Red de formación de un haz de antena de volumen reducido para una matriz de antenas circular o troncocónica.

Red (600, 802) de formación de un haz para una matriz de antenas que comprende una pluralidad de elementos (631,

632, 633, 634) superpuestos que comprende cada uno una red (601, 802, 71, 40) de acopladores en cruz que comprende dos grupos opuestos de un número K de entradas ((E1, E2), (E3, E4)) emparejadas y dos grupos opuestos de un número K de salidas ((S1, S2), (S3, S4)) emparejadas, un número, igual al número de entradas ((E1, E2), (E3, E4)), de guías de onda (621, 622, 623, 624) de entrada, de longitudes iguales entre ellas, unidas en un extremo a dichas entradas (E1, E2, E3, E4) de la red (601, 802, 71) de acopladores y destinadas a recibir, en sus extremos opuestos libres, una señal de alimentación y un número, igual al número de salidas ((S1, S2), (S3, S4)), de guías de onda (611, 612, 613, 614) de salida de longitudes iguales entre ellas, unidas en un extremo a dichas salidas (S1, S2, S3, S4) de la red (601, 802, 71) de acopladores y destinadas a estar unidas, en sus extremos opuestos libres, a los elementos radiantes de dicha matriz de antenas para alimentarlas, estando configuradas las longitudes (A1, B1) de dichas guías de onda de cada elemento (631, 632, 633, 634) de manera que el camino eléctrico recorrido por una onda entre un extremo libre de una guía de onda de entrada unida a una entrada (E1, E2, E3, E4) dada y un extremo libre de una guía de onda de salida unido a una salida (S1, S2, S3, S4) dada es constante para todos los elementos (631, 632, 633, 634), caracterizada porque las guías de onda de entrada y de salida son rígidas, y porque cada red (601) de acopladores de un elemento (631) está girada en un ángulo predeterminado con relación a la red (602) de acopladores del elemento (632) inmediatamente inferior.

Red de formación de un haz de antena de volumen reducido para una matriz de antenas circular o troncocónica La presente invención tiene por objeto una red de formación de un haz de antena de reducido volumen para una matriz de antenas circular o troncocónica así como un dispositivo de antena que comprenda una red de ese tipo.

El campo de la invención es el de las matrices de antenas, particularmente para antenas de satélites en la banda Ka, pero igualmente el de los dispositivos que permitan la formación de un haz de antena mediante el envío de la señal apropiada hacia los diferentes elementos de la antena de una matriz con el fin de configurar el diagrama de la antena formado por el conjunto de dichos elementos.

Más concretamente, la invención se refiere al campo de los dispositivos de formación un haz en base a redes de acopladores así como a los campos asociados a la tecnología de guías de onda.

La invención es aplicable ventajosamente para la formación un haz de antena troncocónica del tipo descrito en la solicitud de patente europea del solicitante publicada bajo el número EP0512487 y que se dirige a una antena de lóbulo desarrollado y de gran ganancia. El contenido de esta solicitud anterior se incorpora por referencia en la presente solicitud.

La invención sin embargo no está limitada a una utilización para unas antenas troncocónicas, puede aplicarse igualmente para cualquier matriz de antenas cuyos puntos de acceso a las alimentaciones de los elementos de la antena estén dispuestos sobre la circunferencia de un círculo.

La solicitud de patente europea EP0512487 describe una antena troncocónica, utilizable para la transmisión de datos entre un satélite y una estación de tierra, cuyas características principales se representan en la figura 1. Una antena de ese tipo comprende una matriz conformada 10 dispuesta sobre una superficie conformada 11 que tiene un eje de revolución y un perfil troncocónico. La matriz 10 consiste en fuentes o elementos radiantes 13 dispuestos a lo largo de generatrices 12 de la superficie conformada 11 troncocónica. El conjunto de las fuentes radiantes 13 de una misma generatriz constituye una submatriz. La red comprende además, para cada generatriz, un desfasador 14 y un repartidor pasivo 15 que dividen la señal en amplitud y en fase entre cada una de las fuentes 13.

