ITRM20080674A1 - Antenna a lente discreta attiva aperiodica per coperture satellitari multifascio - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

A corredo di una domanda di brevetto per l invenzione industriale dal titolo:

ANTENNA A LENTE DISCRETA ATTIVA APERIODICA PER

COPERTURE SATELLITARI MULTIFASCIO

L’invenzione à ̈ relativa ad un’antenna a microonde trasmittente o ricevente per coperture satellitari multifascio, composta da ima lente discreta attiva aperiodica. Come à ̈ noto, la formazione di fasci molto direttivi richiede aperture d’antenna con dimensioni elettriche molto grandi, attualmente realizzate con riflettori. L’architettura di questi sistemi d’antenne à ̈ tale per cui un fascio à ̈ formato illuminando il riflettore con un singolo illuminatore, ed i fasci adiacenti risultano formati utilizzando riflettori diversi. Per applicazioni tipiche risultano necessarie tre o quattro antenne a riflettore di tipo ricevente ed altrettante di tipo trasmittente. Questa architettura presenta però problemi di accomodamento dei vari riflettori a bordo del satellite. Una possibile soluzione per generare una copertura multifascio con una singola apertura à ̈ l’antenna a “phased array†. Recentemente si à ̈ giunti ad una soluzione deterministica per il progetto di “phased array†aperiodici riportata nel European Patent Application No.08290154.7, del 18.2.2008. Con detta invenzione si riduceva drasticamente il numero di elementi radianti dell’array, ma rimaneva l’esigenza di utilizzare una rete di formazione dei fasci piuttosto complessa. L’invenzione, oggetto della presente domanda di brevetto, risolve il problema della rete di formazione dei fasci che viene evitata grazie all’uso di una lente discreta attiva aperiodica, ossia con elementi radianti distanziati in modo non uniforme. Questa configurazione migliora notevolmente le prestazioni, la funzionalità e la flessibilità della soluzione passiva e periodica.

Essa si colloca nel campo tecnico delle antenne a microonde ed in quello applicativo dei sistemi d’antenna.

L’invenzione viene di seguito descritta in riferimento ad una sua forma di realizzazione attualmente preferita dagli Inventori e riportata a scopo illustrativo e non limitativo in base alle figure allegate:

Fig. 1 - Vista sezionata della lente discreta attiva e aperiodica.

Fig. 2 - Schema di una generica antenna a lente discreta passiva.

Fig. 3 - Schema della lente attiva aperiodica in trasmissione.

Fig. 4 - Profilo interno del trombino dell’array anteriore.

Fig. 5 - Particolare della vista posteriore della lente discreta attiva e aperiodica.

Fig. 6 - Particolare della vista anteriore della lente discreta attiva e aperiodica.

Per rendere più comprensibile il passo avanti nella tecnica specifica, effettuato dall’invenzione presentata, viene riportato, in Fig. 2, lo schema di una generica lente discreta passiva, operante in ricezione.

Mentre gli elementi radianti 3 dell’array anteriore comunicano con lo spazio esterno alla lente, gli elementi 2 deH’array posteriore si trovano di fronte agli illuminatori primari 1, posti nella zona focale della lente stessa. Ciascun elemento radiante di un array à ̈ connesso ad un omologo elemento dell’altro array tramite una linea di trasmissione 5, di lunghezza variabile e tale che un’onda piana incidente 6 viene focalizzata in un punto della superficie focale della lente dove si trova un illuminatore primario in grado di raccogliere l’energia associata all’onda incidente.

La configurazione di lente discreta attiva aperiodica, oggetto della presente invenzione, à ̈ essenzialmente costituita, Figg. 1, 2, 3, da: una schiera di illuminatori primari 1 in numero pari al numero di fasci della copertura e costituiti ad esempio da semplici trombini conici; da un primo array planare aperiodico, denominato “array posteriore†, composto da piccoli elementi radianti 2; da un secondo array planare aperiodico, denominato “array anteriore†, composto da elementi radianti 3, con spaziature diverse da quelle deH’array posteriore; da una struttura a sandwich 4, eventualmente ad alta conducibilità termica, in grado di combinare la funzione di supporto strutturale con quella di controllo termico eventualmente migliorabile con l’ausilio di un sistema di raffreddamento 10, Fig. 6, importante nel caso di antenna trasmittente; dalle connessioni 5 tra i vari elementi radianti, che possono supportare una o entrambe le polarizzazioni ortogonali, Fig. 5, comprendenti diversi dispositivi tra cui amplificatori 9 e componenti variabili di controllo, come sfasatoli 7 e attenuatori 8, per consentire, ad esempio, il puntamento corretto del sistema d’antenna, la compensazione di effetti dovuti all’ invecchiamento dei vari componenti, ecc.

