CNL.OIM. HERIBERTO J E ROMAN

OIM-HJEROMAN SISTEMAS DE ARMAS Función Adquisición AESA. Calibración de Antena Activa Pat-USA 0188116 A1 – Jul26 2012 28-10-2014 PENSAR EN NACIÓN

RADAR DE ABORDO – Funciones Múltiples. CALIBRACIÓN DE ANTENA ACTIVA

ANTENA ACTIVA – CAPTOR E - AESA

ABSTRACTO El presente apunte es precedido por otros dos AESA[1] y [2], el interés está centrado en la nueva tecnología que se incluye en los radares con agilidad de antena de haces múltiples, en una configuración de matriz activa que irradia y recibe señales de RF a través de una primera abertura radiante, la cual está montada junto a un plano común (tierra) con una cubierta de material dieléctrico que mantiene una dada distancia con el plano tierra por un espacio de aire entre ellos. Esta antena activa, electrónicamente escaneada se caracteriza por comprender además, uno o más dispositivos de calibración operables para ajustar electrónicamente la configuración de antena. Cada dispositivo de calibración tiene asignada una porción de radiación entre la cubierta dieléctrica y el plano tierra configurado además para recibir señales de RF radiada a través de la primera abertura radiante y para radiar señales de RF a través del espacio de aire hacia la correspondiente primera abertura radiante.

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ANTECEDENTES El lector ya conoce la esencia tecnológica de los nuevos “manifold de AESA”, una configuración activa de haces múltiples, la cual ha de requerir de un sistema de calibración para que pueda ser ajustado, de tal forma que periódicamente se pueda adaptar la fase y la amplitud a los respectivos módulos T/R (TRMs) para que puedan radiar según el comportamiento requerido. En particular y en la actualidad, un sistema de radar basado en las nuevas antenas AESA, el término calibración es usado para describir las mediciones y regulaciones hechas automáticamente por el mismo sistema sobre los TRMs, específicamente durante el instante de inicio para obtener el requerido comportamiento de radiación

En tal sentido, en la Fig.3-01 se ilustra un diagrama en bloques que representa una típica arquitectura de una antena AESA designado el conjunto como 1. En particular esta antena incluye una red formadora de haces que se introdujera como manifold 11, la cual comprende en el extremo anterior un puerto de entrada/salida 12 y está conectada en un extremo posterior a una pluralidad de TRMs 13, cada una de las cuales esta conectada a su radiante correspondiente 14,

Fig.3-01 Típica arquitectura de una antena activa electrónicamente escaneada

En detalle la red formadora de haces 11 hace posible; en transmisión, la propagación de señales de RF desde el puerto 12, entrada-salida, hacia las TRMs 13 en lo que se entiende como señales de RF que serán amplificadas y modificadas en fase por las TRMs 13, para luego ser transmitidas por el elemento radiante 14 y en recepción, el proceso señala una propagación desde las TRMs 13 hacia el puerto 12 de entrada/salida de las señales recibidas en el elemento radiante 14, amplificadas y modificadas en fase por los TRMs 13. Convenientemente, el puerto 12 entrada/salida esta conectado a los medios transceptores (no se ilustran en la Fig.3-01) del conjunto AESA 1, también debe ser configurado para: En recepción, recibir y procesar señales de RF recibidas de los elementos radiantes 14, amplificadas y modificadas en fase por las TRMs 13, propagadas a través de la red formadora de haces 11 por las TRMs 13 hasta el puerto 12 entrada/salida. En transmisión, suministrar señales de RF a la entrada del puerto 12, de todo aquello que la antena AESA1 debe transmitir, para luego ser propagadas a través de la red formadora de haces 11, que vienen del puerto 12 hasta las TRMs 13 y finalmente ser transmitidas por los elementos radiantes 14. Para lograr el rendimiento en radiación requerido de una antena AESA-Manifold, es necesario asegurar tener en cada dirección de los elementos componentes de la configuración una predefinida relación de fase y amplitud. La inserción de la fase y la amplitud para cada elemento radiante depende principalmente de los componentes pasivos (red formadora de haces, cableado, etc) y los componentes activos (TRMs).

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El objeto de la calibración es; -Regular la amplificación, específicamente vía un atenuador variable y -la fase de cada TRM para acomodar a la mejor distribución de ambos parámetros sobre la cara o plano de radiación. Normalmente la calibración debe ser una tarea de 2do escalón (Técnico mas cercano del elemento de combate) y ser repetida periódicamente, pudiendo ser antes de cada misión de combate, por cuanto variaciones de temperatura pueden alterar las condiciones de operabilidad por desplazamiento de los valores de amplitud y fase. En orden de llevar a cabo una calibración, una antena activa debe estar equipada con un sistema para tal fin, es decir hardware y software adicionales que posibilitarán medir y regular la inserción de fase y amplitud para cada camino de señal de RF que interesa a cada uno de los TRM (en antenas AESA usualmente cada elemento radiante es acoplado a su respectivo TRM. En particular, en todo lo relativo a la calibración de una antena AESA por medio de un sistema de calibración, tener en cuenta los caminos de inserción de RF que corresponden a cada uno de los TRM y además medir la señal de RF después del TRM. Ejemplo; para medir la amplitud y fase de las señales de RF que se propagan por cada camino, esto incluye a los TRM. Por otra parte, cuando la señal inyectada es medida, se debe entender también que esta señal debe poseer una relación señal-ruido (SNR) tan alta como sea posible en la intensión de obtener precisión en las mediciones. Todos estos cuidados se deducen de un trabajo que constituye una Guía de Calibración de Redes. En tal sentido entonces, para calibrar una antena AESA, la inyección de RF puede hacerse utilizando una red suplementaria, que inyectará señales de RF en cada camino alimentador de antena a través de un acoplador o bien usando diferentes antenas externas para hacerlo directamente en cada elemento radiante. Esta segunda solución requiere una cantidad de hardware adicional con elementos mas pequeños que en la primera, pero es también claro que requiere el posicionamiento de las antenas externas fuera de la estructura de la antena AESA que es objeto y es un aumento de las dimensiones del ambiente de trabajo. Todo ello de por si constituye una desventaja considerando que debe ser transportable, donde la exigencia es que sea lo mas pequeño posible. Aunque manteniéndose compatible con los requisitos de antena; apertura del haz, ganancia etc.).

