Sistema de antena de banda ancha para comunicaciones por satélite.

Antena para comunicaciones por satélite de banda ancha, en particular para aplicaciones móviles,

compuesta porun conjunto de antenas de bocina primarias (1) que se encuentran conectadas la una a la otra a través de una redde alimentación por guías de ondas (2), donde la antena se compone de un número N≥N1 x N2 de antenas de bocinaprimarias, donde N1 y N2 son números enteros pares, caracterizada porque N1 >4 N2, para toda la superficie deabertura A de la antena A≥L x H, donde L≤ 4 H y L< N1 λ, donde λ indica la longitud de onda mínima del espaciolibre de la onda electromagnética a ser transmitida o recibida, las antenas de bocina primarias posibilitan de modo talla recepción y la transmisión de dos ondas electromagnéticas ortogonales linealmente polarizadas, que éstasdisponen de una superficie de abertura rectangular a ≥ 1 x h, donde 1< h y 1< λ y de una salida (3)aproximadamente cuadrática, donde L ≥ N1 l, H ≥ N2 h, y A ≥ N1 x N2 x l x h ≥ L x H, y las antenas de bocinaprimarias (1) son alimentadas de modo tal directamente en su salida a través de guías de ondas (4, 5) rectangulares,que una de las polarizaciones lineales ortogonales es suministrada y conducida de forma paralela con respecto a lasuperficie de abertura y la otra de las polarizaciones lineales ortogonales es suministrada y conducida en un planode forma perpendicular con respecto a la superficie de abertura mediante una guía de ondas tabicada (6), lasbocinas de las antenas de bocina primarias se encuentran aplanadas y, paralelamente a la superficie de aberturapresentan una longitud 1H< 1,5 λ, la red de alimentación por guías de ondas (2) se compone de una red dealimentación para una de las dos polarizaciones lineales ortogonales y de otra red de alimentación separada de laprimera para la otra de las dos polarizaciones lineales ortogonales, cada una de las dos redes de alimentación seencuentra constituida como un árbol binario con divisores de potencia E y H binarios (7, 8), de manera que elrespectivo último divisor de potencia en el nivel más bajo del árbol binario reúna las potencias de dos semi aberturascon respectivamente N/2 antenas de bocina primarias para cada una de las dos polarizaciones ortogonales, deforma separada y asimétrica, la configuración de la abertura de la antena sigue en cada caso aproximadamente larelación

Sistema de antena de banda ancha para comunicaciones por satélite La presente invención hace referencia a un sistema de antena de banda ancha para las comunicaciones entre portadoras móviles y satélites, en particular para aplicaciones aeronáuticas.

La necesidad de canales de banda ancha inalámbricos para la transmisión de datos con tasas de bits muy elevadas aumenta permanentemente, en particular en el ámbito de las comunicaciones por satélite. Sin embargo, especialmente en el ámbito aeronáutico, hacen falta antenas adecuadas que en particular puedan cumplir con los requisitos exigidos para la utilización móvil, como por ejemplo dimensiones y peso reducidos. Para las comunicaciones direccionales inalámbricas de datos a través de satélites (por ejemplo en banda Ku o banda Ka) existen además exigencias extremas en cuanto a las características de transmisión de los sistemas de antenas, ya que una interferencia de los satélites contiguos debe evitarse de forma fiable.

El peso y el tamaño del sistema de antenas son de gran importancia para las aplicaciones aeronáuticas, puesto que dicho sistema reduce la carga útil del avión y ocasiona costes operativos adicionales.

Por tanto, el problema reside en el hecho de proporcionar sistemas de antenas lo más pequeños y livianos posible, los cuales sin embargo durante su funcionamiento cumplan con las exigencias regulatorias para los modos de transmisión y de recepción.

