ES2255327T3

ES2255327T3 - Antena de deteccion direccional circular.

Info

Publication number: ES2255327T3
Application number: ES99965921T
Authority: ES
Inventors: Timothy R. Holzheimer
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2006-06-16
Anticipated expiration: 2019-11-30
Also published as: CN1328711A; ATE314741T1; CA2350618C; WO2000033419A1; JP2002531983A; EP1135832B1; EP1135832A1; CN1211887C; JP4362677B2; CA2350618A1; DE69929241T2; US6295035B1; DE69929241D1; DK1135832T3; AU2159200A

Abstract

Un sistema de antena que se compone de: una serie de placas de soporte (30) dispuestas en una configuración generalmente circular, teniendo cada una de las placas de soporte una superficie interna y una superficie externa de dichas placas de soporte, orientándose todas las superficies internas de dichas placas de soporte (30) hacia un centro de la configuración generalmente circular, y una serie de elementos (12) de antena, teniendo cada elemento de antena un extremo (18) de alta frecuencia y un extremo (16) de baja frecuencia, estando el extremo (16) de baja frecuencia de cada elemento (12) de antena montado a la superficie interna de una de la serie de placas de soporte (30), estando los extremos de alta frecuencia (18) de los elementos (12) orientados uno frente al otro y separados por una longitud de onda de la frecuencia de señal recibida en el extremo de alta frecuencia.

Description

Antena de detección direccional circular.

Campo de aplicación técnica del invento

Este invento se refiere en general a antenas y mas en particular a una antena de detección direccional circular.

Fondo del invento

Un sistema de detección direccional circular se compone de cuatro componentes principales: el sistema de antenas, el receptor, uno o mas procesadores y el sistema de control de entrada/salida. El sistema de antenas debe de contar con los dos requerimientos contradictorios que son, un patrón omni-direccional que permita la recepción desde el mayor rango de visión posible, y un haz concentrado que permita una gran exactitud en la determinación del ángulo de llegada de una señal interceptada. Estos requerimientos en sí en conflicto no pueden darse en una antena estática singular. El resorte por ello frecuentemente al uso de una alineación de antenas, una antena giratoria de configuración de banda estrecha, o un conjunto enfasado (una antena capaz de alterar su patrón de radiación por medios electrónicos. Un problema importante con el tipo giratorio de antena DF es que una vez que es fijada a un objetivo, ésta es ciega al resto del campo de visión. Las antenas de conjunto en fases tienen la desventaja de requerir una variedad de componentes electrónicos caros para conducir el barrido del haz electrónico.

Un equilibrio fundamental entre el campo instantáneo de visión y el tiempo disponible para una observación es algo que se toma muy en cuenta en el diseño de cualquier sistema DF. Incluso una antena con un campo de visión y un tiempo disponible para una observación es una consideración de diseño para cualquier sistema DF. Incluso una antena con un campo de visión modesto puede usarse para proporcionar una cobertura de 360º en un localizador de dirección al ser girada la antena. No obstante, la rotación de la antena plantea problemas cuando se trata de una emisión de frecuencia ágil o señales de corta duración. El tiempo medio para interceptar una señal y la duración de la señal que se esta muestreando dependen críticamente de la coincidencia del patrón de antena transmisora, que también puede dar vueltas, y la antena giratoria DF. Son estos inconvenientes los que hacen del diseño de un sistema DF efectivo un reto.

Anteriores intentos previos de diseño de semejante antena han tenido todos problemas varios como es la baja ganancia, un ancho de banda operativo limitado, peso y tamaño excesivos, poca precisión del ángulo de recepción (AOA) y un campo azimutal de visión limitado una vez fijado el objetivo. Un ejemplo de diseño del estado de la técnica se muestra en la US 4594595 que muestra una configuración circular relativamente plana que comprende varias profundidades de cavidad para la sensibilidad de radiación. Algunos diseños previos de antenas usaban elementos de antena dipolo o de espiral de baja ganancia. Estos diseños ofrecen una cobertura simultánea de campo de visión, pero adolecen de un ancho de banda limitado y una precisión AOA baja. Otros diseños de antena tienen unos anchos de banda mayores, pero no ofrecen una cobertura simultánea del campo de visión en su totalidad.

Resumen del invento

De acuerdo con esto, se necesita una antena circular de localización de precisión, de alta ganancia, y de exploración y seguimiento simultáneos. El presente invento proporciona una antena de localización de dirección circular que supera las insuficiencias de sistemas anteriores.

De acuerdo con el presente invento se ha provisto un sistema de antena que incluye una serie de placas de soporte dispuestas de modo generalmente circular. Cada placa de soporte tiene una superficie interna y una superficie externa. Las superficies internas de las placas de soporte están opuestas a un centro de la configuración generalmente circular. Cada elemento de antena tiene un extremo de alta frecuencia y un extremo de baja frecuencia. El extremo de baja frecuencia de cada elemento de antena está montado en la superficie interna de una de las placas de soporte de tal modo que los extremos de alta frecuencia de antenas opuestas están separados por una longitud de onda de la frecuencia de la señal recibida en el extremo de alta frecuencia. El sistema de antena también puede incorporar una red de formación de haz con una cantidad de puertos de entrada igual a la cantidad de elementos de antena. Cada elemento de antena entonces está acoplado a la red de formación de haz a través de su puerto respectivo.