BREVE RESUMEN DEL PROTOTIPO EN ENSAYO

El objeto del presente es proporcionar un dispositivo y un método para calibrar una configuración de antena activa que en general deberá permitir mitigar, al menos en parte, las desventajas de los ya conocidos dispositivos de calibración y sus métodos, que en particular no implicara un aumento de las dimensiones externas de la configuración de antena activa. El mencionado objeto se lograría con la invención que se describe en la medida que se ajuste a un sistema con barrido electrónico activo, como se ha dicho un sistema de radar de este tipo comprende una configuración activa como antena electrónicamente escaneada. Será necesario un programa de software para dicho método de calibración que este de acuerdo con los requerimientos definidos primitivamente.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

La descripción siguiente, corresponde a una realización del prototipo de ensayo, por lo tanto tiene una naturaleza meramente ejemplar y no pretende introducir modificaciones, las cuales han de surgir de los ensayos. De todos modos se describirá en detalle como divulgación técnica, para críticos expertos y usuarios. Estas modificaciones pueden llegar a ser evidentes para expertos, no obstante los principios genéricos descriptos podrían se aplicados a otras realizaciones en el tema, son amplias, consecuentemente no se consideran limitadas, muestran principios y características que responden a los requerimientos. Además la presente invención es implementada también por medio de un programa de software comprendiendo porciones de código diseñados para implementar, cuando el programa es cargado en memoria de una unidad de proceso y control, que pertenece a una configuración de antena activa electrónicamente escaneada en correspondencia con la presente invención y ejecutada por lo que se denomina Unidad de Proceso y Control y el método de calibración se describirá como sigue. Por razones de simplicidad en la descripción y sin estas implicancias cualquier pérdida de generalidad en lo que sigue la calibración de una antena AESA será descripta principalmente en relación a la operación de la antena en recepción, quedando entendido que los mismos principios y conceptos serán descriptos de tal forma que puedan ser aplicados mutando entradas-salidas de señal, por cuanto la antena en transmisión simplemente invierte la dirección de la señal de RF considerada.

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De acuerdo con el primer aspecto de la presente invención que se describirá en lo sucesivo, en general se trata de un dispositivo de calibración para antenas activas y en particular una antena de calibración, para calibrar una configuración activa de guías de onda dispuestas sobre un plano tierra y cubierta con una forma de material dieléctrico que actúa en dos aspectos; - Una impedancia de acoplamiento de gran ángulo (WAIM) y como - Protección del ambiente que la rodea. En orden de llevar a cabo la función WAIM, la cubierta dieléctrica, usualmente se posiciona a una distancia, conocida por muchos expertos en el tema, aproximada a λ/10 del plano tierra, en donde λ es la longitud de onda de la frecuencia de operación, una medida que reduce la cantidad de lóbulos laterales innecesarios. Consecuentemente, entre la cubierta dieléctrica y el plano tierra de la antena activa se encuentra una capa de aire con sus propiedades que para estos casos supera cualquier otro material. La antena de calibración de acuerdo con la presente invención tiene dimensiones tales como para permitir que sea colocada dentro de dicho espacio de aire entre el plano de tierra y la cubierta dieléctrica de la antena-matriz activa, y está configurada para inyectar en los elementos radiantes de la activa, las señales de RF que tienen una SNR suficiente para llevar a cabo las mediciones durante la calibración en términos precisos. En tal sentido, una sección transversal de la primer porción de una antena AESA es ilustrada en el esquema de la Fig.3-02, que muestra una preferente realización de la presente invención, se dice que este conjunto de antena AESA es designado como 2 en la Fig.3-02. En particular tal como se ilustra en la Fig.3-02, la antena 2 de AESA comprende; una configuración activa de guías de onda de 21 elementos radiando, cada uno de los cuales propaga en paralelo a una primera dirección Z, las señales de RF que la antena 2 en uso debe transmitir-recibir. Cada elemento radiante de los 21 es acoplado al extremo del correspondiente TRM (no ilustrado en la figura) y termina en el otro extremo con una abertura radiante (no ilustrada en la figura) que se encuentra sobre el plano de tierra 22 de la antena AESA 2, la misma tiene a su vez dos lados paralelos a una segunda dirección Y, perpendicular a la primera dirección mencionada como Z y dos segundos lados orientados paralelos a una tercer dirección X perpendicular al plano YZ. El plano tierra 22 se extiende en la dirección Y y la tercera dirección X, por lo tanto es ortogonal a la primera dirección Z. Por otra parte, tal cual se describiera previamente, la antena AESA 2 también comprende una cubierta dieléctrica 23, paralela al plano tierra 22 y posicionado a una distancia D, entre ambos planos con el agregado que entre ellos existe un volumen de aire 24, que se menciona por cuanto guarda importancia en la calibración y en el funcionamiento.

Fig.3-02 Vista esquemática de un sección

transversal de una primer porción de antena activa,

electrónicamente escaneada.

Fig.3-03 Vista esquemática de una

antena de calibración para calibrar una configuración de antena activa como

la de la Fig,3-02

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Ya se ha mencionado como técnicamente conveniente que fuera la distancia D=λ/10, en donde λ es la longitud de onda en la antena AESA 2 y la doble función de operar con una impedancia de acoplamiento de gran ángulo (WHIM) y a la vez como protección del ambiente que la rodea. Volviendo a la Fig.3-02. Se ve un dispositivo de calibración o antena de calibración 3 que incluye una porción de guía de onda radiante 31 que se encuentra entre el plano tierra 22 y la cubierta dieléctrica 23 de la antena 2 y donde las señales de RF que la antena de calibración 3 irradia y recibe, propagándose en paralelo a la segunda dirección Y. En particular la porción radiante 31 de la antena de calibración 3 termina, en un primer extremo con una abertura radiante (no ilustrada en la Fig.3-02) con salida al espacio de aire 24, comprendido como sabemos entre la cubierta dieléctrica 23 y el plano tierra 22 de la antena AESA 2, específicamente hacia los elementos aberturas radiantes 21 de la antena 2 y tiene dos primeros lados orientados a la primer dirección Z y dos segundos lados orientados paralelos a la tercer dirección X.

