ES2325618T3 - Antena helicoidal cuadrifilar. - Google Patents
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Abstract
Una antena helicoidal cuadrifilar (1) que comprende un primer grupo de cuatro y un segundo grupo de cuatro elementos de antena helicoidal (2a-5a, 2b-5b), estando dichos elementos dispuestos simétricamente con respecto a un eje longitudinal que se extiende a través del centro axial de la antena (1), en el que la antena (1) se excita desde los puntos de alimentación (2c-5c) en un plano de tierra local en la parte inferior (6) de la antena, los extremos inferiores del primer grupo están en contacto galvánico con los puntos de alimentación respectivos (2c-5c), y los extremos superiores de los elementos de antena helicoidal (2b-5b) del segundo grupo están dispuestos en un circuito abierto en la parte superior (7) de la antena y permanecen desconectados, en la que los elementos de antena helicoidal (2a-5a) del primer grupo están interconectados en los extremos superiores respectivos de los elementos en la parte superior (7) de la antena, de modo que se establecen cuatro puntos de alimentación virtuales en la parte superior de la antena, y en que los extremos inferiores de los elementos de antena helicoidal (2b-5b) del segundo grupo tienen cada uno una conexión (2d-5d) al plano de tierra local, en el que los elementos de antena (2a-5a, 2b-5b) en el primer y segundo grupo son adyacentes y están dispuestos en pares, de modo que se forman circuitos bifilares (2a,2b; 3a,3b; 4a,4b; 5a,5b) mediante un elemento de antena del primer grupo y un elemento de antena respectivo del segundo grupo, caracterizada porque el primer grupo de elementos de antena helicoidal (2a-5a) son circuitos grabados en un primer sustrato formado como un primer cilindro o cono con dimensiones de primer diámetro, el segundo grupo de elementos de antena helicoidal (2b-5b) son circuitos grabados en un segundo sustrato formado como un segundo cilindro o cono, siendo las dimensiones del segundo diámetro mayores que las dimensiones del primer diámetro, y en el que el segundo cilindro o cono está dispuesto para englobar el primer cilindro o cono, en el que los dos conos o cilindros (9, 10) están separados por gas o vacío o por un material de distancia de separación.
Description
Antena helicoidal cuadrifilar.
La presente invención se refiere a antenas. Más
concretamente, la presente invención se refiere a antenas
helicoidales cuadrifilares con un primer y segundo grupo de
elementos de antena helicoidal dispuestos simétricamente alrededor
de un eje longitudinal que se extiende a través del centro axial de
la antena. La antena se excita desde un punto de alimentación en un
plano del suelo local.
Una antena helicoidal cuadrifilar normalmente
consta de cuatro elementos de banda de hilo metálico con forma
helicoidal posicionados simétricamente. Las cuatro hélices son
alimentadas en cuadratura de fase, es decir, con amplitud
equivalente y con la relación de fases 0º, 90º, 180º y 270º. La
antena helicoidal cuadrifilar puede recibir y transmitir señales
polarizadas circulares en una gran región angular. Sus
características de radiación vienen determinadas principalmente por
la forma de las hélices, es decir, el número de giros, ángulo de
inclinación, altura de la antena y diámetro de la antena, y en los
casos de hélices con forma cónica, también el ángulo del cono.
Dichos elementos de antena son conocidos, con
una disposición cilíndrica o cónica de los miembros de radiación.
Estos suelen estar fijados espaciados bobinándolos en un sustrato de
material dieléctrico, o estampándolos en un sustrato que se forma a
continuación - normalmente en un cilindro o cono.
La alimentación de la cuadratura de fase de las
cuatro hélices puede llevarse a cabo de diferentes maneras. Una
posibilidad es tener una red de alimentación separada que genere la
cuadratura de fase. Alternativamente puede utilizarse un sistema
simetrizador en combinación con un híbrido de 90º o con una antena
helicoidal de autofase.
Las áreas técnicas en las que se utilizan dichas
antenas helicoidales cuadrifilares se encuentran en las bandas
microondas inferiores, por ejemplo, banda L hasta la banda X. Las
antenas se utilizan para generar y recibir normalmente radiación
polarizada circular en todo el lóbulo de tipo hemisférico o isoflux.
Las aplicaciones típicas son antenas para satélites en enlaces de
telemetría, seguimiento y telecomando y enlaces de datos de banda
estrecha. Otras aplicaciones comunes se realizan en los receptores
de GPS, tanto los basados en satélite como los basados en tierra.
