BRPI0613013A2 - rede de antena com refletor(es) conformado(s), de elevada reconfiguraÇço em àrbita - Google Patents
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Abstract
Patente de Invenção: REDE DE ANTENA COM REFLETOR(ES) CONFORMADO(S), DE ELEVADA RECONFIGURAÇçO EM àRBITA. A presente invenção refere-se a uma antena rede com refletor(es) (AR), compreendendo 1) uma rede (RS) de pelo menos duas fontes (Sl-S5), incluindo uma fonte central (Si), ajustadas e posicionadas de maneira a emitir e/ou receber feixes de ondas eletromagnéticas (F1-F5) em direções escolhidas, II) meios de formação de feixes encarregados de controlar a amplitude e a fase de cada uma dessas fontes por meio de leis de amplitude 1 fase aplicadas sobre seus acessos e assegurar um nível de amplificação apropriado, a fim de que cada fonte (Si -S5) emita um diagrama de radiação escolhida (constituindo um feixe e compreendendo um lóbulo principal, destinado a abranger uma zona escolhida (Z1-Z5), e III) pelo menos um refletor (RC) munido de uma superfície (SU) própria para refletir os feixes emitidos por essas fontes e/ou destinados a essas fontes e conformada de forma tridimensional, de maneira a refletir o feixe liberado por fonte (Si -S5)), aferindo sua energia de modo que abranja a zona associada escolhida, que o lóbulo principal do diagrama de radiação associado à essa fonte central (Si) defina uma abrangência primária (CP), englobando integralmente cada zona de abrangência ativa (ZO1, ZC2) da antena (AR), de forma e dimensões escolhidas, e que o lóbulo principal do diagrama de radiação associada a cada fonte não central (S2 - S5) abranja pelo menos parcialmente essa abrangência primária (CP).
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "REDE DEANTENA COM REFLETOR(ES) CONFORMADO(S), DE ELEVADA RE-CONFIGURAÇÃO EM ÓRBITA".
A presente invenção refere-se às antenas redes com refletor(es),embarcadas sobre satélites e destinadas a transmitirem e/ou receberem fei-xes de ondas eletromagnéticas.
Entende-se no caso por "antena rede com refletor(es)" uma an-tena composta de um conjunto de fontes (ou elementos irradiadores), defi-nindo uma rede, e de um ou vários refletores.
As antenas redes com refletor(es) precitadas são particularmen-te interessantes devido ao fato de permitirem formar e posicionar um ou vá-rios feixes irradiadores para uma ou várias abrangências determinadas. Es-sa formação de feixes é feita por controle de amplitude e/ou de fase a níveldas fontes.
A capacidade de modificar a posição e a forma das abrangên-cias em órbita (dupla reconfigurabilidade) é particularmente interessante no-tadamente para considerar a evolução do tráfego, para alcançar o relê deum satélite em pane, ou em caso de mudança de posição sobre o arco orbi-tal com conservação do balanço de ligação sobre uma zona determinada. Afim de permitir uma dupla reconfigurabilidade, as três soluções apresentadasabaixo são mais freqüentemente utilizadas.
Uma primeira solução consiste em utilizar uma antena de redeativa de irradiação direta (ou DRA), isto é, desprovida de refletor. Esse tipode antenas rede oferece uma capacidade muito boa de dupla reconfigurabi-lidade, mas necessita de um grande número de controles que torna freqüen-temente proibitivo seu custo e seu peso. Além disso, à emissão, o baixo ren-dimento dos amplificadores que são associados a cada um dos controles doDRA induz uma dissipação freqüentemente proibtiva.
Uma segunda solução consiste em utilizar uma rede de fontesno plano focai ou nas proximidades do plano focai de um refletor parabóliconão conforme (ou FAFR). Essa solução é notadamente descrita no docu-mento patente US 4.965.587. A fim de abranger uma zona determinada, arede de fontes é dimensionada de modo que cada uma de suas fontes con-tribui para uma parte da abrangência total. A posição das fontes é direta-mente ligada à zona a abranger. Ela é determinada de forma geométrica,aplicando o princípio de reflexão sobre o refletor. As leis de amplitude / fasedos diferentes controles devem ser otimizadas para que os feixes emitidospelas fontes se combinem, dando um diagrama de radiação adaptado a ca-da zona a abranger. Caso se deseje apenas abranger uma das zonas, pre-vistas inicialmente, utiliza-se apenas a parte da rede correspondente. A di-nâmica de amplitude aplicada aos elementos irradiadores é importante, oque torna freqüentemente necessário, à emissão, a utilização de um disposi-tivo de equilíbrio da potência entre os amplificadores (denominado MPA).
