ES2241378T3 - Antenas multinivel. - Google Patents

Abstract

Antenas en las que el elemento radiante respectivo contiene al menos una estructura multinivel formada por conjuncto de elementos geométricos (polígonos o poliedros) similares acoplados electromagnéticamente y agrupados de tal manera que en la estructura de la antena se distinguen cada uno de los elementos básicos que la componen. El diseño está realizado de modo que aporta dos importantes ventajas: la antena puede operar simultáneamente en varias frecuencias y/o su tamaño puede reducirse significativamente. De esta manera se puede conseguir un comportamiento radioeléctrico multibanda, es decir, un comportamiento similar a diferentes bandas de frecuencia.

Description

Antenas multinivel.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a antenas formadas por un conjunto de elementos geométricos (polígonos, poliedros) similares acoplados electromagnéticamente y agrupados de tal manera que en la estructura de la antena se distinguen cada uno de los elementos básicos que la componen.

De manera más concreta, se refiere a un diseño geométrico particular de dichas antenas mediante el que se aportan dos ventajas fundamentales: la antena puede operar simultáneamente en varias frecuencias y/o su tamaño puede reducirse significativamente.

La presente invención tiene su aplicación principalmente dentro del campo de las telecomunicaciones y más concretamente en los sistemas de radiocomunicación.

Antecedentes y sumario de la invención

Las antenas empezaron a desarrollarse a finales del siglo pasado a partir de que James C. Maxwell en 1864 postulara las leyes fundamentales del electromagnetismo. Debe atribuirse a Heinrich Hertz en 1886 el invento de la primera antena con la que demostraba la transmisión en el aire de las ondas electromagnéticas. A mediados de los años cuarenta se demostraron las restricciones fundamentales de las antenas en cuanto a su reducción de tamaño relativo a la longitud de onda y a principios de los años sesenta aparecieron las primeras antenas independientes de la frecuencia. Se propusieron por aquel entonces hélices, espirales, agrupaciones logoperiódicas, conos y estructuras definidas exclusivamente por ángulos para la realización de antenas de banda ancha.

En 1995, la patente española nº 91501019 (nº de publicación 2.112.163) presentó las antenas de tipo fractal o multifractal, que debido a su geometría presentaron un comportamiento multifrecuencial y en algunos casos una dimensión reducida. En esta patente, la antena está diseñada de acuerdo con los principios de la geometría fractal, en los que la antena tiene una estructura auto-similar derivada de la repetición de un motivo geométrico o generador.

Más tarde se introdujeron las antenas multitriangulares (patente 9800954) que funcionaban simultáneamente en las bandas GSM 900 y GSM 1800.

Las antenas descritas en la presente patente tienen su origen en las antenas de tipo fractal y multitriangular, aunque solventan varios problemas de tipo práctico que limitan el comportamiento de dichas antenas y reducen su aplicabilidad en entornos reales.

Desde el punto de vista científico, las antenas estrictamente fractales son irrealizables puesto que los objetos fractales son una abstracción matemática que incluye un número infinito de elementos; si bien es posible generar antenas cuya forma esté basada en tales objetos fractales incorporando un número finito de iteraciones, las prestaciones de dichas antenas están limitadas a la geometría particular de la antena. Por ejemplo, la posición de las bandas y su espaciado relativo está ligado a la geometría fractal, y no siempre es factible, viable o económico diseñar la antena manteniendo su apariencia fractal y posicionando al mismo tiempo las bandas en su lugar adecuado del espectro radioeléctrico. Sin ir más lejos, el efecto de truncamiento supone un claro ejemplo de la limitación que supone utilizar una antena de tipo fractal real que intente aproximar el comportamiento teórico de la antena fractal ideal. Dicho efecto rompe el comportamiento de la estructura fractal ideal en la banda inferior, desplazándola respecto a su posición teórica relativa a las demás bandas y haciendo, en definitiva, que la antena deba presentar un tamaño desmesurado que dificulta su aplicación práctica.

Además de dichos problemas de tipo práctico, no siempre es posible modificar la estructura fractal para presentar el nivel de impedancia o el diagrama de radiación que se adecuen a las necesidades de cada aplicación. Por todos estos motivos, a menudo es necesario apartarse de la geometría fractal y recurrir a otro tipo de geometrías que ofrecen una mayor flexibilidad y versatilidad en cuanto a posición de las bandas frecuenciales de la antena, niveles de adaptación e impedancias, polarización y diagramas de radiación.

Las estructuras multitriangulares (Patente nº 9800954) eran un ejemplo de estructuras no fractales cuya geometría estaba diseñada para que las antenas pudieran ser utilizadas en estaciones base de telefonía celular GSM y DCS. Las antenas descritas en dicha patente estaban formadas por tres triángulos unidos exclusivamente por sus vértices, del tamaño adecuado para operar en las bandas 890 MHz - 960 MHz y 1710 MHz - 1880 MHz. Se trataba de una solución particular, pensada para un entorno concreto, y que no recogía la versatilidad y flexibilidad necesarias para abordar otros diseños de antena para otros entornos.