La figura 2 esquematiza un ejemplo de realización de la antena descrita en la solicitud de patente antes citada que comprende veinticuatro submatrices 21 constituidas cada una por un intervalo de elementos radiantes (no representados) . Para alimentar cada una de las submatrices, se utilizan varias matrices de Butler 22 de cuatro entradas y cuatro salidas comúnmente denominadas matrices de Butler 4x4. Una matriz de Butler es un dispositivo pasivo, compuesto por acopladores y desfasadores, normalmente utilizado para la formación de haces de antenas. La matriz de Butler 22 se utiliza para alimentar cuatro submatrices de antenas dispuestas a una distancia angular de 90º entre sí como se ilustra en la figura 2. De ese modo, son necesarias seis matrices de Butler para dirigir el conjunto de las veinticuatro submatrices 21.

Las conexiones 23, 24, 25, 26 están realizadas con unos cables coaxiales que permiten respetar varias restricciones técnicas. De entrada, debe respetarse la igual longitud entre el acceso principal de la señal y cada submatriz de antenas. Este punto es importante para evitar la introducción de desfases no controlados y dispersión de fase en las señales enrutadas hasta las submatrices de antenas. Además la longitud de los cables debe minimizarse de manera que se limite el volumen global de la antena así como las pérdidas.

La utilización de cables coaxiales asociados a unas matrices de Butler lineales satisface las restricciones técnicas antes citadas en el caso de aplicación a antenas que funcionen en unas bandas de frecuencias inferiores a la decena de gigahercios.

Sin embargo, cuando la aplicación deseada se refiere a una antena que funciona en unas bandas de frecuencia más elevadas, por ejemplo la banda Ka o la banda X o para cualquier frecuencia superior a 15 GHz, los cables coaxiales tradicionales sufren pérdidas en altas frecuencias demasiado grande para constituir una solución técnica aceptable, es decir que la señal sufre una atenuación demasiado grande.

Con el fin de limitar las pérdidas a altas frecuencias en los cables que unen las salidas de las matrices de Butler a las entradas de las submatrices de antenas, es necesario utilizar, en lugar de cables coaxiales tradicionales, una tecnología de guías de onda.

Sin embargo, esta tecnología presenta unos inconvenientes con relación a los cables coaxiales, desde el punto de vista de la flexibilidad de las conexiones realizadas. En efecto, al ser rígido el material utilizado (por ejemplo un metal tal como el aluminio) , la gestión de la igual longitud y del volumen global de la antena es más compleja.

Una ilustración de este problema se muestra la figura 3 que representa la misma realización que la figura 2 sustituyendo los cables coaxiales flexibles 23, 24, 25, 26 por unas conexiones rígidas en guías de onda 33, 34, 35, 36. Se representa en la parte alta de la figura 3 una matriz de Butler 31 lineal. Comprende cuatro entradas y cuatro salidas dispuestas linealmente, es decir que todas las salidas están dispuestas del mismo lado de la matriz y todas

las entradas están dispuestas del lado opuesto a las salidas.

Se observa que la igual longitud no puede respetarse entre las cuatro conexiones resultantes de una matriz de Butler 31 lineal, sin realizar una solución voluminosa y compleja, debido al hecho de que cada conexión debe dirigirse a una de las submatrices de antenas dispuestas alrededor de la sección del cono 32 y que la distancia entre una salida de la matriz de Butler 31 y el acceso a una de las submatrices indicadas varía para cada una de las salidas. Además, la utilización de la tecnología de guías de onda para realizar las conexiones entre las matrices de Butler y los elementos de antena, engendra igualmente unas dificultades para la gestión del volumen global de la antena.

La invención viene a resolver los problemas de gestión de la igual longitud y del volumen antes citados proponiendo una red de formación de un haz de antena dispuesta para respetar estas restricciones. Una red ese tipo está particularmente adaptada a una antena troncocónica para comunicaciones entre un satélite y una estación de tierra tal como se describe en la solicitud europea EP0512487.

