DESCRIPCIÓN

OBJETO DE LA INVENCIÓN

Es objeto de la presente invención un desfasador mecánico de banda ancha. Una de las aplicaciones de los desfasadores es la de conseguir un control dinámico por medios electromecánicos del haz radiado por un array de antenas .

Un array de antenas está formado por un conjunto de N antenas, iguales o no, que radian o reciben simultáneamente. El diagrama de radiación del conjunto se obtiene como la interferencia de los campos radiados por cada una de las antenas, mientras que en recepción la señal es una combinación lineal de las señales que capta cada antena.

Gracias a los desfasadores es posible obtener diferentes ángulos de apuntamiento, alimentando cada una de las antenas que forman la agrupación con una señal eléctrica de alta frecuencia diferenciada en fase en cada una de las antenas .

Como principio físico se utiliza el retardo eléctrico que se produce en las lineas de transmisión para ajustar la fase de la señal en los distintos puntos de alimentación de los elementos radiantes del array.

Caracteriza a la presente invención la especial configuración y diseño del desfasador, que es tal que permite conseguir un mayor margen de variación del ángulo de apuntamiento de la agrupación de elementos radiantes

respecto del estado de la técnica, de manera que se logra modificar la zona de cobertura.

Otra característica que presenta el desfasador objeto de la invención es que con la configuración y diseño del mismo se evitan las vibraciones, pandeo y la falta de rigidez de las lineas de bandas ("stripline" o triplaca en lenguaje común de los expertos en antenas) utilizadas en los desfasadores del estado de la técnica.

Por lo tanto, la presente invención se circunscribe dentro del ámbito de los medios electromecánicos empleados para conseguir un control dinámico del haz radiado por un array de antenas, y de forma más particular de entre los desfasadores .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Como anteriormente se ha señalado la función de los desfasadores es la de controlar la diferencia de fase, utilizando como principio físico el retardo eléctrico que se produce en las lineas de transmisión para ajustar la fase de la señal . El retardo eléctrico puede conseguirse mediante diferentes métodos como los que a continuación enunciamos .

Uno de ellos, tal y como se recoge en la patente JP5121902 A, publicada el 18.05.1993, consiste en modificar la velocidad de propagación de la linea de transmisión, contando para ello el desfasador con una pieza dieléctrica móvil interpuesta entre dos conductores dispuestos coaxialmente. El movimiento relativo de esta pieza dieléctrica da lugar a un cambio de la fase relativa entre dos conductores. Uno de los inconvenientes del sistema

descrito es la variación de la impedancia característica al moverse el dieléctrico.

Otro método empleado para conseguir un retardo eléctrico es el descrito en la patente JP5121915 A, publicado 28.05.1993 en donde el desfasador descrito cuenta con una linea de transmisión móvil respecto a otra fija. La linea móvil está conectada a la alimentación del desfasador y se acopla a la linea fija, de modo que al desplazarse, la fase de la señal en un extremo de la linea fija respecto del otro varia.

Otro modo de realización similar se encuentra descrito en la patente JP9246846 A publicada el 19.09.1997. En esta invención se describe un desfasador que incluye tres segmentos de linea de transmisión con tipología triplaca con forma circular y decalados entre si en la dirección perimetral, estando ajustado un elemento de toma alrededor de un punto central en contacto con el correspondiente segmento de linea.

En la patente Europea EP1208614 Bl, publicada el 01.05.2004, se describe un desfasador mejorado respecto a los anteriores y que dispone de una entrada y cuatro salidas, para conectar cuatro elementos radiantes dos a dos. Cuenta con dos segmentos de lineas de bandas ("stripline" o triplaca en lenguaje común de los expertos en antenas) dispuestos concéntricamente y un elemento de toma común a los dos segmentos situado radialmente, siendo este elemento de toma común giratorio respecto de un eje central que permite modificar las diferencias relativas entre las fases de las señales en los extremos de los segmentos de linea de bandas.

Este sistema presenta varios inconvenientes. Por un lado si las lineas de bandas exceden una cierta longitud aparecen resonancias debidas a la excitación de modos superiores, por lo que a partir de esa determinada longitud el desfasador deja de funcionar correctamente.