Fig.3-04 Vista en perspectiva de una

segunda porción de la configuración activa electrónicamente escaneada que se ve en

la Fig.3-02

Fig.3-05 Vista en perspectiva y ampliada de una tercer porción de la antena activa

de las Figs.3-02 y 04

En detalle la porción radiante 31 tiene una predefinida dimensión en la primer dirección Z, entre el plano tierra 22 y la cubierta 23, de la antena 2 la cual es menor o igual a la conocida distancia D. Por otra parte y una vez mas, como se ilustra en la Fig.3-02, la antena de calibración 3 también incluye:

Una guía de onda de transición porción 32, en donde las señales de RF que la antena de calibración 3 debe radiar-recibir en uso se propagan paralelas a la primera dirección Z.

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Una media porción de guía de onda 33, que se halla comprendida entre la porción de radiación 31 y la porción de transición 32, por donde las señales de RF de la antena de calibración 3 debe radiar/recibir en uso, propagando desde/hacia la porción de transición 32 hacia/desde la porción de radiación 31.

En particular, la porción de transición 32 esta conectada, en su primer extremo a un conector coaxial SMA 34 y su segundo extremo a un extremo de la media porción 33, la cual está a su vez conectada en el otro extremo al segundo extremo de la porción de radiación 31. En uso, la antena de calibración 3 irradia por medio de las aberturas radiantes de la porción radiante 31, una señal de RF en la periferia de la configuración activa paralela al plano tierra 22. A continuación la señal de RF radiada se propaga como una onda superficial en el plano tierra 22 de la antena AESA 2, es decir sobre la cara o plano de la configuración activa. La propagación de dicha onda superficial sobre el plano tierra 22, digamos sobre la superficie de la configuración activa, es facilitada por otro lado por la presencia de aire debajo de la cubierta dieléctrica 23. La antena de calibración 3 es una guía de ondas truncada que hace de antena, la porción de radiación 31 tiene predefinidas dimensiones en la primer dirección Z, que es muy pequeña de tal forma que pueda ser insertada en el espacio con aire 24 y configurada para radiar principalmente en una dirección paralela al plano tierra 22 hacia la abertura radiante de los elementos radiantes 21. De hecho, tal como se ha descripto previamente, la abertura radiante de la porción radiante 31 de la antena de calibración 3 brinda salida y hacia las aberturas radiantes de los elementos radiantes 21. Para una mejor comprensión de la presente invención:

Se ha ilustrado en la Fig.3-03 una vista esquemática de la sección transversal de únicamente la antena de calibración 3.

Se ha ilustrado en la Fig.3-04 un esquemático de una vista en perspectiva de la antena de calibración 3 y en transparencia para mayor claridad de la ilustración, de una segunda porción de la antena AESA 2.

Se ha ilustrado en la Fig.3-05, una vista en perspectiva de la antena de calibración 3 y de una tercera porción de la antena AESA 2, sin, para mayor claridad de la ilustración, la cubierta dieléctrica 23

En las Figs.3-03 a 05 los componentes de la antena AESA 2 y de la antena de calibración 3 que fueran ilustrados en la Fig.3-02 y descriptos anteriormente, están identificados por el mismo número de referencia que también fueron utilizados. En particular, tal como se describe e ilustra en la Fig.3-02 a 05, la antena de calibración 3 comprende; tres partes o porciones principales dispuestas en cascada una a la otra. La porción de radiación 31, la porción media 33, la cual está curvada en 90º y la porción de transición 32. En detalle, la porción de radiación 31 se inserta en el espacio de aire 24 de la antena AESA 2, es responsable de la radiación hacia los 21 elementos radiantes de la antena AESA 2 y puede ser convenientemente hecha con una guía de onda de las llamadas (ULP) Perfil Ultra Bajo, que tiene una primer dimensión en la primer dirección Z (la cual en lo que sigue será llamada, por razones de simplicidad en la descripción con una altura H igual a 3,5mm (es decir H = 3,5 mm). Entrando en detalles, la guía de onda con la que está hecha la porción de radiación 31, por conveniencia puede tener una segunda dimensión en la tercer dirección X (la cual en lo que sigue será llamada por razones de simplicidad de descripción, por su ancho W, igual a 40,4 mm (es decir W = 40,4 mm). Por otra parte, la porción media 33 puede ser realizada también con una guía de ondas ULP curvada a 90º que conecta con la guía de ondas de la porción de radiación 31 con la guía de ondas de la porción de transición 32. Para optimizar el acoplamiento de la curva, esta última puede ser convenientemente redondeada. Además la porción transición 32, la cual está conectada vía un conector coaxial SMA 34 a una fuente externa de señal (no ilustrada en la Fig.3-05) para recibir de esta última la señal de RF que será irradiada, lleva a cabo, en la propagación dentro de la antena de calibración 3 finalmente la señal de RF a ser irradiada, un primer apoyo de propagación de transición desde el coaxil a la guía de ondas y en cascada a continuación a la misma un segundo apoyo de propagación de transición desde la comentada guía de ondas de bajo perfil (LP), esto es así con una altura de 6,5 mm y un ancho de 40,4 mm, hacia una guía de onda de (ULP). (Ultra Bajo Perfil).

