ES2274073T3 - Antena de ranuras conicas de banda decimal y procedimientos de fabricacion y configuracion de la misma. - Google Patents
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Abstract
Un elemento de antena (12) que tiene una capa dieléctrica (18), una capa eléctricamente conductora (28) y un elemento conductor alargado (67), en el que la capa dieléctrica (18) tiene un orificio (49) a través de la misma, la capa eléctricamente conductora (28) está dispuesta adyacente a una superficie de dicha capa dieléctrica (18), teniendo dicha capa conductora (28) un entrante grabado en la misma que incluye una parte de balun (46) y una parte de ranura cónica (37), teniendo dicha parte de ranura (47) un extremo estrecho que se comunica con dicha parte de balun (46) y estando dicha parte de balun (46) alineada con dicho orificio (49) a través de dicha capa dieléctrica (18) y estando el elemento conductor alargado (67) directamente conectado a dicha capa conductora (28) y en el mismo plano que la misma, extendiéndose dicha capa conductora (28), por lo general, transversalmente respecto a dicha parte de ranura (47) en la zona de dicho extremo estrecho de la misma, en el que dicho orificio(49) a través de dicha capa dieléctrica (18) tiene sustancialmente el mismo tamaño y forma que dicha parte de balun (46) de dicho entrante de dicha capa conductora (28), incluyendo el elemento una capa conductora adicional (27) que tiene en la misma un entrante adicional, incluyendo dicho entrante adicional una parte de balun adicional (43) e incluyendo una parte de ranura adicional (44) que se comunica, en un extremo, con dicha parte de balun adicional (43), siendo dichas partes de ranura (44, 47) de dicho entrante de tamaño y forma similar y estando sustancialmente alineadas entre sí y teniendo dicha parte de balun adicional (43) sustancialmente la misma forma y tamaño que dicho orificio (49) a través de dicha capa dieléctrica (18) y estando alineada con el mismo.
Description
Antena de ranuras cónicas de banda decimal y
procedimientos de fabricación y configuración de la misma.
En general, esta invención se refiere a antenas
de ranuras cónicas y, más en particular, a un procedimiento y a un
aparato para obtener amplio rendimiento de banda en una antena de
ranuras cónicas.
Durante las últimas décadas, la tecnología de
las antenas ha experimentado un aumento en el uso de antenas que
utilizan una matriz de elementos de antena, del que un ejemplo es
una antena de elementos múltiples en fase. Las antenas de este tipo
tienen muchas aplicaciones en los mercados comerciales y de defensa,
tales como sistemas de radar y comunicaciones. En muchas de estas
aplicaciones, es aconsejable un rendimiento de banda ancha. Algunas
de estas antenas están diseñadas de manera que pueden cambiar entre
dos o más bandas de frecuencias distintas. Por lo tanto, en
cualquier momento dado, la antena sólo está funcionando en una de
dichas múltiples bandas. No obstante, a fin de conseguir realmente
un funcionamiento de banda ancha, la antena tiene que ser capaz de
funcionar de manera satisfactoria en una única banda de frecuencias
amplia, sin la necesidad de cambiar entre dos o más bandas de
frecuencias distintas.
Un tipo de elemento de antena que se ha
observado que funciona bien en una antena de elementos múltiples a
menudo se denomina un elemento de antena de ranuras cónicas.
Normalmente, la frecuencia en la que funciona la antena determina
el espacio entre los elementos de antena de una antena de elementos
múltiples y un elemento de antena de ranuras cónicas encaja
fácilmente dentro del espacio disponible para un elemento de antena
de muchas antenas de elementos múltiples.
La solicitud de patente europea EP 0.343.322
describe una antena que tiene un conductor plano y un plano de
tierra independiente del conductor plano y colocado en paralelo al
mismo. El plano de tierra tiene una ranura que se extiende en
transversal al conductor plano.
La patente estadounidense US 6.008.770 describe
una antena de ranura cónica que proporciona un patrón cónico que se
compone utilizando una función de distribución de
Fermi-Dirac.
Tan-huat Chio y col., en el
documento "Large wideband dual-polarized array
of Vivaldi; antennas with radome", Microwave conference
1999, Asia Pacific Singapore 30 November - 3 December 1999, págs.
92-95 (XP010374119), ISBN:
0-7803-5761-2,
describen una antena de ranuras cónicas que tiene dos planos de
tierra, con un dieléctrico entre ellos, a los que se proporciona una
alimentación de línea de cinta.
Los elementos de antena de ranuras cónicas
existentes, normalmente tienen un ancho de banda de,
aproximadamente, 3:1 a 4:1, aunque algunos tienen un ancho de banda
que se aproxima a 6:1. Si bien dichos elementos de antena de
ranuras cónicas existentes, por lo general, han sido adecuados para
los fines deseados, no han sido satisfactorios en todos los
aspectos. En este sentido, existen aplicaciones en las que es
aconsejable que un elemento de antena de ranuras cónicas
proporcione un rendimiento de banda ancha que conlleve una banda
ancha cercana a 10:1 o incluso mayor. Los diseños y técnicas de
diseño existentes no han podido proporcionar un elemento de antena
de ranuras cónicas que se aproxime a este nivel deseado de
rendimiento de banda ancha.
A partir de lo anterior, se puede entender que
es necesario un procedimiento y un aparato que contribuyan, en un
elemento de antena de ranuras cónicas, a un rendimiento de banda
ancha que ofrezca una banda ancha sustancialmente superior a la que
tienen los elementos de antena de ranuras cónicas preexistentes.
Un aspecto de la presente invención proporciona
un elemento de antena según se expone en la reivindicación 1.
Según un aspecto complementario de la invención
se proporciona un procedimiento según se expone en la reivindicación
25.
La presente invención se entenderá mejor gracias
a la descripción detallada que aparece a continuación, teniendo en
cuenta los dibujos adjuntos, en los que:
la Figura 1 es una vista esquemática frontal
parcial de un aparato que incorpora aspectos de la presente
invención, que incluye un elemento de antena y parte de un
radomo,
la Figura 2 es una vista esquemática posterior
parcial del aparato 10,
la Figura 3 es una vista esquemática en
sección tomada a lo largo de la línea divisoria 3-3
de la Figura 1,
la Figura 4 es una vista esquemática delantera
en sección parcial del aparato de la Figura 1, tomada a lo largo de
un plano central de la misma,
la Figura 5 es un gráfico que muestra la forma
de un borde de una parte de ranura que es parte del elemento de
antena de la Figura 1,
la Figura 6 es una vista esquemática en
perspectiva parcial que muestra una parte del lateral trasero del
elemento de antena 12 a escala ampliada,
la Figura 7 es una vista esquemática en
perspectiva parcial que muestra a escala ampliada una parte de
extremo exterior del aparato de la Figura 1,
la Figura 8 es una vista muy esquemática del
aparato de la Figura 1, que muestra una característica de refracción
que producen determinadas capas dieléctricas del radomo del
mismo,
la Figura 9 es un gráfico que muestra la
pérdida de retorno en el barrido del plano E en función de la
frecuencia del aparato de la Figura 1,
la Figura 10 es un gráfico que muestra la
pérdida de retorno en el barrido del plano H en función de la
frecuencia del aparato de la Figura 1,
la Figura 11 es un diagrama de bloques que
muestra secciones funcionales del aparato de la Figura 1,
la Figura 12 es una vista esquemática de una
línea de transmisión segmentada que sirve de modelo para analizar
una línea de ranura presente en el aparato de la Figura 1,
la Figura 13 es una vista esquemática, a escala
ampliada, de las partes de extremo de cuatro de los segmentos de la
línea de transmisión de la Figura 12 y, asimismo, muestra en líneas
discontinuas cómo se puede triplicar la cantidad de segmentos
mediante interpolación,
la Figura 14 es una vista esquemática de uno de
los segmentos de la línea de transmisión de la Figura 12,
representado en forma teórica,
la Figura 15 es un diagrama de flujo que resume
una técnica de optimización que se ha usado al diseñar el aparato de
la Figura 1,
la Figura 16 es una vista esquemática frontal
de un elemento de antena que es una forma de realización alternativa
del elemento de antena de la Figura 1,
la Figura 17 es una vista esquemática en
perspectiva de un elemento de antena que sigue siendo otra forma de
realización alternativa del elemento de antena de la Figura 1,
la Figura 18 es una vista esquemática en
sección tomada a lo largo de la línea divisoria
18-18 de la Figura 17 y
la Figura 19 es una vista esquemática desde
arriba en sección parcial de una línea de cinta coaxial que es un
componente del elemento de antena de la Figura 17.
La Figura 1 es una vista esquemática frontal
parcial de un aparato 10 que incluye un elemento de antena 12 y
parte de un radomo 13. En la forma de realización que se describe,
el aparato 10 está configurado para su uso en un sistema de antena
de elementos múltiples en fase que no se ilustra. El sistema de
antena incluye una pluralidad de los elementos de antena 12
dispuestos en una matriz bidimensional de filas y columnas e incluye
un radomo que se extiende sobre todos los elementos de antena,
mostrándose una parte de dicho radomo en la Figura 1 con el número
13.
La Figura 2 es una vista esquemática posterior
parcial del aparato 10 y la Figura 3 es una vista esquemática en
sección tomada a lo largo de la línea divisoria 3-3
de la Figura 1. Como se observa mejor en la Figura 3, el elemento
de antena 12 incluye dos capas adyacentes y paralelas 17 y 18 de un
material dieléctrico. En la forma de realización que se describe,
cada capa dieléctrica tiene una constante dieléctrica (Er) de,
aproximadamente, 3,0. Las capas dieléctricas 17 y 18 están unidas
entre sí por medio de una fina capa 19 de película adhesiva, que es
de un tipo muy conocido en la técnica. Cada una de las capas
dieléctricas 17 y 18 tiene un grosor de, aproximadamente, 20
milipulgadas (0,508 milímetros). La película adhesiva 19 tiene un
grosor de aproximadamente 2 a 3 milipulgadas (0,0508 a 0,0762
milímetros).
\newpage
La Figura 4 es una vista esquemática delantera
en sección parcial del aparato 10, tomada a lo largo de un plano
central que se extiende entre las capas dieléctricas 17 y 18, con la
película adhesiva 19 omitida a efectos de claridad. La capa
dieléctrica 17 tiene en el lateral delantero de la misma un primer
plano de tierra 26 (Figura 1), la capa dieléctrica 18 tiene en el
lateral trasero de la misma un segundo plano de tierra 27 (Figura
2) y la capa dieléctrica 18 tiene en el lateral delantero de la
misma un tercer plano de tierra definido por tres partes
independientes 28A, 28B y 28C (Figura 4), que, a veces, en la
presente memoria descriptiva, se denominan en conjunto un plano de
tierra 28.
Cada uno de los planos de tierra 26 y 27 son
capas de metal electrodepositado con un fino recubrimiento de oro en
el lateral exterior de las mismas para resistir la corrosión. Cada
uno de los planos de tierra 26 y 27 tiene un grosor total que es
de, aproximadamente, 1 a 2 milipulgadas (0,0254 a 0,0508
milímetros). El plano de tierra 28 es una capa de metal
electrodepositado que tiene un grosor de, aproximadamente, 0,5 a 1
milipulgadas (0,0127 a 0,0254 milímetros).
El plano de tierra 26 tiene un entrante grabado
a través del mismo y dicho entrante incluye una parte de balun 36 y
una parte de ranura 37. La parte de balun 36 del entrante es,
aproximadamente, rectangular, excepto que tiene esquinas que están
ligeramente redondeadas. Tiene una dimensión de longitud 38 y una
dimensión de anchura 39. En la forma de realización que se
describe, la dimensión de longitud 38 es un cuarto de la longitud de
onda deseada. La forma de realización de las Figuras 1 a 4 está
optimizada para su uso en un intervalo de frecuencias de,
aproximadamente, 1,8 GHz a 18 GHz y la dimensión de longitud 38 es,
aproximadamente, un cuarto de la longitud de onda de una frecuencia
intermedia de, aproximadamente, 10 GHz. La dimensión de anchura 39,
de la forma de realización que se ha descrito, está en el intervalo
de, aproximadamente, un cuarto de esta longitud de onda a,
aproximadamente, tres octavos de esta longitud de onda. Es decir, la
dimensión de anchura 39 es al menos tan grande como la dimensión de
longitud 38, pero se mantiene algo más reducida de un medio de
longitud de onda a fin de evitar características de funcionamiento
potencialmente desaconsejables.