Es decir, la limitación en el empleo de las lineas de bandas ("stripline" o triplaca en lenguaje común de los expertos en antenas) a partir de una determinada longitud limita el margen de variación del ángulo de apuntamiento.

Por ejemplo a 2170 MHz, para desplazar en un margen de 8 grados la dirección de radiación del array, la linea de bandas ("stripline") interior ha de tener una longitud aproximada de 45 mm y radio de curvatura para ser realizable de unos 31 mm. A su vez, para que el acoplo entre lineas sea bajo, el radio de la linea de bandas exterior ha de ser de unos 62 mm y su longitud de unos 90 mm. Con estas dimensiones la frecuencia de resonancia aparece alrededor de los 2335 MHz. Esto implica que el ángulo mecánico máximo entre posiciones extremas del desfasador ha de ser aproximadamente 83 grados. Para ángulos superiores el desfasador no funciona, pues la frecuencia de resonancia caería dentro de la banda. La figura 2 de la patente EP1208614 Bl sólo es válida, pues, cuando el ángulo es inferior a 83 grados y en la figura 4 mucho menos por sus mayores dimensiones evidentes.

Otro inconveniente que presentan las lineas de bandas de dicha invención es su escasa rigidez mecánica, y más si el dieléctrico empleado es aire, por lo que dichas lineas carecen de sujeción alguna que minimice las vibraciones o pandeo. Este factor es importante, ya que las vibraciones, pandeo o deformaciones de las lineas de bandas pueden ser

origen de pérdidas o variaciones en la relación de onda estacionaria (R.0.E.) .

Otra dificultad que presentan los desfasadores mecánicos actuales es la imposibilidad de actuación de varias tomas comunes correspondientes a diferentes desfasadores, debiendo ser controlados con un único actuador común.

Además la adaptación de la linea de transmisión de la señal de entrada a una determinada impedancia se realiza exteriormente al desfasador con tramos de cable de distinta impedancia característica y/o con circuitos transformadores de impedancias, lo cual encarece y dificulta el montaje.

Por lo tanto, es objetivo de la presente invención, desarrollar un desfasador mecánico de banda ancha, que supere los anteriores inconvenientes y que por lo tanto consiga: - Que el margen de variación del ángulo de apuntamiento no se vea tan limitado por la aparición de resonancias si las lineas de bandas o lineas en "L" exceden una cierta longitud. Que las lineas de bandas cuenten con la suficiente rigidez mecánica, más teniendo en cuenta que se pretende aumentar la longitud de las mismas con el objetivo de conseguir un mayor margen de variación del ángulo de apuntamiento.

Conseguir que los desfasadores objeto de la invención puedan disponerse de forma apilada de manera que todas las tomas comunes correspondientes a los diferentes desfasadores puedan ser actuadas de forma simultánea actuando sobre el eje de giro de las mismas de forma conjunta.

Conseguir, gracias al diseño y configuración del desfasador, un mejor montaje y ensamblaje en la antena asi como la utilización de cable de 50 ohmios exclusivamente en toda la antena con la consiguiente reducción de costes.

Una reducción de costes y facilitar el montaje de las antenas en lo relativo al ajuste de impedancias de las lineas de transmisión externas de entrada y de salida del desfasador.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El desfasador mecánico objeto de la invención proporciona a la antena formada mediante la agrupación de elementos radiantes varios ángulos de apuntamiento. Los diferentes ángulos de apuntamiento son el resultado de alimentar los diferentes elementos radiantes que conforman el array mediante una señal eléctrica de alta frecuencia diferenciada en fase en cada uno de ellos.

El desfasador para ello cuenta con una o varias lineas en "L". En caso de ser varias lineas en "L", éstas se disponen de manera concéntrica. Por otro lado, cuenta con un elemento de toma común que discurre sobre las lineas en

"L" .

El elemento de toma común gira con respecto a un eje central en uno de sus extremos, ubicado en las proximidades del centro de curvatura de las lineas en "L" .

Gracias a que el elemento de toma común discurre sobre las lineas en "L", se modifica las diferencias relativas entre las fases de las señales en los extremos de las lineas en "L" .