O fato de cada uma das fontes ser diretamente ligada a umaparte da abrangência, por um lado, impõe uma redundância a nível dos am-plificadores, a fim de evitar a perda dessa zona em caso de pane parcial, e,por outro lado, induz um número de fontes (e freqüentemente de controles)diretamente ligado à extensão da abrangência. A arquitetura de formaçãodos feixes se mostra, portanto, particularmente complexa, induz perdas su-plementares ligadas à presença do MPA, e acarreta volume e massa bastan-te elevados.
Uma terceira solução, variante da segunda, foi proposta no do-cumento de patente US 2004/0222932. Ela consiste em instalar uma rede defontes no plano focai de um refletor cuja superfície refletora está de acordo,de maneira a ampliar a zona abrangida por feixe, apresentando um diagra-ma de irradiação "plano" no lóbulo principal liberado por uma fonte elemen-tar. O princípio permanece o mesmo que aquele descrito acima, cada fonteapenas contribuindo com uma parte da abrangência. Devido à ampliaçãodos feixes elementares introduzida pela conformação do refletor, o númerode fontes necessárias à amostragem da abrangência pode, portanto, serreduzido, o que permite diminuir o número dos controles da antena.
Nenhuma solução conhecida fornece uma satisfação completaem termos de custo e/ou de peso e/ou de simplicidade dos controles e/ou decapacidade de reconfigurabilidade em órbita, a invenção tem, portanto, porfinalidade melhorar a situação.
Ela propõe para isso uma antena rede com refletor(es) compre-endendo I) uma rede de pelo menos duas fontes, incluindo uma fonte ditacentral, ajustadas e posicionadas de maneira a emitir (ou receber) feixes deondas eletromagnéticas em direções escolhidas, II) meios de formação defeixes, permitindo controlar a amplitude e a fase de cada uma das fontes pormeio de leis de amplitude / fase aplicadas a seus acessos e assegurar umnível de amplificação apropriado, a fim de que cada fonte emita um diagramade radiação escolhido (constituindo um feixe e compreendendo uma lóbuloprincipal) destinado a abranger uma zona escolhida, e III) um ou vários refle-tores encarregados de refletir os feixes emitidos pelas fontes (ou em direçãodessas fontes).
Essa antena rede com refletor(es) se caracteriza pelo fato de:
- a superfície de pelo menos um de seus refletores ser confor-mada de modo tridimensional (3D), de maneira a refletir o feixe que é libera-do por fonte, aferindo sua energia, a fim de que abranja a zona associadaescolhida, que o lóbulo principal do diagrama de irradiação associado à fontecentral defina uma abrangência dita primária, englobando integralmente ca-da zona de abrangência ativa da antena, de forma e dimensões escolhidas,e que o lóbulo principal do diagrama de irradiação associado a cada fontenão central abranja pelo menos parcialmente a abrangência primária; e
- seus meios de formação de feixes serem encarregados de a-plicar aos acessos da rede de fontes uma lei de amplitude e/ou de fase es-colhida de modo que a combinação dos feixes emitidos pelas fontes da rededefina, cada uma, zonas de abrangência ativa da antena.
A antena rede com refletor(es), de acordo com a invenção, podecomportar outras características que podem ser consideradas separadamen-te ou em combinação, e notadamente:
- suas fontes podem ser posicionadas seja no plano focai do re-fletor, seja fora deste, de qualquer forma diante do refletor;
- suas fontes podem ser constituídas de um elemento irradiadorde qualquer tipo (por exemplo, cartucho circular ou retangular, elemento im-presso (ou "patch"), fenda, ou hélice), funcionando em emissão e/ou em re-cepção e não importa qual a polarização;
- a superfície de um de seus refletores apresenta, de preferên-cia, uma forma geral de tipo paraboloidal conformada de forma tridimensional;
- pelo menos um de seus refletores pode compreender um me-canismo de marcação encarregado de modificar a posição do lóbulo princi-pal associado à fonte central da rede.
