Método y aparato para obtener desempeño de banda ancha en una antena con ranura cónica.

Un aparato (61) para un arreglo de antena (10), que comprende:

un par de elementos de abocinamiento (31, 32) que tiene material eléctricamente conductor que definen una ranura(41) con primeros y segundos extremos;

un elemento eléctricamente conductor (81) que se extiende generalmente de manera transversal a dicha ranura (41)en la región de dicho primer extremo de la misma, y

una porción de balun (93) que comunica con dicho primer extremo de dicha ranura (41), dicha porción de balun (93)tiene una alta impedancia y se configura para suministrar un grado seleccionado de absorción de energíaelectromagnética, en donde la porción de dicho balun (93) incluye una porción resistiva (18) que comprende una omás porciones similares a lámina que se extienden aproximadamente de manera transversal la línea central dedicha ranura (41) y que están espaciadas de dicho primer extremo de dicha ranura, dicha porción resistiva (18) quefacilita dicho grado seleccionado de absorción de energía electromagnética, en donde dicha porción de balun (93)incluye una porción eléctricamente conductora (12, 28, 91) la cual, dentro de un plano que contiene la línea central(51) de dicha ranura (41), se extiende completamente alrededor de dicha porción resistiva (18), excepto donde dichoprimer extremo de dicha ranura (41) comunica con dicha porción de balun (93).

Método y aparato para obtener desempeño de banda ancha en una antena con ranura cónica Campo de la invención Esta invención se relaciona de manera general con antenas con ranura cónica y, más particularmente, con un método y aparato para obtener desempeño de banda ancha en una antena con ranura cónica.

Antecedentes de la invención Durante años recientes, ha habido un incremento en el uso de antenas que incluyen una disposición de elementos de antena, un ejemplo de los cuales es una antena con arreglo de fase. Las antenas de este tipo tienen muchas aplicaciones en mercados comerciales y de defensa, tal como en sistemas de comunicación y radar. En muchas de estas aplicaciones, es deseable el desempeño de banda ancha. A este respecto, algunas de estas antenas se diseñan de tal manera que se pueden conmutar entre dos o más bandas de frecuencia discreta. Así, en cualquier momento dado, la antena está operando en solo una de estas múltiples bandas. Sin embargo, con el fin de lograr una operación de banda ancha real, una antena necesita ser capaz de una operación satisfactoria en una banda de frecuencia amplia única, sin la necesidad de conmutar entre dos o más bandas de frecuencia discreta.

Un tipo de elemento de antena que se ha encontrado que trabaja bien en un arreglo de antena se denomina comúnmente como elemento de antena con ranura cónica. El espaciamiento entre los elementos de antena en un arreglo de antena es inversamente proporcional a la frecuencia a la cual opera la antena, y el elemento de antena con ranura cónica se ajusta confortablemente dentro del espacio disponible para los elementos de antena en muchos de los arreglos de antena que incluyen aquellos que operan a altas frecuencias.

Los elementos de antena con ranura cónica típicamente tienen un ancho de banda de aproximadamente 3:1 o 4:1, aunque algunos diseños muy recientes han logrado un máximo ancho de banda de aproximadamente 10:1, o en otras palabras una década. Aunque estos elementos de antena con ranura cónica existentes se han adecuado de manera general a sus propósitos pretendidos, ellos no han sido satisfactorios en todos los aspectos. A este respecto, existen aplicaciones en las cuales es deseable que el elemento de antena con ranura cónica suministre buen desempeño a través del ancho de banda en el rango de aproximadamente 2 a 4 décadas, o aún más. Los diseños existentes y las técnicas de diseño no han podido suministrar un elemento de antena con ranura cónica que se aproxime a este nivel deseado de desempeño de banda ancha.

Schuneman N; Irion J; Hodges R: “Decide Bandwidth Tapered Notch Antenna Array Element” Procedimientos del Simposio de Aplicaciones de Antenas 2001 describe un elemento de arreglo de antena.

El Documento JP 2002 217617 A describe una guía de ondas que tiene un absorbedor de onda eléctrica sobre la superficie interna de la tarjeta de corto circuito de la guía de onda.

El documento GB 2 281 662 A describe una antena dispuesta para recibir señales de radio de baja intensidad sobre un rango amplio en una banda baja.