En una realización del presente invento la cantidad de elementos de antena está dividida en una serie de grupos. El sistema de antena también puede incluir una serie de redes de formación de haz, en donde cada red de formación de haz está conectada a un grupo de elementos de antena de manera que los componentes de la serie de elementos de antena se entrelazan.

Las antenas que incorporan el presente invento proporcionan numerosas ventajas técnicas. Por ejemplo, una realización del invento muestra un ángulo de precisión de llegada de 0,5 grados en un rango de frecuencias de 0.5 a 18 GHz, y un campo de visión de 360 grados. Esta realización incorpora elementos que son de polarización dual, alta ganancia y peso ligero en comparación con los elementos de antena de espiral de baja ganancia o dipolos. Adicionalmente, el uso de ciertos elementos de antena de cavidad coaxial pueden extender el rango de frecuencias de 0,5 a 40 GHz.

Otro aspecto ventajoso del presente invento es el barrido exploratorio y seguimiento continuo tipo DF por un campo de visión de 360 grados en azimut y un mínimo de =40º en elevación.

El presente invento minimiza el problema de ceguera una vez que se ha fijado el objetivo. Adicionalmente la antena según el presente invento tiene pocas componentes y es sencilla de montar y aplicar. Las capacidades de una antena según el presente invento se obtienen a partir de un reducido tamaño que es ligero de peso y bajo en costes. Aún otra ventaja técnica del presente invento es una antena que tiene un uso dual como polarímetro en la misma apertura usada para funciones DF.

Otras ventajas técnicas se hacen ya claras a cualquier profesional del sector a partir de los siguientes dibujos, descripciones y reivindicaciones.

Breve descripción de los dibujos

Para una comprensión mas compleja del presente invento y las ventajas que de este emanan se hace ahora referencia a las siguientes descripciones hechas en relación con los dibujos que le acompañan, en donde:

Fig. 1 es un dibujo esquemático mostrando una vista isométrica de un conjunto de antenas que representan una realización del presente invento;

Fig. 2 es un dibujo esquemático que muestra una vista isométrica del conjunto de antenas mostrado en fig. 1 habiéndose retirado los elementos de antena.

Fig. 3A es un dibujo esquemático mostrando una vista isométrica de dos elementos de antena opuestos del conjunto de antenas de la fig. 1

Fig. 3B es un dibujo esquemático que muestra una vista isométrica de la estructura del elemento de antena mostrado en la fig. 3A.

Fig. 4 es un cuadro esquemático de una vista isométrica de uno conjunto de antena que representa otra realización del conjunto de antena de la fig. 4;

Fig. 5A es un cuadro esquemático que muestra una vista de uno de los elementos de antena del conjunto de antenas mostrado en la fig. 4;

Fig. 5B es un cuadro esquemático que muestra una vista de la estructura de antena del elemento de antena mostrado en la fig. 5A;

Fig. 6 es un diagrama de un dispositivo de formación de haz de matriz Butler que incorpora varios implementos del presente invento.

Fig. 7 es un diagrama de configuración alterna de unos formadores de haz de matriz Butler que incorpora varios implementos del presente invento.

Fig. 8 es un dibujo esquemático que muestra una vista isométrica de un conjunto de antena que aquí no se reivindica y que incorpora unos elementos de antena coaxiales,

Fig. 9 es un dibujo esquemático de un elemento de antena coaxial del conjunto de antenas mostrado en la Fig. 8;

La fig. 10 es un dibujo esquemático que muestra una vista isométrica de otra variante mas del presente invento que incorpora una serie de conjuntos de antenas circulares.

La fig. 12 es un diagrama de una configuración alterna de un formador de haz de matriz Butler que incorpora varios implementos del presente invento;

La fig. 13 es una ilustración esquemática de un conjunto de antenas circular con los elementos de antena de la fig. 1 posicionados en ángulo respecto al eje longitudinal del conjunto, y

Fig. 14 es una ilustración esquemática de un conjunto circular de antena con los elementos de antena de las figuras posicionados en ángulo respecto al eje longitudinal del conjunto.

Descripción detallada del invento

El presente invento y sus ventajas pueden entenderse mejor haciéndose referencia, respecto a las figuras 1 a 7 de los dibujos, a números que se usan para designar partes iguales y correspondientes de los distintos dibujos.

La figura 1 es una ilustración de un conjunto de antenas 10 que representa una realización del presente invento. El conjunto de antenas 10 comprende ocho elementos de antena idénticos 12 dispuestos en perpendicular respecto al eje longitudinal 15. Cada elemento de antena 12 en esta realización en particular del presente invento es una antena logaritmo-periódica dual polarizada de alta ganancia. Debe quedar claro no obstante que se pueden usar también otros tipos de antena. La configuración de los elementos de antena 12 se discute en mayor detalle en conjunción con las ilustraciones 3A y 3B.

