WO2015044476A1 - Alimentador de antena de doble banda de frecuencia con polarización circular diferente en cada banda - Google Patents

Alimentador de antena de doble banda de frecuencia con polarización circular diferente en cada banda Download PDF

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diplexer
polarization
linear
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PCT/ES2014/070462
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Jesús María REBOLLAR MACHAIN
Carlos Alberto Leal Sevillano
José Ramón MONTEJO GARAI
Jorge Alfonso Ruiz Cruz
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Universidad Politécnica de Madrid
Universidad Autónoma de Madrid
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/165—Auxiliary devices for rotating the plane of polarisation
    • H01P1/17—Auxiliary devices for rotating the plane of polarisation for producing a continuously rotating polarisation, e.g. circular polarisation
    • H01P1/171—Auxiliary devices for rotating the plane of polarisation for producing a continuously rotating polarisation, e.g. circular polarisation using a corrugated or ridged waveguide section

Definitions

  • the object of the invention is a new antenna feeder for two frequency band communications systems with opposite circular polarizations in each of them, which has numerous advantages both in the electrical characteristics of the feeder and in the mechanical connections of the various components.
  • Microwave electromagnetic signals usually in the range of 1 to 100 Gigahertz (GHz), are commonly used for the transmission and reception of all types of information. In addition to the aforementioned frequency property, these electromagnetic signals also have a polarization characteristic. In the case of application in the communication systems, the different polarizations used are: vertical, horizontal, circular to the right (C +) and circular to the left (C-). If the polarization is circular (C + and C-), the parameter called axial relationship is used to measure its purity. Very low axial ratio values (high polarization purity) are necessary for the proper functioning of communications equipment. In a large number of communications systems and in particular on satellite satellites, two different frequency channels or bands (first or low band and second or high band) are used for the transmitted and received signal, respectively.
  • first or low band and second or high band are used for the transmitted and received signal, respectively.
  • a typical antenna feeder for the generation of different circular polarization in two frequency bands is formed by the following components.
  • ⁇ Orthogonal mode transducer OHT, Orthomode Transducer
  • the axial length of the feeder is large, which causes severe difficulties in positioning the feeder in many situations and in particular in satellite systems.
  • the axial length of the feeder directly influences the dissipation losses of the device. At greater length, greater losses, this being a clear drawback of systems based on current architectures and that could be remedied with architectures such as those of the present invention that resulted in shorter signal guidance lengths.
  • the object of the present invention is a new concept of antenna feeder that resolves the previously described limitations of current systems, in addition to introducing new electrical and mechanical performance.
  • the object of the present invention is a double-band and circular polarization feeder based on the use of a diplexer and a two-phase polarizer that generates right circular polarization in the first band and left in the second band (Ci + and C 2 -), or vice versa (C and C 2 +), which allows to significantly improve the electrical characteristics of the feeders currently used, and also eliminates the mechanical restrictions of the current ones.
  • the dual frequency band antenna feeder with different circular polarization in each band object of the present invention comprises:
  • diplexer configured to combine two input signals in different frequency bands and with the same linear polarization
  • a two-phase polarizer configured to receive the combined signal from the single-mode transmission medium and to generate at the output a right-hand circular polarization in one of the frequency bands and to the left in the other frequency band, said two-phase polarizer comprising:
  • the diplexer and biphase polarizer are connected by flexible waveguide, so they do not need to be aligned on the axial axis of the feeder.
  • the two-phase phase shifter can be formed by a combination of alternating circular, square, rectangular, ridge or elliptical section guides.
  • it may consist of a combination of alternating square and rectangular guides, alternating rectangular and circular guides, or any other possible combination.
  • the present invention has a direct and immediate application in the satellite communications industry, both on ground equipment and on satellite ships. It also presents the significant advantages already described, specifically, improvement of electrical performance and versatility of mechanical interconnection of the components, compared to the alternative currently used in the industry.
  • Figure 1 shows a block diagram of the typical antenna feeder according to the state of the art.
  • Figure 2 represents, according to the state of the art, a typical phase difference diagram of a double frequency band phase shifter.
  • Figure 3 shows, according to the state of the art, a 3D representation of a typical antenna feeder with OMT plus single phase polarizer.
  • Figure 4 represents a block diagram of the antenna feeder of the present invention.
  • Figure 5 shows a phase difference diagram of a two phase phase shifter.
  • Figures 6A, 6B and 6C show a 3D representation of a preferred scheme with a diplexer based on low pass and high pass filters in a rectangular guide and a two-phase + 90% 90 ° polarizer in square and rectangular guide.
  • Figures 7 A and 7B show a 3D representation of another possible embodiment of antenna feeder with a diplexer based on bandpass filters with circular cavities and a 90% 90 ° biphase polarizer in circular and rectangular guide.
  • Figures 8A, 8B, 8C, 8D and 8E show a 3D representation of another possible embodiment of antenna feeder with a diplexer based on low pass and high pass filters in rectangular guide and a two-phase + 90% 90 ° polarizer in circular guide and elliptical
  • FIG. 1 shows a block diagram of a typical antenna feeder, according to the state of the art, for the generation of different circular polarization in two frequency bands.
  • This feeder consists of the following components:
  • Orthogonal mode transducer 100 or orthodontic transducer. It allows separating into two different physical ports, port of the first band 104 and port of the second band 106, each of the orthogonal linear polarizations (Li, L 2 ) of the common port 102 of the transducer. In this classic architecture for this type of problems, the orthogonal linear polarizations (Li, L 2 ) go in different frequency bands.
