PT542595E - Dispositivo de antena microfaixa aperfeicoado, nomeadamente para transmissoes telefonicas por satelite - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO

"DISPOSITIVO DE ANTENA MICROFAIXA APERFEIÇOADO, NOMEADAMENTE PARA TRANSMISSÕES TELEFÓNICAS POR SATÉLITE" O presente invento diz respeito a dispositivos de antenas microfaixas ou “microstrip”.

Relativamente a esta domínio já foram descritas numerosas estruturas de antenas. A estrutura radiante microfaixa mais simples, compreende uma camada dieléctrica que leva de um lado uma lâmina condutora de forma escolhida, e do outro lado um plano condutor que se denomina plano-massa. Para obter uma antena, é necessário definir o processo de alimentação desta estrutura em energia hiper frequência. A ideia de prever um empilhamento de lâminas sobrepostas foi descrita no artigo de LONG & WALTON, “A dual-frequency stacked circular disk antenna”, IEEE Transactions on Antenna and Propagation, Vol. AF 27, N° 2, Março 1979. Desde então outras propostas já foram formuladas.

No que respeita à alimentação de antenas de duas lâminas sobrepostas, é necessário distinguir dois casos muito diferentes do ponto de vista funcional, segundo a alimentação se efectue ao nível da lâmina superior ou da lâmina inferior (a mais próxima do plano-massa).

No caso em que a alimentação é realizada ao nível da lâmina -2- inferior, trata-se a maior parte das vezes de uma ligação à periferia desta lâmina. Além disso, prevê-se sistematicamente uma lâmina superior de dimensão maior do que a da lâmina inferior (ver nomeadamente o artigo de TULINTSEFF, ALI, e KONG, “Input impedance of a prob-fed stacked circular microstrip antenna”, IEEE Transactios on Antennas and Propagation, Vol. 39, N° 3, 1991). O especialista sabe que a realização de antenas de lâminas sobrepostas é particularmente delicada. Já foram feitas tentativas para melhorar as propriedades. Citar-se-á a título de exemplo o artigo de COCK e CHRISTODOULOU, “Design of a two-layer, capacitively coupled, microstrip patch antenna element for broad band applications”, IEEE Symposium on antenna propagation, 1987. Apesar destas tentativas, toma-se extremamente difícil prever por meio de modelização e compreender o comportamento das estruturas microfaixa que possuem duas ou mais lâminas sobrepostas.

Ao requerente colocou-se nomeadamente o problema de realizar uma antena conforme ao varrimento electrónico, destinada ao sistema de comunicação com móveis tais como as aeronaves (sistema denominado SATCOM).

Este sistema está previsto para funcionar com o gmpo de satélites geostacionários gerados pelo organismo INMARSAT. No que concerne pelo menos às aplicações a aeronaves, o serviço de telecomunicações proposto rege-se por uma norma internacional denominada ARINC 741.

Tecnicamente trata-se de pôr em funcionamento uma antena capaz de operar, por um lado em emissão, e por outro lado em recepção, em duas bandas muito próximas, a saber, um pouco mais de 1,5 giga hertz para a recepção, e um pouco mais de 1,6 giga hertz para a emissão.

A função varrimento electrónico é necessária para esta antena devido ao movimento do móvel transportador que aqui se supõe ser uma aeronave. Também é feita a escolha entre uma antena de tecto, ou duas antenas laterais. No caso de duas antenas laterais, a norma ARINC acima referida definiu dois espaços oficiais aceitáveis, para delimitar o volume no qual se deve inscrever a antena prevista. A antena deve também ser conforme, quer dizer, capaz de se adaptar à forma exacta de parede do móvel transportador. Ela deve ainda ser pouco espessa, a fim de minimizar as resistências aerodinâmicas, e bem assim, concebida para respeitar as características requeridas para a estrutura da aeronave.

Durante as investigações que ele realizou, o requerente constatou que era possível conceber uma antena microfaixa indo praticamente ao contrário das soluções admitidas até à data pelos especialistas. O presente invento propõe então um elemento de antena fundamentalmente diferente dos conhecidos até ao presente.