Nos referimos seguidamente a las figs. 3A y 3B. La fig. 3B es una ilustración de dos elementos de antena opuestos 12 como los configurados en la configuración 10. La fig. 3B ilustra una estructura de antena 12 que es encerrada por una cúpula 20 mostrada en la fig. 3A. Referente a la fig 3ª cada elemento de antena 12 incluye dos elementos de forma triangular 14. Los elementos de forma triangular 14 están dispuestos mutuamente en perpendicular y están montados a un base circular 16.

Como puede verse en la figura 3B, cada elemento en forma triangular 14 se compone de una serie de radiadores 24 para recibir y transmitir las señales electromagnéticas. La longitud de los radiadores 24 es la mayor en la base circular 16 del elemento de antena 12 y se reduce para aquellos radiadores que se aproximan a la punta 18. Los radiadores en la base circular 16 radian y reciben la frecuencia mas baja en un ancho de banda seleccionado, mientras que los radiadores en la punta 18 radian y reciben la frecuencia mas alta en ese ancho de banda. Como puede verse en la fig. 3B los elementos de forma triangular 14 están metidos en una cúpula 20 para así completar el elemento de antena 12.

En referencia ahora a la fig. 2. se ilustra la estructura del conjunto de antena 10 sin los elementos de antena 12, de modo que así se muestra con mas claridad la configuración de las placas de soporte 30. Ocho placas de soporte 30 han sido dispuestas en una configuración generalmente circular en la parte superior del bastidor de soporte 40. Cada placa de soporte 30 está acoplada estructuralmente al bastidor de soporte 40 de modo que se proporciona un soporte para los elementos de antena 12.

Volviendo a la figura 1, la base circular 16 de cada elemento de antena 12 está sujeta a una placa de soporte 30 de tal modo que la a 18 de cada elemento de antena 12 generalmente apunta hacia el centro de la zona generalmente circular formada por las placas de soporte 30. Con los elementos de antena 12 montados de esta manera, el eje longitudinal 13 (ver fig. 3ª) de cada elemento de antena 12 generalmente se cruza en el punto central de la zona circular. Además, el eje longitudinal 13 de cada elemento de antena sucesivo 12 se separa por cuarenta y cinco grados en el plano de azimut del conjunto de antena 10.

Aunque el conjunto de antena 10 se muestra como que ha sido construido utilizando las placas de soporte 30 y la estructura 40, las variaciones de estas partes pueden usarse para soportar a los elementos de antena 12 en la configuración ilustrada. Adicionalmente, el conjunto de antenas encuentra su utilidad en plataformas terrestres, aéreas, móviles y navales, por nombrar unas pocas.

Debido a la estrecha proximidad de los elementos de antena 12, el conjunto de entenas 10 puede describirse como un interferómetro sobremuestreado. Los interferómetros se basan en una separación de n\lambda/2 de los elementos de antena (en donde n es un número entero y \lambda es la longitud de onda de la frecuencia que se desea recibir). El espacio angular entre los elementos de antena 12 en el plano azimutal del conjunto de antenas 10 es menor que \lambda/2 en cada punto a lo largo de elemento de antena 12. Este espaciado tan cerrado no afecta a la precisión AOA del conjunto de antena 10.

Volviéndonos a referir a la fig. 3 A, la distancia a lo largo del eje longitudinal 13 entre las puntas 18 de dos elementos de antena dispuestos opuestamente es \lambda_{H}, siendo \lambda_{H} la frecuencia mas baja a detectar por los elementos de antena 12. El espaciado cerrado entre elementos de antena 12 hace posible una pequeña, aunque efectiva antena de localización de dirección.

En la realización ilustrada en la fig. 1, cada elemento de antena 12 está sujeto a su respectiva placa de montaje 30 de tal manera que ambos elementos de forma triangular 14 están separados de los planos horizontales y verticales en unos cuarenta y cinco grados. Esto se denomina configuración "en oblícuo a 45". Cuando los elementos de antena 12 están orientados en la configuración "en oblicuo a 45", los elementos de antena directamente opuestos en el conjunto circular de antenas están en polarización cruzada. Por ello, el bloqueo en el campo de visión de cualquiera de los elementos de antena en el conjunto de antena está minimizado. Se debe remarcar no obstante que los elementos de antena 12 también pueden estar orientados de tal manera que los elementos de forma triangular 14 son coincidentes con los planos vertical y horizontal. En esta orientación, hay una pequeña cantidad de bloqueo en el campo de visión.

Además, aunque ocho elementos de antena 12 están ilustrados en la fig. 1, unas variaciones del presente invento pueden usar mas o menos elementos de antena. El único requerimiento es que la cantidad de elementos de antena es igual a la potencia de dos (es decir 2^{2}, 2^{3}, etc). No obstante, se requiere un mínimo de 8 elementos de antena para obtener una alta precisión de AOAS, requiriéndose un mínimo de cuatro elementos para obtener capacidad de polarimetría en la misma apertura.

En una variante que no forma parte del presente invento, los elementos de antena están montados de tal manera que apuntan hacia fuera desde el centro de la disposición circular. No obstante, apuntar los elementos hacia el interior ofrece algunas ventajas. Una ventaja de apuntar los elementos hacia el interior es que semejante configuración minimiza el bloqueo entre los elementos de antena que están directamente opuestos en el conjunto circular. Por ello, los elementos de antena ubicados opuestamente son generalmente mutuamente transparentes en RF (radiofrecuencia). Además, los elementos de antena ubicados opuestamente también pueden ser de polarización cruzada.

