ES2335691T3 - Antena estructural de banda ancha que funciona en la gama de hf, particularmente para instalaciones navales. - Google Patents
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Abstract
Sistema de antena para funcionar en la gama de frecuencias de HF, particularmente para comunicaciones navales, que comprende una configuración radiante lineal (14) adaptada para ser asociada operativamente con un conductor de tierra (GND) y una estructura naval preexistente (F) que tenga una extensión predominantemente vertical y sea eléctricamente conductora, caracterizado porque dicha configuración radiante lineal (14) incluye: - una pluralidad de elementos alámbricos radiantes con una extensión predominantemente vertical, que forman una primera rama conductora (H), adaptada para quedar operativamente acoplada a un circuito (12) de alimentación de señales de radiofrecuencia; y - una pluralidad de elementos alámbricos radiantes con una extensión predominantemente horizontal, que forman al menos una rama conductora transversal (W), para conectar la rama conductora (H), adaptada para quedar acoplada a un circuito (12) de alimentación, con dicha estructura naval (F), estando dispuestos dichos elementos radiantes de tal manera que forman al menos una trayectoria cerrada entre el circuito (12) de alimentación y el conductor de tierra (GND) a través de dicha estructura naval (F), y - una pluralidad de dispositivos eléctricos de impedancia (Z1 - Z4) interpuestos a lo largo de las ramas conductoras (H, W) y adaptados para crear selectivamente, de acuerdo con la frecuencia de funcionamiento, una pluralidad de trayectorias de corriente diferentes a lo largo de dichas ramas conductoras (H, W) correspondientes a una pluralidad de configuraciones eléctricas y/o geométricas de la configuración radiante antes mencionada.
Description
Antena estructural de banda ancha que funciona
en la gama de HF, particularmente para instalaciones navales.
La presente invención está relacionada con una
antena estructural y, en particular, con una antena estructural de
banda ancha para funcionar en la gama de frecuencias de HF.
Más específicamente, la invención está
relacionada con un sistema de antena del tipo al que se hace
referencia en el preámbulo de la reivindicación 1.
En sistemas de comunicaciones por radio para
instalaciones navales, en la gama de frecuencias de HF (2 MHz - 30
MHz), utilizada convencionalmente para las comunicaciones navales,
las antenas utilizadas hoy día deben cumplir, no solamente el
requisito de funcionar en una pluralidad de canales de transmisión a
través de la gama de frecuencias de la banda y permitir enlaces en
las proximidades del horizonte (onda superficial u onda marina,
para distancias de hasta aproximadamente 100 km), más allá del
horizonte (BLOS, del inglés "Beyond Line of Sight" - más allá
de la línea de visión), para distancias de más de aproximadamente
100 km) y con ángulos de elevación altos (NVIS, del inglés "Near
Vertical Incidence Skywave" - onda ionosférica de incidencia
casi vertical), sino que también deben ser tan compactas como sea
posible con el fin de ser compatibles con el espacio disponible a
bordo de las unidades
navales.
navales.
Se han propuesto por tanto sistemas de
transmisión conocidos como sistemas "multicanal", para combinar
una pluralidad de canales de transmisión utilizando una sola antena
de banda ancha, en cuya entrada se suma una multiplicidad de
canales de transmisión por medios de circuitos combinadores. Estos
sistemas multicanal se construyen con ayuda de amplificadores de
potencia (generalmente del orden de 1 kW) que pueden ser asignados
independientemente a servicios diferentes o a un solo canal.
Con esta solución, el control de potencia es
crítico y hay específicamente una pérdida de potencia debido a la
presencia de los circuitos combinadores.
A modo de ejemplo, se puede indicar que la
combinación de ocho canales con transformadores híbridos en una
sola antena da como resultado una potencia efectiva de
aproximadamente 125 W suministrada a cada canal, con una potencia
de pico de 8 kW. Consecuentemente, un sistema multicanal requiere
amplificadores que proporcionen una potencia aumentada en un orden
de magnitud sobre la potencia realmente radiada, y está sujeto a una
pérdida considerable de la eficiencia.
Este problema se resuelve convencionalmente
instalando en la nave múltiples antenas, que tienen configuraciones
diferentes y que funcionan en sub-bandas de
frecuencia independientes, estando asignada cada una de ellas a un
canal específico.
Por ejemplo, se utilizan antenas "en
abanico" para enlaces con altos ángulos de elevación a
frecuencias en la gama desde 2 MHz a 8 MHz, y se utilizan antenas
con geometría "látigo", con carga si es necesario, para las
comunicaciones por onda marina y comunicaciones más allá del
horizonte, a frecuencias en la gama de 10 MHz a 30 MHz.
