ES2834448T3 - Sistema de desviación y apuntamiento de un haz de microondas - Google Patents

Abstract

Sistema de desviación controlable de un haz de microondas incidente con una longitud de onda de entre 1 mm y 1 m, que comprende: - un dispositivo de formación dispuesto a lo largo de un eje óptico y configurado para colimar dicho haz en modo de emisión o enfocar dicho haz en modo de recepción, - un primer dispositivo para desviar un haz de microondas incidente que comprende un primer componente dieléctrico difractivo (C1) con microestructuras de sublongitud de onda dispuestas de manera que formen un material artificial que presenta una variación periódica del índice de refracción efectivo, denominado primer componente dieléctrico difractivo, estando este primer componente dieléctrico difractivo asociado a un primer mecanismo de rotación (R1) sobre un primer eje controlable (Ω1), caracterizado porque comprende aguas arriba del primer dispositivo de desviación en el modo de emisión o aguas abajo del primer dispositivo de desviación en el modo de recepción: - un segundo dispositivo de desviación configurado para desviar un haz de microondas incidente desde el dispositivo de formación hacia el primer dispositivo de desviación en modo de emisión, o para desviar un haz de microondas incidente desde el primer dispositivo de desviación hacia el dispositivo de formación en modo de recepción, estando este segundo dispositivo de desviación asociado a un segundo mecanismo de rotación (R2) sobre un segundo eje controlable (Ω2) que coincide con el eje óptico del dispositivo de formación, porque el ángulo (Ω1, Ω2) formado por el primer y segundo eje de rotación es mayor que 0° y menor o igual a 90°, y porque el primer mecanismo de rotación (R1) es integral con el segundo mecanismo de rotación (R2) de tal manera que una rotación del segundo mecanismo de rotación sobre su eje controlable (Ω2) provoca una rotación del primer mecanismo de rotación sobre este mismo eje.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de desviación y apuntamiento de un haz de microondas

El campo de la invención es el de los sistemas de desviación y apuntamiento de un haz de microondas.

La invención se aplica al tratamiento de un haz de microondas, correspondiente a frecuencias comprendidas entre 300 MHz y 300 GHz, con una longitud de onda típica de 1 mm a 1 m. Tales frecuencias se utilizan en particular en el campo de:

• telecomunicaciones por satélite desde plataformas móviles,

• enlaces de datos reconfigurables para comunicaciones de alta velocidad, o

• radar de ondas milimétricas o centimétricas de bajo costo.

Muchos sistemas requieren la capacidad de controlar la dirección en la que se emite o recibe el haz. Esta propiedad se llama apuntamiento. Entre los ejemplos de esos sistemas figuran los radares de a bordo, los sistemas de orientación de misiles, los sistemas de “detección y evitación”, los sistemas de comunicación, los interferentes y los sistemas de radar de periscopio.

Para apuntar, la antena debe estar configurada para emitir y recibir una onda en una dirección dada en el espacio. Por ejemplo, en el campo de las telecomunicaciones de hoy en día, es cada vez más probable que haya que redirigir una antena, tras la actualización de la cobertura del territorio. Es importante tener antenas inteligentes y controladas a distancia, inteligentes por su capacidad de orientarse para cubrir diferentes áreas en el espacio y controladas a distancia por su capacidad de ser controladas a distancia desde una oficina central.

Para el “rastreo”, o persecución la antena debe estar configurada para seguir un objetivo como un satélite o un avión.

Además, hay un creciente interés en el desarrollo de antenas de haz orientable compactas, de baja masa y que ahorran espacio, fáciles de usar e integrar en una plataforma, y a bajo costo.

Hay varias técnicas conocidas para crear una antena de haz orientable, pero tienen algunos inconvenientes.

La antena parabólica de tipo Cassegrain se ve perjudicada por los efectos de sombreado debido a la posición de la fuente (más específicamente por el reflector secundario) frente al reflector. También para preservar una buena eficiencia, se requiere una gran relación entre el diámetro y la longitud de onda. A bajas frecuencias, esta antena no puede ser integrada en un volumen pequeño.

Además, las soluciones mecánicas tradicionales para orientar la antena utilizan un frágil mecanismo de cardán de 2 ejes. Este sistema de apuntamiento requiere un gran recorrido mecánico ya que el volumen ocupado por la antena varía según su orientación. Además, para evitar las partes móviles con radiación de RF activa, las señales de emisión y recepción deben pasar por juntas rotativas de microondas que degradan el rendimiento y pueden ser costosas y voluminosas cuando se requieren altos niveles de potencia (varias decenas de vatios).

Este tipo de antena también sufre de su rango de desplazamiento, que generalmente se limita a 60°.

Una solución conocida para deshacerse de las partes móviles es el uso de una antena activa de barrido electrónico, que evita la necesidad de recurrir a la mecánica de apuntamiento: su perfil permanece plano independientemente de la dirección de la orientación, lo cual es una gran ventaja cuando se integra en un carenado. La orientación está controlada eléctricamente. Sin embargo, esta antena tiene desventajas en términos de precio, consumo de energía, complejidad, gestión de la temperatura de calentamiento, mantenimiento de la potencia y también un rango angular accesible que permanece limitado a menos de 60°.