Outras características e vantagens da invenção aparecerão co-mo exame da descrição detalhada a seguir, desenhos anexados, nos quais:
- a figura 1 ilustra, de forma muito esquemática e funcional, umexemplo de modalidade de uma antena rede com refletor(es), de acordocom a invenção; e
- a figura 2 ilustra, de forma esquemática, o princípio de forma-ção de zonas de abrangência ativa por meio de uma antena rede com refle-tores), de acordo com o inventor.
Os desenhos anexados poderão não somente servir para com-pletar a invenção, mas também contribuir para sua definição, se for o caso.
Será feita referência inicialmente à figura 1 para descrever umaantena rede com refletor(es) AR, de acordo com a invenção.
No que se segue, considera-se a título de exemplo não Iimitativoque a antena rede com refletor(es) AR é consagrada à única transmissão defeixes de ondas eletromagnéticas, comporta apenas um único refletor AR,que sua rede RS comporta apenas cinco fontes Sl (i = 1 a 5) oferece apenasduas zonas de abrangência ativas (ZC1 e ZC2). Mas a invenção não estálimitada a essa aplicação. Com efeito, a antena rede com refletor(es), deacordo com a invenção, pode funcionar em transmissão, ou ainda em trans-missão e em recepção, e/ou pode comportar vários refletores, e/ou podecomportar uma rede composta de um número qualquer de fontes, e/ou podeoferecer mais de duas zonas de abrangência ativas. Essa antena tem porvocação principal ser embarcada sobre um satélite de telecomunicação.
Uma antena (rede com refletor(es)) AR, de acordo com a inven-ção, compreende inicialmente uma rede RS constituída de pelo menos duasfontes Si ajustadas e posicionadas, de maneira a liberar feixes de ondas ele-tromagnéticas Fi (comportando sinais) em direções escolhidas. O número Nde fontes Si da rede RS, o posicionamento das fontes Si umas em relaçãoàs outras, o tipo das fontes Si e as orientações respectivas das fontes Si sãoescolhidos em função da missão que é atribuída à antena AR. Considera-seno que se segue, a título de exemplo não limitativo, que o número N de fon-tes Si é igual a 5 (i = 1 a 5). Mas, esse número N pode assumir qualquer va-lor superior ou igual a dois.
Dentre essas fontes Si1 uma (no caso Si) é dita central, por e-xemplo devido ao fato de se achar instalada sensivelmente no meio da redeRS.
Cada fonte Si da rede RS pode ser constituída de um elementoirradiador de qualquer tipo, e, por exemplo, um cartucho circular ou retangu-lar, um "patch" (elemento impresso), uma "fenda" ou uma hélice, podendofuncionar em emissão e/ou em recepção e em qualquer polarização.
A antena AR compreende também um módulo de formação defeixes MFF encarregado de aplicar leis de amplitude e/ou de fase e amplifi-car de forma apropriada os sinais de cada uma das N fontes Si da rede RS,a fim de que cada fonte Si emita um diagrama de irradiação escolhido (cons-tituindo um feixe Fi e compreendendo um lóbulo principal) destinado a a-branger uma zona escolhida Zi. Quaisquer técnicas de aplicação de lei deamplitude / fase de amplificação conhecidas do técnico podem ser utilizadaspara isso.
A antena AR compreende também um refletor RC munido deuma superfície SU conformada de modo tridimensional (3D). Essa confor-mação 3D, que se apresenta sob a forma de cavidades e de saliências feitosem locais escolhidos da superfície SU, é destinada a refletir o feixe Fi que éliberado por fonte Si, aferindo sua energia de modo, por um primeiro lado,que abrange a zona associada escolhida Zi, por uma segunda parte, que olóbulo principal do diagrama de radiação associado à fonte central S1 definauma abrangência dita primária CP1 englobando integralmente cada zona deabrangência ativa ZCj da antena AR1 de forma e dimensões escolhidas, epor um terceiro lado, que o lóbulo principal do diagrama de radiação associ-ada a cada fonte não central Si (i diferente de 1) e, portanto, cada zona Zi (idiferente de 1), abrange pelo menos parcialmente a abrangência primáriaCP a nível de uma zona de interseção ZICi.
Entende-se no caso por "zona de abrangência ativa" uma zonana qual as ondas eletromagnéticas transmitidas pela antena AR devem po-der ser recebidas por meio de um receptor apropriado.