La coexistencia de una pluralidad de antenas
para distintos servicios y modos de comunicaciones, no solamente
requiere una gran cantidad de espacio, complicadas redes de
alimentación y elaborados sistemas de control en una nave, sino que
también tiene el inconveniente de generar interferencias (con las
estructuras navales preexistentes, por ejemplo) que pueden degradar
el rendimiento esperado de las antenas individuales.
El problema del uso eficiente del espacio
disponible ha sido acometido durante algún tiempo en los entornos
aeronáuticos en los que son usuales las soluciones estructurales, en
las cuales toda la aeronave o parte de ella (tal como el fuselaje)
se utiliza como elemento radiante por medio de procedimientos de
alimentación adecuados (antenas de "ranura" o de
"servilletero"). Sin embargo, tales soluciones no se encuentran
en el contexto naval, donde la dificultad asociada con la solución
de problemas electromagnéticos para la transmisión en la banda de
HF ha originado que las comunicaciones en esta banda sean
abandonadas progresivamente en favor de las comunicaciones más
eficientes por satélite.
El documento US 5014068 divulga una antena de
comunicaciones de banda ancha de HF para buques de superficie en
los que una tira conductora larga y plana está acoplada
capacitivamente a superestructuras existentes del buque, tales como
un mástil y tubo vertical, para ayudar a conseguir el funcionamiento
en banda ancha.
Más aún, también se conoce en la técnica una
configuración radiante cargada con dispositivos eléctricos de
impedancia para conseguir un funcionamiento en banda ancha, por
ejemplo por el documento US 2003/103011 y US 5600335.
El documento US 2003/103011 describe una antena
lineal de banda ancha cargada con circuitos situados a lo largo de
la estructura de la antena y comprende configuraciones de
inductancia-resistencia en paralelo u otras
combinaciones o elementos de circuito pasivos.
El documento US 5600335 divulga una antena
lineal de banda ancha y alta potencia, en la que cada sección de
antena comprende una pluralidad de elementos radiantes
eléctricamente conductores que son sustancialmente
co-lineales, fijados sobre un aislante eléctrico
montado sobre un plano de tierra horizontal. Cada elemento radiante
tiene una longitud apropiada para conseguir una eficiencia global
óptima de la antena de potencia de banda ancha sobre la anchura de
banda de frecuencias de una señal de entrada. Hay al menos dos
elementos de carga que están acoplados eléctricamente cada uno de
ellos entre los elementos radiantes en cada sección de antena. Cada
elemento de carga comprende una combinación en paralelo de una
resistencia, una inductancia y un condensador para conseguir una
eficiencia global óptima de la antena de banda ancha de alta
potencia, sobre la anchura de banda de frecuencias de la señal de
entrada.
El objeto de la presente invención es
proporcionar un sistema multifuncional de antena de banda ancha para
el funcionamiento en la gama de frecuencias de HF, que está
diseñado particularmente para instalaciones fijas a bordo de
unidades navales, y que hace posible construir un sistema
multifuncional de comunicaciones multicanal por radio eficiente,
flexible y de múltiples propósitos, en un espacio de instalación
limitado.
Un objeto adicional de la invención es
proporcionar un sistema de antena que pueda formar la base de un
sistema de antenas más complejo, posiblemente uno que permita
también el control del diagrama de radiación en términos de
direccionalidad y capacidad de exploración.
Con este objetivo, la invención propone un
sistema de antena estructural que tiene las características
reivindicadas en la reivindicación 1.
En las reivindicaciones dependientes se definen
modos de realización específicos.
El sistema de antena propuesto por la presente
invención garantiza que supera los límites de las antenas de la
técnica anterior, como resultado de la configuración especial de los
elementos radiantes de la antena y la inclusión entre estos de una
estructura naval preexistente que tiene una extensión
predominantemente vertical, proporcionando soporte para la
configuración de radiación lineal junto con la compensación
intrínseca de los efectos de la distorsión de las características
de radiación de esta configuración, debidos a la presencia de dicha
estructura
naval.
naval.
La consecución de un modo de comunicaciones
multicanal depende de la provisión de dispositivos eléctricos de
impedancia que crean una antena multifuncional, en otras palabras,
una que pueda ser configurada de acuerdo con la frecuencia de
funcionamiento.
La provisión de dispositivos eléctricos de
impedancia hace posible también ventajosamente compensar los efectos
de la distorsión debidos al acoplamiento con otras estructuras
navales presentes en todos los casos, permitiendo así modificar la
condición de carga de la antena en la fase de diseño o bien durante
la instalación.
