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AGRUPACIONES DE ANTENAS
IV- Redes de alimentación en arrays
Manuel Sierra Castañer
2
Índice
! Alimentaciones de arrays con un solo haz! Alimentación paralelo! Alimentación serie! Otros tipos de alimentación
! Alimentación de arrays con varios haces! Redes de Butler! Redes de Blass y Nolen! Lentes multihaz
! Redes de alimentación activas: control electrónico del haz ! Acoplos en arrays. Impedancia y diagrama activo.
3
La alimentación de los arrays
a1
b1[S]
a0
b0
! Hasta ahora no se ha considerado cómo se obtienen las alimentaciones de los elementos.
! La teoría básica de agrupaciones supone que:! Las antenas radian de la misma forma que si
estuvieran solas.! La impedancia de entrada de las antenas se
mantiene.! La forma más simple de alimentar es con una red
lineal de una entrada y N salidas.
4
Alimentación paralelo
Red de distribución paralelo en línea microstrip a base de divisores Wilkinson
Ejemplo con parches
Las longitudes eléctricas desde la entrada hasta los elementos son idénticas consiguiendo un funcionamiento correcto sobre la anchura de banda propia del elemento. La distribución de amplitud se obtiene controlando los niveles de impedancia en los divisores.
5
Alimentación paralelo: circuitos divisores
! T simple ! Divisor Wilkinson
! Híbrido Branch-Line ! Híbrido en anillo
6
Alimentación paralelo: ejemplos de divisores
PDN de laboratorio. Alimentador de la antena DBS del satélite HISPASAT I
Demostrador de vuelo de PDN reconfigurable. Alimentador de la antena ASYRIO
7
Cobre sobre substrato
Substrato suspendido (Cuclad, 1.5 mm)
Caja de Aluminio (mecanizada)
Teflón para la sujeción del conector
Alimentación paralelo: ejemplos de divisores
Divisor Wilkinson en línea triplacaDivisor Wilkinson en microstrip
para array de parches
8
Alimentación paralelo: ejemplos
Arrays de parches conexcitación paralelo: ejemplo de diseño
9
Alimentación serie
Los elementos se acoplan a lo largo de una línea de transmisión de forma que la igualdad de fase se consigue separando los elementos una longitud de onda o media longitud de onda más una inversión de fase.
Entrada
AcopladorCarga adaptada
Línea de transmisión
10
Alimentación serie: resonante y onda progresiva
Excitación Resonantede parches
Excitación de OndaProgresiva con parches
11
Alimentación serie: ranuras
dd=λg/2
α πλ
π= − + =2 0g
d
Resonante de ranuras sobre Guía de onda:
El desfasaje para ranuras alternadas es:
kag
gg= = −
2 12
2πλ
λ λ λ
πdkα g +−=
12
Alimentación serie: ranuras en guía
Tipos de Ranuras utilizadas:s
L
a b
En la cara ancha se cortan ranuras longitudinales, controlándose el acoplamiento mediante el desplazamiento s.
En la cara estrecha el acoplamiento se controla con el ángulo de inclinación de las ranuras:
( ) ( ) ( )g g g fn g= =β λ λ β1
π⋅λ/λ==a
ssen)(g)s(gg 2gon
13
Alimentación serie: arrays resonante
g1 g2 gn gNge
V V V V
λg/2 λg/2 λg/2 λg/2 λg/4
CortoCircuito
gL=0
λg/2 λg/4
d= λg/2 ⇒ α =0 (Elementos alimentados en fase: Array Broadside)
Las admitancias gi, separadas λg/2, se suman a la entrada. g ge nN
= ∑1
( ) ( )P V g a Cte a P g g K an n n n n n n n= = ⇒ ∝ ∝ ⇒ =1 2 1 22 2 2
La constante K se ajusta para adaptación de entrada: g K a K ae nN
nN
= = ⇒ =∑ ∑1 121
21
Conocidas las gn se obtienen los desplazamientos sn de cada ranura.La anchura de banda obtenida para ROE ≤2 es del orden de (50/N)%.