Las exigencias regulatorias para el modo de transmisión resultan por ejemplo de las normas CFR 25.209, CFR 25.222, ITU-R M. 1643 ó ETSI EN 302 186. Todos estos reglamentos regulatorios deben asegurar que no pueda producirse ninguna interferencia a satélites próximos en el modo de transmisión direccional de una antena satelital móvil. Para ello se definen por lo general envolventes (curvas envolventes) de una densidad de potencia espectral máxima en función del ángulo de distancia con respecto a los satélites de destino. Durante el modo de transmisión del sistema de antenas no deben sobrepasarse los valores predefinidos para un ángulo de distancia determinado. Esto implica exigencias estrictas en cuanto a las características de la antena que dependen del ángulo. La exigencia de CFR 22.209 en cuanto a la ganancia de la antena dependiente del ángulo en la banda Ku, en la dirección del azimut (tangencial a la órbita de Clarke) , se representa a modo de ejemplo en la figura 5a (curva marcada en negrita) . Con un ángulo de distancia creciente con respecto a los satélites de destino, la ganancia de la antena debe decrecer en gran medida. Esto puede lograrse físicamente sólo a través de configuraciones de amplitudes y de fases de la antena muy homogéneas. Por lo general se emplean por lo tanto antenas parabólicas que presentan estas propiedades. Las antenas de esa clase, sin embargo, no son adecuadas para la utilización móvil, en particular en aviones. Para reducir la resistencia del aire se utilizan aquí aberturas de la antena rectangulares o casi rectangulares que presentan una relación de aspecto de ancho por altura de a lo sumo 1:4. Puesto que los reflectores parabólicos sólo poseen una efectividad muy reducida, en esas relaciones de aspecto se consideran preferentemente los conjuntos de antenas para estas aplicaciones, por ejemplo en aviones o automóviles.

No obstante, en el caso de los conjuntos de antenas se presenta el problema conocido de los así llamados quot;grating lobesquot; (lóbulos reticulados) . Los grating lobes son lóbulos laterales parásitos que se originan debido a que los centros de los haces de los elementos de la antena que forman el conjunto de la antena, condicionados por la construcción, deben presentar una determinada distancia uno con respecto al otro. En el caso de determinados ángulos de los haces, esto conduce a una interferencia positiva de los radiadores de la antena y, con ello, a una radiación no deseada de potencia electromagnética en áreas angulares no deseadas. En la teoría de conjuntos de antenas bidimensionales (por ejemplo de J. D. Kraus y R. J. Marhefka, quot;Antennas: for all applicationsquot; (Antenas: para todas las aplicaciones) , 3era edición, Series McGraw-Hill de ingeniería eléctrica, 2002) se demuestra que sólo se producen grating lobes parasitarios significativos cuando los centros de los haces del conjunto de antenas se encuentran distanciados unos de otros en menos de una longitud de onda de la longitud de onda útil.

Debido a que los conjuntos de antenas deben disponer de una red de alimentación, se presenta el problema práctico de encontrar topologías de red y de conjunto de antenas que, por una parte, cumplan con los requerimientos antes mencionados en cuanto a la distancia máxima de los centros de los haces y, por otra parte, necesiten tan poco espacio de construcción como sea posible. Además, las redes de alimentación sólo pueden ser mínimamente disipativas para poder alcanzar una elevada eficiencia de la antena y, con ello, un tamaño mínimo de la antena.

En las comunicaciones por satélite direccionales se utilizan por lo general además dos polarizaciones independientes de la señal para aumentar la tasa de bits. Por lo tanto, el sistema de antenas debe estar en condiciones de procesar dos polarizaciones independientes de forma simultánea. Tanto en el modo de transmisión como en el modo de recepción se requiere una elevada separación de polarización para que no se produzca una mezcla y, con ello, una disminución de la eficiencia. Para el modo de transmisión existen además exigencias regulatorias estrictas en cuanto a la separación de la polarización para que no pueda producirse ninguna interferencia de los retransmisores ortogonales contiguos (véase por ejemplo CFR 25.209 ó 25.222) . Para los conjuntos de antenas, por tanto, debe garantizarse en primer lugar que los elementos primarios de los radiadores dispongan de un buen mantenimiento y de una buena separación de la polarización y, en segundo lugar, que en las redes de alimentación no se produzca ninguna mezcla no deseada de las polarizaciones ortogonales.

El desacoplamiento de polarización requerido en las señales polarizadas es muy exigente para el sistema de antenas, en especial en el caso de las aplicaciones aeronáuticas. Puesto que los sistemas de esa clase por lo 5 general se colocan en el fuselaje y disponen de un posicionador de dos ejes, la abertura de la antena se sitúa con su eje azimutal siempre en el plano del avión. El plano del avión es por lo general un plano tangencial con respecto a la superficie terrestre. Si la posición del avión y la posición del satélite no se encuentran en la misma longitud geográfica, entonces la abertura de la antena, cuando se encuentra orientada hacia los satélites, rota siempre alrededor de un ángulo determinado que depende de la longitud geográfica, frente al plano de la órbita de Clarke. Esta así llamada inclinación geográfica, en el caso de aplicaciones móviles, no puede ser compensada por una rotación de la antena alrededor de un eje que se sitúa perpendicularmente con respecto al plano de abertura, tal como es posible en el caso de antenas terrestres estacionarias. De este modo, un sistema de antenas aeronáutico, a pesar de las longitudes que en principio son desfavorables en cuanto a las proporciones dimensionales, debe también poder cumplir con las exigencias regulatorias en caso de presentarse una inclinación geográfica de hasta un ángulo de rotación determinado de por lo general unos 635º.