Una solución para hacer un sistema de desviación de RF es usar dos componentes difractivos que pueden rotar alrededor del mismo eje, combinados con una lente y una fuente de RF. Tal sistema se describe en la patente FR 3 002697 . Los componentes difractivos y la lente tienen cada uno una pluralidad de microestructuras MS de sublongitud de onda periódica formadas en un material dieléctrico según una configuración de barrido de Risley; dichas microestructuras están dispuestas para formar un material artificial que tiene una variación periódica en el índice de refracción efectiva, esta disposición permite que la función difractiva se realice. Como se muestra en la Fig. 15 de la patente FR 3 002 697, la estructura del componente difractivo C1 puede fabricarse en una cara del componente, mientras que la estructura de la lente L se fabrica en la otra cara del componente. El apuntamiento del haz emitido por la fuente S está asegurado por las rotaciones independientes (simbolizadas por las flechas) del doble componente de lente-red difractiva L+C1 y del componente difractivo C2 alrededor de un eje O como se muestra en la Figura 1; los componentes L+C1 y C2 están dispuestos en un plano normal al eje de rotación O y el eje de simetría del haz emitido por la fuente S y que pasa por su centro coincide con este eje O. La ventaja de tal sistema de desviación es que es compacto, con una fuente de alimentación S fija y capacidades de orientación mecánica, al tiempo que asegura una alta eficiencia. Por ejemplo, para una aplicación a 30 GHz (banda Ka), utilizando un material dieléctrico con un índice de refracción de 1,5 (constante dieléctrica 2,25), el espesor del componente difractivo es de unos 30 mm. El grosor total del sistema de desviación es, por lo tanto, de unos 100 mm. Para una fuente situada en el plano focal objeto de la lente L, es decir, a unos 200 mm de la lente, el grosor total de la antena ágil es de unos 300 mm. Sin embargo, este espesor puede ser todavía demasiado grande para algunas aplicaciones integradas en plataformas móviles.

Además, ciertas áreas, especialmente alrededor y en la dirección del eje de rotación O, de los componentes son difíciles de apuntar dinámicamente, especialmente rápidamente. En efecto, en cuanto a los sistemas de apuntamiento con cardan controlados en acimut y elevación, en esta dirección, el sistema de apuntamiento de la antena presenta una zona singular ("keyhole" en inglés) que requiere el uso de velocidades de rotación muy altas (o incluso infinitas) de los prismas cuando un objeto apuntado pasa cerca del eje de rotación O.

También se pueden citar los siguientes documentos. La patente FR 2570886 presenta una antena de microondas de barrido de prisma giratorio. La patente de EE.UU. 3242496 describe una antena de barrido. La patente EP 2584650 describe una antena de haz orientable con cobertura hemisférica.

Por consiguiente, todavía se necesita un sistema de desviación de haz orientable que cumpla simultáneamente todos los requisitos anteriores, en particular en términos de reducción de masa y volumen, del desplazamiento, facilidad de uso e integración en una plataforma, y reducción del costo.

El sistema de desviación según la invención utiliza dos dispositivos de desviación, al menos uno de los cuales comprende un componente dieléctrico difractivo estructurado en una escala menor que la longitud de onda. Combinado con una mecánica simple basada en rotaciones, este enfoque permite obtener desviaciones angulares de hasta 120° con una o varias fuentes de microondas a un costo menor, es decir, una cobertura de ángulo sólido de 3n sr, es decir, tres veces la que es accesible con una antena de barrido electrónico, sin un punto de control singular y sin una parte de microondas móvil activa.

Más específicamente, la invención tiene por objeto un sistema de desviación controlable para un haz de microondas con una longitud de onda comprendida entre 1 mm y 1 m, que comprende:

• un dispositivo de formación configurado para colimar dicho haz en modo de emisión o enfocar dicho haz en modo de recepción,

• un primer dispositivo para desviar un haz de microondas incidente que comprende un primer componente dieléctrico difractivo con microestructuras de sublongitud de onda dispuestas de forma que se forme un material artificial que presenta una variación periódica del índice de refracción efectiva, denominado primer componente difractivo, estando este primer componente dieléctrico difractivo asociado a un primer mecanismo de rotación sobre un primer eje controlable.

Se caracteriza principalmente porque comprende, aguas arriba del primer dispositivo de desviación en el modo de emisión o, aguas abajo del primer dispositivo de desviación en el modo de recepción:

• un segundo dispositivo de desviación configurado para desviar un haz de microondas incidente desde el dispositivo de formación hacia el primer dispositivo de desviación en el modo de emisión, o para desviar un haz de microondas incidente desde el primer dispositivo de desviación hacia el dispositivo de formación en el modo de recepción, estando este segundo dispositivo de desviación asociado a un segundo mecanismo de rotación sobre un segundo eje controlable que coincide con el eje óptico del dispositivo de formación,

porque el ángulo formado por el primer y segundo eje de rotación es mayor que 0° y menor o igual a 90°, y porque el primer mecanismo de rotación es integral con el segundo mecanismo de rotación de tal manera que una rotación del segundo mecanismo de rotación sobre su eje controlable resulta en una rotación del primer mecanismo de rotación sobre el mismo eje.

De acuerdo con una característica de la invención, el primer dispositivo de desviación comprende otro componente dieléctrico difractivo con microestructuras de sub-longitud de onda, dispuesto en paralelo al primer componente dieléctrico difractivo (referido como el tercer componente dieléctrico difractivo), este tercer componente dieléctrico difractivo está asociado con un tercer mecanismo de rotación alrededor del primer eje controlable, independiente del primer mecanismo de rotación pero integral con el segundo mecanismo de rotación.

El segundo dispositivo de desviación puede incorporar un segundo componente dieléctrico difractivo con microestructuras de sublongitud de onda (denominado segundo componente dieléctrico difractivo) y el dispositivo para formar el haz emitido por el medio emisor o recibido por el medio receptor puede incorporar una lente. Opcionalmente comprende un cuarto componente dieléctrico difractivo con microestructuras de sublongitud de onda (designado cuarto componente dieléctrico difractivo) dispuesto en paralelo al primer componente dieléctrico difractivo.

Cada componente dieléctrico difractivo puede ser típicamente un prisma o una red.

La lente del dispositivo de formación de haz y el segundo componente dieléctrico difractivo se combinan ventajosamente para formar un componente holográfico no resonante de dos caras, con microestructuras de sublongitud de onda formadas en una sola cara según una disposición no periódica determinado por un cálculo de interferencias en dicha cara entre un haz incidente y un haz de salida predeterminado; el componente holográfico está asociado con el segundo mecanismo de rotación.

Las microestructuras del componente holográfico pueden formarse en una superficie 3D predeterminada. Alternativamente, se forman en un volumen predeterminado que descansa sobre dicha cara del componente holográfico, y se implantan en una disposición tridimensional no periódica.