De acuerdo con el teorema de reciprocidad, el
comportamiento y características de una antena permanecen
inalterados, independientemente de que se use como antena receptora
o transmisora, y por tanto en la presente descripción se considera
el funcionamiento de una antena transmisora y la definición de
algunas características hace referencia a ésta por razones de
claridad, sin excluir el uso del dispositivo en la recepción.
En pocas palabras, el sistema de antena
estructural propuesto por la invención, en su configuración más
sencilla, está caracterizado por el acoplamiento de una
configuración radiante lineal (producida por la combinación de
elementos alámbricos diversamente orientados), a una estructura
naval conductora eléctricamente previamente existente que tiene una
extensión predominantemente vertical, tal como una chimenea o
torreta, cuya altura es típicamente comparable con la de una antena
naval de "látigo" convencional. Tal estructura no solamente
tiene la funcionalidad intrínseca para la cual está presente en un
ambiente naval, sino que también actúa como soporte para la
configuración radiante lineal y como parte del propio sistema de
antena.
Ventajosamente, el sistema de antena estructural
resultante es bastante compacto y no aumenta significativamente las
dimensiones globales de la estructura preexistente que forma parte
del entorno naval.
La configuración radiante lineal tiene una
dimensión global predominantemente vertical y comprende una rama
conductora alimentada, que tiene una extensión predominantemente
vertical, conectada por medio de al menos una rama conductora con
una extensión predominantemente horizontal con la estructura naval,
que actúa como un elemento conductor de retorno a tierra, de tal
manera que forma al menos una trayectoria cerrada.
Un tipo de estructura que incluye al menos una
rama conductora angulada adicional, que conecta la rama alimentada
de extensión vertical con la rama de conexión con extensión
horizontal, hace posible formar una pluralidad de trayectorias de
corriente mediante una selección conveniente de una configuración de
los elementos radiantes de la antena.
La selección de una de las configuraciones antes
mencionadas es automática y dependiente de las diferentes
sub-bandas de frecuencia de la gama de HF, y se
lleva a cabo como resultado del comportamiento de los dispositivos
eléctricos de impedancia, hechos al menos parcialmente en forma de
circuitos de dos terminales de constante acumulada, preferiblemente
circuitos LC de dos terminales con configuraciones resonantes en
serie o paralelo, que actúan como filtros de paso de banda o de
banda eliminada para la corriente que fluye en los elementos
radiantes de la antena.
Los dispositivos eléctricos de impedancia hacen
posible modificar selectivamente el flujo de corriente en las ramas
conductoras a frecuencias diferentes (y por tanto de acuerdo con el
tipo de servicio), de tal manera que forman diagramas de radiación
con ángulos de elevación bajos, medios y altos, al tiempo que actúan
simultáneamente como un circuito de adaptación distribuido a lo
largo de la antena.
Un sistema estructural de antena basado en la
configuración radiante propuesto por la invención, puede ser
configurado con uno o más puntos de alimentación, y puede funcionar
en modo de un solo canal o en multicanal.
Un sistema de antena que comprende una sola
configuración radiante lineal, y por tanto un solo punto de
alimentación, puede ser utilizado como un elemento radiante
multifuncional de banda ancha (en el sentido definido anteriormente)
con una relación de onda estacionaria de menos de 3:1 en toda la
banda de HF y con una eficiencia de radiación de aproximadamente
0,5% - 30%, entre 2 MHz y 10 MHz, aproximadamente 30% - 50% entre 10
MHz y 15 MHz, y aproximadamente 50% - 80% entre 15 MHz y 30
MHz.
Al conectar una multiplicidad de configuraciones
radiantes lineales similares a la estructura naval conductora
preexistente, se produce un sistema de antena estructural de
alimentación múltiple, que está adaptado para funcionar en modo
multicanal o bien de un solo canal, con la posibilidad de conformar
y dirigir el diagrama de radiación de acuerdo con el tipo
específico de servicio.
En el primer caso (comunicaciones de
radiodifusión), la configuración con múltiples puntos de
alimentación (puertos) hace posible asignar un canal diferente
(señal) a cada puerto, evitando así el uso de circuitos
combinadores, y proporcionando las ventajas evidentes de mayor
eficiencia del sistema de antena y un menor coste de los sistemas
de transmisión, al tiempo que limita las dimensiones globales de las
configuraciones radiantes.
En el segundo caso, en el modo multicanal, en
otras palabras, cuando se utiliza una pluralidad de puertos de
alimentación para un solo canal (señal), se hace posible dar forma
(particularmente estrechar) y orientar el lóbulo de radiación para
conseguir una ganancia en términos de rendimiento.