En resumen, el presente invento puede incluir modificaciones en los siguientes tres factores: la cantidad de elementos de antena y la orientación de los elementos de antena (en oblicuo a 45, etc.)

A diferencia de las antenas de fase el presente invento no requiere una exploración con haz electrónico para 360 grados de cobertura de campo de visión. Esencialmente se cubre el campo de visión entero usando una red de formación de haz pasiva. Una red de formación de haz típica incorpora unos amplificadores activos y unos limitadores para reforzar la identificación de señales recibidas y configurar la sensibilidad y el rango del sistema. Cada uno de los ocho elementos de antena 12 del conjunto de antenas 10 se conecta a una red pasiva de formación de haz (no mostrada explícitamente). Ejemplos de las redes de formación de haz disponibles para su uso con la antena del presente invento incluyen una matriz Butler o un formador de haz Rotman.

En referencia seguidamente a la fig. 6, se muestra la configuración de una matriz Butler que está conectada a los elementos de antena en algunas versiones del presente invento. La fig. 6 ilustra un octavo elemento de matriz Butler que utiliza una serie de híbridos de 180 grados e híbridos de 90 grados para procesar las señales recibidas por los elementos de antena. El uso de una matriz Butler está bien documentada en el campo de antenas, y su modo de operación no se describirá aquí en detalle.

Se hace ahora referencia a la fig. 7. Aunque las matrices Butler son bien conocidas, una única interconexión de matrices Butler con una disposición de antenas según el presente invento proporciona varias ventajas. En vez de usar una matriz de ocho elementos tal como ilustrado en la fig. 6, también es posible usar dos matrices Butler de cuatro elementos. Los cuatro elementos de antena de un sistema de cuatro elementos que comprenden cuatro elementos de antena y una matriz Butler de cuatro elementos se "entrelazan" con los elementos de antena de otro sistema de cuatro elementos. La Fig. 7 ilustra unos elementos de antena A1, A2, A3 y A4 conectados a la Matriz Butler "A" y entrelazado con los elementos de antena B1, B2, B3 y B4, estando conectado este último con la matriz Butler "B". No se muestra en detalle la configuración de las dos matrices Butler de cuatro elementos. La construcción de tales matrices es muy bien conocida por aquel que está versado en la materia.

La disposición entrelazada permite una reducción del coste del conjunto de antenas, manteniendo no obstante la alta precisión AOA obtenida con la versión que incorpora la matriz Butler de ocho elementos. Se reduce el coste debido a que esta variante utiliza un canal menos de recepción simultánea y permite el uso de una matriz Butler que usa solamente híbridos de 90 grados. Entrelazar elementos de antena de esta manera es posible no solamente con la versión del presente invento que incorpora ocho elementos de antena, sino que cualquier antena que incorpore el presente invento que tenga un número de elementos de antena igual a un múltiple de cuatro.

Mediante el uso de una o mas matrices Butler, el conjunto de antenas 10, ilustrado en la fig.1 tiene funcionalidad DF de polarización total. El conjunto de antenas 10 hace posible la polarización dual circular y dual "en oblicuo a 45" con una capacidad ligeramente reducida para la polarización dual lineal. Al cambiar la orientación de los elementos de antena 12 para alinear los elementos de forma triangular 14 con los planos vertical y horizontal, la antena del presente invento proporciona una polarización dual lineal y polarización dual circular con una capacidad reducida para la polarización dual "en oblicuo a 45". Semejante antena tiene una precisión potencial AOA de 0,5º, y con el procesamiento adicional de información de amplitud se incrementa la precisión AOA a 0,25 grados.

La antena, tal como arriba descrita, incorpora unos elementos logaritmo-periódicos dual-polarizados, sin embargo son posibles alternativas los elementos polarizados singularmente tales como los polarizados en "en oblicuo a +45, en oblicuo a -45", circular orientado a la derecha, y circular orientado a la izquierda.

La Fig. 4 es una ilustración de un conjunto de antenas 110 representando una antena según el presente invento que incorpora elementos de antena logaritmo-periódicos 112 orientados en una configuración "en oblicuo a +45". La configuración de un conjunto de antenas 10 ilustrada en la fig. 1. La principal diferencia entre el conjunto de antenas de la fig. 1 y el conjunto de antenas de la fig. 4 estriba en el tipo de antena que se utiliza. El conjunto de antenas 110 utiliza unos elementos de antena 112 de plano llano en lugar de los elementos de antena 12 de plano cruzado en el conjunto de antenas 10. Los elementos de antena 112 se discuten mas detalladamente en relación con las figs. 5A y 5B.