Suele ser recomendable en estas aplicaciones una antena de alta
ganancia dentro de una zona amplia de cobertura pero que una
posible radiación fuera del área cubierta normalmente obstaculice
el sistema debido a una propagación de trayectos múltiples cuando la
antena está colocada en su entorno no ideal. Para verificar el
rendimiento del sistema, la función de la antena debe medirse y
analizarse en su entorno. Esto resulta complicado y costoso. Una
antena cuyo rendimiento no sea sensible al entorno en el que se ha
colocado es, por tanto, beneficiosa debido a varios aspectos.
Las antenas helicoidales cuadrifilares para
dichas aplicaciones suelen ser pequeñas, una o dos longitudes de
onda, lo que significa que puede ser difícil excitar la antena sin
excitar la estructura en la que está montada la antena. Esto
provocaría unas corrientes de superficie no deseadas que
contribuirían al diagrama de radiación de antenas de forma no
deseada. Esto se advierte particularmente fuera del área de
cobertura en un área en el que normalmente se prefieren bajos
niveles de radiación.
El elemento de antena helicoidal en la antena
helicoidal cuadrifilar puede excitarse en la parte inferior de la
antena, en la que los elementos de la antena helicoidal se unen a un
plano de tierra, o en el extremo opuesto, las llamadas antenas de
alimentación superior. Ambas soluciones se implementan técnicamente.
Hay que tener en cuenta que las antenas de alimentación superior
originan una menor radiación de lóbulos posteriores. La razón de
esto es que la discontinuidad que el campo electromagnético
experimenta en los puntos de alimentación origina inevitablemente
corrientes en el plano de tierra local y por lo tanto, en la
estructura a la que está unida la antena.
Sin embargo, una desventaja de la antena de
alimentación superior es que es mecánicamente compleja. Los
conectores coaxiales están acoplados a cables coaxiales que se
extienden a través de la base hasta la punta de la antena. Los
cables coaxiales de la parte superior de la antena requieren apoyo
mecánico. Los cables también pueden tener un impacto en la función
de radiación.
La antena de alimentación inferior está
dispuesta en ocasiones con hélices metálicas autoportantes. Una
solución alternativa, más económica y atractiva desde el punto de
vista mecánico que también existe es estampar los elementos de
antena helicoidales en un fino sustrato dieléctrico que se forma en
un cono o cilindro. Los elementos de la antena helicoidal están
conectados a conectores coaxiales en el plano de tierra de la antena
en estos dos casos.
No existe una solución disponible que combine
las propiedades de radiación de lóbulos posteriores de una antena
de alimentación superior con las ventajas mecánicas de una antena de
alimentación inferior.
La patente estadounidense nº 6,094,178 divulga
una antena helicoidal cuadrifilar que funciona en dos modos, modo
helicoidal y monopolar respectivamente. Como alternativa para
alimentar la antena en el modo monopolar, se describe cómo pueden
utilizarse las dobles hélices. La antena puede caracterizarse como
una antena de alimentación inferior que emplea el elemento de
susceptancia en derivación para el modo monopolar.
La patente estadounidense nº 6,184,844 divulga
dos antenas conectadas entre sí, en las que se realiza el
acortamiento de las hélices en la segunda antena utilizando el
plano de tierra de alimentación de la primera antena para cambiar
la frecuencia de resonancia de la segunda antena helicoidal. El
punto de alimentación de la antena está posicionado entre el punto
de tierra, es decir, el plano de tierra de la primera red de
alimentación y la red de alimentación de la segunda red de
alimentación, en la que el punto de alimentación se elige para
optimizar el ajuste de la impedancia.
El objeto de la presente invención es, por lo
tanto, proporcionar una antena helicoidal cuadrifilar, que ofrece
una mejora con respecto a las anteriores antenas helicoidales
cuadrifilares con alimentación inferior, y que ofrece baja
radiación de lóbulos posteriores.
La invención está definida en las
reivindicaciones adjuntas.
De acuerdo con un aspecto de la invención, el
objeto se obtiene en una antena helicoidal cuadrifilar que comprende
un primer y segundo grupo de elementos de antena helicoidal
dispuestos simétricamente alrededor de un eje longitudinal que se
extiende a través del centro axial de la antena. La antena se excita
desde un punto de alimentación en un plano del suelo local. Los
elementos de antena helicoidal del primer grupo están
interconectados en los extremos superiores respectivos de los
elementos en la parte superior radiactiva principal de la antena.
El punto de alimentación está situado en los extremos inferiores del
primer grupo de hélices. Para el segundo grupo de elementos de
antena, los extremos inferiores de los elementos están conectados al
mismo plano de tierra local por el que se alimenta al primer grupo
de elementos de antena. Sin embargo, los extremos superiores del
segundo grupo de antena helicoidal están dispuestos en un circuito
abierto y permanecen desconectados.