En particular, se hace posible optimizar la
potencia transmitida en comunicaciones de
no-radiodifusión para las cuales la radiación puede
estar contenida en un sector angular limitado. Ventajosamente, esto
permite utilizar el mismo sistema de antena para la onda marina, la
reflexión ionosférica y las comunicaciones NVIS.
También es posible reducir la potencia
entregada, y por tanto limitar la interacción con las demás
estructuras de la nave.
Hay otra función relacionada con la posibilidad
de hacer funcionar el sistema de antena de un solo canal como una
agrupación de antenas con capacidades de apuntamiento y exploración,
controlando las amplitudes y las fases de la señal de alimentación
para cada configuración radiante.
Ventajosamente, la configuración propuesta está
adaptada para producir una radiación suficientemente uniforme en
todas las direcciones a frecuencias bajas (2 MHz - 10 MHz) y
radiación omnidireccional en los planos horizontales a frecuencias
medias y altas (10 MHz - 30 MHz), permitiendo así una provisión
simultánea de todos los servicios requeridos en la banda de HF, es
decir, la onda marina, la onda ionosférica y la comunicación más
allá del horizonte con distintos ángulos de elevación, sin
necesidad de ninguna modificación mecánica o reconfiguración del
sistema de antena o de su circuito de alimentación.
Se revelarán otras características y ventajas de
la invención de manera más completa en la siguiente descripción
detallada, proporcionada a modo de ejemplo y sin intención
restrictiva, con referencia a los dibujos anexos, en los
cuales:
la figura 1 es una representación esquemática,
en una vista lateral y desde arriba, de un sistema estructural de
antena propuesto por la invención;
la figura 2 es una representación esquemática de
la distribución de dispositivos eléctricos de impedancia a lo largo
de la configuración radiante lineal del sistema de antenas de la
figura 1;
la figura 3 es una representación esquemática de
un circuito de alimentación para el sistema de antena de la figura
1;
las figuras 4a-4f son
representaciones de los diagramas de radiación del sistema de antena
estructural de la figura 1, a distintas frecuencias de la banda de
HF;
la figura 5 es una representación esquemática,
en una vista en perspectiva, de un sistema de antena estructural
con múltiples alimentadores propuesto por la invención; y
la figura 6 muestra un sistema de control para
el sistema de antena estructural con alimentación múltiple de la
figura 4.
Un sistema de antena estructural multifuncional
de banda ancha, propuesto por la invención, adaptado para funcionar
en la gama de frecuencias de HF (2 MHz - 30 MHz) está indicado en
general con el número 10. En la figura 1, se muestra en una
configuración de instalación para uso como antena transmisora,
conectada a una unidad 12 de alimentación y a un plano de tierra
GND.
Como se ha mencionado en la parte introductoria
de esta descripción, de acuerdo con el teorema de reciprocidad, el
comportamiento y características de antena permanecen inalterados,
independientemente de que sea utilizado como antena receptora o
transmisora. Meramente a modo de ilustración, y sin intención
restrictiva, la siguiente parte de la descripción estará
relacionada con el funcionamiento de un sistema de antena de
transmisión, con el único fin de definir en la manera más clara y
apropiada las características del circuito de alimentación de la
señal de radiofrecuencia.
El sistema de antena de la figura 1 representa
una antena estructural que comprende una sola configuración
radiante lineal 14 (y por tanto con un solo punto de alimentación),
acoplada a una estructura naval preexistente, eléctricamente
conductora, que tiene una extensión predominantemente vertical, tal
como una chimenea F, situada en un plano meridiano.
La configuración global del sistema de antena es
predominantemente vertical, y la configuración radiante lineal está
montada preferiblemente sobre un plano de tierra horizontal, por
ejemplo una superficie de la estructura naval.
La configuración radiante lineal de la antena
comprende elementos radiantes de alambre con una extensión
predominantemente vertical, y elementos radiantes de alambre con
una extensión predominantemente transversal, siendo coplanarios
todos esos elementos.
Los elementos radiantes con una extensión
predominantemente vertical forman una primera rama conductora
vertical H conectada a un terminal de la unidad 12 de
alimentación.
La estructura naval consistente en una chimenea
F, que tiene un cuerpo cilíndrico o de cono truncado erigido sobre
una superficie de la estructura naval, está hecha a partir de
material conductor o bien se hace conductora mediante la aplicación
de un recubrimiento metálico. Forma el conductor de retorno, que
está conectado eléctricamente al plano de tierra GND.
La rama conductora alimentada H está conectada a
la estructura F de chimenea por medio de una rama conductora
transversal W consistente en al menos un elemento radiante que tiene
una extensión predominantemente horizontal, y forma con éstos
últimos una trayectoria rectangular cerrada entre la unidad de
alimentación y el plano de tierra. La rama transversal conductora W
está conectada a la rama alimentada H en un punto intermedio de la
rama, a una distancia predeterminada desde el extremo superior libre
de la última.