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En particular el propósito que acá se tiene, es observar cómo el ancho de la guía de ondas de la antena de calibración 3 , que hemos visto como de 40,4 mm depende estrictamente de la frecuencia de funcionamiento de la antena de calibración 3, es decir de las señales de RF que la antena mencionada debe radiar/recibir en uso. En consecuencia una vez que dicha frecuencia de funcionamiento se ha definido, también el ancho de la guía queda definido y por lo tanto es invariable. En lugar de ello, la altura de la antena de calibración 3, y en particular la altura de la guía de ondas de la porción de radiación 31, no afecta la frecuencia de operación de la antena de calibración 3 y puede, por lo tanto, ser reducida en todas las dimensiones. En particular puede ser tan pequeña que la porción de radiación 31 pueda ser insertada en el espacio de aire 24 que sabemos se encuentra entre la cubierta dieléctrica 23 y el plano tierra 22 de la antena AESA 2. Además en orden de acoplar la impedancia de radiación de la apertura radiante, de la porción de radiación 31 a la impedancia de la guía de ondas de la porción de radiación 31, así como para minimizar el coeficiente de reflexión, un iris inductivo o septum 35 es usado para insertar en la porción de radiación 31. Se dice que el iris inductivo 35 se comporta como una inductancia en paralelo de la apertura radiante, la cual compensa el comportamiento capacitivo de la apertura de radiación de la porción radiante 31, dicha apertura radiante también esta designada por 31 como se ve en las Figs.3-04 y 05. En particular, dicho septum o tabique inductivo 35 permite a la antena de calibración 3 a funcionar entre la cubierta dieléctrica 23 y la configuración activa, haciendo coincidir la impedancia de la apertura radiante 31 con la guía de ondas de la porción de radiación 31, de este modo la antena de calibración 3 puede radiar ondas superficiales, sobre el plano tierra 22, de la configuración activa, la antena AESA 2. Imagine el lector; la terna ortogonal que representa, la onda E-H sobre la superficie y P en la dirección de propagación. Por otra parte en orden de alinear, tanto como sea posible la polarización de la antena de calibración 3 con la de las guías de onda de los 21 elementos radiantes de la antena AESA 2, aquella la antena de calibración 3 es posicionada de tal forma que el plano E de la porción de radiación 31 sea paralelo al plano E de los 21 elementos radiantes. De esta manera, de hecho la antena de calibración 3 hace posible recibir señales de RF transmitidas por la antena AESA 2 y ésta hace posible recibir señales de RF radiadas por la antena de calibración 3. En particular, como ya se sabe, el plano E de una antena que transmite/recibe señales de RF polarizadas esta representado por el plano que contiene al vector campo eléctrico E de la señal transmitida/recibida. En otras palabras, el plano E identifica la polarización u orientación de las ondas de radio transmitidas/recibidas por la antena. En el caso de la antena AESA 2 la polarización de las señales de RF que van y que vienen están orientadas sobre la segunda dirección Y, y por lo tanto el plano es paralelo a la segunda dirección Y. Todo esto implica, que los segundos lados, los lados orientados paralelos a la tercer dirección X de la abertura radiante 31,a de la porción de radiación 31 son paralelos a los segundos lados de las aberturas radiantes, designadas como 21 a en la Fig.3-05, de los elementos de radiación 21, los cuales de hecho, como se han descripto previamente, son también paralelos a la tercer dirección X. Además, la abertura radiante 31.a de la porción radiante 31 de la antena de calibración 3 tiene un diagrama de radiación de máxima, el cual está en la dirección ortogonal a la abertura radiante 31.a es decir en la segunda dirección Y. Esto implica que la inserción de pérdidas entre la antena de calibración 3 y los elementos radiantes 21 de la antena AESA 2, es baja para los elementos 21 alcanzada en la parte frontal de la abertura radiante 31.a de la porción radiante 31 de la antena de calibración 3 y es mayor para los elementos radiantes 21 que no están en el frente de la abertura radiante 31.a de la porción 31 de la antena de calibración 3. En suma, la inserción de pérdidas es proporcional a la distancia entre la abertura radiante 31.a y la abertura radiante 21.a de los elementos de radiación 21 de la antena AESA 2. Preferiblemente, en orden de mantener la inserción de pérdidas constante tanto como fuere posible en todos los elementos radiantes 21 de la antena AESA 2 y en particular en orden de mantener la inserción de pérdidas en cada elemento radiante 21, comprendida ésta entre un valor mínimo y un valor máximo, una pluralidad de antenas de calibración 3 dispuestas sobre el plano tierra 22 de la antena AESA 2 se puede utilizar de modo que cada antena de calibración 3 está diseñada para radiar/recibir señales de RF hacia y desde los elementos radiantes 21 de la antena AESA 2.

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Al respecto, la Fig.3-06 ilustra una vista frontal de una antena AESA 2 completa sin la cubierta dieléctrica 23, para mayor claridad de la ilustración. En particular y tal como se ilustra en esta figura la antena completa comprende una configuración activa 25 la cual tiene los elementos de radiación 21, formando un conjunto de 16 filas y 54 columnas, cada uno de los elementos radiantes 21 están acoplados a sus correspondientes TRM (no ilustrado en la figura). Por otra parte instalado en el plano de tierra 22 de la antena AESA 2, en particular fuera del área del plano de tierra 22 ocupado por la configuración activa 25, son seis antenas de calibración 3, tres de las cuales son posicionadas a lo largo de un primer lado de la configuración activa 25 y otras tres de las mismas están colocadas a lo largo de un segundo lado de la configuración activa 25 opuestas al primer lado. Cada antena de calibración 3 es usada para radiar/recibir señales de RF hacia y desde los elementos radiantes 21, los cuales están muy cerca de la mencionada antena de calibración 3.

Fig.3-06 Vista frontal de la totalidad de la red de la antena con barrido electrónico activo,

las que se ilustran parcialmente en las Figs.3-02, 04 y 05.

Convenientemente, tal como se representa en línea interrumpida (en rojo) en la Fig.3-06, se muestran las regiones correspondientes de la configuración activa 25, para calibración, con seis antenas de calibración 3. Puede ser rectangular y tener las dimensiones de ocho filas por dieciocho columnas. Con esa disposición es posible mantener la inserción de pérdidas, medida entre la antena de calibración 3 y los elementos radiantes 21 entre -20 y -50 dB, tal como aparece en el gráfico de la Fig.3-07. Mas precisamente, cada antena de calibración 3 es usada para transmitir/recibir, hacia y desde los elementos de radiación 21 que se hallan posicionados y mostrados en la Fig.3-06 inmediatamente al frente. En particular representado en la Fig.3-07, siendo medidas las inserciones de amplitud (en dB) entre las seis antenas de calibración 3 y los elementos radiantes 21 de la configuración activa 25. En total correspondencia con la ilustración de la Fig.3-06, también en la Fig.3-07 se ven las regiones de la correspondiente configuración activa 25, para la calibración, con las seis antenas de calibración 3, las cuales ya mencionamos están identificadas dentro del área limitada por línea interrumpida.