De acuerdo con otra característica de la invención, el dispositivo de formación de haces y el segundo dispositivo de desviación se combinan para formar un sistema de espejos tipo Cassegrain.

Preferentemente, el segundo dispositivo de desviación está configurado para desviar el haz en el primer dispositivo de desviación con una incidencia normal.

El primer dispositivo de desviación desvía el haz en un primer ángulo de desviación respecto al primer eje, el segundo dispositivo de desviación desvía el haz en un segundo ángulo de desviación respecto al segundo eje. El primer ángulo de desviación es ventajosamente mayor o igual que el segundo ángulo de desviación.

La invención también tiene por objeto una antena de haz orientable que comprende medios de emisión/recepción de un haz de microondas con una longitud de onda comprendida entre 1 mm y 1 m y un sistema para desviar el haz como se describe.

El medio de emisión/recepción, el dispositivo de conformación y el segundo dispositivo de desviación pueden combinarse para formar un conjunto capaz de formar un haz incidente en el primer dispositivo de desviación en modo de emisión o de recibir un haz del primer dispositivo de desviación en modo de recepción; este conjunto está asociado con el segundo mecanismo de rotación. Este conjunto es en este caso una antena de red.

Otras características y ventajas de la invención serán evidentes en la siguiente descripción detallada, dada a título de ejemplo no limitativo y en referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La figura 1 muestra una representación esquemática de una antena orientable según el estado de la técnica,

las figuras 2 representan esquemáticamente, vista en sección, una antena orientable equipada con un primer ejemplo de realización de un sistema de desviación según la invención, con dos prismas y con una lente de conformación del haz emitido por la fuente (fig. 2a), con un prisma y con un componente holográfico que combina el segundo prisma y la lente de conformación (fig. 2b),

La figura 3 muestra esquemáticamente, vista en sección, una antena orientable equipada con un segundo ejemplo de realización de un sistema de desviación según la invención, con tres prismas,

La figura 4 muestra esquemáticamente, vista en sección, una antena orientable equipada con un tercer ejemplo de realización de un sistema de desviación según la invención, con cuatro prismas,

La figura 5a representa esquemáticamente, visto desde arriba, un primer ejemplo de implementación de microestructuras de sublongitud de onda de un componente holográfico, con secciones constantes sobre su altura según una malla cartesiana cuadrada detallada a mayor escala en la figura 5b, y vista en perspectiva (fig. 5c),

La figura 6a muestra esquemáticamente, vista desde arriba, otro ejemplo de implementación de microestructuras de sublongitud de onda de un componente holográfico, según una malla con líneas isofásicas y líneas de gradiente de fase, detallada a mayor escala en la figura 6b,

La Fig. 7 muestra esquemáticamente, vista en sección, una antena orientable equipada con un cuarto ejemplo de realización de un sistema de desviación según la invención, cuyo segundo dispositivo de desviación tiene una configuración tipo Cassegrain con dos espejos, con un espejo primario cóncavo (fig. 7a) y un espejo primario con reflectores (fig. 7b),

La Fig. 8 muestra esquemáticamente, vista en sección, una antena orientable que comprende una antena de red de parches (fig. 8a) y una antena de red encendida (fig. 8b).

De una figura a otra, los mismos elementos están marcados por las mismas referencias.

En el resto de la descripción, los términos "delante", "atrás" se utilizan para referirse a la orientación de las figuras descritas. Análogamente, las direcciones "aguas arriba/aguas abajo" son las del haz; en las figuras la dirección del haz indicada por las flechas es la del modo de emisión. En la medida en que el dispositivo puede colocarse en otras orientaciones, la terminología direccional se da a título ilustrativo y no es limitativa.

En la medida en que el sistema de desviación según la invención está destinado a ser utilizado en colaboración con una fuente capaz de emitir (y/o con un receptor capaz de recibir) un haz de microondas, se muestra una fuente en las figuras para ilustrar las desviaciones del haz. La descripción se hace considerando que la antena está en modo de emisión; pero por supuesto la invención se aplica al modo de recepción. Tomaremos los prismas dieléctricos como ejemplo de componentes dieléctricos difractivos; pero también podríamos considerar redes dieléctricas. La expresión "componente difractivo" se utiliza, por supuesto, con el mismo significado que el indicado en el preámbulo con referencia a la patente FR 3002697, es decir, un componente con microestructuras de sublongitud de onda dispuestas de tal manera que forman un material artificial que tiene una variación periódica del índice de refracción efectiva para realizar así la función difractiva.

Un ejemplo de un sistema de desviación según la invención se describe en relación con la figura 2a.

El sistema de desviación de un haz de microondas con una longitud de onda comprendida entre 1 mm y 1 m destinado a ser asociado con -medios de emisión S - recepción, comprende:

• Un dispositivo de conformación (o dispositivo de conformación) de haz incidente, configurado para colimar en modo de emisión (el frente de onda emitido por la fuente, que es cuasiesférico en el caso de una fuente S puntual, tiene la forma de una onda plana), o para enfocar en modo de recepción.

• Un primer dispositivo de desviación del haz de microondas que comprende un primer prisma dieléctrico C1 con microestructuras de sublongitud de onda. Este prisma C1 está asociado con un primer mecanismo de rotación R1 (indicado por la flecha) alrededor de un primer eje 01 normal al plano del prisma C1. Así pues, este primer dispositivo de desviación está configurado para desviar el haz incidente por un primer ángulo 01 fijo no nulo con respecto al eje de rotación 01. La rotación de C1 alrededor del eje 01 asegurada por el primer mecanismo de rotación R1 controlable permite al haz describir un círculo alrededor de 01. Por construcción, este ángulo 01 puede fijarse entre 0 y 60°.