Hay conectada una rama conductora angulada A en
su extremo superior, con la rama transversal conductora W, y en su
extremo inferior con la rama conductora vertical H, en los
correspondientes puntos intermedios de las ramas antes mencionadas,
y forma una segunda trayectoria poligonal cerrada entre la unidad de
alimentación y el plano de tierra, dentro del trayectoria
rectangular definida por las ramas H y W.
En el modo de realización actualmente preferido,
la dimensión vertical global de la configuración radiante lineal
(en otras palabras, la altura de la rama conductora H) está entre
aproximadamente el 8% y el 10% de la longitud de onda máxima en la
banda de HF (150 metros a la frecuencia de 2 MHz), y es
preferiblemente 12 metros. La altura del cuerpo de la chimenea está
generalmente entre aproximadamente el 6% y el 10% de la máxima
longitud de onda de la banda de HF.
La dimensión horizontal global de la
configuración radiante lineal está entre aproximadamente el 1% y el
2% de la máxima longitud de onda de la banda de HF (150 metros a la
frecuencia de 2 MHz), y es preferiblemente 2 metros. El diámetro
del cuerpo (que es cilíndrico en el modo de realización ilustrado)
de la estructura de chimenea está generalmente entre el 2% y el 5%
de la máxima longitud de onda en la banda de HF.
La altura de la rama conductora angulada A es
igual aproximadamente al 2% de la máxima longitud de onda de la
banda de HF y es preferiblemente igual a 3 metros, mientras que su
extensión transversal es igual aproximadamente al 0,7% de la
longitud de onda antes mencionada, y es preferiblemente igual a 1
metro.
El diámetro de los elementos radiantes que
forman las ramas conductoras es aproximadamente el 0,1% de la
longitud de onda máxima en la banda de HF, y es preferiblemente
igual a 0,15 metros.
La estructura naval tal como el cuerpo F de la
chimenea es una estructura hueca cuya pared lateral tiene
generalmente un espesor de 0,25 metros.
Convenientemente, la rama transversal conductora
W está conectada a la rama vertical H en un punto intermedio de
ésta última, a una distancia de 2 metros desde su extremo libre
superior. La rama conductora angulada A está conectada a la rama
transversal conductora W en su punto medio, y a la rama vertical
conductora H a una altura por encima de su punto medio, y
preferiblemente a 7 metros desde el plano de tierra, correspondiente
aproximadamente al 60% de la altura total de la rama.
Con referencia a la figura 2, los dispositivos
eléctricos z1 y z2 de impedancia están interpuestos a lo largo de
la rama conductora H, un dispositivo z3 de impedancia está
interpuesto a lo largo de la rama transversal conductora W, y un
dispositivo adicional z4 de impedancia está interpuesto a lo largo
de la rama conductora angulada A, preferiblemente a lo largo de la
rama vertical.
Preferiblemente, cada uno de los dispositivos z1
y z2 comprende un circuito reactivo de dos terminales, tal como un
circuito LC resonante en serie, mientras que cada uno de los
dispositivos z3 y z4 de impedancia comprende un circuito resistivo
de dos terminales, tal como una simple resistencia.
Los parámetros eléctricos de los dispositivos z1
y z2 de impedancia son tales que forman circuitos acumulados de
filtros, adaptados para impedir selectivamente la propagación de la
corriente eléctrica a lo largo de la rama conductora, en la cual
están conectados, en las correspondientes sub-bandas
de la gama de frecuencias de HF.
Los parámetros eléctricos de los dispositivos z1
- z4 de impedancia tomados conjuntamente, son tales que forman un
circuito distribuido de adaptación a lo largo de la configuración
lineal radiante de la antena.
En el modo de realización preferido, los
dispositivos z1, z2 y z4 están situados, respectivamente, a alturas
de 3,25 metros, 8, 25 metros y 7,75 metros por encima del plano de
tierra GND, mientras que el dispositivo z3 de impedancia está
situado a 1,25 metros desde la pared lateral de la estructura naval
F de chimenea.
En el ejemplo de modo de realización descrito en
esta memoria, los parámetros eléctricos de inductancia y
capacitancia de los circuitos LC en serie de dos terminales, que
forman los dispositivos z1 y z2 de impedancia, tienen los valores
siguientes:
- el circuito z1 de dos terminales tiene un
componente inductivo de 1,12 \muH y un componente capacitivo de
569,1 pF; y
- el circuito z2 de dos terminales tiene un
componente inductivo de 0,073 \muH y un componente capacitivo de
59,8 pF.
