Sistema de antena escaneada.

Un sistema de antena que comprende medios de alimentación (10) adaptado para transmitir un frente de onda a un panel y para muestrear una onda emergente procedente del panel,

y un panel (12, 32) adaptado para aplicar un desplazamiento de fase predeterminado al frente de onda transmitido, en el que el panel (12, 32) comprende una red de elementos, caracterizado porque cada elemento puede controlarse individualmente para su calibración por los medios de alimentación en aislamiento de los otros elementos que no están calibrados por conmutación de los otros elementos a un estado completamente de absorción o un estado neutralizado en el que la onda emergente muestreada de dichos otros elementos se cancela para permitir la calibración independiente de elementos individuales.

Sistema de antena escaneada La presente invención se refiere a antenas de red en fase y en particular a un sistema de antena escaneada electrónicamente mejorada.

En los sistemas de antena de red en fase, se consigue una gran apertura irradiante mediante el uso de una pluralidad de antenas elementales que irradian en coherencia de fase. Las antenas de red en fase escaneadas electrónicas activas han distribuido arquitecturas transmisoras, conteniendo cada elemento de la red un módulo trasmisor / receptor (T / R) . El módulo T / R asociado a cada antena elemental proporciona al menos el control de fase de las señales de radiofrecuencia (RF) aplicado a, o recibido del elemento de antena asociado, de forma que el patrón de radiación de la red de la antena de red tiene las propiedades direccionales deseadas. Los módulos T / R también amplifican la señal recibida con un amplificador de bajo ruido, amplifican las señales que se van a transmitir con un amplificador de potencia y proporcionan diversas funciones diferentes, tales como, una atenuación ajustable y la conmutación para transmitir / recibir.

De hecho, cada módulo T / R individual de la red implica numerosos circuitos de alta frecuencia que deben montarse en la región del elemento de antena asociado. Los elementos de control de fase de la red han de estar en un registro cerrado con las antenas elementales y, por lo tanto, deben separarse a un paso suficiente para suprimir los lóbulos de rejilla en el patrón de radiación. La electrónica de control de fase es sofisticada y para una antena monoestática bidireccional ha de incluir transceptores duplexados de transmisión / recepción. La fuente de alimentación extensa y los sistemas de refrigeración asociados con dichos circuitos también pueden alojarse en el área por detrás de los elementos de la antena. Además, los elementos de la red son accionados por una alimentación espacial usando una bocina o mediante un colector de alimentación de transmisión en línea restringido de una fuente de señal de RF. Con el aumento de la frecuencia y el aumento del tamaño de la antena, las antenas de red en fase a menudo muestran pérdidas inaceptables principalmente debido a la red de alimentación.

En los sistemas de radares aerotransportados, el diseño de red en fase presenta sus propios retos. Por razones aerodinámicas, la red de antenas se sitúa típicamente en el interior de un radomo aerodinámico que constituye la sección de la proa de la aeronave. Dicha localización limitada presenta diversas restricciones de espacio, en particular, con respecto a la circuitería asociada con los módulos T / R. En una aeronave típica, la red de antenas comprende de 1000 a 1200 elementos de antena individuales que ocupan un área del orden de 0, 8 metros de diámetro en el cono de proa. Aparte del volumen ocupado por los circuitos del módulo T / R, el peso asociado a dichos grandes sistemas de circuitos requiere un armazón de soporte más rígido que, a su vez, aumenta la carga de la aeronave. Además, el coste implicado en la fabricación de dichos circuitos es sustancial.