A zona Z1 (definida pelo lóbulo principal do diagrama de radia-ção oriundo da fonte central S1 da rede RS) define, portanto, uma abran-gência dita primária CP. Cada ponto dessa abrangência primária CP se situ-a, portanto, em pelo menos uma zona de interseção ZICi, e, de preferência,em várias zonas de interseção ZICi. Em outros termos, cada ponto da a-brangência primária CP é abrangido pelo lóbulo principal do feixe F1 da fon-te central S1 e por um ou vários lóbulos principais dos feixes Fi (i diferentede 1) associados a outras fontes Si (i diferente de 1) da rede RS.
O comportamento da antena no interior da abrangência primáriaCP se assemelha muito àquele de uma rede de radiação direta (DRA).
Conforme indicado acima, é no interior da abrangência primáriaCP que podem ser definidas as zonas de abrangência ativa ZCj da antenaAR por meio das leis e amplificações aplicadas pelo módulo de formação defeixes MFF. No exemplo não Iimitativo ilustrado na figura 2, a antena AR éconcebida, de maneira a oferecer duas zonas de abrangência ativa ZC1 eZC2 (j = 1 ou 2). Mas, a antena AR poderia ser concebida de maneira a ofe-recer mais de duas zonas de abrangência ativa ZCj, ou bem, uma única.
A conformação do refletor RC que permite ampliar os feixes Fi écalculada em função da missão, já que é esta que vai definir o envoltório daabrangência primária CP devendo conter as diferentes zonas de abrangên-cia ativa ZCj da antena AR. Pode-se, por exemplo, determinar a conforma-ção 3D por meio de funções polinomiais (por exemplo de tipo Spline ou Zer-nike) aplicadas a uma superfície de reflexão inicial de tipo paraboloidal, como auxílio de softwares adaptados (por exemplo, de tipo POS4). Em funçãoda missão, as fontes Si são instaladas seja no plano focai do refletor RC,seja fora desse plano focai.
O refletor RC pode compreender um mecanismo de marcação(não representado nas figuras) destinado a modificar a posição do lóbuloprincipal que é associado à fonte central S1 da rede AR.
A antena AR, de acordo com a invenção, é particularmente bemadaptada, embora de forma não limitativa:
- a uma abrangência em modo simples "spof de muita necessi-dade de reconfigurabilidade, por exemplo no caso de um satélite reconfigu-rável em função de sua posição orbital; e
- as missões multi-"spofe" sobre largas aberturas, por exemplono caso de uma amostragem de tipo CONUS por meio de zonas de abran-gência ativa (ou "spots") de 0,4° de diâmetro.
Graças à invenção, a disposição da rede de fontes é muito des-correlata da abrangência da antena, pois é a conformação 3D da superfíciedo refletor que define a abrangência primária CP ao interior da qual pode serdefinido em qualquer número de "spots" (ou zonas de abrangência ativa ZCj)de qualquer forma. Isto permite limitar consideravelmente o tamanho da redee o número de fontes e, por conseguinte, isto permite reduzir notavelmente opeso e a complexidade dos controles em relação a uma solução convencio-nal com refletor parabólico ou em relação a uma solução de tipo DRA.
Por outro lado, uma fonte não estando mais ligada à elaboraçãode uma pequena parte de uma zona de abrangência ativa, como no caso deuma solução convencional com refletor parabólico, uma redundância naturalpode ser obtida por meio da rede de fontes, embora as conseqüências deuma pane parcial sejam Iimitadas.
Além disso, reduzindo-se o tamanho da rede de fontes reduzem-se as aberrações da desfocalização, induzem-se naturalmente níveis de ló-bulos secundários mais baixos (e, portanto, melhores relações C/l) compa-rados àqueles obtidos com uma solução convencional com refletor parabóli-co. A utilização de baixas relações entre a distância focai do sistema comrefletor e o diâmetro do refletor principal é então facilitada (notadamente anível da implantação sobre um satélite).
A invenção combina assim as vantagens de uma antena de tipoDRA (rede com radiação direta), a saber uma forte reconfigurabilidade euma redundância natural, e as vantagens de uma antena de tipo FAFR, asaber uma forte diretividade obtida graças à superfície conformada do refle-tor, evitando os inconvenientes desses dois tipos de antenas, a saber o nú-mero de controles muito importante que contribui muito para o peso e o cus-to, a perda de eficácia ligada aos lóbulos de redes no caso de uma antenaDRA, a perda de abrangência em caso de panes e o tamanho da rede defontes função da abrangência considerada no caso de uma antena FAFR.
