BRPI9906841B1 - antena de banda dupla - Google Patents

Abstract

"antena de banda dupla" uma antena de banda dupla com elementos de antena duplos, cada um incluindo um primeiro e um segundo elemento de antena (5b, 6b), para a transmissão e/ou recepção de radiação de freqüência de rádio em uma primeira banda de freqüência, relativamente baixa, e uma segunda banda de freqüência relativamente alta, respectivamente, e um dispositivo refletor (1) substancialmente planar, eletricamente condutor. cada primeiro elemento de antena (5b) é localizado próximo a um elemento associado (6b) dos segundos elementos de antena em um lado frontal do dispositivo refletor, de modo a definir primeiro e segundo feixes de radiação. o dispositivo refletor, em cada lado lateral do mesmo, é provido com uma porção de aresta formada como uma fenda (11, 12), a qual é aberta para o lado frontal do dito dispositivo refletor e que é dimensionada de modo a ampliar a largura de feixe de azimute do segundo feixe para um valor angular que está próximo àquele do primeiro feixe, sendo que ambos feixes terão substancialmente a mesma largura de azimute.

Description

“ANTENA DE BANDA DUPLA” A presente invenção diz respeito a uma antena de banda dupla, a qual compreende ao menos um primeiro elemento de antena e um segundo elemento de antena associado, para transmissão e/ou recepção de radiação de freqüência de rádio numa primeira banda de freqüência, relativamente baixa, e, numa segunda banda de freqüência, relativamente alta, respectivamente, e um dispositivo refletor substancialmente planar, eletricamente condutor, o dito ao menos um primeiro elemento de antena sendo localizado próximo ao dito segundo elemento de antena associado, de modo a formar ao menos um elemento de antena combinado em um lado frontal do dito dispositivo refletor e a definir primeiro e segundo feixes de radiação, respectivamente, cada uma possuindo uma largura de feixe de azimute específica sendo substancialmente simétrica com respeito a um plano central, longitudinal, perpendicularmente orientado em relação a dito dispositivo refletor planar e estendendo-se através do dito ao menos um elemento de antena combinado.

Recentemente, a demanda por antenas destinadas a aplicações sem fio, móvel, aumentou dramaticamente e há agora um número de sistemas com base em terra e em satélites para a comunicação sem fio, utilizando uma amplitude ampla de bandas de freqüência. Por conseguinte, há também uma necessidade de antenas que sejam operáveis em duas ou em mais bandas de freqüência, de preferência também com polarização dupla, a fim de realizar uma diversidade desejada da radiação de freqüência de rádio, recebida pela antena. Tal banda dupla, antenas duplamente polarizadas são especificamente úteis em antenas de estação de base.

Em virtude daqueles problemas de capacidade encontrados em sistemas já existentes de AMPS-800 e de GSM-900 MHz, muitos operadores adquiriram recentemente licenças também para a banda DCS-1800 ou para a banda PCS-1900 MHz, a saber, uma banda de freqüência muito mais elevada, a qual é amplamente separada daquela banda de freqüência mais baixa por aproximadamente um oitavo. Por conseguinte, para se fazer uso dos sítios existentes para as bandas de nova freqüência, uma maneira favorável de implementação do novo sistema é a de substituir as antenas existentes GSM ou AMPS por meio de antenas de banda dupla, operáveis, por exemplo nas bandas duplas GSM/DCS ou AMPS/PCS.

Uma antena de banda dupla da espécie mencionada no primeiro parágrafo é revelada no pedido de patente sueco 9704642-9 (Allgon AB), em que cada elemento antena duplo ou combinado compreende segmentos mutuamente paralelos, planares, acoplados com abertura, que são colocados um no topo do outro e sendo centralizados em relação a um ponto central de uma abertura em forma de cruz em uma camada plana de base que serve como um dispositivo refletor. Potência de microondas é alimentada de uma rede de alimentação em duas bandas de freqüência separadas, a potência de microondas em uma primeira banda de freqüência sendo alimentada através da abertura no dispositivo refletor para um primeiro segmento de radiação, e a potência de microondas em uma segunda banda de freqüência (a banda mais alta) sendo ãlimentada através da abertura no dispositivo refletor e através de um segmento de acoplamento e uma abertura igualmente em forma de cruz no primeiro segmento de radiação para um segundo segmento de radiação, o qual é menor e opera na banda de freqüência mais elevada.

