ES2626262T3

ES2626262T3 - Conformación de haz para agrupación de antenas de banda ancha

Info

Publication number: ES2626262T3
Application number: ES06808753.5T
Authority: ES
Inventors: Bruno Peter Pirollo; Ronald Frank Edward Guy
Original assignee: BAE Systems PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 2005-11-23
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2017-07-24
Anticipated expiration: 2026-11-15
Also published as: AU2006318826B2; AU2006318826A1; US20090009422A1; US8466848B2; DK1952481T3; EP1952481A1; GB0526661D0; EP1952481B1; WO2007060478A1; PL1952481T3

Abstract

Un aparato, para controlar la forma de los haces en el patrón de radiación de campo lejano de una agrupación de antenas de múltiples haces que tiene una pluralidad de elementos (100) de antena, teniendo la agrupación de antenas un rango de frecuencias de operación de banda ancha, estando caracterizado el aparato por medios (400) para aplicar un perfil de potencia independiente de la frecuencia no lineal predeterminado fijo a las señales con respecto a los elementos (100) de la antena y medios (405) para aplicar, en combinación con el perfil de potencia fijo, un perfil de retardo de tiempo independiente de la frecuencia no lineal predeterminado fijo a dichas señales, en donde los perfiles de potencia y de retardo de tiempo predeterminados fijos se seleccionan de manera que cuando se aplican en combinación a dichas señales, la forma de cada uno de los múltiples haces resultantes permanece sustancialmente constante a medida que se varía la frecuencia de dichas señales dentro del rango de frecuencias de operación de banda ancha de la antena.

Description

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DESCRIPCION

Conformacion de haz para agrupacion de antenas de banda ancha

Esta invencion se refiere a agrupaciones de antenas y en particular a un aparato y metodo para controlar la forma de haz en una agrupacion de antenas para proporcionar cobertura uniforme a traves del campo de vision de la antena sobre un amplio rango de frecuencias de operacion. Un rango de frecuencias de operacion preferido es de 6-18GHz, pero la presente invencion se puede aplicar a agrupaciones de antenas disenadas para operar con senales de microondas y de longitud de onda milimetrica en el rango de frecuencias de 500MHz a 300GHz.

En una aplicacion tfpica de una agrupacion de antenas conocida, se forma un conjunto de haces para abarcar un campo de vision que se extiende hasta ± 45° en azimut, con cada uno de los haces apuntando en angulos de exploracion fijos. Para asegurar que los haces abarquen el campo, se pueden establecer lfmites ajustados en los niveles de cruce admisibles entre haces adyacentes de manera que no haya huecos significativos en la cobertura del campo. Nominalmente, se requerina que los haces se crucen en o por encima de los puntos de -3dB en sus patrones de radiacion de campo lejano a una frecuencia de operacion prevista. Sin embargo, se sabe que la anchura de los haces para una agrupacion de antenas es inversamente proporcional a la frecuencia de la radiacion. Por lo tanto, en la aplicacion particular considerada, donde los picos del haz estan en angulos de exploracion fijos, los puntos de cruce de haces adyacentes vanan considerablemente segun la frecuencia de operacion de modo que, a frecuencias mas altas, es probable que se desarrollen huecos en la cobertura del campo previsto. Esto limita el rango de frecuencias sobre el cual se puede usar un diseno conocido de agrupaciones de antenas de fase compartida.

Es conocido el hecho de intentar superar este problema de estrechamiento de anchuras de haz variando la amplitud de las senales a traves de los elementos de una agrupacion de antenas segun la frecuencia de operacion. En un enfoque conocido, se ha sugerido que sean conectados filtros de “apodizacion” a cada elemento de una agrupacion para controlar la amplitud de las senales respectivas. Los filtros de apodizacion proporcionan baja atenuacion a las frecuencias mas bajas y alta atenuacion a las frecuencias mas altas. La caractenstica de filtro ideal para cada elemento de la agrupacion es dependiente de la posicion del elemento dentro de la agrupacion. Para elementos en el centro de la agrupacion los filtros debenan tener una caractenstica de filtro que vane solo ligeramente con la frecuencia mientras que, para elementos hacia el borde de la agrupacion, los filtros debenan tener una caractenstica de filtro que vane enormemente con la frecuencia. De esta manera, a las frecuencias mas bajas, los filtros proporcionanan una iluminacion aproximadamente uniforme a traves de la agrupacion, conduciendo a un haz relativamente estrecho para esta frecuencia de operacion. A las frecuencias mas altas, los filtros producinan una iluminacion muy concentrada a traves de una mayor atenuacion de senales para los elementos hacia los bordes de la agrupacion, conduciendo a un haz relativamente ancho para esta frecuencia de operacion y compensando asf el estrechamiento natural de haz a esas frecuencias mas altas. Sintetizando la distribucion ideal de la amplitud de senal a cada frecuencia, se puede definir una caractenstica del filtro de apodizacion detallada para cada elemento dentro de la agrupacion. Si se pueden lograr estas caractensticas del filtro, entonces se pueden lograr anchuras de haz aproximadamente constantes con lobulos laterales relativamente bajos sobre la banda de frecuencia de operacion deseada, asegurando asf una cobertura uniforme del campo de vision. Sin embargo, en la practica, no se podna encontrar un diseno de filtro para lograr estas caractensticas. Aunque se podna lograr una aproximacion a la respuesta de atenuacion, no se podna controlar adecuadamente la respuesta de fase.

El documento US-A5124712 describe un radar de banda estrecha en el que la conformacion de haz se logra por medio de amplificadores de ganancia variable o atenuadores variables y/o desplazadores de fase.