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Fig.3-07 Ilustración esquemática de las mediciones de inserción de amplitud entre elementos

radiantes de la antena de barrido electrónico activo y seis antenas de calibración que se ilustran en la Fig.3-06

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, descripta, de aquí en mas el apunte se ocupará de un método para la calibración de una configuración de antena electrónicamente escaneada. En particular y relacionado con el método, en la Fig.3-08 veremos un diagrama de flujo que representa el método de calibración 8, el cual se refiere a una realización preferida de la invención y que será usada para calibrar una antena AESA, usando dispositivos de calibración que están esencialmente de acuerdo con la presente invención. Por razones de simplicidad en la descripción y sin que ello implique cualquier pérdida de generalidad, en lo que sigue el método de calibración 8 se describirá con relación a la calibración de la ya vista antena AESA 2, que se ilustró en la Fig.3-06, mediante el uso de las seis antenas de calibración 3, que también ya fueron descriptas. En lo que sigue, el método de calibración 8 será descripto solo con relación a la operación en recepción de la Antena AESA 2, manteniéndose como entendido que los mismos principios y conceptos pueden ser aplicados cambiando el sentido de la señal para el funcionamiento en transmisión de la antena AESA 2, como se dijo solo invirtiendo la dirección de las señales de RF consideradas. Según lo veremos en la Fig.3-08 siguiente, el método de calibración principalmente comprende un paso de mediciones (block 83) donde las mediciones son ejecutadas y una pluralidad de pasos del proceso sobre la base de las mediciones de calibración realizadas.

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Fig.3-08 Diagrama flujo esquemático del método para la calibración de un sistema de antenas activo con barrido electrónico, de acuerdo con una forma de realización preferida de la presente invención.

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Durante la etapa de mediciones (block 83) la inserción del dato de fase y amplitud para cada TRM de la antena AESA 2 es medida, mientras que durante los pasos del proceso, las cantidades determinadas durante las mediciones en el block 83 son procesadas, así como, se calculan los coeficientes de fase y amplitud para ser cargados en los TRMs en orden de obtener la deseada distribución de fase y amplitud sobre el plano o cara de la configuración activa 25 de la antena AESA 2. En detalle se sabe, el propósito es calibrar los módulos TRMs para corregir toda variación que ocurriere. En cuanto a la fase, es notorio que cada una de los diversos caminos o trayectorias de señal en recepción/transmisión dentro de la configuración activa 25 ha de introducir modificaciones. Por trayectoria de recepción/transmisión se entiende todo camino de señal entre los elementos radiantes 21 y las entradas de los TR. Un camino o trayectoria de recepción/transmisión generalmente incluye un módulo TRM, uno de los tantos caminos dentro de la red formadora de haces de la antena AESA 2, etc. Específicamente y volviendo de nuevo a la Fig.3-01; un camino de recepción/transmisión se entiende como de la entrada/salida de un puerto 12 y el elemento radiante 14. Con el fin de obtener la distribución deseada de fase y amplitud sobre el plano de la configuración activa 25 de la antena AESA 2, el propósito de la calibración de los módulos TRMs, cada uno de los cuales está equipado con su respectivo atenuador digital y su respectivo variador de fase, los cuales son para colocar:

Los atenuadores digitales en los TRMs en el valor específico los coeficientes de atenuación tal que sean garantía de la deseada distribución de amplitud sobre el plano de la configuración activa 25 de la antena AESA 2.

En cuanto a los variadores digitales de fase en los TRMs, colocar los específicos coeficientes tales que garanticen la fase sobre cada camino de recepción/transmisión e iguales a los valores de referencia de fase.

Entrando en detalles en la descripción del método de calibración 8 y haciendo referencia a la Fig.3-08, dicho método comprende la totalidad de las tareas para una completa calibración de los módulos TRM de la antena AESA 2, para cada forma de haz de RF que la antena debe transmitir/recibir. Correspondiendo para cada forma de haz su respectiva parte en la distribución de amplitud y fase que se coloca sobre la cara o plano de la configuración activa 25. Tal como se ilustra en la Fig.3-08, asociados a las formas de onda de RF se tiene un índice c, que cada forma de haz asume con su correspondiente valor, el cual se encuentra comprendido entre 1 y un valor CMAX, expresado en un formalismo matemático 1≤ c ≤ CMAX, es el número de formas de onda de RF que pueden ser transmitidas/recibidas desde la antena AESA 2.

Fig.3-09 Ilustración esquemática de una señal obtenida durante una etapa del método de calibración de la Fig.3-08.

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Además, la antena AESA 2 puede transmitir/recibir señales de RF a diferente frecuencia, tal como se ilustra en la Fig.3-08, con lo cual se muestra la posibilidad de otras frecuencias, entiéndase no muy apartadas de una central, cada frecuencia se identifica con un índice f que asume el valor correspondiente entre 1 y FMAX , expresado matemáticamente como 1 ≤ f ≤ FMAX, en donde FMAX, es el número de frecuencias de operación de la antena. En particular, para cada forma de haz de RF, la calibración es llevada a cabo para cada frecuencia a la vez. Conforme con lo que se ilustra en la Fig.3-08, después de seleccionar la forma de haz de RF y la frecuencia, todas las mediciones del block 83 son llevadas a cabo para reunir datos relacionados con los TRMs en orden de evaluar si fuera necesaria una nueva calibración. Los datos relacionados con los TRMs son reunidos, dígase medidos, usando la calibración corriente, digamos usando los corrientes coeficientes de calibración. En particular, cuando la antena AESA 2 es calibrada por primera vez, debe considerarse como calibración corriente a una antena AESA 2 no calibrada. Es decir todos los coeficientes de atenuación de los atenuadores digitales de los TRMs y todos los coeficientes de fase de los variadores digitales de fase de los TRMs son colocados en valores iniciales en defecto. Preferentemente, el paso de mediciones en el Block 83 comprende, en el proceso las cantidades medidas en tal forma que elimina cualquier contribución de restos de radiación. A continuación los datos de los módulos TRM son usados para evaluar si la calibración actual es todavía aceptable o no (block 85). Para hacer posible esta evaluación se calculan otros índices preferenciales que son calculados en el (block 84) los cuales incluyen un índice de comportamiento para la amplitud y para la fase. Estos nuevos índices calculados son comparados en comportamiento con los índices de referencia de tal forma de evaluar para determinar si la calibración actual es aceptable o no (block 85). Luego, si la calibración corriente o actual no es aceptable, nuevos coeficientes de calibración son calculados (block 86), los cuales son cargados en los módulos TRM (block 87) de tal manera que las subsiguientes mediciones de calibración (block 83) son realizadas sobre la base de los nuevos coeficientes de calibración calculados. En particular, los nuevos coeficientes calculados son usados para posicionar (setting) nuevos valores de coeficientes de atenuación de los atenuadores digitales de los TRMs y los coeficientes de fase de los variadores digitales de fase de los TRMs (block 87). Finalmente, si para una frecuencia dada y una dada forma de haz, nuevos coeficientes de calibración son calculados por mas de tres veces sin obtener aceptables índices de comportamiento, la operación se repite para la siguiente frecuencia (block 89) y/o la próxima forma de haz de RF (block 91). Este error producido durante la calibración puede ser convenientemente etiquetado como “elaborado en prueba, algo que se da en llamar información (BIT). Preferiblemente un índice del ciclo de proceso es usado para contar las veces que el coeficiente de calibración fue calculado para cada frecuencia y para cada forma de haz de RF. En la eventualidad de mayores detalles, tal como se ilustra en la Fig.3-08 el método de calibración 8 comprende:

