ES2246226T3 - Antenas miniatura rellenadoras de espacio. - Google Patents
Antenas miniatura rellenadoras de espacio.Info
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Abstract
Una antena de parche que tiene al menos una parte con forma de curva (25) de relleno del espacio compuesta de al menos diez segmentos rectos conectados formando una parte no periódica de la mencionada curva, en la que: - cada uno de los mencionados elementos es más corto que un décimo de la longitud de onda operativa en el espacio libre de la antena; - dichos elementos están dispuesto espacialmente de tal manera que ninguno de los mencionados segmentos forma, junto con un segmento adyacente, un segmento recto más largo. - ninguno de los mencionados segmentos intersecta con otro de los mencionados segmentos, excepto, opcionalmente, en los extremos de la curva. en la que, si dicha curva es periódica a lo largo de una dirección recta fija del espacio, el correspondiente periodo está definido por la parte no periódica compuesta de al menos diez segmentos conectados, ninguno de los mencionados segmentos conectados forman, junto con un segmento adyacente, un segmento recto más largo.
Description
Antenas miniatura rellenadoras de espacio.
La presente invención se refiere por lo general a
una nueva familia de antenas de reducido tamaño basadas en una
geometría innovadora, la geometría de las curvas denominadas como
Curvas de relleno de espacio (SFC). Se dice de una antena que es
una antena pequeña (una antena en miniatura) cuando se puede ajustar
en un pequeño espacio en comparación con la longitud de onda de
trabajo. De manera más precisa, se toma la radianesfera como la
referencia para clasificar una antena como antena pequeña. La
radianesfera es una esfera imaginaría de radio igual a la longitud
de onda de trabajo dividida por dos veces \pi; se dice que una
antena es pequeña en términos de la longitud de onda cuando se
puede ajustar dentro de la radianesfera.
En el documento WO 97/06578A1 se describen
antenas fractales, resonadores y elementos directores. Por lo tanto,
se puede usar un elemento con forma fractal para formar, por
ejemplo, una antena. La fractalización de dichos sistemas puede
reducir de manera sustancial el tamaño físico a la vez que conserva
la impedancia y la ganancia características deseadas.
En la presente invención se define una nueva
geometría, la geometría de Curvas de Relleno de Espacio (SFC), y se
usa para dar forma a una parte de una antena. Por medio de esta
técnica novedosa, se puede reducir el tamaño de la antena con
respecto a la técnica primera, o de manera alternativa, dado un
tamaño fijo, la antena puede funcionar a una frecuencia más baja
con respecto a una antena convencional del mismo tamaño.
La invención se puede aplicar al campo de las
telecomunicaciones y de manera más concreta al diseño de antenas con
tamaño reducido.
Los límites fundamentales sobre antenas pequeñas
fueron establecidos de manera teórica por H. Wheeler y L. J. Chu a
mediados de la década de los 40. Básicamente declararon que una
antena pequeña tiene un alto factor de calidad (Q) debido a la gran
energía reactiva almacenada en la cercanía de la antena en
comparación con la potencia radiada. Dicho factor de calidad alto
trae consigo un ancho de banda estrecho; de hecho, lo fundamental
que se deriva de dicha teoría impone un ancho de banda máximo dado
un tamaño específico de una antena pequeña.
Con relación a este fenómeno, también se sabe que
una antena pequeña caracteriza una gran reactancia de entrada (ya
sea capacitiva o inductiva) que generalmente tiene que ser
compensada con un circuito o estructura externos de ajuste/carga.
Esto también significa que es difícil colocar una antena resonante
en un espacio que es pequeño en términos de la longitud de onda de
resonancia. Otras características de una antena pequeña son su
pequeña resistencia de radiación y su baja eficiencia.