\vskip1.000000\baselineskip
El parámetro de resistencia eléctrica del
circuito de dos terminales que forma los dispositivos z3 y z4 de
impedancia tiene los valores siguientes:
- el dipolo z3 tiene un componente resistivo de
48,6 \Omega y;
- el dipolo z4 tiene un componente resistivo de
61 \Omega.
Claramente, una persona experta en la técnica
será capaz de desviarse de los datos de diseño citados anteriormente
que están relacionados con el modo de realización actualmente
preferido, proporcionando un número mayor o menor de dispositivos
de impedancia que los especificados, siempre que los dispositivos
estén situados a lo largo de las ramas conductoras de tal manera
que controlen selectivamente el acoplamiento de las ramas H, W y A
con la estructura F de la chimenea y con el conductor (plano) de
tierra GND, por su acción de filtrado, y más específicamente de tal
manera que desconecten alternativamente una o más de las ramas de la
trayectoria de la corriente.
La unidad 12 de alimentación incluye un circuito
de adaptación y distribución de señales, tal como se ilustra en la
figura 3.
La unidad 12 está configurada operativamente en
la base de la configuración lineal radiante de la antena y
conectada eléctricamente entre la rama conductora H y una línea de
transmisión para transportar la señal de radiofrecuencia.
Con referencia a una configuración de
transmisión, la unidad 12 de alimentación tiene una entrada IN
acoplada a un fuente 20 de señales de radiofrecuencia a través de
una línea L de transmisión, tal como un cable coaxial, y un puerto
de salida OUT, en el cual se ajusta la rama conductora vertical H de
la antena, con el uso de un aislante IS.
La unidad de alimentación incluye un
transformador T por pasos de impedancia, que tiene una relación n de
transformación de impedancia predeterminada, preferiblemente igual
a 3,7, referida a tierra, que tiene un terminal conectado a la
entrada IN para recibir la señal de radiofrecuencia, y el otro
terminal conectado al puerto de salida OUT.
La unidad de alimentación que se ha descrito
puede ser encerrada en un contenedor metálico 30 en forma de caja,
que forma una pantalla eléctrica y que está conectada al plano de
tierra GND. Esto forma una unidad de adaptación de 50 ohmios para
la línea de transmisión entrante.
En términos de funcionamiento, el sistema de
antena propuesto por la invención actúa como se describe a
continuación.
Para una mejor comprensión, las figuras 4a - 4f
muestran los diagramas de radiación a distintas frecuencias, en los
planos vertical (diagrama de la izquierda) y horizontal (diagrama de
la derecha).
Se aplica una señal de radiofrecuencia,
entregada por la fuente externa 20 y transportada a lo largo de la
línea L de transmisión, al transformador T de impedancia y se
transfiere a la salida OUT de la unidad 12 de alimentación,
conectada a la rama conductora H de la antena. Desde este punto, se
distribuye a lo largo de la configuración radiante lineal y a la
estructura de chimenea de una manera selectiva, de acuerdo con la
frecuencia y por tanto del tipo de función requerida de la antena,
dependiendo de la configuración lineal determinada por el
comportamiento de los dispositivos de impedancia.
A bajas frecuencias, entre 2 MHz y 10 MHz, el
dispositivo Z2 de impedancia se pone en acción para impedir el
flujo de corriente en la parte superior de la rama alimentada H, de
manera que la corriente en la configuración lineal fluye a través
de la parte inferior de la rama conductora H, de la trayectoria
interna a lo largo de la rama conductora angulada A y de la parte
de la rama conductora W contigua a la estructura de chimenea. El
sistema de antena tiene por tanto un modo de radiación similar al
que sería proporcionado por una combinación de la radiación de una
configuración de "semi-bucle" y la radiación de
una configuración en "látigo". El diagrama de radiación
resultante (los diagramas de radiación de las figuras
4a-4c) es sustancialmente uniforme en todas las
direcciones, permitiendo así las comunicaciones por onda marina y
por onda ionosférica a distintos ángulos de elevación.
A frecuencias medias y altas, entre 10 MHz y 30
MHz, ningún dispositivo de impedancia impide el flujo de corriente,
y la corriente tiende a fluir a través de todos los elementos
alámbricos radiantes, incluyendo en particular la parte superior de
la rama conductora vertical alimentada H, hasta el extremo libre. La
configuración de la disposición lineal y el modo de radiación del
correspondiente sistema de antena (diagramas de radiación de las
figuras 4d-4f) son por tanto similares a los de la
antena de látigo, que tiene un diagrama de radiación
omnidireccional en el plano horizontal, con ángulos de elevación
bajos y medios, y es adecuado para las comunicaciones por onda
marina y BLOS.