La selección de una primera forma de haz de RF, con asignación de un índice, de valor 1 (es decir colocando c=1 que a su vez es precisamente el valor asociado a la primer forma de haz de RF (block 80).

La selección de la primer frecuencia, asignándole a la frecuencia el índice f con valor 1 (es decir colocando f=1, que es precisamente el valor asociado a la primer frecuencia (block 81).

Asignación del índice al índice del ciclo de proceso, con un valor inicial igual a cero (es decir posición del ciclo=0 (block 82).

Llevar a cabo las mediciones de calibración utilizando las seis antenas de calibración 3 (block 83).

Calcular los índices de rendimiento de la calibración sobre la base de las mediciones de calibración hechas (block 64).

Comprobar cuando los índices de rendimiento de la calibración calculados satisfacen las predefinidas condiciones respecto a los índices de referencia en rendimiento y cuando el índice de los índices ciclo de proceso es igual a tres, es decir comprobar si el ciclo=3 (block 85).

Entonces, si el comportamiento de la calibración, índices calculados, no satisfacen una condición predefinida, respecto a los índices de rendimiento de referencia y el ciclo no es igual al índice ciclo del proceso no es igual a tres (en particular ciclo<3), luego el método de calibración 8 comprenderá:

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El cálculo de nuevos coeficientes de calibración (block 86).

Cargar los nuevos índices calculados en los TRMs (block 87).

Incrementar en 1 el ciclo del índice ciclo de proceso, dígase (colocando ciclo = ciclo+1) (block 88).

Repetir la parte del método de calibración 8, comenzando otra vez con la ejecución de las mediciones de calibración en el (block 83).

En cambio, si los índices de rendimiento de calibración calculados satisfacen las condiciones predefinidas con respecto a los índices de rendimiento de referencia o también si el índice ciclo del ciclo de proceso es igual a tres (dicho de otro modo ciclo=3) entonces el método de calibración 8 comprenderá:

Incrementar en un valor 1 el índice de frecuencia (dígase imponer f=f+1 (block 89)

Comprobar si el índice de frecuencia es mayor que FMAX (digamos f>FMAX ) (block 90) Luego, si el índice de frecuencia no es mayor que FMAX (o sea si f≤FMAX), una parte del método de calibración 8 se repite comenzando otra vez con asignaciones de índices de ciclo del ciclo de procesamiento con un valor inicial igual a cero (ejemplo colocando otra vez ciclo=1) (block 82). En cambio, si el índice de frecuencia f es mayor que FMAX (dígase f>FMAX ), el método de calibración 8 comprenderá:

Incrementar en 1 el índice c del haz RF (será c=c+1) (block 91).

Comprobar si el índice c del haz RF es mayor que CMAX (comprobando si c>CMAX) (block 92) Luego, si el índice c del haz de RF no es mayor que CMAX (digamos que c≤ CMAX) uan parte del método de calibración es repetido comenzando nuevamente con la asignación al índice de frecuencia f el valor 1 (block 81). En cambio si el índice c del haz RF es mayor que CMAX (es decir si c>CMAX) la calibración se termina (block 93). A partir de este momento del apunte, continuará el mismo con una descripción detallada de los pasos principales acerca del método de calibración 8, es decir los pasos de medición (block 83), los pasos de cálculo de los índices de rendimiento de calibración (block 84), el calculo de nuevos índices de calibración (block 86), con explícita referencia, por razones de simplicidad en la descripción sin implicancia cualquiera y sin pérdida de generalidad, para con la antena AESA 2 y las seis antenas de calibración 3, ilustradas en la Fig.3-06 y descripta previamente. ETAPA DE MEDICIONES (block 83), comprende:

Activación en transmisión de uno de las seis antenas de calibración 3, activando solo un módulo TRM en cada instante de los tantos M x N TRMs de la antena AESA 2, donde, con referencia a lo que ya se ha descripto previamente con relación a la Fig.3-06, vemos que M=16 y N=54, y obteniendo a partir de las correspondientes señales recibidas en el medio transceptor en la antena AESA 2, la consecuente señal medida, una xm,n,f,c

MIS, la cual tiene a su vez una componente de

fase Im,n,f,c MIS

y una componente en cuadratura Qm,n,f,c MIS

, en donde los subíndices f y c indican respectivamente la frecuencia y la forma de haz de RF considerado, mientras que el par (m,n) identifican el módulo TRM elegido (con 1≤ m ≤ M y 1≤ n ≤ N), específicamente, de las seis antenas de calibración 3 la única correspondiente a la región de la configuración activa 25 que comprende los elementos de radiación 21 acoplados al módulo TRM (m,n) elegido es activado en transmisión.