Nel caso di antenna trasmittente, ciascuno dei fasci della copertura totale à ̈ originato eccitando un singolo illuminatore primario 1, il quale, a sua volta, eccita gli elementi radianti 2 dell’array aperiodico posteriore. Le connessioni 5, comprendenti elementi attivi e di controllo, trasmettono queste eccitazioni, opportunamente elaborate, agli elementi 3 dell’array aperiodico anteriore, i quali contribuiscono alla formazione del fascio d’antenna irradiato.

Come à ̈ noto nello stato della tecnica, la procedura di progetto di una lente discreta passiva, con entrambi gli array planari e l'array anteriore periodico, à ̈ stata introdotta da Me Grath. Si tratta di un sistema ottico con due gradi di libertà: la lunghezza delle linee di trasmissione 5 e la posizione radiale degli elementi radianti 2, rispetto agli omologhi 3 dell’altro array.

- Un primo aspetto innovativo dell’ invenzione presentata risiede nella trasformazione di questa configurazione d’antenna in lente attiva con ambedue gli array aperiodici. Infatti, un array aperiodico à ̈ in grado di garantire prestazioni radiative simili a quelle ottenibili con un array periodico permettendo però una notevole riduzione del numero di elementi radianti e dei relativi moduli attivi, semplificando quindi la complessità del sistema d’antenna.

- Un altro aspetto innovativo dell’ invenzione presentata à ̈ costituito dal metodo di sintesi che si basa essenzialmente sui seguenti punti principali:

a) sintesi della distribuzione ideale di correnti superficiali in grado di generare il singolo fascio della copertura con le proprietà desiderate, come la larghezza del fascio e i livelli dei lobi laterali, effettuata per esempio, utilizzando lo sviluppo in polinomi di Zemike;

b) sintesi preliminare dell’array anteriore aperiodico, equivalente alla distribuzione ideale di correnti superficiali, basata su un modello elettromagnetico approssimato degli elementi radianti 3, sulla geometria della lente e sulla modalità di funzionamento degli elementi attivi e di controllo;

c) successivo perfezionamento della disposizione dei vari elementi radianti con metodo iterativo basato sul modello elettromagnetico esatto degli elementi radianti 3, sulla geometria della lente e sulla modalità di funzionamento degli elementi attivi e di controllo, in modo da ottenere esattamente le proprietà radiative desiderate.

Sia la sintesi preliminare dell’array anteriore aperiodico che il suo successivo perfezionamento vengono effettuati considerando l’intera propagazione dei segnali dal singolo illuminatore primario 1 fino all’ingresso dei vari elementi radianti dell’array anteriore 3. Nel caso di antenna trasmittente, ad esempio, occorre considerare l’effettiva distribuzione delle eccitazioni degli elementi radianti 2, causata sia dalla forma dei solidi di radiazione dell’illuminatore 1 e degli elementi 2, che alle differenti lunghezze di percorso tra questi due componenti. Occorre poi considerare anche le elaborazioni dei segnali effettuate attraverso gli amplificatori e gli altri componenti di controllo presenti nel collegamento tra gli elementi radianti 2 e 3.

Con l’invenzione presentata, à ̈ anche possibile, in caso di antenna trasmittente, ottimizzare la configurazione della lente in termini di efficienza degli amplificatori, rendendo identici i segnali al loro ingresso mediante l'utilizzo di attenuatori. E’ altresì possibile utilizzare amplificatori di differente potenza, con valori variabili con continuità o a gradini, al fine di mantenere contemporaneamente un’alta efficienza di conversione degli amplificatori ed un’elevata capacità di controllo delle proprietà radiative dell’antenna, come per es. direttività, livello dei lobi laterali, ecc.