En general, es aconsejable que la dimensión de
anchura 39 sea la mayor posible dentro de las limitaciones
indicadas. No obstante, como cuestión práctica, cuando la frecuencia
de funcionamiento de un sistema de antena de elementos múltiples en
fase aumenta progresivamente, el tamaño de la matriz debe disminuir
progresivamente, porque el espacio disponible para cada elemento de
antena es, aproximadamente, un medio de la longitud de onda de la
frecuencia de funcionamiento más alta. Por lo tanto, según disminuye
progresivamente el espacio disponible para cada elemento de antena
12, también disminuye progresivamente la cantidad máxima de espacio
disponible para la dimensión de anchura 39 de la parte de balun 36.
Por lo tanto, en la Figura 1, la dimensión de anchura 39 es,
aproximadamente, el 5% mayor que la dimensión de longitud 38, pero
no del 50% al 70% mayor, debido a las limitaciones de espacio
impuestas por el intervalo de frecuencias de funcionamiento del
sistema de antena.
Volviendo a la parte de ranura 37 del entrante
del plano de tierra 26, la parte de ranura 37 tiene un extremo
estrecho que se comunica con la parte de balun 36 a lo largo de uno
de los laterales lineales de la parte de balun 36, en una posición
separada de cada extremo de ese lateral lineal. El extremo opuesto
de la parte de ranura 37 es considerablemente más ancho que el
extremo estrecho. Las formas de los bordes de la parte de ranura 37
se analizarán más detalladamente en relación con la Figura 5.
Más específicamente, la Figura 5 es un gráfico
que muestra la forma de un borde de la parte de ranura 37, en la que
el eje horizontal representa la línea central de la ranura, desde el
extremo de la parte de balun 36 al extremo del radomo 13. El eje
vertical de la Figura 5 representa la mitad de la anchura de la
ranura, es decir, la distancia desde el borde de la ranura hasta la
línea central. Los bordes de la parte de ranura 37 son imágenes
espectrales de cada uno de ellos respecto a la línea central de la
ranura y, por lo tanto, en el gráfico de la Figura 5 sólo se
representa uno de estos bordes.
Se observará en el Figura 5 que los bordes de la
parte de ranura 37 no siguen una curva exponencial pura de primer
orden. Por el contrario, los bordes de ranura tienen una forma que
se ha configurado cuidadosamente para reducir al mínimo las
reflexiones y reducir la pérdida de retorno de un modo que facilita
un ancho de banda amplio superior a 10:1. La técnica que se ha
usado para configurar la forma del borde de ranura se describe en
detalle más adelante. Por el momento, basta con observar
determinadas características de la forma específica que se muestra
en la Figura 5 correspondiente a la parte de ranura 37. Más
específicamente, se puede ver que la parte más estrecha 41 de la
parte de ranura 37 no está exactamente en el extremo de la parte de
ranura que se junta con la parte de balun 36, sino que está separada
de este extremo una pequeña distancia. Esta parte estrecha 41
proporciona una zona de mayor capacitancia. Asimismo, hacia el
extremo opuesto de la parte de ranura 37, hay una discontinuidad 42
considerable, que se analiza más adelante. Además, cada borde de la
parte de ranura 37 es algo "ondulado" en la sección desde la
parte de balun 36 hasta la discontinuidad 42 que no es una
sinuosidad aleatoria, sino que es una forma cuidadosamente
configurada que reduce las reflexiones y la pérdida de retorno a fin
de aumentar el ancho de banda y mejorar el rendimiento.
En líneas generales, la curva que se muestra en
la Figura 5 se puede describir, aproximadamente, como una curva
exponencial de primer orden que tiene al menos una característica de
orden superior superpuesta en la característica de primer orden y
de hecho la curva específica de la Figura 5 tiene una serie de
características de orden superior superpuestas en la característica
de primer orden. En este sentido, usando técnicas muy conocidas de
adaptación de curvas, la curva específica que se muestra en la
Figura 5 se puede expresar en forma de la ecuación siguiente, en la
que los coeficientes de la ecuación se exponen en la Tabla 1.
\text{Mitad de
la anchura}(x) \cong \frac{1}{2}
\sum\limits^{21}_{i=0}a_{i}x^{i}
Nuevamente haciendo referencia a las Figuras 2 y
4, el plano de tierra 27 tiene a través del mismo un entrante que
incluye una parte de balun 43 y una parte de ranura 44 y el plano de
tierra 28 tiene a través del mismo un entrante que incluye una
parte de balun 46 y una parte de ranura 47. Todas las partes de
ranura 37, 44 y 47 tienen el mismo tamaño y forma, en particular, la
forma que se ha descrito anteriormente en relación con la Figura 5.
Además, todas las partes de ranura 37, 44 y 47 están alineadas
exactamente entre sí. De un modo similar, todas las partes de balun
36, 43 y 46 tienen el mismo tamaño y forma y están alineadas
exactamente entre sí. Cada una de las capas dieléctricas 17 y 18
tiene, a través de las mismas, una abertura aproximadamente
rectangular, que tiene el mismo tamaño y forma que las partes de
balun 36, 43 y 46 y que está alineada con las partes de balun 36, 43
y 46. En conjunto, las aberturas alineadas de forma aproximadamente
rectangular de los tres planos de tierra y las dos capas
dieléctricas definen un orificio de balun 49 de forma
aproximadamente rectangular que se extiende completamente a través
del elemento de antena 12.
La Figura 6 es una vista esquemática en
perspectiva parcial que muestra una parte del lateral trasero del
elemento de antena 12 a escala ampliada. La abertura de balun 49 a
través del elemento de antena 12 está recubierta de un material
eléctricamente conductor, de tal manera que una tira 51 de dicho
material conductor se extiende a lo largo de los bordes del
orificio de balun. Los extremos de la tira 51 están separados a fin
e definir una ranura 52 alineada con los extremos estrechos de las
partes de ranura 37, 44 y 47. La tira 51 se extiende entre los
planos de tierra 26 y 27 y está eléctricamente acoplada a los mismos
y, asimismo, está en contacto eléctrico con el plano de tierra
28A.
El elemento de antena 12 también tiene sus
bordes laterales opuestos recubiertos de un material eléctricamente
conductor, de tal manera que tiras respectivas 53 y 54 de dicho
material conductor se extienden toda la longitud de los elementos
dieléctricos, 17 a 18 y, asimismo, se extienden entre cada uno de
los planos de tierra 26 y 27 y están acoplados eléctricamente a
cada uno de los mismos. La tira 53 también está en contacto
eléctrico con el plano de tierra 28A a lo largo de toda su longitud
y la tira 54 está en contacto eléctrico con cada uno de los planos
de tierra 28B y 28C.
Las capas dieléctricas 17 y 18 tienen aberturas
respectivas en cuña 57 y 58 a través de las mismas, que tienen
forma y tamaño idénticos y que están alineadas entre sí. Las
aberturas 57 y 58 empiezan en los extremos exteriores de los
elementos dieléctricos 17 y 18 y disminuyen progresivamente en
anchura en una dirección hacia el orificio de balun 49. Los
laterales cónicos de las aberturas 57 y 58 están separados hacia
adentro desde los bordes cónicos de las partes de ranura 37, 44 y
47. En una dirección a lo largo de la línea central de las partes
de ranura 37, 44 y 47, los extremos interiores de las aberturas 57 y
58 están, aproximadamente, alineados con la discontinuidad 42
(Figura 5). La discontinuidad 42 compensa en cierta medida una
discontinuidad de impedancia que tiene lugar dentro del material
dieléctrico debido al inicio de las aberturas 57 y 58 en sus
extremos izquierdos. La capa 19 de película adhesiva (Figura 3)
tiene una abertura en cuña a través de la misma que es idéntica, en
tamaño y forma, a las aberturas 57 y 58 y que está alineada con las
aberturas 57 y 58.
El plano de tierra 28 (Figura 4) tiene, además
del entrante que incluye la parte de balun 46 y la parte de ranura
47, un entrante adicional 66 que es un conducto alargado que se
extiende desde un extremo interior de la capa dieléctrica 18
alrededor de la parte de balun 46 y se junta con el extremo estrecho
de la parte de ranura 47. El conducto 66 se comunica, a lo largo de
un lateral, con la parte de balun 46, sin embargo, alternativamente,
sería posible que una parte del plano de tierra 28A se extendiera
entre ellos.
Una tira conductora alargada 67 se extiende a
través del conducto 66, de tal manera que un extremo está dispuesto
en el extremo interior de la capa dieléctrica 18 situado en el
lateral izquierdo de la Figura 1 y el otro extremo se extiende a
través del extremo estrecho de la parte de ranura 47 y está
puenteado directamente al plano de tierra 28A. La tira conductora
67 y el plano de tierra 28A se analizan en la presente memoria
descriptiva como si fueran partes físicamente separadas, porque
cumplen funciones operacionales diferentes en el elemento de antena
12. No obstante, como cuestión práctica, el plano de tierra 28A y la
tira conductora 67 son simplemente partes integrales diferentes de
la misma capa conductora.
En relación con la Figura 1, se proporciona una
muesca aproximadamente semicircular 71 a través del plano de tierra
26 y de la capa dieléctrica 17, a fin de dejar al descubierto una
parte de extremo de la tira conductora 67, y una parte de extremo
de cada una de las partes 28A y 28C del plano de tierra 28. Esto
permite que un contacto de una disposición de conectores que no se
ilustra engrane, respectivamente, con la tira 67 y con las partes
de plano de tierra 28A y 28C a fin de acoplar eléctricamente la tira
conductora 67 del elemento de antena 12 a un sistema de circuitos
del sistema de antena que se conoce en la técnica y que, por lo
tanto, no se muestra en los dibujos. En el caso del elemento de
antena 12 que se muestra en la Figura 1, el sistema de circuitos
del sistema de antena, que no se ilustra, está acoplado
eléctricamente a la disposición de planos de tierra interconectados
por medio del engranaje directo de un armazón de metal del sistema
de antena con uno o más de los planos de tierra exteriores 26 a 27 y
con las tiras conductoras 53 a 54.
La tira conductora 67 hace las veces de elemento
conductor del tipo que comúnmente en la técnica se denomina una
línea de cinta y porta señales que está transmitiendo el elemento de
antena 12 o que está recibiendo el mismo. La conexión directa entre
el plano de tierra 28A y un extremo de la línea de cinta 67
representa una terminación eléctrica de ese extremo de la línea de
cinta 67. Dado que la línea de cinta 67 termina directamente en el
plano de tierra 28, donde la línea de cinta 67 se extiende a través
de la parte de ranura 47, se reducen al mínimo las reactancias en
comparación con los dispositivos preexistentes, en los que la línea
de cinta está acoplada por medio de una vía al plano de tierra del
lateral opuesto de una capa dieléctrica o en los que la línea de
cinta termina en un tipo de estructura de terminación independiente
diseñada para producir una resonancia de onda estacionaria.
Una pluralidad de vías se extiende a través de
ambas capas dieléctricas 17 y 18 en una serie de posiciones
diferentes, a fin de acoplar eléctricamente los tres planos de
tierra 26 a 28. Tres de las vías están identificadas con los
números de referencia 76, 77 y 78. Las vías facilitan un control
exacto sobre las características de impedancia dentro de las partes
de ranura 37, 44 y 47 y a lo largo de la línea de cinta 67 y,
asimismo, ayudan a reducir o eliminar el grado en que los campos
electromagnéticos pueden formar modos paralelos de guías de ondas y
placas dentro del material dieléctrico. Una de las vías que se
ilustran está identificada con el número de referencia 79 y tiene
un diámetro ligeramente superior al del resto de las vías. La vía 79
está dispuesta muy adyacente al punto en el que un extremo de la
línea de cinta 67 termina directamente dentro de la parte de plano
de tierra 28A y sirve para garantizar que dicho extremo de la línea
de cinta 67 termina de manera directa y segura, no sólo en el plano
de tierra central 28, sino también en los dos planos de tierra
exteriores 26 a 27. Se observará que una fila respectiva de las vías
se extiende adyacente a cada borde de las partes de ranura 37, 44 y
47, con espacios aproximadamente uniformes desde cada vía hasta el
borde de las partes de ranura y con espacios aproximadamente
uniformes entre vías adyacentes. Detrás de cada una de estas filas,
a lo largo de la mayor parte de la longitud de las mismas, hay una
fila adicional de vías.