A este respecto, para antenas satelitales móviles, en especial aeronáuticas, se presentan los siguientes problemas que deben ser resueltos de forma simultánea:

1. una dimensión posible mínima para cumplir con las exigencias regulatorias,

2. una eficiencia máxima de la antena con un peso mínimo,

3. un gran ancho de banda para cubrir la banda de recepción y la banda de transmisión (por ejemplo para el funcionamiento con banda Ku: 10, 7-12, 75 GHz y 13, 75-14, 5 GHz) ,

4. muy buenas características en cuanto al direccionamiento,

5. una elevada separación de polarización,

6. una compensación de la inclinación geográfica a través del seguimiento de los planos de polarización en el caso 25 de señales polarizadas.

Estado del arte:

Es conocido el hecho de que las antenas que se encuentran diseñadas como conjuntos de antenas de bocina cuentan con una eficiencia elevada. Si los conjuntos de antenas de bocina son alimentados a través de una red de guía de ondas, entonces la atenuación de las ondas electromagnéticas a través de redes de esa clase puede ser muy reducida. Un conjunto de esa clase se sugiere por ejemplo en la especificación de patente US 5243357. Sin embargo, en este documento se... [Seguir leyendo]

1. Antena para comunicaciones por satélite de banda ancha, en particular para aplicaciones móviles, compuesta por un conjunto de antenas de bocina primarias (1) que se encuentran conectadas la una a la otra a través de una red de alimentación por guías de ondas (2) , donde la antena se compone de un número N=N1 x N2 de antenas de bocina 5 primarias, donde N1 y N2 son números enteros pares, caracterizada porque N1 gt; 4 N2, para toda la superficie de abertura A de la antena A=L x H, donde L 4 HY L lt; N1 A, donde A indica la longitud de onda mínima del espacio libre de la onda electromagnética a ser transmitida o recibida, las antenas de bocina primarias posibilitan de modo tal la recepción y la transmisión de dos ondas electromagnéticas ortogonales linealmente polarizadas, que éstas disponen de una superficie de abertura rectangular a = 1 x h, donde 1 lt; h y 1 lt; A y de una salida (3) aproximadamente cuadrática, donde L = N1 l, H = N2 h, y A = N1 x N2 x l x h = L x H, y las antenas de bocina primarias (1) son alimentadas de modo tal directamente en su salida a través de guías de ondas (4, 5) rectangulares, que una de las polarizaciones lineales ortogonales es suministrada y conducida de forma paralela con respecto a la superficie de abertura y la otra de las polarizaciones lineales ortogonales es suministrada y conducida en un plano de forma perpendicular con respecto a la superficie de abertura mediante una guía de ondas tabicada (6) , las bocinas de las antenas de bocina primarias se encuentran aplanadas y, paralelamente a la superficie de abertura presentan una longitud 1H lt; 1, 5 A, la red de alimentación por guías de ondas (2) se compone de una red de alimentación para una de las dos polarizaciones lineales ortogonales y de otra red de alimentación separada de la primera para la otra de las dos polarizaciones lineales ortogonales, cada una de las dos redes de alimentación se encuentra constituida como un árbol binario con divisores de potencia E y H binarios (7, 8) , de manera que el respectivo último divisor de potencia en el nivel más bajo del árbol binario reúna las potencias de dos semi aberturas con respectivamente N/2 antenas de bocina primarias para cada una de las dos polarizaciones ortogonales, de forma separada y asimétrica, la configuración de la abertura de la antena sigue en cada caso aproximadamente la relación donde k y m son números enteros y 2k+m= N1, y las potencias p i, j, i=1.. N1, j=1.. N2 indican las contribuciones de potencia de las antenas de bocina primarias individuales, la configuración de la abertura a través de divisores de potencia E y H binarios (7, 8) se encuentra realizada en cada una de las dos redes de alimentación para cada una de las polarizaciones ortogonales, y toda la superficie de abertura se encuentra cubierta por una rejilla de igualación de fases (9) , donde las mallas (10) de la rejilla de igualación de fases (9) presentan una dimensión cuadrática con longitudes del borde b y en cada caso aproximadamente b = 1, h = 2 b y b lt; A, de manera que en la dirección N1 los travesaños de la rejilla se sitúan sobre los rebordes de dos antenas de bocina (1) contiguas y en la dirección N2 del travesaño de la rejilla se encuentran en cada caso aproximadamente de forma precisa en el centro de la superficie de abertura de las antenas de bocina (1) individuales.