  • ⁇ Multimode waveguide 108 This waveguide propagates the two linear orthogonal polarizations (Li, L 2 ) between the orthogonal mode transducer 100 and the single phase polarizer 1 10.
  • multimode waveguide 108 has two planes of symmetry in its cross section to control the generation of higher order modes and the isolation of orthogonal linear polarizations, and usually has symmetry with respect to a 90 ° rotation on the axial axis of the feeder 1 16 that connects with the antenna 120 (typically horn), connection axis with the single phase polarizer 1 10 and the antenna 120.
  • the guide must have a minimum length to avoid the interaction of higher modes between the orthogonal mode transducer 100 and the single phase polarizer 110, and cannot be bent / curved so as not to generate higher modes in the waveguide, which imposes large mechanical restrictions on the antenna feeder. The object of the present invention will avoid all these restrictions.
  • Single phase polarizer 110 This element generates a circular polarization at the output, right in the first band and left in the second (Ci + and C 2 -) or vice versa (C and C 2 +), from two linear orthogonal polarizations of input operating both in the low band and in the high band.
  • This element is in turn composed of a modal transition of linear double polarization 112 and a phase-phase phase shifter 114.
  • the modal transition of linear double polarization 1 12 is the necessary interface between the orthogonal mode transducer 100 and the single phase phase shifter 114. This element is responsible for adapting the linear orthogonal linear polarizations for the correct excitation of the single phase phase shifting element.
  • the single phase phase shifter 1 14 double band 90 ° is the element responsible for producing the 90 ° phase difference between the two linear orthogonal polarizations of equal amplitude from the modal transition of linear double polarization 112.
  • the single phase phase shifter 1 14 must produce the 90 ° phase difference in the double frequency band of the feeder.
  • An example of the typical phase curve of a single phase phase shifter 1 14 of 90 ° and double frequency band is shown in Figure 2, where the horizontal axis is the frequency axis, the vertical axis shows the differential offset between the two polarizations
  • Linear orthogonal and shaded regions represent the operating frequency bands of the single phase phase shifter 114.
  • the feeder output signal has circular polarization of opposite signs in each band (Ci + and C 2 -).
  • This signal directly feeds the antenna 120, typically a horn with revolution symmetry.
  • This single phase phase shifter 1 14 of 90 ° provides a 90 ° offset with the same sign in both the first and second bands, which could be called a single phase polarizer. In the present invention, however, a biphase polarizer is used.
  • FIG. 1 The architecture represented in Figure 1 is well known and widely used in the communications industry.
  • a 3D view of a typical antenna feeder based on this architecture is shown in Figure 3: the orthogonal mode transducer 100, the linear dual polarization modal transition 112, the single phase phase shifter element 1 14 between two orthogonal modes and a transition to the antenna guide 120, typically a horn with circular guide input.
  • FIG. 4 A block diagram of the antenna feeder object of the present invention is shown in Figure 4. The constituent elements are:
  • a diplexer 200 capable of combining in a common port 202 of the diplexer two signals from different inputs (port of the first band 204 and port of the second band 206) and at different frequencies with the same linear polarization.
  • the diplexer 200 in turn is typically constituted by two filters and a union of waveguides.
  • the filters can be either bandpass filters, either a high pass filter and another low pass filter, or any combination that provides the desired diplexing. In any case, the diplexer configuration does not modify the new antenna feeder concept.
  • Single mode transmission medium 208 in which the two frequency bands (first band and second band) have been combined. It is an arbitrary waveguide (it could not have two planes of symmetry or have symmetry with respect to 90 ° rotation) and through which a single mode is propagated (Li and L 2 have the same linear polarization, but they go in different frequency bands). Flexible guides or elbows and arbitrary turns can be included here. This situation makes an essential difference compared to regular feeders. This item or items can be found commercially.
  • Two-phase 210 polarizer This element generates a circular polarization at the output (right in the first band and left in the second, Ci + y
  • This element is in turn made up of a simple linear polarization modal transition 212 and a two phase phase shifter 214.
  • the simple linear polarization modal transition 212 has any type of single-mode waveguide to the input and a waveguide that supports two linear polarizations orthogonal to the output.
  • This element is the necessary interface between diplexer 200 and two-phase phase shifter 214. This element is responsible for adapting the linear input polarization to correctly excite the two-phase phase shifter 214.
  • Biphase phase shifter 214 is the element that introduces a phase difference between orthogonal polarizations of 90 ° and -90 ° in the first and second frequency bands, respectively, see ref. [6].
  • l_i and L 2 are the same polarization in the same mode, operating in different bands.
  • the phase curve of a two-phase phase shifter is illustrated in Figure 5.
  • the frequency scale is represented on the horizontal axis, while the phase difference between two linear and orthogonal polarizations is shown on the vertical axis.
  • the shaded regions represent the operating frequency bands of the 214 phase shifter.
  • This device can be implemented and / or industrialized using well-known and widely used machining techniques in the industry.
  • a signal with the desired circular polarization is generated in each frequency band.
  • Said signal feeds the antenna 120, which will typically be a smooth or corrugated horn with revolution symmetry.
  • the antenna 120 which will typically be a smooth or corrugated horn with revolution symmetry.
  • Figures 6A, 6B and 6C show a possible embodiment of the antenna feeder of the present invention.
  • Figure 6A shows the 3D representation of the waveguides that form the device, whose coating is metallic as shown in Figure 6B.
  • Figure 6C shows the cut of the metal envelope of Figure 6B in a plane perpendicular to the rectangular waveguides of the feeder.
  • the feeder starts with a diplexer 200 based on low pass and high pass filters with routing elbows.
