SISTEMA DE ANTENA DE ELEMENTOS MULTIPLES EN FASE CON BARRIDO EN DOS DIMENSIONES.

Un sistema de antenas de elementos múltiples o disposición en fase que tiene un conjunto de dos dimensiones de elementos de antena y una pluralidad de redes de alimentación corporativas,

y en el que:

a) las redes de alimentación corporativas están agrupadas en rangos primero y segundo, y están dispuestas para convertir las señales de entrada a la red, de fase variable, unas respecto con otras, en señales de salida de la red, puestas en fase apropiadamente, para los elementos de antena de elementos múltiples o disposición en fase, siendo, las señales de salida de la red un número relativamente más grande que las señales de entrada a la red, para las redes de alimentación corporativas en, por lo menos, uno de los rangos primero y segundo;

b) las redes de alimentación corporativas de primer rango están dispuestas para proporcionar señales de salida de la red como señales de entrada a las líneas respectivas de los elementos de antena; y

c) las redes de alimentación corporativas de segundo rango están dispuestas para proporcionar señales de salida de la red como señales de entrada a las líneas respectivas de las entradas de las redes de alimentación corporativas de primer rango; y

d) el sistema incluye medios de control de la diferencia de fase para variar la fase de las señales de entrada a la red para que las redes de alimentación corporativas de segundo rango proporcionen control de la dirección del haz de la antena en dos dimensiones

Sistema de antena de elementos múltiples en fase con barrido en dos dimensiones.

La presente invención se refiere a un sistema de antena de elementos múltiples o disposición en fase con barrido o exploración o barrido en dos dimensiones. Es adecuado para su uso en todas las áreas de la tecnología que emplean la exploración o barrido o barrido con antenas de elementos múltiples o disposición en fase, por ejemplo, radar, televisión y radiodifusión y telecomunicaciones, radio móvil celular ("teléfonos móviles"), en particular.

Las antenas de elementos múltiples o disposición en fase son bien conocidas: esta materia se describe en detalle en, por ejemplo, el clásico libro de texto, bien conocido en la técnica de las antenas, "Antenas de exploración o barrido o barrido de microondas", R. C. Hansen, volumen 3, Sistemas de conjuntos, Academic Press, NY, 1956. Una antena como tal comprende un conjunto de elementos de antena individuales (usualmente ocho o más), tales como dipolos o antenas de parche. La antena tiene un modelo de radiación que incorpora un lóbulo, o haz principal, y lóbulos laterales. El centro del lóbulo principal es la dirección de máxima sensibilidad de la antena en el modo de recepción, y la dirección de su haz de radiación principal de salida en modo de transmisión.

Es una propiedad bien conocida de las antenas de elementos múltiples o disposición en fase que retardando las señales recibidas por los elementos de la antena, con un retardo que varía con la distancia del elemento a lo largo del conjunto, se consigue que el haz de radiación principal de la antena sea dirigido o inclinado hacia la dirección de aumento del retardo. El ángulo entre los centros de los haces de radiación principales, que corresponde a una variación de cero, o diferente de cero, en el retardo, es decir, el ángulo de la inclinación, depende del régimen de cambio del retardo con la distancia a lo largo del conjunto. El retardo se puede ejecutar en la práctica de manera equivalente, mediante el cambio de la fase de la señal (de ahí la expresión elementos múltiples o disposición en fase, aunque un valor específico del retardo corresponde a diferentes desplazamientos de fase en las diferentes frecuencias). La dirección del haz principal del modelo de la antena puede, por lo tanto, ser alterada (denominada "dirección del haz") mediante el ajuste de la relación de fase entre las señales que alimentan a los elementos de la antena.

Una técnica convencional para el direccionamiento del haz mediante el ajuste de la relación de fase entre las señales alimentadas a los elementos de la antena es proporcionar un elemento de desplazamiento variable de fase, o un retardo variable, respectivo para cada elemento de la antena. Esto proporciona control de la señal de cada elemento de la antena, independientemente de las señales de los otros elementos de la antena. De manera equivalente, las disposiciones conectadas en cascada de los elementos de desplazamiento de fase variable pueden ser utilizadas de modo que cada elemento de desplazamiento de fase variable proporciona una señal a un elemento respectivo de la antena y a un elemento respectivo de desplazamiento de fase variable. Ejemplos del uso de múltiples elementos de desplazamiento de fase variable están descritos, por ejemplo, en la patente japonesa publicada con número de solicitud 04-320122 y las patentes estadounidenses números 3.277.481, 4.242.352 y 5.281.974.