La fig. 5A es una ilustración de un elemento de antena 112 de plano llano. La fig. 5B ilustra los elementos radiadores y receptores envueltos en una cúpula 120 tal como mostrado en la fig. 5A. El elemento de antena 112 comprende un elemento de forma triangular 114 montado a una base rectangular 116, y está compuesto de una serie de radiadores 124 para recibir o transmitir señales electromagnéticas. Los radiadores 124 son mas grandes en la base rectangular 116 y decrecen en tamaño según se aproximan a la punta 118. Los radiadores en la base rectangular 116 radian y reciben la frecuencia mas baja en ancho de banda seleccionado, mientras que los radiadores en la punta 118 radian y reciben la frecuencia mas alta en ese ancho de banda. Como se ilustra mejor en la fig. 5B el elemento de forma triangular 114 está envuelto en la cúpula 120.

Volviendo de nuevo a la fig. 4, la base rectangular 116 de cada elemento de antena 112 está sujeto a una placa de soporte 30 de tal modo que la punta 118 de cada elemento de antena apunta hacia el centro de la zona generalmente circular formado por las placas de soporte 30. En los elementos de antena 112 así montados, el eje longitudinal 113 de cada antena se cruza en el centro de esta zona generalmente circular. Además, los ejes 113 de cada elemento de antena 112 sucesivo se distancia en cuarenta y cinco grados en el plano azimutal.

Cada elemento de antena 112 está fijado a una respectiva placa de soporte 30 de tal modo que el elemento 114 triangular está separado de los planos vertical y horizontal en unos cuarenta y cinco grados (configuración "oblicua -45"). Cabe remarcar que al orientar el elemento triangular 114 horizontal- y verticalmente, se obtienen polarizaciones verticales y horizontales. La polarización "oblicua -45" se obtiene orientando el elemento triangular 114 separándolo en cuarenta y cinco grados de los planos horizontal y vertical en una dirección opuesta a la mostrada en la fig 4. Son posibles otras orientaciones de polarización que utilizan la antena según el presente invento, modificando la orientación de los elementos de antena 112 en las figs. 1 y 4, tal como arriba descrito.

Mas configuraciones de antena pueden construirse usando otro tipo de elementos de antena. Por ejemplo, la fig. 8 es un diagrama de una antena 200 aquí no reivindicada, que utiliza antenas de cavidad coaxial tales como elementos de antena dispuestos en un círculo. En esta configuración, los elementos de antena se orientan hacia el exterior, no hacia el interior, es decir, el extremo receptor de la frecuencia se orienta alejándose del centro. La fig. 9 muestra un ejemplo de un tipo de elemento de antena coaxial 210 que puede usarse en conjunción con el conjunto de antenas de la fig. 8. Adicionalmente, una red de formación de haz tal como la arriba descrita según las figs. 6 o 7 puede también usarse conjuntamente con el conjunto de antenas mostrada en la fig. 8.

En lo referente ahora a la fig. 9 aquí hay una ilustración de una antena de cavidad coaxial 210. La antena de cavidad coaxial 210 incluye un conductor interior cilíndrico hueco 212 y un conductor exterior cilíndrico 214 con extremos opuestos 216 y 218. En la realización ilustrada el conductor interno 212 está cerrado en un extremo 216. No obstante, el conductor interno 212 también puede estar abierto en el extremo 216, y este espacio abierto podría servir de antena circular de guía de ondas. Además, aunque la realización ilustrada incorpora un conductor interior hueco 212 para reducir el peso de la antena de cavidad coaxial 210, el conductor interno también podría ser sólido. El conductor externo 214 está dispuesto por fuera de, y en general de modo concéntrico con el conductor interno 2121 alrededor del eje 250. El anillo entre el conductor interno 212 y el diámetro interno del conductor externo 214 forma la cavidad 220.

El conductor interno 212, el conductor 214, y la cavidad 220 están dimensionados para propagar efectivamente las ondas electromagnéticas en un rango de frecuencias. En la fig. 9, el conductor interno 212 se extiende mas hacia el exterior a lo largo del eje 250 que un conductor externo 214. El conductor interno 212 y el conductor externo pueden tener la misma altura. Todos los elementos ilustrados en la fig. 9 pueden escalarse aumentándose o reduciéndose en tamaño para propagar de modo efectivo las ondas electromagnéticas o frecuencias mayores o menores, respectivamente.

El conductor externo 214 incorpora un anillo de abertura 222 y una base 215. El anillo 222 puede haberse formado integrado en la base 215 o puede ser desmontable de esta base 215. El anillo de abertura 222 tiene un diámetro igual al diámetro exterior de la base 215. Adicionalmente, cuando el anillo de abertura 222 es desmontable, el anillo de abertura 222 y la base 215 están formados de tal modo que el anillo abertura 222 puede acoplarse con seguridad a la base 215. El anillo de abertura 222 lleva una serie de dientes de abertura 224 dispuestos alrededor del diámetro interior del anillo de abertura 222. En la fig. 9 los dientes de abertura 224 son de forma triangular y están dispuestos alrededor del diámetro interno del anillo de abertura 222 de tal modo que cada diente de abertura 224 generalmente apunta hacia un eje 250 de la antena de cavidad coaxial 210. Un propósito de los dientes de abertura 224 es el control del diseño. Mas específicamente los dientes de abertura 224 ayudan a hacer simétrica la actuación del plano E y el plano H sobre unos ángulos muy abiertos tales como \pm60 grados.

