ANTENA ESTRUCTURAL DE BANDA ANCHA QUE FUNCIONA EN LA GAMA DE HF, PARTICULARMENTE PARA INSTALACIONES NAVALES.

Sistema de antena para funcionar en la gama de frecuencias de HF,

particularmente para comunicaciones navales, que comprende una configuración radiante lineal (14) adaptada para ser asociada operativamente con un conductor de tierra (GND) y una estructura naval preexistente (F) que tenga una extensión predominantemente vertical y sea eléctricamente conductora, caracterizado porque dicha configuración radiante lineal (14) incluye:

- una pluralidad de elementos alámbricos radiantes con una extensión predominantemente vertical, que forman una primera rama conductora (H), adaptada para quedar operativamente acoplada a un circuito (12) de alimentación de señales de radiofrecuencia; y

- una pluralidad de elementos alámbricos radiantes con una extensión predominantemente horizontal, que forman al menos una rama conductora transversal (W), para conectar la rama conductora (H), adaptada para quedar acoplada a un circuito (12) de alimentación, con dicha estructura naval (F),

estando dispuestos dichos elementos radiantes de tal manera que forman al menos una trayectoria cerrada entre el circuito (12) de alimentación y el conductor de tierra (GND) a través de dicha estructura naval (F), y

- una pluralidad de dispositivos eléctricos de impedancia (Z1 - Z4) interpuestos a lo largo de las ramas conductoras (H, W) y adaptados para crear selectivamente, de acuerdo con la frecuencia de funcionamiento, una pluralidad de trayectorias de corriente diferentes a lo largo de dichas ramas conductoras (H, W) correspondientes a una pluralidad de configuraciones eléctricas y/o geométricas de la configuración radiante antes mencionada

Antena estructural de banda ancha que funciona en la gama de HF, particularmente para instalaciones navales.

La presente invención está relacionada con una antena estructural y, en particular, con una antena estructural de banda ancha para funcionar en la gama de frecuencias de HF.

Más específicamente, la invención está relacionada con un sistema de antena del tipo al que se hace referencia en el preámbulo de la reivindicación 1.

En sistemas de comunicaciones por radio para instalaciones navales, en la gama de frecuencias de HF (2 MHz - 30 MHz), utilizada convencionalmente para las comunicaciones navales, las antenas utilizadas hoy día deben cumplir, no solamente el requisito de funcionar en una pluralidad de canales de transmisión a través de la gama de frecuencias de la banda y permitir enlaces en las proximidades del horizonte (onda superficial u onda marina, para distancias de hasta aproximadamente 100 km), más allá del horizonte (BLOS, del inglés Beyond Line of Sight - más allá de la línea de visión), para distancias de más de aproximadamente 100 km) y con ángulos de elevación altos (NVIS, del inglés Near Vertical Incidence Skywave - onda ionosférica de incidencia casi vertical), sino que también deben ser tan compactas como sea posible con el fin de ser compatibles con el espacio disponible a bordo de las unidades navales.

Se han propuesto por tanto sistemas de transmisión conocidos como sistemas multicanal, para combinar una pluralidad de canales de transmisión utilizando una sola antena de banda ancha, en cuya entrada se suma una multiplicidad de canales de transmisión por medios de circuitos combinadores. Estos sistemas multicanal se construyen con ayuda de amplificadores de potencia (generalmente del orden de 1 kW) que pueden ser asignados independientemente a servicios diferentes o a un solo canal.

Con esta solución, el control de potencia es crítico y hay específicamente una pérdida de potencia debido a la presencia de los circuitos combinadores.

A modo de ejemplo, se puede indicar que la combinación de ocho canales con transformadores híbridos en una sola antena da como resultado una potencia efectiva de aproximadamente 125 W suministrada a cada canal, con una potencia de pico de 8 kW. Consecuentemente, un sistema multicanal requiere amplificadores que proporcionen una potencia aumentada en un orden de magnitud sobre la potencia realmente radiada, y está sujeto a una pérdida considerable de la eficiencia.

Este problema se resuelve convencionalmente instalando en la nave múltiples antenas, que tienen configuraciones diferentes y que funcionan en sub-bandas de frecuencia independientes, estando asignada cada una de ellas a un canal específico.

Por ejemplo, se utilizan antenas en abanico para enlaces con altos ángulos de elevación a frecuencias en la gama desde 2 MHz a 8 MHz, y se utilizan antenas con geometría látigo, con carga si es necesario, para las comunicaciones por onda marina y comunicaciones más allá del horizonte, a frecuencias en la gama de 10 MHz a 30 MHz.

La coexistencia de una pluralidad de antenas para distintos servicios y modos de comunicaciones, no solamente requiere una gran cantidad de espacio, complicadas redes de alimentación y elaborados sistemas de control en una nave, sino que también tiene el inconveniente de generar interferencias (con las estructuras navales preexistentes, por ejemplo) que pueden degradar el rendimiento esperado de las antenas individuales.