La Figura 7 es una vista esquemática en
perspectiva parcial de la parte de extremo exterior del aparato 10,
a escala ampliada. Como se ve mejor en la Figura 7, el radomo 13
incluye una capa dieléctrica 91 que está acoplada de manera fija a
un extremo exterior del elemento de antena 12 por medio de una
película adhesiva 92, una segunda capa dieléctrica 93 que está
acoplada de manera fija a la capa dieléctrica 91 por medio de una
película adhesiva 94 y una tercera capa dieléctrica 97 que está
acoplada de manera fija a la capa dieléctrica 93 por medio de una
película adhesiva 98. Las películas adhesivas 92, 94 y 98 son
materiales de un tipo conocido en la técnica. La capa dieléctrica
97 es relativamente fina y, principalmente, hace las veces de
cubierta protectora exterior.
\newpage
En la forma de realización de la Figura 7, las
capas dieléctricas 91, 93 y 97 tienen grosores respectivos de 120
milipulgadas (3,048 milímetros), 60 milipulgadas (1,524 milímetros)
y 2 milipulgadas (0,0508 milímetros) y tienen constantes
dieléctricas (Er) respectivas de 1,08, 1,3 y 3,6. Alternativamente,
las capas dieléctricas 91, 93 y 97 podrían tener grosores
respectivos de 60 milipulgadas (1,524 milímetros), 120 milipulgadas
(3,048 milímetros) y 2 milipulgadas (0,0508 milímetros) y
constantes dieléctricas respectivas de 1,3, 1,08 y 3,6. Las capas
dieléctricas 91 y 93 son transmisivas a la radiación que está
transmitiendo el elemento de antena 12 o que está recibiendo el
mismo. Además, las capas dieléctricas 91 y 93 producen un grado de
refracción de dicha radiación, como se analiza más detalladamente
más adelante. Las capas dieléctricas 91 y 93 también pueden
producir un grado de equiparación de impedancia entre el extremo
amplio adyacente de las partes de ranura situado en un lateral de de
las mismas y el espacio libre situado en el otro lateral de las
mismas.
En este sentido, y en relación con la Figura 4,
cuando se aplica una señal eléctrica al extremo izquierdo de la
línea de cinta 67, la señal se desplaza a través de la línea de
cinta hasta su extremo opuesto, en el que la línea de cinta se
extiende transversalmente a través de la parte de ranura 47. En este
caso, la señal eléctrica genera un campo electromagnético alrededor
de la línea de cinta, que tiende a intentar desplazarse en
direcciones opuestas dentro de la "línea de ranura" que definen
las partes de ranura 37, 44 y 47. La línea de ranura aumenta de
impedancia, aproximadamente, de manera progresiva del extremo
izquierdo de la misma hacia el extremo derecho de la misma, de una
impedancia de, aproximadamente, 50 ohmios en la zona de la línea de
cinta 67 a una impedancia de, aproximadamente, 340 a 350 ohmios en
el extremo exterior amplio. La línea de cinta 67 y el sistema de
circuitos del sistema de antena, que no se ilustra, al que está
acoplada están igualados, a fin de proporcionar una impedancia
uniforme considerable de, aproximadamente, 50 ohmios desde el
sistema de circuitos a través de la línea de cinta 67 hasta la línea
de ranura. El espacio libre pasado el extremo derecho del aparato
10 tiene una impedancia de, aproximadamente, 377 ohmios, para una
célula bidimensional unitaria cuadrada que representa espacios
uniformes en ambas direcciones de la matriz bidimensional de los
elementos de antena 12 dentro del sistema de antenas de elementos
múltiples en fase. La línea de ranura produce una transformación de
impedancia de un valor de, aproximadamente, 50 ohmios en el extremo
izquierdo, que está igualado a la impedancia de la línea de cinta
67, a un valor de, aproximadamente, 360 a 370 ohmios en el extremo
derecho, que se aproxima bastante a la impedancia del espacio
libre.
El uso de tres planos de tierra 26 a 28
proporciona más material conductor a lo largo de los bordes de la
línea de ranura que en las disposiciones preexistentes que sólo
tienen uno o dos planos de tierra, que a su vez proporciona mayor
capacitancia dentro de la línea de ranura. La mayor capacitancia
permite que el extremo estrecho de la línea de ranura sea
ligeramente más amplio que en los dispositivos preexistentes, a la
vez que sigue consiguiendo una impedancia de 50 ohmios que está
igualada a la impedancia de la línea de cinta 67. En la medida en
que el extremo más estrecho de la línea de ranura se puede ampliar,
la fabricación de los planos de tierra 26 a 28 es más sencilla,
debido al hecho de que las tolerancias que tienen que ver con las
técnicas de grabado correspondientes a los planos de tierra son
fijas.
Las aberturas en cuña 57 y 58 dentro de las
capas dieléctricas 17 y 18 y la abertura en cuña congruente dentro
de la capa adhesiva 19, ayudan a facilitar dicha transformación de
impedancia, reduciendo la cantidad de material dieléctrico y de
película adhesiva dispuesta dentro de la línea de ranura en el
extremo derecho de la misma. Por lo tanto, en el extremo derecho
del elemento de antena 12, la impedancia dentro de la línea de
ranura se aproximará mucho más a la impedancia del espacio libre
situado pasado el extremo derecho del aparato 10 de lo que
ocurriría si se eliminaran las aberturas 57 y 58 y el extremo
derecho de la línea de ranura estuviera completamente relleno de
material dieléctrico. Esto se debe al hecho de que el aire tiene una
impedancia algo superior al material dieléctrico y el proporcionar
aberturas 57 y 58 sustituye por aire lo que de otro modo sería
material dieléctrico.
Como se ha mencionado anteriormente, el orificio
de balun 49 está diseñado de manera que la dimensión de anchura 39
(Figura 1) es lo más grande posible en la zona en la que la línea de
ranura se junta con el orificio de balun 49, hasta, aproximadamente,
tres octavos de una longitud de onda deseada. Esto está pensado para
proporcionar la mayor discontinuidad de impedancia posible entre el
orificio de balun 49 y el extremo estrecho de la línea de ranura.
Esta gran discontinuidad se facilita por el hecho de que la línea de
ranura se junta con el orificio de balun 49 a través de un lateral
del orificio de balun 49 que es, aproximadamente, lineal y en una
posición separada de ambos extremos de dicho lateral lineal.
En la forma de realización que se describe, el
orificio de balun tiene una impedancia de, aproximadamente, 300
ohmios, que representa una discontinuidad relativamente grande
respecto a la impedancia de 50 ohmios del extremo adyacente de la
línea de ranura. Como se ha indicado anteriormente, los campos
electromagnéticos que genera la línea de cinta 67 donde cruza la
línea de ranura tenderán a querer desplazarse en ambas direcciones
a lo largo de la línea de ranura. No obstante, la gran
discontinuidad de impedancia entre el orificio de balun 49 y el
extremo izquierdo de la línea de ranura hará que la mayoría de dicha
energía electromagnética se desplace hacia la derecha en lugar de
hacia la izquierda a lo largo de la línea de ranura y que se
transmita en el espacio libre. En la medida en que una parte
pequeña de la energía electromagnética se desplaza hacia la
izquierda, el orificio de balun 49 tiene una dimensión de longitud
que es, aproximadamente, un cuarto de longitud de onda (como se ha
analizado anteriormente) y esto crea una onda estacionaria de
circuito abierto que también tiende a hacer que la energía
electromagnética se desplace hacia la derecha dentro de la línea de
ranura.
Como se ha analizado anteriormente en relación
con la Figura 6, el borde interior del orificio de balun 49 está
recubierto de una tira conductora 51, excepto en la línea de ranura.
La tira 51 ayuda a evitar que los campos electromagnéticos,
presentes dentro del orificio de balun 49, entren en el material
dieléctrico de las capas 17 y 18, lo que ayuda a aumentar el ancho
de banda del sistema. Por consiguiente, la tira 51 ayuda a
establecer la onda estacionaria o condición de resonancia respecto a
la energía electromagnética dentro del orificio de balun 49 que, a
su vez, ayuda a dirigir la energía electromagnética hacia la derecha
dentro de la línea de ranura. En cierto modo, el orificio de balun
49 es un orificio inductor sintonizado, que puede funcionar sobre un
ancho de banda de 10:1 sin ajuste eléctrico ni estructural.
En la forma de realización que se describe, el
orificio de balun 49 no tiene material dieléctrico dentro del mismo.
Por lo tanto, el orificio de balun 49 está relleno de aire, en lugar
de material dieléctrico. Respecto a una frecuencia determinada, la
longitud de onda de la radiación electromagnética es superior en
aire de lo que sería en material dieléctrico. Por consiguiente, si
el orificio de balun 49 está hecho lo más amplio posible a fin de
potenciar al máximo la discontinuidad de impedancia entre el
orificio de balun y el extremo adyacente de la línea de ranura, una
anchura determinada será menor que un medio de longitud de onda
cuando el orificio de balun esté relleno de aire de lo que sería si
el orificio de balun estuviera relleno de material dieléctrico.
Cuando la radiación electromagnética llega al
extremo derecho del elemento de antena 12, pasa a través del radomo
13 y se emite al espacio libre. Como se ha mencionado anteriormente,
las capas dieléctricas 91 y 93 del radomo 13 imparten un grado de
refracción a dicha radiación dieléctrica. Dicha refracción se
produce respecto a los frentes de onda que transmite o recibe el
sistema de antena que están orientados en un ángulo respecto a la
línea de calibración del sistema de antena, que es paralela a las
líneas centrales de las partes de ranura de los elementos de
antena. Los frentes de onda que son perpendiculares a la línea de
calibración del sistema de antena y, por lo tanto, perpendiculares a
las líneas centrales de las partes de ranura de los elementos de
antena, no están sometidos a refracción, es decir, se pueden ver
como que experimentan una refracción de 0º. El análisis siguiente de
la refracción supone que los frentes de onda afectados están
orientados en un ángulo respecto a la línea de calibración del
sistema de antena y respecto a las líneas centrales de las partes de
ranura de los elementos de antena.
En este sentido, la Figura 8 es una vista muy
esquemática del aparato 10 que incluye tanto el elemento de antena
12 como el radomo 13. La flecha 111 representa radiación
electromagnética que se está desplazando hacia fuera a través de la
línea de ranura. Cuando la radiación pasa a través de la superficie
de contacto entre el elemento de antena 12 y la capa dieléctrica 91,
se refracta hasta un grado tal que se desplaza en una dirección
ligeramente diferente, como se indica esquemáticamente en la Figura
8 con la flecha 112. Del mismo modo, cuando la radiación pasa a
través de la superficie de contacto entre la capa dieléctrica 91 y
el dieléctrico 93, experimenta un mayor grado de refracción que
aumenta aún más su ángulo, como se indica esquemáticamente con la
flecha 113. Posteriormente, cuando dicha radiación pasa a través de
la superficie de contacto entre la capa dieléctrica 93 y el espacio
libre, se refracta un poco más, de manera que se desplaza en un
ángulo ligeramente mayor, como se indica esquemáticamente con la
flecha 114. Dicha refracción dentro del radomo 13 permite que el
aparato 10 funcione de manera más eficaz sobre un ángulo de barrido
más amplio, que en la forma de realización que se describe es de,
aproximadamente, 50º a 60º. En cierto modo, la refracción hace que
una parte de la radiación transmitida a cada borde del ángulo de
barrido tenga un nivel de potencia efectiva mayor de lo que sería
sin dicha refracción.