  • Said diplexer 200 is formed by a low pass filter 226 using a rectangular corrugated waveguide in the E-plane and by a high pass filter 228 formed by a cut waveguide in the lower frequency band.
  • the two filters are multiplexed using a guide junction 230 composed of various steps on the narrow face of the rectangular cross section.
  • both transformers and elbows 224 have been used to pass to the desired waveguides, as well as placing the interfaces in the required relative positions. Both the number of corrugations in the low pass filter 226 and the length of the cutting guide in the high pass filter 228 will determine the insulation between frequency bands. This value can be increased by simply increasing the order of the filters. In addition, it is completely fixed by the design parameters of the diplexer 200 and is completely independent of the rest of the feeder elements.
  • a single mode transmission means 208 implemented in the form of a rectangular waveguide that only propagates a linear polarization mode. On this guide, the two signals of each of the bands from the rectangular input guides (220, 222) to the diplexer are propagated, specifically the high and low band signal come from guides 222 and 220, respectively.
  • the two-phase polarizer 210 formed by a simple linear polarization modal transition 212 from the two orthogonal modes to the input mode, consisting of several centered steps that pass from a rectangular section waveguide to square section
  • the rectangular guide 232 and square guide 234 of the simple linear polarization modal transition 212 have a 45 ° rotation on their relative position.
  • the square section guide 234 in turn constitutes the first element of the two-phase phase shifter 214 and supports two modes with orthogonal linear polarizations. These two modes are excited with the same amplitude and in the two frequency bands from the rectangular input waveguide 208 to the simple linear polarization modal transition 212.
  • the two-phase phase shifter 214 is composed of a periodic guide section 236, formed in turn by several sections of alternating high-width square and rectangular guides.
  • Said periodic guide 236 supports two orthogonal linear polarizations with different propagation constants. The difference between the two propagation constants is of the opposite sign in each of the frequency bands.
  • the value of the propagation constants can be obtained from a rigorous analysis of the dispersion diagram of the periodic guide 236. This analysis also provides the initial dimensions and the number of sections necessary to obtain the 90 ° and -90 ° offset. in the first and second frequency band, as shown in Figure 5.
  • the number of sections and dimensions of the periodic guide 236 depend on the bandwidth and the separation between frequency bands, as well as, on the required specifications of axial relation.
  • the two-phase polarizer 210 also includes a transformer 238 of the square output guide of the two-phase phase shifter 214 with a circular guide, whose only objective is to adapt between guides of different cross-section and thus adapt the signal to the input interface. of the horn antenna, usually of circular section.
  • the external shape of the metal housing in Figure 6B is independent of the electrical behavior of the feeder and in general will depend on the mechanical manufacturing process used. Although the implementation can be done using various manufacturing processes well known in the industry, such as milling, EDM or electroforming.
  • a section according to a plane perpendicular to the rectangular inlet guides (220, 222) is shown in Figure 6C. This figure shows how the interior of the feeder does not contain additional elements such as sheets, posts or pins, which also contributes to improving its electrical characteristics against manufacturing tolerances, as well as improving the maximum power it can handle and reducing the generation of Passive Intermodulation Products (PIMP ' s).
  • FIGS 7A and 7B show a second possible embodiment of antenna feeder.
  • the first element is a diplexer 200 based on band pass filters with circular cavities, in a configuration known as two-channel manifold, high band 250 and low band 252, and with a short circuit 256 at the end that allows to improve the multiplexing characteristics.
  • Each of the channel filters (250, 252) is dual mode and four order.
  • the resonant cavities 254 are formed by guides of elliptical section of low eccentricity which allow the two resonant modes to be adequately excited.
  • Diplexer 200 and biphase polarizer 210 are connected by a rectangular guide 208 that supports a single linear polarization in both frequency bands.
  • the length of this guide can in turn adopt very low values since the cutoff frequency of higher modes is well above the operating bands and therefore they are quickly attenuated without degrading the electrical characteristics of the feeder.
  • the next element of the feeder is the two-phase polarizer 210 formed by a simple linear polarization modal transition 212 constituted by rectangular, elliptical and circular guide sections, and by a two-phase phase shifter 214 in the form of a periodic guide 260.
  • the two-phase phase shifter 214 is formed by guides of rectangular section of great high-width and circular alternating relationship, which provide a total phase difference close to 90 ° and -90 ° in the first and second frequency band, respectively.
  • the two-phase phase shifter 214 allows to generate at the output of the feeder 264, through a transformer 262, the circular polarization required in each band and with a low level of axial relation.
  • the polarization characteristics are exclusively determined by the biphase polarizer 210 and are not affected by the final interconnection of biphase polarizer 210 and diplexer 200.
  • FIGs 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F and 8G Another additional embodiment is that shown in Figures 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F and 8G, where the antenna feeder is formed by a diplexer 200 composed of high pass filters 270 and low pass 272 similar to that shown in Figure 6A, a single-mode transmission means 208 implemented in the form of a single-mode routing waveguide that may have arbitrary elbows and turns or be flexible, and a two-phase polarizer 210.
  • the single-mode routing waveguide 208 is It represents a 180 ° double elbow to route the signal, but it can be replaced by a flexible guide (see Figures 8C to 8G).
  • the great interconnection versatility of the different elements of the antenna feeder is shown, including the possibility of the flexible guide that allows the diplexer 200 and the biphase polarizer 210 to be placed in arbitrary relative positions. In addition all this without degrading the electrical characteristics of the feeder, specifically, insulation and axial relationship.