Las antenas multinivel vienen a solventar las limitaciones operativas de las antenas fractales y multitriangulares. Su geometría es mucho más flexible, rica y variada, permitiendo la operación de la antena desde tan solo dos hasta múltiples bandas, así como una mayor versatilidad en cuanto a diagramas, posiciones de las bandas y niveles de impedancia por poner algunos ejemplos. Sin ser fractales, las antenas multinivel se caracterizan por estar compuestas por una serie de elementos que se distinguen en el global de la estructura. Precisamente por el hecho de mostrar claramente varios niveles de detalle (el de la estructura global y el de los elementos individuales que la componen), las antenas ofrecen un comportamiento multibanda y/o un tamaño reducido. Su nombre también tiene su origen en tal propiedad característica.

La presente invención consiste en una antena cuyo elemento radiante se caracteriza por su forma geométrica, que está constituida básicamente por varios polígonos o poliedros del mismo tipo. Es decir constituida, por ejemplo, por triángulos o bien cuadrados, pentágonos, hexágonos, e incluso círculos o elipses como caso límite de polígonos con un gran número de lados, así como tetraedros, hexaedros, prismas, dodecaedros, etc.), acoplados entre sí eléctricamente (ya sea a través de al menos un punto de contacto, como a través de una pequeña separación que proporcione un acoplamiento capacitivo) y agrupados en estructuras de nivel superior de manera que en el cuerpo de la antena se siguen distinguiendo los elementos poligonales o poliédricos que la componen. A su vez, las estructuras así generadas pueden agruparse en estructuras de nivel superior de forma análoga a como lo hacen los elementos básicos, y así sucesivamente hasta llegar a tantos niveles como el diseñador de la antena desee.

La denominación de antena multinivel proviene precisamente del hecho que en el cuerpo de la antena se distinguen al menos dos niveles de detalle; el de la estructura global y el de la mayoría de los elementos (polígonos o poliedros) que la constituyen. Ello se consigue garantizando que la zona de contacto o intersección (en caso de existir) entre la mayoría de los elementos que componen la antena sea únicamente una fracción del perímetro o área circundante de tales polígonos o poliedros.

Una de las particularidades de las antenas multinivel es que su comportamiento radioeléctrico puede ser similar en múltiples bandas frecuenciales. Los parámetros de entrada de la antena (impedancia y diagrama de radiación) se mantienen parecidos en múltiples bandas frecuenciales (es decir, la antena presenta la misma cota de adaptación o relación de onda estacionaria en las distintas bandas) y a menudo, la antena presenta prácticamente los mismos diagramas de radiación a distintas frecuencias. Esta propiedad se debe precisamente a la estructura multinivel de la antena, es decir, al hecho de que en la estructura de la antena se sigan distinguiendo la mayoría de los elementos básicos (polígonos o poliedros de la misma categoría) que la componen. El número de bandas frecuenciales es proporcional al número de escalas o tamaños de los elementos poligonales o de los conjuntos similares en que se agrupan, contenidos en la geometría del elemento radiante principal.

Además de su comportamiento multibanda, las antenas de estructura multinivel suelen presentar un tamaño más reducido del habitual comparado con otras antenas de estructura más simple (por ejemplo constituidas por un único polígono o poliedro). Ello se debe a que el camino que recorre la corriente eléctrica sobre la estructura multinivel es más tortuoso y largo que en el caso de una geometría simple, debido precisamente a los vacíos existentes entre los distintos elementos poligonales o poliédricos. Tales vacíos fuerzan un determinado camino para la corriente (que precisamente debe evitar esos huecos), recorriendo una mayor longitud y por lo tanto resonando a una frecuencia inferior. Además, su geometría rica en aristas y discontinuidades facilita el proceso de radiación, incrementando relativamente la resistencia de radiación de la antena y reduciendo el factor de calidad Q, es decir aumentando su ancho de banda.

Por lo tanto, una antena multinivel tiene una dimensión reducida comparada con una antena circular, cuadrada o triangular, cuyo perímetro se puede circunscribir en la estructura multinivel y que funciona en la misma frecuencia de resonancia.

Así pues, las características fundamentales de las antenas multinivel son:

- Su geometría multinivel, constituida por polígonos o poliedros de la misma clase acoplados electromagnéticamente y agrupados para formar una estructura de tamaño superior. En la geometría multinivel, la mayoría de los elementos son claramente visibles puesto que su zona de contacto, intersección o interconexión (en caso de existir) con el resto de elementos es siempre inferior al 50% de su perímetro.

- El comportamiento radioeléctrico derivado de su geometría: las antenas multinivel pueden presentar un comportamiento multibanda (el mismo comportamiento o similar en varias bandas frecuenciales) y/o operar a una frecuencia reducida, lo cual le permite reducir su tamaño.