Desde un primer aspecto, la presente invencion reside en un aparato para controlar la forma de los haces en el patron de radiacion de campo lejano de una agrupacion de antenas de multiples haces que tiene una pluralidad de elementos de antena, teniendo la agrupacion de antenas un rango de frecuencias de operacion de banda ancha, estando caracterizado el aparato por medios para aplicar un perfil de potencia independiente de la frecuencia no lineal predeterminado fijo a las senales con respecto a los elementos de la antena y medios para aplicar, en combinacion con el perfil de potencia fijo, un perfil de retardo de tiempo independiente de la frecuencia no lineal predeterminado fijo a las senales, en donde los perfiles de potencia y de retardo de tiempo predeterminados fijos se seleccionan de manera que cuando se aplican en combinacion con las senales, la forma de cada uno de los multiples haces resultantes permanece sustancialmente constante a medida que se vana la frecuencia de las senales dentro del rango de frecuencias de operacion de banda ancha de la antena.

Los inventores en el presente caso han encontrado que aplicando un perfil de potencia de senal (amplitud) y retardo no lineal fijo, en combinacion, a traves de la apertura de una agrupacion de antenas, donde las formas de perfil estan optimizadas para un diseno particular de agrupacion de antenas, se puede lograr una forma sustancialmente constante de patron de radiacion, es decir, una anchura de haz sustancialmente constante al menos a nivel de los puntos de solapamiento entre haces adyacentes, en la medida en que se puedan mantener solapamientos entre haces adyacentes en sus puntos de -3dB o por encima a traves de un amplio rango de frecuencias de operacion. Siendo fijas, las distribuciones se implementan mucho mas facilmente para una agrupacion de antenas particular en comparacion con los intentos previos de usar una distribucion dependiente de la frecuencia de la potencia de senal sola.

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Mientras que es conocido que los patrones de radiacion se pueden conformar ajustando la amplitud de las senales o ajustando la fase de las senales a traves de la apertura de una agrupacion de antenas con el proposito de lograr un campo de cobertura requerido a una frecuencia de operacion particular, los inventores de la presente invencion han encontrado que mediante una eleccion cuidadosa del perfil de amplitud y del perfil de retardo de tiempo a traves de la apertura de la agrupacion, se puede mantener una forma requerida de patron de radiacion sobre un amplio rango de frecuencias, permitiendo que una agrupacion de antenas sea usada como una antena de banda ancha.

En una realizacion preferida de la presente invencion, el perfil de potencia y el perfil de retardo son sustancialmente de forma parabolica. En particular, para el perfil de potencia, se aplica una atenuacion mayor a la potencia de las senales con respecto a los elementos de antena dispuestos en uno o mas bordes de la agrupacion de antenas en comparacion con la atenuacion aplicada a la potencia de las senales con respecto a elementos dispuestos en una region central de la agrupacion de antenas. Para el perfil de retardo, se aplica un retardo de tiempo mayor a las senales con respecto a los elementos de antena dispuestos en uno o mas bordes de la agrupacion de antenas en comparacion con el retardo de tiempo aplicado a las senales con respecto a los elementos dispuestos en una region central de la agrupacion de antenas.

Los perfiles de potencia y retardo preferidos se pueden implementar convenientemente en el dominio optico. El perfil de potencia se puede implementar aplicando un perfil de potencia correspondiente a senales portadoras de laser respectivas moduladas con las senales de radiofrecuencia (RF) con respecto a los elementos de la antena. El perfil de retardo se puede implementar aplicando el perfil de retardo usando diferentes longitudes de fibra optica en la trayectoria de senal optica asociada con cada elemento de antena. Estas implementaciones se pueden lograr convenientemente en asociacion con una red de formacion de haz optico.

En una realizacion preferida de la presente invencion, el aparato segun este primer aspecto incluye una red de formacion de haz optico operable para aplicar el perfil de retardo a las senales opticas que pasan a traves de la red.

Aunque un rango de frecuencias de operacion preferido es de 6 a 18GHz, el aparato segun las realizaciones preferidas de la presente invencion se puede optimizar para su uso con otros rangos de frecuencias en las bandas de microondas y de longitud de onda milimetrica.

Desde un segundo aspecto, la presente invencion reside en un metodo para controlar la forma de los haces en el patron de radiacion de campo lejano de una agrupacion de antenas de multiples haces que tiene una pluralidad de elementos de antena, teniendo la agrupacion de antenas un rango de frecuencias de operacion de banda ancha, estando caracterizado el metodo por los pasos de aplicacion de un perfil de potencia independiente de la frecuencia no lineal predeterminado fijo en combinacion con un perfil de retardo de tiempo independiente de la frecuencia no lineal predeterminado fijo a senales con respecto a los elementos de la antena, en donde los perfiles de potencia y de retardo de tiempo predeterminados fijos se seleccionan de manera que cuando se aplican en combinacion con las senales, la forma de cada uno de los multiples haces resultantes permanece sustancialmente constante a medida que se vana la frecuencia de las senales dentro del rango de frecuencias de operacion de banda ancha de la antena.

Desde un tercer aspecto, la presente invencion reside en una red de formacion de haz para una agrupacion de antenas de multiples haces que tiene una pluralidad de elementos de antena y un rango de frecuencias de operacion de banda ancha, estando caracterizada la red de formacion de haz por medios para aplicar un perfil de potencia independiente de la frecuencia no lineal predeterminado fijo a las senales con respecto a los elementos de la antena, y medios para aplicar, ademas de cualquier retardo de tiempo de formacion de haz, un perfil de retardo de tiempo independiente de la frecuencia no lineal predeterminado fijo a las senales, en donde los perfiles de potencia y retardo de tiempo predeterminados fijos se seleccionan de manera que cuando se aplican en combinacion con las senales, la forma de cada uno de los multiples haces resultantes permanece sustancialmente constante a medida que se vana la frecuencia de las senales dentro del rango de frecuencias de operacion de banda ancha de la antena.