Apagado de todos los módulos TRMs de la antena AESA 2, colocando máxima atenuación en los atenuadores digitales de todos los módulos TRM, activar en transmisión solo una antena de calibración 3 a la vez y obtener sobre la base de la correspondiente señal recibida por medio de los transceptores, una correspondiente señal de fondo, que se designa como xp,f,c

BACK, teniendo un

componente de fase Ip,f,c BACK

y un componente en cuadratura Qp,f,c BACK

, donde el subíndice p identifica a la antena de calibración 3, activada en transmisión con 1 ≤ p ≤ 6

La señal de fondo, xp,f,c BACK

, es la señal recibida por medio de los transceptores de la antena AESA 2, cuando la antena de calibración 3 de orden p inyecta una señal en todos los módulos TRMs que han sido apagados. Si la aislación de cada TRM fuera infinita, la señal de fondo, podría ser despreciable, pero desde que se dice que la aislación no es infinita, luego la señal de fondo xp,f,c

BACK, será el vector suma de todas

las contribuciones de las TRM apagadas, nominalmente.

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Cuando solo una TRM es activada, la señal medida Xm0,n0,fc

NIS, es la suma de

las pequeñas señales a través del resto de los módulos TRM que han sido apagados mas la señal a través del módulo TRM activado. Esto es Xm0,n0,fc

ON

Para una mejor comprensión de la etapa de medición (block 83), que se ilustra en la Fig.3-09, en el plano complejo, se toma como vector (100) que corresponde a la señal medida Xm0,n0,fc

NIS, representado por una línea

sólida, la cual puede ser descompuesta en un primer componente 101 que corresponde a la señal proveniente del módulo TRM activado, Xm0,n0,fc

ON

(representado por una línea interrumpida) y una segunda componente 102, que corresponde a la señal de fondo xp,f,c

BACK, representada

por una línea punteada. En la Fig.3-09 dos círculos representan la incertidumbre, la variabilidad de las mediciones que además se suma con el ruido en una relación señal/ruido (SNR). Consecuentemente, para obtener solo la contribución del módulo TRM activado, (digamos el primer componente 101, representado en la Fig.3-09, la señal de fondo se debe restar de las mediciones, a saber: ver Ec.3-03. En consecuencia, al final de la etapa de mediciones (block 83), un conjunto de valores de amplitud sm,n,f,c

amp y un

conjunto de valores de fase sm,n,f,c phase

, son obtenidos para cada TRM (m,n). Estos valores son usados luego para calcular los índices de rendimiento de calibración (block 84) y si es necesario, nuevos coeficientes de calibración (block 86). En particular los índices de rendimiento de calibración, representan una medida de la bondad de la calibración. Sobre la base de estos índices, el sistema de calibración puede decidir, si un nuevo ciclo de calibración es necesario o no (block 85).

Ec.3-01 Señala que la señal de fondo que vemos para una determinada antena de calibración 3 (p), una determinada frecuencia (f) y uno de los índices de forma de haz (c) es la suma de todas las salidas M x N. . Y donde el par de subíndices (m0,n0) idéntica al módulo TRM activado

Ec.3-02 Expresión de la señal medida, que en realidad termina siendo igual a la suma de todas las TRM apagadas mas la señal de fondo.

Ec.3-03

Ec.3-04. Donde ϕm,n,f,c REF

, es el valor de referencia para la fase para la calibración de los TRM (m,n) a la frecuencia f de la forma de haz c, y NTRM es el número total de módulos TRMs de la configuración activa 25

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Ver AESA-TRM.MódulosBanda X-Descripción y Características

En detalle, los índices de rendimiento comprenden; un índice de rendimiento para la fase KRx,f,c

phase, el cual es la

variancia de la distribución de los valores de fase sm,n,f,c

phase , y un índice

de rendimiento para la amplitud KRx,f,c amp

, el cual es la variancia de la distribución normalizada de los valores de amplitud sm,n,f,c

amp. La variancia de

los valores de distribución de fase sm,n,f,c

phase, llamándose índice de

rendimiento para la fase es; ver Ec.3-04, En lo que respecta, en cambio, a la variancia de la distribución normalizada de los valores de amplitud, sm,n,f,c

amp, el

cálculo no es directo. Suponiendo que el error de amplitud es aditivo y a la vez una variable aleatoria U con su media=0, la amplitud sm,n,f,c

amp , puede

ser escrita como sm,n,f,camp

= (1+U).hm,n .d, en donde hm,n es lo que llaman “taper” de la configuración activa 25 (por taper debe entenderse como la distribución de amplitud de los elementos de la configuración tal como el rendimiento dado por un diagrama de radiación) y d es el coeficiente debido a la inserción de mediciones de amplitud. Sobre esta hipótesis, d es estimado como: Ec.3-05 La calibración se puede considerar aceptable (block 85) si la siguiente relación es cierta; Ver condiciones Ec.3-06.

Ec.3-05 . Cálculo de d

KRx,f,c

phase ≤ KRx,REF

phase y KRx,f,c

amp ≤ KRx,REF

amp

En donde; KRx,REF phase

y KRx,REF amp

son índices de rendimiento de referencia, respectivamente, para la fase y para la amplitud.

Ec,3-06

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Por otra parte, como se ha dicho previamente, los pasos de cálculo para los nuevos índices de calibración (block 86) comprende el cálculo sobre la base de los coeficientes de calibración actuales o corrientes, se dice que los nuevos coeficientes de calibración comprenden nuevos coeficientes de atenuación Am,n,f,c

new

(cuantificado con NA bits) y nuevos coeficientes de fase ϕm,n,f,c

new

(cuantificados con Np bits). Este nuevo coeficiente ϕm,n,f,c

new aplicado a cada

TRM (m,n) es obtenido de la suma de los coeficientes de corrección de fase ϕm,n,f,c

new mas la fase necesaria para el

apuntamiento del haz de RF. En particular los valores corrientes de los coeficientes de atenuación y fase para los TRM (m,n) a la frecuencia f y para una forma de haz de RF c son: Ec.3-07. Para la primera calibración, los valores corrientes de atenuación y fase se establecen como valores iniciales por defecto que se indican a continuación; Ec.3-08 Los pasos del algoritmo usado para el cálculo de nuevos coeficientes de calibración Am,n,f,c

new y ϕm,n,f,c

new son

descriptos en detalle a continuación, usando un programa en seudo lenguaje, pero que puede ser entendido fácilmente por expertos en el tema. Fracción de Inicio del cálculo de los coeficientes de calibración:

Φm,n,f,c REF

= Parámetro que contiene los valores deseados para la fase de cada TRM(m,n), a la frecuencia f considerada y para la forma de haz RF c considerada.

