ANTENA INTEGRADA EN EL CASCO.

Una estructura de antena integrada en un casco o fuselaje (501,

702, 1101), en la cual la estructura de antena comprende una antena de array (503, 601, 701), comprendiendo la antena de array diversos elementos de antena, comprendiendo cada uno de los elementos de antena un radiador (505, 606, 703, 1105, 1111, 1501) y un alimentador de RF, estando dispuestos los elementos de antena en una rejilla (15031506) dentro de un área (1103) de la antena que comprende un área central (1112) de la antena y una zona de transición (1109) fuera del área central (1112) de la antena, caracterizada porque varios de los radiadores de la antena así como unas láminas resistivas (605, 707-712) están dispuestos sustancialmente en el mismo plano que la superficie exterior del casco o fuselaje (501, 702, 1101), y porque los radiadores (505, 606, 703, 1105, 1111) son radiadores de ranura y los radiadores de ranura dentro de la zona de transición (1109) están cubiertos por las láminas resistivas (605, 707-712)

CAMPO DE LA TÉCNICA

La presente invención trata sobre antenas integradas en el casco o fuselaje de acuerdo con el preámbulo de la Reivindicación 1.

ANTECEDENTES DE LA TÉCNICA

Hoy en día existe la necesidad de crear una baja firma al radar para diferentes objetos tales como p. ej. aeronaves, es decir de diseñar aeronaves que tengan una baja visibilidad radárica. Se ha logrado un progreso significativo en diversas áreas problemáticas tales como p. ej:

• Admisión/ el escape

• Cabina/cúpula

• Forma del casco o fuselaje

• Absorbedores

• Armamento

pero a menudo existen problemas para reducir la firma pasiva de los sensores de la aeronave tales como las antenas.

Se han propuesto diversas soluciones para las antenas con una baja firma al radar o una baja Sección Radar Equivalente, RCS.

El artículo “BROADBAND RCS REDUCTION OF RECTANGULAR PATCH BY USING DISTRIBUTED LOADING” ELECTRONIC LETTERS, IEE STEVENAGE, GB, vol. 28, nº 25, 3 de Diciembre de 1992 (3/12/1992), páginas 2322-2323, de Volakis y otros, describe una antena de parche con una tira resistiva alrededor de la periferia del parche.

Las antenas, como p. ej. las antenas de radar de las aeronaves, son a menudo denominadas antenas de array, es decir, antenas que consisten en diversos elementos de antena que trabajan juntos. Para reducir la RCS de las antenas de array en un casco conductivo, el documento WO 2006/091162 propone enmarcar el array con una lámina resistiva fina y graduada. La Figura 1 muestra la sección transversal de una antena de acuerdo con la técnica anterior. Una unidad 101 de antena, con unos radiadores 102 de la antena y una cubierta dieléctrica 103, está montada en un casco 104. Se aplica una lámina resistiva graduada 105, como un marco, en la parte superior de la unidad 101 de antena. Por graduada se entiende que la resistividad varía desde una “alta resistividad” en la parte más cercana al centro de la antena, hasta una “baja resistividad” en la parte más cercana al casco conductivo. Este procedimiento es capaz de reducir sustancialmente las interferencias causadas por las discontinuidades entre el área de la antena y el casco o fuselaje.

Aunque este procedimiento es eficiente, presenta problemas para las profundidades de fase relativamente altas, ºФ, ver figura 1. ºФ, 106, es la diferencia entre la fase reflejada por el casco y por la zona del array, que provoca una RCS elevada.

El array es usualmente mucho más grueso que el casco o fuselaje, por lo que ocupa en la aeronave un volumen innecesariamente elevado.

Al margen del grosor del array, la integración provoca un debilitamiento en el casco o fuselaje dado que los materiales RF activos (RF= Radio Frecuencia), y de bajas pérdidas, del array no pueden soportar mucha tensión mecánica. Por lo tanto deben idearse unos refuerzos extra que añaden peso.