El aparato y metodo del primer, segundo y tercer aspectos de la presente invencion, se pueden usar tanto con haces fijos como de exploracion, donde la formacion de haz y la aplicacion de los perfiles se lleva a cabo o bien en el dominio optico o bien en el dominio de RF o una combinacion de los dos.

La presente invencion tambien se extiende a sistemas de radar que incluyen aparatos segun el primer y tercer aspectos de la presente invencion y a cualquier plataforma, estacionaria o movil, sobre la que este montado el aparato.

Donde se usan en la presente memoria descriptiva de patente las palabras comprenden, comprende o que comprende, tienen que ser interpretadas en su sentido no exclusivo, es decir, que significan, respectivamente, incluyen, incluye o que incluye, pero no limitadas a ello.

Las realizaciones preferidas de la presente invencion se describiran ahora a modo de ejemplo solamente y con referencia a los dibujos anexos, de los cuales:

la Figura 1 es una representacion de una agrupacion de antenas conocida con una red de formacion de haz optico;

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la Figura 2 muestra una distribucion de potencia de senal preferida a traves de la apertura de una agrupacion de antenas segun una realizacion preferida de la presente invencion;

la Figura 3 muestra una distribucion preferida de retardo de senal a traves de la apertura de una agrupacion de antenas segun una realizacion preferida de la presente invencion;

la Figura 4 es una representacion de una agrupacion de antenas y una red de formacion de haz optico segun una realizacion preferida de la presente invencion;

la Figura 5 muestra la disposicion de una red de formacion de haz optico de fibra en placa segun una realizacion preferida de la presente invencion;

la Figura 6 muestra una seccion a traves de parte de una implementacion de fibra en placa tfpica de una red de formacion de haz optico segun las realizaciones preferidas de la presente invencion;

la Figura 7 muestra un patron de radiacion de campo lejano predicho a 6GHz para una agrupacion de antenas y una red de formacion de haz optico segun las realizaciones preferidas de la presente invencion;

la Figura 8 muestra un patron de radiacion de campo lejano predicho a 9GHz para una agrupacion de antenas y una red de formacion de haz optico segun las realizaciones preferidas de la presente invencion;

la Figura 9 muestra un patron de radiacion de campo lejano predicho a 12 GHz para una agrupacion de antenas y una red de formacion de haz optico segun las realizaciones preferidas de la presente invencion; y

la Figura 10 muestra un patron de radiacion de campo lejano predicho a 18GHz para una agrupacion de antenas y una red de formacion de haz optico segun las realizaciones preferidas de la presente invencion;

Las realizaciones preferidas de la presente invencion se describiran en el contexto de una agrupacion de antenas que comprende dieciseis elementos de recepcion equidistantes y un formador de haz optico dispuesto para proporcionar cuatro haces que apuntan en direcciones fijas, abarcando un campo de vision de ± 45 ° en azimut, para uso en el rango de frecuencias de 6 a 18GHz con haces adyacentes solapados en sus puntos de -3 dB, asegurando una cobertura completa del campo de vision. Preferiblemente, los segundos puntos de cruce de los haces estan a un nivel al menos 20dB por debajo de los picos de haz y los lobulos laterales permanecen a un nivel por debajo de esos segundos puntos de cruce. Una agrupacion convencional no sena capaz de lograr este grado de cobertura (o niveles de lobulos laterales) debido a que el estrechamiento de haces con una frecuencia creciente dejana huecos en la cobertura entre picos de haces.

Estara claro que las realizaciones preferidas de la presente invencion se pueden adaptar facilmente para proporcionar un transmisor en oposicion a un receptor de multiples haces y para operar con diferentes numeros de elementos de antena, diferentes frecuencias y diferentes numeros de haces.

Un ejemplo de una agrupacion de antenas y una red de formacion de haz optico conocidas se describira ahora con referencia a la Figura 1.

Con referencia a la Figura 1, se representa una agrupacion de antenas de dieciseis elementos 100 de antena, estando cada elemento 100 de antena conectado a un amplificador 105 de bajo nivel de ruido (LNA) para amplificar senales recibidas en el elemento 100 de antena respectivo. Cada una de las senales amplificadas se alimenta a un modulador optico 110 diferente operable para modular luz de un laser 115 con esas senales. La luz modulada de cada uno de los moduladores 110 opticos es transportada por una fibra optica 120 diferente a una red 125 de formacion de haz optico, operable para resolver y emitir cuatro haces diferentes a partir de las dieciseis senales recibidas. Para cada haz, dieciseis salidas opticas emergen de la red de formacion de haz para introducir a un receptor 130 de multiples entradas operable para combinar las dieciseis salidas en una unica salida de radiofrecuencia (RF) para el haz respectivo.

Como se ha mencionado durante la parte introductoria de la descripcion, anteriormente, es una propiedad de los tipos de agrupaciones de antenas y formador de haz conocidos que la anchura de los haces tienda a reducirse con una frecuencia creciente, conduciendo a huecos en la cobertura del campo. Sin embargo, los inventores en el presente caso han encontrado que si se puede aplicar a las senales recibidas un cierto perfil de amplitud y de retardo fijos mediante los elementos 100 de la antena, entonces el estrechamiento de los haces se puede eliminar sustancialmente sobre el rango de frecuencias de operacion de la antena, 6 a 18GHz en el presente ejemplo, manteniendo asf una cobertura uniforme del campo a todas las frecuencias dentro del rango. Se describiran ahora con referencia a las Figuras 2 y 3 perfiles de amplitud y de retardo preferidos encontrados adecuados para su uso con la agrupacion de antenas de la Figura 1.