Uma tal estrutura de antena com elementos de antena combinados tem mostrado ser muito vantajosa em produção e uso. Além disto, um problema prático que aparece com respeito à largura do feixe de radiação no lado frontal da antena. Em virtude dos diferentes comprimentos de onda, ou seja, 0,326 m e 0,167 m, respectivamente, a largura de cada feixe em azimute, medido como a metade do limite de potência (-3 dB), será bastante diferente uma da outra, o feixe na banda de freqüência mais baixa sendo muito mais amplo do que o feixe na banda de freqüência mais elevada.

Por conseguinte, um objetivo principal da presente invenção é o de prover uma estrutura de antena de banda dupla, a qual permite uma modificação na largura de feixe na banda de freqüência mais alta, em particular de modo a se tomar próxima à largura de feixe na banda de freqüência mais baixa.

Outros objetivos secundários são os de prover uma estrutura de antena que é fácil de ser implementada na produção em série e que é bem adequada para o uso prático na operação de estações de base em ao menos duas bandas de freqüência, incluindo bandas tendo freqüências centrais nas regiões de 800-950 MHz. Ainda um outro objetivo é o de atingir uma relação entre fronte para traseira mais favorável da potência irradiada. O objetivo principal, mencionado acima, é atingido, de acordo com a presente invenção, pelo fato de que o dispositivo refletor, em cada lado lateral do mesmo, é provido com uma porção de aresta formada como uma fenda, a qual é aberta para o lado frontal do dispositivo refletor e que é dimensionada de modo a ampliar a largura de feixe do dito segundo feixe (na banda de freqüência mais alta), em particular para um valor angular que está próximo daquele do dito primeiro feixe (na banda de freqüência mais baixa). A ampliação do feixe na banda de freqüência mais alta é causada por meio de uma radiação secundária, com um componente de campo elétrico horizontal, das porções de aresta do dispositivo refletor.

Configuração e dimensões exatas das fendas são dependentes, evidentemente, dentre outras, das bandas de freqüência particulares que estão sendo empregadas, a configuração dos elementos de antena combinados, a configuração do dispositivo refletor, e a geometria e o material da tampa ou redoma normalmente montada como uma tampa de proteção no lado frontal da antena.

Como uma regra geral, todavia, testes mostraram que a profundidade da fenda deve ser de 0,1 até 0,3 vezes o comprimento de onda da radiação na dita segunda banda de freqüência (a banda de freqüência relativamente alta) e a largura da fenda deve ser cerca de 0,2 vezes o comprimento de onda acima mencionado. Normalmente, a fenda tem tais dimensões, que ela tem apenas um menor efeito sobre a largura e outras propriedades do feixe na primeira banda de freqüência (a banda de freqüência mais baixa). A largura lateral típica de todo dispositivo refletor é de 0,2 até 0,3 m, em particular, cerca de 0,25 m até 0,28 m para uma antena com uma largura de feixe de azimute de 70° (ou cerca de 1,5 vezes o comprimento de onda na banda de freqüência mais alta) e a largura de cada fenda longitudinal, nas arestas do refletor, é de cerca de 0,033 m (ou cerca de 0,2 vezes o comprimento de onda na banda de freqüência mais alta). A configuração geométrica das fendas pode ser selecionada como desejada por aqueles especializados na arte, por exemplo, com uma seção transversal retangular, arqueada ou em forma de V. Por razões práticas, a fenda é definida, de preferência, por porções de parede substancialmente planares, que se estendem longitudinalmente, tal como duas porções de parede laterais e uma porção de parede de fundo intermediária, obtidas por meio do encurvamento de um material de folha metálica, tal como alumínio, de preferência, em uma peça com o resto do dispositivo refletor.