• Entre los medios de emisión-recepción y el primer dispositivo de desviación hay un segundo dispositivo de desviación asociado a un segundo mecanismo R2 de rotación sobre un segundo eje 02 (indicado por la flecha) que puede ser controlado. Está configurado para, en modo de emisión, desviarse hacia el dispositivo de desviación por un ángulo 02 fijo distinto de cero con respecto al eje de rotación 02, el haz de microondas incidente desde la fuente, y en modo de recepción, para desviarse hacia el dispositivo de formación por un ángulo 02 fijo distinto de cero con respecto al eje de rotación 02, el haz de microondas incidente desde el dispositivo de desviación. El ángulo (01, 02) formado por el primer y segundo eje de rotación es mayor que 0° y menor o igual a 90°: 0°< (01,02) < 90°; en otras palabras, el prisma C1 del primer dispositivo de desviación está inclinado con respecto a 02.

• El primer mecanismo de rotación R1 está montado en el segundo mecanismo de rotación R2. Por lo tanto, el primer mecanismo de rotación R1 es integral con el segundo mecanismo de rotación R2: la rotación del segundo dispositivo de desviación alrededor del eje 02 hace que el primer dispositivo de desviación rote alrededor de 02. Pero la rotación del primer dispositivo de desviación alrededor del eje 01 es independiente de la rotación alrededor del eje 02: no causa la rotación del segundo dispositivo de desviación.

Para asegurar una cobertura angular completa, el prisma C1 y el segundo dispositivo de desviación deben entonces desviar el haz con 01>02. La rotación de C1 alrededor del eje 01 asegurada por el primer mecanismo de rotación R1, permite que el haz describa un círculo alrededor de 01, que combinado con la rotación del segundo dispositivo de desviación alrededor del eje de balanceo 02 asegurada por el segundo mecanismo de rotación R2, permite que el haz se coloque en un cono de ángulo sólido con un valor de 2n(1-cos(201)).

El segundo dispositivo de desviación puede comprender uno o más prismas dieléctricos con microestructuras de sublongitud de onda, como se muestra en las figuras 2a, 2b, 3 y 4.

De acuerdo con un primer modo de realización descrito en relación con la Fig. 2a, el segundo dispositivo de desviación tiene un solo prisma dieléctrico C2 con microestructuras de sub-longitud de onda, referido como el segundo prisma, al igual que el primer dispositivo de desviación tiene un solo prisma C1. Esto permite mejorar la compacidad de la antena.

Este segundo prisma permite que el haz sea pre-desviado aguas arriba del primer dispositivo de desviación en modo de emisión, por un ángulo 02 fijo no nulo con respecto al eje 02 normal al plano del prisma C2. El ángulo entre los ejes 01 y 02 también puede ser igual a 02 como se muestra en las figuras; en este caso el haz desviado por este segundo prisma C2 tiene ventajosamente una incidencia normal en el prisma C1 en modo de emisión. Por construcción, este ángulo 02 puede ser fijado entre 0 y 60°. Combinado con el primer prisma C1, esto permite alcanzar una desviación máxima 01+02 de 120°. Para una cobertura angular completa (es decir, incluyendo la dirección de 02), es necesario que el ángulo 01 sea mayor o igual al ángulo 02. La adición de una mecánica de rotación que gira alrededor del eje 02 lleva a un dominio de apuntamiento de ángulo sólido 3n sr.

Según un segundo modo de realización descrito en relación con la Fig. 3, el segundo dispositivo de desviación tiene un solo prisma designado como segundo prisma C2, y el primer dispositivo de desviación tiene, además del primer prisma C1, otro prisma designado como tercer prisma C3.

Este prisma dieléctrico C3 con microestructuras de sublongitud de onda está dispuesto en paralelo y encima del primer prisma C1 (por lo tanto es normal al eje 01); es capaz de desviar el haz incidente por un ángulo 03 fijo no nulo con respecto al eje 01. Por construcción, este ángulo 03 puede fijarse entre 0 y 60°. Está asociado a un tercer mecanismo de rotación R3 para la rotación sobre el eje 01 (indicado por la flecha) que puede ser controlado, independientemente del primer mecanismo de rotación R1 asociado a C1. Al igual que el primer mecanismo de rotación R1, este tercer mecanismo de rotación R3 está montado sobre el segundo mecanismo de rotación R2. Así, el primer y tercer mecanismo de rotación R1 y R3 son integrales con el segundo mecanismo de rotación R2. Este primer dispositivo de desviación con dos prismas dieléctricos estructurados C1 y C3 en rotaciones independientes alrededor del eje 01, permite desplazar dinámicamente el haz en un cono de ángulo sólido con un ángulo de desviación variable (con respecto a 01) 013 = 03 01, que puede alcanzar un ángulo 013max. Dependiendo de la configuración de C1 y C3, por construcción, 013max puede llegar de 60° a 70° dependiendo del nivel de rendimiento requerido. Las direcciones de rotación de los mecanismos de rotación primero y tercero R1, R3 pueden ser eventualmente opuestas; en este caso hablamos de prismas C1 y C3 contra-rotativos.

La combinación de estos dos dispositivos de desviación permite alcanzar una desviación máxima 013max+02 de 120°. Para una cobertura angular completa, es necesario que el ángulo 013max sea mayor o igual al ángulo 02. Combinado con el mecanismo de rotación que gira alrededor del eje 02, se obtiene un dominio de apuntamiento de ángulo sólido 3n sr.

Los mecanismos de rotación R1, R2 y R3 pueden ser controlados, por ejemplo, manualmente o preferiblemente por un motor controlado por un servo-mecanismo.

De acuerdo con un tercer modo de realización descrito en relación con la Fig. 4, el segundo dispositivo de desviación tiene, además del prisma C2, un segundo prisma con microestructuras de sub-longitud de onda, conocido como el cuarto prisma C4. Este cuarto prisma C4 está dispuesto en paralelo al prisma C1 del primer dispositivo de desviación y justo antes (=aguas arriba) en modo de emisión como se muestra en la figura, y por lo tanto es normal al eje 01; en consecuencia, está inclinado con respecto al prisma C2 por un ángulo formado por los ejes 01 y 02. Está configurado para desviar el haz incidente (procedente del prisma C2 y por lo tanto ya desviado por un ángulo 02) por un ángulo 04 fijo distinto de cero. Este prisma está asociado con el mecanismo de rotación R2 del segundo dispositivo de desviación, alrededor del eje 02. Por construcción, este ángulo 04 puede fijarse entre 0 y 60°. El ángulo de desviación del segundo dispositivo de desviación es entonces igual a 02 04 con respecto al eje 02. En la figura el ángulo formado por los ejes 01 y 02 es también igual a 02 04: por lo tanto el haz de C4 tiene una incidencia normal en C1.

