di trasmissione e ricezione.
3. 3. Configurazione di alimentazione secondo la rivendicazione 2, comprendente due griglie a conduttori paralleli disposte,in modo da riflettere segnali ricevuti co-polari e con polarizzazione incrociata verso rispettive schiere di elementi di antenna, dette schiere essendo orientata in allineamento con i rispettivi segnali co-polare e con polarizzazione incrociata.
4. 4. Configurazione di alimentazione secondo la rivendicazione 3, in cui i conduttori di dette griglie, proiettati su un piano al quale detto asse ottico è perpendicolare, sono reciprocamente spostati di 45°, la configurazione comprendendo inoltre mezzi disposti fra dette due griglie così da far ruotare il piano di polarizzazione di un segnale incidente di 45°, la griglia più distante da detta interfaccia di antenna insieme a detti mezzi di rotazione su 45° costituendo detti mezzi di duplexaggio.
5. 5. Configurazione di alimentazione secondo la rivendicazione 4, comprendente una terza griglia disposta su detto asse ottico a distanza da detta interfaccia di antenna, dette due griglie fornendo la separazione dei segnali ricevuti co-polare e con polarizzazione incrociata e la terza griglia fornendo la deviazione del cammino del segnale di trasmissione verso una schiera di elementi di antenna di trasmissione, le tre schiere di elementi di antenna essendo co-planari ed avendo orientamenti tali per cui la schiera con polarizzazione incrociata è a 45° rispetto alla schiera co-polare ed alla schiera di trasmissione, le quali sono distanziate reciprocamente di 90°.
6. 6. Configurazione di alimentazione secondo la rivendicazione 4, comprendente un'alimentazione di trombino di trasmissione allineata con detto sse ottico e separata da detta interfaccia di antenna da dette due griglie.
7. 7. Configurazione di alimentazione secondo la rivendicazione 3, in cui dette schiere di elementi di antenna sono montante su un substrato comune.
8. 8. Configurazione di alimentazione secondo la rivendicazione 5, in cui le tre schiere di elementi di antenna sono montati su un substrato comune.
9. 9. Configurazione di alimentazione secondo la rivendicazione 3, in cui una di dette schiere di elementi costituisce una schiera di trasmissione e ricezione e detti mezzi di duplexaggio sono forniti da detti circuiti a striscia associati.
10. 10. Configurazione di alimentazione secondo la rivendicazione 3, comprendente una piastra in quarto d'onda interposta fra dette interfacce di antenna e 3a griglia più vicina, detta piastra in quarto d'onda convertendo fra una polarizzazione lineare sul lato di alimentazione della piastra in quarto d'onda e una polarizzazione circolare sul lato dell'antenna.