Es indeseable usar un número de elementos de desplazamiento de fase variable comparable con el de elementos de antena, porque esto aumenta grandemente la complejidad y el coste del diseño de la antena. Un elemento de desplazamiento de fase variable es mucho más complejo que un elemento de desplazamiento de fase fijo. Este problema es particularmente relevante en el caso de una antena de elementos múltiples o disposición en fase de dos dimensiones, que se requiere para explorar en ambas dimensiones: por ejemplo, una antena de elementos múltiples o disposición en fase que consista en un conjunto de 64x64 elementos de antena, requeriría 4.095 elementos de desplazamiento de fase variable, y sus respectivos circuitos de control asociados.

El problema de un número excesivo de elementos de desplazamiento de fase variable ha sido tratado para el caso de una antena de elementos múltiples o disposición en fase unidimensional (por ejemplo, una línea de dipolos) explorados en un plano de la dimensión del conjunto: las siguientes solicitudes de patente internacional publicadas describen soluciones al problema unidimensional, WO 03/036756, WO 03/43127, WO 2004/036785, WO 2004/088790, WO 2004/102739 y WO 2005/048401. Sin embargo, éstas no gradúan, estrictamente, en dos dimensiones: un conjunto bidimensional de elementos de antena dispuestos en filas y columnas, que usan una de estas soluciones de la técnica anterior por filas o columnas, permite la exploración o barrido o barrido de todas las filas o columnas en una dimensión, pero no la exploración o barrido o barrido en otra dimensión (ortogonal). La cuestión de conjuntos en fase de exploración o barrido o barrido es discutida en un trabajo conocido en la técnica de antenas, "Antenna Engineering Handbook" ("Manual de la ingeniería de las antenas"), Ed. Richard C. Johnson, McGraw Hill, 3ª edición, 1993, ISBN 0-07-032381-X; véase, en particular, las páginas 20-52.

Es un objeto de la invención proporcionar un sistema de antena de elementos múltiples o disposición en fase adecuado para la exploración o barrido o barrido de dos dimensiones.

La presente invención proporciona un sistema de antena de elementos múltiples o disposición en fase que tiene un conjunto de dos dimensiones de elementos de antena y una pluralidad de redes de alimentación corporativas, y en el que:

a) las redes de alimentación corporativas están agrupadas en un primer y un segundo rangos y están dispuestas para convertir las señales de entrada a la red de fase variable, una en relación con la otra, en señales de salida de la red, puestas con la fase de manera apropiada para los elementos de antena de elementos múltiples o disposición en fase, siendo las señales de salida de la red más numerosas en relación con las señales de entrada a la red para las redes de alimentación corporativas en, por lo menos, uno de los rangos primero y segundo;

b) las redes de alimentación corporativas de primer rango están dispuestas para proporcionar señales de salida de la red como señales de entrada a las líneas respectivas de los elementos de antena; y

c) las redes de alimentación corporativas de segundo rango están dispuestas para proporcionar señales de salida de la red como señales de entrada a las líneas respectivas de entradas de las redes de alimentación corporativas de primer rango; y

d) el sistema incluye medios de control de la diferencia de fase, para variar la posición de la fase de las señales de entrada a la red, para que las redes de alimentación corporativas de segundo rango proporcionen el control de la dirección del haz de la antena en dos dimensiones.

La invención hace posible controlar la dirección del haz de la antena en dos dimensiones: proporciona la entrada al conjunto de la antena usando dos rangos de redes de alimentación corporativas, dispuestas en cascada, con el control de la diferencia de fase de la entrada de la red. Esto proporciona una solución al problema de obtener el control, en las dos dimensiones, de la dirección del haz de la antena de elementos múltiples o disposición en fase.

Los medios de control de la diferencia de fase pueden estar dispuestos para:

a) variar la diferencia de fase entre cada señal de entrada a una red de alimentación corporativa de segundo rango y las señales de entrada a otra red de alimentación corporativa de segundo rango, para proporcionar el control de la dirección del haz de la antena en una primera dimensión; y

b) variar la diferencia de fase entre las señales de entrada a una red de alimentación corporativa de segundo rango y la diferencia de fase entre las señales de entrada a otra red de alimentación corporativa de segundo rango, para proporcionar el control de la dirección del haz de la antena en una segunda dimensión.

Los medios de control de la diferencia de fase pueden estar dispuestos para mantener:

a) la diferencia de fase entre las señales de entrada a una red de alimentación corporativa de segundo rango para ser igual a la diferencia de fase entre las señales de entrada a otra red de alimentación corporativa de segundo...