Para todos estos modos de realización, el dispositivo formador del haz de la fuente tiene una lente en cuyo foco se sitúan los medios de emisión S. Esta lente permite dar forma al frente de onda cuasiesférica emitida por una fuente puntual S. La lente L de conformación puede ser fija e independiente del segundo prisma C2 y de su mecanismo de rotación como se muestra en las figuras 2a, 3, 4. En este caso, el conjunto de la fuente S y la lente L de conformación es fija con respecto a las rotaciones alrededor de 01 y 02 y permite una fácil interconexión con los circuitos de microondas de emisión y/o recepción.

Esta lente L de conformación puede ser una lente dieléctrica:

• difractiva masiva con un perfil hiperbólico, o

• con microestructuras como se describe en las patentes FR 2980648 o FR 3002697, y puede ser difractiva o refractiva.

Según una variante que se aplica a los modos de construcción descritos anteriormente, la lente L de conformación del haz emitido por el medio emisor S (o al medio receptor) se combina con el segundo prisma C2 en un componente holográfico CH, para obtener un solo componente que realiza una doble función de conformación y desviación el haz emitido por la fuente S, como se muestra en la figura 2b. En este caso, las microestructuras de sublongitud de onda están implantadas en una sola cara de la componente CH según una disposición no periódica determinada por un cálculo de interferencias en dicha cara, entre el haz emitido por la fuente que incide en esta cara y el haz de salida deseado (de esta componente CH), en este caso una onda plana desviada con un ángulo 02. Hay que recordar que las microestructuras se califican como sublongitudes de onda cuando se cumple la siguiente condición para las celdas (o mallas) en las que se implantan :

(Distancia entre los centros de células adyacentes) < A/n

siendo A la longitud de onda objetivo elegida del rango de longitudes de onda correspondientes a las microondas, es decir, una longitud de onda típicamente comprendida entre 1mm y 1m, y n el índice de refracción del material dieléctrico en el que se forman las microestructuras.

En el caso de que este componente holográfico tenga una cara plana (superficie 2D) como se muestra en la figura 2b, se trata de un cálculo de interferencias en esta cara plana entre el haz incidente emitido por la fuente y el haz de salida que, en el caso de una antena de haz orientable, es una onda plana con un ángulo de salida (en modo de emisión) correspondiente al ángulo de orientación del haz. La altura y el tamaño de cada microestructura MS de CH (que también puede verse en la figura 5c) se determinan experimentalmente o se calculan para igualar el retardo de fase de módulo 2n introducido localmente por cada microestructura, con en el conjugado de la fase del holograma en ese mismo punto.

La implementación de sublongitudes de onda de las microestructuras MS se realiza a partir de una malla geométrica M generalmente de base cartesiana, es decir, rectangular o incluso cuadrada, como se muestra en las figuras 5a, 5b y 5c. También se puede prever una malla hexagonal o incluso circular. Dentro de esta malla, la base de una microestructura no puede, por supuesto, exceder una malla (o celda) de la malla, pero sólo puede ocuparla parcialmente. Algunas mallas pueden estar vacías, otras totalmente ocupadas por la base de la microestructura, y para otras, la base de la microestructura sólo ocupa parcialmente la malla correspondiente, dependiendo de la implementación determinada.

Sin embargo, esta simple implementación causa un error de fase debido a la resolución del muestreo y por lo tanto una reducción en la eficiencia de la apertura de la antena. Para resolver este problema, se elige una base de malla en un sistema de coordenadas adecuado para ajustar la fase de la mejor manera posible. Una estructura geométrica de sublongitud de onda se realiza a partir de una malla M que coincide con las líneas isofásicas en una dirección y con las líneas de gradiente de fase en direcciones respectivamente perpendiculares a las líneas isofásicas, como se muestra en las Figs. 6a y 6b.

Para mejorar la eficiencia de la orientación en ángulos de baja elevación (ángulo alto 0), las microestructuras del componente holográfico pueden formarse en una superficie no plana, es decir, en una superficie tridimensional predeterminada, como una superficie con simetría de revolución como un cono, una esfera o cualquier superficie tridimensional arbitraria.

Las microestructuras están todas formadas por material dieléctrico en formas predefinidas, ya sea sobresaliendo en forma de pilares o huecas en forma de agujeros. También es posible una combinación de agujeros y pilares. Las microestructuras tienen cualquier forma, preferiblemente con ejes de simetría. Tienen una sección cuadrada, hexagonal o circular, o una combinación de diferentes geometrías, o una sección que se ajusta a las líneas de isofase y de gradiente de fase. Pueden ser constantes en su sección a lo largo de su altura o variables como en el caso de una estructura piramidal, cónica, etc. La altura de las microestructuras MS es generalmente la misma (como se muestra en la Figura 5c), pero no necesariamente. Pueden ser perpendiculares a la superficie del componente o inclinadas, por ejemplo, 30°. También es posible tener una inclinación variable sobre el mismo componente. La inclinación se determina experimentalmente, típicamente en función de la dirección de la inflexión o incidencia del haz.

De acuerdo con una generalización del modo de realización anterior, y aún para realizar la función de colimación o enfoque (según el modo de emisión o recepción) y la función de desviación del haz, el componente holográfico CH comprende capas superpuestas de microestructuras MS de sublongitud de onda formadas en el volumen de las mismas e implantadas de acuerdo con una disposición tridimensional no periódica determinada por un cálculo de interferencias sobre dicho volumen, entre el haz emitido por la fuente incidente en este volumen y el haz de salida deseado. Este volumen se apoya, por supuesto, en la cara del componente CH en el que se forman las microestructuras; este volumen está delimitado en particular por esta cara. El cálculo de la interferencia de volumen puede realizarse experimentalmente mediante ajustes sucesivos o mediante cálculo, por ejemplo transformando el volumen de CH en una pila de K superficies 2D o 3D paralelas entre sí (con K un entero típicamente comprendido entre 2 y 100) en cada una de las cuales se calcula un patrón de interferencia de superficie. El apilamiento de capas de microestructuras se obtiene, por ejemplo, haciendo coincidir, para cada punto de cálculo del volumen, una microestructura cuya altura se reduce en un factor K y cuya sección permite generar un retardo de fase local correspondiente al conjugado de la fase del holograma en este mismo punto reducido en un factor K.