El problema del uso eficiente del espacio disponible ha sido acometido durante algún tiempo en los entornos aeronáuticos en los que son usuales las soluciones estructurales, en las cuales toda la aeronave o parte de ella (tal como el fuselaje) se utiliza como elemento radiante por medio de procedimientos de alimentación adecuados (antenas de ranura o de servilletero). Sin embargo, tales soluciones no se encuentran en el contexto naval, donde la dificultad asociada con la solución de problemas electromagnéticos para la transmisión en la banda de HF ha originado que las comunicaciones en esta banda sean abandonadas progresivamente en favor de las comunicaciones más eficientes por satélite.

El documento US 5014068 divulga una antena de comunicaciones de banda ancha de HF para buques de superficie en los que una tira conductora larga y plana está acoplada capacitivamente a superestructuras existentes del buque, tales como un mástil y tubo vertical, para ayudar a conseguir el funcionamiento en banda ancha.

Más aún, también se conoce en la técnica una configuración radiante cargada con dispositivos eléctricos de impedancia para conseguir un funcionamiento en banda ancha, por ejemplo por el documento US 2003/103011 y US 5600335.

El documento US 2003/103011 describe una antena lineal de banda ancha cargada con circuitos situados a lo largo de la estructura de la antena y comprende configuraciones de inductancia-resistencia en paralelo u otras combinaciones o elementos de circuito pasivos.

El documento US 5600335 divulga una antena lineal de banda ancha y alta potencia, en la que cada sección de antena comprende una pluralidad de elementos radiantes eléctricamente conductores que son sustancialmente co-lineales, fijados sobre un aislante eléctrico montado sobre un plano de tierra horizontal. Cada elemento radiante tiene una longitud apropiada para conseguir una eficiencia global óptima de la antena de potencia de banda ancha sobre la anchura de banda de frecuencias de una señal de entrada. Hay al menos dos elementos de carga que están acoplados eléctricamente cada uno de ellos entre los elementos radiantes en cada sección de antena. Cada elemento de carga comprende una combinación en paralelo de una resistencia, una inductancia y un condensador para conseguir una eficiencia global óptima de la antena de banda ancha de alta potencia, sobre la anchura de banda de frecuencias de la señal de entrada.

El objeto de la presente invención es proporcionar un sistema multifuncional de antena de banda ancha para el funcionamiento en la gama de frecuencias de HF, que está diseñado particularmente para instalaciones fijas a bordo de unidades navales, y que hace posible construir un sistema multifuncional de comunicaciones multicanal por radio eficiente, flexible y de múltiples propósitos, en un espacio de instalación limitado.

Un objeto adicional de la invención es proporcionar un sistema de antena que pueda formar la base de un sistema de antenas más complejo, posiblemente uno que permita también el control del diagrama de radiación en términos de direccionalidad y capacidad de exploración.

Con este objetivo, la invención propone un sistema de antena estructural que tiene las características reivindicadas en la reivindicación 1.

En las reivindicaciones dependientes se definen modos de realización específicos.

El sistema de antena propuesto por la presente invención garantiza que supera los límites de las antenas de la técnica anterior, como resultado de la configuración especial de los elementos radiantes de la antena y la inclusión entre estos de una estructura naval preexistente que tiene una extensión predominantemente vertical, proporcionando soporte para la configuración de radiación lineal junto con la compensación intrínseca de los efectos de la distorsión de las características de radiación de esta configuración, debidos a la presencia de dicha estructura naval.

La consecución de un modo de comunicaciones multicanal depende de la provisión de dispositivos eléctricos de impedancia que crean una antena multifuncional, en otras palabras, una que pueda ser configurada de acuerdo con la frecuencia de funcionamiento.

La provisión de dispositivos eléctricos de impedancia hace posible también ventajosamente compensar los efectos de la distorsión debidos al acoplamiento con otras estructuras navales presentes en todos los casos, permitiendo así modificar la condición de carga de la antena en la fase de diseño o bien durante la instalación.

De acuerdo con el teorema de reciprocidad, el comportamiento y características de una antena permanecen inalterados, independientemente de que se use como antena receptora o transmisora, y por tanto en la presente descripción se considera el funcionamiento de una antena transmisora y la definición de algunas características hace referencia a ésta por razones de claridad, sin excluir el uso del dispositivo en la recepción.

En pocas palabras, el sistema de antena...