Em uma forma de realização particular, a qual foi testada e provada para fornecer uma excelente performance, a porção central do dispositivo refletor, entre as porções de aresta sendo formada como fendas, é limitada lateralmente ou pelos lados por meio de porções de parede eretas, laterais, e longitudinalmente ao longo de um arranjo linear de sete elementos de antena duplos (segmentos empilhados) por meio de elementos de parede de blindagem metálicos (alumínio) que se estendem transversalmente na região entre cada par de elementos duplos adjacentes no arranjo linear. O comprimento total desta antena, incluindo a redoma frontal, é de 1,2 m, a largura total da mesma é de 0,3 m e a profundidade ou espessura da mesma é de 0,11 m. A invenção será agora explicada ainda com referência aos desenhos em anexo, que ilustram a forma de realização preferida, acima mencionada, da antena de banda dupla. A figura 1 mostra esquematicamente, em uma vista em perspectiva, explodida, as partes mais essenciais da antena (dois cabos de alimentação e uma tampa frontal de proteção ou redoma sendo retirada, para clareza); a figura 2 mostra, igualmente em uma vista explodida, uma seção transversal da antena mostrada na figura 1, no segundo elemento de antena. A antena de banda dupla, de acordo com a invenção, na forma de realização preferida mostrada nas figuras 1 e 2, consiste essencialmente de uma camada plana de base servindo como um dispositivo refletor 1, uma rede de alimentação (não mostrada especificamente) formada no lado inferior de uma camada de substrato 2, conduzindo eletricamente gaiolas de blindagem 3a, 3b, etc. servindo para impedir a propagação de microondas para trás (para baixo nas figuras 1 e 2), e segmentos de acoplamento e de radiação 4a, 5a, 6a; 4b, 5b, 6b; etc., constituindo elementos de antena duplos ou combinados 7a, 7b, etc. Sendo montados em um arranjo linear ao longo do eixo longitudinal da antena alongada.

Cada elemento de antena combinado, por exemplo, o elemento 7b visível na figura 2, é da espécie geral descrita no pedido de patente Sueco 9704642-9, acima descrito, por exemplo, compreendendo dois segmentos de radiação planares, mutuamente paralelos, 5b, 6b sendo alimentados com potência de microondas a partir da rede de alimentação no substrato 2 através de uma abertura em forma de cruz (não visível na figura 1) na camada plana de base ou refletor 1, este sendo uma parte da rede e cabo de alimentação associado que alimenta potência em uma polarização linear (inclinado por +45°) e uma outra parte da rede e um cabo de alimentação associado que alimenta potência em uma polarização ortogonal (inclinado por - 45°). A potência de microondas é suprida em duas bandas de freqüência separadas, nomeadamente uma banda mais baixa 880-960 MHz (GSM) e uma banda mais alta 1710-1880 MHz (DCS), a potência na banda mais baixa sendo alimentada ao segmento algo maior 5b, do qual ela é radiada geralmente para cima (nas figuras do desenho) em um feixe bem definido, e a potência na banda superior sendo alimentada para o segmento menor 6b, do qual ela radiada geralmente para cima, igualmente em um feixe bem definido. A potência de microondas na banda mais alta, a qual deve ser radiada do segmento 6b, é transferida da rede de alimentação através de uma abertura em forma de cruz 9b (figura 1) no segmento de radiação 5b, como explicado no pedido de patente Sueco 9704642-9, acima mencionado, a descrição do mesmo sendo aqui incluída para referência. O segmento intermediário 4b, relativamente pequeno, tendo aproximadamente as mesmas dimensões que o segmento de radiação 6b, relativamente pequeno, serve como um membro de acoplamento que é necessário para a transferência de potência de microondas da rede de alimentação para o segmento de radiação 6b. A camada de substrato 2 é feita de um material de Teflon, por exemplo, da espécie designada DICLAD 527, e os segmentos localizados no topo um do outro são separados por elementos espaçadores (não mostrados) ou, altemativamente, um material de espuma (não mostrado), por exemplo, da espécie designada como ROHACELL. A polarização dupla e a diversidade de acompanhamento são atingidas em cada banda por meio de polarização linear ortogonal obtida por meio de excitação das fendas respectivas, mutuamente perpendiculares, em cada abertura (não mostrada) no dispositivo refletor, as fendas sendo inclinadas em 45° em direções opostas em relação ao eixo longitudinal central da antena. A polarização linear, a qual é perpendicular à fenda respectiva, também será orientada à maneira de cruz com uma inclinação correspondente de 45°. O espaçamento entre os segmentos de radiação menores 6a, 6b, etc., operando na banda mais superior, é aproximadamente um comprimento de onda, isto é, cerca de 0,17 m, e o espaçamento entre os r segmentos de radiação maiores 5 a, 5b, etc. E naturalmente o mesmo em unidades de comprimento absolutas (mas menores em termos de comprimentos de onda, uma vez que os segmentos em cada elemento de antena combinado são centralizados em relação um ao outro e em relação a centro da abertura associada em forma de cruz.