Este elemento de antena compreende uma primeira camada dieléctrica possuindo de um lado um plano-massa, e do outro uma primeira lâmina condutora de forma escolhida, uma segunda camada dieléctrica que se sobrepõe à primeira camada, do lado da primeira lâmina, e suporta do outro lado, em frente da primeira lâmina, uma segunda lâmina condutora de forma escolhida, uma terceira camada dieléctrica sobreposta à segunda, assim como meios de alimentação hiper-frequência de uma das lâminas condutoras. -4-

De acordo com o presente invento, a segunda lâmina é de dimensão inferior à da primeira lâmina, e só a primeira lâmina é ligada fisicamente aos meios de alimentação hiper-frequência, efectuando-se a ligação de alimentação por baixo, em pelo menos um ponto escolhido da primeira lâmina, situado entre o seu centro e a sua periferia.

Com esta estrutura, tomou-se possível construir uma antena operacional, com a reserva de escolher a posição do ponto em questão, em função das dimensões respectivas da primeira e da segunda lâminas, das características dieléctricas das primeira e segunda camadas dieléctricas, assim como as da terceira camada dieléctrica, que possuí de preferência constantes dieléctricas nitidamente superiores às das outras duas.

De acordo com um outro aspecto do presente invento, a primeira lâmina é ligada a uma passagem do plano-massa ligando um circuito de alimentação implantado num substrato dieléctrico de estrutura de tipo tri-placa. Mais particularmente a estrutura tri-placa compreende uma camada-substrato implantada entre o plano-massa já referido e um plano massa base; entre os dois planos-massa estão previstas passagens condutoras definindo uma blindagem periférica da parte alimentação do elemento de antena. De preferência, prevê-se um divisor de Wilkinson próprio para alimentar a lâmina inferior em dois pontos formando com o seu centro um triângulo sensivelmente rectângulo isósceles, enquanto que os sinais respectivos levados a estes dois pontos estão em quadratura. O divisor de Wilkinson é implantado a um nível intermédio da camada substrato, conforme à estrutura tri-placa. Este nível intermédio serve na prática, de nível de distribuição da alimentação entre um condutor central para o conjunto da antena, e os diferentes elementos de antena que as vão constituir, na aplicação como antena-rede. -5-

Num processo vantajoso de realização, as duas lâminas são geralmente de forma circular e são sensivelmente coaxiais, quer dizer que elas estão situadas sobre a mesma perpendicular aos planos das camadas dieléctricas.

Outras características e vantagens do presente invento serão reveladas durante a descrição detalhada em seguida e segundo os desenhos anexos, nos quais: - a figura 1 é um esquema de princípio geral de um elemento de antena em perspectiva explodida; - a figura 2 é uma vista em corte parcial fragmentado de um elemento de antena; - a figura 3 é uma vista parcial detalhada (sobreposta) da ligação da lâmina inferior à sua alimentação por divisor de Wilkinson; - a figura 4 é uma vista inferior dos 24 divisores de Wilkinson, para uma antena de 24 elementos, interligados a uma ligação central; - a figura 5 é uma vista de cima de 24 lâminas inferiores, correspondendo precisamente à figura 4; e - a figura 6 é um diagrama que representa o coeficiente de reflexão da antena em função da frequência. O especialista sabe que a forma é importante nos dispositivos microfaixa. Por outro lado, os desenhos são, no essencial, de tipo rigoroso. Eles poderão então ser incorporados à descrição, não só para a tomar mais compreensiva, mas também para eventualmente contribuir para a definição do -6-

Ç&QV&wyrt·» presente invento.