La búsqueda de estructuras que puedan radiar de
manera eficiente desde un espacio pequeño tiene un enorme interés
comercial, especialmente en el entorno de las comunicaciones
móviles (telefonía celular, radiobuscadores celulares, ordenadores
portátiles y manipuladores de datos, por nombrar algunos ejemplos),
en donde el tamaño y el peso de los equipos portátiles necesita ser
pequeño. De acuerdo con R. C. Hansen (R. C. Hansen, "Fundamental
Limitations on Antennas", Proc. IEEE, vol. 69, núm. 2, febrero
de 1981), el rendimiento de una antena pequeña depende de su
capacidad de usar de manera eficiente el pequeño espacio disponible
dentro de la radianesfera imaginaria que rodea a la antena.
En la presente invención, se presenta un conjunto
novedoso de geometrías denominadas Curvas de Relleno de Espacio
(SFC) para el diseño y la construcción de antenas pequeñas que
mejoran el rendimiento de otras antenas clásicas descritas en la
técnica primera (tales como monopolos lineales, dipolos y lazos
circulares o rectangulares).
Este problema se resuelve por medio de las
características de la reivindicación independiente 1. En las
reivindicaciones dependientes se describen realizaciones
adicionales.
Algunas de las geometrías descritas en la
presente invención están inspiradas en las geometrías estudiadas ya
en el siglo XIX por varios matemáticos, tales como Giusepe Peano y
David Hilbert. En todos los casos mencionados, las curvas fueron
estudiadas desde el punto de vista matemático, pero nunca fueron
usadas para ninguna aplicación práctica de ingeniería.
La dimensión (D) a menudo es usada para
caracterizar curvas y estructuras geométricas altamente complejas
tales como aquéllas que se describen en la presente invención.
Existen muchas definiciones matemáticas diferentes de dimensión,
pero en el presente documento la dimensión cómputo de cuadro (que es
bien conocida por aquéllos expertos en la teoría matemática) se usa
para caracterizar una familia de diseños. Aquéllos que sean
expertos en la teoría matemática se darán cuenta de que
opcionalmente, se puede usar un algoritmo de Sistema de Función
Iterativa (IFS), un algoritmo de una máquina de Copia
Multirreducción (MRCM) o un algoritmo de una Máquina de Copia
Multirreducción en Red (MRCM) para construir algunas curvas de
relleno de espacio como las descritas en la presente invención.
El punto clave de la presente invención es el dar
forma a una parte de la antena (por ejemplo, al menos una parte de
los brazos de un dipolo, al menos una parte del brazo de un
monopolo, el perímetro del parche de una antena de parche, la
ranura de una antena de ranura, el perímetro del lazo de una antena
de lazo, la sección de cruce de bocina de una antena de bocina, o
el perímetro del reflector en una antena reflectora) como una curva
de relleno de espacio, esto es, una curva que es grande en términos
de la longitud física pero pequeña en términos del área en la que se
puede incluir la curva. De manera más precisa, la siguiente
definición está tomada en este documento para una curva de relleno
de espacio: una curva compuesta por al menos diez segmentos que
están conectados de manera tal que cada segmento forma un ángulo
con sus vecinos, esto es, ningún par de segmentos adyacentes definen
un segmento recto más grande, y donde la curva puede ser
opcionalmente periódica a lo largo de una dirección en el espacio
recta fija si y sólo si el periodo está definido por una curva no
periódica compuesta por al menos diez segmentos conectados y ningún
par de dichos segmentos adyacentes y conectados definen un segmento
más grande recto. También, cualquiera que sea el diseño de dicha
SFC, nunca puede cortarse consigo misma en ningún punto excepto en
el punto inicial y final (esto es, la totalidad de la curva puede
estar dispuesta como una curva o lazo cerrados, pero ninguna de las
partes de la curva pueden convertirse en un bucle cerrado). Se puede
ajustar una curva de relleno de espacio sobre una superficie plana o
curvada, y debido a los ángulos entre segmentos, la longitud física
de la curva siempre es mayor que la de la línea recta que se puede
ajustar en la misma área (superficie) como dicha curva de relleno
de espacio. De manera adicional, para dar forma de manera apropiada
a la estructura de una antena en miniatura de acuerdo con la
presente invención, los segmentos de las curvas SFC deben ser más
cortos que un décimo de la longitud de onda de trabajo en el espacio
libre.