El documento US 7 508 343 divulga un aparato como se define en el preámbulo de la reivindicación 1.

La invención tiene de ese modo por objeto una red de formación de un haz para una matriz de antenas que comprende una pluralidad de elementos superpuestos que comprende cada uno una red de acopladores en cruz que comprende dos grupos opuestos de un número K de entradas emparejadas y dos grupos opuestos de un número K de salidas emparejadas, un número, igual al número de entradas, de guías de onda de entrada, rígidas, de longitudes iguales entre ellas, unidas en un extremo a dichas entradas de la red de acopladores y destinadas a recibir, en sus extremos opuestos libres, una señal de alimentación y un número, igual al número de salidas, de guías de onda de salida, rígidas, de longitudes iguales entre ellas, unidas en un extremo a dichas salidas de la red de acopladores y destinadas a estar unidas, en sus extremos opuestos libres, a los elementos radiantes de dicha matriz de antenas para alimentarlas, estando configuradas las longitudes de dichas guías de onda de cada elemento de manera que el camino eléctrico recorrido por una onda entre un extremo libre de una guía de onda de entrada unida a una entrada (E1, E2, E3, E4) dada y un extremo libre de una guía de onda de salida unido a una salida (S1, S2, S3, S4) dada es constante para todos los elementos, estando girada cada red de acopladores de un elemento en un ángulo predeterminado con relación a la red de acopladores del elemento inmediatamente inferior.

Según un aspecto particular de la invención, una red de acopladores en cruz está formada por una pluralidad de acopladores de K entradas y K salidas dispuestos para formar una cruz.

Según otro aspecto particular de la invención, el valor del ángulo predeterminado es sustancialmente igual a un múltiplo de 360º dividido por el número N de elementos de antena a alimentar.

Según otro aspecto particular de la invención, dichos extremos libres de las guías de onda de entrada están dispuestos en un primer plano sustancialmente paralelo al plano de la red en cruz y dichos extremos libres de las guías... [Seguir leyendo]

1. Red (600, 802) de formación de un haz para una matriz de antenas que comprende una pluralidad de elementos (631, 632, 633, 634) superpuestos que comprende cada uno una red (601, 802, 71, 40) de acopladores en cruz que comprende dos grupos opuestos de un número K de entradas ( (E1, E2) , (E3, E4) ) emparejadas y dos grupos opuestos de un número K de salidas ( (S1, S2) , (S3, S4) ) emparejadas, un número, igual al número de entradas ( (E1, E2) , (E3, E4) ) , de guías de onda (621, 622, 623, 624) de entrada, de longitudes iguales entre ellas, unidas en un extremo a dichas entradas (E1, E2, E3, E4) de la red (601, 802, 71) de acopladores y destinadas a recibir, en sus extremos opuestos libres, una señal de alimentación y un número, igual al número de salidas ( (S1, S2) , (S3, S4) ) , de guías de onda (611, 612, 613, 614) de salida de longitudes iguales entre ellas, unidas en un extremo a dichas salidas (S1, S2, S3, S4) de la red (601, 802, 71) de acopladores y destinadas a estar unidas, en sus extremos opuestos libres, a los elementos radiantes de dicha matriz de antenas para alimentarlas, estando configuradas las longitudes (A1, B1) de dichas guías de onda de cada elemento (631, 632, 633, 634) de manera que el camino eléctrico recorrido por una onda entre un extremo libre de una guía de onda de entrada unida a una entrada (E1, E2, E3, E4) dada y un extremo libre de una guía de onda de salida unido a una salida (S1, S2, S3, S4) dada es constante para todos los elementos (631, 632, 633, 634) , caracterizada porque las guías de onda de entrada y de salida son rígidas, y porque cada red (601) de acopladores de un elemento (631) está girada en un ángulo predeterminado con relación a la red (602) de acopladores del elemento (632) inmediatamente inferior.

2. Red (600, 802) de formación de un haz para una matriz de antenas según la reivindicación 1, caracterizada porque una red (40) de acopladores en cruz está formada por una pluralidad de acopladores (401, 402, 403, 404) de K entradas y K salidas dispuestos para formar una cruz.