Nas figuras 1 e 2, a referência PMO designa um plano-massa inferior, que pode ser montado por intermédio de uma cola isolante sobre uma chapa a incorporar à parede da aeronave. Este plano-massa inferior é sobreposto com duas camadas dieléctricas SDB e SDH (respectivamente baixa e alta). A camada SDH é por sua vez sobreposta com um outro plano-massa PM1. O conjunto forma uma estrutura tri-placa, com metalizações apropriadas gravadas entre as camadas SDB e SDH, ou mais exactamente sobre uma dessas camadas.

Fundamentalmente, essas metalizações compreendem uma linha de alimentação L, que em seguida se subdivide à maneira de um divisor de Wilkinson, esquematizado na figura 1, mas com melhor visibilidade nas figuras 3 e 4. Este divisor compreende dois ramos DL1 e DL2 que primeiramente se afastam um do outro, para se juntarem a um nível onde são ligados a uma resistência RLL implantada na espessura da camada SBD, mas sem unir o plano-massa inferior PMO. Em seguida, os dois ramos DL1 e DL2 afastam-se de novo para unirem os pontos de alimentação respectivos ELI e EL2.

Esses pontos ELI e EL2 são ligados por passagens TR1 e TR2 (não ligadas ao plano-massa PM1) a pontos de alimentação FR1 e FR2 previstos sobre a lâmina inferior Pl, ou lâmina piloto, gravada sobre a face superior de uma camada dieléctrica Dl colocada em cima do plano-massa PM1.

Como se pode ver nas figuras 3 e 4, as partes terminais das gravuras DL1 e DL2 são de comprimentos diferentes, de maneira que, electromagneticamente, os sinais disponíveis ao nível dos pontos FR1 e FR2 estão sensivelmente em quadratura um com o outro. Correlativamente, os pontos de alimentação FR1 e FR2 da lâmina Pl estão sensivelmente situados em ângulo

JΙ(ιΛμλ-· -7- recto um em relação ao outro.

Estes dois pontos estão situados às distâncias dl e d2 do centro da lâmina PI que em princípio são iguais. Retomaremos mais à frente a escolha destas distâncias. Mas é possível indicar imediatamente que essas distâncias dl e d2 estão em princípio compreendidas entre 50% e 100% do raio da lâmina PI (referenciada com DP1/2 na figura 3).

Sobre a lâmina PI está prevista uma segunda camada dieléctrica D2, com a mesma constante dieléctrica que a camada Dl, mas de maior espessura, como se pode ver na figura 2. Na parte superior, a camada D2 recebe por meio de gravura uma segunda lâmina condutora P2 (lâmina acoplada), que em princípio é circular e coaxial à lâmina Pl, mas possui um diâmetro inferior ao da lâmina Pl. O elemento de antena completa-se com uma camada dieléctrica suplementar DR, formando cúpula, e possuindo em princípio uma constante dieléctrica nitidamente superior à das camadas Dl e D2.

Nas figuras 2 e 4, vê-se além disso que a linha L continua até uma passagem por um furo metalizado, para uma ligação hiper-frequência geral CCH, do tipo coaxial, situada atrás da chapa metálica subjacente ao plano-massa inferior PMO.

Por outro lado, referindo as figuras 2 e 4, vê-se que esta ligação está munida para cada eco com uma blindagem periférica em forma de ferradura, atravessando o conjunta da camada dieléctrica SDB. Esta blindagem poderá ser definida por uma camada condutora contínua. O requerente constatou que era suficiente prever um certo número ecos atravessantes, rodeando o local da -8- 'aõ& passagem CCH, com um espaçamento entre estes ecos que fica suficientemente menor que o comprimento de onda dos sinais hiper frequência tratados.

Da mesma maneira, os ecos periféricos tais como BP11, BP12 e BP13 definem uma blindagem de alimentação do elemento de antena considerado, em relação aos elementos de antena vizinhos, e em relação ao exterior.

Pelo contrário, notar-se-á que em cima do plano-massa PM1, não está previsto nenhum isolamento do elemento de antena em relação a seus vizinhos. A figura 5 mostra como se podem posicionar 24 elementos de antena de maneira a formar uma antena de varrimento electrónico conforme, satisfazendo as condições do problema posto. Como foi já referido, esses elementos de antena são ligados a uma ligação geral, com 24 pinos (pelos menos). A montante desta ligação está previsto para cada elemento de antena um tratamento de desfasagem recíproca individual, por intermédio de desfasadores DPH, como esquematizado na figura 2.