El documento US 3 786 372 describe un balun de alta frecuencia de banda ancha conectable entre líneas de transmisión balanceadas y no balanceadas de tal manera que estas líneas son esencialmente colineales.

El documento EP 1 102 349 A describe una antena de banda de móvil interna.

Resumen de la invención De lo anterior, se puede apreciar que surge la necesidad de un aparato que contribuya a un mayor ancho de banda de la actualmente disponible en los elementos de antena preexistentes. Una forma de la presente invención se relaciona con un aparato de acuerdo a la reivindicación 1. El aparato involucra: configurar la porción de balun para tener una alta impedancia; y absorber el grado seleccionado de energía electromagnética en la porción de balun Breve descripción de los dibujos Un mejor entendimiento en la presente invención se efectuará de la descripción detallada que sigue, tomada en conjunto con los dibujos que la acompañan, en los cuales.

La FIGURA 1 es una vista en perspectiva fragmentaria diagramática de un aparato que es parte de un arreglo de antena, y que incorpora los aspectos de la presente invención;

La FIGURA 2 es una vista superior fragmentaria de gramática de parte del arreglo de antena de la FIGURA 1;

La FIGURA 3 es una vista lateral en sección fragmentaria de gramática de una porción del arreglo de antena de la FIGURA 1;

La FIGURA 4 es una vista en perspectiva diagramática de una celda unitaria que es una porción del arreglo de antena de la FIGURA 1;

La FIGURA 5 es un diagrama que muestra una ranura y un balun generalizado que son representantes de las porciones del arreglo de antena de la Figura 1, donde el balun es una condición de carga coincidente ideal;

La FIGURA 6 es una gráfica que muestra el desempeño de eficiencia de transmisión en relación con la frecuencia para una porción de la realización de la FIGURA 1; y

La FIGURA 7 es una gráfica que muestra las características de pérdida de retorno en relación con la frecuencia para la realización de la FIGURA 1.

Descripción detallada La FIGURA 1 es una vista en perspectiva fragmentaria diagramática de un aparato que es parte de un arreglo de antena 10, y que tiene realizaciones de los aspectos de la presente invención. El arreglo de antena 10 en la FIGURA 1 puede tanto transmitir como recibir señales. Por conveniencia y claridad, se presenta la siguiente discusión en el contexto de transmitir señales en lugar de recibir señales. El arreglo de antena 10 incluye una placa de metal conductora que sirve como una capa de plano de tierra 12. En lugar del metal, la capa 12 puede ser alternativamente hecha de cualquier otro material que sea eléctricamente conductor.

Dos capas llenadoras 16 y 17 se suministran por encima de la capa del plano de tierra 12, y son hechas de un material que tiene una constante dieléctrica baja. En la realización descrita, las capas 16 y 17 se hacen de una espuma que se puede obtener comercialmente bajo la marca AIREX de Baltek Corporation de Northvale, New Jersey, como número de catálogo R 82. Sin embargo, seria alternativamente posible utilizar cualquier otro material adecuado. En la realización de la FIGURA 1, la capa de espuma 17 es aproximadamente 2 veces el grueso de la capa de espuma 16. Sin embargo, se podrían utilizar otros grosores.

Una capa o lámina 18 de un material resistivo se suministra entre las capas de espuma 16 y 17, y se orienta paralelo a la capa de plano de tierra 12. En la realización descrita, la lámina resistiva 18 tiene una resistencia aproximadamente 360 ohms por cuadrado y suministra un grado seleccionado de absorción de energía electromagnética, como se discute posteriormente. Un material adecuado para la lámina 18 se puede obtener comercialmente de SV Microwav, Inc. De West Palm Beach, Florida, en la forma de una película de metal recubierto con resistencia sobre dos mil Kapton. Seria alternativamente posible utilizar cualquier otro material adecuado que suministre un grado apropiado de absorción de la energía electromagnética.

En la realización de la FIGURA 1, existe una lámina resistiva única 18 dentro del material de espuma 16-17. Sin embargo, seria alternativamente posible suministra dos o más laminas resistivas dentro del material de espuma. Como un ejemplo, y como se indica diagramáticamente por las líneas punteadas en 19, una segunda lámina resistiva se podría suministrar dentro del material de espuma en una ubicación vertical que está aproximadamente en la mitad de la capa de espuma 17. También, la lámina resistiva 18 es paralela a la capa del plano de tierra 12 en la FIGURA 1, pero sería alternativamente posible utilizar una orientación y/o configuración diferente del material absorbedor de energía en lugar de la lámina 18.