Con referencia a la Figura 2 inicialmente, se muestra un grafico que representa un perfil de potencia de senal (amplitud) preferido a traves de los elementos 100 de la agrupacion de antenas. El grafico indica que, preferiblemente, la potencia de senal se reduce gradualmente para cada elemento 100 de antena sucesivo lejos de los elementos centrales de la agrupacion, extendiendose a un nivel de aproximadamente -11,5dB para los

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elementos exteriores. Este perfil de potencia de senal preferido se puede aplicar o bien en el dominio de RF o bien en el dominio optico.

Con referencia a la Figura 3, se muestra un grafico que representa un perfil de retardo de senal preferido a traves de los elementos 100 de la agrupacion de antenas. El grafico indica que, preferiblemente, el retardo de senal se aumenta gradualmente para cada elemento 100 de antena sucesivo lejos de los elementos centrales de la agrupacion. Este perfil de retardo de senal preferido se puede aplicar o bien en el dominio de RF o bien en el dominio optico.

Un proceso preferido para determinar un perfil de potencia (200) de senal y retardo (300) adecuados para un diseno particular de agrupacion de antenas se describira ahora de manera esquematica.

(1) El primer paso es generar un patron de radiacion de campo lejano requerido a la frecuencia de operacion mas baja prevista. Esto se hace sintetizando una distribucion de potencia a traves de la apertura de la antena que produce la anchura de haz y el nivel de lobulo lateral requeridos a esta frecuencia - la frecuencia de smtesis - usando, por ejemplo, el metodo de proyeccion sucesiva como se describe por G. T. Poulton en “Antenna Power Pattern Synthesis using Method of Successive Projection”, Electronics Letters vol. 22, N° 29, paginas 1.042-1.043, septiembre de 1986.

(2) Usando el diagrama de campo lejano del paso (1) como plantilla, un metodo de smtesis de retardo, por ejemplo, como se describe por L. J. Chu en “Microwave Beam-Shaping Antennas”, Massachusetts Institute of Technology, Technical Report N° 40, 3 de junio de 1947, se usa para generar una distribucion de retardo a traves de la apertura de la antena. Esta distribucion de retardo tiene la misma distribucion de potencia que la producida en el paso (1). A medida que se usan los retardos, el patron de radiacion de campo lejano permanece aproximadamente constante sobre el rango de frecuencias completo.

(3) En la practica, como la tecnica de smtesis de retardo antes referenciada usa un enfoque optico geometrico, el patron de radiacion cambia de hecho ligeramente con la frecuencia. Se pueden requerir, por lo tanto, varias iteraciones de los procedimientos de smtesis en los pasos (1) y (2). Por ejemplo, una primera operacion del proceso puede optimizar la distribucion de potencia a una frecuencia de smtesis igual a la frecuencia de operacion mas baja, pero para la que el patron de radiacion se deteriora a frecuencias mas altas. En este caso, las iteraciones del proceso permiten que la distribucion de potencia sea sintetizada para producir la anchura de haz y el nivel del lobulo lateral deseados a una frecuencia mas alta. Aumentando la frecuencia de smtesis, se puede obtener un mejor compromiso de anchura de haz y nivel del lobulo lateral logrados sobre la banda de frecuencia de operacion deseada.

La distribucion de retardo resultante se puede describir aproximadamente como parabolica, aplicandose el mayor retardo en los bordes de la agrupacion de antenas. Las distribuciones de potencia y retardo se mantienen fijas. A frecuencias mas altas, el retardo representa una mayor distribucion de fase parabolica comparada con la de la frecuencia de smtesis. Esto tiene el efecto de ensanchar el haz, y, por lo tanto, contrarrestar el estrechamiento natural del haz que ocurre con las agrupaciones de antenas que usan distribuciones conocidas de potencia o retardo a traves de la apertura de la antena. De esta manera, la eleccion cuidadosa de la distribucion de potencia, distribucion de retardo, y frecuencia de smtesis, permite que la anchura de haz permanezca sustancialmente sin cambios sobre un ancho de banda instantaneo 3:1.

La tabla siguiente proporciona, en forma tabular, las mediciones de potencia (amplitud) y retardo preferidas mostradas en la Figura 2 y la Figura 3 respectivamente. Como las distribuciones son simetricas, solamente se muestran en la tabla los valores para los elementos 1-8. Los retardos se expresan en terminos de longitud de la trayectoria en espacio libre.

Numero de Elemento: Amplitud (dB) Longitud del Trayectoria (mm)

1: -11,48 9,62

2: -9,56 7,61

3: -6,93 5,68

4: -4,51 3,93

5: -2,61 2,43

6: -1,25 1,24

7: -0,41 0,42

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A continuacion se describira un aparato dispuesto para implementar los perfiles 200 y 300 de potencia y retardo de la Figura 2 y la Figura 3 respectivamente con referencia a la Figura 4 segun una realizacion preferida de la presente invencion. Se dan los mismos numeros de referencia a los rasgos en comun con el aparato de la Figura 1.

Con referencia a la Figura 4, se representa una agrupacion de antenas de un diseno similar al de la Figura 1. Se ha conectado un controlador 400 de salida laser a cada uno de los laseres 115 para controlar la potencia de salida de luz del laser. Cada controlador 400 esta configurado para asegurar que su laser 115 respectivo emite luz a un nivel de potencia relativa diferente, como se define en el perfil 200 de potencia de la Figura 2, segun el elemento 100 de antena respectivo. De esta forma, el perfil 200 de potencia se puede implementar en el dominio optico en lugar de en el dominio de RF. Los inventores en el presente caso han mostrado que la implementacion en el dominio optico proporciona una mejora de la relacion senal a ruido de 2dB sobre una implementacion equivalente en el dominio de RF, por ejemplo, atenuando la senal RF respectiva en cada uno de los receptores 130 de multiples entradas.