Os principais parâmetros que intervêm nessa antena são: - a altura e a constante dieléctrica das três camadas DR, D2 e Dl; - os diâmetros das lâminas PI e P2; e - o raio d = dl = d2 dos dois pontos de alimentação da lâmina inferior PI.

Na aplicação particular visada, o problema colocado é o de obter do -9- elemento de antena unitário um comportamento duplo (Figura 6): a) um comportamento bi-frequências comportando uma muito boa adaptação (melhor que -20 decibéis), nas duas frequências F1 e F2. b) um comportamento banda larga, assegurando pelo menos uma adaptação de -10 decibéis entre as frequências F3 e F4 contendo o intervalo de frequência F1 e F2. O requerente observou que, visto que as frequências F1 e F2 não estão muito afastadas uma da outra, e desde que estejam fixados os parâmetros de alturas e constantes dieléctricas das três camadas acima referidas, existe praticamente uma única solução, em termos de raios das duas lâminas e de raio de alimentação da lâmina Pl, que permite satisfazer as condições que acabam de ser referidas.

Qualquer modificação de um dos parâmetros faz com que se tome muito difícil encontrar uma situação capaz de satisfazer as referidas condições.

Embora os fenómenos em causa ainda não estejam completamente compreendidos, parece que no caso geral, tudo se passa como uma só das duas lâminas Pl e P2 ressoasse à frequência de trabalho. Pelo contrário, existe um pequeno domínio, dentro dos parâmetros de definição da antena, para o qual as duas lâminas interactuam, apresentando um comportamento tipicamente bi-frequências como desejado. E é necessário ainda investigar o ponto óptimo deste comportamento bi-frequências, para dar resposta às condições de funcionamento previstas para a antena, tais como as acima referidas.

Em particular, verificou-se que é praticamente muito difícil fazer -10- funcionar o elemento de antena sem lhe juntar uma camada superior de cúpula DR. O requerente pôde assim realizar antenas que respondem aos parâmetros seguintes: - espessura da camada DR: 1,5 a 2,5 mm; -constante dieléctrica relativa da camada DR: de 4 a 5; - espessura da camada D2: aproximadamente 4,8 mm; - espessura da camada Dl: aproximadamente 1,6 mm; - constantes dieléctricas relativas das camadas Dl e D2 assim como SDB e SDH: aproximadamente 2; - diâmetro da lâmina Pl: aproximadamente 70 mm; - diâmetro da lâmina P2: aproximadamente 60 mm; - raio dos pontos de alimentação FR1 e FR2: entre 0,5 e 0,7 vezes o raio da lâmina Pl.

Essas antenas podem satisfazer as condições impostas, para a banda de trabalho SATCOM, a saber: - coeficiente de reflexão melhor que do -20 dB à frequência central de recepção (1,545 GHz); - coeficiente de reflexão melhor do que -20 dB à frequência central de emissão (1,645 GHz); - comportamento passa-banda melhor do que -10 dB entre 1,53 e 1,66 GHz.

Tratar-se-á agora da constituição da rede de elementos de antenas tal como se pode ver nas figuras 4 e 5.

Primeiramente, foi indicado mais acima que cada lâmina é alimentada em dois pontos situados sobre dois raios sensivelmente - 11 - - 11 -

âstô perpendiculares um ao outro.

Pareceu interessante distribuir convenientemente os dois pontos de alimentação, e isto de uma forma diferente para os 24 elementos de antena ilustrados. O requerente constatou que isto permite reduzir a taxa de elipticidade da antena, tendo em conta o facto que esta opera em polarização circular, e com varrimento electrónico. Com efeito, é possível quer distribuir os pontos de alimentação sensivelmente ao azar, quer investigar experimentalmente uma configuração óptima do ponto de vista dessa taxa de elipticidade (por exemplo como na figura 5). A antena rede de varrimento electrónico assim obtida tomou-se capaz de funcionar para ângulos de desalinhamento indo até 60°, com níveis de lóbulos secundários suficientemente baixos, e um ganho de 12 decibéis pelo menos em relação a uma antena isótropa.

