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AGRUPACIONES DE ANTENAS
Arrays. Redes de alimentación en arrays
Manuel Sierra Castañer
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Índice
! Definición de array! Tipos de agrupaciones! 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.
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¿Que es una agrupación de antenas?
• Definición: – Conjunto de antenas– Alimentadas desde un terminal común– Mediante redes lineales
• Se suelen incluir las condiciones:– Todos los elementos son iguales– Todos poseen la misma orientación
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Elementos utilizados para formar agrupaciones
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Tipos de agrupaciones
! Según su geometría! Lineales! Planas! Conformadas
! Cilíndricas! Esféricas
! Según su funcionamiento! Pasivas
! Un solo haz! Multihaz
! Activas! Adaptativas
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Agrupaciones lineales
! Elementos situados a lo largo de una línea recta! Equiespaciados (Variables N, d)! No equiespaciados (Variables: N, xi)
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Ejemplos arrays lineales
Antena GSM de estación base
Tres agrupaciones verticales cubriendo los tres sectores
Antenas dobles para diversidad espacial o de polarización
Trabajan con haces estrechos en vertical (6º) y ligeramente inclinados al suelo
Haces anchos en horizontal (65º)
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Agrupaciones planas
! Elementos situados en los puntos de un plano! Reticulares (elementos en los nudos de una retícula)
! Rectangulares! Triangulares
! Circulares (elementos sobre circunferencias concéntricas)! Aleatorios (elementos en puntos aleatorios del plano)
Agrupación de bocinas cónicas en una retícula plana triangular.
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! Cobra Dane! Una gran antena formada
por 34769 elementos radiantes
! Trabaja en 1200 MHz! Forma parte de los radares
de vigilancia en EEUU
Sistemas RadarEmisión de impulsos y
recepción de ecosAntenas directivas (grandes
en longitudes de onda)Gran capacidad de control
Ejemplos arrays planos
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• Elementos situados en sobre una superficie no plana• Cilíndricos (Elementos sobre un cilindro)• Cónicos (Elementos sobre un cono)• Esféricos (Elementos sobre una esfera o semiesfera)• Superficies varias ( Alas de aviones, vehículos etc.)
Arrays conformados
Agrupación cilíndricade ranuras o bocinas sectoriales
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Agrupación con alimentación pasiva
! Utiliza una red de distribución o alimentación formada por elementos pasivos (divisores, líneas de transmisión, adaptadores etc.)! El diagrama de radiación y polarización es fijo! Funciona como una antena única.! Puede tener varios terminales de entrada en la
red (antena multi-diagrama o multihaz).! Suelen ser recíprocas, trabajando en transmisión
y en recepción.
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Array multihaz para Detección de Angulo de Llegada (DOA)
! Sistema de detección de emisiones radar.
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Grandes agrupaciones
Very Large Array (VLA).
Radiotelescopio situado en Socorro, Nuevo Mexico.Trabaja en las bandas desde 1 a 25GHz
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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.
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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.
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Alimentación paralelo: circuitos divisores
! T simple ! Divisor Wilkinson
! Híbrido Branch-Line ! Híbrido en anillo
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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
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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
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Alimentación paralelo: ejemplos
Arrays de parches conexcitación paralelo: ejemplo de diseño
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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
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Alimentación serie: resonante y onda progresiva
Excitación Resonantede parches
Excitación de OndaProgresiva con parches
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Arrays de Parches Micro-Tira
• Alimentación mediante cavidades traseras
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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 +−=
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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
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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
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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:
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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:
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Alimentación serie: arrays resonantes
R.O.E. de un array resonante uniforme BW de un array resonante
Impedancia y ancho de banda:
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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
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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
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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:
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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
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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
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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
34
- 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
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Arrays multihaz: lentes multihaz
! Lentes de Rotman! Lentes circulares
! R2R! RkR
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Arrays multihaz: redes formadoras de haz
Matriz de Butler 2-Dy Roseta 2-D
Agrupación 2-D de Lentes de
Rotman
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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
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Agrupaciones activas
++
LNA
DetDet
IFA
A/DA/DLPF
Agrupacióncon control en FI
LNA
LNA
W1W1
W2W2
WMWM
! 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.
! Recepción simultánea de varios diagramas
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Agrupaciones activas en transmisión
++ModMod
IFA
D/AD/ALPF
Agrupacióncon control en FI
PA
PA
W1W1
W2W2
WMWM
PA! 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.
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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 adaptativos
! Un procesador digital permite:! Control digital de
diagramas! Diagramas
dependientes de ! frecuencia! tiempo! código
! Diagramas simultáneos variables
A/DA/DLNA IFAIFFilter
A/DA/D
LPF
A/DA/DLNA IFAIFFilter
A/DA/D
LPF
Receptor con muestreo en Banda Base
….
Proc
esad
or d
igita
l de
seña
les
Proc
esad
or d
igita
l de
seña
les
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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
45
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
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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
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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
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Red de alimentación pasiva
! Suponemos una red de alimentación pasiva y recíproca de N+1 terminales caracterizada por la matriz S
[ ]
=
=
Cg
Tg
Sss00
,1,
,11,1
0,
0,1
,01,00,0
............
......
...S
SS
SS
S
SSSS
S
NNN
N
N
N
Sa SrSe Sd
a1
b1 be1Z0
be2Z0
beNZ0
S00 slsg Sc
a0
b0
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Campo radiado teniendo en cuenta acoplos
( ) [ ] iiiSiii rrjkFed φθ φθφθφθφθφθ dˆdˆ),(ˆexp),(),(ˆ, 0 +=="
rrjkaE rad)exp(2 0
00−= ηge
T sCd"
( ) 1aCee SS-ISC −=
Campo radiado
Vector de radiación del elemento
sg= Vector de alimentación teórico
Cesg= Vector de alimentación real
Se Representa elacoplo en radiación
(I-ScSa)-1 Representala impedancia activa
0agee sCb =
50
Campo radiado teniendo en cuenta acoplos
Síntesis del vector de alimentación
Se-1be= Vector de alimentación en adaptación
Dos opcionessencillas
0agee sCb = ( ) e1
eaCg bSSS-Is −=
Alimentación deseada
Red adaptada. Sc=0
Antena adaptada. SaSe-1be=0
Sc depende de sg
51
Red de alimentación adaptada
! Si Sc=0 la impedancia no afecta al diagrama!!! Sólo afecta al las pérdidas por desadaptación! REDES ADAPTADAS A LA SALIDA.! a=sga0
0
00,00
0000
0
aaSbó
aSb
g
Tg
g
Tg
sabs
bss
a
=
+=
=
Se diseña sg para que los coeficientes de alimentación sean be=Sesg ⇒ sg=Se
-1be
Sa SrSe Sd
a1
b1 be1Z0
be2Z0
beNZ0
S00 slsg Sc
a0
b0
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