Los módulos T / R individuales requieren un control de fase y amplitud no sólo para dirigir, sino también para ajustar sus propias diferencias mutuas y para compensar cualquier error residual en los radiadores. Ya que los módulos son considerablemente más activos en una red en fase activa en comparación con sistemas anteriores que emplean desplazadores de fase solos, son propensos a derivar la amplitud y la fase que causa el deterioro de la forma del haz y la ganancia eficaz de la antena debido a la deriva térmica y al envejecimiento. Por lo tanto, el reajuste continuo de la red debe realizarse después de la calibración del intervalo inicial. Las técnicas de calibración del intervalo de corriente incluyen la configuración de un bucle de calibración sobre los módulos T / R y típicamente usan una fuente de campo lejano para medir el patrón de la antena en cada ángulo fuera de la alineación para un determinado ángulo de señalización. Los algoritmos para reajustar el módulo se obtienen a partir de dichas técnicas de calibración del intervalo de corriente. Ya que la amplitud implícita y la fase cónica pueden descubrirse a partir de una transformada rápida de Fourier del patrón, después pueden aplicarse correcciones a cada módulo. Este método es iterativo y debe realizarse para cada posición del haz.

Los documentos US 3.378.846 y D.F. Sievenpiper, "Two - Dimensional Beam Steering Using an Electrically tunable impedance surface", IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 51, Nº 10, octubre de 2003, XP 1175 160 describen los sistemas de antenas relacionados de la técnica anterior.

Es un objeto de la presente invención proporcionar un sistema de antena escaneada que supera al menos algunos de los problemas que se han analizado anteriormente.

A partir de un primer aspecto, la presente invención reside en un sistema de antenas que comprende los medios de alimentación (10) para transmitir un frente de onda a un panel y para muestrear una onda emergente procedente del panel, y un panel (12, 32) adaptado para aplicar un desplazamiento de fase predeterminado al frente de onda transmitido, en el que el panel (12, 32) comprende una red de elementos, siendo cada elemento controlable individualmente para su calibración por los medios de alimentación en aislamiento a partir de otros elementos que no están calibrados conmutando los demás elementos hasta un estado de absorción completa o un estado de neutralización en el que la onda emergente muestreada de dichos otros elementos se cancela para permitir la calibración independiente de los elementos individuales.

El panel puede comprender una placa reflectora adaptada para reflejar el frente de onda desfasado en dirección de la alimentación y la red de elementos se forman en una estructura electromagnética periódica que comprende preferiblemente una superficie de alta impedancia.

De acuerdo con otra realización de la invención, el panel es transmisivo y comprende un segundo medio de alimentación en el lado opuesto del panel con respecto al medio de alimentación transmisor adaptado para muestrear el frente de onda desfasado emergente. La red de elementos comprende preferiblemente una pluralidad de antenas de tipo parche dispuestas sobre superficies opuestas del panel.

A partir de un segundo aspecto, la invención reside en un procedimiento para calibrar un sistema de antenas escaneadas, que comprende (a) transmitir un frente de onda incidente a un panel de redes de antenas y muestrear una onda emergente procedente del panel; (b) controlar todos, a excepción de un solo elemento de un panel de la red de antenas para conmutar los demás elementos en un estado de absorción completo o un estado de neutralización en el que la onda emergente muestreada de dichos otros elementos se cancela; (c) modular una tensión de polarización o un desplazamiento de fase aplicado al único elemento que se va a calibrar; (d) determinar la diferencia de fase entre un frente de onda incidente y el frente de onda emergente del panel de la antena; (e) calcular los valores estimados para el desfase y el desnivel de las diferencias medidas; (f) determinar la calibración necesaria para conseguir un desplazamiento de fase predeterminado en base a los valores estimados; repetir las etapas (a) a (f) para todos los elementos de la red.

Esta invención permite reemplazar el árbol de alimentación por una onda de difusión esférica de espacio libre que surge de una antena de alimentación que tiene una pérdida mínima en comparación con la estructura de onda guiada del árbol de alimentación. El elemento activo en cada red de antenas es un único diodo varactor, por lo que ofrece un coste sustancialmente inferior que el concepto de redes en fase. El número de dispositivos activos por elemento es significativamente menor, y están menos desgastados y son menos delicados en comparación con los amplificados de bajo ruido y los amplificadores de potencia. Además, el tamaño mínimo del elemento de control de varactor proporciona la oportunidad de una red más densa que ofrezca una estructura lóbulo lateral superior particularmente en grandes ángulos más allá del lóbulo principal o la superficie normal.