Dependiendo del procedimiento para dar forma a la
antena y de la geometría de la curva, se puede diseñar de manera
teórica algunas SFC de longitud infinita para caracterizar una
dimensión Haussdorf mayor que su dimensión topológica. Esto es, en
términos de la geometría euclídea clásica, se entiende por lo
general que una curva siempre es un objeto con una sola dimensión;
sin embargo, cuando la curva es altamente enrollada y su longitud
física es muy grande, la curva tiende a llenar partes de la
superficie que la soporta; en ese caso, se puede calcular la
dimensión Haussdorf sobre la curva (o al menos una aproximación de
ésta por medio del algoritmo de cómputo de cuadro) dando como
resultado un número más grande que la unidad. Dichas curvas
teóricas infinitas no se pueden construir físicamente, pero se
pueden aproximar con los diseños SFC. Las curvas 8 y 17 descritas en
la figura 2 y en la figura 5 son algunos de los ejemplos de dichas
SFC, que se aproximan a una curva ideal infinita que caracteriza
una dimensión D = 2.
La ventaja de usar las curvas SFC para dar forma
física a una antena es doble:
(a) Dada una frecuencia o longitud de onda de
trabajo concreta, dicha antena SFC se puede reducir de tamaño con
respecto a la técnica primera.
(b) Dado el tamaño físico de la antena SFC, se
puede hacer trabajar a dicha antena SFC a una frecuencia más baja (a
una longitud de onda mayor) que en la técnica primera.
La figura 1 muestra algunos casos particulares de
curvas SFC. A partir de una curva inicial (2), se forman otras
curvas (1), (3) y (4) con más de diez segmentos conectados. A esta
familia particular de curvas se la denominará de aquí en adelante
en este documento como las curvas SZ.
La figura 2 muestra una comparación entre dos
líneas serpenteantes de la técnica primera y dos curvas periódicas
SFC, construidas a partir de la curva SZ del dibujo 1.
La figura 3 muestra una configuración particular
de una antena SFC. Consta de tres configuraciones diferentes de un
dipolo en el que a cada uno de los brazos se le ha dado forma por
completo de una curva SFC (1).
La figura 4 muestra otros casos particulares de
antenas SFC. Consisten en antenas monopolo.
La figura 5 muestra un ejemplo de una antena de
ranura SFC en la que la ranura tiene forma como la curva SFC del
dibujo 1.
La figura 6 muestra otro conjunto de curvas SFC
(15-20) inspiradas en la curva de Hilbert y
denominadas de aquí en adelante como las curvas de Hilbert. Se
muestra, con fines comparativos, una curva que no es SFC en
(14).
La figura 7, muestra otro ejemplo de una antena
de ranura SFC basada en la curva SFC (17) del dibujo 6.
La figura 8 muestra otro conjunto de curvas SFC
(24, 25, 26, 27) conocidas de aquí en adelante como las curvas ZZ.
Con fines comparativos se muestra una curva convencional cuadrada en
zig-zag (23).
La figura 9 muestra una antena de lazo basada en
la curva (25) en una configuración de hilo (arriba). En la parte
inferior, la antena de lazo 29 está impresa sobre un sustrato
dieléctrico (10).
La figura 10 muestra una antena de lazo de ranura
basada en la SFC (25) del dibujo 8.
La figura 11 muestra una antena de parche en la
que el perímetro del parche tiene forma de acuerdo con la SFC
(25).
La figura 12 muestra una antena de apertura en la
que la apertura (33) está practicada sobre una estructura
conductora o superconductora (31), teniendo dicha apertura la forma
de acuerdo con la SFC (25).
La figura 13 muestra una antena de parche con una
apertura en el parche basada en SFC (25).