Se describen ya en la literatura especializada algunos diseños de antena que permiten cubrir algunas pocas bandas, sin embargo en tales diseños el comportamiento multibanda se consigue a base de agrupar varias antenas individuales monobanda o de incorporar elementos reactivos en la antena (elementos concentrados como inductores o capacidades o sus versiones integradas tales como postes o hendiduras) que fuerzan la aparición de nuevas frecuencias de resonancia. Las antenas multinivel por el contrario basan su comportamiento en su particular geometría, ofreciendo una mayor flexibilidad al diseñador de la antena en cuanto al número de bandas (proporcional al número de niveles de detalle), su posición, espaciado relativo y anchura y por lo tanto, ofreciendo mejores y más variadas prestaciones al producto final.

La estructura multinivel puede utilizarse en cualquiera de las configuraciones conocidas para antenas. A modo de ejemplo y sin que ello suponga una limitación: dipolos, monopolos, antenas parche o microstrip, antenas coplanares, antenas de reflector, antenas enrolladas e incluso en baterías (arrays) de antenas. Las técnicas de fabricación tampoco son características de las antenas multinivel, pudiéndose utilizar la más adecuada para cada estructura o aplicación. A modo de ejemplo: impresión sobre substrato dieléctrico metalizado mediante fotolitografiado (técnica de circuito impreso); troquelado sobre plancha metálica, repulsado sobre dieléctrico, etc.

La publicación WO 97/06578 presenta una antena fractal para un teléfono celular.

Breve descripción de las figuras

Otras características y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de una realización preferida de la invención, tomada a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

La Figura 1 muestra un ejemplo particular de elemento multinivel constituido únicamente por polígonos de tipo triangular.

La Figura 2 muestra ejemplos de montaje de antenas multinivel en distintas configuraciones: monopolo (2.1), dipolo (2.2), parche (2.3), antena coplanar (2.4), bocina (2.5-2.6) y batería (array) (2.7).

La Figura 3 muestra ejemplos de estructuras multinivel basadas en triángulos.

La Figura 4 muestra ejemplos de estructuras multinivel basadas en paralepípedos.

La Figura 5 muestra ejemplos de estructuras multinivel basadas en pentágonos.

La Figura 6 muestra ejemplos de estructuras multinivel basadas en hexágonos.

La Figura 7 muestra ejemplos de estructuras multinivel basadas en poliedros.

La Figura 8 muestra un ejemplo de un modo concreto de funcionamiento de una antena multinivel en configuración parche para estaciones base de telefonía celular GSM (900 MHz) y DCS (1800 MHz).

La Figura 9 muestra los parámetros de entrada (pérdidas de retorno sobre 50 ohmios) de la antena multinivel descrita en la figura anterior.

La Figura 10 muestra los diagramas de radiación de la antena multinivel de la Figura 8: el plano horizontal y el vertical.

La Figura 11 muestra un ejemplo de un modo concreto de funcionamiento de un antena multinivel en configuración monopolo para sistemas de comunicación sin hilo en interiores o en entornos de acceso local a redes vía radio.

La Figura 12 muestra los parámetros de entrada (pérdidas de retorno sobre 50 ohmios) de la antena multinivel descrita en la figura anterior.

La Figura 13 muestra los diagramas de radiación para la antena multinivel de la Figura 11.

Descripción de la realización preferida de la invención

Para llevar a cabo la descripción detallada que sigue de la realización preferida de la presente invención, se hará referencia permanente a las Figuras de los dibujos, a través de las cuales se han utilizado las mismas referencias numéricas para las partes iguales o similares.

La presente invención consiste en una antena que contiene al menos un elemento constructivo en forma de estructura multinivel. Una estructura multinivel se caracteriza por estar formada a partir de la reunión de varios polígonos o poliedros del mismo tipo (a modo de ejemplo, triángulos, paralepípedos, pentágonos, hexágonos, etc., incluso círculos o elipses como casos límite de polígono con un gran número de lados, así como tetraedros, hexaedros, decaedros, dodecaedros, icosaedros, etc.) acoplados entre sí electromagnéticamente. El acoplo electromagnético se consigue bien por proximidad, bien por contacto directo entre elementos. Una estructura o figura multinivel se distingue de otra figura convencional precisamente por la interconexión (en caso de existir) entre los elementos que la constituyen (los polígonos o poliedros). En una estructura multinivel, al menos el 75% de los elementos que la componen tienen más del 50% de su perímetro (en el caso de polígonos) o superficie (en el caso de poliedros) liberado de contacto con cualquiera de los otros elementos que componen la estructura. Así pues, en la estructura multinivel es fácil reconocer geométricamente y distinguir individualmente a la mayoría de los elementos básicos que conforman la estructura, presentando al menos dos niveles de detalle: el de la estructura global y el de los elementos poligonales o poliédricos que la componen. La denominación de multinivel proviene precisamente de esta característica y del hecho que los polígonos o poliedros pueden incluirse en una gran variedad de tamaños; además, varias estructuras multinivel pueden agruparse y acoplarse electromagnéticamente entre sí formando estructuras de nivel superior. En una estructura multinivel todos los elementos constitutivos son polígonos con el mismo número de lados, o poliedros con el mismo número de caras. Lógicamente, esta característica se rompe cuando varias estructuras multinivel de distinta naturaleza se agrupan y acoplan electromagnéticamente entre si formando meta-estructuras de nivel superior.