2. Dispositivo conforme a la reivindicación 1, caracterizado porque la configuración de la abertura de la antena sigue 35 en cada caso aproximadamente la relación

donde k y n son número enteros y mº 2 k, 2k+m=N1 y en cada caso aproximadamente es válido pi, j = p2k+m+1-ij para i=1.. N1/2, y las potencias pi, j, i=1.. N1, j=1.. N2 indican las contribuciones de potencia de las antenas de bocina primarias individuales.

3. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la salida de la red de alimentación de cada una de las dos polarizaciones ortogonales, respectivamente a través de una guía de ondas (11) , se encuentra conectada a un diplexor de frecuencia de la guía de ondas (12) que separa la banda de frecuencia de transmisión de la banda de la frecuencia de recepción, y la salida (13) de la banda de frecuencia de recepción de ambos diplexores de frecuencia de la guía de ondas (12) se encuentra conectada respectivamente a 45 un amplificador de bajo nivel de ruido (14) .

4. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las dos señales ortogonales linealmente polarizadas que se sitúan en ambas salidas de las redes de alimentación y/o en las salidas del diplexor de frecuencia de la guía de ondas (12) y/o en las salidas del amplificador de bajo nivel de ruido (14) son alimentadas ortogonalmente en uno o varios módulos de la guía de ondas, los cuales se componen de dos piezas de la guía de ondas (15, 16) que se encuentran conectadas la una a la otra a lo largo de su eje, las cuales pueden ser rotadas una contra la otra alrededor del eje (17) de la guía de ondas a través de un accionamiento por motor, de manera que en el lado (21) de los módulos de la guía de ondas que se encuentra situado de forma opuesta a los puntos de

alimentación (20) señales rotadas linealmente polarizadas pueden ser desacopladas en su polarización con respecto a las señales ortogonales linealmente polarizadas suministradas, de manera que la polarización de las ondas incidentes puede reconstruirse o la polarización de las ondas a ser transmitidas puede ser controlada.

5. Dispositivo conforme a la reivindicación 4, caracterizado porque la antena se encuentra equipada con un módulo de la guía de ondas para el seguimiento de la polarización para la banda de transmisión y un módulo de la guía de ondas separado de éste para el seguimiento de la polarización para la banda de recepción.

6. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las dos señales ortogonales linealmente polarizadas que se sitúan en ambas salidas de las redes de alimentación (2) y/o en las salidas del diplexor de frecuencia de la guía de ondas (12) y/o en las salidas del amplificador de bajo nivel de ruido (14) son convertidas por uno o varios acopladores híbridos de 90º en señales circularmente polarizadas ortogonales, de manera que a través de la antena pueden también transmitirse y/o recibirse señales circularmente polarizadas.

7. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la antena se encuentra colocada sobre un eje de elevación (23) de un posicionador de dos ejes, y los módulos de la guía de ondas (15, 16) conforme a la reivindicación 4 y/o los acopladores híbridos de 90º conforme a la reivindicación 5, se encuentran colocados sobre la plataforma azimutal del posicionador, y la antena y los módulos de la guía de ondas (15, 16) y/o los acopladores híbridos de 90º se encuentran conectados los unos a los otros mediante cables flexibles de alta frecuencia.

8. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones precedentes, en particular para aplicaciones aeronáuticas, caracterizado porque todos o una parte de los componentes de la antena se encuentran completa o parcialmente plateados o cobreados, todos o una parte de los componentes se encuentran soldados con estaño, y/o soldados y/o adheridos los unos a los otros, la antena, exceptuando la superficie de abertura, se encuentra provista desde el exterior completa o parcialmente de una capa protectora para evitar la penetración de humedad, y en el plano entre las bocinas primarias (1) y la rejilla de igualación de fases (9) o en el plano de las salidas (3) de las bocinas, se encuentra colocada una película impermeable que impide la penetración de humedad en las bocinas primarias y en la red de alimentación de las guías de ondas.

9. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el último divisor de potencia de la guía de ondas de cada una de las dos redes de alimentación (4, 5) que reúne las señales de ambas semi aberturas respectivamente con N/2 antenas de bocina (1) se encuentra diseñado como un divisor combinado E y H (30) , de manera que en estos cuatro puertos de la guía de ondas se encuentran tanto la señal de suma (31) de ambas semi aberturas simétricas como la señal de diferenciación (32) de ambas semi aberturas simétricas y para cada una de las dos polarizaciones ortogonales pueden ser derivadas de forma separada tanto la señal de suma como la señal de diferenciación.