Otro modo de obtener la distribución de las microestructuras 3D consiste, a partir del cálculo de interferencias obtenido en la cara de la componente CH entre el haz incidente emitido por la fuente y el haz de salida, en proyectar la sección de cada una de las microestructuras en el volumen del componente siguiendo las curvas resultantes de la intersección entre los planos isofásicos del holograma de volumen y los planos que contienen los gradientes de fase.

En otras palabras, se puede realizar este cálculo de interferencia sobre dicho volumen:

• de manera discreta para diferentes valores de z (dimensión de la pila); es una especie de reiteración para varias superficies de implementación consideradas a diferentes valores de z, del cálculo de interferencias 2D descrito anteriormente para una sola superficie de implementación. La altura y la sección de las microestructuras se determinará entonces en cada una de estas superficies como se ha indicado en lo que antecede, o

• de manera continua en z, la altura y la sección de las microestructuras siendo entonces determinadas por el propio cálculo.

Este componente CH está alojado en el segundo dispositivo de desviación y por lo tanto está sujeto a rotación alrededor del eje 02 por el segundo mecanismo de rotación. Este componente holográfico CH permite un aumento de peso y de eficiencia.

Un ejemplo de una configuración con un componente holográfico CH se muestra en la Figura 2b: un solo prisma C1 que desvía el haz en un ángulo fijo 01 con respecto a su eje de rotación 01, se utiliza en la apertura de la antena. Como ya se ha indicado, para asegurar una cobertura angular completa, es necesario que el prisma C1 y el componente holográfico CH desvíen el haz con 01>02. La rotación de C1 alrededor del eje 01 proporcionada por el primer mecanismo de rotación, permite que el haz describa un círculo alrededor de 01, que combinado con una rotación del conjunto C1 y CH alrededor del eje de giro 02 proporcionado por el segundo mecanismo de rotación, permite que el haz se coloque en un cono de ángulo sólido con un valor de 2n(1-cos(201)).

También es posible añadir a las configuraciones anteriores, un mecanismo de traslación de los medios de emisión S//recepción a lo largo del eje vertical (paralelo al eje 02) para controlar la apertura del haz emitido y recibido.

Para ayudar a los dos dispositivos de desviación y/o compensar la variación de la desviación de C2 cuando se modifica la frecuencia de la onda emitida por la fuente S, también es posible añadir a las configuraciones anteriores una mecánica de traslación de los medios de emisión S /recepción en el plano normal al eje 02. Esto es particularmente útil para generar pequeños ángulos de desviación y evita la necesidad de realizar un giro completo (= un giro completo del segundo mecanismo de rotación) especialmente alrededor de puntos singulares como los que se encuentran en la dirección de 02 por ejemplo. Esto permite un control fácil y total del haz (posición y apertura).

En los ejemplos anteriores, el segundo dispositivo de desviación tenía uno o más prismas, pero puede no tener prisma. Esta alternativa a los modos de realización descritos anteriormente, que ahorra espacio se basa en una combinación del dispositivo de conformación del haz emitido por la fuente y el segundo dispositivo de desviación, utilizando configuraciones de tipo de antena reflectora; esta combinación permanece asociada al segundo mecanismo de rotación R2 alrededor del eje 02. El haz emitido por la fuente es, por ejemplo, desviado y distribuido en el primer dispositivo de desviación por:

• una configuración tipo Cassegrain fuera del eje con un espejo primario parabólico M1 y un espejo secundario cóncavo M2, como se muestra en la figura 7a,

• una configuración tipo Cassegrain en la que el espejo M1 es un espejo con red de reflectores (“reflectarray mirror” en inglés), como se muestra en la Figura 7b.

Para estas dos variantes de reflectores, el espejo secundario cóncavo M2 puede ser reemplazado por cualquier otro tipo de reflector para lograr configuraciones gregorianas, ADE (acrónimo de la expresión anglosajona “Axially Displaced Ellipse”) o Dielguide (también conocido con la denominación anglosajona “Splashplate”).

La invención también tiene como objeto una antena orientable que comprende un sistema de desviación como el descrito, y los medios de emisión S/recepción de microondas dispuestos en el foco del dispositivo de conformación como se muestra en las figuras ya descritas.

En todas las configuraciones descritas, la fuente S puede ser monopulso, conectada o no a una "T mágica" que permite la extracción directa de señales monopulso (suma y diferencias a lo largo de los dos ejes del cono). Estas señales permiten conocer la diferencia de ángulo entre el objetivo y la suma del ángulo de apuntamiento del haz, que se conoce añadiendo codificadores en los tres ejes de rotación del dispositivo. Esto permite medir la desviación de un objetivo en el lóbulo de radiación principal del patrón de radiación de la fuente.

También se pueden realizar alternativas a todos estos modos de realización de una antena orientable combinando una fuente no puntual (o más generalmente medios de emisión-recepción no puntuales), su dispositivo de conformación y el segundo dispositivo de desviación para formar un conjunto configurado para emitir una onda plana en el primer dispositivo de desviación en modo de emisión o para recibir una onda plana del primer dispositivo de desviación en modo de recepción. Este conjunto es, por ejemplo, en sí mismo una antena de red A (con placas (“patchs antenna” en inglés), como se muestra en la Fig. 8a, con ranura, Vivaldi, ...), sin cambiadores de fase o con cambiadores de fase fijos. De hecho, esta antena de red no tiene que estar equipada con cambiadores de fase, ya que el desplazamiento del ángulo 02+013 se lleva a cabo por el sistema de desviación. Por otro lado, puede tener varios canales para realizar un procesamiento avanzado de radar. La antena de red puede colocarse perpendicularmente al eje 02 como se muestra en las figuras 8a y 8b, pero esto no es necesario. También se puede colocar directamente contra el prisma C1. Cualquiera que sea su configuración, esta antena de red A está asociada con el segundo mecanismo de rotación R2 alrededor del eje 02.