De manera que, en las Figuras de la 1 a la 7 se muestran algunos casos particulares de estructuras multinivel.

En la Figura 1 se muestra un elemento multinivel constituido exclusivamente por triángulos de distinta forma y tamaño. Obsérvese como en este caso particular en dicha estructura se distinguen todos y cada uno de los elementos (triángulos, en negro) que la constituyen puesto que los triángulos únicamente se solapan en una pequeña región de su perímetro, en este caso concreto por los vértices.

En la Figura 2 se muestran ejemplos de montaje de antenas multinivel en distintas configuraciones: monopolo (21), dipolo (22), parche (23), antena coplanar (24), bocina de perfil (25) y de frente (26) y batería (array) (27). Con lo que cabe destacar que, cualquiera que sea su configuración, la antena multinivel se distingue de otras antenas por la geometría de su elemento radiante característico.

En la Figura 3 se muestran más ejemplos de estructuras multinivel (3.1-3.15) de origen triangular, todas ellas constituidas por triángulos. Obsérvese el caso (3.14) como evolución del caso (3.13); a pesar del contacto entre los 4 triángulos el 75% de los elementos (tres triángulos a excepción del central) tiene más del 50% de su perímetro liberado.

En la Figura 4 se describen estructuras multinivel (4.1-4.14) cuyo elemento constitutivo son paralepípedos (cuadrados, rectángulos, rombos...). Obsérvese que siempre se distinguen los elementos constitutivos de la estructura individualmente (al menos la mayoría de ellos).

En las Figuras 5, 6 y 7 se ilustran, a modo de ejemplo y en ningún caso con afán limitativo, otras estructuras de tipo multinivel basados en pentágonos, hexágonos y poliedros, respectivamente.

Es necesario enfatizar que la diferencia entre las antenas multinivel y otras antenas existentes radica en su particular geometría, no en su configuración como antena o en los materiales que se utilizan para su construcción. Así pues la estructura multinivel puede utilizarse en cualquiera de las configuraciones conocidas para antenas; a modo de ejemplo y sin que ello suponga una limitación: dipolos, monopolos, antenas parche o microstrip, antenas coplanares, antenas de reflector, antenas enrolladas e incluso en baterías (arrays) de antenas. En general, la estructura multinivel constituye parte del elemento radiante característico de tales configuraciones, como por ejemplo: el brazo, el plano de tierra o ambos componentes en un monopolo; un brazo o ambos en un dipolo; el parche o elemento impreso en el caso de una antena microstrip, parche o coplanar; el reflector en caso de una antena de reflector; o la sección cónica o incluso las paredes de la antena en el caso de una configuración tipo bocina. Incluso es posible escoger una configuración de antena tipo espira en la que la geometría del bucle o bucles sea el perímetro externo de una estructura multinivel. En definitiva, la diferencia entre una antena multinivel y una antena convencional, radica básicamente en la geometría del elemento radiante o de alguno de sus componentes y no en su configuración particular.

En cuanto a los materiales y tecnología de construcción, la implementación de antenas multinivel no está limitado a ninguna de ellos en particular, pudiéndose utilizar cualquiera de aquellas técnicas y materiales existentes o de futuro desarrollo que se estimen más convenientes para cada entorno o aplicación, puesto que su esencia inventiva radica en la geometría utilizada para la estructura multinivel y nunca en su configuración concreta. Así pues, la estructura multinivel puede construirse, por ejemplo, mediante láminas, piezas de material conductor o superconductor, mediante impresión en substratos dieléctricos (rígidos o flexibles) recubiertos de una capa metálica como si se tratara de circuitos impresos, mediante la imbricación de varios materiales dieléctricos que conformen la estructura multinivel, etc., siempre dependiendo de las necesidades específicas de cada caso y aplicación. Una vez construida la estructura multinivel, la implementación de la antena depende de la configuración elegida (antena monopolo, dipolo, parche, bocina, reflector...). En los casos monopolo,
espira, dipolo y parche, por ejemplo, se implementa la estructura multisimilar en un soporte metálico (un procedimiento sencillo consiste en aplicar un proceso de fotolitografiado a una placa dieléctrica virgen de circuito impreso) y se monta la estructura a un conector estándar de microondas, que en el caso del monopolo o parche, a su vez está conectado a un plano de tierra (típicamente una placa o carcasa metálica) como en cualquier otro caso de antena convencional. En el caso del dipolo, dos estructuras multinivel idénticas constituyen los dos brazos de la antena; en una antena de apertura, la geometría multinivel puede constituir la pared o parte de la pared metálica de la bocina o bien la sección transversal de la misma, y finalmente, en el caso de un reflector, el elemento multisimilar o un conjunto de los mismos puede constituir o recubrir el elemento reflectante.