Debido a la aplicación de la capa resistiva a una altura significativa por encima de los radiadores de la antena, los haces transmitidos interfieren con la capa resistiva en los ángulos de exploración moderados. Esto precisa de la introducción de una zona de transición comparablemente extensa (es decir, una lámina resistiva), que a su vez hace que la abertura del casco o fuselaje sea mayor de lo necesario. La Figura 2 ilustra esquemáticamente los parámetros que afectan al ancho de la zona de transición. Los radiadores 203 de la antena están situados a una cierta distancia 204 del casco 201. Una primera parte 205 de la zona de transición depende principalmente de la frecuencia operativa y deberá tener un ancho de N*λ. Normalmente, un valor suficiente es N=1-8. Sin embargo, pueden ser necesarios unos valores de N mayores si se requieren unas reducciones muy elevadas de la RCS. Una segunda parte 207 de la zona de transición es una función de la diferencia de profundidad de fase ºФ, que presenta cierto grado de proporcionalidad a la distancia 204. Finalmente una tercera parte 209 de la zona de transición es una función de un ángulo de exploración α, también designado 211. Un ángulo de exploración elevado significa que la sección 209 tiene que ser más ancha, lo que provoca que toda la zona de transición se vuelva mayor.

Esta solución es especialmente eficiente para la incidencia TE (polarización Transversal Eléctrica), pero no para la incidencia TM (polarización Transversal Magnética). La solución generalmente aceptada para este problema es la de introducir unos absorbedores adicionales

(p. ej., en grupos) dentro de la antena cerca de sus bordes. Pero una vez más esto está asociado a unos costes extra y a un aumento del ancho de la zona de transición. La Figura 3 explica la diferencia en el manejo de una onda TE, figura 3a, y una onda TM, figura 3b, con un casco 301, una antena 302 y una lámina resistiva 303. Una onda incidente 305 se propaga en la dirección de la flecha. Para una onda TE, el campo E es perpendicular al plano del papel ilustrado con un círculo y un punto. Una onda TM tiene el campo magnético en la misma dirección que el campo E en la figura 3a. El campo E para la onda TM está representado por la flecha 306. Esto significa que el campo E para la onda TE tendrá una dirección a lo largo de la lámina resistiva y será absorbido por la lámina. Sin embargo, la onda TM tendrá únicamente un pequeño componente en la dirección a lo largo de la lámina resistiva, y por lo tanto sólo será absorbida por la lámina en menor grado. Por el contrario, la onda TM se dispersará en el borde de la antena. Un modo de disminuir esta dispersión es incluir un material absorbente 307 en el extremo de la antena. Sin embargo, esto aumenta la anchura de la antena y añade un coste extra.

Otro medio sugerido para reducir la RCS es cambiar gradualmente los coeficientes Гn de los radiadores de la antena, mediante la introducción de pequeños cambios en la geometría interna del elemento, lo que generaría un cambio en el coeficiente de reflexión Г. La finalidad de la proposición representada en la figura 4 es cambiar el coeficiente de reflexión Г en los elementos de antena de doble polarización, en toda la superficie del array, al tiempo que las pérdidas de transmisión/recepción se mantienen lo más bajas posibles. Por lo tanto, se han considerado unos cambios reactivos (capacitivos/inductivos) en vez de resistivos. La figura 4 muestra unos radiadores 401 de la antena, en este caso realizados como guiaondas, con unas perturbaciones 402 y un casco 403. En el diagrama de la figura 4, el eje vertical 404 representa el coeficiente de reflexión Гn, y el eje horizontal 405 representa la posición de cada elemento n de la antena. Las perturbaciones 402 están diseñadas de tal manera que el coeficiente de reflexión Г sea elevado cerca de los bordes externos de la antena, allí donde la antena se encuentra con el casco, y sea bajo en la mitad de la antena, creando de esta manera una transición suave entre el elevado coeficiente de reflexión del casco y el bajo coeficiente de reflexión de la antena. Esta transición suave reduce la dispersión y por lo tanto la RCS.

Una de las desventajas de esta solución es que el carácter reactivo de las perturbaciones implica que la reducción en la firma sólo es eficaz sobre un ancho de banda limitado.

Otra de las desventajas es que diseñar una cantidad elevada de elementos de antena individuales resulta un procedimiento muy costoso.

Para llevar a cabo el procedimiento se requiere, o bien terminar ambas polarizaciones y usar perturbaciones doblemente polarizadas o bien, lo cual es posible únicamente en principio, terminar únicamente una polarización al tiempo que se introduce una perturbación monopolarizada. En caso de que la función de la antena únicamente requiera una sola polarización, el requisito de terminar ambas polarizaciones apropiadamente supone un coste extra.

La profundidad de fase 406 de la dispersión también supone un problema; no siempre es posible introducir las perturbaciones reactivas en el plano en el cual sería óptimo, es decir al mismo nivel que un plano de tierra.