Medições mostraram que perda de retomo de entrada, o isolamento entre os canais polarizados duplos e as bandas de duas ffeqüências bem como as propriedades de radiação e ganho, todos, têm valores muito bons. Especificamente, foi verificado que o nível de polarização transversal na antena de inclinação de 45° foi substancialmente reduzido em virtude do fato de que os componentes de campo horizontal e vertical, ambos, têm aproximadamente a mesma largura de feixe. Também, a relação de fronte para traseira da potência radiada foi melhorada, especificamente na banda superior. O isolamento inter-canal (cada canal correspondendo a uma certa polarização) foi melhorado, primariamente por meio de elementos de parede de blindagem 8, metálicos (figura 1), mondados transversalmente na região entre cada par de elementos de antena dupla adjacente. O isolamento inter-canal também foi vantajosamente afetado por fazer os segmentos de radiação ligeiramente retangulares, isto é, não exatamente quadrados, com uma aresta lateral mais longa por cerca de 1 até 5 do que a outra aresta lateral.

Além disto, de acordo com a presente invenção, a largura dos feixes radiados da antena para o lado frontal da mesma (para cima nas figuras do desenho) é virtualmente a mesma naquelas duas bandas de freqüência separadas. Assim, em ambas as bandas, a largura de feixe é 72° em azimute, ou 36° simetricamente em ambos os lados de um plano central, longitudinal, que é perpendicular ao plano do refletor 1 através dos pontos centrais dos vários segmentos e das aberturas em forma de cruz.

As larguras de feixe coincidentes foram atingidas por meio de uma configuração específica do dispositivo de refletor 1 nas porções de aresta longitudinal do mesmo, na forma de fendas 11, 12 que se estendem longitudinalmente, em cada lado lateral do dispositivo de refletor 1. Estas fendas 11,12 são abertas ou voltadas para o lado frontal da antena (para cima nas figuras do desenho) e são definidas por porções de parede substancialmente planares, as porções de parede laterais 11a, 11b; 12a, 12b e uma porção de parede de fundo intermediária 11c, 12c, formada por meio do encurvamento do material de folha de metal do refletor 1, o qual é assim formado em uma peça integral. A porção central 10 do dispositivo refletor 1 é planar e suporta os segmentos (4b, 5b, 6b na figura 2) no lado frontal e a camada de substrato e as gaiolas de blindagem (2 e 3b na figura 2) no lado de trás. A porção 10 central, planar, funde-se com porções de parede 13, 14 inclinadas ligeiramente para fora, projetando-se para cima, e porções de parede horizontais 15, 16, que, por sua vez, se fundem com as porções de parede 11a, 12a definindo a parede interna da respectiva fenda.

As dimensões daquelas fendas estão em conformidade com as especificações indicadas na primeira parte, geral, da descrição, a largura de cada fenda sendo 33,5 mm e a profundidade da mesma sendo de 22 mm. Com tais dimensões, foi verificado que a largura de feixe na banda superior, a qual apresenta um comprimento de onda de freqüência de centro de 167 mm, é substancialmente ampliada, de tal maneira a coincidir com aquela da banda inferior, tendo um comprimento de onda de freqüência de centro de 326 mm. A largura de feixe da banda inferior não é muito afetada pelas irregularidades relativamente pequenas das fendas 11, 12, mas é preferivelmente determinada pela largura total do dispositivo refletor, largura total esta sendo de 265 mm no exemplo ilustrado. Como aparece da figura 2, as porções de parede de fundo 11c, 12c das fendas são ligeiramente elevadas em relação à porção central 10 do dispositivo refletor 1. A antena de banda dupla, de acordo com a invenção, pode ser modificada consideravelmente dentro do escopo das reivindicações apensas. Assim, a forma e dimensões particulares daquelas fendas 11, 12 podem ser variadas. As fendas podem, altemativamente, ser projetadas como elementos de metal separados, montados em cada lado lateral do dispositivo refletor.