La antena coaxial 210 además incluye un diafragma 226. El diafragma 226 está formado de tal modo que este tiene un diámetro interno aproximadamente igual al diámetro exterior del conductor interno 212. No obstante, el diámetro exterior del anillo iris 226 es menor que el diámetro interno del conductor externo 214. Así, el anillo iris 226 está dispuesto alrededor de, y acoplado al conductor 212 dentro de la cavidad 220, pero el diafragma 226 no hace contacto con el tabique interno 228 del conductor externo 214.

Además, la antena de cavidad coaxial 210 incorpora una serie de bloques de abertura o septos 230. En la fig. 9, los septos 230 se asemejan a un par de escalones. Los septos 230 están acoplados al diafragma 226 y el conductor interno 212. Los septos 230 están dispuestos alrededor del conductor interno 212 a intervalos de 90 grados, y están acoplados al conductor interno 212 de tal modo que el plano de cada septo 230 incluye un eje 250. Uno de los propósitos de los septos 230 es el control de la disposición, tal como mencionado anteriormente en relación con los dientes de abertura. Otra función de los septos 230 es la coincidencia de impedancia.

Todos los elementos arriba descritos se fabrican preferentemente a partir de un material conductor. El aluminio ofrece una opción bastante ligera de peso y barata. No obstante, para aplicaciones mas sensibles al peso, también se pueden utilizar materiales compuestos conductores.

Acoplados a la pared interior 228 del conductor externo 214 hay una serie de soportes para cable 232. La cantidad de soportes para cable 232 es igual a la cantidad de cables coaxiales (no mostrados explícitamente) que se requieren para recibir y transmitir señales. En la fig. 9, existen cuatro soportes 232 para cable y cuatro cables coaxiales (no mostrados explícitamente). Los cables coaxiales están alimentados por el extremo 218 de la antena de cavidad coaxial 210 mediante los soportes de cable 232. El conductor exterior del cable coaxial termina en el soporte de cable 232 y el conductor central sobresale pasando esta unión hacia el diafragma 226 que está conectado al conductor interno 212, tal como arriba descrito. El diafragma 226 y los soportes de cable 232 no están en contacto, aunque estos se muestran en estrechamente próximos.

En referencia seguidamente a la fig. 10, en otra configuración adicional de una antena según el presente invento se han "apilado" múltiples conjuntos de elementos de antena, tal como se muestra en las figs. 1, 4 y 8 para crear un sistema de antena. La fig. 10 ilustra un sistema de antena acumulado que incorpora una serie de conjuntos de antena 300 y 302 tal como descrito en referencia a la fig. 1. Los conjuntos de antena están posicionados de modo coaxial unos con otros alrededor de un eje 304 que pasa generalmente por el centro de cada conjunto circular. Los elementos de antena se suman a lo largo del eje 304 en la dirección Z usando una sola red de formación de haz. Tal configuración opera para comprimir el ancho de haz de elevación. Al "apilar" los conjuntos de esta manera, el sistema de antenas tiene una ganancia mas alta que los conjuntos de antena 10 y 110 de un solo cúmulo ilustrados en las figs. 1 y 4. Esta solución en el campo de visión en elevación para un incremento de ganancia es útil cuando el conjunto de antenas debes ser ubicado a una cierta distancia (distancia de "separación") de emisores potenciales de señal.

En referencia a la fig. 11, se muestra un conjunto apilado de antenas expandido 306 de una serie de conjuntos de antena 308-1 a 308-n. Estos conjuntos de antena están posicionados de modo coaxial uno respecto al otro alrededor de un eje 310 que generalmente pasa el centro de cada conjunto de antenas circular. Por cada refuerzo del área de antenas para el cúmulo 306 existe un incremento global de ganancia de 3 dB y una disminución del ancho de banda de acuerdo con la teoría de antenas de conjunto en fase. Este decaimiento en el ancho de haz se ilustra esquemáticamente en la fig. 11 con el patrón de radiación 312 para un solo conjunto de antenas. El patrón de antena 314 es representativo para un cúmulo de cuatro conjuntos de antena e ilustra el decaimiento del ancho de haz.

En referencia a la fig. 12 se muestra un diagrama de una configuración alterna de formadores de haz de matriz Butler incorporados con varias implementaciones de los conjuntos de antena del presente invento. Los elementos de antena 401 a 408 son parte de una conjunto de antenas 410. Los elementos de antena 401, 403, 405 y 407 están interconectados a una matriz Butler 412 de cuatro tomas de diseño convencional. Los elementos de antena 403 y 405 están conectados a una toma de la matriz Butler 412 en el extremo de baja frecuencia del elemento. Los elementos de antena 401 y 407 están conectados a la matriz Butler 412 en el extremo de alta frecuencia del elemento.