El proporcionar las aberturas en cuña 57 y 58 en
la capa dieléctrica del elemento de antena 12 permite el uso de
constantes dieléctricas inferiores para las capas dieléctricas 91 y
93 del radomo 13 de lo que serían. Esto, a su vez, reduce el grado
en que la energía electromagnética se desvía en ondas superficiales
transversales dentro de las capas dieléctricas, por ejemplo como se
indica esquemáticamente con una flecha de líneas discontinuas 117,
que a su vez reduce o evita un efecto al que a veces se denomina
ceguera de barrido.
Si bien el análisis anterior de la refracción se
ha presentado en el contexto de radiación transmitida, los expertos
en la materia reconocerán que la radiación recibida también se
somete a refracción. Por ejemplo, en la Figura 8, el número de
referencia 121 representa esquemáticamente radiación que se está
aproximando al elemento de antena 12 en un ángulo respecto a la
línea central de las partes de ranura del elemento de antena 12.
Cuando dicha radiación pasa a través del radomo 13 y entra en el
elemento de antena 12, la radiación se refracta progresivamente,
como se indica esquemáticamente con las flechas 122, 123 y 124,
hasta que la radiación se está desplazando a través de la parte de
ranura del elemento de antena 12, aproximadamente, en paralelo a la
línea central.
La Figura 9 es un gráfico que muestra la pérdida
de retorno en función de la frecuencia, correspondiente a la forma
de realización de las Figuras 1 a 8, de lo que en la técnica se
conoce como barrido del plano E. Dado que la pérdida de retorno es
un modo estándar de expresar la cantidad de reflexión, es
aconsejable que la pérdida de retorno sea lo más baja posible. Se
observará que el aparato 10 proporciona una pérdida de retorno que
continuamente está por debajo de -10dB para una anchura de barrido
de 60º a través de un ancho de banda de, aproximadamente, 1,8 GHz
a, aproximadamente, 17,5 GHz. Los expertos en la materia reconocerán
que, expresado según otro estándar industrial, la forma de
realización de las Figuras 1 a 8 proporciona un ancho de banda de al
menos 10:1 para -9,5dB (VSWR inferior a 2).
La Figura 10 es un gráfico similar a la Figura
9, pero que muestra una pérdida de retorno de lo que comúnmente se
conoce en la técnica como barrido del plano H. La Figura 10 muestra
que el aparato 10 proporciona una pérdida de retorno de -10dB a
través de una anchura de barrido de 45º a 50º de una frecuencia de,
aproximadamente, 3,5 GHz a una frecuencia superior a 18 GHz.
Si bien el análisis anterior se ha presentado
principalmente en el contexto de señales que está transmitiendo el
aparato 10 de la Figura 1, el aparato 10 es igualmente adecuado para
su uso en la recepción de señales electromagnéticas. Los expertos
en la materia entenderán gracias al análisis anterior de transmisión
de señal cómo funcionaría el aparato 10 a efectos de recepción de
señal.
Las características de rendimiento ventajosas,
tales como las que reflejan las Figuras 9 y 10, se deben en parte a
la forma determinada para los bordes de las partes de ranura 37, 44
y 47, que en conjunto hacen las veces de línea de ranura del
elemento de antena 12. A continuación se dará una explicación de
cómo se determina la forma de los bordes de las partes de
ranura.
En este sentido y en relación con las Figuras 1
y 4, el aparato 10 está conceptualmente dividido en tres secciones
funcionales a fin de llevar a cabo un análisis que determina una
forma óptima para los bordes de las partes de ranura. Más
específicamente, una sección funcional se denomina balun y
corresponde, aproximadamente, al orificio de balun 49 y a la línea
de cinta conductora 67. La siguiente sección funcional se denomina
la ranura y corresponde, aproximadamente, a la parte de la parte de
ranura que se extiende desde el orificio de balun 49 hasta la
discontinuidad 42 del extremo izquierdo de las aberturas en cuña 57
y 58. La tercera sección funcional 203 se denomina la pieza final y
corresponde, aproximadamente, a la parte del aparato 10 situada a la
derecha de la discontinuidad 42, en particular, desde el extremo
izquierdo de las aberturas en cuña 57 a 58 hasta el lateral derecho
de la capa dieléctrica exterior 97.
La Figura 11 es un diagrama que muestra tres
bloques 201 a 203, que respectivamente representan las tres
secciones funcionales que se han analizado anteriormente,
concretamente, las secciones de balun, de ranura y de pieza final.
En conjunto, los bloques 201 a 203 representan el aparato 10 de la
Figura 1, como se indica esquemáticamente con una línea discontinua
en la Figura 11. Cada uno de los bloques 201 a 203 está representado
como un elemento de dos puertos, que incluye un puerto con dos
terminales en el lateral izquierdo y otro puerto con dos terminales
en el lateral derecho. Puertos adyacentes de los bloques adyacentes
están acoplados entre sí. La pieza final 203 tiene el puerto del
lateral derecho acoplado a un bloque adicional 208, que
esquemáticamente representa la impedancia del espacio libre
dispuesto encima del extremo derecho del aparato 10 de la Figura
1.
Como se conoce en la técnica, cada uno de los
bloques de dos puertos, tales como los representados con los números
201 a 203, se pueden representar con lo que comúnmente se denomina
una matriz [ABCD]. Por ejemplo, centrándose en el bloque 202 de la
Figura 11, que representa la ranura, el puerto izquierdo tiene un
voltaje V_{X} y una corriente I_{X} y el puerto derecho tiene un
voltaje V_{Y} y una corriente I_{Y}. La relación entre dichos
puertos se puede expresar con la ecuación siguiente, en la que el
subíndice "S" identifica la sección de ranura:
Del mismo modo, y aún haciendo referencia a la
Figura 11, la función de transferencia total para el aparato 10 se
puede representar con una única matriz [ABCD], como sigue:
en la
que
y en la que los subíndices
"APP", "B", "S" y "EP" se refieren al aparato
10, a la sección de balun 201, a la sección de ranura 202 y a la
sección de pieza final 203,
respectivamente.
Antes de intentar determinar una forma óptima
para los bordes de la ranura, el balun y la pieza final (que
corresponden a los bloques 201 y 203) están diseñados a fin de
conseguir objetivos de diseño adecuados. Por ejemplo, como se ha
analizado anteriormente, el orificio de balun 49 (Figura 1) tiene
diversos aspectos, tales como la forma, el tamaño y la ausencia de
material dieléctrico, que están pensados para conseguir el objetivo
de diseño de una gran discontinuidad de impedancia entre el orificio
de balun y la línea de ranura, que, a su vez, mantiene un ancho de
banda amplio para el elemento de antena 12. Posibles configuraciones
de diseño tanto para el balun como para la pieza final se pueden
analizar rigurosamente con un programa de software existente para
determinar las características de funcionamiento esperadas. Un
programa de software adecuado para esta tarea es el comercializado
por Ansoft Corporation, Pittsburg, Pensilvania con el nombre
comercial de High Frequency Structure Simulator (HFSS).
Una vez finalizado el diseño físico de la
sección de balun y de la sección de pieza final, se determinan
varias matrices [ABCD] adecuadas para cada una. En este sentido, el
aparato 10 está diseñado para su uso a través de un intervalo de
frecuencias deseado. Las características de funcionamiento de la
sección de balun serán diferentes a frecuencias diferentes y las
características de funcionamiento de la sección de pieza final serán
diferentes a frecuencias diferentes. En consecuencia, se seleccionan
varias frecuencias predeterminadas, que están distribuidas en el
intervalo de frecuencia deseado. Posteriormente, se determina una
matriz [ABCD] diferente respectiva para la sección de balun 201
correspondiente a cada frecuencia seleccionada y se determina una
matriz [ABCD] diferente respectiva para la sección de pieza final
203 correspondiente a dicha frecuencia.
En la técnica, se conocen técnicas adecuadas
para determinar una matriz [ABCD] a partir de un diseño físico.
Como ejemplo, los parámetros que representan el diseño físico se
pueden proporcionar a un programa de software conocido que,
posteriormente, puede calcular una forma de función de transferencia
conocida en la técnica como una matriz [S]. El programa de
ordenador HFSS que se ha mencionado anteriormente es adecuado para
esta labor. A partir de ese momento, la matriz [S] se puede
convertir en una matriz [ABCD] correspondiente, usando técnicas
matemáticas conocidas.
Volviendo a la sección de ranura 202 de la
Figura 11, un aspecto de la presente invención es proporcionar una
técnica en la que la parte de la línea de ranura correspondiente al
bloque 202 se represente con un modelo que es una línea de
transmisión que tiene el mismo tamaño y forma que la ranura,
teniendo la línea de transmisión la forma de una serie de segmentos
de línea de transmisión contiguos. Por ejemplo, la Figura 12 es una
vista esquemática de un modelo que es una línea de transmisión 241,
formada de una pluralidad de N segmentos rectangulares contiguos
SEG1, SEG2, SEG3,...SEGN. En la Figura 12 hay 40 segmentos y, por lo
tanto, N = 40. La línea central de la ranura se indica
esquemáticamente con el número 243, y los extremos exteriores de los
N segmentos, en conjunto, representan los bordes de la ranura.
Todos los segmentos tienen la misma longitud en una dirección
paralela a la línea central 243, pero tienen varias anchuras
diferentes en una dirección transversal a la línea central 243. Los
segmentos de la Figura 12 no representan necesariamente la forma de
ranura exacta que se muestra en la Figura 5, sino que se pueden
considerar representativos de una de una serie de formas diferentes
que se evalúan para determinar qué forma serviría como la forma
óptima que se muestra en la Figura 5.
A fin de determinar una forma óptima para los
bordes de la ranura, el valor normal de longitud para todos los
segmentos SEG1 a SEGN, así como los valores de anchura respectivos
de N varían de manera selectiva e independiente y el rendimiento
del aparato 10 se evalúa para cada una de dichas configuraciones de
la línea de transmisión segmentada, de un modo que se explica más
detalladamente más adelante. Se debería tener en cuenta que el
número N de segmentos no varía. Por consiguiente, si varía el valor
normal de longitud para los segmentos, variará la longitud total de
la línea de transmisión segmentada y, por lo tanto, la longitud
total de la ranura que representa. Por lo tanto, parte de lo que se
optimiza es la longitud de la ranura propiamente dicha.
Dado que la longitud normal y las anchuras
respectivas de los N segmentos varían de manera independiente, el
proceso de optimización resulta cada vez más complejo y lleva más
tiempo si se aumenta el valor de N. Como consecuencia, la selección
del valor de N conlleva consideraciones conflictivas. En particular,
por un lado, es aconsejable tener un valor de N relativamente
amplio de manera que los extremos de los segmentos proporcionen una
buena resolución de la definición de los bordes de ranura. Por otro
lado, es aconsejable tener un valor de N relativamente pequeño a
fin de reducir la complejidad computacional que conlleva evaluar
diferentes configuraciones del modelo de línea de transmisión
segmentada. Respecto a un elemento de antena del tipo que se
describe con el número 12 en la forma de realización de las Figuras
1 a 8, se ha observado que un valor de N en el intervalo de,
aproximadamente, 40 a 60 proporciona un buen equilibrio entre estas
dos consideraciones conflictivas.
Se conocen diversas técnicas existentes para
producir la variación independiente de una serie de parámetros de
un modo selectivo a fin de optimizar una característica específica.
Una técnica de este tipo se conoce normalmente en la técnica como
la técnica de Nelder-Mead. Existen programas de
software disponibles en el mercado que ponen en práctica la técnica
de Nelder-Mead, de los que un ejemplo es el programa
MATLAB® comercializado por The MathWorks of Natick, Massachussets.
Los programas de este tipo proporcionan capacidad de
Nelder-Mead genérica y pueden estar provistos de
datos de entrada para una aplicación específica que hace que el
programa aplique los principios genéricos de esa aplicación
específica. Dado que en la técnica se conocen las técnicas de
Nelder-Mead, no se describen en detalle en la
presente memoria descriptiva. Por el contrario, para facilitar un
entendimiento de la presente invención, se proporciona una breve
perspectiva general.
