a0809 redes de alimentacion [modo de compatibilidad] · 2008-12-18 · redes de alimentación ......

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]


a0

b0

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.


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


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

⎥⎦⎢⎣


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


Es aislamiento entre líneas de salida es muy bueno.

0223 ZZP

División en potencias iguales

Z=50

Z=50

División en potencias desiguales

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


Es aislamiento entre líneas de salida es muy bueno.

Z=50

Resistencia de carga 50ohm.

Redes paralelo


Planos de masa

Línea triplaca

FoamDipolo Radomo

de fibra de vidrio.

Conector7/60

Redes paralelo


Redes Divisoras de Potencia

PDN de laboratorio Alimentador de la


PDN de laboratorio. Alimentador de la antena DBS del satélite HISPASAT I

Demostrador de vuelo de PDN reconfigurable. Alimentador de la antena ASYRIO

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


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


sobre Guía ondad

d=λg/2

απ

λπ= − + =

2 0g

d

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


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


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 =⇒∝∝

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


∏=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ββ+βββ+β

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

1n n

n

cossenjcosYsenjsenjYcos

DCBA

lll

lll

DCBAZin +

+=

DCBA2

+++=Γ

Impedancia y Ancho de Banda


R.O.E. de un array resonante uniforme BW de un array resonante

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


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


No grating lobes:

0sen11d

θ+<

λ

Estructuras en Guía Radial

y

αi

ρi

φi

xj

φj

ρj

L

2a w


x

ε hL

Estructuras en guía radial


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


•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.


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.


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..


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

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comparadas con las letes.Como ventajas tienen su alto control de alimentación.

Alimentación de arrays 25

Matrices de Blass y de Nolen


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

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


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)


Matriz de Butler 2-Dy Roseta 2-D

Agrupación 2-D de Lentes de Rotman

y circulares

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


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.

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


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


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


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

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