La figura 14 muestra otro ejemplo particular de
una familia de curvas SFC (41, 42, 43) basadas en la curva de
Giusepe Peano. A título comparativo se muestra una curva no SFC
formada con solamente nueve segmentos.
La figura 15 muestra una antena de parche con una
ranura SFC basada en SFC (41).
La figura 16 muestra una antena de ranura de guía
de onda en la que una guía de onda rectangular (47) tiene una de sus
paredes ranurada con curva SFC (41).
La figura 17 muestra una antena de bocina, en la
que la apertura y la sección de cruce de la bocina tiene forma de
acuerdo con SFC (25).
La figura 18 muestra un reflector de una antena
reflectora en la que el perímetro de dicho reflector tiene forma de
SFC (25).
La figura 19 muestra una familia de curvas SFC
(51, 52, 53) basadas en la curva de Giusepe Peano. A título
comparativo se muestra una curva no SFC formada con sólo nueve
segmentos (50).
La figura 20 muestra otra familia de curvas SFC
(55, 56, 57, 58). A título comparativo se muestra una curva no SFC
(54) construida con sólo cinco segmentos.
La figura 21 muestra dos ejemplos de lazos SFC
(59, 60) construidos con SFC (57).
La figura 22 muestra una familia de curvas SFC
(61, 62, 63, 64) denominadas aquí como curvas ZZ de Hilbert.
La figura 23 muestra una familia de curvas SFC
(66, 67, 68) denominadas aquí como curvas Peanodec. A título
comparativo se muestra una curva no SFC (65) construida con sólo
nueve segmentos.
La figura 24 muestra una familia de curvas SFC
(70, 71, 72) denominadas aquí como curvas Peanoinc. A título
comparativo se muestra una curva no SFC (69) construida con sólo
nueve segmentos.
La figura 25 muestra una familia de curvas SFC
(73, 74, 75) denominadas aquí como curvas PeanoZZ. A título
comparativo se muestra una curva no SFC (23) construida con sólo
nueve segmentos.
La figura 1 y la figura 2 muestran algunos
ejemplos de curvas SFC. Los dibujos (1), (3) y (4) de la figura 1
muestran tres ejemplos de curvas SFC denominadas curvas SZ. En el
dibujo (2) se muestra a título comparativo una curva que no es una
curva SFC ya que está compuesta de sólo de seis segmentos. Los
dibujos (7) y (8) de la figura 2 muestran otros dos ejemplos
particulares de curvas SFC, formadas a partir de la repetición
periódica de un motivo incluyendo a la curva SFC (1). Es importarse
darse cuenta de la diferencia sustancial entre estos ejemplos de
curvas SFC y algunos ejemplos de curvas periódicas, serpenteantes y
no SFC tales como las de los dibujos (5) y (6) de la figura 2.
Aunque las curvas (5) y (6) están compuestas de más de diez
segmentos, pueden considerarse sustancialmente periódicas a lo largo
de una dirección recta (dirección horizontal) y el motivo que
define una celda de periodo o de repetición está construido con
menos de diez segmentos (el periodo en el dibujo (5) incluye
solamente cuatro segmentos, mientras que el periodo de la curva (6)
comprende nueve segmentos) lo que contradice la definición de curva
SFC presentada en la presente invención. Las curvas SFC son
sustancialmente más complejas y recogen una longitud mayor en un
espacio más pequeño; este hecho junto con el hecho de que cada
elemento que compone una curva SFC es eléctricamente corto (más
corto que un décimo de la longitud de onda de trabajo en el espacio
libre como se reivindica en esta invención) juegan un papel clave
en la reducción del tamaño de la antena. También, la clase de
mecanismo de pliegue usada para obtener las curvas SFC particulares
descritas en la presente invención son importantes en el diseño de
antenas en miniatura.