En particular, un programa que pone en práctica
técnicas de Nelder-Mead es capaz de variar varios
parámetros de un modo inteligente según los principios de
Nelder-Mead, a la vez que evalúa una característica
que se va a optimizar. En general, se prefieren configuraciones de
parámetros, que suelen mejorar la característica específica, a
configuraciones que no mejoran la característica y las
configuraciones preferentes se usan para predecir otras
configuraciones nuevas que pueden posiblemente proporcionar incluso
mayor mejora de la característica específica.
En el contexto de la presente invención, se
selecciona una forma inicial de ranura, por ejemplo, en la que los
bordes de la ranura simplemente siguen una curva exponencial de
primer orden. Posteriormente, se usa un modelo de línea de
transmisión segmentada del tipo que se muestra en la Figura 12 para
modelar dicha forma inicial de ranura usando N segmentos en los que
N es, aproximadamente, de 40 a 60. Tanto las anchuras respectivas
de los segmentos como la longitud normal de los segmentos varían de
manera independiente usando técnicas de Nelder-Mead
a fin de encontrar una pluralidad de configuraciones diferentes de
la línea de transmisión segmentada, que cada una representa una
forma de ranura diferente. Para cada configuración de este tipo, se
evalúa el rendimiento de esa configuración.
En este sentido, a fin de evaluar el
rendimiento, se triplica el número de segmentos del modelo mediante
interpolación. Por ejemplo, la Figura 13 es una vista esquemática,
a escala ampliada, de las parte de extremo de cuatro de los
segmentos de la línea de transmisión que se muestran en la parte
derecha superior de la Figura 12. Las líneas continuas de la Figura
13 corresponden directamente a los segmentos que se muestran en la
Figura 12. Las líneas discontinuas de la Figura 13 muestran cómo se
triplica el número total de segmentos de línea de N a 3N. Por
ejemplo, dos puntos 261 y 262 están identificados mediante
interpolación en posiciones separadas uniformemente a lo largo de
una línea recta que se extiende entre dos puntos 263 y 264, que
están en esquinas respectivas de dos de los N segmentos que se
muestran en la Figura 12. Posteriormente, cada uno de los puntos
261 a 264 es una esquina de un segmento respectivo nuevo que tiene
una longitud que es un tercio de la longitud de cada uno de los N
segmentos que se muestran en la Figura 12. Se debería tener en
cuenta que, si bien ahora se dispone de 3N segmentos para evaluar
el rendimiento, las técnicas de Nelder-Mead no se
usan para variar de manera independiente las anchuras de todos los
3N segmentos, sino sólo las anchuras de los N segmentos que se
muestran en la Figura 12. Los otros dos tercios de los segmentos
tienen anchuras que dependen directamente de las N anchuras
originales, en lugar de anchuras que se determinan mediante una
variación totalmente independiente.
Para una configuración determinada de 3N
segmentos, por ejemplo, como se representa con las líneas
discontinuas de la Figura 13, el rendimiento del sistema se evalúa
de la manera siguiente. Cada uno de los 3N segmentos se trata como
una línea de transmisión independiente. En relación con la Figura
14, una línea de transmisión teórica tiene una longitud \ell,
que corresponde a la dimensión uniforme de cada uno de los 3N
segmentos en una dirección paralela a la línea central 243 (Figura
12) de la ranura. Además, la línea de transmisión teórica de la
Figura 14 tiene una impedancia Z_{SEG} y, en el caso de cada uno
de los 3N segmentos que se muestran en la Figura 13, dicha
impedancia depende de uno o más factores diferentes. En primer
lugar, depende de la anchura del segmento en una dirección
transversal a la línea central 243. Además, y en relación con el
aparato 10 que se muestra en la Figura 1, depende de si hay material
dentro de la ranura y, en caso afirmativo, de las características
de dicho material.
Por ejemplo, la forma de realización de la
Figura 1 tiene partes de las capas dieléctricas 17 y 18 que están
dispuestas dentro de la ranura y las capas dieléctricas tienen
características de impedancia que varían con la frecuencia, incluso
para una anchura determinada. Por el contrario, si se extrajeran las
partes de las capas dieléctricas 17 y 18 situadas dentro de la
ranura, de tal manera que la ranura estuviera rellena de aire, la
característica de impedancia variaría con la anchura pero no con la
frecuencia, porque la impedancia del aire no varía con la
frecuencia.
Como resulta evidente en la Figura 14, la línea
de transmisión teórica se puede modelar como un elemento de dos
puertos del tipo que se ha analizado anteriormente y, por lo tanto,
sus características se pueden representar con una matriz [ABCD]. En
el caso de uno de los 3N segmentos rectangulares que se muestra en
la Figura 14, la matriz [ABCD] correspondiente a un segmento
específico ideal sin pérdida se definiría como sigue:
en la
que
\beta =
\frac{2\pi}{\lambda}
j =
\sqrt{-1}
En estas ecuaciones, se debería tener en cuenta
que el valor de la longitud de onda \lambda puede variar no
sólo en función de la frecuencia, sino también en función del tipo
de material presente dentro de la ranura. Por ejemplo, para una
frecuencia determinada, la longitud de onda tendrá un valor si hay
material dieléctrico dentro de la ranura (como ocurre en la forma
de realización de la Figura 1), pero tendrá un valor diferente si la
ranura contiene aire en lugar de material dieléctrico.
Para una frecuencia seleccionada, se determina
una matriz [ABCD] respectiva para cada uno de los 3N segmentos. Por
lo tanto, se determina una matriz [ABCD], para toda la línea de
transmisión segmentada, como sigue:
Por consiguiente, haciendo referencia a la
Figura 11, se puede determinar una matriz [ABCD] para todo el
aparato de la Figura 1, identificado con el subíndice "APP",
que incluye el elemento de antena 12 y la parte de radomo 13, del
modo siguiente.
Todavía haciendo referencia a la Figura 11, se
reconocerá que esta matriz [ABCD] para el elemento de antena se
puede expresar de la siguiente forma estándar:
Esta ecuación matricial se puede volver a
escribir en forma de dos ecuaciones no matriciales, como sigue:
V_{IN} =
AV_{FS} +
BI_{FS}
I_{IN} =
CV_{FS} +
DI_{FS}
en las que A, B, C y D son de
9 .
Todavía haciendo referencia a la Figura 11 y, en
particular, al bloque 208 del extremo derecho de la misma es bien
conocido que el voltaje es igual a corriente por impedancia. Por lo
tanto, V_{Fs} = I_{FS} \cdot Z_{FS}. Sustituyendo esto en
las dos ecuaciones anteriores por V_{IN} y I_{IN} se obtiene lo
siguiente:
V_{IN} =
I_{FS} (AZ_{FS} +
B)
I_{IN} =
I_{FS} (CZ_{FS} +
D)
en las que A, B, C y D son de
10 .
A continuación, supongamos que Z_{SYS}
representa la impedancia de todo el sistema que se muestra en la
Figura 11, que incluye tanto el aparato 10 como el bloque 208, según
se ve desde el puerto del lateral izquierdo de la Figura 11. Se
reconocerá que:
Z_{SYS} =
\frac{V_{IN}}{I_{IN}} = \frac{AZ_{FS} + C}{CZ_{FS} +
D}
en las que A, B, C y D son de
11 .
Como se ha mencionado anteriormente, el elemento
de antena 12 de la Figura 1 está acoplado a un sistema de antena
que no se ilustra, por ejemplo, por medio de un cable. El sistema de
antena suministra señales eléctricas al puerto de entrada del
lateral izquierdo de la Figura 11 y desde el mismo. Supongamos que
Z_{0} representa la impedancia característica del cable que no se
ilustra y de otros sistemas de circuitos del sistema de antena. Lo
habitual en la técnica es diseñar dichos sistemas de circuitos y
cable de tal manera que todas las impedancias estén equiparadas,
para de ese modo proporcionar una línea de impedancia realmente
constante sin reflexión. En la forma de realización que se describe,
dicha impedancia característica Z_{0} tiene un valor de 50
ohmios.
Para un sistema del tipo que se muestra en la
Figura 11, en la técnica se conoce que la proporción del voltaje
reflejado respecto al voltaje incidente en el puerto se puede
expresar con la ecuación siguiente:
Z =
\frac{A_{SYS} - Z_{0}}{Z_{SYS} +
Z_{0}}
Asimismo, es muy conocido en la técnica que,
usando un valor de reflexión R determinado a partir de la ecuación
anterior, se puede determinar la pérdida de retorno asociada RL a
partir de la ecuación siguiente:
RL = 20 \
log_{10} \
(|R|)
El procedimiento de evaluación del rendimiento
que se ha analizado anteriormente es propio de una frecuencia
específica. Para una forma de ranura determinada, es necesario
realizar dicha evaluación de manera independiente para cada una de
una serie de frecuencias diferentes distribuidas en un intervalo de
frecuencias deseado. Esto tendrá como resultado una serie de
valores diferentes de pérdida de retorno RL calculados para esa
forma de ranura específica a respectivas frecuencias diferentes y
dichos valores de la pérdida de retorno RL se pueden presentar en
forma de gráfico similar a las Figuras 9 y 10.
Además, el análisis anterior se ha centrado en
cómo evaluar una forma de ranura propuesta. A fin de encontrar una
forma óptima, es necesario evaluar de un modo similar una serie de
formas de ranura diferentes y comparar los resultados de dichas
evaluaciones a fin de determinar qué forma de ranura proporciona el
rendimiento óptimo. Se pueden usar varios criterios diferentes para
realizar esta evaluación y dichos criterios se pueden usar de
manera independiente o en combinación. A continuación se analizarán
algunos ejemplos de dichos criterios, pero se debería reconocer que
la presente invención no se limita a estos criterios
específicos.
Un primer criterio conlleva una determinación
del valor máximo de pérdida de retorno RL calculado para una forma
de ranura determinada. Se podría seleccionar como el diseño óptimo
la forma de ranura que tiene el valor máximo de RL más bajo.
Alternativamente, se podrían identificar todas las formas de ranura
evaluadas con un valor máximo de pérdida de retorno RL inferior a
un valor específico (tal como -10 dB) y, posteriormente, se podrían
evaluar comparativamente las formas de este grupo usando otros
criterios.
Un segundo criterio sería determinar el valor
máximo, para cada forma de ranura, del valor absoluto de la
reflexión calculada R. Se podría seleccionar el diseño de ranura con
dicho valor máximo más bajo como el diseño óptimo.
Alternativamente, se podrían seleccionar todas las formas de ranura
evaluadas para las que dicho valor máximo calculado es inferior a
un valor específico y, posteriormente, se podrían evaluar
comparativamente las formas de ranura de ese grupo usando otros
criterios.
Los dos criterios que se han analizado
anteriormente suelen centrarse en un único punto máximo de la
reflexión R o de la pérdida de retorno RL. Otros criterios podrían
tomar más de una aproximación media al rendimiento en el intervalo
de frecuencias deseado. Por ejemplo, un tercer criterio sería sumar
los valores absolutos de reflexión R calculados a varias
frecuencias para un diseño de ranura determinado, como sigue:
\sum\limits^{\int_{max}}_{\int =
\int_{min}}|R_{\int}|
Un cuarto criterio, que es una variación del
tercer criterio, sería sumar los cuadrados de los valores absolutos
de reflexión R calculados en varias frecuencias para una forma de
ranura determinada, como sigue:
\sum\limits^{\int_{max}}_{\int =
\int_{min}}|R_{\int}|^{2}
La Figura 15 es un diagrama de flujo que resume
la técnica de optimización que se ha analizado anteriormente. Más
específicamente, en el bloque 301, tanto el diseño del balun como el
de la pieza final se optimizan y finalizan. Posteriormente, se
determinan las funciones de transferencia, tanto del balun como de
la pieza final, para cada una de una pluralidad de frecuencias
predeterminadas distribuidas en un intervalo de frecuencia deseado.
Como se ha analizado anteriormente, cada una de dichas funciones de
transferencia se puede representar en forma de una matriz
[ABCD].