De manera similar, los elementos de antena 402, 404, 406 y 408 están conectados a una matriz Butler 414 de cuatro tomas. Todos los elementos de antena conectados a la matriz Butler 414 están conectados al extremo de alta frecuencia del elemento. Conectado a la matriz 412 hay un receptor de dos canales 416 que tiene unas salidas de canal 1 y 2, y conectado a la matriz Butler 414 hay un receptor de dos canales 418 que tiene sus salidas 3 y 4

El formador de haz de matriz Butler, tal como ilustrado en la fig. 12 proporciona distintos modos o progresiones en fase en cada una de sus salidas con elementos de antena conectados a las tomas tal como mostrado en la fig. 12. Estas progresiones de fase son N-ciclos en grados del ángulo de fase, en donde N es igual a la cantidad de elementos de antena en el conjunto. Cada modo está asociado a la salida apropiada en la matriz Butler. Se requiere como mínimo un receptor 416 o 418 de dos canales para medir por ejemplo dos modos. Cuando una señal de interés se recibe en el conjunto de antenas 410, el cruce de fase eléctrica en cero (grados) se mueve a lo largo del ángulo azimutal o campo de visión de la antena. Si se toma una medida a partir del modo cero o del modo cero mas uno y estos dos modos son sustraídos, el resultado es el ángulo de azimut o localización horizontal de un emisor en 360º de campo de visión. Esto es un determinación AOA rudimentaria que solamente usa información de fase. La información de amplitud se es requerida para determinar el nivel mas bajo de AOA. Sin embargo se puede usar información de amplitud para aumentar la precisión AOA por encima de la conseguida usando solamente información de fase.

Como se ilustra en las figs. 1, 4 y 10 el eje longitudinal de los elementos de antena es perpendicular al eje longitudinal del conjunto de antena circular. Referente a la fig. 13 los elementos de antena 510 están posicionados en un cierto ángulo respecto al eje longitudinal 512.

El total del eje longitudinal de los elementos de antena 510 (solamente se muestran dos) pueden estar en ángulo con respecto al eje 514 en un ángulo de inclinación \theta. El hecho de inclinar los elementos de antena 510 optimiza ganancia de señal y detección de rango dependiendo de la estructura de montaje de la antena. Por ejemplo, en una aplicación suspendida en donde los elementos tienen un patrón de plenos 360º en azimut, los elementos de antena cuando se les inclina hacia arriba del modo mostrado en la fig. 13, un ángulo de alrededor de 3 a 4 grados optimizará el funcionamiento de localización de dirección. No obstante, se debe aquí remarcar que aunque la fig. 13 ilustra los elementos de antena 510 angulados por encima del eje 514, estos elementos también pueden ser montados en un ángulo por debajo del plano del eje 514.

Refiriéndonos ahora a la fig. 14, existe esquemáticamente un conjunto de antena mostrado en el plano del eje horizontal 514. Los elementos de antena 516 están angulados hacia abajo a partir del eje 514 en un ángulo \theta. La fig. 14 ilustra los elementos de antena 516 angulados hacia abajo desde el eje 514, que es una variación del ángulo hacia arriba tal como ilustrado en la fig. 13. Los elementos de antena de la fig. 14 de las antenas coaxiales son tal como ilustrado y descrito haciendo referencia a las figs. 8 y 9.

En referencia otra vez a la fig. 11, los elementos de antena de cada conjunto de antenas 308-1 a 308-n pueden montarse en cierto ángulo respecto al plano del eje horizontal en tanto que todos los elementos estén angulados en la misma dirección respecto al eje 310.

Aunque el presente invento y sus ventajas se hayan aquí descritos en detalle se da por entendido que en él pueden hacerse varias modificaciones, sustituciones y alteraciones a partir del presente invento tal como se define en las reivindicaciones anexas.

Claims

1. Un sistema de antena que se compone de:

: una serie de placas de soporte (30) dispuestas en una

: configuración generalmente circular, teniendo cada una de las placas de soporte una superficie interna y una superficie externa de dichas placas de soporte, orientándose todas las superficies internas de dichas placas de soporte (30) hacia un centro de la configuración generalmente circular, y

: una serie de elementos (12) de antena, teniendo cada elemento de antena un extremo (18) de alta frecuencia y un extremo (16) de baja frecuencia, estando el extremo (16) de baja frecuencia de cada elemento (12) de antena montado a la superficie interna de una de la serie de placas de soporte (30), estando los extremos de alta frecuencia (18) de los elementos (12) orientados uno frente al otro y separados por una longitud de onda de la frecuencia de señal recibida en el extremo de alta frecuencia.

2. La antena según la reivindicación 1, en donde el espacio angular entre cada elemento de antena (12) en el plano de azimut es menor que \Delta, y en donde \Delta es la longitud de onda de una señal en un ancho de banda seleccionado.

3. Sistema de antenas según la reivindicación 1, caracterizado porque la cantidad de elementos de antena (12) es igual a 2^{N}, siendo N un número entero positivo.

4. Sistema de antena según la reivindicación 1, que comprende un número par de elementos de antena (12), estando los elementos de antena espaciados de modo equidistante alrededor de un plano de azimut del conjunto generalmente circular de tal modo que cada elemento de antena (12) está directamente opuesto a otro elemento de antena.

5. Sistema de antenas según la reivindicación 4, caracterizado porque cada par de elementos opuestos de antena tiene una polarización cruzada.

6. Sistema de antenas según la reivindicación 4, caracterizado porque cada par de elementos opuestos de antena es RF - transparente respecto al otro.

7. Sistema de antena según la reivindicación 1, caracterizado porque la serie de elementos de antena comprenden elementos logaritmo-periódicos.