Dado que las líneas en "L" poseen una mayor longitud que las líneas de bandas ("stripline") de los desfasadores del estado de la técnica y quedan soportadas en los extremos y en el cajeado definido en el elemento de toma común, con objeto de dotarlas de una mayor rigidez mecánica, las líneas en "L" se han reforzado respecto a las líneas de bandas con un diseño que evita posibles deformaciones. Así, las líneas en "L" cuentan con un resalte perpendicular a la dimensión mayor de la línea en su perímetro exterior que las dota de una mayor rigidez e inmunidad frente a las deformaciones, ya que estas deformaciones pudieran originar pérdidas y/o variaciones en la R.O.E. a la entrada del desfasador u originar más resonancias.

El hecho de sustituir las tradicionales líneas de bandas ("stripline") por líneas en "L" permite dotar a dichas líneas en "L" de una mayor rigidez y estabilidad frente a las líneas de bandas, sin embargo este cambio de forma altera las condiciones de contorno para las soluciones de las ecuaciones de Maxwell, por lo que las soluciones para el campo eléctrico con estas nuevas condiciones no son obvias .

El diseño de las líneas en "L" es tal que permite que, debido al campo eléctrico característico generado, las resonancias de los modos superiores aparezcan a frecuencias muy superiores a las de las líneas de bandas ("stripline") . Este efecto se debe a que el resalte de las líneas en "L" cortocircuita en parte el campo eléctrico correspondiente a modos superiores, los cuales no son transversales electromagnéticos (TEM) como el modo principal, y hace que para estos modos superiores, la cavidad en la que se propagan como en una guía de onda sea más pequeña y en consecuencia aumente la frecuencia de resonancia.

Con objeto de aumentar el margen de variación del ángulo de apuntamiento de la agrupación de elementos radiantes, se dispone en el desfasador de unos salientes o elementos como tornillos que actúan como condensadores o cortocircuitos produciendo la supresión de modos superiores generados en las lineas en "L" y evitando también parte del acoplo mutuo entre ellas.

Todas las lineas en "L" del desfasador presentan unas dimensiones tales que les confieren una impedancia característica cercana a 50 ohmios.

La linea de alimentación externa está situada de manera asimétrica respecto del eje perpendicular a las lineas en "L" incluidas en el desfasador.

Por otro lado, también la linea de transmisión externa que alimenta el desfasador tiene una impedancia característica de 50 ohmios o cercana por lo que está conectada con una red interna de adaptación de impedancia a 50 ohmios, disponiéndose alrededor suyo salientes metálicos o tornillos o elementos que actúan a modo de condensador o cortocircuitos, encargados de la supresión de los modos superiores generados por la asimetría de la excitación en la cavidad que conforma el desfasador.

La red interna de adaptación de impedancias, formada por una única pieza metálica, es una solución mucho más barata que hacer una red de adaptación con tramos de cable de distinta impedancia característica y/o con circuitos transformadores de impedancias, permitiendo el uso de un solo tipo de cable lo que facilita el montaje de las antenas en las cadenas de montaje y en consecuencia se reducen los costes .

El desfase de las señales se consigue mediante el movimiento del extremo móvil del elemento de toma común a lo largo de las lineas en "L", y la conexión entre las lineas en "L" y el elemento de toma común se realiza mediante el acoplo capacitivo que se produce con la parte superior e inferior del conductor central de las lineas en

"L" con la toma común, siendo este elemento de toma común perpendicular a las lineas en "L" y está conectado en el extremo sobre el que se produce el giro a la red de adaptación de impedancias del desfasador.

El desfasador además de las características constructivas que posee permite el montaje apilado de los mismos, compartiendo los desfasadores contiguos un único plano de masa que les separa, de manera que se ahorra un gran espacio y se consigue el accionamiento sincrónico de todos los elementos de toma común de todos los desfasadores al quedar conectados por su eje, lo que permite el accionamiento conjunto de todos ellos.

EXPLICACIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de sus características, se acompaña a la presente memoria descriptiva de un juego de planos en cuyas figuras, de forma ilustrativa y no limitativa, se representan los detalles más significativos de la invención.