A continuación, en el bloque 302, se selecciona
una forma inicial de ranura a fin de "granar" la rutina de
optimización. En la forma de realización que se describe, se
selecciona la forma inicial de ranura para que sea una curva
exponencial pura de primer orden, sin embargo alternativamente sería
posible usar otra forma inicial de ranura. A continuación, en el
bloque 303, la forma de ranura seleccionada se modela como una línea
de transmisión segmentada, del modo que se ha analizado
anteriormente en relación con las Figuras 12 y 13. Posteriormente,
en el bloque 306, se selecciona la más baja de las frecuencias
predeterminadas del intervalo.
A continuación, en el bloque 307, se determina
una función de transferencia respectiva en la frecuencia
seleccionada para cada uno de los segmentos de la línea de
transmisión segmentada. En la forma de realización que se describe,
cada una de dichas funciones de transferencia puede ser en forma de
una matriz [ABCD], como se ha analizado anteriormente. Dichas
diversas funciones de transferencia para los segmentos diferentes se
combinan para obtener una única función de transferencia para toda
la línea de transmisión segmentada. En la forma de realización que
se describe, también se trata de una matriz [ABCD], como se ha
analizado anteriormente.
Posteriormente, el control pasa del bloque 307
al bloque 308. Para la forma de ranura actual y la frecuencia
seleccionada, se usan las funciones de transferencia de la sección
de balun, la sección de ranura y la sección de pieza final para
calcular y guardar un valor de reflexión y un valor de pérdida de
retorno, de un modo que se ha descrito previamente. Posteriormente,
en el bloque 311, se determina si la frecuencia seleccionada en ese
momento es la frecuencia más alta del intervalo. En caso negativo,
en el bloque 312 se selecciona la siguiente más alta de las
frecuencias predeterminadas y el control vuelve al bloque 307 para
analizar el rendimiento del diseño de ranura actual en dicha
frecuencia seleccionada recientemente.
Por el contrario, si en el bloque 311 se
determina que la forma de ranura actual se ha evaluado para todas
las frecuencias predeterminadas del intervalo, el control pasa al
bloque 313, en el que se usan todos los valores de reflexión y
valores de pérdida de retorno de la forma de ranura actual para
evaluar el rendimiento del sistema para esa forma de ranura.
Posteriormente, se guardan dichas evaluaciones.
A continuación, en el bloque 316, se evalúa si
se ha encontrado la forma óptima. Dicha determinación conlleva el
uso de criterios de rendimiento del tipo que se ha analizado
anteriormente. Además, depende de si las técnicas de
Nelder-Mead, que se han analizado anteriormente, han
llegado a un punto en el que se han evaluado varias formas de
ranura diferente y parece que la forma óptima podría ser una forma
que ya se ha evaluado, en lugar de una forma que aún no se ha
evaluado. En general, se evaluarán una serie de formas de ranura
antes de tomar una decisión en el bloque 326 de que se ha
identificado la forma de ranura óptima.
Cuando en el bloque 316 se determina que aún no
se ha localizado una forma de ranura óptima, el control pasa al
bloque 317, en el que se selecciona para evaluación una forma de
ranura nueva y diferente, mediante variación de las anchuras de los
N segmentos y/o de la longitud normal de los N segmentos. Los
bloques 316 y 317 representan básicamente una aplicación específica
de las técnicas de Nelder-Mead conocidas que se han
analizado anteriormente. Por el contrario, si en algún momento se
determina en el bloque 316 que se ha determinado una forma de ranura
óptima, se da por terminado el procedimiento de evaluación y termina
en el bloque 318.
La Figura 16 es una vista esquemática frontal de
un elemento de antena 412 que es una forma de realización
alternativa del elemento de antena 12 de la Figura 1. Normalmente,
el elemento de antena 412 de la Figura 16 se usaría con un radomo
del tipo que se muestra con el número 13 en la Figura 1, sin embargo
en la Figura 16 se omite el radomo. El elemento de antena 412 de la
Figura 16 es sustancialmente idéntico al elemento de antena 12 de la
Figura 1, salvo las diferencias que se analizan a continuación.
Más específicamente, tanto las dos capas
dieléctricas como la película adhesiva del elemento de antena 412 se
extiende hacia fuera pasados los extremos de los tres planos de
tierra, pudiéndose ver una de las capas dieléctricas con el número
417 y pudiéndose ver uno de los planos de tierra con el número 426.
Cada uno de los bordes laterales superior e inferior del elemento
de antena 412 tiene un recubrimiento que se extiende desde el
extremo izquierdo del elemento de antena hasta los extremos derechos
de los planos de tierra. Dicho recubrimiento de borde no se extiende
por todo el extremo derecho del elemento de antena 412.
Cada una de las capas dieléctricas tiene una
abertura en cuña en las mismas, de las que una se puede ver con el
número 457. Se observará que el extremo izquierdo de cada abertura
en cuña está situado hacia la derecha de los extremos derechos de
los planos de tierra, que incluyen el plano de tierra 426. Es decir,
las aberturas en cuña de las capas dieléctricas no están dispuestas
dentro de la línea de ranura que definen las ranuras de los planos
de tierra. Por consiguiente, los bordes de las partes de ranura del
elemento de antena 412 no tienen una discontinuidad comparable a la
que se muestra con el número 42 en la Figura 1, porque la
discontinuidad 42 se debe al hecho de que la abertura en cuña 57 de
la Figura 1 está dispuesta dentro de la línea de ranura.
Aunque no se puede ver fácilmente en la Figura
16, los bordes de las partes de ranura de los planos de tierra no
siguen una curva exponencial de primer orden, sino que tienen
efectos de orden superior que dan a los mismos una forma un tanto
ondulada, de un modo similar al que se ha descrito anteriormente en
relación con la forma de realización de la Figura 1. El
procedimiento que se ha usado para determinar la forma de lo bordes
de ranura de la forma de realización de la Figura 16 es similar al
procedimiento que se ha descrito anteriormente para la forma de
realización de la Figura 1 y, por lo tanto, no se vuelve a describir
en detalle. Además, el funcionamiento de la forma de realización de
la Figura 16 es similar al funcionamiento de la forma de realización
de la Figura 1 y, por lo tanto, no se vuelve a explicar en
detalle.
La Figura 17 es una vista esquemática en
perspectiva de un elemento de antena 512 que es una forma de
realización alternativa adicional del elemento de antena 12 de la
Figura 1. El elemento de antena 512 incluye un cuerpo 514 que está
hecho de una única placa de metal. Se proporciona un entrante a
través de la placa de metal e incluye una parte de balun 536 en
forma de un orificio rectangular y una parte de ranura alargada 537
que se comunica en su extremo estrecho con la parte de balun 536.
En general, la parte de balun 536 y la parte de ranura 537 tienen
tamaños y formas que son comparables a los que se han analizado
anteriormente en relación con la forma de realización de la Figura
1. En este sentido, los bordes de la parte de ranura 537 no siguen
simplemente una curva exponencial de primer orden, sino que incluyen
efectos de orden superior que dan a los bordes una forma un tanto
ondulada. La forma de los bordes se determina mediante un
procedimiento similar al que se ha analizado anteriormente en
relación con la forma de realización de la Figura 1 y dicho
procedimiento no se vuelve a describir en detalle.
Una diferencia importante es que la parte de
ranura 537 contiene aire en lugar de un material dieléctrico. Los
efectos de que la parte de ranura tenga aire en lugar de un material
dieléctrico ya se han analizado en detalle anteriormente. El
elemento de antena 512 incluye una línea de cinta coaxial 561 que
tiene una cubierta exterior eléctricamente conductora que está
sujeta de manera fija a la parte delantera de la placa 514 por
medio de un adhesivo epoxídico conductor de un tipo conocido.
La Figura 18 es una vista esquemática en sección
de la línea de cinta coaxial 561 tomada a lo largo de la línea
divisoria 18-18 de la Figura 17. Como se muestra en
la Figura 18, la línea de cinta coaxial 561 incluye dos capas
dieléctricas adyacentes 563 y 564, con una línea de cinta conductora
567 dispuesta entre ellas. A lo largo de la mayor parte de su
longitud, la línea de cinta 567 tiene una anchura que es
sustancialmente inferior a la anchura de las capas dieléctricas 563
y 564, de manera que las capas dieléctricas 563 y 564 hacen las
veces de una capa de material aislante que se extiende coaxialmente
alrededor de la línea de cinta 567.
Una cubierta 569 de un material eléctricamente
conductor se extiende completamente alrededor de las capas
dieléctricas 563 y 564. Como se ha mencionado anteriormente, en la
Figura 17, la cubierta 569 está física y eléctricamente acoplada a
la placa de metal 514 por medio de un adhesivo epoxídico conductor
de un tipo conocido, que no se muestra por separado en los
dibujos.
La Figura 19 es una vista esquemática desde
arriba en sección parcial de la línea de cinta coaxial 561, tomada
a lo largo de un plano definido por la superficie superior de la
línea de cinta 567, y que muestra una parte de extremo de la línea
de cinta coaxial 561 que está situada en la zona del extremo
estrecho de la parte de ranura 537 (Figura 17). En relación con las
Figuras 17 y 19, la cubierta conductora 569 tiene una separación
anular 572 que se extiende completamente alrededor de la línea de
cinta coaxial 561. La separación 572 está alineada con la parte de
ranura 537 y permite que la corriente dentro de la línea de cinta
567 genere campos electromagnéticos que pueden salirse de la
cubierta 569 y extenderse en la parte de ranura 537.
Aproximadamente en la mitad de la separación
572, la línea de cinta 567 comienza a expandirse progresivamente a
lo ancho, lo que hace las veces de una superficie de transición de
una parte de extremo aproximadamente rectangular 573 de la que tres
laterales engranan eléctricamente la cubierta 569. Una vía con el
número 574 se extiende a través de la línea de cinta conductora
entre laterales opuestos de la cubierta 569 y está acoplada
eléctricamente a la parte de extremo 573 de la línea de cinta 567.
Por lo tanto, en realidad, el extremo de la línea de cinta 567 está
puenteado directamente a un plano de tierra definido por la placa de
metal 514 (Figura 17), a fin de producir una terminación eléctrica
de la línea de cinta 567.
Una técnica para fabricar la línea de cinta
coaxial 561 es como sigue. Se fabrica el material dieléctrico 564
y, posteriormente, se deposita una capa de metal en la parte
superior del mismo. Posteriormente, la capa de metal se graba
fotolitográficamente, de un modo conocido, a fin de extraer partes
seleccionadas de la misma, de tal manera que las partes restantes
definen la línea de cinta 567 con su parte de extremo 573.
Posteriormente, se forma la capa dieléctrica 563 sobre la capa
dieléctrica 564 y la línea de cinta 567. A continuación, se crea un
orificio cilíndrico a través de las capas dieléctricas y de la capa
de metal, en una posición en la que se va a formar la vía 574.
Posteriormente, esta disposición se sumerge en un depósito de
recubrimiento por vía química, a fin de formar la cubierta 569 sobre
todo el exterior de la misma y a fin de formar la vía 574 dentro
del orificio cilíndrico. La máscara anular evita que el material
conductor recubra el interior de la zona de la separación 572. Una
vez finalizado el recubrimiento, se extrae la máscara a fin de dejar
al descubierto la separación 572. Posteriormente, el ensamblaje
resultante se sujeta a la placa de metal 514 usando un adhesivo
epoxídico conductor, como se ha analizado anteriormente.
El funcionamiento del elemento de antena 512 de
las Figuras 17 a 19 es, por lo general, similar al del elemento de
antena 12 de la Figura 1. Por lo tanto, se considera que es
innecesario un análisis independiente detallado del funcionamiento
del elemento de antena 512 y, por consiguiente, se omite.
