Elemento radiante compacto con cavidades resonantes.

Elemento radiante (30) que comprende al menos dos cavidades resonantes (31,

32) concéntricas, formadas por una cavidad inferior (32) alimentada por unos medios de excitación (12, 33), y una cavidad superior (31) apilada sobre la cavidad inferior, encontrándose cada una de dichas cavidades resonantes (31, 32) delimitada en su parte inferior por una placa de masa (310, 320), en su parte lateral por una pared lateral (311, 321), estando al menos la cavidad superior (31) delimitada en su parte superior por una primera tapa (313) esencialmente plana, caracterizándose el elemento radiante (30) porque se forman unas corrugaciones (300) esencialmente de forma cilíndrica y concéntricas de las cavidades resonantes (31, 32) sustancialmente por debajo de la primera placa de masa (310) de la cavidad resonante superior (31).

Elemento radiante compacto con cavidades resonantes La presente invención se refiere al campo de los elementos radiantes, en particular para las bandas de bajas frecuencias, de manera más particular las bandas de frecuencias que se sitúan por debajo de la banda S, y que se emplean en aplicaciones que precisan irradiar potencia, pudiendo utilizarse también en las antenas de una red. Esta de aplica en particular a las antenas que se utilizan en los satélites de telecomunicación.

El término “elemento radiante” designa una combinación de al menos una placa de masa radiante, de unos medios de excitación diseñados para ser suministrados de señales y de una cavidad resonante encargada de irradiar energía representativa de estas señales según una longitud de onda A0 seleccionada.

Los elementos radiantes que se utilizan en las antenas de una red deben presentar tradicionalmente una al menos de las siguientes características: una alta eficiencia de la superficie y/o un reducido volumen y una baja masa y/o la capacidad de excitarse de forma compacta en polarización simple o en bipolarización y/o un ancho de banda compatible con la aplicación considerada.

La característica de alta eficiencia de la superficie es especialmente importante en los usos de elementos radiantes en las antenas de una red, debido a que esta permite optimizar la ganancia y reducir los niveles de los lóbulos secundarios y de los lóbulos de red. Ahora bien, como se explica más adelante, esta característica es difícilmente compatible con algunas de las demás características, y en particular las de compacidad y de integración, sea cual sea la banda de frecuencia concernida.

El término “antena de red” designa tanto las antenas activas de red con radiación directa como las antenas focales de red, presentando estas últimas uno o varios reflector (es) focalizador (es) , con una red de fuentes elementales situada en la zona focal. Dicha geometría de antena se designa habitualmente con las siglas FAFR que corresponden a la terminología inglesa “Focal Array Fed Reflector”. En el interior de dicha antena, cada haz o “spot” se realiza mediante el reagrupamiento coherente de las señales de un sub-conjunto de las fuentes elementales, con unas amplitudes y fases adecuadas para obtener el diagrama de antena deseado, en particular el tamaño y la dirección de enfoque del lóbulo principal de radiación.

En las bandas de bajas frecuencias, como por ejemplo la banda L o S, los elementos radiantes, sean cuales sean las aplicaciones para las cuales están destinadas, pretenden reemplazar las bocinas, demasiado voluminosas. Las bocinas más compactas son del tipo bocina de Potter; tienen una dimensión longitudinal tradicionalmente superior a 3A0, en la que A0 es la longitud de onda en el vacío; por ejemplo, A0 es del orden de 150 mm en la banda S. Estas bocinas de Potter están limitadas en abertura radiante, y por lo tanto en ganancia. Un mayor tamaño precisa unas mayores longitudes de onda. Como consecuencia, las bocinas de Potter presentan un tamaño longitudinal significativo, así como una masa importante.

Las sub-redes, por ejemplo, planares en el caso de aplicaciones espaciales, tampoco son satisfactorias, en términos de pérdidas y de compatibilidad con operaciones a alta potencia.

Un primer tipo de sub-red planar consiste en unos elementos radiantes de tipo parche, también designados “patches” según la terminología inglesa, conectados por un repartidor triplaca. Este repartidor es relativamente complejo y difícilmente permite realizar una sub-red que permita la bipolarización, e incluso un funcionamiento de banda dual. Las pérdidas que se generan en esta red también pueden ser significativas.

Un segundo tipo de sub-red, en particular descrito en la solicitud de patente francesa publicada con la referencia FR 2767970, consiste en la combinación de un resonador excitador de tipo parche y de parches parásitos que constituyen unos elementos radiantes conocidos por las siglas ERDV, por “Elemento Radiante de Dirección Variable”. Este segundo tipo permite prescindir del repartidor y, por lo tanto, simplificar notablemente su definición, así como repolarizar circularmente los campos cuando los parches, o “patches”, están achaflanados y la polarización es circular. Pero, su implementación para las aberturas superiores a 1, 5 veces la longitud nominal de onda de funcionamiento es complicada. Este concepto se basa, además, en una tecnología de tipo microcinta que puede no ser compatible con las altas potencias.

