BOCINA MULTIMODO DE ALTO RENDIMIENTO.

Una antena multihaz incluyendo o múltiples reflectores o lentes para o transmitir o recibir una señal electromagnética a través de los mismos,

incluyendo dicha antena una pluralidad de bocinas de alimentación multimodo (20), generando cada uno de dicha pluralidad de bocinas (20) un haz respectivo de dicha antena y cada una de las bocinas (20) incluyendo una estructura hueca cónica (22) para alimentar a través de ella el haz, ensanchándose la estructura (22) de forma radial hacia el exterior de una sección de estrechamiento (24) hacia una abertura (26), teniendo la abertura (26) un tamaño limitado por la presencia de bocinas de alimentación adyacentes que generan otros haces, dicha estructura (22) definiendo una pared interna (28) que tiene una pluralidad de discontinuidades (30) para modificar el contenido modal de la señal, donde para cada una de las bocinas (20) las discontinuidades (30) excitan modos de orden superior TE1n apoyados por el tamaño de abertura con tal amplitud y fase que cada bocina (20) tiene una eficiencia de abertura mayor que la de bocinas de doble modo usando modos TE11 y TM11 solamente, a lo largo de un rango de frecuencia predeterminado de la señal

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a una bocina para su uso en transmisores de señal de RF o receptores, y más particularmente, a una bocina multimodo que tiene varios modos de orden superior generados a través de 5 discontinuidades, tales como ondulaciones, perfiles suaves, rebajes y/o escalonamientos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los modernos sistemas de comunicaciones por satélite de banda ancha de alta capacidad dan lugar a una serie de desafiantes problemas de diseño de antena. Las antenas multihaz (MBAs por sus siglas inglesas en lo sucesivo) de alta ganancia son probablemente el mejor ejemplo de tales diseños de antena llenos de complejidad. Las 10 MBAs suelen dar servicio a una zona compuesta por varias celdas de cobertura contiguas. El presente contexto parte de una configuración de antena de dicho tipo, en contraposición a una configuración de tipo imaging del reflector o a una matriz de radiación directa. También se parte de que cada haz es generado por un único elemento de alimentación y de que las dimensiones de la abertura se ven limitadas por la presencia de elementos de alimentación adyacente generando otros haces en elementos contiguos. 15

Impacto de la calidad de alimentación en el rendimiento de las MBAs

Es bien sabido que para alcanzar un rendimiento de antena o lente reflectora óptimo, la iluminación del reflector, incluyendo la relación borde/centro (edge-taping), tiene que ser controlada. La figura 1 ilustra la ganancia del borde de cobertura (BC en lo sucesivo) de una MBA típica como función de la conicidad de iluminación del reflector, asumiendo una iluminación del tipo cosq. El primer nivel del lóbulo lateral también se muestra, en el eje secundario. 20 Dependiendo de los requisitos de los lóbulos laterales, la figura 1 muestra que una relación borde/centro en el reflector de 12 a 13 dB(decibelios) cercana al estado óptimo. Una relación de iluminación borde/centro ligeramente mayor producirá un mejor rendimiento de lóbulo lateral con una menor degradación de la ganancia.

En situaciones de cobertura de varios haces, asegurar una superposición adecuada entre haces adyacentes, por lo general de 3 a 4 dB por debajo del máximo, da lugar a espacios reducidos entre cada haz. En dichas aplicaciones de 25 antenas de reflector o de lente, en las que cada haz se genera con un único elemento de alimentación, este espaciamiento reducido entre los haces da lugar a un grupo de alimentación compuesto de pequeñas bocinas dispuestas estrechamente. El rendimiento de las antenas se ve entonces limitado por la capacidad de iluminar de manera eficiente la abertura de la antena con pequeños elementos de alimentación que permitan producir un patrón primario relativamente amplio. Los principales factores que limitan el rendimiento de la antena son: 30

1 - Pérdidas elevadas de la antena por desbordamiento (spill over), que reduce la ganancia de rendimiento y

2 - relación de iluminación borde-centro limitada, que conduce a niveles relativamente altos de lóbulos laterales.

Para solucionar las limitaciones de rendimiento descritas anteriormente se ha propuesto el uso de múltiples grupos de reflectores de haz intercalado de forma alternativa. Mediante el uso de múltiples aberturas, los elementos de alimentación quedan distribuidos, con lo que el espaciamiento y el tamaño de los elementos en una matriz de 35 alimentación puede aumentar, dando lugar a un patrón primario más directo y estrecho para cada elemento de alimentación. El tamaño del elemento aumenta como raíz cuadrada de la cantidad de aberturas usada aproximadamente. Por ejemplo, intercalar los haces producidos por cuatro reflectores, como se muestra en la figura 2, genera un elemento cuyo tamaño ha aumentado por factor dos (2) aproximadamente. Esto reduce considerablemente las pérdidas por desbordamiento y por lo tanto mejora los niveles de copolarización de los lóbulos laterales. Las cuatro 40 marcas diferentes de haz, identificadas con las letras A, B, C y D en la figura 2 se refieren a los haces generados por las cuatro aberturas con las denominaciones correspondientes.

A pesar de que las aberturas múltiples mejoran notablemente el rendimiento de la antena aumentando el tamaño físico del elemento, queda demostrado fácilmente que, incluso con cuatro aberturas, el rendimiento de las MBAs que emplean un solo elemento de alimentación por cada haz sigue estando limitado por la eficiencia η de la 45 abertura del elemento de alimentación definida como:

η = g* (λ/ πd)2

Donde g es la ganancia máxima o directividad, λ es longitud de onda de la señal en la banda de frecuencia de funcionamiento mas baja y d es el diámetro físico del elemento de alimentación, o el espaciamiento de alimentación.