Tal como se ha mencionado anteriormente, existen diferentes tipos de dispersión que pueden causar una elevada RCS:

• Dispersión de borde, provocada por las discontinuidades entre el área de la antena y el casco. Este tipo de dispersión puede tratarse aplicando una capa resistiva, tal como se ha mencionado anteriormente. La...

1. Una estructura de antena integrada en un casco o fuselaje (501, 702, 1101), en la cual la estructura de antena comprende una antena de array (503, 601, 701), comprendiendo la antena de array diversos elementos de antena, comprendiendo cada uno de los elementos de antena un radiador (505, 606, 703, 1105, 1111, 1501) y un alimentador de RF, estando dispuestos los elementos de antena en una rejilla (15031506) dentro de un área (1103) de la antena que comprende un área central (1112) de la antena y una zona de transición (1109) fuera del área central (1112) de la antena, caracterizada porque varios de los radiadores de la antena así como unas láminas resistivas (605, 707-712) están dispuestos sustancialmente en el mismo plano que la superficie exterior del casco o fuselaje (501, 702, 1101), y porque los radiadores (505, 606, 703, 1105, 1111) son radiadores de ranura y los radiadores de ranura dentro de la zona de transición (1109) están cubiertos por las láminas resistivas (605, 707-712).

2. Una estructura de antena de acuerdo con la Reivindicación 1, caracterizada porque las láminas resistivas (605, 707-712) tienen una alta conductividad en la zona de transición (1109) cercana al casco o fuselaje (501, 702, 1101) y porque la conductividad disminuye en la dirección hacia el área central (1112) de la antena, proporcionando por lo tanto un ajuste ahusado del coeficiente de reflexión sobre un amplio intervalo de frecuencia.

3. Una estructura de antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizada porque los radiadores de la antena, que comprenden el radiador de ranura (505, 606, 703, 1105, 1111), están rellenos con un material dieléctrico y se suministra energía de RF en una cavidad (705, 801, 901, 1107), y porque las ranuras están hechas directamente en el casco o fuselaje.

4. Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizada porque los radiadores de la antena, que comprenden un radiador de ranura (505, 606, 703, 1105, 1111), están rellenos con un material dieléctrico y alimentados mediante una sonda (808) en una cavidad (705, 801, 901, 1107), y porque las ranuras están hechas en una placa que se inserta en el casco o fuselaje (501, 702, 1101), de manera que la superficie de la placa se adapte a la superficie del casco o fuselaje.

5. Una estructura de antena de acuerdo con la Reivindicación 4, caracterizada porque la placa tiene una superficie curva.

6. Una estructura de antena de acuerdo con las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizada porque la placa está fabricada con un compuesto reforzado con metal o carbono.

7. Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la cavidad (705, 801, 901, 1107) está rellena de un material dieléctrico.

8. Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el relleno dieléctrico del radiador (505, 606, 703, 1105, 1111) de ranura y de la cavidad (705, 801, 901, 1107) es del mismo material dieléctrico.

9. Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la conductividad de las paredes de las ranuras está aumentada por un tratamiento adecuado de la superficie.

10. Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque los radiadores (505, 606, 703, 1105, 1111) de ranura en la zona de transición (1109) están cubiertos con las láminas resistivas (605, 707-712), y tienen forma de ranura.

11. Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la zona de transición (1109) comprende un anillo de radiadores de antena cubiertos con las láminas resistivas (605, 707-712), teniendo las láminas forma de ranura.

12. Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-10, caracterizada porque la zona de transición (1109) comprende al menos dos anillos de radiadores cubiertos con las láminas resistivas (605, 707-712) con forma de ranura, y en la cual el primer anillo, más cercano al casco o fuselaje, tiene unas láminas resistivas

con baja resistencia y los anillos posteriores tienen unas ranuras cubiertas por unas láminas resistivas que tienen una resistencia que aumenta cuanto más cerca está el anillo del área central (1112) de la antena.

13. Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el casco o fuselaje (501, 702, 1101) tiene una superficie curvada.

14. Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque al menos uno de los radiadores de la antena en la zona de transición (1109) está inactivo.

15. Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones

precedentes, caracterizada porque el área (1103) de la antena está cubierta con un 15 forro de protección medioambiental.

16. Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el casco o fuselaje (501, 702, 1101) es la superficie exterior de una aeronave, un proyectil de artillería, un misil o un barco.

17. Una estructura de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la antena está integrada con una compuerta que cubre una abertura en el casco o fuselaje.