Um bom compromisso entre a perda de ganho e o nível dos lóbulos secundários foi obtido aplicando uma lei de iluminação fracamente ponderada em amplitude. Esta pode ser uma lei de Taylor, de tipo circular 20 decibéis, sendo estas indicações compreensivas para o especialista.

Os desfasadores associados a cada um dos elementos de antena podem ser integrados na unidade de orientação do fecho (ou BSU para “Beam Steering Unit’’), alojada no interior do avião.

Utilizam-se com sensível vantagem desfasadores de linhas comutados por díodo PIN, comandados por palavras binárias de 4 bits, o que ocasiona uma resolução de 22,5°. - 12- 0 distribuidor, integrado no bloco desfasador, assegura a ponderação em amplitude segundo a lei acima referida.

Na aplicação particularmente visada, a antena deve funcionar simultaneamente em emissão e em recepção, a frequências relativamente próximas. No que respeita à calibração dos desfasadores de varrimento electrónico, é necessário por em fase ou “fasar” a rede, numa banda de aproximadamente 8%.

Mais do que calcular a lei de fase à frequência a meio da banda, o requerente constatou que era preferível ter em conta a utilização de duas bandas de frequências diferentes, assim como a quantificação e a natureza dos desfasadores (linhas comutadas). Para esse efeito, ele utiliza o processo de calibração descrito seguidamente.

Seja um elemento Ai de uma antena conforme, portanto não plana, de coordenadas (ao centro) Xi, Yi, Zi. Quando se quer desalinhar o fecho principal na direcção U, V à frequência f, é necessário aplicara a este elemento de antena Ai um desfasamento teórico DPi, que é uma função de f, U e V que é do conhecimento do especialista: DPi ( f, U, V )

Na prática, utiliza-se uma tabela de calibração TC (n, F) onde n é um inteiro (ou outra variável discreta), que representa o estado requerido do desfasador, com 0 <= η <= N, enquanto que se limita também a valores discretos da frequência F. Isto escreve-se: DQi (F, n) - 13 -

No exemplo visado, tomam-se 101 pontos de frequência na banda 1,53 - 1,66 GHz; e N = 15, com n definido sobre 4 bits. Este processo só “fasa” a rede correctamente para uma única frequência. Ora, a antena tem um comportamento essencialmente bi-frequência. O requerente estabeleceu então uma “distância” entre a fase teórica e a fase tabulada, para as duas frequências fl e f2, em particular da forma: DDi = | DQi (Fl, n) - DPi (fl, U, V) \ + j DQi (F2, n) - DPi (£2, U, V) J onde | designa o valor absoluto. A calibração consiste então em investigar à priori, para cada direcção visada e cada elemento de antena, o valor de n que minimiza esta função DDi. O comando dos desfasadores é efectuado em consequência. Bem entendido, esta calibração pode ser memorizada. O presente invento não está necessariamente limitado ao processo de realização descrito, nem à aplicação visada. O elemento de antena pode ele próprio servir para outras aplicações, visto que se conserva a nova estrutura. E igualmente de considerar a combinação de um elemento microfaixa e de uma alimentação tri-placa, no mesmo empilhamento dieléctrico. A polarização pode ser diferente da polarização circular do processo de realização descrito.

Uma outra particularidade do presente invento é que ela pode evitar, para as camadas Dl e D2, o recurso a dieléctricos de pequena constante ou - 14- porosos, tal como os constituídos por uma gás.