Se ha propuesto una simplificación para las sub-redes del segundo tipo. Esta consiste en sustituir, por una parte, los parches parásitos por una rejilla metálica que realiza una interfaz semi-reflectante que facilita el establecimiento del campo electromagnético dentro de la cavidad, y, por otra parte, el parche excitador por un excitador guiado, de tal modo que defina una cavidad de tipo Fabr y -Pérot, como en el caso de un ERDV. El elemento radiante es entonces completamente metálico, compatible con las aplicaciones que precisan una alta potencia, mucho más simple de definir que un elemento ERDV clásico, y permite alcanzar unas aberturas radiantes más grandes que un elemento ERDV clásico. Sin embargo, dicho elemento radiante presenta dos inconvenientes: la obtención de unas aberturas radiantes de grandes dimensiones precisa unas rejillas con altas reflectividades, para que el campo electromagnético se establezca dentro de la cavidad de tipo Fabr y -Pérot. El uso de estas altas reflectividades genera un retorno importante de la señal hacia la guía de acceso, y la adaptación del elemento radiante es muy delicada y válida únicamente en una banda de frecuencia muy estrecha. Por otra parte, cuando se precisa una

elevada eficiencia de la superficie, es entonces necesario, para insertar el elemento radiante en una antena de red, restringir la expansión del campo electromagnético dentro de la cavidad, por medio de unas paredes metálicas. Estas últimas inducen una distribución no uniforme del campo dentro de la cavidad metálica. Por supuesto, el uso de rejillas de paso variable permite mejorar la distribución del campo provocando una mayor reflexión en el centro que en la periferia, pero entonces la estructura completa se vuelve muy difícil de adaptar.

En la solicitud de patente francesa publicada con la referencia FR 2901062 se ha propuesto una solución. Una de las formas de realización que se presenta, descrita a continuación de forma detallada en referencia a la figura 2, comprende un apilamiento de dos cavidades de aire del tipo Fabr y -Pérot, lo que permite una gran compacidad, confiriendo al mismo tiempo un alto rendimiento de la superficie así como la compatibilidad con las señales de alta potencia. El apilamiento de dos cavidades permite reducir el factor de calidad de la cavidad excitadora, y reducir de este modo los retornos en el acceso, para permitir una mejor adaptación. Sin embargo, dicha estructura conduce a la excitación de modos superiores, en particular generados por la discontinuidad presente en la interfaz de las dos cavidades apiladas. Estos modos superiores alteran el diagrama de radiación de la antena. La mencionada solicitud de patente FR 2901062 propone resolver este problema mediante el uso de paredes laterales para las cavidades, en el interior de las cuales se realizan unos relieves adecuados. Los relieves se pueden realizar, por ejemplo, en forma de unas corrugaciones longitudinales. No obstante, estas corrugaciones son difíciles de realizar, y son relativamente voluminosas. Por otra parte, en la práctica puede resultar necesario cargar estas corrugaciones con un dieléctrico, lo que hace que su realización sea más complicada, y puede generar problemas en un entorno espacial, o en el cual es necesario tratar unas señales de gran potencia.

Por último, es preciso asociar a los elementos radiantes de antenas unos dispositivos de polarización. Por ejemplo, los elementos radiantes deben poder excitarse en polarización simple y/o en bipolarización y/o en polarización circular. De una manera tradicional, en las antenas que comprenden elementos radiantes de tipo bocina, el tamaño del polarizador es del mismo orden de magnitud que el tamaño de la bocina. De este modo, el volumen de las antenas se ve muy directamente afectado por la adición de polarizadores.

Un objeto de la presente invención es resolver al menos los inconvenientes expuestos, proponiendo un elemento radiante con cavidades resonantes con un alto rendimiento de la superficie, cuya estructura es especialmente compacta, y aporta un compromiso óptimo entre una alta eficiencia de la superficie, un reducido... [Seguir leyendo]

1. Elemento radiante (30) que comprende al menos dos cavidades resonantes (31, 32) concéntricas, formadas por una cavidad inferior (32) alimentada por unos medios de excitación (12, 33) , y una cavidad superior (31) apilada sobre la cavidad inferior, encontrándose cada una de dichas cavidades resonantes (31, 32) delimitada en su parte inferior por una placa de masa (310, 320) , en su parte lateral por una pared lateral (311, 321) , estando al menos la cavidad superior (31) delimitada en su parte superior por una primera tapa (313) esencialmente plana, caracterizándose el elemento radiante (30) porque se forman unas corrugaciones (300) esencialmente de forma cilíndrica y concéntricas de las cavidades resonantes (31, 32) sustancialmente por debajo de la primera placa de masa (310) de la cavidad resonante superior (31) .