El aparato de la Figura 4 tambien ha sido provisto con una red 405 de perfil de retardo optico que comprende secciones de fibra optica de diferentes longitudes, estando cada seccion de fibra conectada en la trayectoria optica entre el modulador optico 110 de un elemento 100 de antena respectivo y una red 410 de formacion de haz optico. Cada seccion de fibra optica en la red 405 de perfil de retardo anade una longitud adecuada de fibra optica a la trayectoria optica total para un elemento 100 de antena particular de forma que implemente un retardo de tiempo equivalente al representado por la longitud de trayectoria de espacio libre indicada para ese elemento 100 de antena en el perfil 300 de retardo de la Figura 3. Sin embargo, aunque se muestra en la realizacion de la Figura 4 una red 405 de perfil de retardo optico separada, se puede implementar en cualquier lugar una distribucion adecuada de longitudes de fibra optica dentro de las trayectorias opticas de cada elemento 100 de antena, por ejemplo, en las secciones 120 de interconexion de fibra optica que enlazan los moduladores opticos 110, que se puede situar cerca de los elementos 100 de antena, y la red 410 de formacion de haz optico que puede estar situada “centralmente”, potencialmente a alguna distancia de los elementos 100 de antena. Alternativamente, las diferentes longitudes de fibra optica de la red 405 de perfil de retardo se pueden incorporar dentro de la propia red 410 de formacion de haz optico.

Una implementacion preferida de una red 410 de formacion de haz optico de cuatro haces y un metodo para su fabricacion se describira ahora con referencia a la Figura 5 y a la Figura 6, segun una realizacion preferida de la presente invencion. Convenientemente, la red 410 de formacion de haz optico preferida se implementa en forma de dos placas separadas, una para uso con los elementos 1 a 8 de la agrupacion de antenas y la otra para uso con los elementos 9 a 16. En cada placa, las fibras opticas y otros componentes estan encapsulados dentro de una estructura estratificada de materiales laminares de un tipo y usando tecnicas conocidas a partir de la tecnologfa de placas de circuito impreso (PCB). Por tanto, el formador 410 de haz esta implementado segun lo que se conoce como diseno de “fibra en placa”. En aplicaciones preferidas de la presente invencion, la red 410 de formacion de haz optico puede necesitar ser implementada como un dispositivo robusto, no solamente para proteger las fibras opticas delicadas y otros componentes asociados con la red 410, sino tambien para compensar otras condiciones ambientales tales como vibracion que podna conducir a componentes inducidos microfonicamente en senales analogicas que se transportan por la red 410. Con una eleccion adecuada de materiales, un diseno de fibra en placa ayuda a satisfacer esos requisitos.

Con referencia a la Figura 5, se proporciona una vista en planta de una seccion a traves de una del par de placas 500 similares que implementan la red 410 de formacion de haz optico de fibra en placa preferida. Las fibras opticas 505, 525 que forman la red 410 estan encapsuladas dentro de un unico plano a traves de la placa 500, excepto en aquellas regiones donde se requiere que se solapen las fibras 525. De esta manera, la representacion mostrada en la Figura 5 es una vista en planta de una seccion tomada a traves de la placa 500 dentro de ese unico plano que muestra la disposicion de las fibras opticas 505, 525. Las senales opticas generadas por ocho de los dieciseis moduladores opticos 110 entran en la placa 500 de red de formacion de haz a traves de una seccion 510 de cola de entrada flexible que contiene ocho fibras opticas 505, y equipadas con un casquillo 515 de conector optico MT8. Al entrar en la placa 500, cada una de las ocho fibras opticas 505 sigue trayectorias curvas de manera diferente para conectar con uno de ocho divisores opticos 520 de cuatro vfas, proporcionando cada divisor 520 cuatro fibras 525 de salida a una fibra 505 de entrada, para que una fibra 525 de salida sea formada para cada haz por la red 410. Cada una de las cuatro fibras 525 de salida de los divisores opticos 520 sigue entonces una trayectoria curvada de manera diferente a traves de la placa a una de cuatro colas 530 de salida flexibles, para que sea formada una cola 530 de salida para cada uno de los cuatro haces. Una fibra 525 que sale de cada divisor 520, y, por lo tanto, una fibra en la trayectoria optica desde cada elemento 100 de antena, entra en cada una de las colas 530 de salida flexibles de modo que ocho fibras se juntan en cada cola 530 de salida. Un casquillo 535 de conector optico MT8 estandar esta unido al extremo de cada cola 530 de salida flexible.

Las trayectorias curvadas seguidas por las fibras opticas 505 y 525 se forman cuidadosamente en el material de la placa de modo que la longitud total de la trayectoria optica para cada uno de los ocho conjuntos de fibras 505, 525 con relacion a un haz particular, desde el punto de entrada en el conector 515 al punto de salida en el conector 535 de cola de salida respectivo, es la misma. Sin embargo, la longitud total de la trayectoria para las fibras 505, 525 con relacion a cada uno de los cuatro haces es diferente, segun el retardo relativo requerido para formar cada haz.