1. Sistema de antena para funcionar en la gama de frecuencias de HF, particularmente para comunicaciones navales, que comprende una configuración radiante lineal (14) adaptada para ser asociada operativamente con un conductor de tierra (GND) y una estructura naval preexistente (F) que tenga una extensión predominantemente vertical y sea eléctricamente conductora, caracterizado porque dicha configuración radiante lineal (14) incluye:

- una pluralidad de elementos alámbricos radiantes con una extensión predominantemente vertical, que forman una primera rama conductora (H), adaptada para quedar operativamente acoplada a un circuito (12) de alimentación de señales de radiofrecuencia; y

- una pluralidad de elementos alámbricos radiantes con una extensión predominantemente horizontal, que forman al menos una rama conductora transversal (W), para conectar la rama conductora (H), adaptada para quedar acoplada a un circuito (12) de alimentación, con dicha estructura naval (F),

estando dispuestos dichos elementos radiantes de tal manera que forman al menos una trayectoria cerrada entre el circuito (12) de alimentación y el conductor de tierra (GND) a través de dicha estructura naval (F), y

- una pluralidad de dispositivos eléctricos de impedancia (Z1 - Z4) interpuestos a lo largo de las ramas conductoras (H, W) y adaptados para crear selectivamente, de acuerdo con la frecuencia de funcionamiento, una pluralidad de trayectorias de corriente diferentes a lo largo de dichas ramas conductoras (H, W) correspondientes a una pluralidad de configuraciones eléctricas y/o geométricas de la configuración radiante antes mencionada.

2. Sistema de antena de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha estructura naval (F) preexistente es una estructura sustancialmente cilíndrica o en forma de cono truncado.

3. Sistema de antena de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dicha estructura es una chimenea (F) de la nave.

4. Sistema de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha rama conductora transversal (W) está conectada a la rama conductora alimentada (H) en un punto intermedio de dicha rama alimentada (H), a una distancia predeterminada desde su extremo libre superior.

5. Sistema de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha rama conductora transversal (W) y dicha rama conductora alimentada (H) están conectadas adicionalmente entre sí a través de una rama conductora angulada (A).

6. Antena de acuerdo con la reivindicación 5, en la que dicha rama conductora angulada (A) comprende una primera porción que se extiende en dirección horizontal y una segunda porción que se extiende en dirección vertical.

7. Sistema de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dichas ramas conductoras (H, W, A) forman, en una configuración operativa de la antena, un plano vertical en el cual descansa la antena, coincidiendo con un plano meridiano de dicha estructura naval (F).

8. Sistema de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la extensión vertical de la configuración radiante lineal (14) está entre el 8% y el 10% de la longitud de onda máxima en la banda de HF.

9. Sistema de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la extensión transversal de la configuración radiante lineal (14) está entre el 1% y el 2% de la longitud de onda máxima en la banda de HF.

10. Sistema de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dichos dispositivos eléctricos de impedancia (Z1 - Z4) comprenden circuitos reactivos de dos terminales con parámetros agregados (Z1, Z2) y circuitos resistivos (Z3, Z4) de dos terminales.

11. Sistema de antena de acuerdo con la reivindicación 10, en el que dichos circuitos reactivos (Z1, Z2) de dos terminales comprenden circuitos LC resonantes en serie.

12. Sistema de antena de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, que comprende dispositivos de impedancia (Z1, Z2) dispuestos sobre la rama conductora (H), teniendo parámetros eléctricos tales que forman:

- una trayectoria de corriente que comprende una porción de la rama conductora alimentada (H), la rama conductora angulada (A) y una porción de la rama conductora transversal (W), de manera que el sistema de antena tiene un diagrama de radiación global en forma de una combinación del diagrama de radiación de una configuración en semi-bucle y la de una configuración en látigo, en una primera gama de frecuencias, y

- una pluralidad de trayectorias de corriente que comprenden toda la rama conductora alimentada (H), la rama conductora angulada (A) y toda la rama conductora transversal (W), de manera que el sistema de antena tiene un diagrama de radiación de una configuración en látigo, en una segunda gama de frecuencias.

13. Sistema de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en el que los dispositivos de impedancia (Z1 - Z4) están diseñados para formar un circuito de adaptación distribuida de impedancias, para cada configuración de la disposición radiante lineal (14).

14. Sistema de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye una unidad (12) de adaptación y distribución de señales de radiofrecuencia, acoplada a dicha rama conductora con una extensión predominantemente vertical (H) de la configuración radiante (14), que incluye un circuito transformador (T) por pasos de impedancia, referido al conductor de tierra (GND), teniendo este circuito un primer terminal (IN) acoplado a una línea (L) de transmisión de señales y un segundo terminal (OUT) acoplado a dicha rama conductora (H).

15. Sistema de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende una pluralidad de configuraciones radiantes lineales (114) acopladas a dicha estructura naval (F), de tal manera que forman un sistema de antena con alimentaciones múltiples.

16. Sistema de antena de acuerdo con la reivindicación 15, en el que dichas configuraciones radiantes lineales (114) están situadas en planos meridianos de dicha estructura naval (F) y están espaciadas a intervalos angulares iguales.

17. Sistema de antena según la reivindicación 15 o 16, que comprende una unidad (200) de control y de procesamiento de señales conectada a las correspondientes unidades (112) de alimentación de dichas configuraciones radiantes lineales (114), estando configurada esta unidad para controlar las amplitudes y fases de las corrientes de radiofrecuencia inyectadas en los elementos alámbricos que forman dichas configuraciones radiantes (114).