Coeficientes de excitación de las ranuras: a1, a2,... an
La potencia radiada por cada una vale:
14
Alimentación serie: arrays resonantes
...Y1Y0=1 Y2Y0=1 Y3Y0=1 YNY0=1
β! β! β! β!
ββ+βββ+β
=
⋅
ββββ
=
!!!
!!!
!!
!!
cossenjcosYsenjsenjYcos
1Y01
cossenjsenjcos
DCBA
n
n
nYnY0=1
β!
∏=
ββ+βββ+β
=
N
1n n
n
cossenjcosYsenjsenjYcos
DCBA
!!!
!!!
DCBAZin +
+=DCBA
2+++
=Γ
Impedancia y ancho de banda:
15
Alimentación serie: arrays resonantes
R.O.E. de un array resonante uniforme BW de un array resonante
Impedancia y ancho de banda:
16
Alimentación serie: arrays de onda progresiva
Arrays con muchos elementos, ➔ gn pequeñas, ➔ pequeñas reflexiones.La suma se tiende a cancelar por no sumarse en fase.Se disipa una fracción de potencia (10% a 20%, 0,1≤r ≤0,2) en la carga terminal.Si la ley de excitación es: a1, a2,.. an...:
g1 g2 gn gN
V1 V2 V3 VN
d d d d
gL =1
dCarga
Adaptada
θmax
d ≠ λg/2 ⇒ α ≠ 0 ⇒ θ max ≠ π/2 (pero próximo)
P V g P r V g PP r
P V g g PP P r
g Pr P
PP
N N N N N NN
N
N N N NN
N N
nn
ii n
Nn
ii
n
= + ≈ ⇒ =+
= ⇒ =+ +
=+
=−
− − − −−
−
= =
−∑ ∑
12
12
12
1
2 2
1 12
1 11
1
1
1
( )P C a C a r C r a Pn n nN
nN
n= ⇒ = − ⇒ = − ⇒∑ ∑2 21
21
1 1
17
Alimentación serie: arrays onda progresiva
Array de exploración con la frecuencia:
! El desapuntamiento viene definido a través del margen de visibilidad.
con las limitaciones:
! No radiación endfire:
! No grating lobes:
dm
dssenm2ssenkd
g0g0
λ−λλ=θ⇒π−β=θ
msd
g
−λ
≥λ
0sen11d
θ+<
λ
s
d
18
Otros tipos de excitación
Las longitudes eléctricas desde la entrada hasta los elementos son idénticas consiguiendo un equilibro de fases en la apertura. La distribución de potencia se hace por acoplamientos entre la antena de alimentación y las antenas colectoras.
Excitaciones con lentes:
19
Otros tipos de excitación
Los elementos radiantes (p.e. parches) reradian el campo cuando se alimentan a través de una bocina, y mediante sus dimensiones físicas se produce el desfasaje necesario para conseguir el diagrama de radiación requerido.
Reflectarrays:
Reflectarray de J.A. Zornoza y J.A. Encinar
Polarización X
Plano E
20
Otros tipos de excitación
Los elementos radiantes (p.e. ranuras) se pueden excitar también a través de una guía radial, resultando unas pérdidas mucho menores que con excitación a través de línea microstrip o de línea triplaca.