8. Sistema de antenas según la reivindicación 7, caracterizado porque los elementos logaritmo-periódicos (12) tienen una ganancia mayor a cinco decibelios lineales isótropos.

9. Sistema de antenas según la reivindicación 7, caracterizado porque los elementos logaritmo-periódicos (12) tienen un ancho de banda superior a cuatro octavas.

10. Sistema de antenas según la reivindicación 7, caracterizado porque cada elemento logaritmo-periódico (12) comprende una polarización dual a lo largo de los planos verticales y horizontales.

11. Sistema de antenas según la reivindicación 7, caracterizado porque cada elemento periódico (12) comprende polarización dual a lo largo de planos separados en cuarenta y cinco grados desde planos
horizontales y verticales.

12. Sistema de antenas según la reivindicación 7, caracterizado porque cada elemento periódico (12) comprende una polarización simple, habiéndose elegido la polarización simple a partir del siguiente grupo: polarización vertical, polarización horizontal, polarización inclinada a +45, polarización inclinada a
-45, polarización circular a la izquierda, polarización circular a la derecha.

13. Sistema de antenas según la reivindicación 1 caracterizado porque en el mismo:

: cada uno de la serie de elementos de antena (12) comprende una pluralidad de elementos radiantes (24) que reciben y emiten señales electromagnéticas, disminuyendo la longitud de cada elemento radiante desde el extremo de baja frecuencia (16) al extremo de alta frecuencia (18).

14. Sistema de antenas según la reivindicación 13, en donde cada elemento de antena (12) tiene un eje longitudinal en el espacio angular entre el eje longitudinal de cada elemento de antena en el plano acimutal es menor a J, siendo en ello J la longitud de onda de una señal en el ancho de banda seleccionado.

15. Sistema de antenas según la reivindicación 13, en donde cada par de elementos de antena (12) opuestos tiene una polarización cruzada.

16. Sistema de antenas según la reivindicación 13, en donde los elementos de antena opuestos (12) son entre sí transparentes a la radiofrecuencia.

17. Sistema de antenas según la reivindicación 13, caracterizado porque la serie de elementos de antena (12) incorporan elementos logaritmo-periódicos.

18. Sistema de antenas de la reivindicación 17, en donde los elementos logaritmo-periódicos (12) tienen un ancho de banda mayor a cuatro octavas.

19. Sistema de antenas de la reivindicación 1, que comprende además:

: Una red formadora de haz que posee una serie de puertos de entrada y de salida igual a la cantidad de elementos de antena (12), estando acoplado cada elemento de antena a la red formadora de haz por vía de un respectivo puerto de entrada.

20. Sistema de antena según la reivindicación 19, caracterizado porque la red de formación de haz comprende una matriz Butler.

21. Sistema de antenas según la reivindicación 19 caracterizado porque la cantidad de elementos de antena (12) es igual a un múltiplo de cuatro, y

la red de formación de haz comprende una matriz Butler para cada conjunto de cuatro elementos de antena, estando acoplada cada matriz Butler a los cuatro elementos de antena seleccionados de tal modo que los elementos de antena se interpolan.

22. Sistema de antenas según la reivindicación 19, caracterizado porque la red de formación de haz comprende un formador lenticular Rotman.

23. Sistema de antenas según la reivindicación 1, que comprende además:

: un primer conjunto de antenas generalmente circular (300) que comprende una serie de elementos de antena (12) posicionados alrededor de un eje central (304), teniendo en ello cada elemento de antena (12) un extremo de recepción de alta frecuencia hacia el centro del conjunto generalmente circular, y por lo menos un conjunto de antenas (302) adicional generalmente circular que muestra una serie de elementos de antena (12), de los cuales por lo menos un conjunto circular de antenas suplementario es coaxial respecto al eje (304) del primer conjunto circular de antenas, y el cual está posicionado respecto a este último de tal modo que cada por lo menos un conjunto circular de antenas adicional (302) muestra un eje que es coaxial con el primer conjunto de antenas circular alrededor de un eje que por lo general pasa por un centro de cada conjunto circular de antenas.

24. Sistema de antenas según la reivindicación 23, además con una red de formación de haz, que muestra una serie de puertos de entrada que es igual a la cantidad de elementos de antena (12), en lo que cada elemento de antena (210) está conectado a la red de formación de haz a través del respectivo puerto de entrada.

25. Sistema de antenas según la reivindicación 23 en la cuál el número de elementos de antenas (210) es igual a un múltiplo de cuatro, y la red formadora de haz comprende una matriz Butler para cada conjunto de antenas, estando cada conjunto de antenas acoplado a cuatro elementos de antena seleccionados de tal manera que los elementos de antena se interpolan.

26. Sistema de antenas según la reivindicación 13, en el cual la configuración generalmente circular tiene un eje longitudinal (15) y cada uno de los elementos de antena (12) tiene un eje longitudinal (13) en esencia perpendicular respecto al eje longitudinal de la configuración circular.

27. Sistema de antenas según la reivindicación 13, en el cual la configuración generalmente circular tiene un eje longitudinal (15) y cada elemento de antena (12) tiene un eje longitudinal (13) en un ángulo \ominus respecto al eje longitudinal de la configuración circular.