Con referencia al sistema de antena ilustrado en
las figuras 5 y 6, lo que se describe es un sistema de antena
estructural con alimentación múltiple, que comprende una pluralidad
de configuraciones lineales radiantes 114 que tienen geometrías y
características similares a las de la configuración 14 descrita con
respecto al modo de realización ilustrado en la figura 1, que está
relacionado con un sistema de antena estructural de una sola
alimentación.
Cada configuración lineal radiante 114 está
conectada a una correspondiente unidad 112 de alimentación, similar
a la unidad 12 descrita, y está acoplada a una estructura naval
preexistente, eléctricamente conductora, que tiene una extensión
predominantemente vertical, tal como una chimenea F que forma un
conductor de retorno conectado eléctricamente a un plano horizontal
de tierra GND, por ejemplo una superficie de la estructura
naval.
En el modo de realización actualmente preferido,
se disponen seis configuraciones radiantes idénticas 114, situadas
en planos meridianos de dicha estructura naval y separadas a
intervalos angulares iguales de 60 grados.
Hay conectada una unidad 200 de control y de
procesamiento de señales a las unidades 112 de alimentación, y está
configurada para controlar la amplitud y la fase de las corrientes
de radiofrecuencia inyectadas en las configuraciones radiantes
lineales 114 desde la fuente de señales, a través de las
correspondientes unidades 112 de alimentación.
Las corrientes se distribuyen a lo largo de las
ramas conductoras y del cuerpo conductor cilíndrico de la
estructura de chimenea, de acuerdo con la frecuencia y las
amplitudes y fases de las señales de radiofrecuencia. Dependiendo
de la función requerida de la antena, los seis puntos de
alimentación pueden ser alimentados simultáneamente o con una
diferencia de fase predeterminada, y parcialmente si fuera
necesario, proporcionando así configuraciones multicanal de
radiación omnidireccional o configuraciones directivas con capacidad
de exploración, mediante la adición de campos radiados en el
aire.
Debe observarse que el modo de realización de la
presente invención, propuesto en la descripción precedente, es
meramente un ejemplo y no restrictivo. Una persona experta en la
técnica podría aplicar fácilmente la presente invención en
diferentes modos de realización basados en el principio de la
invención. Esto es particularmente cierto con respecto a la
posibilidad de situar la rama conductora alimentada y/o la rama
conductora transversal para la conexión a la estructura naval en
una dirección inclinada, o haciendo la rama de conexión transversal
y la rama angulada a partir de elementos de alambre no rectilíneos,
por ejemplo elementos curvados, para obtener un aumento de la
estabilidad mecánica de la estructura de la antena, o para obtener
nuevamente la posibilidad de acoplar la configuración radiante
lineal a una estructura naval distinta a una chimenea, por ejemplo a
una torreta equipada para la instalación de antenas que funcionen a
frecuencias más altas.
Claramente, siempre que se retenga el principio
de la invención, las formas de aplicación y los detalles de
construcción pueden ser por tanto variados ampliamente a partir de
lo que se ha descrito e ilustrado meramente a modo de ejemplo y sin
intención restrictiva, sin apartarse del alcance de protección de la
presente invención, como se define por las reivindicaciones
anexas.
Claims (17)
1. Sistema de antena para funcionar en la gama
de frecuencias de HF, particularmente para comunicaciones navales,
que comprende una configuración radiante lineal (14) adaptada para
ser asociada operativamente con un conductor de tierra (GND) y una
estructura naval preexistente (F) que tenga una extensión
predominantemente vertical y sea eléctricamente conductora,
caracterizado porque dicha configuración radiante lineal (14)
incluye:
- una pluralidad de elementos alámbricos
radiantes con una extensión predominantemente vertical, que forman
una primera rama conductora (H), adaptada para quedar operativamente
acoplada a un circuito (12) de alimentación de señales de
radiofrecuencia; y
- una pluralidad de elementos alámbricos
radiantes con una extensión predominantemente horizontal, que forman
al menos una rama conductora transversal (W), para conectar la rama
conductora (H), adaptada para quedar acoplada a un circuito (12) de
alimentación, con dicha estructura naval (F),
estando dispuestos dichos elementos radiantes de
tal manera que forman al menos una trayectoria cerrada entre el
circuito (12) de alimentación y el conductor de tierra (GND) a
través de dicha estructura naval (F), y
- una pluralidad de dispositivos eléctricos de
impedancia (Z1 - Z4) interpuestos a lo largo de las ramas
conductoras (H, W) y adaptados para crear selectivamente, de
acuerdo con la frecuencia de funcionamiento, una pluralidad de
trayectorias de corriente diferentes a lo largo de dichas ramas
conductoras (H, W) correspondientes a una pluralidad de
configuraciones eléctricas y/o geométricas de la configuración
radiante antes mencionada.