  • the two-phase phase shifter 214 consists of alternating circular and elliptical cross-section guides. It is important to note that the examples shown in the preferred embodiments are only three of the many possible examples. Thus, for example, diplexers 200 and biphase polarizers 210 could be proposed with a structure or constitution different from those shown, provided they perform the same function. Similarly, the different diplexers and biphase polarizers shown in the preferred embodiments of Figures 6, 7 and 8 can be combined with each other giving rise to new antenna feeder configurations, although all of them are within the general scheme of proposed Figure 4. in the present invention.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Alimentador de antena de doble banda de frecuencia con polarización circular diferente en cada banda, de altas prestaciones eléctricas y gran versatilidad en la interconexión mecánica. El alimentador se basa en una nueva arquitectura que utiliza un diplexor (200) que combina las dos señales de entrada (L1, L2) en distintas bandas de frecuencia y con la misma polarización lineal en una guía de onda, mientras que proporciona un elevado aislamiento entre las bandas de frecuencia. La guía de onda monomodo de salida del diplexor permite hacer el encaminado de las señales de la forma más conveniente sin ninguna restricción geométrica hasta llegar a un 10 polarizador bifase (210) que se encarga de producir los desfasajes necesarios, en torno a +90º y -90º, en cada una de las bandas para obtener las polarizaciones circulares deseadas con un bajo nivel de relación axial en cada banda de frecuencia.

Description

ALIMENTADOR DE ANTENA DE DOBLE BANDA DE FRECUENCIA
CON POLARIZACIÓN CIRCULAR DIFERENTE EN CADA BANDA
DESCRIPCIÓN
SECTOR TÉCNICO
El objeto de la invención es un nuevo alimentador de antena para sistemas de comunicaciones de dos bandas de frecuencia y con polarizaciones circulares opuestas en cada una de ellas, que presenta numerosas ventajas tanto en las características eléctricas del alimentador como en las conexiones mecánicas de los diversos componentes.
Numerosos sistemas de comunicaciones, incluyendo comunicaciones vía satélite, demandan este tipo de características, siendo de gran importancia tanto las características eléctricas, en especial el aislamiento entre bandas y la relación axial, como la versatilidad de interconexión de los elementos constituyentes.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las señales electromagnéticas de microondas, normalmente en el rango entre 1 y 100 Gigahercios (GHz), se utilizan habitualmente para la transmisión y recepción de todo tipo de información. Además de la mencionada propiedad de la frecuencia, estas señales electromagnéticas también poseen una característica de polarización. En el caso de aplicación en los sistemas de comunicaciones las distintas polarizaciones utilizadas son: vertical, horizontal, circular a derechas (C+) y circular a izquierdas (C-). Si la polarización es circular (C+ y C-) se utiliza el parámetro denominado relación axial para medir la pureza de la misma. Son necesarios valores muy bajos de relación axial (alta pureza de polarización) para el correcto funcionamiento de los equipos de comunicaciones. En una gran cantidad de sistemas de comunicaciones y en particular en los embarcados en satélites, se utilizan dos canales o bandas de frecuencia distintas (banda primera o baja y banda segunda o alta) para la señal transmitida y la recibida, respectivamente. Estas dos bandas deben interaccionar lo menos posible, lo que equivale a un elevado aislamiento entre ambas. Además, se requiere el uso de distinta polarización circular en cada una de las bandas, bien circular a derechas en la banda primera y a izquierdas en la banda segunda (Ci+ y C2-) o viceversa (C y C2+). A todo esto hay que añadir la necesidad de utilizar una única antena por razones de ahorro en la masa y volumen del satélite. De esta forma es necesario el uso de un alimentador de antena que proporcione las señales electromagnéticas con las características deseadas de frecuencia y polarización.
Un alimentador de antena típico para la generación de distinta polarización circular en dos bandas de frecuencia está formado por los siguientes componentes. · Transductor de modos ortogonales (OMT, Orthomode Transducer).
• Guía de onda multimodo.
• Polarizador monofase, con: a) Transición modal de doble polarización lineal. b) Desfasador doble banda de 90°. Esta arquitectura es clásica y ampliamente utilizada en la industria de comunicaciones. Cada uno de los elementos constituyentes de este alimentador es bien conocido y pueden encontrarse descripciones detalladas en los documentos de patente US6473053-B1 , US4228410-A y en las referencias bibliográficas abajo indicadas. Los principales inconvenientes de los sistemas actuales de alimentador de antena se pueden resumir en:
Uso de guía de onda con doble plano de simetría o simetría respecto a giro de 90° entre el transductor de modos ortogonales y el polarizador monofase. Esta condición impone una estricta disposición en línea de los elementos del alimentador sin posibilidad de modificación.
La longitud axial del alimentador es grande, lo que ocasiona dificultades severas de posicionamiento del alimentador en multitud de situaciones y en particular en los sistemas embarcados en satélite. La longitud axial del alimentador influye directamente en las pérdidas por disipación del dispositivo. A mayor longitud, mayores pérdidas, siendo éste un inconveniente claro de los sistemas basados en las arquitecturas actuales y que podría subsanarse con arquitecturas como las de la presente invención que dieran lugar a menores longitudes de guiado de señal.
Deterioro de las características eléctricas al unir los diversos elementos que constituyen el alimentador completo. En concreto, la relación axial y el aislamiento entre transmisor y receptor, parámetros de gran importancia en las aplicaciones de comunicaciones.
La separación entre bandas y el ancho de banda de cada banda está intrínsecamente limitado, con mínimas opciones de mejora. Hay que recordar que los nuevos sistemas de comunicaciones requieren mayor ancho banda y mayor separación.