La figura 3 describe una realización preferida de
una antena SFC. Los tres dibujos muestran diferentes
configuraciones del mismo dipolo básico. Una antena dipolo de dos
brazos está construida comprendiendo dos partes conductoras o
superconductoras, teniendo cada parte la forma de una curva SFC. Por
claridad pero sin perder generalidad, se ha elegido aquí un caso
particular de curva SFC (la curva SZ (1) de la figura 1); también
se podrían utilizar en lugar de esta curva por ejemplos otras
curvas SFC como las descritas en las figuras 1, 2, 6, 8, 14, 19, 20,
21, 22, 23, 24 ó 25. Las dos puntas más próximas de los dos brazos
forman los terminales de entrada (9) del dipolo. Los terminales (9)
han sido dispuestos como círculos conductores o superconductores,
pero como es evidente para aquéllos expertos en la técnica, dichos
terminales podrían tener forma siguiendo otros patrones siempre que
se mantengan pequeños en términos de longitud de onda de trabajo.
También, se pueden girar y doblar los brazos de los dipolos en
diferentes maneras para modificar de manera precisa la impedancia
de entrada o las propiedades de radiación de la antena, tal como
por ejemplo la polarización. En la figura 3 se muestra también otra
realización preferida de un dipolo SFC, en el que los brazos
conductores o superconductores están impresos sobre un sustrato
dieléctrico (10); este procedimiento es particularmente conveniente
en términos de coste y robustez mecánica cuando la curva SFC es
larga. Se puede aplicar cualquiera de las técnicas bien conocidas
de fabricación de circuito impreso para trazar la curva SFC sobre
el sustrato dieléctrico. Dicho sustrato dieléctrico puede ser por
ejemplo una lámina de fibra de vidrio, un sustrato de teflón (tal
como Cuclad®) u otros sustratos estándar de radiofrecuencia o de
microondas (como por ejemplo Rogers 4003® o Kapton®). El sustrato
dieléctrico puede ser incluso una parte de un cristal de una ventana
si la antena se va a montar en un vehículo de motor tal como un
coche, un tren o un avión, para transmitir o recibir ondas de
radio, TV, telefonía celular (GSM 900, GSM 1800, UMTS) u otras
ondas electromagnéticas de servicios de telecomunicación. Por
supuesto, se puede conectar o integrar una red balun en los
terminales de entrada del dipolo para equilibrar la distribución de
corriente entre los dos brazos del dipolo.
Otra realización preferida de una antena SFC es
una configuración de monopolo como la que se muestra en la figura 4.
En este caso uno de los brazos del dipolo está sustituido por un
contrapeso conductor o superconductor o un plano de tierra (12).
Una carcasa de microteléfono o incluso una parte de la estructura
metálica de un coche o tren puede actuar como dicho contrapeso de
tierra. La tierra y el brazo del monopolo (aquí el brazo está
representado con una curva SFC (1), pero se podría usar cualquier
otra curva SFC en lugar de la que se ha usado) se excitan como de
costumbre en monopolos de la técnica primera por medio de, por
ejemplo, una línea de transmisión (11). Dicha línea de transmisión
está formada por dos conductores, uno de los conductores está
conectado al contrapeso de tierra mientras que el otro está
conectado a un punto de la estructura conductora o superconductora
SFC. En los dibujos de la figura 4, se ha tomado un cable coaxial
(11) como un caso particular de línea de transmisión, pero está
claro para cualquier experto en la técnica que se podrían usar
otras líneas de transmisión (tales como por ejemplo un brazo de
microtira) para excitar el monopolo. De manera opcional, y siguiendo
el esquema descrito en la figura 3, la curva SFC se puede imprimir
sobre un sustrato dieléctrico (10).