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Con referencia a la Figura 6, se proporciona una vista en perspectiva de una seccion, tomada perpendicularmente al plano en el que estan dispuestas las fibras opticas, a traves de parte de una red 500 de formacion de haz optico de fibra en placa para ilustrar los rasgos estructurales principales de la placa 500. La placa 500 se monta usando un numero de capas de material diferente segun las caractensticas ffsicas requeridas de la placa. En esta realizacion preferida, haciendo uso de materiales conocidos a partir de la tecnologfa PCB, las fibras opticas 605, 610, 615 estan alojadas dentro de un patron de surcos cortados en una primera lamina flexible de material 600 de poliimida, preferiblemente de mas de dos veces el espesor de una fibra optica (tfpicamente 0,76 mm). Tener mas de dos veces el espesor de una fibra permite que una seccion de doble profundidad del surco 620 sea cortada en el material 600, donde se requiere que una fibra, 610 por ejemplo, pase por debajo de otra fibra 615. Una capa 625 de recubrimiento adicional de material de poliimida flexible se une para cubrir las fibras opticas introducidas en surcos en la primera capa 600. Para proporcionar rigidez mecanica sobre una proporcion sustancial del area de la placa, una capa 630, 632 de un material compuesto de vidrio y epoxi se une a las caras expuestas de las capas 600, 625 de poliimida flexibles, respectivamente. Ademas de proporcionar rigidez, las capas 630, 632 de material compuesto de vidrio epoxi proporcionan profundidad adicional a la placa que permite que las cavidades 635 sean cortadas en la placa para acomodar dispositivos tales como divisores opticos 638, como se requiere para la red 410 de formacion de haz preferida de la presente invencion.

Preferiblemente, una cola 640 de conector flexible esta formada a partir de una seccion de capas 600, 625 de poliimida unidas que no esta unida a una capa 630, 632 de material compuesto de vidrio y epoxi, conservando asf su flexibilidad. Un casquillo 645 de conector optico estandar esta unida al extremo de la cola 640 de conector flexible para proporcionar una conexion optica a las fibras opticas insertadas dentro de la cola 640. Esta tecnica se usa para proporcionar las colas 510, 530 de entrada y salida flexibles respectivamente de la red 410 de fibra en placa preferida descritas anteriormente con referencia a la Figura 5. Opcionalmente, se pueden proporcionar capas 650 delgadas de enmascaramiento de cobre entre cada una de las capas de material como ayuda a la fabricacion de la placa, proporcionando una barrera cuando se usan tecnicas de corte por laser, por ejemplo, para asegurar la profundidad de corte correcta para las fibras opticas 605, 610, 615 u otros componentes que han de ser encapsulados dentro de la placa. Se pueden usar tecnicas de ataque qmmico estandar para grabar las secciones del enmascaramiento 650 de cobre donde se requiera para aumentar la profundidad de corte.

Con el fin de enfatizar ciertos rasgos ventajosos de la placa 500 de red de formacion de haz optico de fibra en placa preferida, se describira a continuacion con mas detalle un proceso para fabricar tal placa, en particular la placa 500 descrita anteriormente con referencia a la Figura 5 y haciendo uso de los rasgos estructurales descritos anteriormente con referencia a la Figura 6, con referencia a esas mismas figuras. Sin embargo, estara claro que tal proceso no esta limitado a la fabricacion de redes de formacion de haz del tipo descrito anteriormente y puede incluir otros componentes electricos y opticos ademas de los requeridos para formar el diseno de red particular que se ha implementado como en la Figura 5.

(1) En primer lugar, se forma una lamina base uniendo una lamina de material 600 de poliimida flexible de un area suficiente para incluir las colas 510, 530 de entrada y salida flexibles requeridas y del espesor requerido, preferiblemente mas de dos veces el espesor de las fibras opticas 505, 525 que han de ser encapsuladas, a una lamina 630 de tamano similar de un material compuesto de vidrio y epoxi usando un adhesivo epoxi u otra tecnica de union conocida. Una lamina de cubierta de la misma area que la lamina base se forma entonces de una manera similar a la lamina base usando una capa 625 delgada (0,125 mm) de material de poliimida que se une a una capa 632 de material compuesto de vidrio epoxi. Sin embargo, en aquellas regiones de la lamina base y de la lamina de cubierta en las que han de ser formadas las colas 510, 530 de entrada y salida flexibles, no debe haber union entre las capas 600, 625 de poliimida y las capas 630, 632 de material compuesto de vidrio y epoxi de modo que las capas 630, 632 de material compuesto de vidrio epoxi se puedan cortar eventualmente para dejar las colas 510, 530 flexibles.

(2) Entonces se usa un equipo de mecanizado de control numerico por ordenador (CNC) para mecanizar directamente la superficie de poliimida de la lamina base para formar con precision un patron predeterminado de surcos de la misma profundidad, pero muy ligeramente menos anchos que el espesor nominal de las fibras opticas 505, 525 que han de ser encapsuladas, con secciones cortas de dos veces la profundidad de una fibra optica donde se requiere que se solapen las fibras 525. Preferiblemente, los surcos se cortan usando un laser CNC YAG de 355 nm de tres ejes. Las colas 510, 530 de entrada y salida flexibles tambien se forman usando el laser cortando secciones de la capa de poliimida para formar colas de la longitud correcta para cada haz. Preferiblemente, el diseno de los extremos de las colas 510, 530 flexibles coincide con precision con el casquillo 515, 535 de conector optico previsto que se unira eventualmente. Convenientemente, se cortan escalones de referencia en los extremos de cada seccion 510, 530 de cola en las laminas base y de cubierta para asegurar que el casquillo 515, 535 de conector optico se puede unir con precision en la posicion correcta para mantener la longitud de trayectoria optica de extremo a extremo prevista a traves de la red 410.

(3) Se forman cavidades de una profundidad adecuada para alojar los divisores opticos 520 u otros componentes tanto en la lamina base como en las posiciones correspondientes en la lamina de cubierta. Las cavidades se mecanizan convencionalmente. Convenientemente, se puede aplicar ahora una cinta de union adhesiva de temperatura ambiente, tal como Tessa 4965, a la superficie de poliimida de la capa de cubierta y cortar de las cavidades.