Lisboa, 14 de Janeiro de 2000

JOÃO PEREIRA DJjV CRUZ ENGENHEIRO Agente Oficial da Propriedade Industrial RUA VICTOR CORDON, 14-·3· 1200 LISBOA

Claims (13)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Dispositivo de antena, que compreende uma primeira camada dieléctrica (Dl) que possui de um lado um plano-massa (PM1), e do outro lado uma primeira lâmina condutora (Pl) de forma escolhida, uma segunda camada dieléctrica (D2) que se sobrepõe à primeira camada do lado da primeira lâmina condutora, e suporta do outro lado, em frente da primeira lâmina, uma segunda lâmina condutora (P2) de forma escolhida, uma terceira camada dieléctrica (DR) que se sobrepõe à segunda, assim como meios de alimentação hiper frequência de uma das lâminas condutoras, caracterizado, em combinação, por a segunda lâmina (P2) ser de dimensão inferior à da primeira lâmina (Pl), e por só a referida primeira lâmina (Pl) ser ligada fisicamente aos referidos meios de alimentação hiper frequência, efectuando-se por baixo a referida alimentação, em pelo menos um ponto escolhido (FR1) da referida primeira lâmina (Pl), situada entre o seu centro e a sua periferia.
2. 2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a primeira lâmina (Pl) ser ligada a uma passagem (TR1) do plano-massa ligando um circuito de alimentação (DL1, DL2) implantado num substrato dieléctrico de estrutura tri-placa (SDH, SDB).
3. 3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por as duas lâminas (Pl, P2) serem geralmente de forma circular.
4. 4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por as duas lâminas (Pl, P2) serem sensivelmente coaxiais.
5. 5. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 2 a 4, -2- caracterizado por os materiais dieléctricos das primeira e segunda camadas (Dl, D2) e do substrato (SDH, SDB) terem uma constante dieléctrica da ordem de 2, e por a relação das espessuras das segunda (D2) e da primeira (Dl) cam;adas serem da ordem de 3.
6. 6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o material dieléctrico da terceira camada (DR) possuir uma constante dieléctrica da ordem de 4.
7. 7. Dispositivo de acordo com as reivindicações 2 a 6, caracterizado por a estrutura tri-placa compreender uma camada-substrato (SDH, SDB) implantada entre o plano-massa (PM1) e um plano inferior (PMD), com passagens condutoras (BP1-BP13) que definem uma blindagem periférica, e um divisor de Wilkinson (DL1, DL2, RLL), implantado a uma nível intermédio da camada-substrato, e próprio para alimentar a lâmina inferior em dois pontos (FR1, FR2) que formam com o seu centro um triângulo sensivelmente rectângulo isósceles.
8. 8. Dispositivo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o material dieléctrico da camada substrato (SDH, SDB) possuir sensivelmente a mesma constante dieléctrica que os das primeira e segunda camadas (Dl, D2).
9. 9. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado por compreender uma rede de primeiras (Pl) e segundas (P2) lâminas respectivamente implantadas sobre as mesmas primeira e segunda camadas dieléctricas.
10. 10. Dispositivo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado -3- por estar associado a desfasadores comandados (DPH) que lhe conferem uma função de varrimento electrónico.
11. 11. Dispositivo de acordo com a reivindicação 10, tomado em combinação com uma das reivindicações 7 e 8, caracterizado por os pares de pontos de alimentação (FR1, FR2) das lâminas inferiores serem distribuídos segundo uma configuração pré-determinada a fim de melhorar a taxa de elipticidade da antena aos grandes desalinhamentos.
12. 12. Dispositivo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por a configuração pré-determinada ser de tipo sensivelmente aleatório ou obtido experimentalmente.
13. 13 Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 10 a 12, caracterizado por os desfasadores (DPH) serem calibrados a partir de uma função de distância entre valores teóricos e valores reais para cada uma das duas frequências centrais da antena. Lisboa, 14 de Janeiro de 2000 JOÃO PEREIRA DA CRUZ ENGENHEIRO Agente Oficial da Propriedade Industrial RUA VICTOR CORDON, 14- 3° 1200 LISBOA