Página 1
Agrupaciones de Antenas Tema IX. Redes de alimentación
Alimentación de Arrays con un solo hazyParalelo, corporativa o de tiempo de retardo constanteSerie, progresiva o de fase constante.
Alimentación de Arrays con un varios hacesLentesRedes de Blass y Nolen
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 1
Redes de ButtlerRedes de alimentación activas. Control electrónico.
Alimentación de ArraysHasta ahora no se ha considerado cómo se obtienen las alimentaciones de los
elementos.La teoría básica de agrupaciones supone que:
L t di d l i f i t i l (NLas antenas radian de la misma forma que si estuvieran solas. (No se excitan modos superiores de radiación).
La impedancia de entrada de las antenas se mantiene (Los acoplamientos son pequeños).
La forma más simple de alimentar es con una red lineal de una entrada y N salidas.
a1
b1[S]
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 2
a0
b0
Página 2
Excitaciones tipo Paralelo o CorporativaLas 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-La distribución de amplitud se obtiene controlando los niveles de impedancia en los divisores.-La distribución de fase se obtiene incluyendo pequeñas líneas de retardo.
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 3
Red de distribución tipo corporativa en linea microstrip a base de divisores Wilkinson
Ejemplo con parches en array plano
Circuitos divisoresT simple Divisor Wilkinson
Hibrido Branch-Line Hibrido en anillo
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 4
Página 3
T simpleSe trata de una división de una línea en dos, situadas en serie o paralelo d di d d l ti
( ) ( )( ) ( )⎥⎥
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
++−++−++++
=⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡=
2222
222
22
33233
23222
32
1111111111100
rrrrrrrrrrrrr
SSTSSTTT
S
dependiendo del tipo de línea.Se ajusta el reparto de potencias y la adaptación de entradaLas líneas de salida no están adaptadas.
2
2
3
3
2 rZZ
PP
==
Z=50Transformador de
cuarto de onda entre Z2//Z3 y 50 ohm
Z2Z3
⎥⎦⎢⎣
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 5
Es aislamiento entre líneas de salida es malo.
División en potencias iguales
Z=50Z=50
Z3
División en potencias desiguales
Divisor WinkinsonIncluye una resistencia de pérdidas entre las líneas.
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
++
++=
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡=
001100111100
2
2
22
33233
23222
32
rrr
rrr
SSTSSTTT
S
Se ajusta el reparto de potencias y la adaptación de entradaLa resistencia absorbe la reflexión en las líneas de salida. 20332 r
ZZ
ZZ
PP
===
Z=50Transformador de
cuarto de onda entre Z2 y 50ohm.
⎥⎦⎢⎣⎦⎣ 33233
Resistencia de cargaTransformador en cuarto de
onda de Z02 Z2
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 6
Es aislamiento entre líneas de salida es muy bueno.
0223 ZZP
División en potencias iguales
Z=50
Z=50
División en potencias desiguales
Página 4
Circuito Híbrido de 90ºIncluye una resistencia de pérdidas en la puerta desacoplada
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
++++−+−+
+−+
=
011010011001
0110
22
22
22
22
jrrrjrjrr
rjrr
S
Se ajusta el reparto de potencias y la adaptación de entradaLa reflexión en las puertas de salida se absorbe en la puerta desacoplada.
Z=50
⎥⎦⎢⎣ ++− 0110 rrrj
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 7
Es aislamiento entre líneas de salida es muy bueno.
Z=50
Resistencia de carga 50ohm.
Redes paralelo
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 8
Planos de masa
Línea triplaca
FoamDipolo Radomo
de fibra de vidrio.
Conector7/60
Página 5
Redes paralelo
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 9
Redes Divisoras de Potencia
PDN de laboratorio Alimentador de la
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 10
PDN de laboratorio. Alimentador de la antena DBS del satélite HISPASAT I
Demostrador de vuelo de PDN reconfigurable. Alimentador de la antena ASYRIO
Página 6
Alimentaciones en 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.g
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 11
Entrada
AcopladorCarga adaptada
Línea de transmisión
Excitaciones tipo Serie
Array de exploración con la frecuencia (onda progresiva)
Resonante de parches
Resonante de ranurassobre Guía onda
Onda Progresiva con parches
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 12
sobre Guía ondad
d=λg/2
απ
λπ= − + =
2 0g
d
Página 7
Arrays de Ranuras sobre GuíasModelo de radiación de la Ranura: Apertura con un campo
x
y
L
wrE y E x
Lap = $ cos0π
Tipos de Ranuras utilizadas:s En la cara estrecha el
L
a b
En la cara ancha se cortan ranuras longitudinales, controlándose el
acoplamiento se controla con el ángulo de inclinación de las ranuras:
( ) ( ) ( )g g g fn g= =β λ λ β1
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 13
g ,acoplamiento mediante el desplazamiento s.