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(4) Convenientemente, la lamina base, con su patron de surcos y cavidades, forma un banco optico para montar los diversos componentes opticos/electricos. Si se requiere, se pueden proporcionar pistas de cobre convencionales para proporcionar conexiones electricas a componentes insertados en las cavidades. Las fibras opticas 505, 525 y los divisores opticos 520 se ponen entonces en los surcos y cavidades respectivamente. Convenientemente, habiendo mecanizado la anchura de los surcos para que sea ligeramente menor que el diametro nominal del revestimiento de la fibra, las fibras 505, 525 seran retenidas temporalmente por friccion a traves de deformacion del revestimiento de la fibra durante la duracion del montaje.

(5) Una vez que todas las fibras opticas y componentes de la red 410 de formacion de haz han sido colocadas en sus surcos y cavidades respectivamente en la lamina base, la lamina de cubierta se alinea cuidadosamente y se une a la lamina base - superficie de poliimida a superficie de poliimida - para encapsular la red 410. En particular, se deben alinear con precision los escalones de referencia en los extremos de cada seccion 510, 530 de cola flexible. El proceso usado para unir la lamina de cubierta a la lamina base se debe seleccionar para asegurar que no se danen las fibras y otros componentes opticos. Preferiblemente se selecciona un adhesivo para la union que se pueda usar a temperatura ambiente y no requiera una presion de union significativa.

(6) Una vez que la lamina superior esta unida a la lamina base, se pueden cortar las regiones de material de cubierta de composicion de vidrio y epoxi, pero no se unen a, las secciones de material de poliimida que forma las colas 510, 530 de entrada y salida flexibles. De manera similar, cualesquiera regiones no usadas de la placa 500 que no tienen componentes dentro se pueden serrar para reducir el tamano total de la placa 500. Con las colas 510, 530 flexibles ahora expuestas, se pueden unir los casquillos 515, 535 de conector optico MT8 estandar a los extremos de las colas 510, 530 flexibles. Estos conectores 515, 535 debenan hacer tope en el escalon de referencia formado en el extremo de cada cola 510, 530 para mantener el control de la longitud de trayectoria optica respectiva. El diseno de cola flexible esta optimizado para la interconexion con el casquillo 515, 535. Si se requiere, se puede usar un pulido secundario del casquillo 515, 535 de conector para ajustar finamente el retardo de tiempo de la red 410, una vez que la longitud de la trayectoria optica de la red 410 se ha medido con precision.

Para demostrar el rendimiento beneficioso de banda ancha de una agrupacion de antenas y un aparato de formacion y perfilado de haz asociado segun las realizaciones preferidas de la presente invencion, se incluyen algunos patrones de radiacion como las Figuras 7, 8, 9 y 10 que muestran la distribucion de potencia de campo lejano de la radiacion esperada para cada uno de los cuatro haces a cuatro frecuencias de operacion diferentes - 6GHz, 9GHz, 12GHz y 18GHz.

Con referencia a las Figuras 7, 8, 9 y 10, se puede ver que una cobertura de un campo de vision de ± 45° en acimut es alcanzable con cuatro haces a traves de un rango de frecuencias de 6-18 GHz sin que aparezcan huecos significativos (es decir, por debajo de -3 dB) en la cobertura entre haces. Tambien se ha encontrado a traves de pruebas sobre el efecto de la vibracion en el aparato, particularmente la vibracion de una implementacion 500 de fibra en placa de una red 410 de formacion de haz segun las realizaciones preferidas de la presente invencion, que los efectos microfonicos inducidos se reducen sustancialmente en las senales analogicas transportadas por las fibras opticas en comparacion con las redes de formacion de haz optico de la tecnica anterior. La implementacion de fibra en placa preferida es por lo tanto particularmente adecuada para montar en vehfculos terrestres, mantimos o aereos conocidos que sufren altos niveles de vibracion.

Como beneficio adicional, se ha encontrado que una red 410 de formacion de haz optico implementada segun las realizaciones preferidas de la presente invencion no introduce ninguna perdida de transmision optica adicional mas alla de lo esperado de los componentes opticos individuales y las interfaces de conector. Se supone que en un diseno particular de disposicion de fibra optica en una red 500 de formacion de haz optico de fibra en placa segun las realizaciones preferidas de la presente invencion que cualesquiera radios de curvatura en las fibras opticas 505, 525 son mayores que el radio de curvatura mmimo especificado por el fabricante de esas fibras.