La figura 1 es una sección transversal de una estructura electromagnética periódica en forma de una superficie de alta impedancia de acuerdo con la técnica anterior;

la figura 2 es una ilustración de los mecanismos que proporcionan el acoplamiento capacitivo e inductivo entre los elementos LC de la figura 1;

1. Un sistema de antena que comprende medios de alimentación (10) adaptado para transmitir un frente de onda a un panel y para muestrear una onda emergente procedente del panel, y un panel (12, 32) adaptado para aplicar un desplazamiento de fase predeterminado al frente de onda transmitido, en el que el panel (12, 32) comprende una red de elementos, caracterizado porque cada elemento puede controlarse individualmente para su calibración por los medios de alimentación en aislamiento de los otros elementos que no están calibrados por conmutación de los otros elementos a un estado completamente de absorción o un estado neutralizado en el que la onda emergente muestreada de dichos otros elementos se cancela para permitir la calibración independiente de elementos individuales.

2. Un sistema de antena de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el panel comprende una placa reflectora adaptada para reflejar el frente de onda desfasado en dirección de la alimentación (10) y en el que la red de elementos se forma como una estructura electromagnética periódica.

3. Un sistema de antena de acuerdo con la reivindicación 2, en el que estructura electromagnética periódica es una superficie de alta impedancia.

4. Un sistema de antena de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el panel es transmisivo, comprendiendo adicionalmente el sistema un segundo medio de alimentación en el lado opuesto del panel con respecto al medio de alimentación transmisor, el segundo medio de alimentación adaptado para muestrear el frente de onda desfasado emergente, y en el que la red de elementos comprende una pluralidad de antenas de tipo parche dispuestas en superficies opuestas del panel.

5. Un sistema de antena de acuerdo con las reivindicaciones 2 ó 3, que comprende una pluralidad de varactores dispuestos entre elementos adyacentes de la red sobre la placa reflectora y en el que el desplazamiento de fase se consigue aplicando tensiones de polarización apropiadas a los varactores.

6. Un sistema de antena de acuerdo con la reivindicación 5, en el que durante la calibración, los elementos se conmutan a un estado de neutralización polarizando los varactores a la relación fase a tensión requerida para conseguir la cancelación de la radiación de los elementos en el medio de alimentación.

7. Un sistema de antena de acuerdo con la reivindicación 5, en el que durante la calibración los elementos se conmutan a un estado de absorción completo polarizándolos hasta resonancia.

8. Un sistema de antena de acuerdo con la reivindicación 7, en el que el punto de resonancia para un elemento aplicando una polarización de modulación con un desfase y variando el desfase hasta que el desplazamiento de fase detectado se minimiza.

9. Un sistema de antena de acuerdo con las reivindicaciones 2 ó 3, que comprende una pluralidad de conjuntos de conmutadores MeM de RF paralelos 18 (1 - N) acoplados a cada elemento (241... 24n) de la red, y en el que el desplazamiento de fase se consigue conectando selectivamente capacitancias localizadas 20 (C1 - CN) a cada elemento (241... 24n) de la red.

10. Un sistema de antena de acuerdo con la reivindicación 9, en el que los conmutadores 18 (1 - N) se accionan por un conjunto de N líneas de control 261... 26N y los valores de las capacitancias 20 (C1 - CN) se seleccionan para conseguir en la región de 360 grados el control de fase de la onda reflejada en 2N etapas discretas.

11. Un sistema de antena de acuerdo con la reivindicación 9 y 10, en el que el más pequeño aumento en la fase se determina por el número de conmutadores N en cada elemento 241... 24n de la red.