1. Un sistema de antenas de elementos múltiples o disposición en fase que tiene un conjunto de dos dimensiones de elementos de antena y una pluralidad de redes de alimentación corporativas, y en el que:

a) las redes de alimentación corporativas están agrupadas en rangos primero y segundo, y están dispuestas para convertir las señales de entrada a la red, de fase variable, unas respecto con otras, en señales de salida de la red, puestas en fase apropiadamente, para los elementos de antena de elementos múltiples o disposición en fase, siendo, las señales de salida de la red un número relativamente más grande que las señales de entrada a la red, para las redes de alimentación corporativas en, por lo menos, uno de los rangos primero y segundo;

b) las redes de alimentación corporativas de primer rango están dispuestas para proporcionar señales de salida de la red como señales de entrada a las líneas respectivas de los elementos de antena; y

c) las redes de alimentación corporativas de segundo rango están dispuestas para proporcionar señales de salida de la red como señales de entrada a las líneas respectivas de las entradas de las redes de alimentación corporativas de primer rango; y

d) el sistema incluye medios de control de la diferencia de fase para variar la fase de las señales de entrada a la red para que las redes de alimentación corporativas de segundo rango proporcionen control de la dirección del haz de la antena en dos dimensiones.

2. Un sistema de antenas de elementos múltiples o disposición en fase según la reivindicación 1 en el que los medios de control de la diferencia de fase están dispuestos para:

a) variar la diferencia de fase entre cada señal de entrada a una red de alimentación corporativa de segundo rango y las señales de entrada a otra red de alimentación corporativa de segundo rango para proporcionar control de la dirección del haz de antena en una primera dimensión; y

b) variar la diferencia de fase entre las señales de entrada a una red de alimentación corporativa de segundo rango y la diferencia de fase entre las señales de entrada a otra red de alimentación corporativa de segundo rango para proporcionar control de la dirección del haz de la antena en una segunda dimensión.

3. Un sistema de antenas de elementos múltiples o disposición en fase según la reivindicación 2 en el que los medios de control de la diferencia de fase están dispuestos para mantener:

a) la diferencia de fase entre las señales de entrada a una red de alimentación corporativa de segundo rango para ser igual a la diferencia de fase entre las señales de entrada a otra red de alimentación corporativa de segundo rango; y

b) las diferencias de fase entre cada señal de entrada a una red de alimentación corporativa de segundo rango y ambas señales de entrada a otra red de alimentación corporativa de segundo rango, para que sean iguales.

4. Un sistema de antena de elementos múltiples o disposición en fase que incluye un conjunto de dos dimensiones de elementos de antena dispuestos en líneas, y en el que:

a) cada línea de elementos de antena está asociada con una red de alimentación corporativa de primer rango respectiva, que tiene salidas para proporcionar señales a los elementos de antena respectivos y entradas para recibir señales de fase variable unas en relación con otras;

b) las redes de alimentación corporativas de primer rango tienen:

c) las redes de alimentación corporativas proporcionan unos medios para convertir las señales de entrada de fase variable unas en relación con otras, en múltiples señales de salida para los elementos de antena de elementos múltiples o disposición en fase, siendo el número de las señales de salida relativamente mayor que el número de señales de entrada; y

d) el sistema incluye medios de variación de la diferencia de fase para:

5. Un sistema de antena de elementos múltiples o disposición en fase según la reivindicación 4 en el que cada red de alimentación corporativa proporciona unos medios para convertir las señales de entrada expresadas mediante los vectores A y B en otros vectores de la señal dados mediante expresiones de la forma p_iA + q_iB, donde p_i y q_i son factores numéricos en el intervalo de -1 a 1.

6. Un sistema de antena de elementos múltiples o disposición en fase según la reivindicación 4 o 5 en el que los medios de variación de la diferencia de fase comprenden:

a) un primer elemento de desplazamiento de fase variable conectado vía un elemento divisor a un segundo elemento de desplazamiento de fase variable y a un primer elemento de desplazamiento de fase fijo, cada uno conectado a las entradas respectivas de una red de alimentación corporativa de segundo rango;

b) un segundo elemento de desplazamiento de fase fijo conectado vía un elemento divisor a un tercer elemento de desplazamiento de fase variable y a un tercer elemento de desplazamiento de fase fijo, cada uno conectado a las entradas respectivas de otra red de alimentación corporativa de segundo rango; y

c) medios para agrupar el funcionamiento de los elementos de desplazamiento de fase variable segundo y tercero.

7. Un sistema de antena de elementos múltiples o disposición en fase según la reivindicación 4, 5 o 6, en la que los elementos de antena están situados para definir una superficie curva, tal como una superficie cilíndrica, esférica o toroidal.