Aunque se han descrito realizaciones preferidas de la presente invencion en el contexto de una agrupacion de antenas de 16 elementos y de cuatro haces, el aparato y los metodos descritos se pueden aplicar facilmente a agrupaciones de antenas con numeros mayores o menores de elementos de antena y/o de haces.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un aparato, para controlar la forma de los haces en el patron de radiacion de campo lejano de una agrupacion de antenas de multiples haces que tiene una pluralidad de elementos (100) de antena, teniendo la agrupacion de antenas un rango de frecuencias de operacion de banda ancha, estando caracterizado el aparato por medios (400) para aplicar un perfil de potencia independiente de la frecuencia no lineal predeterminado fijo a las senales con respecto a los elementos (100) de la antena y medios (405) para aplicar, en combinacion con el perfil de potencia fijo, un perfil de retardo de tiempo independiente de la frecuencia no lineal predeterminado fijo a dichas senales, en donde los perfiles de potencia y de retardo de tiempo predeterminados fijos se seleccionan de manera que cuando se aplican en combinacion a dichas senales, la forma de cada uno de los multiples haces resultantes permanece sustancialmente constante a medida que se vana la frecuencia de dichas senales dentro del rango de frecuencias de operacion de banda ancha de la antena.
2. El aparato segun la Reivindicacion 1, en donde el perfil de potencia predeterminado fijo y el perfil de retardo de tiempo predeterminado fijo son sustancialmente de forma parabolica.
3. El aparato segun la Reivindicacion 1 o la Reivindicacion 2, en donde dichos medios (400) para aplicar un perfil de potencia independiente de la frecuencia no lineal predeterminado fijo comprende medios dispuestos para aplicar una mayor atenuacion a la potencia de senales con respecto a elementos (100) de antena hacia el borde de la agrupacion de antenas en comparacion con la atenuacion aplicada a la potencia de senales con respecto a elementos (100) hacia el centro de la agrupacion de antenas.
4. El aparato segun la Reivindicacion 1, 2 o 3, en donde dichos medios (405) para aplicar un perfil de retardo de tiempo independiente de la frecuencia no lineal predeterminado fijo comprende medios dispuestos para aplicar un mayor retardo de tiempo a senales con respecto a elementos (100) de antena hacia el borde de la agrupacion de antenas en comparacion con el retardo de tiempo aplicado a senales con respecto a elementos (100) hacia el centro de la agrupacion de antenas.
5. El aparato segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dichas senales son senales opticas y dichos medios (400) para aplicar el perfil de potencia independiente de la frecuencia fijo comprenden medios para ajustar la potencia de una senal portadora optica con respecto a cada uno de los elementos (100) de antena segun el perfil de potencia fijo.
6. El aparato segun la Reivindicacion 5, en donde dichos medios (405) para aplicar el perfil de retardo de tiempo independiente de la frecuencia fijo comprenden medios para encaminar una senal portadora optica modulada con respecto a cada uno de la pluralidad de elementos (100) de antena sobre los caminos opticos fijos respectivos de diferentes longitudes segun el perfil de retardo de tiempo independiente de la frecuencia predeterminado fijo.
7. El aparato segun la Reivindicacion 6, comprendiendo ademas una red (410) de formacion de haz optico operable, ademas, para aplicar el perfil de retardo de tiempo fijo a senales opticas que pasan a traves de la red.
8. El aparato segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el rango de frecuencias de operacion de banda ancha de la antena se extiende desde 6 a 18 GHz.
9. Un metodo, para controlar la forma de los haces en el patron de radiacion de campo lejano de una agrupacion de antenas de multiples haces que tiene una pluralidad de elementos (100) de antena, teniendo la agrupacion de antenas un rango de frecuencias de operacion de banda ancha, estando caracterizado el metodo por los pasos de aplicacion (400, 405) de un perfil de potencia independiente de la frecuencia no lineal predeterminado fijo en combinacion un perfil de retardo de tiempo independiente de la frecuencia no lineal predeterminado fijo a las senales con respecto a elementos (100) de la antena, en donde los perfiles de potencia y de retardo de tiempo predeterminados fijos se seleccionan de manera que cuando se aplican en combinacion con dichas senales, la forma de cada uno de los multiples haces resultantes permanece sustancialmente constante a medida que se vana la frecuencia de dichas senales dentro del rango de frecuencias de operacion de banda ancha de la antena.
10. El metodo segun la Reivindicacion 9, en donde los perfiles de potencia y de retardo de tiempo fijos son sustancialmente de forma parabolica.
11. Un metodo segun la Reivindicacion 9 o la Reivindicacion 10, que comprende aplicar una mayor atenuacion a la potencia de senales con respecto a elementos (100) de antena hacia el borde de la agrupacion de antenas en comparacion con la atenuacion aplicada a las senales con respecto a los elementos (100) hacia el centro de la agrupacion de antenas.
12. Un metodo segun la Reivindicacion 9, 10 u 11, que comprende aplicar un mayor retardo a senales con respecto a elementos (100) de antena hacia el borde de la agrupacion de antenas en comparacion con el retardo aplicado a senales con respecto a elementos (100) hacia el centro de la agrupacion de antenas.
13. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en donde dichas senales son senales opticas y dicho perfil de potencia fijo se aplica ajustando la potencia de una senal de portadora laser con respecto a cada elemento (100) de la antena segun dicho perfil de potencia fijo.
14. El metodo segun la reivindicacion 13, en donde dicho perfil de retardo de tiempo fijo se aplica encaminando una 5 senal de portadora optica modulada con respecto a cada uno de la pluralidad de elementos (100) de antena sobre

los caminos opticos fijos respectivos de diferentes longitudes segun el perfil de retardo de tiempo fijo.
15. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, en donde el rango de frecuencias de banda ancha de la antena se extiende desde 6 GHz a 18 GHz.
16. Una red de formacion de haz para una agrupacion de antenas de multiples haces que tiene una pluralidad de 10 elementos (100) de antena y un rango de frecuencias de operacion de banda ancha, estando caracterizada la red de

formacion de haz por medios (400) para aplicar un perfil de potencia independiente de la frecuencia no lineal predeterminado fijo a senales con respecto a los elementos de la antena, y medios para aplicar, ademas de cualesquiera retardos de tiempo de formacion de haz, un perfil de retardo de tiempo independiente de la frecuencia no lineal predeterminado fijo a dichas senales, en donde los perfiles de potencia y retardo de tiempo 15 predeterminados fijos se seleccionan de manera que cuando se aplican en combinacion con dichas senales, la forma de cada uno de los multiples haces resultantes permanece sustancialmente constante a medida que se vana la frecuencia de dichas senales dentro del rango de frecuencias de operacion de banda ancha de la antena.