12. Un sistema de antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que el conjunto de conmutadores MeM asociados con cada elemento (241... 24n) comprende un conmutador adicional 18 (N + 1) acoplado a una resistencia predeterminada R, y en el que la absorción completa de una onda de RF incidente que afecta a un elemento particular se consigue desconectando el conmutador 18 (N + 1) del conjunto de conmutadores MeM asociado a este elemento.

13. Un sistema de antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en el que el conjunto de conmutadores MeM paralelos se monta directamente sobre la superficie posterior de la estructura de alta impedancia.

14. Un sistema de antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, en el que la estructura de superficie de alta impedancia (16) puede incluirse en la fabricación de MeM para conseguir una antena completamente integrada.

15. Un sistema de antena de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende un elemento de desplazamiento de

fase controlable acoplado a cada elemento de la red.

16. Un sistema de antena de acuerdo con la reivindicación 15, en el que elemento de desplazamiento de fase (361... N / 2) comprende conmutadores de RF MeM (40a, 40b) dispuestos en cualquier extremo de un par de líneas de transmisión de RF de longitud diferente (42a, 42b) , en el que puede conseguirse un desplazamiento de fase predeterminado usando selectivamente líneas de control (381... r) asociadas con el elemento de desplazamiento de fase.

17. Un sistema de antena de acuerdo con la reivindicación 16, en el que el más pequeño aumento en la fase se determina por el número de líneas de control r asociado con el elemento de desplazamiento de fase (361... N / 2) .

18. Un sistema de antena de acuerdo con las reivindicaciones 16 y 17, en el que cada elemento puede conmutarse hasta un estado de absorción completo configurando todos los conmutadores asociados con los elementos conectados durante la calibración.

19. Un procedimiento de calibración de un sistema de antena escaneada, que comprende

(a) transmitir un frente de onda incidente a un panel de redes de antenas y muestrear una onda emergente procedente del panel;

(b) controlar todos, a excepción de un elemento individual de un panel de la red de antenas para conmutar los demás elementos en un estado de absorción completo o un estado de neutralización en el que la onda emergente muestreada de dichos otros elementos se cancela;

(c) modular una tensión de polarización o un desplazamiento de fase aplicado al único elemento que se va a calibrar;

(d) determinar la diferencia de fase entre un frente de onda incidente y el frente de onda emergente del panel de la antena;

(e) calcular los valores estimados para el desfase y el desnivel de las diferencias medidas;

(f) determinar la calibración necesaria para conseguir un desplazamiento de fase predeterminado en base a los valores estimados;

repetir las etapas (a) a (f) para todos los elementos de la red.

20. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 19, en el que el panel es una estructura de superficie de alta impedancia con varactores provistos entre los elementos adyacentes de la red para controlar las frecuencias de resonancia de los elementos, y en el que la etapa (a) comprende aplicar tensiones de polarización a los varactores en base a la tensión de calibración determinada para conseguir la cancelación de su radiación en el medio de alimentación.

21. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 19, en el que el panel es una estructura de superficie de alta impedancia con varactores provistos entre los elementos adyacentes de la red para controlar las frecuencias de resonancia de los elementos, en el que la etapa (a) comprende polarizar los varactores de forma que los elementos de la red estén en resonancia y deban volverse completamente absorbentes.

22. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 19, en el que el panel es una estructura de superficie de alta impedancia con redes de conmutadores MeM de RF acopladas a cada elemento de la red para controlar las frecuencias de resonancia de los elementos, y en el que la etapa (a) comprende desconectar un conmutador adicional acoplado a una resistencia predeterminada R en cada red de conmutadores para conseguir la absorción completa de una onda de RF incidente que afecta a este elemento particular.

23. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 19, en el que el panel es transmisivo y en el que un elemento de desplazamiento de fase implementado en la tecnología MeM se acopla a cada elemento de la red, y en el que la etapa (a) comprende configurar todos los conmutadores asociados a un elemento abierto para conseguir un estado de absorción completo.

24. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 19 a 23, en el que la calibración se realiza repetidamente o se intercala con las formas de onda de radar o de comunicaciones que pasan a través de la antena.