Otra realización preferida de una antena SFC es
una antena de ranura como se muestra, por ejemplo en las figuras 5,
7 y 10. En la figura 5, dos curvas SFC conectadas (siguiendo el
patrón (1) de la figura 1) forman una ranura o hueco impreso sobre
una hoja conductora o superconductora (13). Dicha hoja (13) puede
ser, por ejemplo, una hoja sobre un sustrato dieléctrico en una
configuración de placa de circuito impreso, una película
transparente conductora tal como las depositadas sobre una ventana
de cristal para proteger el interior de un coche de la radiación
infrarroja que produce calentamiento, o puede ser incluso parte de
la estructura metálica de un microteléfono, de un coche, tren,
barco o avión. El esquema de excitación puede ser cualquiera de los
bien conocidos en antenas convencionales de ranura y no constituye
una parte esencial de la presente invención. De las tres figuras
mencionadas, en todas se ha usado un cable coaxial (11) para excitar
la antena, con uno de los conductores conectados a un lateral de la
hoja conductora y el otro conectado al otro lateral de la hoja a
través de la ranura. Se podría usar una línea de transmisión de
microtira, por ejemplo, en lugar de un cable coaxial.
Para ilustrar el que se pueden usar varias
modificaciones de la antena en base al mismo principio y espíritu
de la presente invención, se muestra un ejemplo similar en la
figura 7, en la que se ha tomado otra curva en su lugar (la curva
(17) de la familia de Hilbert). Nótese que ni en la figura 5, ni en
la figura 7 la ranura alcanza los bordes de la hoja conductora,
pero en otras realizaciones la ranura puede estar diseñada también
para alcanzar los límites de dicha hoja, partiendo dicha hoja en dos
hojas conductoras separadas.
La figura 10 describe otra posible realización de
una antena SFC de ranura. Es también una antena de ranura en una
configuración de lazo cerrado. El lazo está construido por ejemplo
mediante la conexión de cuatro huecos SFC que siguen al patrón de
SFC (25) de la figura 8 (está claro que se podrían usar otras curvas
SFC en lugar de estas de acuerdo con el espíritu y el objetivo de
la presente invención). El lazo cerrado resultante determina los
límites de una isla conductora o superconductora rodeada por una
hoja conductora o superconductora. Se puede excitar la ranura por
medio de cualquiera de las técnicas convencionales bien conocidas;
por ejemplo, se puede usar un cable coaxial (11), conectando uno de
los conductores exteriores a la hoja conductora exterior y el
conductor interior a la isla conductora de dentro rodeada por el
hueco SFC. Una vez más, dicha hoja puede ser, por ejemplo, una hoja
sobre un sustrato dieléctrico en una configuración de placa de
circuito impreso, una película conductora transparente tal como la
depositada sobre una ventana de cristal para proteger el interior
de un coche del calentamiento de la radiación infrarroja, o puede
incluso ser parte de la estructura metálica de un microteléfono, un
coche, tren, barco o avión. La ranura puede estar formada incluso
por el hueco entre dos, la isla y la hoja conductoras cercanas pero
no coplanares; esto se puede implementar físicamente por ejemplo
mediante el montaje de la isla conductora interior sobre una
superficie del sustrato dieléctrico opcional, y el conductor
circundante sobre la superficie opuesta de dicho sustrato.
La configuración de ranura no es, por supuesto,
la única manera de implementar una antena de lazo SFC. Se puede
usar una curva SFC cerrada hecha de un material conductor o
superconductor para implementar una antena de lazo SFC de hilo como
se muestra en otra realización preferida como la de la figura 9. En
este caso, una parte de la curva está rota de forma que los dos
extremos resultantes de la curva forman los terminales de entrada
(9) del lazo. Opcionalmente, el lazo puede estar impreso también
sobre un sustrato dieléctrico (10). En el caso de que se use un
sustrato dieléctrico, se puede construir también una antena
dieléctrica depositando un patrón SFC dieléctrico sobre dicho
sustrato, siendo la permitividad dieléctrica de dicho patrón
dieléctrico más alta que la de dicho sustrato.