Una ventaja importante lograda en la antena es
que se establecen cuatro puntos de alimentación virtuales en la
parte superior de la antena helicoidal, eliminando de este modo las
conocidas desventajas de una antena de alimentación inferior.
En la invención, los elementos de antena en el
primer y segundo grupo son adyacentes y están situados por pares.
De este modo, se forman circuitos bifilares mediante un elemento de
antena del primer grupo y un elemento de antena respectivo del
segundo grupo. Favorablemente, cada par de elementos de antena está
dispuesto en la dirección de un rayo que se extiende a través del
eje longitudinal de la antena.
De acuerdo con la invención, el primer grupo de
elementos de antena helicoidal son circuitos grabados en un primer
sustrato formado como un primer cilindro o cono. El segundo grupo de
elementos de antena helicoidal son circuitos grabados en un segundo
sustrato formado como un segundo cilindro o cono. Las dimensiones
del primer cilindro o cono son inferiores a las del segundo
cilindro o cono, que está dispuesto para englobar el primer
cilindro o cono.
Se advertirán ventajas, características
ventajosas y aplicaciones adicionales de la presente invención a
partir de la siguiente descripción y las reivindicaciones
dependientes.
La presente invención se tratará a continuación
con más detalle con referencia a los dibujos adjuntos.
La figura 1 es una vista en despiece de una
realización preferente de la presente invención.
La figura 2 es una vista en perspectiva de una
realización alternativa.
La figura 1 muestra una vista en despiece de una
antena helicoidal de frecuencia cuadrifilar de acuerdo con la
enseñanza de la invención. La antena consiste en cuatro elementos
radiantes con forma de hélice en los que cada elemento de hélice
2-5 consta de dos hélices paralelas 2 a,b - 5a,b de
diferentes longitudes que están en contacto galvánico. Los
elementos de antena están hechos de metal, preferentemente de
aluminio, una aleación de berilio o cobre, titanio o acero. Una red
de alimentación para alimentar la antena está dispuesta bajo los
elementos de antena. Las cuatro hélices son alimentadas en
cuadratura de fase, es decir, con amplitud equivalente y con la
relación de fases 0º, 90º, 180º y 270º. Por dónde se alimentan las
hélices y cómo se realiza la alimentación de la cuadratura de fase
no forma parte de la invención y la red de alimentación no se
describirá con más detalle. La antena helicoidal cuadrifilar está
especialmente adaptada para transmitir y recibir ondas de
radiofrecuencia circularmente polarizada.
La antena se describirá a continuación con un
primer y segundo grupo de elementos de antena helicoidal en los que
cada hélice en el primer grupo tiene una hélice correspondiente en
el segundo grupo que forma un par de hélices (2a, 2b;...; 5a, 5b).
El primer grupo de elementos de antena helicoidal
2a-5a está dispuesto de conformidad con las
enseñanzas convencionales de la técnica anterior. Los elementos de
hélice del segundo grupo 2b-5b están
cortocircuitados en la parte inferior del sistema de antena a un
plano de tierra local 6 de modo que cada elemento del segundo grupo
tiene una conexión 2d-5d al plano de tierra local.
Los elementos de hélice del segundo grupo 2b-5b
están en circuito abierto en la parte superior 7 de la antena. Cada
par de hélices 2a,b;..;5a,b constituye un doble circuito con puntos
de alimentación 2c-5c en el plano de tierra local.
El campo de radiofrecuencia se distribuye desde los puntos de
alimentación 2c-5c a la parte superior 7 de la
antena. El primer grupo de hélices 2a-5a está, al
contrario que el segundo grupo de hélices 2b-5b, en
circuito cerrado en la parte superior de la antena. Con el fin de
mantener la distancia correcta entre los elementos de antena
helicoidal en la antena helicoidal cuadrifilar autoportante, pueden
unirse elementos de separación de material dieléctrico a los
elementos de antena helicoidal en cada par.
En la realización preferente divulgada de una
antena helicoidal cuadrifilar, el primer grupo de elementos de
antena helicoidal 2a-5a está grabado en un primer
cono 10 y el segundo grupo de elementos de antena helicoidal
2b-5b está grabado en un segundo cono 9 o cilindro.