2. Elemento radiante (30) según la reivindicación 1, caracterizado porque la pared lateral (311, 321) tiene una forma esencialmente cilíndrica.

3. Elemento radiante (30) según la reivindicación 1, caracterizado porque la pared lateral (311, 321) tiene una forma esencialmente cónica.

4. Elemento radiante (30) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la cavidad inferior (32) también está delimitada en su parte superior, sustancialmente a la altura de la parte inferior de la cavidad superior, por una segunda tapa (323) .

5. Elemento radiante (30) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los planos de masa (310, 320) , las tapas (313, 323) , las paredes laterales (311, 321) y las corrugaciones (300) se fabrican esencialmente en un material metálico.

6. Elemento radiante (30) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las tapas (313, 323) están formadas por una superficie parcialmente reflectante.

7. Elemento radiante (30) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las tapas (313, 323) están formadas por una rejilla metálica.

8. Elemento radiante (30) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las tapas (313, 323) están formadas por un material dieléctrico.

9. Elemento radiante (30, 50) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se realiza un radomo polarizador (51) en la parte superior de la cavidad superior (31) .

10. Elemento radiante (30, 50) según la reivindicación 9, caracterizado porque el radomo polarizador (51) está formado por dos superficies selectivas de frecuencia polarizadoras denominadas FSS polarizadoras (511, 512) esencialmente planas, dispuestas paralelas entre sí, y de forma paralela y sustancialmente por encima de dicha primera tapa (313) .

11. Elemento radiante (30, 50) según la reivindicación 10, caracterizado porque cada FSS polarizadora (511, 512) está formada por una placa metálica que comprende una multitud de ranuras.

12. Elemento radiante (30, 50) según la reivindicación 10, caracterizado porque cada FSS polarizadora (511, 512) está formada por una placa metálica que comprende una multitud de celdas con ranuras en forma de cruz (520) .

13. Elemento radiante (30, 50) según la reivindicación 10, caracterizado porque cada FSS polarizadora (511, 512) está formada por una placa metálica que comprende una multitud de celdas con ranuras en forma de cruz (520) dispuestas según un motivo periódico sobre la superficie de la placa metálica.

14. Elemento radiante (30, 50) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2 o 4 a 13, caracterizado porque las paredes laterales (311, 321) y las corrugaciones (300) son cilíndricas de sección circular.

15. Elemento radiante (30, 50) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos medios de excitación (12, 33) comprenden al menos una guía de alimentación (33) concéntrica de las cavidades resonantes (31, 32) y que desemboca directamente, o a través de unos medios de adaptación, dentro de la cavidad inferior (32) .

16. Elemento radiante (30, 50) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque dichos medios de excitación (12, 33) comprenden al menos una doble fuente de alimentación formada por dos guías de ondas laterales que desembocan de manera simétrica con respecto al eje principal de la cavidad inferior (32) , sustancialmente a la altura de la pared lateral (321) de la cavidad inferior (32) , estando las señales transmitidas por los medios de excitación sintonizadas en fase de tal modo que se filtren los modos superiores no deseados.

17. Elemento radiante (30, 50) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque dichos medios de excitación (12, 33) comprenden al menos una guía de alimentación (33) concéntrica de las cavidades resonantes (31, 32) y que desemboca directamente, o a través de unos medios de adaptación, dentro de la cavidad

inferior (32) , y al menos una fuente de alimentación doble formada por dos guías de ondas laterales que desembocan de manera simétrica con respecto al eje principal de la cavidad inferior (32) , sustancialmente a la altura de la pared lateral (321) de la cavidad inferior (32) , estando las señales transmitidas por los medios de excitación sintonizadas en fase de tal modo que se filtren los modos superiores no deseados.

18. Elemento radiante (30, 60) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se realiza un radomo polarizador (61) por encima de la cavidad superior (31) , presentando el radomo polarizador (61) sustancialmente una forma cilíndrica y concéntrica de las cavidades resonantes (31, 32) .

19. Elemento radiante (30, 60) según la reivindicación 18, caracterizado porque dicho radomo polarizador (61) presenta esencialmente una forma cilíndrica de sección cuadrada.

20. Antena de red caracterizada porque comprende un o una multitud de elementos radiantes (30, 50, 60) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.