A invenção não se limita às modalidades de antena rede comrefletor(es) descritos antes, somente a título de exemplo, mas ela abrangetodas as variantes que poderá considerar o técnico no âmbito das reivindica-ções a seguir.
Assim, no que precede, descreveu-se um exemplo de antenarede com refletor(es), de acordo com a invenção, dedicado à transmissão deondas eletromagnéticas. Mas, a invenção não está limitada a esse exemplo.Ela se aplica com efeito também às antenas de rede com refletor(es) quefuncionam em recepção, ou em transmissão e em recepção.
Claims (8)
1. Antena rede com refletor(es) (AR)1 compreendendo I) umarede (RS) de pelo menos duas fontes (Si), da qual uma fonte dita central(S1), ajustadas e posicionadas de maneira a emitir/ou receber feixes de on-das eletromagnéticas (Fi) em direções escolhidas, II) meios de formação defeixes (MFF), ajustados para controlar a amplitude e a fase de cada umadessas fontes (Si) por meio de leis de amplitude / fase aplicadas sobre seusacessos e assegurar um nível de amplificação apropriado, a fim de que cadafonte (Si) emita um diagrama de radiação escolhida, constituindo um feixe(Fi) e compreendendo um lóbulo principal, destinado a abranger uma zonaescolhida (Zi)1 e III) pelo menos um refletor (RC) munido de uma superfície(SU) própria para refletir os feixes (Fi) emitidos por essas fontes (Si) e/oudestinados a essas fontes (Si), caracterizada pelo fato de:- essa superfície (SU) ser conformada de forma tridimensional,que se apresenta sob a forma de cavados e de bossas feitos em locais esco-lhidos da superfície (SU), de maneira a refletir o feixe (Fi) liberado por fonte(Si), aferindo sua energia de modo que abranja a zona associada escolhida(Zi), que o lóbulo principal do diagrama de radiação associado à essa fontecentral (S1) defina uma abrangência dita primária (CP), englobando inte-gralmente cada zona de abrangência ativa (ZCj) da antena (AR), de forma edimensões escolhidas, e que o lóbulo principal do diagrama de radiação as-sociada a cada fonte não central abranja pelo menos parcialmente essa a-brangência primária (CP); e- esses meios de formação de feixes serem ajustados para apli-car aos acessos da rede de fontes (Si) uma lei de amplitude e/ou de faseescolhida, de modo que a combinação dos feixes (Fi) liberados por essasfontes (Si) defina cada uma dessas zonas de cobertura ativa (ZCj).
2. Antena rede com refletor(es), de acordo com a reivindicação-1, caracterizada pelo fato de essa abrangência primária (CP) englobar inte-gralmente pelo menos uma zona de abrangência ativa (ZCj).
3. Antena rede com refletor(es), de acordo com uma das reivin-dicações 1 e 2, caracterizada pelo fato de essa abrangência primária (CP)englobar integralmente pelo menos duas zonas de abrangência ativa (ZCj).
4. Antena rede com refletor(es), de acordo com uma das reivin-dicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de essas fontes (Si) serem posicio-nadas em um plano focai de um desses refletores (RC).
5. Antena rede com refletor(es), de acordo com uma das reivin-dicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de essas fontes (Si) serem posicio-nadas fora de um plano focai de um desses refletores (RC).
6. Antena rede com refletor(es), de acordo com uma das reivin-dicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de essa superfície (SU) desse refletor(RC) apresentar uma forma geral de tipo paraboloidal conformada de modotridimensional.
7. Antena rede com refletor(es), de acordo com uma das reivin-dicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de pelo menos um desses refletorescompreender um mecanismo de marcação ajustado para modificar a posiçãodo lóbulo principal associado a essa fonte central (S1) da rede (RS).
8. Antena rede com refletor(es), de acordo com uma das reivin-dicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de cada uma dessas fontes (Si) serconstituída de um elemento irradiador escolhido em um grupo que compre-ende pelo menos um cartucho circular ou retangular, um elemento impresso,uma fenda ou uma hélice.
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