En la figura 11 se describe otra realización
preferida. Consta de una antena de parche, con el parche conductor o
superconductor (30) caracterizando un perímetro SFC (el caso
particular de SFC (25) se ha usado aquí, pero está claro que se
podrían haber usado en su lugar otras curvas SFC). El perímetro del
parche es la parte esencial de la invención aquí, siendo el resto de
la antena conforme, por ejemplo, con otras antenas de parche
convencionales: la antena de parche consta de un plano de tierra
conductor o superconductor (31) o contrapeso de tierra, y del parche
conductor o superconductor que es paralelo a dicho plano de tierra
o a dicho contrapeso de tierra. El espacio entre el parche y la
tierra es típicamente inferior (pero no restringido a) un cuarto de
longitud de onda. De manera opcional, un sustrato dieléctrico de
bajas pérdidas (10) (tal como fibra de vidrio, un sustrato de teflón
tal como Cuclad® u otros materiales comerciales tales como Rogers®
4003) se pueden colocar entre dicho parche y el contrapeso de
tierra. El esquema de alimentación de la antena se puede tomar para
que sea cualquiera de los esquemas bien conocidos usados en las
antenas de parche de la técnica primera, por ejemplo: un cable
coaxial con el conductor exterior conectado al plano de tierra y el
conductor interior conectado al parche en el punto de resistencia
de entrada deseada (por supuesto, las modificaciones típicas
incluyen un hueco capacitivo sobre el parche alrededor del punto de
conexión coaxial o una lámina capacitiva conectada al conductor
interior del coaxial situado a una distancia paralela al parche, y
así sucesivamente se puede usar también); una línea de transmisión
de microtira compartiendo el mismo plano de tierra que la antena
con la tira acoplada capacitivamente al parche y situada a una
distancia por debajo del parche, o en otra realización con la tira
situada por debajo del plano de tierra y acoplada al parche por
medio de una ranura, e incluso una línea de transmisión de microtira
con la tira coplanar al parche. Todos estos mecanismos son bien
conocidos de la técnica primera y no constituyen una parte esencial
de la presente invención. La parte esencial de la presente
invención es la forma de la antena (en este caso el perímetro SFC
del parche) que contribuye a reducir el tamaño de la antena con
respecto a configuraciones de la técnica primera.
En la figura 13 y en la figura 15 se describen
otras realizaciones preferidas de antenas SFC basadas también en la
configuración de parche. Constan de una antena de parche
convencional con un parche poligonal (30) (cuadrado, triangular,
pentagonal, hexagonal, rectangular o incluso circular, por nombrar
solamente algunos ejemplos), con una curva SFC que da forma a un
hueco del parche. Dicha línea SFC puede formar una ranura o línea
de estimulación (44) sobre el parche (como se ve en la figura 15)
contribuyendo de esta manera a reducir el tamaño de la antena e
introduciendo nuevas frecuencias de resonancia para un
funcionamiento multibanda, o en otra realización preferida, la
curva SFC (tal como (25) define el perímetro de una apertura (33)
sobre el parche (30) (figura 13). Dicha apertura contribuye de
manera significativamente a reducir la primera frecuencia resonante
del parche con respecto al caso de parche sólido, que contribuye de
manera significativa a reducir el tamaño de la antena. Dichas dos
configuraciones, el caso de ranura SFC y el caso de la apertura SFC
se pueden usar por supuesto también con antenas de parche de
perímetro SFC como por ejemplo la descrita (30) en la figura 11.
En este punto queda claro para aquéllos expertos
en la técnica cuál es el objetivo y el espíritu de la presente
invención y que se puede aplicar el mismo principio geométrico SFC
de una manera innovadora a todas las configuraciones bien conocidas
de la técnica primera. En las figuras 12, 16, 17 y 18 se dan más
ejemplos.
La figura 12 describe otra realización preferida
de una antena SFC. Consta de una antena de apertura, estando
caracterizada dicha apertura por su perímetro SFC, estando dicha
apertura impresa sobre un plano de tierra conductor o un contrapeso
de tierra (34), constando dicho plano de tierra o contrapeso de
tierra, por ejemplo, de una pared de una guía de onda o resonador de
cavidad o una parte de la estructura de un vehículo de motor (tal
como un coche, un camión, un avión o un tanque). Se puede alimentar
la apertura por medio de cualquiera de las técnicas convencionales
tales como cable coaxial (11) o una línea de transmisión microstrip
o strip-line planares, por nombrar algunas.