Dificultad de diseño y escalabilidad cuando se desean mejorar las prestaciones obtenidas. En concreto, incluso forzando al máximo el proceso de diseño (lo cual es difícilmente abordable por numerosas empresas del sector) no se consiguen satisfacer simultáneamente altas prestaciones de relación axial y de aislamiento.
El objeto del presente invento es un nuevo concepto de alimentador de antena que resuelve las limitaciones anteriormente descritas de los sistemas actuales, además de introducir nuevas prestaciones tanto eléctricas como mecánicas.
Referencias bibliográficas
[1] J. M. Rebollar, et. al. "A dual frequency OMT in the Ku band for TT&C applications", in IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Jun. 1998.
[2] J. A. Ruiz-Cruz, et. al. "Optimal configurations for integrated antenna feeders with linear dual-polarization and múltiple frequency bands," IET Microwaves, Antennas Propagation, Jun. 2011. [3] U. Rosenberg, et. al. "Power splitting transition for circularly polarized feed networks", IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Aug. 2000.
[4] G. A. E. Crone et. al. "Corrugated waveguide polarizers for high performance feed systems," Antennas and Propagation Society International Symposium, Jun 1980.
[5] J. Uher, J. Bornemann, and U. Rosenberg, Waveguide components for antenna feed systems: Theory and CAD. Artech house Norwood, MA, 1993. [6] J. M. Rebollar, J. Esteban, "CAD of corrugated circular-rectangular waveguide polarizers", Eighth International Conference on Antennas and Propagation, 1993, pp.845-848 vol.2.
DESCRIPCIÓN DE LA I NVENCIÓN
El objeto de la presente invención es un alimentador de doble banda y polarización circular basado en la utilización de un diplexor y un polarizador bifase que genera polarización circular a derechas en la primera banda y a izquierdas en la segunda (Ci+ y C2-), o viceversa (C y C2+), que permite mejorar de forma muy significativa las características eléctricas de los alimentadores empleados en la actualidad, y además elimina las restricciones mecánicas de los actuales.
El alimentador de antena de doble banda de frecuencia con polarización circular diferente en cada banda objeto de la presente invención comprende:
- un diplexor configurado para combinar dos señales de entrada en distintas bandas de frecuencia y con la misma polarización lineal;
- un medio de transmisión monomodo encargado de transmitir la señal combinada procedente del diplexor;
- un polarizador bifase configurado para recibir la señal combinada procedente del medio de transmisión monomodo y generar a la salida una polarización circular a derechas en una de las bandas de frecuencia y a izquierdas en la otra banda de frecuencia, dicho polarizador bifase comprendiendo:
• una transición modal de polarización lineal simple encargada de dividir la polarización lineal de entrada en dos polarizaciones lineales ortogonales sobre la misma guía de onda, y • un desfasador bifase encargado de introducir una diferencia de fase entre las dos polarizaciones lineales ortogonales de sustancialmente +90° y - 90° en cada una de las bandas de frecuencia. En el alimentador de antena de la presente invención el diplexor y el polarizador bifase están conectados mediante guía de onda flexible, por lo que no necesitan estar alineados en el eje axial del alimentador.
El desfasador bifase puede estar formado por una combinación de guías de sección circular, cuadrada, rectangular, ridge o elíptica alternadas. Así, por ejemplo, puede estar constituido por una combinación de guías cuadradas y rectangulares alternadas, guías rectangulares y circulares alternadas, o cualquier otra combinación posible.
La presente invención tiene una aplicación directa e inmediata en la industria de comunicaciones por satélite, tanto en equipos de tierra como en los embarcados en el satélite. Además presenta las significativas ventajas ya descritas, concretamente, mejora de las prestaciones eléctricas y versatilidad de interconexión mecánica de los componentes, frente a la alternativa actualmente usada en la industria. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta. La Figura 1 muestra un diagrama de bloques del alimentador de antena típico de acuerdo al estado del arte.
La Figura 2 representa, de acuerdo al estado del arte, un diagrama de diferencia de fase típico de un desfasador de doble banda de frecuencia.
La Figura 3 muestra, de acuerdo al estado del arte, una representación 3D de un alimentador de antena típico con OMT más polarizador monofase.
La Figura 4 representa un diagrama de bloques del alimentador de antena de la presente invención. La Figura 5 muestra un diagrama de diferencia de fase de un desfasador bifase.
Las Figuras 6A, 6B y 6C muestran una representación 3D de un esquema preferente con un diplexor basado en filtros paso bajo y paso alto en guía rectangular y un polarizador bifase +90%90° en guía cuadrada y rectangular.
Las Figuras 7 A y 7B muestran una representación 3D de otra posible realización de alimentador de antena con un diplexor basado en filtros paso banda con cavidades circulares y un polarizador bifase +90%90° en guía circular y rectangular.
Las Figuras 8A, 8B, 8C, 8D y 8E muestran una representación 3D de otra posible realización de alimentador de antena con un diplexor basado en filtros paso bajo y paso alto en guía rectangular y un polarizador bifase +90%90° en guía circular y elíptica.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA
En la Figura 1 se muestra un diagrama de bloques de un alimentador de antena típico, de acuerdo al estado del arte, para la generación de distinta polarización circular en dos bandas de frecuencia. Este alimentador está formado por los siguientes componentes:
• Transductor de modos ortogonales 100, o transductor ortomodo. Permite separar en dos puertos físicos distintos, puerto de la banda primera 104 y puerto de la banda segunda 106, cada una de las polarizaciones lineales ortogonales (Li , L2) del puerto común 102 del transductor. En esta arquitectura clásica para este tipo de problemas las polarizaciones lineales ortogonales (Li , L2) van en distintas bandas de frecuencia. · Guía de onda multimodo 108. Esta guía de onda propaga las dos polarizaciones lineales ortogonales (Li, L2) entre el transductor de modos ortogonales 100 y el polarizador monofase 1 10.