El diámetro de base del primer y segundo cono o cilindro difiere
ligeramente de modo que los dos grupos de elementos de antena puedan
disponerse de manera adyacente encajando el primero 10 de los dos
conos o cilindros en el segundo cono 9. En otra realización que no
se divulga en las figuras, el segundo cono 9 se encaja en el primer
cono 10. Las posiciones de cada hélice individual se ajustan de
modo que el segundo grupo de hélices 2b-5b esté
orientada al primer grupo de hélices 2a-5a. Los
parámetros que afectan a las características de la antena se escogen
para lograr una impedancia adecuada. Dichos parámetros incluyen el
ancho de los elementos de antena helicoidal, la distancia entre cada
par de hélices y el diámetro de base de los conos o cilindros. Los
puntos de alimentación 2c-5c en la parte inferior
del primer grupo interior de hélices 2a-5a están
equilibrados y no generarán corrientes en el plano de tierra que
puedan originar una radiación posterior.
En la parte superior del primer cono 10, todas
las hélices del primer grupo de hélices 2a-5a están
conectadas por una interconexión galvánica 8. La interconexión
galvánica 8 puede lograrse mediante soldadura o mediante alguna
otra forma de procedimiento de montaje de conducción eléctrica de
modo que se obtiene un anillo. También puede lograrse una
interconexión galvánica sin tener un anillo cerrado si está libre un
extremo del sustrato superior que soporta el conductor anular. Cada
hélice verá una tierra virtual y por tanto, la corriente reflejada
cambiará en fase en 180 grados. Las hélices en el segundo grupo de
hélices 2b-5b permanecen abiertas. Las corrientes
en el segundo grupo de hélices en el segundo cono exterior 9 no
cambiará en fase cuando se reflejan en los extremos superiores
abiertos de las hélices exteriores. La corriente en el primer y
segundo par de hélices tendrá la misma fase y cada par de hélices
se comportará ahora como los elementos radiantes.
Los elementos radiantes o hélices pueden, en una
realización preferente, estar hechos de bandas de cobre estampadas
en conos de vidrio/ epoxi. Los dos conos 9,10 son extremadamente
finos, alrededor de 0,1 mm y para mejorar el rendimiento mecánico,
los dos conos helicoidales pueden unirse entre sí en 16 lugares a lo
largo de los conos con la ayuda de pequeños elementos espaciadores
de vidrio y/o epoxi. La parte superior del segundo cono exterior 9
también puede unirse a una cúpula de fibra de vidrio externa. Los
conos o cilindros están separados por gas o vacío. Con el fin de
aumentar la estabilidad en la solución, también es posible incluir
un material de separación dieléctrico en el espacio entre el cono o
cilindro englobador y el cono o cilindro interior.
La parte inferior de cada cono helicoidal 6
puede estar unida a un anillo de aluminio 11 que está sujeto
mediante tornillos a la base de la antena 13. Por supuesto, también
son posibles otros medios de fijación.
Las hélices interiores se alimentan por la parte
inferior en la cuadratura de fase, es decir, con amplitud
equivalente y con la relación de fases 0º, 90º, 180º y 270º.
Otra realización de la invención se divulga en
la figura 2. De acuerdo con esta realización, los dos grupos de
elementos de antena helicoidal están grabados en el mismo sustrato
12 de modo que estos elementos forman circuitos coplanares dobles o
triples. El circuito doble coplanar consiste en un grupo de
elementos de antena helicoidal 2a-5a que están
interconectados en los extremos superiores respectivos de los
elementos y los extremos inferiores se alimentan a través del plano
de tierra local. Para el segundo grupo de elementos de antena
2b-5b, cada uno de los extremos inferiores de los
elementos tiene una conexión 2d-5d al mismo plano de
tierra local por el que se alimenta al primer grupo de elementos de
antena. Sin embargo, los extremos superiores del segundo grupo de
antena helicoidal permanecen desconectados. Los dos grupos de
hélices se sitúan lado a lado como una línea de transmisión
coplanar soportada por un cono o cilindro dieléctrico. El circuito
triple coplanar es el mismo que el circuito doble coplanar con la
excepción de que se añade un tercer grupo de hélices. El tercer
grupo de hélices tiene la misma apariencia que el segundo grupo pero
se coloca en el lado opuesto al mirarse desde el primer grupo de
hélices.