SfMIN

= es el mínimo valor obtenido para la amplitud de la señal (definida sobre la base de mediciones de fábrica) a la frecuencia f considerada.

SfMAX

= es el máximo valor deseado para la amplitud de la señal (definida sobre la base de mediciones de fábrica) a la frecuencia f considerada.

Ec.3-07 ϕm,n,f,c

old ϵ(0,360) donde Am,n,f,c

old indica los bits de

atenuación (con un alcance [0,2Na

-1] asociado a la calibración previa y ∆A es la cuantificación del paso para la atenuación

Ec.3-08

Ec.3-09 Mínima atenuación insertada por lo TRMs:

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amax

Máxima atenuación insertada por los TRMs, k=1: NTRM (donde NTRM es el número de módulos de la antena AESA 2, NTRM =16x54 = 864 y (m,n) identifica, respectivamente, filas y columnas del k

avo TRM)

Corrección de la señal de fondo dada la p

avo antena de

calibración 3 que ha sido usada para las mediciones sobre el módulo TRM(m,n): Ec,3-10

Corrección relacionada con la posición del TRM(m,n) respecto a la p

ava antena de calibración

3 que ha sido usada en las mediciones de calibración sobre el mencionado TRM(m,n) a través de los parámetros (contenidos en una predefinida base de datos) sm,n,f

amp,p , el

cual representa una corrección en amplitud a la frecuencia f considerada, y sm,n,f

phase,p, la

cual representa una corrección en fase a la frecuencia f considerada: Ec.3-11

Estas correcciones hacen posible compensar la variación en los valores de atenuación y fase debidas a los múltiples caminos de RF comprendidos entre el p

ava antena de calibración 3 y

los elementos radiantes 21 asociados a la TRM(m,n), de este modo sm,n,f

amp, y

sm,n,f phase

representan, haciendo referencia de nuevo por un momento a la Fig.3-01 las inserciones de amplitud y fase, respectivamente, del camino en recepción comprendido entre el puerto 12 y el elemento de radiación 14;

Ec.3-10

Ec.3-11 PRIMER COEFICIENTE DE CALIBRACIÓN DE AMPLITUD

Ec.3-12 Primer coeficiente de calibración de amplitud

Ec.3-13 Guardando fallas, para identificar fallas en TRM

Ec.3-14 Los TRMs para los cuales se obtuvieron, siendo considerados fallados.

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El nuevo coeficiente de atenuación del nuevo coeficiente de calibración, incluye; la agudeza de la configuración activa 25 para el TRM(m,n) a la frecuencia f considerada y para la forma del haz de RF c considerada. Ec.3-17. Nuevo coeficiente de fase de los nuevos coeficientes de calibración para el TRM(m,n) a la frecuencia f considerada y para la forma de haz RF c considerada. Ec.3-18 FINAL DEL CICLO Fracción final de cálculo de los coeficientes de calibración. Consecuen-temente sobre la base de los coeficientes de calibración descriptos, hacia el final de la ejecución de las etapas de cálculo de los nuevos índices de calibración (block 86) se obtiene:

El conjunto de coeficientes de calibración Am,n,f,c

new y ϕm,n,f,c

new para todos los TRMs a la

frecuencia f considerada y para la forma de haz RF c.

El conjunto de todos los pará-metros FDm,n,f,c

Rx, correspon-

dientes a los módulos TRMs fallados.

Los valores son usados directa-mente para las subsiguientes mediciones de calibración (block 83) si fueran necesarios. De lo contrario, si la calibración ha tenido éxito, los valores son cargados en los módulos TRM y son Ec.3-20.

SEGUNDO COEFICIENTE DE CALIBRACIÓN DE AMPLITUD

Ec.3-15 Coeficiente de corrección de fase Ec.3-16 ϕm,n,f,s

new= mod(sm,n,f,c

phase – ϕm,n,f,c

REF – ϕm,n,f,c

old , 360)

Donde ϕm,n,f,s

new ϵ[0,360) y la función mod(x,y) se obtiene como

resultado de la división x/y en numero entero

Ec.3-17 Donde Am,n,f,c

new representa una amplitud codificada en el

alcance [0,2NA

-1] y la función veces (x) que es el rendimiento como resultado de las x veces redondeadas al entero mas cercano

Ec.3-18 Donde ϕm,n,f,c

new es una fase codificada en el alcance

[0,2Np

-1]

Ec.3-19 Paso de cuantificación para la fase

Ec.3-20 Donde ϕm,n,f,c

array es un parámetro que comprende las

fases de puntería del haz RF.

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El valor de Sf MIN

, el cual es el umbral de amplitud utilizado para decidir cuando un TRM falla o no, debe ser evaluado durante las mediciones de calibración de fábrica. Previsto en lo que queda, vemos una descripción detallada de la calibración de una antena AESA, en ambos términos; de dispositivos de hardware necesarios para ejecutar la calibración, es decir la antena de calibración descripta previamente y una unidad de control y proceso que es acoplada a la mencionada antena de calibración y a la misma antena AESA, configurada para implementar el método de calibración descripto. En tales términos el algoritmo empleado para hacer la calibración, preferentemente implementado por un programa de software que corre sobre dicho proceso y la unidad de control. De las descripciones anteriores, la ventaja de la presente invención es fácilmente entendible. En particular, es importante resaltar el hecho de que desde la antena de calibración existe una porción de radiación instalada entre el plano tierra y la cubierta dieléctrica de la antena AESA. Existe una diferencia con la antena de calibración descripta en la patente US2004032365 (A1), la cual en cambio, desde que ésta fue diseñada para ser instalada y funcionar solo fuera de la cubierta dieléctrica, todo conduce a un aumento de las dimensiones externas de la antena AESA. Por lo tanto la sola mención de esta ventaja técnica hace que la presente invención completa una particular ventaja de aplicación en sistemas de radar transportables como las basadas en la antena AESA donde las dimensiones externas de la antena deben ser tan pequeñas como fuera posible. Por otra parte el método de calibración se manifiesta de acuerdo con la presente invención, tanto en el costo computacional como en términos de precisión, así como en el tiempo necesario para llevar a cabo la misma tarea en la antena AESA. Finalmente está claro que varias notificaciones pueden ser hechas a la presente invención, sin apartarse por ello del ámbito de protección definida en los anexos del requerimiento primitivo.

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