2. Sistema de antena de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que dicha estructura naval (F) preexistente
es una estructura sustancialmente cilíndrica o en forma de cono
truncado.
3. Sistema de antena de acuerdo con la
reivindicación 2, en el que dicha estructura es una chimenea (F) de
la nave.
4. Sistema de antena de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha rama
conductora transversal (W) está conectada a la rama conductora
alimentada (H) en un punto intermedio de dicha rama alimentada (H),
a una distancia predeterminada desde su extremo libre superior.
5. Sistema de antena de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha rama
conductora transversal (W) y dicha rama conductora alimentada (H)
están conectadas adicionalmente entre sí a través de una rama
conductora angulada (A).
6. Antena de acuerdo con la reivindicación 5, en
la que dicha rama conductora angulada (A) comprende una primera
porción que se extiende en dirección horizontal y una segunda
porción que se extiende en dirección vertical.
7. Sistema de antena de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dichas
ramas conductoras (H, W, A) forman, en una configuración operativa
de la antena, un plano vertical en el cual descansa la antena,
coincidiendo con un plano meridiano de dicha estructura naval
(F).
8. Sistema de antena de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la
extensión vertical de la configuración radiante lineal (14) está
entre el 8% y el 10% de la longitud de onda máxima en la banda de
HF.
9. Sistema de antena de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la
extensión transversal de la configuración radiante lineal (14) está
entre el 1% y el 2% de la longitud de onda máxima en la banda de
HF.
10. Sistema de antena de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dichos
dispositivos eléctricos de impedancia (Z1 - Z4) comprenden circuitos
reactivos de dos terminales con parámetros agregados (Z1, Z2) y
circuitos resistivos (Z3, Z4) de dos terminales.
11. Sistema de antena de acuerdo con la
reivindicación 10, en el que dichos circuitos reactivos (Z1, Z2) de
dos terminales comprenden circuitos LC resonantes en serie.
12. Sistema de antena de acuerdo con la
reivindicación 10 u 11, que comprende dispositivos de impedancia
(Z1, Z2) dispuestos sobre la rama conductora (H), teniendo
parámetros eléctricos tales que forman:
- una trayectoria de corriente que comprende una
porción de la rama conductora alimentada (H), la rama conductora
angulada (A) y una porción de la rama conductora transversal (W), de
manera que el sistema de antena tiene un diagrama de radiación
global en forma de una combinación del diagrama de radiación de una
configuración en "semi-bucle" y la de una
configuración en "látigo", en una primera gama de frecuencias,
y
\newpage
- una pluralidad de trayectorias de corriente
que comprenden toda la rama conductora alimentada (H), la rama
conductora angulada (A) y toda la rama conductora transversal (W),
de manera que el sistema de antena tiene un diagrama de radiación
de una configuración en látigo, en una segunda gama de
frecuencias.
13. Sistema de antena de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en el que los
dispositivos de impedancia (Z1 - Z4) están diseñados para formar un
circuito de adaptación distribuida de impedancias, para cada
configuración de la disposición radiante lineal (14).
14. Sistema de antena de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye una
unidad (12) de adaptación y distribución de señales de
radiofrecuencia, acoplada a dicha rama conductora con una extensión
predominantemente vertical (H) de la configuración radiante (14),
que incluye un circuito transformador (T) por pasos de impedancia,
referido al conductor de tierra (GND), teniendo este circuito un
primer terminal (IN) acoplado a una línea (L) de transmisión de
señales y un segundo terminal (OUT) acoplado a dicha rama
conductora (H).
15. Sistema de antena de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende una
pluralidad de configuraciones radiantes lineales (114) acopladas a
dicha estructura naval (F), de tal manera que forman un sistema de
antena con alimentaciones múltiples.
16. Sistema de antena de acuerdo con la
reivindicación 15, en el que dichas configuraciones radiantes
lineales (114) están situadas en planos meridianos de dicha
estructura naval (F) y están espaciadas a intervalos angulares
iguales.
17. Sistema de antena según la reivindicación 15
o 16, que comprende una unidad (200) de control y de procesamiento
de señales conectada a las correspondientes unidades (112) de
alimentación de dichas configuraciones radiantes lineales (114),
estando configurada esta unidad para controlar las amplitudes y
fases de las corrientes de radiofrecuencia inyectadas en los
elementos alámbricos que forman dichas configuraciones radiantes
(114).
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