Claims (7)
1. Una antena helicoidal cuadrifilar (1) que
comprende un primer grupo de cuatro y un segundo grupo de cuatro
elementos de antena helicoidal (2a-5a,
2b-5b), estando dichos elementos dispuestos
simétricamente con respecto a un eje longitudinal que se extiende a
través del centro axial de la antena (1), en el que la antena (1)
se excita desde los puntos de alimentación (2c-5c)
en un plano de tierra local en la parte inferior (6) de la antena,
los extremos inferiores del primer grupo están en contacto galvánico
con los puntos de alimentación respectivos (2c-5c),
y los extremos superiores de los elementos de antena helicoidal
(2b-5b) del segundo grupo están dispuestos en un
circuito abierto en la parte superior (7) de la antena y permanecen
desconectados, en la que los elementos de antena helicoidal
(2a-5a) del primer grupo están interconectados en
los extremos superiores respectivos de los elementos en la parte
superior (7) de la antena, de modo que se establecen cuatro puntos
de alimentación virtuales en la parte superior de la antena, y en
que los extremos inferiores de los elementos de antena helicoidal
(2b-5b) del segundo grupo tienen cada uno una
conexión (2d-5d) al plano de tierra local, en el
que los elementos de antena (2a-5a,
2b-5b) en el primer y segundo grupo son adyacentes
y están dispuestos en pares, de modo que se forman circuitos
bifilares (2a,2b; 3a,3b; 4a,4b; 5a,5b) mediante un elemento de
antena del primer grupo y un elemento de antena respectivo del
segundo grupo, caracterizada porque el primer grupo de
elementos de antena helicoidal (2a-5a) son circuitos
grabados en un primer sustrato formado como un primer cilindro o
cono con dimensiones de primer diámetro, el segundo grupo de
elementos de antena helicoidal (2b-5b) son
circuitos grabados en un segundo sustrato formado como un segundo
cilindro o cono, siendo las dimensiones del segundo diámetro
mayores que las dimensiones del primer diámetro, y en el que el
segundo cilindro o cono está dispuesto para englobar el primer
cilindro o cono, en el que los dos conos o cilindros (9, 10) están
separados por gas o vacío o por un material de distancia de
separación.
2. Una antena helicoidal cuadrifilar de acuerdo
con la reivindicación 1, en la que el primer grupo de hélices
(2a-5a) está incluido en el segundo grupo de hélices
(2b-5b).
3. Una antena helicoidal cuadrifilar de acuerdo
con la reivindicación 1 ó 2 en la que cada par de elementos de
antena (2, 5) está dispuesto en la dirección de un rayo que se
extiende a través del eje longitudinal de la antena.
4. Una antena helicoidal cuadrifilar de acuerdo
con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que los
extremos superiores del primer conjunto de elementos de antena están
interconectados por una interconexión galvánica (8).
5. Una antena helicoidal cuadrifilar de acuerdo
con la reivindicación 4, en la que los circuitos grabados en los
sustratos respectivos están dispuestos para estar orientados uno
frente al otro, en un área en la dirección longitudinal de la
antena.
6. Una antena helicoidal cuadrifilar (1) que
comprende un primer grupo de cuatro y un segundo grupo de cuatro
elementos de antena helicoidal (2a-5a,
2b-5b), estando dichos elementos dispuestos
simétricamente con respecto a un eje longitudinal que se extiende a
través del centro axial de la antena (1), en el que la antena (1)
se excita desde los puntos de alimentación (2c-5c)
en un plano de tierra local en la parte inferior (6) de la antena,
los extremos inferiores del primer grupo están en contacto galvánico
con los puntos de alimentación respectivos (2c-5c),
y los extremos superiores de los elementos de antena helicoidal
(2b-5b) del segundo grupo están dispuestos en un
circuito abierto en la parte superior (7) de la antena y permanecen
desconectados, en la que los elementos de antena helicoidal
(2a-5a) del primer grupo están interconectados en
los extremos superiores respectivos de los elementos en la parte
superior (7) de la antena, de modo que se establecen cuatro puntos
de alimentación virtuales en la parte superior de la antena, y en
que los extremos inferiores de los elementos de antena helicoidal
(2b-5b) del segundo grupo tienen cada uno una
conexión (2d-5d) al plano de tierra local, en el
que los elementos de antena (2a-5a,
2b-5b) en el primer y segundo grupo son adyacentes
y están dispuestos en pares, de modo que se forman circuitos
bifilares (2a,2b; 3a,3b; 4a,4b; 5a,5b) mediante un elemento de
antena del primer grupo y un elemento de antena respectivo del
segundo grupo, caracterizada porque el primer grupo de
elementos de antena helicoidal (2a-5a) y el segundo
grupo de elementos de antena helicoidal (2b-5b) son
circuitos grabados en un sustrato (12), de modo que los elementos de
antena son circuitos coplanares.
7. Una antena helicoidal cuadrifilar de acuerdo
con la reivindicación 6, en la que dos grupos de hélices se sitúan
lado a lado como una línea de transmisión coplanar apoyada por un
cono o cilindro dieléctrico.
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