( ) ( )g g s g san g= = ⎛
⎝⎜⎞⎠⎟0
2λ λπsen
El desfasaje para ranuras alternadas vale:
(Para d=λg/2 ⇒ α=0)
kag
gg= = −⎛
⎝⎜⎞⎠⎟
2 12
2πλ
λ λλ
πdkα g +−=
Arrays Resonantes
g1 g2 gn gN
geV V V V
CortoCircuito
gL=0
λg/2 λg/2 λg/2 λg/2 λg/4
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
Coeficientes de excitación de las ranuras: a1, a2,... an
La potencia radiada por cada una vale:
V 2
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 14
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 deplazamientos sn de cada ranura.La anchura de banda obtenida para ROE ≤2 son del orden de (50/N)%.
nn
n agV
P ∝=2
22nnnnn KaggPa =⇒∝∝
Página 8
Impedancia y Ancho de Banda
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ββ+βββ+β
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ββββ
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛lll
lll
ll
ll
cossenjcosYsenjsenjYcos
1Y01
cossenjsenjcos
DCBA n
YnY0=1
...Y1Y0=1 Y2Y0=1 Y3Y0=1 YNY0=1
βl βl βl βl
⎠⎝ ββ+β⎠⎝⎠⎝ ββ⎠⎝ lllll cossenjcosY1YcossenjDC nn
βl
∏ ⎟⎞
⎜⎛ ββ+β
⎟⎞
⎜⎛ N senjsenjYcosBA lll
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 15
∏=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ββ+βββ+β
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
1n n
n
cossenjcosYsenjsenjYcos
DCBA
lll
lll
DCBAZin +
+=
DCBA2
+++=Γ
Impedancia y Ancho de Banda
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 16
R.O.E. de un array resonante uniforme BW de un array resonante
Página 9
Arrays de Onda Progresiva
g1 g2 gn gN
V1 V2 V3 VN
gL =1
dCarga
Adaptada
θmax
Arrays con muchos elementos, ⇒ gn pequeñas, ⇒ pequeñas reflexiones.Si d≠λ/2, 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...:
d d d d
d Adaptada
d ≠ λg/2 ⇒ α ≠ 0 ⇒ θmax ≠ π/2 (pero próximo)
( )P C a C a r C r a Pn n nN
nN
n= ⇒ = − ⇒ = − ⇒∑ ∑2 21
21
1 1
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 17
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
( )n n n n n∑ ∑1 1
Da buenos resultados con diseños de SLL superiores a -30dB. La anchura de banda es mayor que para los resonantes.
Arrays de Exploración con la FrecuenciaEl desapuntamiento viene definido a través del margen de visibilidad. s
con las limitaciones:No radiación endfire:
dm
dssenm2ssenkd
g0g0
λ−
λλ
=θ⇒π−β=θ
msd
g
−λ
≥λ
d
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 18
No grating lobes:
0sen11d
θ+<
λ
Página 10
Estructuras en Guía Radial
y
αi
ρi
φi
xj
φj
ρj
L
2a w
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 19
x
ε hL
Estructuras en guía radial
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 20
Página 11
Divisores con varias puestas: Lentes
Las longitudes eléctricas desde la entrada hasta los elementos son idénticas consiguiendo un equilibro de fases en la apertura. La distribución de potencia se consigue ajustando los acoplamientos entre la antena de alimentación y las
Alimentador
g j p yantenas colectoras.
Ventajas:•Red corporativa•Menores pérdidas que en redes de líneas de transmisión.
Inconvenientes:•Mayor tamaño
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 21
•Mayor tamaño•Más complejo de diseño
Lentes bidimensionalesLas lentes bidimensionales (lentes de Rotman) trabajan con estructuras de guía biplaca, alimentadas desde guía de onda o desde estructuras impresas, y generan modos cilíndricos en la estructura de la lente.
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 22
Página 12
Antenas multihazLas lentes permiten un tipo de antenas que ofrecen varios diagramas de radiación, con direcciones de apuntamiento diferentes en función de la puerta de entrada a la red.