Os segmentos de radiação 5b, 6b podem ser substituídos por outros tipos de elementos de antena duplos ou combinados, tais como aquelas estruturas de dipolo. Além disto, a antena pode ser provida com apenas um elemento de antena combinado, em vez de um arranjo linear. A porção central 10 do dispositivo refletor pode ser formado de um material sintético, por exemplo, Teflon, revestido com um material condutor de eletricidade.

Finalmente, polarização circular pode ser utilizada, em vez de polarização cruzada, contanto que aqueles dois canais de alimentação sejam combinados por um acoplador de linha de ramo de banda larga, híbrido, em quadratura.

Claims (9)

1. Antena de banda dupla, compreendendo: - ao menos um primeiro elemento de antena (5b) e um segundo elemento de antena (6b) associado, para transmissão e/ou recepção de radiação de frequência de rádio numa primeira banda de frequência relativamente baixa e numa segunda banda de frequência relativamente alta, respectivamente, e - um dispositivo refletor (1) planar, eletricamente condutor, - o dito ao menos um primeiro elemento de antena (5b) sendo localizado próximo ao dito segundo elemento de antena (6b) associado, para formar ao menos um elemento de antena (7b) combinado num lado frontal do dito dispositivo refletor e para definir primeiro e segundo feixes de radiação, respectivamente, cada tendo uma largura de feixe de azimute específica, que é simétrica com respeito a um plano central, longitudinal, perpendicularmente orientado em relação a tal dispositivo refletor planar e que se estende através do dito ao menos um demento de antena (7b) combinado, caracterizada pelo fato de que: - o dispositivo refletor (1), em cada lado lateral do dito plano central, longitudinal, é provido com uma porção de aresta formada como uma fenda (11, 12), a qual é aberta para o dito lado frontal do referido dispositivo refletor, - a profundidade daquela fenda (11, 12) é de 0,1 até 0,3 vezes o comprimento de onda da radiação na referida segunda banda de frequência relativamente alta, e - a largura daquela fenda (11,12) é 0,2 vezes o comprimento de onda da radiação na referida segunda banda de frequência relati vamente alta,

2. Antena de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que tal largura de feixe de azimute do dito segundo feixe é ampliada para um valor angular que é próximo àquele do referido primeiro feixe, sendo que ambos os feixes terão a mesma largura de feixe de azimute.

3. Antena de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que tal ao menos um elemento de antena (7b) combinado compreende ao menos dois elementos de segmento (5b, 6b).

4. Antena de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que os ditos elementos de segmento (5b, 6b) são empilhados um em cima do outro em cada elemento de antena (7b) combinado.

5. Antena de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dito ao menos um elemento de antena (7a, 7b, etc.) combinado compreende ao menos dois elementos dispostos num arranjo linear ao longo do dito plano central, longitudinal.

6. Antena de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de elementos de parede de blindagem metálica (8) estenderem-se de forma transversal numa região entre elementos de antena combinados adjacentes no dito arranjo linear.

7. Antena de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a fenda em cada porção de aresta é definida por porções de parede planares (11a, 11b, 11c; 12a, 12b, 12c) que se estendem longitudinalmente.

8. Antena de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que as ditas porções de parede compreendem duas porções de parede laterais (11a, 1 lb; 12a, 12b) e uma porção de parede de fundo (11c, 12c).

9. Antena de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que: - uma freqüência de centro da dita primeira banda de freqüência está na região de 800-950 MHz, e uma freqüência de centro da dita segunda banda de freqüência está na região de 1750-1950 MHz, e - a largura total do dito dispositivo refletor, incluindo as ditas fendas em suas arestas longitudinais, é de 0,2 até 0,3 m.