La presente invención proporciona una serie de
ventajas técnicas. Una de dichas ventajas técnicas es el resultado
de la ausencia de material dieléctrico en el orificio de balun, de
tal manera que el orificio contiene aire. Dado que el aire tiene
una constante dieléctrica inferior a la del material dieléctrico, el
aire tiene una impedancia superior a la de un material dieléctrico,
y la longitud de onda de una frecuencia determinada es superior en
el aire que en un material dieléctrico. Por consiguiente, para una
anchura física determinada del orificio de balun, la anchura
eléctrica efectiva es menor para el aire que para un material
dieléctrico. Esto a su vez significa que la anchura eléctrica
efectiva es muy inferior a 8/2 para el aire que para un material
dieléctrico, lo que reduce efectos no deseados. Una ventaja
adicional se produce cuando el borde interior del orificio de balun
es conductor, por ejemplo debido al hecho de proporcionar un
recubrimiento, porque ayuda a aumentar el ancho de banda del
orificio de balun conteniendo los campos eléctricos del orificio. En
el caso de un elemento de antena con capas de un material
dieléctrico, el borde conductor del orificio evita que los campos
eléctricos se extiendan en el material dieléctrico alrededor del
orificio.
Otra ventaja más se produce cuando el orificio
de balun tiene una forma generalmente rectangular, porque ayuda a
crear una discontinuidad brusca de impedancia entre el orificio de
balun y el extremo asociado de la línea de ranura. Con una
discontinuidad brusca de impedancia, los campos eléctricos de la
zona del extremo estrecho de la ranura ven el orificio de balun
como, aproximadamente, un circuito abierto a través de un intervalo
de frecuencias deseado, lo que da al orificio de balun un ancho de
banda relativamente amplio. Una ventaja relacionada se produce
cuando el orificio de balun rectangular no tiene material
dieléctrico y el borde del orificio de balun es conductor, porque
el ancho de banda del orificio de balun aumenta aún más. El orificio
de balun resultante es, en realidad, un orificio conductor
sintonizado.
Otra ventaja más resulta del hecho de
proporcionar más de dos planos de tierra y la terminación de la
línea de cinta directamente en uno de dichos planos de tierra,
porque facilita un ancho de banda relativamente amplio para el
orificio de balun. Cuando el orificio de balun es aproximadamente
rectangular, no contiene material dieléctrico, tiene bordes
conductores, está asociado a dos o más planos de tierra y está
asociado a una terminación de línea de cinta en un plano de tierra,
el ancho de banda independiente del orificio de balun puede ser de,
aproximadamente, 8:1.
Otra ventaja más, que conlleva un mayor ancho de
banda, se produce cuando un orificio de balun de este tipo se usa
con una ranura que tiene una forma que se ha optimizado usando
técnicas según la invención. A bajas frecuencias, el orificio de
balun es inductivo y la ranura es capacitiva. Sin embargo, cuando la
técnica de optimización se usa para conseguir una equiparación
conjugada del orificio de balun y la ranura, ambos cooperan para
proporcionar un buen rendimiento incluso a bajas frecuencias, de un
modo un tanto análogo a la resonancia de un circuito RLC
sintonizado. En particular, pueden proporcionar un ancho de banda
decimal (10:1) capaz de un volumen de barrido del plano E de
\pm60º y del plano H de \pm50º.
Proporcionar tres o más planos de tierra también
puede proporcionar otra ventaja, ayudando a reducir al mínimo las
reactancias en la línea de cinta hasta la superficie de transición
de la línea de ranura. Además, proporcionar tres o más planos de
tierra aumenta la cantidad de material conductor presente a lo largo
de los bordes de la ranura, aumentando de ese modo la capacitancia,
que a su vez permite que el extremo estrecho de la ranura sea más
amplio. Cuando el extremo estrecho de la ranura es más amplio, es
más fácil fabricar la ranura a la vez que se sigue consiguiendo una
impedancia baja de, aproximadamente, 50 ohmios para el extremo
estrecho de la ranura. Esto se debe a que las tolerancias del
grabado son básicamente fijas y se aumenta progresivamente el
grabado del extremo estrecho de la ranura.
Otra ventaja más se produce cuando la línea de
cinta termina directamente en uno de los planos de tierra, porque
esto, en realidad, proporciona un cortocircuito físico real a un
plano de tierra, en comparación con las técnicas preexistentes que
básicamente tratan de emular o aproximarse a un cortocircuito físico
creando una resonancia de onda estacionaria. Los elementos de
antena que se han descrito proporcionan una línea de cinta para la
superficie de transición de la línea de ranura con una relación de
transformación que se aproxima a la unidad y con reactancias de
dispersión mínimas.
Claims (34)
1. Un elemento de antena (12) que tiene una
capa dieléctrica (18), una capa eléctricamente conductora (28) y un
elemento conductor alargado (67), en el que la capa dieléctrica (18)
tiene un orificio (49) a través de la misma, la capa eléctricamente
conductora (28) está dispuesta adyacente a una superficie de dicha
capa dieléctrica (18), teniendo dicha capa conductora (28) un
entrante grabado en la misma que incluye una parte de balun (46) y
una parte de ranura cónica (37), teniendo dicha parte de ranura (47)
un extremo estrecho que se comunica con dicha parte de balun (46) y
estando dicha parte de balun (46) alineada con dicho orificio (49)
a través de dicha capa dieléctrica (18) y estando el elemento
conductor alargado (67) directamente conectado a dicha capa
conductora (28) y en el mismo plano que la misma, extendiéndose
dicha capa conductora (28), por lo general, transversalmente
respecto a dicha parte de ranura (47) en la zona de dicho extremo
estrecho de la misma, en el que dicho orificio (49) a través de
dicha capa dieléctrica (18) tiene sustancialmente el mismo tamaño y
forma que dicha parte de balun (46) de dicho entrante de dicha capa
conductora (28), incluyendo el elemento una capa conductora
adicional (27) que tiene en la misma un entrante adicional,
incluyendo dicho entrante adicional una parte de balun adicional
(43) e incluyendo una parte de ranura adicional (44) que se
comunica, en un extremo, con dicha parte de balun adicional (43),
siendo dichas partes de ranura (44, 47) de dicho entrante de tamaño
y forma similar y estando sustancialmente alineadas entre sí y
teniendo dicha parte de balun adicional (43) sustancialmente la
misma forma y tamaño que dicho orificio (49) a través de dicha capa
dieléctrica (18) y estando alineada con el mismo.
2. Un elemento de antena (12) según la
reivindicación 1, que incluye un tira conductora (51) que se
extiende a lo largo de un borde de dicho orificio (49) de dicha
capa dieléctrica (18), excepto en la zona de dichas partes de ranura
(44, 47),y que está en contacto eléctrico con cada una de dichas
capas conductoras (27, 28).
3. Un elemento de antena (12) según la
reivindicación 1, que incluye dos capas conductoras adicionales (26,
27) estando dichas capas conductoras (26, 27) sustancialmente en
paralelo entre sí, que incluye una capa dieléctrica adicional (17)
estando dichas capas dieléctricas (17, 18) sustancialmente en
paralelo entre sí y a dichas capas conductoras (26, 27, 28) y
estando dispuesta cada una de dichas capas dieléctricas (17, 18)
entre un par respectivo de dichas capas conductoras (26/28, 27/28),
en el que dicha capa dieléctrica adicional (17) tiene a través de
la misma un orificio (49), siendo dichos orificios (49) a través de
dichas capas dieléctricas (17, 18) sustancialmente del mismo tamaño
y forma y estando alineados entre sí y en el que cada una de dichas
capas conductoras adicionales (26, 27) tiene en la misma un entrante
adicional, incluyendo cada uno de dicho entrante adicional una
parte de balun adicional (36, 43) e incluyendo una parte de ranura
adicional (37, 44) que se comunica, en un extremo, con dicha parte
de balun adicional (36, 43) de la misma, siendo dichas partes de
ranura (37, 43, 47) de cada una de dichas capas conductoras (26, 27,
28) de tamaño y forma similar y estando sustancialmente alineadas
entre sí, y siendo dichas partes de balun (36, 43, 46) de cada una
de dichas capas conductoras (26, 27, 28) de tamaño y forma similar y
estando alineadas entre sí y con dichos orificios (49) a través de
dichas capas dieléctricas (17, 18).
4. Un elemento de antena (12) según
la reivindicación 3 que incluye una tira conductora (51) que se
extiende a lo largo de bordes de dichos orificios (49) de dichas
capas dieléctricas (17, 18), excepto en la zona de dichas partes de
ranura (37, 44, 47) de dichas capas conductoras (26, 27, 28), y que
está en contacto eléctrico con cada una de dichas capas conductoras
(26, 27, 28).
5. Un elemento de antena (12) según
la reivindicación 1, en el que dicha parte de ranura (47) tiene
bordes en laterales opuestos de la misma que cada uno sigue una
curva predeterminada distinta de una curva exponencial de primer
orden.
6. Un elemento de antena (12) según
la reivindicación 5, en el que dicha curva predeterminada de cada
uno de dichos bordes está configurada para facilitar la reducción al
mínimo de la pérdida de retorno de señales electromagnéticas
inducidas dentro de dicha parte de ranura (47) a través de dicho
elemento conductor alargado (67).
7. Un elemento de antena (12) según
la reivindicación 1, en el que dicha parte de balun (46) tiene una
forma que facilita una discontinuidad importante y brusca de
impedancia entre dicha parte de ranura (47) y dicha parte de balun
(46), incluyendo dicha forma de dicha parte de balun (46) dicha
parte de balun (46) que tiene un lateral aproximadamente recto,
comunicándose dicho un extremo de dicha parte de ranura (47) con
dicha parte de balun (46) en una posición entre los extremos de
dicho lateral recto de dicha parte de balun (46).
8. Un elemento de antena (12) según
la reivindicación 7, en el que dicha parte debalun (46) tiene una
forma que es, aproximadamente, rectangular.
9. Un elemento de antena (12) según
la reivindicación 8, en el que dicha parte de balun (46) tiene, en
una primera dirección generalmente paralela a dicho un extremo de
dicha parte de ranura (47), una dimensión que es, aproximadamente,
un cuarto de una longitud de onda seleccionada y tiene, en una
segunda dirección sustancialmente perpendicular a dicha primera
dirección, una segunda dimensión que es al menos un cuarto de dicha
longitud de onda seleccionada y que es inferior a un medio de dicha
longitud de onda seleccionada.
10. Un elemento de antena (12) según la
reivindicación 7, en el que dicha parte de ranura (47) tiene bordes
en laterales opuestos de la misma que cada uno sigue una curva
predeterminada distinta de una curva exponencial de primer
orden.
11. Un elemento de antena según la
reivindicación 10, en el que dicha curva predeterminada para cada
uno de dichos bordes está configurada para facilitar la reducción al
mínimo de la pérdida de retorno de señales electromagnéticas
inducidas dentro de dicha parte de ranura (47) a través de dicho
elemento conductor alargado (67).
12. Un elemento de antena (12) según la
reivindicación 1, en el que la capa dieléctrica (18) es una primera
capa dieléctrica (18) de un par de una primera y una segunda capas
dieléctricas (17, 18) que se extienden, aproximadamente, en
paralelo entre sí, en el que la capa conductora (28) es una primera
capa conductora (28) de un conjunto de una primera, una segunda y
una tercera capas conductoras (28, 27, 26) que se extienden,
aproximadamente, en paralelo entre sí y a dicha primera y segunda
capas dieléctricas (17, 18), estando situada dicha primera capa
dieléctrica (18) entre dicha primera y segunda capas conductoras
(28, 27) y estando situada dicha segunda capa dieléctrica (17)
entre dicha primera y tercera capas dieléctricas (28, 26), teniendo
cada una de dichas primera, segunda y tercera capas conductoras
(28, 27, 26) en las mismas un entrante que incluye una parte de
balun (36, 43, 46) y una parte de ranura (37, 44, 47) que se
comunica, en un extremo, con la parte de balun (36, 43, 46) de la
misma, siendo dichas partes de ranura (37, 44, 47) de cada una de
dichas primera, segunda y tercera capas conductoras (28, 27, 26) de
tamaño y forma similar y estando sustancialmente alineadas entre sí
y siendo dichas partes de balun (36, 43, 46) de cada una de dichas
primera, segunda y tercera capas conductoras (28, 27, 26) de tamaño
y forma similar y estando alineadas entre sí, una pluralidad de vías
conductoras (76, 77, 78) que se extienden a través de aberturas de
dicha primera y segunda capas dieléc-
tricas (17, 18) para acoplar eléctricamente entre sí dichas primera, segunda y tercera capas conductoras (28, 27, 26).
tricas (17, 18) para acoplar eléctricamente entre sí dichas primera, segunda y tercera capas conductoras (28, 27, 26).