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 23
Antenas multihazDependiendo del tipo de array, se han estudiado varios tipos de lentes como las Lentes de Rotman para arrays lineales o las lentes RkR para arrays circulares..
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 24
Página 13
Redes multihaz
También podemos conseguir estructuras de varios haces con redes de líneas de t i ió L á tili d ltransmisión. Las más utilizadas son las redes de Buttler, pero tambien se utilizan las redes de Blass y de Nolen.Como principal inconveniente tienen su gran tamaño para un número grande de elementos y sus altas pérdidas, comparadas con las letes
Saltar a la primera página
comparadas con las letes.Como ventajas tienen su alto control de alimentación.
Alimentación de arrays 25
Matrices de Blass y de Nolen
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 26
Ambas matrices son implementaciones del algoritmo de la DFT:Matriz de Blass: Sólo con coeficientes realesMatriz de Nolen: Con amplitudes y fases
Matriz de Blass Matriz de Nolen
Página 14
Matrices de Butler
BFN con el mínimo número de elementos
( )Nd2
1Nsen2 1cov
λ−=θ −
elementos.Implementación hardware del algoritmo de la FFT.
La tabla inferior corresponde a excitación uniforme y d=λ/2.
N SLL(dB) Nivel de Cruce (dB)4 11 30 -3 70
1 N2 3d
Nd2isen iλ
±=θ
θi
θcov
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 27
d>λ/2 produce lóbulos emergentes
4 11.30 3.708 12.80 -3.8716 13.15 -3.9132 13.3 -3.92∞ 13.26 -3.92
Redes formadoras de haz (BFN 2-D)
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 28
Matriz de Butler 2-Dy Roseta 2-D
Agrupación 2-D de Lentes de Rotman
y circulares
Página 15
Receptores con control analógicoLNA
IFAIFFilter LPF
Array con control en RF
LNA
W1
Mejora la figura de ruido en recepción al unir los amplificadores a las antenas
++ DetFilter
A/DLPFLNA
LNA
W2
WM
LNA IFA
LPFLNA
W1
Permite separar las antenas de los circuitos combinadoresevitando la influencia de la impedancia activa
Saltar a la primera página29
++ Det A/D
Array con control en FILNA
W2
WM
Permite modificar la fase y por tanto la dirección de apuntamiento.Puede modificar la amplitud y por tanto el nivel de lóbulos y diagrama.
Arrays con control digital
A/DA/DDET.
Digital
ILNA IFAIFFilter
A/DLNA IFAIFFilter
LPF
Requiere un RX completo por sensor.
A/DA/DI/Q
Q
Receptor con muestreo en Frecuencia Intermedia
A/D
Receptor con muestreo en Banda Base
Tiene las ventajas del procesado digital: Rapidez de conmutación de haces gran ancho de banda
Saltar a la primera página
30
Tecnología de proceso digital.
Muestreo en FIMuestreo en banda base
I- Introducción y Modelo de Señal
de haces, gran ancho de banda, algoritmos de seguimiento integrados, etcEl margen dinámico está fijado por el conversor A/D.La tecnología no esta del todo madura.
Página 16
Agrupaciones activas en transmisión
Redes de transmisión activas
Permite mayores
IFA
W1
PA
Permite mayores potencias de transmisión con menores pérdidas en las redes.Permite una amplificación distribuida con amplificadores de
++ModD/ALPF
Agrupacióncon control
en FI
PA
PA
W2
WM
Saltar a la primera página
31
pmenor potenciaPermite el control de diagramas a través del control de amplitud y fase.
Módulos T-R.En antenas con transmisión y recepción se debe trabajar con módulos que permitan la transmisión y la recepción en el mismo elemento.La separación entre ambas vías se puede hacer por:
Conmutación en el tiempoFiltrado en frecuencia
W1
W1
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 32
Página 17
BFN DigitalesTiene las ventajas del procesado digital:
A/D
ing
Rapidez de conmutación de haces, gran ancho de banda, algoritmos de seguimiento integrados, etcEl margen dinámico está fij d l
Bea
m fo
rmA/D
A/D
Saltar a la primera páginaAlimentación de arrays 33
fijado por el conversor A/D.La tecnología no esta del todo madura.
Nº de Bits Margen dinámico (dB)10 60.2112 72.2514 84.2916 96.33