8. Un método de explorar un sistema de antena de elementos múltiples o disposición en fase que tiene un conjunto de dos dimensiones de elementos de antena y una pluralidad de redes de alimentación corporativas, y en el que:

a) las redes de alimentación corporativas están agrupadas en rangos primero y segundo, y están dispuestas para convertir las señales de entrada de la red de fase variable, unas en relación con las otras, en señales de salida de la red, puestas en fase apropiadamente, para los elementos de antena de un conjunto en fase, siendo las señales de salida de la red en números relativamente mayores que las señales de entrada a la red para las redes de alimentación corporativas de, por lo menos, uno de los rangos primero y segundo;

b) las redes de alimentación corporativas de primer rango están dispuestas para proporcionar señales de salida de la red como señales de entrada a las líneas respectivas de los elementos de antena; y

c) las redes de alimentación corporativas de segundo rango están dispuestas para proporcionar señales de salida de la red como señales de entrada a las líneas respectivas de entradas a las redes de alimentación corporativas de primer rango; y

d) el método incluye variar la fase de las señales de entrada a la red para que las redes de alimentación corporativas de segundo rango proporcionen el control de la dirección del haz de la antena en dos dimensiones.

9. Un método según la reivindicación 8 en el que la operación de variar la posición de la fase de la señal de entrada a la red comprende:

a) variar la diferencia de fase entre cada señal de entrada a una red de alimentación corporativa de segundo rango y las señales de entrada a otra red de alimentación corporativa de segundo rango para proporcionar el control de la dirección del haz de la antena en una primera dimensión; y

b) variar la diferencia de fase entre las señales de entrada a una red de alimentación corporativa de segundo rango y la diferencia de fase entre las señales de entrada a otra red de alimentación corporativa de segundo rango para proporcionar el control de la dirección del haz de la antena en una segunda dimensión.

10. Un método según la reivindicación 9 que incluye mantener igual:

a) la diferencia de fase entre las señales de entrada a una red de alimentación corporativa de segundo rango y la diferencia de fase entre las señales de entrada a otra red de alimentación corporativa de segundo rango; y

b) las diferencias de fase entre cada señal de entrada a una red de alimentación corporativa de segundo rango y ambas señales de entrada a otra red de alimentación corporativa de segundo rango.

11. Un método de explorar un sistema de antenas de elementos múltiples o disposición en fase que tiene un conjunto de dos dimensiones de elementos de antena dispuestos en líneas, y en el que:

a) cada línea de elementos de antena está asociado con una red de alimentación corporativa de primer rango respectiva que tiene salidas para proporcionar señales a los elementos de antena respectivos y entradas para recibir señales de fase variable relacionadas unas con otras;

b) las redes de alimentación corporativas de primer rango tienen:

c) las redes de alimentación corporativas proporcionan medios para convertir señales de entrada de fase variable, relacionadas unas con otras, en múltiples señales de salida para los elementos de antena de elementos múltiples o disposición en fase, siendo las señales de salida relativamente más, en número, en comparación con las señales de entrada; y

el método incluye:

d) variar la diferencia de fase entre cada señal de entrada a una red de alimentación corporativa de segundo rango y las señales de entrada a otra red de alimentación corporativa de segundo rango para proporcionar el control de la dirección del haz de la antena en una primera dimensión; y

e) variar la diferencia de fase entre las señales de entrada a una red de alimentación corporativa de segundo rango y la diferencia de fase entre las señales de entrada a otra red de alimentación corporativa de segundo rango para proporcionar el control de la dirección del haz de la antena en una segunda dimensión.

12. Un método según la reivindicación 11 en el que cada red de alimentación corporativa proporciona medios para convertir las señales de entrada expresadas mediante los vectores A y B en otros vectores de señal dados por expresiones de la forma p_iA + q_iB, donde p_i y q_i son factores numéricos en el intervalo de -1 a 1.

13. Un método según la reivindicación 11 o 12 en el que las operaciones de variar la diferencia de fase comprenden:

a) aplicar un primer desplazamiento de fase variable mediante un elemento divisor a un segundo elemento de desplazamiento de fase variable y a un primer elemento de desplazamiento de fase fijo, cada uno conectado a las entradas respectivas de una red de alimentación corporativa de segundo rango;

b) aplicar un segundo elemento de desplazamiento de fase fijo mediante un elemento divisor a un tercer elemento de desplazamiento de fase variable y a un tercer elemento de desplazamiento de fase fijo, cada uno conectado a las entradas respectivas de otra red de alimentación corporativa de segundo rango; y

c) agrupar juntos los funcionamientos de los elementos de desplazamiento de fase variable segundo y tercero.

14. Un método según la reivindicación 11, 12 o 13, que incluye el posicionamiento de los elementos de antena para definir una superficie curva, tal como una superficie cilíndrica, esférica o toroidal.