Típicamente la guía de onda multimodo 108 tiene dos planos de simetría en su sección transversal para controlar la generación de modos de orden superior y el aislamiento de polarizaciones lineales ortogonales, y suele tener simetría respecto a un giro de 90° sobre el eje axial del alimentador 1 16 que conecta con la antena 120 (típicamente de bocina), eje de conexión con el polarizador monofase 1 10 y la antena 120. Además la guía debe tener una longitud mínima para evitar la interacción de modos superiores entre el transductor de modos ortogonales 100 y el polarizador monofase 110, y no puede ser doblada/curvada para no generar modos superiores en la guía de onda, lo que impone grandes restricciones mecánicas en el alimentador de antena. El objeto de la presente invención evitará todas estas restricciones.
Polarizador monofase 110. Este elemento genera una polarización circular a la salida, a derechas en la primera banda y a izquierdas en la segunda (Ci+ y C2-) o viceversa (C y C2+), a partir de dos polarizaciones ortogonales lineales de entrada operando tanto en la banda baja como en la banda alta. Este elemento se compone a su vez de una transición modal de doble polarización lineal 112 y de un desfasador monofase 114.
La transición modal de doble polarización lineal 1 12 es la interfaz necesaria entre el transductor de modos ortogonales 100 y el desfasador monofase 114. Este elemento se encarga de adecuar las polarizaciones lineales ortogonales de entrada para la correcta excitación del elemento desfasador monofase.
El desfasador monofase 1 14 doble banda de 90° es el elemento encargado de producir la diferencia de fase de 90° entre las dos polarizaciones lineales ortogonales y de igual amplitud provenientes de la transición modal de doble polarización lineal 112. El desfasador monofase 1 14 debe producir la diferencia de fase de 90° en la doble banda de frecuencias de funcionamiento del alimentador. En la Figura 2 se muestra un ejemplo de la curva típica de fase de un desfasador monofase 1 14 de 90° y doble banda de frecuencia, donde el eje horizontal es el eje de frecuencias, el eje vertical muestra el desfasaje diferencial entre las dos polarizaciones lineales ortogonales y las regiones sombreadas representan las bandas de frecuencia de funcionamiento del desfasador monofase 114. Como consecuencia la señal de salida del alimentador posee polarización circular de signos opuestos en cada banda (Ci+ y C2-). Esta señal alimenta directamente la antena 120, típicamente una bocina con simetría de revolución. Este desfasador monofase 1 14 de 90° proporciona un desfase de 90° con el mismo signo tanto en la banda primera como en la segunda, por lo que se podría denominar polarizador monofase. En la presente invención, sin embargo, se utiliza un polarizador bifase.
La arquitectura representada en la Figura 1 es bien conocida y ampliamente usada en la industria de comunicaciones. En la Figura 3 se muestra una vista 3D de un alimentador de antena típico basado en esta arquitectura: el transductor de modos ortogonales 100, la transición modal de doble polarización lineal 112, el elemento desfasador monofase 1 14 entre dos modos ortogonales y una transición a la guía de entrada de la antena 120, típicamente una bocina con entrada en guía circular.
En la Figura 4 se muestra un diagrama de bloques del alimentador de antena objeto de la presente invención. Los elementos constitutivos son:
Un diplexor 200, capaz de combinar en un puerto común 202 del diplexor dos señales procedentes de distintas entradas (puerto de la banda primera 204 y puerto de la banda segunda 206) y a distintas frecuencias con la misma polarización lineal. El diplexor 200 a su vez está típicamente constituido por dos filtros y una unión de guías de onda. Los filtros pueden ser bien filtros paso banda, o bien un filtro paso alto y otro paso bajo, o cualquier combinación que proporcione la diplexación deseada. En cualquier caso la configuración del diplexor no modifica el nuevo concepto de alimentador de antena. Este tipo de dispositivos son bien conocidos y de uso frecuente en el sector de las comunicaciones, con una amplia gama de suministradores comerciales.
• Medio de transmisión monomodo 208 en el que se han combinado las dos bandas de frecuencia (primera banda y segunda banda). Se trata de una guía de onda arbitraria (podría no tener dos planos de simetría o tener simetría respecto a giro de 90°) y por la que se propaga un único modo (Li y L2 tienen la misma polarización lineal, pero van en distintas bandas de frecuencia). Aquí se pueden incluir guías flexibles o con codos y giros arbitrarios. Esta situación marca una diferencia esencial frente a los alimentadores habituales. Este elemento o elementos se pueden encontrar comercialmente.
• Polarizador bifase 210: Este elemento genera una polarización circular a la salida (a derechas en la primera banda y a izquierdas en la segunda, Ci+ y
C2-, o viceversa, C y C2+) a partir de una polarización lineal de entrada. Este elemento se compone a su vez de una transición modal de polarización lineal simple 212 y de un desfasador bifase 214. La transición modal de polarización lineal simple 212 tiene cualquier tipo de guía de onda monomodo a la entrada y una guía de onda que soporta dos polarizaciones lineales ortogonales a la salida. Este elemento es la interfaz necesaria entre el diplexor 200 y el desfasador bifase 214. Este elemento se encarga de adecuar la polarización lineal de entrada para excitar correctamente el desfasador bifase 214.