10. Dispositivo conforme a la reivindicación 9, caracterizado porque el puerto de diferenciación (32) del divisor combinado E y H se encuentra equipado con un filtro de bloqueo de la banda de transmisión que impide la penetración de señales de transmisión en la ramificación de diferenciación y el puerto de diferenciación (32) se encuentra conectado a un amplificador de bajo nivel de ruido a través del filtro de bloqueo de la banda de transmisión.

11. Dispositivo conforme a la reivindicación 9, en particular para aplicaciones móviles, caracterizado porque las señales de diferenciación y/o una parte de las señales de suma de ambas semi aberturas simétricas son transmitidas a una unidad electrónica de procesamiento que evalúa la intensidad y/o la posición de fase de las señales de diferenciación y/o de las señales de suma y las transmite a la unidad electrónica de control del posicionador de la antena, de manera que la unidad electrónica de control puede hacer un seguimiento de la antena de modo tal que la señal de diferenciación sea mínima, manteniendo la antena orientada hacia los satélites de destino cuando el soporte de la antena se desplaza relativamente hacia los satélites de destino.

12. Dispositivo conforme a la reivindicación 11, caracterizado porque la unidad electrónica de procesamiento para las señales de diferenciación y/o las señales de suma comprende uno o varios mezcladores de frecuencia y/o uno o varios mezcladores de frecuencia variables controlables mediante los cuales la señal de diferenciación o una parte de la señal de diferenciación y/o la señal de suma o una parte de la señal de suma pueden ser convertidas en una banda de base definida y ser procesadas allí.

13. Dispositivo conforme a la reivindicación 12, caracterizado porque la intensidad de la señal de diferenciación y/o de la señal de suma en la banda base es medida con un circuito electrónico apropiado y es transferida a la unidad electrónica de control del posicionador de la antena.

14. Dispositivo conforme a la reivindicación 12, caracterizado porque la señal de diferenciación y/o la señal de suma en la banda base es digitalizada con un convertidor analógico digital y es transmitida a un procesador que dispone

de métodos apropiados de evaluación para determinar la intensidad y/o la posición de fase de la señal de diferenciación y/o de la señal de suma, y que transfiere esta información a la unidad electrónica de control del posicionador de la antena.

15. Dispositivo conforme a la reivindicación 14, en particular para aplicaciones aeronáuticas, caracterizado porque el procesador dispone de un método de evaluación mediante el cual es posible compensar el desplazamiento de Doppler de la señal de diferenciación y/o de la señal de suma que se produce en el caso de desplazamientos rápidos del soporte de la antena.

16. Dispositivo conforme a la reivindicación 9, caracterizado porque una rotación de polarización, condicionada por la posición espacial del soporte de la antena, de la señal de diferenciación y/o de la señal de suma de ambas semi aberturas, puede ser compensada por uno o varios módulos de la guía de ondas conforme a la reivindicación 4, o debido a que el procesador de la unidad electrónica de procesamiento dispone de un método de evaluación apropiado.

17. Dispositivo conforme a la reivindicación 14, caracterizado porque el método de evaluación del procesador consiste en multiplicar dos o más valores sucesivos de la amplitud de la señal de diferenciación de la banda de base y en sumar estos productos en un tiempo determinado Lt para formar una suma S1, multiplicando respectivamente dos o más valores sucesivos de la amplitud de la señal de suma de la banda de base y sumando estos productos en un tiempo determinado Lt para formar una suma S2, formando el cociente S1/ S2 y/u otra función adecuada f (S1, S2) después de la expiración del período de tiempo Lt, comparando el valor así obtenido de acuerdo con el método de la distancia más reducida o de otro método apropiado con el de la curva estándar fN (8, S1, S2) conocido por la medición de calibración o cálculo, determinando de este modo el valor del ángulo de desviación 8 y transmitiéndolo a la unidad electrónica de control del posicionador de la antena.

18. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque hasta en total N1/2 antenas de bocina primarias que se sitúan en el borde de la abertura no se encuentran implementadas de forma física, o en su perfil se encuentran realizadas de forma modificada o reducida, las celdas asociadas de la rejilla de igualación de fases se encuentran modificadas correspondientemente de modo tal, que los bordes de las celdas se encuentran a su vez situados sobre los bordes de las antenas de bocina primarias (1) , la configuración de la abertura conforme a la invención de acuerdo con la reivindicación 1 ó la reivindicación 2 se encuentra realizada sólo para líneas completas del conjunto de antenas de bocina primarias (1) que contienen N1 antenas de bocina primarias (1) , y la estructura de árbol binaria de ambas redes de alimentación (4, 5) se encuentra ajustada de forma apropiada en caso de que se presenten fallas de antenas de bocina primarias.