El arreglo de antena 18 tiene una pluralidad de aberturas cilíndricas que se extienden verticalmente a través de las capas de 16-17 en la lámina resistiva 18, y 3 de estas aberturas son visibles en 21, 22 y 23 en la FIGURA 1. Una pluralidad de postes cilíndricos eléctricamente conductores se extiende cada uno verticalmente a través de una respectiva de estas aberturas, y 3 de estos postes son visibles en 26, 27 y 28 en la FIGURA 1. Cada poste tiene su extremo inferior eléctricamente acoplado a la placa de metal que sirve como la capa de plano de tierra 12. Aunque los postes y las aberturas asociadas son cilíndricos en la realización descrita, podrían tener alternativamente alguna otra forma.

El arreglo de antena 10 tiene, por encima de la capa de espuma 17, una pluralidad de elementos de abocinamiento eléctricamente conductores, 3 de los... [Seguir leyendo]

1. Un aparato (61) para un arreglo de antena (10) , que comprende:

un par de elementos de abocinamiento (31, 32) que tiene material eléctricamente conductor que definen una ranura (41) con primeros y segundos extremos;

un elemento eléctricamente conductor (81) que se extiende generalmente de manera transversal a dicha ranura (41) en la región de dicho primer extremo de la misma, y

una porción de balun (93) que comunica con dicho primer extremo de dicha ranura (41) , dicha porción de balun (93) tiene una alta impedancia y se configura para suministrar un grado seleccionado de absorción de energía electromagnética, en donde la porción de dicho balun (93) incluye una porción resistiva (18) que comprende una o más porciones similares a lámina que se extienden aproximadamente de manera transversal la línea central de dicha ranura (41) y que están espaciadas de dicho primer extremo de dicha ranura, dicha porción resistiva (18) que facilita dicho grado seleccionado de absorción de energía electromagnética, en donde dicha porción de balun (93) incluye una porción eléctricamente conductora (12, 28, 91) la cual, dentro de un plano que contiene la línea central

(51) de dicha ranura (41) , se extiende completamente alrededor de dicha porción resistiva (18) , excepto donde dicho primer extremo de dicha ranura (41) comunica con dicha porción de balun (93) .

2. (Corregido) Un aparato de acuerdo con la Reivindicación 1, en donde dicho grado de absorción se selecciona de tal manera que el porcentaje de energía que llega a través de dicho elemento conductor (81) es absorbido dentro de un rango de aproximadamente 5% a 20%.

3. Un aparato de acuerdo con la Reivindicación 2, en donde dicho porcentaje de energía está con un rango de aproximadamente 9% a 15%.

4. Un aparato de acuerdo con la Reivindicación 3, en donde dicho porcentaje de energía es sustancialmente 12%.

5. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 1, en donde dicho grado de absorción se selecciona de tal manera que el porcentaje de energía que llega a través de dicho elemento conductor (81) y hace que viaje a través de dicha ranura (41) hacia dicho segundo extremo del mismo está dentro de un rango de aproximadamente 80% a 95%.

6. Un aparato de acuerdo a Reivindicación 1, en donde dicha porción resistiva (18) incluye una porción similar a lámina que se extiende aproximadamente de manera transversal a la línea central (51) de dicha ranura (41) , y que está espaciada de dicho primer extremo de dicha ranura (41) .

7. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 1, en donde dicha porción resistiva (18) incluye una pluralidad de porciones similares a lámina que se extienden aproximadamente de manera transversal a la línea central (51) de dicha ranura (41) , y que están espaciadas de dicho primer extremo de dicha ranura (41) por las respectivas diferentes distancias.

8. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 1, en donde dicha porción de balun (93) incluye una porción llenadora

(17) hecha de un material con una constante dieléctrica baja.

9. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 8,

en donde dicha porción resistiva (18) incluye una primera porción similar a lámina que se extiende aproximadamente de manera transversal a la línea central (51) de dicha ranura (41) , y que está espaciado de dicho primer extremo de dicha ranura (41) ; y en donde la porción llenadora (17) incluye primeras y segundas secciones que están dispuestas en los lados opuestos de dicha porción similar a lámina.

10. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 8,

en donde dicha porción resistiva (18) incluye primeras y segundas porciones similares a lámina que se extienden cada una aproximadamente de manera transversal a la línea central (51) de dicha ranura (41) , y que están espaciados de dicho primer extremo de dicha ranura (41) por las respectivas diferentes distancias; y

en donde dicha porción llenadora (17) incluye primeras, y segundas y terceras secciones, dicha primera porción similar a lámina está dispuesta entre dicha primera y segundas secciones, y dicha segunda porción similar a lámina está dispuesta entre dichas segundas y terceras secciones.

11. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 8, en donde dicha porción llenadora (17) es transparente para la energía de radio frecuencia.

12. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 1, en donde dicho elemento eléctricamente conductor (81) se extiende desde dicho primer elemento de abocinamiento (31) a través de dicha ranura (41) y se asegura a dicho segundo elemento de abocinamiento (32) .

13. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 1, que comprende:

una pluralidad de elementos de abocinamiento (31, 32, 33) que tienen material eléctricamente conductor que define una pluralidad de ranuras (41, 42) que tiene cada una un primer extremo y un segundo extremo;

una pluralidad de elementos eléctricamente conductores (81, 82) que se extiende cada uno generalmente de manera transversal a una respectiva de dicha ranura (41, 42) en la región de dicho primer extremo de la misma; y

una pluralidad de porciones de balun (93) que comunica cada una con dicho primer extremo de una respectiva de dichas ranuras (41, 42) , cada una de dichas porciones de balun (93) tiene una alta impedancia y se configura para suministrar un grado seleccionado de absorción de energía electromagnética.

14. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 13, en donde dicho grado de absorción se selecciona de tal manera que el porcentaje de energía que llega a través de cada uno de los elementos conductores (81, 82) y se absorbe está dentro de un rango de aproximadamente 5% a 20%.

15. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 14, en donde dicho porcentaje de energía está con un rango de aproximadamente 9% a 15%.

16. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 15, en donde dicho porcentaje de energía es sustancialmente 12%.

17. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 13, en donde cada una de dichas porciones de balun (93) incluye una porción resistida (18) que facilita dicho grado seleccionado de absorción de energía electromagnética.

18. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 17,

en donde dichas ranuras (41, 42) tienen líneas centrales (51, 52) que son todas aproximadamente paralelas la una a la otra; y cada porción resistida (18) incluye una lámina de material resistivo que está espaciado de dicho primer extremo de dicha respectiva ranura (41, 42) que se extiende aproximadamente de manera transversal a las líneas centrales (51, 52) de dichas ranuras (41, 42) , y que tiene una pluralidad de porciones que sirve cada una como dicha porción resistiva (18) de unas de dichas porciones de balun respectivas (93) .

19. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 17,

en donde dichas ranuras (41, 42) tienen líneas centrales (51, 52) que son todas aproximadamente paralelas la una a la otra; y cada porción resistiva (18) incluye una pluralidad de láminas de material resistivo que están espaciadas de dicho primer extremo de dicha respectiva ranura (41, 42) por las respectiva distancias, cada una de las cuales se extiende aproximadamente de manera transversal a la líneas centrales (51, 52) de dichas ranuras (41, 42) , y que tiene cada una, una pluralidad de porciones que sirven como una parte de la porción resistiva (18) de una de dichas pociones de balun respectivas (93) .

20. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 17, en donde cada una de dichas porciones de balun (93) incluye una porción llenadora (17) hecha de un material con una constante dieléctrica baja.

21. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 20,

en donde dichas ranuras (41, 42) tienen líneas centrales (51, 52) que son todas aproximadamente paralelas la una a la otra;

cada porción resistida (18) incluye una lámina de material resistido (18) que está espaciado de dicho primer extremo de dicha ranura respectiva (41, 42) , que se extiende aproximadamente de manera transversal a las líneas centrales (51, 52) de dichas ranuras (41, 42) , y que tienen una pluralidad de porciones que sirve cada una como dicha porción resistiva (18) de una de dichas porciones de balun respectivas (93) ; y

cada porción llenadora (17) incluye primeras y segundas capas que son hechas de dicho material con dicha constante dieléctrica baja y que cada una incluye una pluralidad de secciones que sirve cada una como una parte de dichas respectivas porciones llenadoras (17) de la respectiva porción de dicho balun (93) dicha lámina de material resistivo está dispuesta entre dicha primera y segundas capas.

22. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 20,

en donde dichas ranuras (41, 42) tienen líneas centrales (51, 52) que son todas aproximadamente paralelas la una a la otra;

cada porción resistiva (18) incluye primeras y segundas láminas de material resistivo que están espaciadas de dichos primeros extremos de dicha ranura respectiva (41, 42) por las respectivas diferentes distancias, las cuales se extienden cada una aproximadamente de manera transversal a la línea centrales (51, 52) de dichas ranuras (41, 42) , y que tienen cada una, una pluralidad de porciones que sirve cada una como parte de dicha porción resistiva (18) de una de las respectivas porciones de dicho balun (93) ; y

cada porción llenadora (17) incluye primeras, segundas y terceras capas que son hechas de dicho material con dicha constante dieléctrica baja, y que incluye cada una, una pluralidad de secciones que sirve cada una como una parte de dicha respectiva porción llenadora (17) de una de las respectivas porciones de dicho balun (93) dicha primer lámina está dispuesta entre dicha primera y segundas capas y dicha segunda lámina está dispuesta entre dicha segunda y tercera capas.

23. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 17, que incluye una capa dieléctricamente conductora (12) que se extiende aproximadamente de manera transversal a las líneas centrales (51, 52) de dichas ranuras (41, 42) y que está dispuesta en un lado de dichas porciones de balun (93) remotas de dichas ranuras (41, 42) ; y que incluyen una pluralidad de partes eléctricamente conductoras (28, 91) que están espaciadas una de la otra, que se extienden cada una aproximadamente paralelas a las líneas centrales (51, 52) de dichas ranuras (41, 42) , que están eléctricamente acopladas a dicha capa eléctricamente conductora (12) y al material eléctricamente conductor de dichos elementos de abocinamiento respectivos (31, 32, 33) ;

en donde cada una de dichas porciones de balun (93) incluye porciones de dos de dichas partes (28, 91) y una porción de dicha capa eléctricamente conductora (12) que colectivamente sirve como una porción eléctricamente conductora (12, 28, 91) que, dentro de un plano que contiene la línea central (51, 52) de la ranura asociada (41, 42) , se extiende completamente alrededor de dicha porción resistiva (18) de esa porción de balun (93) , excepto donde dicho primer extremo de la ranura asociada (41, 42) se comunica con la porción de balun (93) .

24. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 23, que incluye una pluralidad de alimentaciones coaxiales (83, 84) que se extienden a través de dichas partes eléctricamente conductoras (28, 91) y que tienen cada una un conductor central con una porción que sirve como una de dichos respectivos elementos eléctricamente conductores (81, 82) .

25. Un aparato de acuerdo a la Reivindicación 17,

en donde cada uno de dicha porción de balun (93) incluye una porción llenadora (17) hecha de un material con una constante dieléctrica baja; que incluye una capa eléctricamente conductora (12) que se extiende aproximadamente de manera transversal a las líneas centrales (51, 52) de dichas ranuras (41, 42) y que está dispuesto al lado de dichas porciones de balun (93) remotas de dichas ranuras (41, 42) ; y que incluye una pluralidad de partes eléctricamente conductoras (28, 91) que están espaciadas la una de la otra, cada una de las cuales se extiende aproximadamente paralela a la línea centrales (51, 52) de dichas ranuras (41, 42) , y que están eléctricamente acopladas a dicha capa eléctricamente conductora (12) y al material eléctricamente conductor de dichos elementos de abocinamiento respectivos (31, 32, 33) ,

en donde cada una de dichas porciones de balun (93) incluye porciones de dos de dichas partes (28, 91) y una porción de dicha capa eléctricamente conductora (12) que sirve colectivamente como una porción eléctricamente conductora (12, 28, 91) que, dentro de un plano que contiene las líneas central (51, 52) de la ranura asociada (41, 42) , se extiende completamente alrededor de dicha porción resistida (18) y dicha porción llenadora (17) de esa porción de balun (93) , excepto en donde dicho primer extremo de la ranura asociada (41, 42) se comunica con esa porción del balun (93) .