Las propiedades más relevantes de las antenas multinivel se deben principalmente a su particular geometría y son: la posibilidad de operar simultáneamente en varias bandas frecuenciales de forma similar (diagramas de radiación e impedancia similares) y la posibilidad de reducir su tamaño respecto a otras antenas convencionales (basadas exclusivamente en un único polígono o poliedro). Tales propiedades son de especial relevancia en el entorno de los sistemas de comunicación. El hecho de operar simultáneamente en varias bandas frecuenciales permite que una única antena multinivel integre varios sistemas de comunicación en vez de dedicar una antena para cada sistema o servicio como suele hacerse convencionalmente. La reducción de tamaño es especialmente interesante cuando se trata de disimular la antena ya sea por su impacto visual en el paisaje urbano o rural, ya sea por su efecto anti-estético o anti-aerodinámico cuando la antena se incorpora a un vehículo o equipo de telecomunicación portátil.

Un ejemplo de la ventaja que supone utilizar una antena multibanda en un entorno real lo constituye la antena multinivel AM1, que se describe más adelante, para entornos GSM y DCS. Dichas antenas están diseñadas para cumplir las especificaciones radioeléctricas en ambos sistemas de telefonía celular. Utilizando una única antena multinivel GSM y DCS para ambas bandas (900 MHz y 1800 MHz) los operadores de telefonía celular pueden reducir el coste y el impacto ambiental de sus redes de estaciones base al mismo tiempo que aumentar el número de usuarios (clientes) que soporta la red.

Es especialmente relevante diferenciar las antenas multinivel de las antenas fractales. Tales antenas se basan en la geometría fractal, geometría basada en conceptos matemáticos abstractos de difícil implementación práctica. En la literatura científica especializada se suele definir como fractal aquellos objetos geométricos cuya dimensión de Haussdorf es un número no entero. Ello significa que los objetos fractales sólo existen como abstracción o concepto, pero que tales geometrías no son plasmables (en sentido estricto) en un objeto o gráfico tangible. Bien es verdad que antenas basadas en dicha geometría han sido desarrolladas y descritas ampliamente en la literatura científica, aunque su geometría no es, en términos científicos, estrictamente fractal. Si bien es verdad que algunas de tales antenas ofrecen un comportamiento multibanda (su diagrama de radiación e impedancia se mantiene prácticamente constante en varias bandas frecuenciales), no ofrecen por sí solas todas las prestaciones que se requiere de una antena para su aplicabilidad en un entorno práctico. Así pues la antena de Sierpinski por ejemplo, tiene un comportamiento multibanda con N bandas espaciadas frecuencialmente por un factor 2 y aunque en virtud de ese espaciado podría pensarse en su utilización en las redes de comunicaciones GSM 900 MHz y GSM 1800 MHz (o DCS), su inadecuado diagrama de radiación y su tamaño, a esas frecuencias, le impiden en la práctica ser utilizadas en un entorno real. En definitiva, para conseguir que una antena además de ofrecer un comportamiento multibanda cumpla con todas y cada una de las especificaciones que se le exigen en cada aplicación particular, casi siempre es necesario apartarse de la geometría fractal y recurrir, por ejemplo, a antenas de geometría multinivel. A modo de ejemplo, ninguna de las estructuras detalladas en las figuras 1, 3, 4, 5 y 6 son fractales. Todas tienen una dimensión de Hausdorff igual a 2, que coincide con su dimensión topológica. Análogamente, ninguna de las estructuras multinivel de la figura 7 son fractales, siendo su dimensión de Hausdorff igual a 3, coincidiendo con su dimensión topológica.

No debería confundirse en ningún caso las estructuras multinivel con las agrupaciones de antenas (o arrays). Si bien es verdad que una agrupación esta constituida por un conjunto de antenas iguales, en una agrupación o array se suele pretender que los elementos estén desacoplados electromagnéticamente, justamente lo contrario de lo que se persigue en las antenas multinivel. En una agrupación de antenas todos y cada uno de los elementos suelen alimentarse individualmente, bien mediante transmisores o receptores de señal específicos para cada elemento, bien mediante una red de distribución de señal, mientras que en una antena multinivel se excita la estructura en algunos pocos de sus elementos y los restantes se acoplan electromagnéticamente o por contacto directo (en una región no superior al 50% del perímetro o superficie de los elementos colindantes). En una agrupación de antenas se busca aumentar la directividad de una antena individual o conformar el diagrama para una aplicación concreta; en una antena multinivel se persigue obtener un comportamiento multibanda o bien una reducción del tamaño de la antena, lo cual supone una aplicación absolutamente distinta a la de las agrupaciones. En adelante, para no confundir las agrupaciones de polígonos en estructuras multinivel con las agrupaciones clásicas de antenas se reservará para estas últimas la denominación de array.