- Un ulteriore aspetto, significativamente importante della presente invenzione, à ̈ costituito dall’introduzione di un nuovo elemento radiante, con apertura circolare, molto compatto e con un profilo sagomato senza discontinuità e che presenta due punti di flesso, Fig. 4. Questo elemento presenta un’efficienza di apertura superiore al 90% per una larghezza di banda del 15%. Il metodo di sintesi utilizzato per la progettazione di questo trombino si basa sul metodo della “spline†, ossia come à ̈ noto, di una funzione costituita da un insieme di polinomi raccordati tra loro il cui scopo à ̈ interpolare un insieme di punti di controllo in modo da ottenere il profilo interno del trombino. In questo modo à ̈ possibile progettare trombini ad alta efficienza e molto compatti, con una diminuzione di circa il 50% della loro lunghezza rispetto ad altre tecniche di sintesi quali quelle basate sull’uso di discontinuità del profilo o quella ben nota dei trombini “profiled†che presentano un unico punto di flesso nel loro profilo. Il suddetto elemento radiante, con caratteristiche di efficienza e di compattezza, veramente uniche, consente di ridurre drasticamente il peso ed il volume deH’array anteriore e quindi dell’intero sistema d’antenna.

- Altro aspetto originale à ̈ costituito dalla struttura di supporto a sandwich che, se realizzata con materiale ad alta conducibilità termica, combina la funzione di supporto strutturale a quella di controllo termico, rendendo l’intero sistema d’antenna leggero, sottile e facilmente collocabile a bordo del satellite. Nella configurazione di antenna trasmittente, la sottrazione di calore dalla struttura a sandwich verso l’esterno della lente, viene effettuata utilizzando un sistema di circolazione 10 di un liquido raffreddante, Fig. 6.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Antenna a lente discreta attiva aperiodica, per coperture satellitari multifascio, caratterizzata dal fatto di essere costituita da una schiera di illuminatori primari (1) in numero pari al numero di fasci della copertura; da un primo array planare aperiodico, denominato array posteriore, composto di piccoli elementi radianti (2); da un secondo array planare aperiodico, denominato array anteriore, composto di elementi radianti (3) con spaziature diverse da quelle dell’ array posteriore; da una struttura a sandwich (4); da connessioni tra gli elementi radianti dei due array (5) in grado di convogliare separatamente due polarizzazioni ortogonali e comprendenti diversi dispositivi tra cui sfasatori variabili (7), attenuatori fissi o variabili (8) e amplificatori (9).
2. 2. Antenna a lente discreta attiva aperiodica per coperture satellitari, secondo la Riv. 1 , caratterizzata dal fatto che gli elementi radianti (3) delfarray anteriore sono molto compatti, ad alta efficienza d’apertura e presentano un profilo senza discontinuità e con due punti di flesso (Fig.4).
3. 3. Antenna a lente discreta attiva aperiodica, per coperture satellitari multifascio, secondo la Riv. 1, caratterizzata dal fatto che la struttura a sandwich (4) costituisce il supporto strutturale del sistema d’antenna.
4. 4. Antenna a lente discreta attiva aperiodica, per coperture satellitari multifascio, secondo la Riv. 1, caratterizzata dal fatto che la struttura a sandwich (4), di materiale ad alta conducibilità termica, combina la funzione di supporto strutturale con quella di controllo termico, il quale controllo termico può essere eventualmente migliorato con l’ausilio di un sistema di raffreddamento (10).
5. 5. Antenna a lente discreta attiva aperiodica, per coperture satellitari multifascio, secondo la Riv.l, caratterizzata dal fatto che gli amplificatori (9) sono tutti identici e lavorano con lo stesso guadagno ed operano allo stesso livello di potenza tramite Γ inserimento di attenuatori (8) atti ad equalizzare il livello del segnale in ingresso a tutti gli amplificatori.
6. 6. Antenna a lente discreta attiva aperiodica, per coperture satellitari multifascio, secondo la Riv.l, caratterizzata dal fatto che gli amplificatori (9) sono di differente potenza con valori variabili con continuità o a gradini.
7. 7. Antenna a lente attiva aperiodica, per coperture satellitari multifascio, secondo la Riv.l, caratterizzata dal fatto che gli attenuatori (8) e gli sfasatoli (7) sono utilizzati per consentire il puntamento corretto del sistema d’antenna e la compensazione di effetti dovuti all’ invecchiamento dei vari componenti.