La figura 1 muestra una representación en planta del interior de un modo de realización particular de un desfasador como del que es objeto la presente invención.

En las figuras 2a y 2b, se ha representado los elementos empleados para la sujeción de las lineas en "L" interiores en sus extremos .

En las figuras 3a y 3b, se ha representado los elementos empleados para la sujeción de las lineas en "L" exteriores en sus extremos .

En las figuras 4 y 5 se ha representando en planta y vista lateral las formas que adoptan las lineas en "L" exteriores e interiores.

En la figura 6 se muestra en planta y en vista lateral las características constructivas que presenta la toma común.

En la figura 7, se ha representado en explosión el montaje apilado de varios desfasadores, observándose que el accionamiento del elemento de toma común de cada desfasador es común a través del eje coincidente del elemento de toma común.

En la figura 8, se muestra una gráfica donde se representa el margen de variación del ángulo de apuntamiento de una realización particular de la invención.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las mencionadas figuras se describe a continuación un modo de realización preferente de la invención asi como la explicación de los dibujos.

En la figura 1, observamos que el desfasador cuenta con una linea en "L" (1) exterior, asi como otra linea en "L"

(2) interior dispuesta concéntricamente con relación a la anterior.

Sobre ambas lineas en "L" (1) y (2) se produce un acoplo capacitivo mediante un elemento de toma común (3) que se dispone perpendicular a ambas lineas, y que gira con respecto a un eje (4) dispuesto en uno de sus extremos.

Sobre el desfasador entra una linea de transmisión externa (6) y salen cuatro salidas de señales (7) desfasadas, estando cada una de ellas conectadas a un extremo de cada una de las lineas en "L" (1) y (2) .

La entrada de la linea de transmisión de alimentación externa (6) es de manera asimétrica con respecto al eje perpendicular a los tramos de lineas en "L", y se encuentra conectada con una red de adaptación de impedancias (5) constituida por una única pieza metálica, estando diseñada esta red con el objeto de mantener una baja R.O.E.

Junto a la red de adaptación de impedancia (5) de la linea de transmisión externa (6) se disponen una serie de salientes (8') o tornillos que actúan a modo de condensador o cortocircuito, que suprimen los modos superiores originados por la asimetría de la excitación.

Por otro lado, para evitar la aparición de resonancias, se procede a la supresión de modos superiores generados en las lineas en "L" disponiendo en los dos planos de masa del desfasador unos salientes (8) o tornillos que actúan a modo de condensadores o cortocircuitos. Estos salientes (8) o tornillos también aislan el tramo de linea en "L" (1) del tramo de linea en "L" (2) , evitando parte del acoplo mutuo entre dichas lineas en "L" .

Las líneas de transmisión de salida (7) tienen una impedancia característica de unos 50 ohmios. También la línea de transmisión externa (6) cuenta con dicha impedancia característica.

Con el desfasador objeto de la invención se consigue que la longitud de los tramos de líneas en "L" del desfasador mecánico pueda llegar a ser aproximadamente igual que 0,85 λ, siendo λ la longitud de onda de la frecuencia de resonancia más cercana por arriba de la banda de interés.

En las figuras 2a, 2b, 3a y 3b se observan las características constructivas de los elementos empleados como soportes de las líneas en "L" en sus extremos.

En concreto en la figura 2a, uno de los soportes (9) de la línea en "L" (2) interior, vemos cómo cuenta con una forma que se adapta a la forma de la línea en "L" interior, y presenta perimetralmente unos resaltes (10) entre los que se define un cajeado (11) de anchura ligeramente mayor que el ancho de la línea en "L" (2) interior. Análogamente, en la figura 2b se muestra el otro soporte (9') de la línea en "L" (2) interior, vemos cómo cuenta con una forma que se adapta a la forma de la línea en "L" interior, y presenta perimetralmente unos resaltes (10') entre los que se define un cajeado (H') de anchura ligeramente mayor que el ancho de la línea en "L" (2) interior.