El desfasador bifase 214 es el elemento que introduce una diferencia de fase entre las polarizaciones ortogonales de 90° y -90° en la primera y segunda banda de frecuencia, respectivamente, ver ref. [6].
Como se aprecia en la figura, a diferencia del alimentador de antena típico, no existe eje axial del alimentador. Además, l_i y L2 son la misma polarización en el mismo modo, operando en distintas bandas. En la Figura 5 se ilustra la curva de fase de un desfasador bifase. En el eje horizontal se representa la escala de frecuencias, mientras que en el eje vertical se muestra la diferencia de fase entre dos polarizaciones lineales y ortogonales. Las regiones sombreadas representan las bandas de frecuencia de funcionamiento del desfasador bifase 214. Este dispositivo se puede implementar y/o industrializar utilizando técnicas de mecanizado bien conocidas y ampliamente usadas en la industria.
Finalmente a la salida del alimentador se genera una señal con la polarización circular deseada en cada banda de frecuencia. Dicha señal alimenta la antena 120, que típicamente será una bocina lisa o corrugada con simetría de revolución. Se describen a continuación diferentes posibles realizaciones que sirven para mostrar las características y la versatilidad de la presente invención.
Las Figuras 6A, 6B y 6C muestran una posible realización del alimentador de antena de la presente invención. La Figura 6A muestra la representación 3D de las guías de onda que forman el dispositivo, cuyo recubrimiento es metálico tal como se muestra en la Figura 6B. La Figura 6C muestra el corte de la envoltura metálica de la Figura 6B en un plano perpendicular a las guías de onda rectangulares del alimentador. El alimentador comienza con un diplexor 200 basado en filtros paso bajo y paso alto con codos de encaminamiento. Dicho diplexor 200 está formado por un filtro paso bajo 226 utilizando una guía de onda rectangular corrugada en el plano-E y por un filtro paso alto 228 formado por una guía de onda al corte en la banda de menor frecuencia. Los dos filtros se multiplexan utilizando una unión en guía 230 compuesta por diversos escalones en la cara estrecha de la sección transversal rectangular. A la entrada de cada uno de los filtros se han utilizado tanto transformadores como codos 224 para pasar a las guías de onda deseadas, así como colocar las interfaces en las posiciones relativas requeridas. Tanto el número de corrugaciones en el filtro paso bajo 226 como la longitud de la guía al corte en el filtro paso alto 228 determinarán el aislamiento entre bandas de frecuencia. Este valor puede incrementarse sin más que aumentar el orden de los filtros. Además, queda completamente fijado por los parámetros de diseño del diplexor 200 y es completamente independiente del resto de elementos del alimentador. A la salida del diplexor 200 se encuentra un medio de transmisión monomodo 208, implementado en forma de una guía de onda rectangular que sólo propaga un modo de polarización lineal. Sobre esta guía se propagan las dos señales de cada una de las bandas procedentes de las guías rectangulares de entrada (220, 222) al diplexor, concretamente la señal de la banda alta y de la baja proceden de las guías 222 y 220, respectivamente.
A continuación de la guía rectangular monomodo 208 se encuentra el polarizador bifase 210, formado por una transición modal de polarización lineal simple 212 del modo de entrada a dos modos ortogonales, que consta de varios escalones centrados que pasan de guía de onda de sección rectangular a sección cuadrada. Además la guía rectangular 232 y la guía cuadrada 234 de la transición modal de polarización lineal simple 212 presentan un giro de 45° sobre su posición relativa. La guía de sección cuadrada 234 a su vez constituye el primer elemento del desfasador bifase 214 y soporta dos modos con polarizaciones lineales ortogonales. Estos dos modos se excitan con la misma amplitud y en las dos bandas de frecuencia desde la guía de onda rectangular 208 de entrada a la transición modal de polarización lineal simple 212.
El desfasador bifase 214 está compuesto por una sección de guía periódica 236, formada a su vez por varias secciones de guías cuadradas y rectangulares de gran relación alto-ancho alternadas. Dicha guía periódica 236 soporta dos polarizaciones lineales ortogonales con distintas constantes de propagación. La diferencia entre las dos constantes de propagación es de signo opuesto en cada una de las bandas de frecuencia. El valor de las constantes de propagación se puede obtener a partir de un análisis riguroso del diagrama de dispersión de la guía periódica 236. Este análisis además proporciona las dimensiones iniciales y el número de secciones necesarias para obtener el desfasaje de 90° y -90° en la primera y segunda banda de frecuencia, tal como se muestra en la Figura 5. El número de secciones y dimensiones de la guía periódica 236 dependen del ancho de banda y de la separación entre bandas de frecuencia, así como, de las especificaciones requeridas de relación axial. Una vez obtenidas las dimensiones iniciales del desfasador bifase 214 es necesario modificar algunas de las primeras secciones de la guía periódica 236 con el objetivo de adaptar a los interfaces de entrada y salida. Puesto que las señales de entrada al polarizador bifase 210 en cada banda de frecuencia poseen la misma polarización lineal el resultado final a la salida del polarizador es el de señales con polarizaciones circulares distintas en cada banda de frecuencia. En este caso el polarizador bifase 210 incluye además un transformador 238 de la guía cuadrada de salida del desfasador bifase 214 a guía circular, cuyo único objetivo es el de adaptación entre guías de distinta sección transversal y de esta forma adecuar la señal al interfaz de entrada de la antena de bocina, habitualmente de sección circular. La forma externa de la carcasa metálica en la Figura 6B es independiente del comportamiento eléctrico del alimentador y en general dependerá del proceso mecánico de fabricación utilizado. Si bien la implementación se puede realizar usando diversos procesos de fabricación bien conocidos en la industria, como son fresado, electroerosión o electroformado. En la Figura 6C se muestra un corte según un plano perpendicular a las guías rectangulares de entrada (220, 222). En esta figura se muestra cómo el interior del alimentador no contiene elementos adicionales como láminas, postes o pines, lo que además contribuye a mejorar sus características eléctricas frente a tolerancias de fabricación, así como a mejorar la máxima potencia que puede manejar y la disminución de la generación de Productos de Intermodulación Pasiva (PIMP's).
