ANTENA PLANA EN ARRAY PARA TRANSMISION Y RECEPCION EN BANDA X CON POLARIZACION CIRCULAR SELECCIONABLE.

Antena plana en array para transmisión y recepción en banda X con polarización circular seleccionable.

La invención se refiere al diseño y método de montaje de una antena plana en array, formada, a su vez, por subarrays o bloques (10) de 4 parches microstrip (11) en la banda X para transmisión y recepción simultáneamente, que permite, una vez ensamblada y adaptada convenientemente, obtener un sistema radiante plano y compacto y de dimensiones contenidas, fácil montaje y desinstalación, facilidad en el cambio de polarización. Estará formada, transversalmente, por una estructura multicapa, o multisustrato, en la que se pueden distinguir capa (sustrato) de radomo (1), capa (sustratos) de elementos radiantes (2) y capa (sustrato) de distribución de señal (3) con alimentación coherente, con polarización en forma de una rotación secuencial de cada parche, con Reducción o ajuste progresivo de la señal de alimentación en Tx y Rx para los 16 subarrays para reducir el nivel de lóbulos secundarios, con Red de Distribución de Señal de Tx y Rx, y con transiciones específicas de línea triplaca a coaxial.

Antena plana en array para transmisión y recepción en banda X con polarización circular seleccionable.

Sector de la técnica

La presente invención se refiere a un tipo de antenas planas implementadas en tecnologías de parches microstrip que ofrece varias ventajas que las hace atractivas para terminales SATCOM tanto en aplicaciones civiles como militares, como alternativa a las antenas de mayor volumen del tipo reflectoras. Las antenas planas objeto de esta patente permiten perfiles de dimensiones reducidas, mucho menor peso, robustas, fácilmente ajustables en factor de forma, y seleccionables en tipo de polarización que pueden ser utilizables en terminales portátiles y de reducidas dimensiones de comunicaciones con satélites. La presente patente de antena plana se aplica a las banda X de comunicaciones por satélite.

Antecedentes de la invención

A lo largo de estos últimos años y con el fin de dar respuesta a las necesidades de los Ministerios de Defensa y de otras entidades civiles de disponer de un terminal de mochila, ligero, alimentado con baterías, fácilmente desplegable y operable, se han diseñado y presentado diferentes posibilidades de producto que se caracterizaban por ser terminales diseñados específicamente para fines militares y también todos ellos se encuentran en capacidades de ancho de banda, pesos y volúmenes por debajo de los requisitos actualmente demandados, no solo en el campo militar sino también en el civil.

El tipo de terminales que están disponibles en el mercado están basados en tecnologías tradicionales incluyendo reflectores parabólicos para las antenas, filtros en guía de onda, bloques convertidores de elevado peso y consumo y módems en banda base de gran tamaño y modulaciones estándares de fase. Todo esto hace que estos terminales sean pesados y generalmente necesitan alimentaciones primarias en alterna para su puesta en marcha, y necesidad de ser transportados en varias mochilas, cajas y/o en vehículos.

En la actualidad cada vez hay mayor número de transpondedores de satélite de nueva generación, en bandas civiles y militares en bandas X, Ku y Ka que se caracterizan por disponer de elevadas ganancias que permiten utilizar terminales con antenas de aperturas limitadas, y a costos reducidos.

Hasta ahora los terminales de comunicaciones por satélite diseñados para ser transportados fácilmente en pequeñas maletas o cajas están limitados a aquellos que funcionan en bandas bajas de frecuencias, tales como los terminales BGAN en banda L de Inmarsat, terminales Iridium, Thuraya, etc, en todos los casos se caracterizan por tener capacidades de transmisión reducidas (banda estrecha) y/o necesidad de pagar elevados precios de conexión por el servicio prestado.

Los terminales de mochila en estas bandas “X, Ku, Ka” surgen inicialmente en el campo militar como una necesidad que los ejércitos modernos tienen en cuanto a un requisito insatisfecho de ser transportado por un soldado sin otro medio de ayuda al transporte que llevarlo a la espalda en una mochila. Esto limita el peso máximo que se puede transportar y que en la actualidad para estas bandas está en el entorno de los 25 a 75 Kg.

También en el campo civil los reporteros, periodistas, profesionales en labores internacionales están demandando una antena tipo “maleta” que pueda ser transportado en líneas aéreas como equipamiento facturable y resistente al transporte en la bodega de un avión o en un vehículo todo terreno.

El desarrollo propuesto de antena de transmisión y de recepción persigue la realización, por ejemplo, de un nuevo tipo de Terminal de comunicaciones por satélite, innovador que consigue ser muy ligero, portátil, plegable y compacto, para las bandas de frecuencia anteriormente mencionadas, con capacidad de funcionar con baterías, e incluso paneles solares plegables, y que puede competir con otro segmento de terminales de comunicaciones por satélite en banda bajas, que hasta ahora se reservaban la exclusiva de ser los únicos terminales realmente portátiles del mercado.