A continuación se describen como ejemplo, no limitativo e ilustrativo, dos modos particulares de funcionamiento de Antenas Multinivel (AM1 y AM2) para un entorno y aplicación concretos.

Modo AM1

Este modelo consiste en una antena tipo parche multinivel, representada en la Figura 8, que opera simultáneamente en las bandas de GSM 900 (890 MHz - 960 MHz) y GSM 1800 (1710 MHz - 1880 MHz) y ofrece un diagrama de radiación sectorial en el plano horizontal. La antena está pensada principalmente (aunque no limitada a ello) para el uso en estaciones base de telefonía celular GSM 900 y 1800.

La estructura multinivel (8.10), o parche de la antena, está formada por una lámina de cobre de impresa sobre una placa de circuito impreso de fibra de vidrio estándar. La geometría multinivel la constituyen 5 triángulos (8.1-8.5) unidos por la zona del vértice tal y como se indica en la Figura 8, con un perímetro externo en forma de triángulo equilátero de 13.9 cm de altura (8.6). El triángulo inferior tiene una altura (8.7) de 8.2 cm y conjuntamente con los dos triángulos adicionales adyacentes configuran una estructura de perímetro triangular de 10.7 cm de altura (8.8).

El parche multinivel (8.10) se monta paralelamente a un plano de tierra (8.9) de aluminio rectangular de 22 x 18.5 cm. La separación entre el parche y el plano de tierra es de 3.3 cm, separación que se mantiene con un par de espaciadores dieléctricos que actúan a modo de soporte (8.12).

La conexión a la antena se realiza en dos puntos de la estructura multinivel, uno para cada banda de funcionamiento (GSM 900 y GSM 1800). La excitación se produce mediante un poste metálico vertical perpendicular al plano de tierra y a la estructura multinivel, terminado capacitivamente mediante una chapa metálica que se acopla eléctricamente por proximidad (efecto capacitivo) al parche. Se trata de un sistema habitual en antenas en configuración parche, mediante el cual se persigue compensar el efecto inductivo del poste con el efecto capacitivo de su terminación.

En la base del poste de excitación se conecta el circuito que interconecta el elemento y el puerto de acceso a la antena o conector (8.13). Dicho circuito de interconexión (8.11) puede realizarse en tecnología microstrip, coaxial o strip-line, por poner algunos ejemplos, e incorpora redes de adaptación convencionales que transforman la impedancia medida en la base del poste a los 50 ohmios (con una tolerancia típica en la Relación de Onda Estacionaria (ROE) típica en estas aplicaciones menor de 1.5) que se requieren en el conector de entrada / salida de la antena. Dicho conector suele ser de tipo N o SMA en entornos de estaciones base para micro-celda.

Además de adaptar impedancia y proporcionar la interconexión con el elemento radiante, la red de interconexión (8.11) puede integrar un diplexor, permitiendo que la antena se presente en una configuración de dos conectores (uno para cada banda) o bien un único conector para ambas bandas.

En el caso de una configuración de doble conector, para aumentar el aislamiento entre los terminales GSM 900 y el GSM 1800 (DCS), se puede conectar en la base del poste de excitación en la banda DCS un stub paralelo de longitud eléctrica igual a media longitud de onda, en la frecuencia central de DCS, y terminado en circuito abierto. Análogamente, en la base del hilo de GSM 900 se podrá conectar un stub paralelo terminado en circuito abierto de longitud eléctrica ligeramente superior a un cuarto de longitud de onda a la frecuencia central de la banda GSM. Dicho stub introduce una capacidad en la base de la conexión que puede ser ajustada para compensar el efecto inductivo residual que presenta el poste. Además, dicho stub presenta una muy baja impedancia en la banda de DCS, lo que contribuye a aumentar el aislamiento entre conectores en dicha banda.

En las Figuras 9 y 10 se muestra el comportamiento radioeléctrico típico de esta realización concreta de antena multinivel dual.

En la Figura 9 se muestran las pérdidas de retorno (L_{r}) en GSM (9.1) y DCS (9.2), típicamente por debajo de -14 dB (que es a efectos equivalente a ROE <1.5), por lo que la antena está bien adaptada en ambas bandas de funcionamiento (890 MHz-960 MHz y 1710 MHz-1880 MHz).

Los diagramas de radiación del plano vertical (10.1 y 10.3) y del plano horizontal (10.2 y 10.4) en ambas bandas se muestran en la Figura 10. Se observa claramente que ambas antenas radian mediante un lóbulo principal en la dirección perpendicular (10.1 y 10.3) a la antena, y que en el plano horizontal (10.2 y 10.4) ambos diagramas son del tipo sectorial, con un ancho de haz típico a 3 dB de 65º. La directividad (d) típica en ambas bandas es d>7 Db.