Las Figuras 7A y 7B muestran una segunda posible realización de alimentador de antena. El primer elemento es un diplexor 200 basado en filtros paso banda con cavidades circulares, en configuración conocida como manifold de dos canales, banda alta 250 y banda baja 252, y con un cortocircuito 256 al final que permite mejorar las características de multiplexación. Cada uno de los filtros de los canales (250, 252) es de doble modo y orden cuatro. Las cavidades resonantes 254 están formadas por guías de sección elíptica de baja excentricidad que permiten excitar adecuadamente los dos modos resonantes. El diplexor 200 y el polarizador bifase 210 están conectados por una guía rectangular 208 que soporta una única polarización lineal en ambas bandas de frecuencia. La longitud de esta guía puede a su vez adoptar valores muy bajos ya que la frecuencia de corte de modos superiores está muy por encima de las bandas de funcionamiento y por tanto se atenúan rápidamente sin degradar las características eléctricas del alimentador. El siguiente elemento del alimentador es el polarizador bifase 210 formado por una transición modal de polarización lineal simple 212 constituido por secciones de guías rectangular, elíptica y circular, y por un desfasador bifase 214 en forma de guía periódica 260. El desfasador bifase 214 está formado por guías de sección rectangular de gran relación alto-ancho y circular alternadas, que proporcionan una diferencia de fase total cercana a 90° y -90° en la primera y segunda banda de frecuencia, respectivamente. El desfasador bifase 214 permite generar a la salida del alimentador 264, a través de un transformador 262, la polarización circular requerida en cada banda y con un bajo nivel de relación axial. Además, las características de polarización están exclusivamente determinadas por el polarizador bifase 210 y no se ven afectadas por la interconexión final de polarizador bifase 210 y el diplexor 200.
Otra realización adicional es la representada en las Figuras 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F y 8G, donde el alimentador de antena está formado por un diplexor 200 compuesto por filtros paso alto 270 y paso bajo 272 similar al mostrado en la Figura 6A, un medio de transmisión monomodo 208 implementado en forma de guía de onda monomodo de encaminamiento que puede tener codos y giros arbitrarios o ser flexible, y un polarizador bifase 210. En las Figuras 8A y 8B la guía de onda monomodo de encaminamiento 208 se representa en forma de doble codo de 180° para encaminar la señal, pero puede ser sustituido por una guía flexible (ver Figuras 8C a 8G). En esta realización se muestra la gran versatilidad de interconexión de los diferentes elementos del alimentador de antena, incluyendo la posibilidad de la guía flexible que permite colocar el diplexor 200 y el polarizador bifase 210 en posiciones relativas arbitrarias. Además todo esto sin degradar las características eléctricas del alimentador, concretamente, aislamiento y relación axial. En este caso el desfasador bifase 214 está compuesto por guías de sección circular y elíptica de alta excentricidad alternadas. Es importante destacar que los ejemplos mostrados en las realizaciones preferentes son únicamente tres ejemplos de los muchos posibles. Así, por ejemplo, se podrían proponer diplexores 200 y polarizadores bifase 210 con una estructura o constitución diferente a los mostrados, con tal de que realicen la misma función. Igualmente, los diferentes diplexores y polarizadores bifase mostrados en las realizaciones preferentes de las Figuras 6, 7 y 8 pueden ser combinados entre sí dando lugar a nuevas configuraciones de alimentadores de antena, si bien todas ellas están dentro del esquema general de la Figura 4 propuesto en la presente invención.
Aunque la presente invención se ha descrito con algunas realizaciones preferentes, numerosas variaciones y modificaciones son posibles y evidentes para los expertos en la materia. Todas ellas se encuentras dentro del ámbito de la presente invención y obedecen al esquema de alimentador de antena aquí propuesto.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Alimentador de antena de doble banda de frecuencia con polarización circular diferente en cada banda, caracterizado por que comprende:
- un diplexor (200) configurado para combinar dos señales de entrada (l_i , L2) en distintas bandas de frecuencia y con la misma polarización lineal;
- un medio de transmisión monomodo (208) encargado de transmitir la señal combinada (l_i , L2) procedente del diplexor (200);
- un polarizador bifase (210) configurado para recibir la señal combinada (l_i , L2) procedente del medio de transmisión monomodo (208) y generar a la salida una polarización circular a derechas en una de las bandas de frecuencia y a izquierdas en la otra banda de frecuencia, dicho polarizador bifase (210) comprendiendo:
• una transición modal de polarización lineal simple (212) encargada de dividir la polarización lineal de entrada en dos polarizaciones lineales ortogonales sobre la misma guía de onda, y
• un desfasador bifase (214) encargado de introducir una diferencia de fase entre las dos polarizaciones lineales ortogonales de +90° y -90° en cada una de las bandas de frecuencia.
2. Alimentador de antena según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el diplexor (200) y el polarizador bifase (210) están conectados mediante guía de onda flexible.
3. Alimentador de antena según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el desfasador bifase (214) está formado por una combinación de guías de sección circular, cuadrada, rectangular, ridge o elíptica alternadas.
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