Descripción de la invención

La invención se refiere al diseño, características y montaje de una antena plana en banda X de aplicación a sistemas portátiles de comunicaciones por satélite cuyo despliegue o disposición sea fácil, con las posibilidades y limitaciones propias de estos sistemas, en concreto de la estructura de la antena plana en banda X, siendo ésta compacta, modular, en array, económica, robusta y de aplicación tanto para transmisión y recepción, y con cambio de polarización circular a izquierdas o a derechas fácilmente, y cambio de banda de frecuencias fácilmente.

La patente tiene como objetivo definir una antena plana en array, formada, a su vez, por subarrays de 4 parches microstrip en la banda X para transmisión y recepción simultáneamente, que permite, una vez ensamblada y adaptada convenientemente, obtener un sistema radiante plano y compacto y de dimensiones contenidas, fácil montaje y desinstalación, facilidad en el cambio de polarización, y que pueda trabajar en las bandas de frecuencias de los transpondedores mas ampliamente extendidos para propósitos civil y militar (X) .

Son de aplicación las especificaciones dadas por las recomendaciones ITUR-S 580-1 y ITUR-S 465-5 para los sistemas de comunicaciones por satélite y en particular para las antenas pequeñas, cuyo diámetro es inferior a 50 longitudes de onda.

Las principales innovaciones, objetos de esta patente, se encuentran en la antena plana en array en banda X, y la integración de la antena transmisora y la antena receptora del terminal en una caja de dimensiones reducidas, con materiales especiales, de montaje de forma apilable verticalmente y con posibilidad de cambiar la polarización de una manera rápida y fácil en el mismo área, junto con los correspondientes subsistemas de distribución y polarización, lo que permite al Terminal funcionar en cualquier tipo de ambiente. La antena está diseñada para que tenga unas dimensiones reducidas del orden de 40 cm. de lado, de peso reducido, desplegable fácilmente y que pueda situarse en una manera fácil en el apuntamiento al satélite en banda X.

Para ello, y de forma más concreta, la antena está formada, transversalmente, por una estructura multicapa, o multisustrato, en la que se pueden distinguir tres partes principales, contadas desde la capa, o sustrato, superior a la capa, o sustrato, inferior:

• Capa (sustrato) de radomo. Está formada por los elementos transparentes (en la banda de diseño) que permitan una protección adecuada de los elementos internos de la antena para cumplir las especificaciones medioambientales.

• Capa (sustratos) de elementos radiantes. Está formada por un conjunto de capas de circuito impreso sobre substratos de tipo PTFE que permiten construir el elemento radiante propiamente dicho y las redes asociadas a la formación de un bloque o subarray de pocos elementos (hibridos, divisores, líneas y conectores) .

• Capa (sustrato) de distribución de señal. Está formada a su vez por una o varias capas de circuito que forman una línea de transmisión de bajas pérdidas (triplaca, coaxial o guía de onda) y que permite llevar la señal del conector de entrada a los bloques con las amplitudes y fases adecuadas.

La integración de la antena de Tx y de Rx en bandas X en un sistema único requiere trabajar con antenas diferentes, con la correspondiente necesidad de combinar las características de ancho de banda, acoplamiento, polarización, para satisfacer la limitación de un panel cuadrado de 400x400 mm de lado, y de 40 mm. de altura o grosor, como superficie radiante.

Se han diseñado las antenas con una estructura modularen array de subarrays, cuyo tamaño y forma de los módulos de 4 parches microstrip de 16 elementos para la banda X.

En el diseño de antena se pueden definir cuatro partes fundamentales:

◦ El diseño de la estructura general de la antena plana en array.

◦ Los elementos radiantes en subarrays de 4 parches enchufables, formados por doble parche impreso con alimentación por línea microstrip.

◦ Las redes de formación de polarización y alimentación de los subarrays y control de polarización,

◦ La red de distribución de potencia desde...

1. Antena plana en array para transmisión y recepción en banda x con polarización circular seleccionable, caracterizada porque está constituida a partir de un array de 16 subarrays o bloques (10) de 4 parches microstrip para transmisión y recepción en banda X (11) , con la particularidad de que:

• La antena transmisora y la antena receptora del terminal están integradas en una caja de dimensiones reducidas, de montaje de forma apilable verticalmente y con medios de cambio de la polarización de una manera rápida y fácil en el mismo área, junto con los correspondientes subsistemas de distribución y polarización, habiéndose previsto que presente unas dimensiones del orden de 40 cm. de lado, 4 cm de grosor, y reducido peso.

• La antena en banda X estará formada, transversalmente, por una estructura multicapa, o multisustrato, en la que se pueden distinguir tres partes principales, contadas desde la capa, o sustrato, superior a la capa, o sustrato, inferior:

Capa (sustrato) de radomo (1) , formada por los elementos transparentes (en la banda de diseño) que permitan una protección adecuada de los elementos internos de la antena para cumplir las especificaciones medioambientales.