Modo AM2

Este modelo consiste en un antena multinivel en configuración monopolo, representada en la Figura 11, para sistemas de comunicación sin hilo en interiores o en entornos de acceso local a redes vía radio.

La antena opera de forma similar simultáneamente en las bandas 1880 MHz-1930 MHz y 3400 MHz-3600 MHz, por ejemplo en instalaciones con el sistema DECT. La estructura multinivel esta formada por tres o cinco triángulos (ver Figura 11 y Figura 3.6) a los que se añade un bucle inductivo (11.1). La antena presenta un diagrama de radiación omnidireccional en el plano horizontal y esta principalmente pensada (aunque no limitada a ello) para montaje en techo o suelo.

La estructura multinivel está impresa sobre un substrato dieléctrico (11.2) Rogers® RO4003 de 5.5 cm de anchura, 4.9 cm de altura y 0.8 mm de grosor, y de permitividad dieléctrica igual a 3.38. El elemento multinivel se compone de tres triángulos (11.3-11.5) unidos por la zona del vértice; el triángulo (11.3) inferior tiene una altura de 1.82 cm, mientras que la estructura multinivel tiene una altura total de 2.72 cm. Para reducir el tamaño global de la antena, al elemento multinivel se le añade un bucle inductivo (11.1) en la parte superior, con forma trapezoidal en esta aplicación concreta, con lo que el tamaño total del elemento radiante es de 4.5 cm.

La estructura multinivel se monta perpendicularmente sobre un plano de tierra (11.6) metálico (de aluminio por ejemplo) de sección cuadrada o circular con unos 18 cm de lado o diámetro respectivamente. El vértice inferior del elemento se coloca en el centro del plano de tierra y constituye el punto de excitación de la antena. En ese punto se conecta la red de interconexión que enlaza el elemento radiante con el conector de entrada/salida. Dicha red de interconexión puede implementarse en tecnología microstrip, strip-line o coaxial (por citar algunos ejemplos) aunque en esta realización concreta se eligió la configuración microstrip. Además de la interconexión entre elemento radiante y conector, la red puede utilizarse como transformador de impedancias, adaptando la impedancia en el vértice del elemento multinivel con los 50 Ohmios (L_{r}<-14 dB, ROE <1.5) que se requieren en el conector de entrada / salida.

Las Figuras 12 y 13 resumen el comportamiento radioeléctrico de la antena en las bandas inferior (1900) y superior (3500).

En la Figura 12 se muestra la relación de onda estacionaria (ROE) en ambas bandas: la figura 12.1 para la banda entre 1880 y 1930 MHz, y la figura 12.2 para la banda entre 3400 y 3600 MHz. En dichas gráficas se observa que la antena está bien adaptada, puesto que las pérdidas de retorno son inferiores a 14 dB, o lo que es lo mismo, ROE <1.5 en toda la banda de interés.

En la Figura 13 se muestran los diagramas de radiación típicos. Los diagramas (13.1), (13.2) y (13.3) a 1905 MHz medidos en el plano vertical, en el horizontal y en el plano de la antena, respectivamente. Y los diagramas (13.4), (13.5) y (13.6) a 3500 MHz medidos en el plano vertical, horizontal, y el de la antena, respectivamente.

Puede observarse un comportamiento omnidireccional en el plano horizontal, y un típico diagrama bilobular en el plano vertical, siendo la directividad típica de la antena superior a 4 dBi en la banda 1900 y 6 dBi en la banda de 3500.

Cabe destacar del funcionamiento de la antena, que el comportamiento es muy similar en ambas bandas (tanto en ROE como en diagrama), lo que la convierten en una antena multibanda.

Tanto la antena AM1 como la AM2, típicamente irán recubiertas de un radomo dieléctrico prácticamente transparente a la radiación electromagnética, cuya función será proteger el elemento radiante y la red de conexión de agresiones externas, además de proporcionarles un estético aspecto externo.

Las antena multinivel, pueden incorporar un circuito de interconexión que enlaza la estructura con el conector de entrada/salida, y que se utiliza para incorporar redes de adaptación de impedancias, filtros o diplexores.

Otros aspectos de la presente invención se describen en las reivindicaciones dependientes.

No se considera necesario hacer más extenso el contenido de la presente descripción para que un experto en la materia pueda comprender su alcance y las ventajas que del mismo se derivan, así como llevar a cabo la realización práctica de la misma.

Claims (36)

1. Antena que contiene al menos una estructura multinivel en la que la estructura multinivel comprende un conjunto de elementos poligonales o poliédricos que tienen el mismo número de lados o caras, caracterizada porque los elementos poligonales o poliédricos no son todos del mismo tamaño, estando cada uno de los elementos acoplados electromagnéticamente a al menos otro de los elementos, bien directamente por al menos un punto de contacto, bien por una pequeña separación que garantiza el acoplamiento, en la que para al menos el 75% de los elementos poligonales o poliédricos, la región o zona de contacto entre dichos elementos poligonales o poliédricos es inferior al 50% del perímetro o área de dichos elementos, lo que permite distinguir geométricamente en la estructura multinivel la mayoría de los elementos poligonales o poliédricos que la constituyen.

2. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según la reivindicación 1, caracterizada porque la antena es una antena multibanda.

3. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque la estructura multinivel comprende elementos poligonales o poliédricos de al menos dos tipos de formas diferentes.

4. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque todas las regiones o zonas de contacto entre los elementos poligonales o poliédricos no tienen la misma
dimensión.

5. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la estructura multinivel comprende al menos cuatro elementos poligonales o poliédricos.

6. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque al menos una estructura multinivel está formada exclusivamente por triángulos.

7. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque la estructura multinivel está formada exclusivamente por polígonos de un solo tipo, seleccionados en un grupo formado por: polígonos de cuatro lados, pentágonos, hexágonos, heptágonos, octógonos, decágonos, dodecágonos.

8. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque la estructura multinivel está formada exclusivamente por círculos o elipses.

9. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque al menos una estructura multinivel está formada exclusivamente por poliedros.

10. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque al menos una estructura multinivel está formada exclusivamente por cilindros o conos.

11. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la estructura multinivel está montada en una configuración monopolo.

12. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según la reivindicación 11, caracterizada porque el monopolo está montado de manera sensiblemente perpendicular a un plano de tierra.

13. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque la estructura multinivel está montada de manera sensiblemente paralela al plano de tierra en una configuración de antena tipo parche.

14. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según las reivindicaciones 9 y 10, caracterizada porque la estructura multinivel está comprendida en uno de los elementos radiantes de una microcinta planar o estructura tipo parche con al menos un elemento parásito.

15. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque la estructura multinivel está comprendida en al menos un brazo de una antena de configuración bipolar.

16. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizada porque la estructura multinivel forma parte de la antena en una configuración sensiblemente en el mismo plano que el plano de tierra.

17. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque la estructura multinivel forma al menos una de las caras en una bocina piramidal.

18. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque la estructura multinivel o su perímetro forman la sección de una antena de tipo bocina cónica o piramidal.

19. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque el perímetro de la estructura multinivel determina la forma de al menos un bucle en una antena de tipo espira.

20. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque forma parte de una matriz de antenas.

21. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque la estructura multinivel está construida a partir de un material conductor, superconductor o dieléctrico o por una combinación de los mismos.

22. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según las reivindicaciones 1 a 8,caracterizada porque la antena tiene una forma más reducida comparada con una antena circular, cuadrada o triangular cuyo perímetro se puede circunscribir en la estructura multinivel y que funciona en la misma frecuencia de resonancia.

23. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque el comportamiento multibanda le permite funcionar simultáneamente en varias frecuencias y por consiguiente ser compartida por diversos servicios o sistemas de comunicación.

24. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque se utiliza en estaciones base de telefonía móvil, en terminales de comunicaciones tales como emisores o receptores, en vehículos, satélites de comunicación o sistemas de radar.

25. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque se utiliza como resonador multibanda o miniatura cuando sus radiaciones son ineficaces.

26. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque integra un circuito de interconexión que enlaza la estructura con el conector de entrada/salida y que se utiliza para incorporar redes de adaptación para las impedancias, filtros o diplexores.

27. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque la estructura multinivel está cargada con elementos capacitivos o inductivos para cambiar al menos una de las siguientes características: tamaño, frecuencia de resonancia, motivos de radiación o impedancia.

28. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque contiene diversas estructuras multinivel del mismo tipo, es decir con el mismo polígono o poliedro característico, el mismo número, la misma disposición y el mismo acoplamiento entre los elementos, denominadas estructuras de primer nivel que se agrupan en estructuras de orden superior de una manera similar a la de los elementos poligonales o poliédricos que forman la estructura multinivel de primer nivel.

29. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque la estructura multinivel comprende cinco triángulos unidos a su vértice y forma un perímetro exterior que tiene la forma de un triángulo.

30. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque la estructura multinivel comprende cinco triángulos unidos a sus vértices y un bucle inductivo de forma trapezoidal unido a su vértice.

31. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque la estructura multinivel consiste en una lámina de cobre impresa sobre una placa de circuito impreso de fibra de vidrio.

32. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la antena funciona al menos sobre ambas bandas GSM y DCS.

33. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la antena funciona sobre bandas de frecuencia múltiples y en la que al menos una de las bandas de frecuencia funciona en la gama de frecuencia comprendida entre 890-960 Mhz y 1710-1880 Mhz.

34. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la antena funciona sobre bandas de frecuencia múltiples y en la que al menos una de las bandas de frecuencia funciona en la gama de frecuencia comprendida entre 1880-1930 MHz y 3400-3600 MHhz.

35. Antena que contiene al menos una estructura multinivel según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el número de bandas sobre las cuales puede funcionar es proporcional al número de niveles de la estructura multinivel.

36. Sistema de comunicación portátil que incorpora una antena según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.