En la figura 3a, se muestra uno de los soportes (12) de la línea en "L" (1) exterior, presentando una forma correspondiente con esta línea en "L"; cuenta igualmente con unos resaltes perimetrales (13) entre los que se define un cajeado (14) de dimensiones ligeramente mayores que el ancho de la línea en "L" (1) exterior. Análogamente, en la

figura 3b se muestra el otro soporte (12') de la línea en "L" (1) exterior, vemos cómo cuenta con una forma que se adapta a la forma de la línea en "L" exterior, y presenta perimetralmente unos resaltes (13') entre los que se define un cajeado (14') de anchura ligeramente mayor que el ancho de la línea en "L" (1) exterior.

En las figuras 4 y 5 se muestra que las líneas en "L" (1) exterior y (2) interior, presentan en su borde más externo un resalte (15) y (16) respectivamente. Estos resaltes dotan a dichas líneas en "L" (1) y (2) de una mayor estabilidad mecánica y rigidez suficiente para minimizar las vibraciones, pandeo y deformaciones de dichas líneas que pudieran originar pérdidas o variaciones en la R.0.E. a la entrada del desfasador u originar resonancias.

Gracias a la configuración en "L" de dichas líneas, a 2170 MHz, y con una longitud de la línea en "L" (1) exterior aproximada de 105 mm, la frecuencia de resonancia más cercana aparece a 2350 MHz, por lo que todavía podría ser mayor la longitud de las líneas en "L", por consiguiente al ser más largas las líneas en "L", se puede obtener un mayor número de diferentes ángulos de apuntamiento, es decir desfase, aumentando el margen de apuntamiento logrando ángulos mayores de 10°.

En la figura 6, se muestran las características constructivas del elemento de toma común (3) de cuya inferior emergen sendos brazos (17) que discurren paralelos al elemento de toma común, definiéndose unos cajeados (17') donde se aloja un dieléctrico, en medio del cual discurren las líneas en "L" .

El desfase de las señales se consigue mediante el movimiento del extremo móvil del elemento de toma común (3)

a lo largo de los tramos de líneas en "L" (1) y (2) , y la conexión entre las líneas en "L" y el elemento de toma común se realiza mediante el acoplo capacitivo que se produce con la parte superior e inferior del conductor central de las líneas en "L" (1) y (2) con la toma común

(3) , siendo este elemento de toma común perpendicular a las líneas en "L", y está conectado en el extremo sobre el que se produce el giro, a la red de adaptación de impedancias (5) del desfasador.

En la figura 7, donde se ha representado de forma explosionada la disposición de forma apilada de varios desfasadores, observamos un desfasador inferior (18) , con sus líneas en "L", y su correspondiente elemento de toma común, a continuación y sobre él hay dispuesto otro desfasador intermedio (19) dispuesto de forma apilada compartiendo estos desfasadores contiguos un único plano de masa que les separa, y finalmente hay una tapa de cierre final (20) .

El número de desfasadores intermedios (19) puede ser tantos como se desee, compartiendo los desfasadores contiguos un único plano de masa que les separa. Cada uno de los desfasadores cuenta con una línea de transmisión de entrada externa (6) , y con un número de salidas de señales (7) doble al número de tramos de líneas en "L". Cada desfasador cuenta con su elemento de toma común (3) estando todos ellos unidos por su eje (4) de manera que pueden actuarse todos los elementos de toma común (3) de forma conjunta y sincrónica, suponiendo una clara ventaja la actuación sincrónica de varios desfasadores a la vez.

En la figura 8 observamos el margen de variación del ángulo de apuntamiento de una realización particular de la invención, habiéndose representado los márgenes de

variación extremos alcanzados (21) y (23) , asi como uno intermedio (22) , destacando que con el desfasador mecánico objeto de la invención, resultado de las características constructivas que posee, se puede llegar a alcanzar un margen de variación del ángulo de apuntamiento incluso mayor que 10°, linea (21) .

No se considera necesario hacer más extensa esta descripción para que cualquier experto en la materia comprenda el alcance de la invención y las ventajas que de la misma se derivan.

Los materiales, forma, tamaño y disposición de los elementos serán susceptibles de variación siempre y cuando no alteren la esencialidad del invento.

Los términos en que se ha descrito esta memoria deberán ser tomados siempre en sentido amplio y no limitativo.