Línea radial:
Pérdidas en distintas guías (M.Ando y J. Hirokawa)Antena de ranuras excitada a través
de postes en guía radial
21
Arrays multihaz: matrices de Butler
! BFN con el mínimo número de elementos
! Implementación hardware del algoritmo de la FFT
! La tabla inferior corresponde a excitación uniforme y d=λ/2
! d>λ/2 produce lóbulos emergentes
N SLL(dB) Nivel de Cruce (dB)4 11.30 -3.708 12.80 -3.8716 13.15 -3.9132 13.3 -3.92∞ 13.26 -3.92
1 N2 3d
Nd2isen iλ±=θ
( )Nd2
1Nsen2 1cov
λ−=θ −
θi
θcov
22
- 30
- 20
- 10
0
-90
-75
-60
-45
-30
-15 0 15 30
45 60 75 90
T h e t a ( d e g )
dB
Arrays multihaz: ejemplo con matriz de Butler
Red de excitación Estructura radiante
Diagrama de radiación monopulso
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Arrays multihaz: matrices de Blass y de Nolen
! Ambas matrices son implementaciones del algoritmo de la DFT:! Matriz de Blass: Sólo con coeficientes reales! Matriz de Nolen: Con amplitudes y fases
Matriz de Blass Matriz de Nolen
24
Arrays multihaz: lentes multihaz
! Lentes de Rotman! Lentes circulares
! R2R! RkR
25
Arrays multihaz: redes formadoras de haz
Matriz de Butler 2-Dy Roseta 2-D
Agrupación 2-D de Lentes de
Rotman
26
Agrupación con alimentación activa
! El que utiliza redes lineales activas, fijas o variables, para alimentar el grupo.! Permite amplificación distribuida en la antena! Reduce el ruido de recepción! Permite control activo de las excitaciones (phased array)! Permite procesado de la señal recibida
BalunAmp.Desfasador
Diviso
r
27
! Aumenta la potencia de transmisión al evitar las pérdidas en la red.
! Reduce las prestaciones de los amplificadores de potencia. (Ganancia distribuida)
! Permite modificar la fase y por tanto la dirección de apuntamiento.
! Puede modificar la amplitud y por tanto el nivel de lóbulos y diagrama.
ΦA
ΦA
ΦA
Arrays activos en transmisión
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Arrays activos en recepción
! Mejora la figura de ruido en recepción al unir los amplificadores a las antenas
! Permite separar las antenas de los circuitos combinadores evitando la influencia de la impedancia activa
! Permite modificar la fase y por tanto la dirección de apuntamiento.
! Puede modificar la amplitud y por tanto el nivel de lóbulos y diagrama.
Φ A
Φ A
Φ A
+
29
Arrays activos: tecnología
" Desfasadores variables:" Diodos PIN (conmutadores): líneas conmutadas o cargadas" Diodos varactores en branch-line" Ferritas en guía de onda
" Atenuadores variables:" Atenuadores digitales (diodos PIN)" Moduladores vectoriales analógicos (amplitud y fase)
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Arrays activos: componentes
Desfasador variable Raytheon Atenuador variable Raytheon
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Arrays activos digitales
! Tiene las ventajas del procesado digital: rapidez de conmutación de haces, gran ancho de banda, algoritmos de seguimiento integrados, etc
! El margen dinámico está fijado por el conversor A/D.
! Permiten antenas adaptativas
Nº de Bits Margen dinámico (dB)10 60.2112 72.2514 84.2916 96.33
A/D
Beam
form
ing
A/D
A/D
32
Acoplos en arrays
! Cuando varias antenas se agrupan:! Si alimentamos solo una antena! Parte de la excitación de una antena se
induce en las demás! Las demás también radian! Parte de la potencia aparece en los
terminales de otras antenas.! Pueden excitarse modos superiores.
V1
33
Acoplos en arrays: efectos
Entrada
Antena 1
Antena 2
Antena 3
Antena 4
Antena 5
Antena 6
Antena 7
Antena 8
Antena 9
Antena 10
Antena 11
Antena 12
Red medida
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
theta (deg)
E (d
B)galibo-mingalibo-max1.71 GHz1.80 GHz1.88 GHz
Diagramas estimados con la alimentación de la red sin tener en cuenta los acoplos
34
Acoplos en arrays: efectos
0 2 4 6 8 10 12-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
0 2 4 6 8 10 12-2
-1.5-1
-0.50
0.51
1.5
22.53
Amplitud fase
0 20 40 60 80 100 120 140 160-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0f=1710MHzf=1795MHzf=1880MHz
Errores en amplitud y fase
Diagramascon acoplos
35
Acoplos en arrays: justificación
! Al situar varias antenas próximas en pequeños arrays! La radiación de cada antena genera modos de radiación distintos en
las demás.! Parte de la señal de entrada a una antena se acopla a los terminales
de las demás a través de la red de alimentación.V1