Si se asume un patrón de alimentación tipo cosq, se puede derivar que la relación de iluminación borde/centro 50 (ET) de un sistema de cuatro reflectores es

ET (dB)≈13* η

donde η es la eficiencia de la abertura de alimentación. Esto significa que para un sistema de cuatro reflectores se necesitan elementos de alimentación con una eficiencia de abertura de al menos el 92% para alcanzar el borde de iluminación de 12 dB, identificado como óptimo en la figura 1. Lograr una relación borde/centro mayor para un mejor control del lóbulo lateral requiere una eficiencia de abertura de alimentación aún mayor. 5

Del mismo modo, nos encontramos con que si se utilizan tres reflectores en lugar de cuatro, la relación de iluminación borde/centro del reflector se puede aproximar como sigue:

ET (dB)≈9.75* η

En realidad, la relación entre ET y "η" no es exactamente lineal. Un análisis más riguroso muestra que a medida que aumenta la relación borde/centro, el tamaño del reflector también tiene que aumentar para mantener el 10 mismo ancho de haz. Este aumento del tamaño del reflector da lugar a un aumento de segundo orden en la relación borde/centro del reflector.

Como se ilustra en la figura. 3, un análisis paramétrico muestra que la ganancia de una MBA es óptima para una eficiencia de abertura de alimentación de alrededor del 95%. La selección de otro nivel de cruce del haz afectaría a la localización del punto óptimo, pero en general la eficiencia de la alimentación óptima siempre será de entre el 85% y 15 100%.

Soluciones convencionales

Se ha establecido que elementos de abertura de alta eficiencia son necesarios para maximizar el rendimiento de las MBAs. Aunque las bocinas cónicas ofrecen una eficiencia de abertura razonable (por lo general entre 80% y 83%) muestran deficiencias en la simetría de patrón y malos resultados de polarización cruzada (cross-polarisation). Las 20 bocinas de modo dual o de modo híbrido han sido desarrolladas para asegurar buena simetría de patrón y un buen rendimiento de polarización cruzada. Las bocinas convencionales de modo dual incluyen la conocida bocina Potter y bocinas híbridas multimodo de tipo corrugado, tal y como se ilustra en las figuras 4 y 5 respectivamente.

Las bocinas Potter suelen ofrecer una eficiencia del 65-72% en función de su tamaño y del ancho de banda de funcionamiento. Las bocinas corrugadas pueden funcionar en una banda más amplia, pero proporcionan una eficacia 25 aún menor debido a la presencia de corrugaciones de la abertura que limitan su diámetro eléctrico a cerca de λ/2 menos que su dimensión física.

Por lo tanto, como se muestra en la figura 3, las bocinas convencionales de modo dual o modo híbrido no permiten lograr un rendimiento óptimo de las MBAs, ya que una relación borde/centro insuficiente (edge-taping) del reflector da lugar a altos niveles de lóbulos laterales y a ganancias degradadas por las altas pérdidas de 30 desbordamiento (spill-over).

El documento de patente US4792814, concedida a T. Ebisui el 20 de diciembre de 1988, describe una antena de bocina cónica con una primera sección que activa sólo el modo TM11 en la banda de alta frecuencia y una segunda parte que activa tanto el TM11 de la banda de baja frecuencia y el TE12 en la banda de alta frecuencia de forma que el patrón de la señal de salida incluye un componente de reducción controlada de la polarización cruzada. Dicha bocina 35 está formada por un máximo de dos secciones cilíndricas conectadas con las secciones cónicas.... [Seguir leyendo]

1. Una antena multihaz incluyendo o múltiples reflectores o lentes para o transmitir o recibir una señal electromagnética a través de los mismos, incluyendo dicha antena una pluralidad de bocinas de alimentación multimodo (20), generando cada uno de dicha pluralidad de bocinas (20) un haz respectivo de dicha antena y cada una de las bocinas (20) incluyendo una estructura hueca cónica (22) para alimentar a través de ella el 5 haz, ensanchándose la estructura (22) de forma radial hacia el exterior de una sección de estrechamiento (24) hacia una abertura (26), teniendo la abertura (26) un tamaño limitado por la presencia de bocinas de alimentación adyacentes que generan otros haces, dicha estructura (22) definiendo una pared interna (28) que tiene una pluralidad de discontinuidades (30) para modificar el contenido modal de la señal, donde para cada una de las bocinas (20) las discontinuidades (30) excitan modos de orden superior TE1n apoyados por el 10 tamaño de abertura con tal amplitud y fase que cada bocina (20) tiene una eficiencia de abertura mayor que la de bocinas de doble modo usando modos TE11 y TM11 solamente, a lo largo de un rango de frecuencia predeterminado de la señal.

2. La antena de la reivindicación 1, donde dicha pluralidad de bocinas (20, 20a, 20b) esta dividida en una pluralidad de subgrupos, teniendo todas las bocinas (20, 20a, 20b) del mismo subgrupo la misma pluralidad de 15 discontinuidades (30).

3. La antena de la reivindicación 1 o 2, donde las discontinuidades (30) además alteran el contenido de modo de orden superior TM1 m de la señal para controlar el contenido de polarización cruzada de los modos de propagación en el rango de frecuencia predeterminada de la señal.

4. La antena de acuerdo a una de las reivindicaciones 1 a 3, donde dichas discontinuidades (30) de dicha pared 20 interna (28) son axialmente simétricas alrededor de un eje de dicha estructura (22).