3. Red (600, 802, 71) de formación de un haz para una matriz de antenas según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizada porque el valor del ángulo predeterminado es sustancialmente igual a un múltiplo de 360º dividido por el número N de elementos de antena a alimentar.

4. Red (600, 802) de formación de un haz para una matriz de antenas según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque dichos extremos libres de las guías de onda (621, 622, 623, 624) de entrada están dispuestos en un primer plano (701) sustancialmente paralelo al plano (700) de la red (601, 802, 71) en cruz y dichos extremos libres de las guías de onda (611, 612, 613, 614) de salida están dispuestos en un segundo plano

(702) sustancialmente paralelo al plano (700) de la red (601, 802, 71) en cruz y dispuesto en el lado opuesto al primer plano (701) .

5. Red (600, 802, 71) de formación de un haz para una matriz de antenas según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque los extremos libres (931, 932, 933, 934) de las guías de onda (911, 912, 913, 914) de salida están dispuestos sobre la circunferencia de un círculo (930) de forma equidistantemente distribuida.

6. Red (600, 802, 71) de formación de un haz para una matriz de antenas según la reivindicación 5, caracterizada porque las guías de onda (911, 912) de salida unidas a un par de salidas (S1, S2) emparejadas están orientadas, en su conexión con dichas salidas (S1, S2) , de manera que formen entre sí un ángulo sustancialmente igual a 180/K grados.

7. Red (600, 802, 71) de formación de un haz para una matriz de antenas según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el número total 2K de entradas y el número total 2K de salidas de la matriz es igual a cuatro.

8. Red (600, 802, 71) de formación de un haz para una matriz de antenas según la reivindicación 7, caracterizada porque cada guía de onda (911) de salida comprende el menos una primera rama (91) , unida a una primera salida (S1) de una red (910) de acopladores en cruz, que se extiende en una dirección que forma un ángulo de 45º con el eje (A1) que pasa por dos salidas (S1, S4) opuestas de dicha red (910) de acopladores, una segunda rama (92) unida en un extremo a la primera rama (91) y que se extiende en el otro extremo hasta un punto del eje (D1) de simetría de dicho círculo (930) que pasa por el extremo libre (931) de la guía de onda (911) y una tercera rama (93) unida a la segunda rama (92) y que se extiende hasta el extremo libre (931) .

9. Red (600, 802, 71) de formación de un haz para una matriz de antenas según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque dichas guías de onda están formadas en aluminio.

10. Matriz de antenas caracterizada porque comprende una pluralidad de elementos radiantes dispuestos en submatrices (811) de antenas, estando dispuestas las entradas de alimentación de dichas submatrices (811) de antenas de manera equidistantemente distribuida sobre la circunferencia de un círculo, un repartidor (803) para dividir la potencia de una señal de alimentación entre la pluralidad de elementos radiantes y una red (802) de formación de un haz según una de las reivindicaciones 1 a 9 dispuesta de manera que los extremos libres de las guías de onda (823) de entrada estén conectados a las salidas de dicho repartidor (803) y los extremos libres de las guías de onda (821) de salida estén conectados a las entradas de alimentación de las submatrices (811) de antenas.

11. Matriz de antenas según la reivindicación 10, caracterizada porque cada elemento de dicha red (802) de formación de un haz está conectado a un número igual a 2K de submatrices (811) de antenas cuyas entradas de

alimentación están equidistantemente distribuidas sobre dicho círculo.

12. Matriz de antenas según una de las reivindicaciones 10 u 11, caracterizada por que cada submatriz (811) de antenas consiste en una pluralidad de elementos radiantes dispuestos linealmente sobre la superficie conformada de un cono.

13. Matriz de antenas según una de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizada por que comprende además, sobre cada guía de onda de entrada, un desfasador (804) adecuado para aplicar un desfase a la señal de alimentación.

14. Matriz de antenas según una de las reivindicaciones 10 a 13, para su utilización en la banda de frecuencias Ka.