Es posible encender la antena de la red A como se muestra en la figura 8b. El ángulo de encendido 02 asegura que no se pierda el rendimiento de las placas (“patchs” en inglés) en la dirección de apuntamiento fijo de la antena.

Este conjunto, configurado para emitir una onda plana desviada hacia el primer dispositivo de desviación en modo de emisión (o para recibir una onda plana desviada por el primer dispositivo de desviación en modo de recepción), también puede ser una antena reflectora, un cono de alta ganancia, u otra.

Estas alternativas descritas en relación con las figuras 7a, 7b, 8a, 8b, también se aplican a un primer dispositivo de desviación con un solo prisma C1.

Para estos modos de realización, cada prisma (C1 y opcionalmente C3) del primer dispositivo de desviación está asociado con un mecanismo de rotación alrededor de 01 (R1 y opcionalmente R3), mientras que un único mecanismo de rotación alrededor de 02 (R2) está asociado con el segundo dispositivo de desviación que comprende uno o más prismas (C2 o CH y opcionalmente C4), o una configuración tipo Cassegrain, o una antena de red. Y tenemos: 0°< (01, 02) < 90°.

Un carenado se utiliza ventajosamente para abarcar la fuente y opcionalmente el dispositivo de conformación o incluso el primer dispositivo de desviación. Este carenado está cubierto por fuera o revestido por dentro con material absorbente que permite absorber las ondas emitidas por la fuente S pero no interceptadas por la lente L, así como los reflejos parásitos del dispositivo. Esto ayuda a mejorar el patrón de radiación de la antena y a reducir su área equivalente al radar. Este absorbente puede estar hecho de material dieléctrico y/o magnético (o de composite), estructurado en una escala de sublongitud de onda para reducir el nivel de las reflexiones en las interfaces aire/absorbente.

Esta estructuración puede hacerse de dos maneras:

• O bien utilizando una capa compuesta por microestructuras de sublongitudes de onda de manera que la estructura se adapte localmente en altura y grosor para presentar el índice efectivo equivalente (como se presenta en la patente FR 2 980 648) que permite producir una capa antirreflejo adaptada localmente a la incidencia y frecuencia de la onda incidente.

• Ya sea utilizando una estructuración tridimensional de tipo piramidal, por ejemplo (véase el artículo de W. H.

Southwell "Pyramid-array surface-relief structures producing antireflection index matching on optical surfaces", J. Opt. Soc. A., Vol 8, No 3, marzo de 1991) en la interfaz orientando, por ejemplo, las microestructuras de sublongitud de onda según la incidencia del haz. Esta orientación no es esencial, se puede mantener una orientación normal a la superficie del carenado.

Dependiendo de la longitud de onda operativa del dispositivo, el tamaño de las microestructuras es por lo tanto diferente. Estas superficies estructuradas pueden ser producidas por maquinado, fabricación aditiva o grabado químico.

Las ventajas de la invención son las siguientes:

❖ La mecánica que se debe establecer para este tipo de sistema de desviación es más fiable que las bielas (motores de anillos). La masa giratoria es baja porque el uso de materiales dieléctricos plásticos permite el uso de técnicas de fabricación aditivas, y asegura un peso razonable para una mecánica rápida y ligera. El dimensionamiento de los actuadores y el servocontrol de los mecanismos de rotación no dependen de la distribución de la masa en la parte emisora, lo que facilita la modularidad.

❖ El rango angular accesible por el sistema en emisión/recepción es 3n sr (desviación máxima 120°) en comparación con menos de n sr (desviación máxima 60°) para otros sistemas.

❖ El uso de prismas dieléctricos asegura el ancho de banda y hace que este sistema sea accesible en las frecuencias más altas.

❖ El uso de un emisor central reduce los costos al utilizar un emisor de potencia centralizada (por ejemplo, -tubo de onda progresiva - TOP) para las altas frecuencias; no es necesario recurrir a juntas rotativas para pasar la señal de microondas.

❖ El control de la posición de la fuente en relación con la lente a lo largo del eje perpendicular permite controlar la apertura del haz.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Sistema de desviación controlable de un haz de microondas incidente con una longitud de onda de entre 1 mm y 1 m, que comprende:

- un dispositivo de formación dispuesto a lo largo de un eje óptico y configurado para colimar dicho haz en modo de emisión o enfocar dicho haz en modo de recepción,

- un primer dispositivo para desviar un haz de microondas incidente que comprende un primer componente dieléctrico difractivo (C1) con microestructuras de sublongitud de onda dispuestas de manera que formen un material artificial que presenta una variación periódica del índice de refracción efectivo, denominado primer componente dieléctrico difractivo, estando este primer componente dieléctrico difractivo asociado a un primer mecanismo de rotación (R1) sobre un primer eje controlable (01), caracterizado porque comprende aguas arriba del primer dispositivo de desviación en el modo de emisión o aguas abajo del primer dispositivo de desviación en el modo de recepción:

- un segundo dispositivo de desviación configurado para desviar un haz de microondas incidente desde el dispositivo de formación hacia el primer dispositivo de desviación en modo de emisión, o para desviar un haz de microondas incidente desde el primer dispositivo de desviación hacia el dispositivo de formación en modo de recepción, estando este segundo dispositivo de desviación asociado a un segundo mecanismo de rotación (R2) sobre un segundo eje controlable (02) que coincide con el eje óptico del dispositivo de formación,

porque el ángulo (01, 02) formado por el primer y segundo eje de rotación es mayor que 0° y menor o igual a 90°, y porque el primer mecanismo de rotación (R1) es integral con el segundo mecanismo de rotación (R2) de tal manera que una rotación del segundo mecanismo de rotación sobre su eje controlable (02) provoca una rotación del primer mecanismo de rotación sobre este mismo eje.