13. Un elemento de antena (12) según la
reivindicación 12, en el que dicho elemento conductor alargado (67)
está dispuesto entre dicha primera y segunda capas dieléctricas (17,
18) y tiene una parte de extremo que se extiende a través de dicha
parte de ranura (47) de dicha primera capa conductora (28) y está
conectado eléctricamente directamente a dicha primera capa
conductora (28) de dicho un extremo de dicha parte de ranura (47) de
la misma.
14. Un elemento de antena (12) según la
reivindicación 13, en el que dicha primera capa conductora (28)
tiene un entrante alargado adicional en la misma que se comunica, en
un extremo, con dicha parte de ranura (47) y en el que dicho
elemento conductor alargado (67) se extiende a través de dicho
entrante adicional.
15. Un elemento de antena (12) según la
reivindicación 5, en el que dicha curva predeterminada para cada
uno de dichos bordes está configurada en función de características
de dicha parte de balun (46) y de dicha parte de ranura (47) para
facilitar la reducción al mínimo de la pérdida de retorno de señales
electromagnéticas inducidas dentro de dicha parte de ranura (47) por
medio de dicho elemento conductor (67).
16. Un elemento de antena (12) según la
reivindicación 5, que incluye una estructura adicional dispuesta
adyacente a un extremo de dicha parte de ranura (47) separado de
dicho un extremo de la misma y en el que dicha curva predeterminada
está configurada en función de características de dicha parte de
balun (46), de dicha parte de ranura (47) y de dicha estructura
adicional para facilitara la reducción al mínimo de la pérdida de
retorno de señales electromagnéticas inducidas dentro de dicha parte
de ranura (47) por medio de dicho elementos conductor alargado
(67).
17. Un elemento de antena (12) según la
reivindicación 5, en el que dicha curva predeterminada incluye una
primera y una segunda características exponenciales que conllevan
respectivas potencias exponenciales diferentes.
18. Un elemento de antena (12) según la
reivindicación 5, en el que dicha curva predeterminada incluye una
pluralidad de características exponenciales que conllevan
respectivas potencias exponenciales diferentes.
19. Un elemento de antena (12) según la
reivindicación 5, en el que dicha capa conductora (28) incluye dos
capas eléctricamente conductoras (28, 27) dispuestas en laterales
opuestos de dicha capa dieléctrica (18), teniendo dichas capas
conductoras (28, 27) entrantes respectivos en las mismas que están
alineados entre sí y que cada uno incluye un orificio de balun (49)
que es parte de dicha parte de balun (46, 43) y una ranura que es
parte de dicha parte de ranura (47, 44) y en el que dichas capas
conductoras (28, 27) incluyen una pluralidad de vías (76, 77, 78)
que cada una se extiende entre dichas capas conductoras (28, 27) a
través de dicha capa dieléctrica (18), estando dispuestas dichas
vías (76, 77, 78) cerca de cada borde de cada una de dichas partes
de ranura (47, 44) en posiciones separadas a lo largo de los
mismos.
20. Un elemento de antena (12) de la
reivindicación 1, en el que dicha parte de ranura (47) tiene una
anchura que es más estrecha en una primera sección de dicha parte de
ranura (47) situada cerca de dicho un extremo de la misma, teniendo
dicha parte de ranura (47) una segunda y una tercera secciones que
están dispuestas en laterales opuestos de dicha primera sección y
que cada una tiene una anchura mayor que la anchura de dicha primera
sección.
21. Un elemento de antena (12) según la
reivindicación 1, que comprende además: una capa de refracción (91)
que se extiende, aproximadamente, en perpendicular a una línea
central de dicha parte de ranura (47) en una posición pasado dicho
extremo adicional de dicha parte de ranura (47), estando dicha capa
de refracción (91) hecha de un material que es transmisivo a la
refracción de señales electromagnéticas de un intervalo de
frecuencias seleccionado que se desplazan en una de dos direcciones
opuestas a lo largo de dicha parte de ranura (47) y que producen
dicha refracción.
22. Un elemento de antena (12) según la
reivindicación 1, que incluye una capa adicional (93) que se
extiende, aproximadamente, en perpendicular a dicha línea central
de dicha parte de ranura (47) y que está dispuesta adyacente a
dicha capa de refracción (91) en un lateral de la misma separado de
dicha parte de ranura (47), estando dicha capa adicional (93) hecha
de un material que es transmisivo a la refracción de las señales
electromagnéticas de dicho intervalo de frecuencias seleccionado
que se están desplazando en una de dichas dos direcciones opuestas a
lo largo de dicha parte de ranura (47) y que produce dicha
refracción.
23. Un elemento de antena (12) según la
reivindicación 2, en el que dichas capas de refracción y adicional
(91, 93) son partes respectivas de un radomo (13).
24. Un elemento de antena (12) según
la reivindicación 1, en el que dichas capas de refracción y
adicional (91, 93) tienen constantes dieléctricas que son
diferentes.
25. Un procedimiento, que comprende
las etapas de: crear un orificio (49) a través de una capa
dieléctrica (18), fabricar una capa eléctricamente conductora (28)
adyacente a una superficie de dicha capa dieléctrica (18), teniendo
dicha capa conductora (28) un entrante grabado en la misma que
incluye una parte de balun (46) y una parte de ranura cónica (47),
teniendo dicha parte de ranura (47) un extremo estrecho que se
comunica con dicha parte de balun (46) y estando dicha parte de
balun (46) alineada con dicho orificio (49) a través de dicha capa
dieléctrica (18) y formar un elemento conductor alargado (67) en
contacto directo con dicha capa conductora (28) y en el mismo plano
que la misma, extendiéndose dicho elemento conductor alargado (67),
por lo general, transversalmente respecto a dicha parte de ranura
(47) en la zona de dicho extremo estrecho, en el que dicha etapa de
creación se lleva a cabo de manera que dicho orificio (49) a través
de dicha capa dieléctrica (18) tiene sustancialmente el mismo
tamaño y forma que dicha parte de balun (46) de dicho entrante de
dicha capa conductora (28), incluyendo la etapa de fabricar una capa
conductora adicional (27) que tiene en la misma un entrante
adicional, incluyendo dicho entrante adicional una parte de balun
adicional (43) e incluyendo una parte de ranura adicional (44) que
se comunica, en un extremo, con dicha parte de balun adicional
(43), siendo dichas partes de ranura (44, 47) de dicho entrante de
tamaño y forma similar y estando sustancialmente alineadas entre sí
y teniendo dicha parte de balun adicional (43) sustancialmente el
mismo tamaño y forma que dicho orificio (49) a través de dicha capa
dieléctrica (18) y estando alineada con el
mismo.
mismo.
26. Un procedimiento según la
reivindicación 25, que incluye la etapa de fabricar un tira
conductora (51) que se extiende a lo largo de un borde de dicho
orificio (49) de dicha capa dieléctrica (18), excepto en la zona de
dichas partes de ranura (44, 47), y que está en contacto eléctrico
con cada una de dichas capas conductoras (28, 27).
27. Un procedimiento según la
reivindicación 25, en el que dicha parte de balun (46) se forma con
una forma que facilita una discontinuidad grande y brusca de
impedancia entre dicha parte de ranura (47) y dicha parte de balun
(46), incluyendo dicha forma de dicha parte de balun (46) dicha
parte de balun (46) que tiene un lateral aproximadamente recto,
comunicándose dicho un extremo de dicha parte de ranura (47) con
dicha parte de balun (46) en una posición entre los extremos de
dicho lateral recto de dicha parte de balun (46).
28. Un procedimiento según la
reivindicación 27, en el que la etapa de creación se lleva a cabo de
un modo tal que dicha parte de balun (46) tiene una forma que es,
aproximadamente, rectangular.
29. Un procedimiento según la
reivindicación 28, en el que dicha etapa de creación se lleva a cabo
de tal manera que dicha parte de balun (46) tiene, en una primera
dirección generalmente paralela a dicho un extremo de dicha parte
de ranura (47), una dimensión que es, aproximadamente, un cuarto de
una longitud de onda seleccionada y tiene, en una segunda dirección
sustancialmente perpendicular a dicha primera dirección, una
segunda dimensión que es al menos un cuarto de dicha longitud de
onda seleccionada y que es inferior a un medio de dicha longitud de
onda seleccionada.
30. Un procedimiento según la
reivindicación 25, que comprende además: proporcionar la capa
dieléctrica (18) como una primera y una segunda capas dieléctricas
(18, 17) que se extienden, aproximadamente, en paralelo entre sí,
fabricar la capa conductora (28) como una primera, una segunda y una
tercera capas conductoras (28, 27, 26) que se extienden,
aproximadamente, en paralelo entre sí y a dicha primera y segunda
capas dieléctricas (18, 17), estando situada dicha primera capa
dieléctrica (18) entre dicha primera y segunda capas conductoras
(28, 27) y estando situada dicha segunda capa dieléctrica (17) entre
dicha primera y tercera capas dieléctricas, formar en cada una de
dichas primera, segunda y tercera capas conductoras (28, 27, 26) un
entrante respectivo que incluye una parte de balun (46, 43, 36) y
una parte de ranura (47, 44, 37) que se comunica, en un extremo,
con la parte de balun (46, 43, 36) de la misma, siendo dichas partes
de ranura (47, 44, 37) de cada una de dichas primera, segunda y
tercera capas conductoras (28, 27, 26) de tamaño y forma similar y
estando sustancialmente alineadas entre sí y siendo dichas partes
de balun (46, 43, 36) de cada una de dichas primera, segunda y
tercera capas conductoras (28, 27, 26) de tamaño y forma similar y
estando alineadas entre sí, formar una pluralidad de vías
conductoras (76, 77, 78) que se extienden a través de aberturas de
dicha primera y segunda capas dieléctricas (18, 17) para acoplar
eléctricamente entre sí dichas primera, segunda y tercera capas
conductoras (28, 27, 26).
31. Un procedimiento según la
reivindicación 30, en el que dicha etapa de fabricación se lleva a
cabo de un modo tal que dicho elemento conductor alargado (67) se
dispone entre dicha primera y segunda capas dieléctricas (18, 17) y
tiene una parte de extremo que se extiende a través de dicha parte
de ranura (47) de dicha primera capa conductora (28) y se conecta
eléctricamente directamente a dicha primera capa conductora (28) de
dicho un extremo de dicha parte de ranura (47) de la misma.
32. Un procedimiento según la
reivindicación 25, en el que dicha parte de ranura (47) se forma con
una anchura que es más estrecha en una primera sección de dicha
parte de ranura (47) situada cerca de dicho un extremo de la misma,
teniendo dicha parte de ranura (47) una segunda y una tercera
secciones que se disponen en laterales opuestos de dicha primera
sección y que cada una tiene una anchura mayor que la anchura de
dicha primera sección.
33. Un procedimiento según la
reivindicación 25, que comprende además: formar una capa de
refracción (91) que se extiende, aproximadamente, en perpendicular
a una línea central de dicha parte de ranura (47) en una posición
pasado dicho extremo adicional de dicha parte de ranura (47),
estando dicha capa de refracción (91) hecha de un material que es
transmisivo a la refracción de señales electromagnéticas de un
intervalo de frecuencias seleccionado que se desplazan en una de
dos direcciones opuestas a lo largo de dicha parte de ranura (47) y
que producen dicha refracción.
34. Un procedimiento según la
reivindicación 33, que incluye la etapa de formar una capa adicional
(93) que se extiende, aproximadamente, en perpendicular a dicha
línea central de dicha parte de ranura (47) y que se dispone
adyacente a dicha capa de refracción (91) en un lateral de la misma
separado de dicha parte de ranura (47), estando dicha capa
adicional (93) hecha de un material que es transmisivo a la
refracción de las señales electromagnéticas de dicho intervalo de
frecuencias seleccionado que se están desplazando en una de dichas
dos direcciones opuestas a lo largo de dicha parte de ranura (47) y
que produce dicha refracción.
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