Capa (sustratos) de elementos radiantes (2) , formada por un conjunto de capas de circuito impreso sobre substratos de tipo PTFE que permiten construir el elemento radiante propiamente dicho y las redes asociadas a la formación de un bloque o subarray de pocos elementos (hibridos, divisores, líneas y conectores) .

Capa (sustrato) de distribución de señal (3) , formada a su vez por una o varias capas de circuito que forman una línea de transmisión de bajas pérdidas (triplaca, coaxial o guía de onda) y que permite llevar la señal del conector de entrada a los bloques con las amplitudes y fases adecuadas.

• Cada antena plana en array incorpora un conector coaxial (6) (de tipo SMA, de tipo N, o similar) de Rx y otro conector coaxial (6’) (de tipo SMA, de tipo N, o similar) de Tx situado en su parte posterior y ubicados en su zona central.

2. Antena plana en array para transmisión y recepción en banda x con polarización circular seleccionable, según reivindicación 1ª, caracterizada porque los subarrays o bloques (10) de Tx y Rx presentan un carácter enchufable formado cada uno de ellos de 4 parches (11) con alimentación coherente, excitados mediante sonda coaxial y línea impresa y alimentados mediante una red de distribución de señales realizada en un circuito impreso en estructura microstrip en triplaca, donde la estructura del elemento subarray o bloque (10) está formada por cuatro parches circulares (11) , distribuidos simétricamente en la superficie cuadrada del subarray, siendo el elemento radiante unitario un parche impreso doble, apilado verticalmente, y que eléctricamente se acoplan para conseguir el ancho de banda deseado, con la particularidad de que el elemento unitario impreso tiene polarización circular o bien, que en el subarray de cuatro parches (11) , estos se combinen eléctricamente con diferente polarización lineal en forma de una rotación secuencial, con la particularidad de que la estructura de la antena plana es en array, compuesta a su vez de 16 subarrays de formas cuadradas, determinando una retícula también cuadrada.

3. Antena plana en array para transmisión y recepción en banda x con polarización circular seleccionable, según reivindicaciones 1ª y 2ª, caracterizada porque incorpora una Red de Distribución de Señal de Tx y Rx de tipo corporativo, de forma que el camino eléctrico recorrido por la señal de Tx y Rx para alcanzar cada uno de los puntos de salida es el mismo, en el que se establecen dos conectores coaxiales (12-13) , uno de Tx y otro de Rx, asociados a cada uno de los subarrays o bloques (10) de 4 parches (11) correspondientes a las dos polarizaciones, y que se establecen en extremos opuestos de cada subarray, de manera que la red de distribución conecta de forma independiente cada uno de los dos conjuntos de conectores coaxiales de entrada de señal de Tx y de Rx, definiéndose dos redes independientes superpuestas (18-18’) en sendas capas verticales, de forma que se asegura el aislamiento de la señal de Tx y de Rx entre las dos estructuras de polarización, con la particularidad de que la red de distribución está formada por una línea triplaca que se sustenta entre los planos de masa (19-20) por dos láminas de foam (21-22) del orden de 2 mm de espesor, mientras que la línea metalizada está soportada por una lámina de PTFE (23) de 0.254 mm de grosor que queda en medio de las dos placas de foam.

4. Antena plana en array para transmisión y recepción en banda x con polarización circular seleccionable, según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque para solventar los problemas de adaptación en la línea triplaca, y los modos TE generados, provocando pérdida de potencia y posibles errores por acoplos, se diseña una pieza que evite su propagación, se establece una pseudoguía cortocircuitada al final, en la que la transición es lo suficientemente estrecha para que el modo TE esté al corte en la banda de interés, favoreciendo además la adaptación de la transición, mientras que la terminación de la línea microstrip se prolonga de tal forma que el coaxial no se suelde al final de esta sino un poco antes y redondeando el extremo de la línea, de manera que el radio óptimo sea de 1.5 mm, mientras que el ancho de la línea de la zona protegida con la transición se redondea en el tramo final de la misma.

5. Antena plana en array para transmisión y recepción en banda x con polarización circular seleccionable, según reivindicaciones 1ª a 3ª, caracterizada porque presenta un esquema de Reducción o ajuste de la señal de alimentación en Tx y Rx para los 16 subarrays en el que se asocian los elementos subarrays de 4 parches en conjuntos de cuatro en cuatro, de forma que dentro de cada conjunto la alimentación de los subarrays es uniforme, variando de un conjunto a otro, según el siguiente diagrama:

CBBC

BAAB

BAAB

CBBC

Donde A = 1, señal máxima, es decir sin reducción; B = 0, 8 es una reducción del 80% respecto de la señal máxima (del conjunto “A”) ;yC=0, 6 es una reducción del 60% respecto de la señal máxima.