2. Sistema de desviación controlable según la reivindicación anterior, caracterizado porque el primer dispositivo de desviación comprende otro componente dieléctrico difractivo (C3) con microestructuras de sublongitud de onda dispuesto en paralelo al primer componente dieléctrico difractivo (C1), denominado tercer componente dieléctrico difractivo, estando este tercer componente dieléctrico difractivo asociado a un tercer mecanismo de rotación (R3) sobre el primer eje controlable (01), independiente del primer mecanismo de rotación (R1) e integral con el segundo mecanismo de rotación (R2).

3. Sistema de desviación controlable según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el segundo dispositivo de desviación comprende un componente dieléctrico difractivo (C2) con microestructuras de sublongitud de onda, denominado segundo componente dieléctrico difractivo, y el dispositivo para formar el haz emitido por el medio emisor o recibido por el medio receptor comprende una lente (L).

4. Sistema de desviación controlable según la reivindicación anterior, caracterizado porque el segundo dispositivo de desviación comprende otro componente dieléctrico difractivo (C4) con microestructuras de sublongitud de onda dispuesto en paralelo al primer componente dieléctrico difractivo (C1), denominado cuarto componente dieléctrico difractivo.

5. Sistema de desviación controlable según una de las reivindicaciones 3 a 4, caracterizado porque la lente (L) del dispositivo formador de haz es una lente difractiva dieléctrica con microestructuras.

6. Sistema de desviación controlable según una de las reivindicaciones 3 a 4, caracterizado porque la lente (L) del dispositivo formador de haz es una lente refractiva dieléctrica con microestructuras.

7. Sistema de desviación controlable según una de las reivindicaciones 3 a 4, caracterizado porque la lente (L) del dispositivo formador de haz es una lente refractiva dieléctrica sólida.

8. Sistema de desviación controlable según una de las reivindicaciones 3 a 4, caracterizado porque la lente (L) del dispositivo formador de haz y el segundo componente dieléctrico difractivo (C2) se combinan para formar un componente holográfico no resonante (CH) con dos caras, con microestructuras de sublongitud de onda formadas en una sola cara según una disposición no periódica determinada por un cálculo de la interferencia en dicha cara entre un haz incidente y un haz de salida predeterminado, y porque el componente holográfico (CH) está asociado con el segundo mecanismo de rotación (R2).

9. Sistema de desviación controlable según la reivindicación anterior, caracterizado porque las microestructuras (MS) del componente holográfico (CH) se forman en una superficie tridimensional predeterminada.

10. Sistema de desviación controlable según la reivindicación 9, caracterizado porque las microestructuras del componente holográfico (CH) se forman en un volumen predeterminado que descansa sobre dicha cara del componente holográfico, y se implantan según una disposición tridimensional no periódica.

11. Sistema de desviación controlable según una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque el dispositivo formador de haces y el segundo dispositivo de desviación se combinan para formar un sistema de espejos tipo Cassegrain.

12. Sistema de desviación controlable según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada componente dieléctrico difractivo es un prisma o una red.

13. Sistema de desviación controlable según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el segundo dispositivo de desviación está configurado para desviar el haz en el primer dispositivo de desviación con incidencia normal.

14. Sistema de desviación controlable según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el primer dispositivo de desviación desvía el haz con un primer ángulo de desviación (01, 013) con respecto al primer eje (01), el segundo dispositivo de desviación desvía el haz con un segundo ángulo de desviación (02, 02+04) con respecto al segundo eje (02), y porque el primer ángulo de desviación es mayor o igual al segundo ángulo de desviación.

15. Antena de haz orientable que comprende medios para emitir/recibir un haz de microondas con una longitud de onda de entre 1 mm y 1 m y un sistema para desviar el haz según una de las reivindicaciones anteriores.

16. Antena de haz orientable según la reivindicación anterior, caracterizada porque los medios de emisión (S) están configurados para ser monopulso.

17. Antena de haz orientable según una de las reivindicaciones 15 o 16, caracterizada porque comprende un mecanismo de traslación de los medios de emisión/recepción a lo largo del segundo eje (02) y/o en un plano normal al segundo eje (02).

18. Antena de haz orientable que comprende

- medios de emisión/recepción de un haz de microondas con una longitud de onda de entre 1 mm y 1 m que comprende una antena de la red (A) dispuesta perpendicularmente o no con respecto a un eje óptico, y - un sistema para desviar el haz, que comprende un primer dispositivo de desviación de un haz de microondas incidente que comprende un primer componente dieléctrico difractivo (C1) con microestructuras de sublongitud de onda dispuestas de manera que formen un material artificial que presenta una variación periódica del índice de refracción efectivo, denominado primer componente dieléctrico difractivo, estando este primer componente dieléctrico difractivo asociado a un primer mecanismo de rotación (R1) sobre un primer eje controlable (01),

en la que

los medios de emisión/recepción están asociados a un segundo mecanismo de rotación (R2) sobre un segundo eje controlable (02) que coincide con el eje óptico de la antena de la red (A),

el ángulo (01, 02) formado por el primer y el segundo eje de rotación es mayor que 0° y menor o igual a 90°, el primer mecanismo de rotación (R1) está integrado en el segundo mecanismo de rotación (R2) de tal manera que una rotación del segundo mecanismo de rotación sobre su eje controlable (02) provoca una rotación del primer mecanismo de rotación sobre este mismo eje

los medios de emisión/recepción están configurados para colimar dicho haz en el modo de emisión o para enfocar dicho haz en el modo de recepción y formar un haz incidente en el primer dispositivo de desviación en el modo de emisión o para recibir un haz del primer dispositivo de desviación en el modo de recepción.

19. Antena de haz orientable según la reivindicación anterior, caracterizada porque la antena de la red (A) está dispuesta perpendicularmente con respecto al eje óptico.

20. Antena de haz orientable según una de las reivindicaciones 18 o 19, caracterizada porque la antena de la red está encendida.