La figura 16 muestra otra realización preferida
en donde las curvas SFC (41) están ranuradas sobre una pared de una
guía de onda (47) de sección de cruce arbitraria. De esta manera se
puede formar una disposición de guía de onda ranurada, con la
ventaja de las propiedades de compresión de tamaño de las curvas
SFC.
La figura 17 representa otra realización
preferida, en este caso una antena de bocina (48) en la que la
sección de cruce de la antena es una curva SFC (25). En este caso,
el beneficio no solamente proviene de la propiedad de reducción del
tamaño de las geometrías SFC, sino también del comportamiento en
banda ancha que se puede lograr dando forma a la sección de cruce de
la bocina. Ya se han desarrollado versiones primitivas de estas
técnicas en forma de antenas de bocina Ridge. En dichos casos de la
técnica primera, se usa un único diente cuadrado introducido en al
menos dos paredes opuestas de la bocina para aumentar el ancho de
banda de la antena. La estructura de escala más rica de una curva
SFC contribuye adicionalmente a una mejora del ancho de banda con
respecto a la técnica primera.
La figura 18 describe otra configuración típica
de antena, una antena reflectora (49), con la nueva aproximación
descrita de dar forma al perímetro del reflector con una curva SFC.
El reflector puede ser plano o curvo, dependiendo de la aplicación
o esquema de alimentación (en por ejemplo una configuración de
disposición reflectora los reflectores SFC serán preferiblemente
planos, mientras que en los reflectores de plato con alimentación
de foco, la superficie limitada por la curva SFC será
preferiblemente curva aproximándose a una superficie parabólica).
También, dentro del espíritu de las superficies reflectoras SFC, se
pueden construir también Superficies Selectivas en Frecuencia (FSS)
por medio de curvas SFC; en este caso se usan las SFC para dar
forma al diagrama repetitivo sobre la FSS. En dicha configuración
FSS, los elementos SFC se usan de una manera ventajosa con respecto
a la técnica primera debido a que el reducido tamaño de los
diagramas SFC permite un espaciado más cercano entre dichos
elementos. Se obtiene una ventaja similar cuando los elementos SFC
se usan en una disposición de antenas en una disposición reflectora
de antenas.
Claims (13)
1. Una antena de parche que tiene al menos una
parte con forma de curva (25) de relleno del espacio compuesta de al
menos diez segmentos rectos conectados formando una parte no
periódica de la mencionada curva, en la que:
- -
- cada uno de los mencionados elementos es más corto que un décimo de la longitud de onda operativa en el espacio libre de la antena;
- -
- dichos elementos están dispuesto espacialmente de tal manera que ninguno de los mencionados segmentos forma, junto con un segmento adyacente, un segmento recto más largo.
- -
- ninguno de los mencionados segmentos intersecta con otro de los mencionados segmentos, excepto, opcionalmente, en los extremos de la curva.
en la que, si dicha curva es periódica a lo largo
de una dirección recta fija del espacio, el correspondiente periodo
está definido por la parte no periódica compuesta de al menos diez
segmentos conectados, ninguno de los mencionados segmentos
conectados forman, junto con un segmento adyacente, un segmento
recto más largo;
y en la que
dicha curva de relleno del espacio se
caracteriza una dimensión de cómputo de cuadro mayor que una
mencionada dimensión de cómputo de cuadro estando calculada como la
pendiente de la parte recta de una gráfica log-log,
en la que dicha parte recta está sustancialmente definida como un
segmento recto sobre al menos una octava de escalas sobre el eje
horizontal de la gráfica log-log;
dicha antena de parche comprende un plano (31) de
tierra conductor o superconductor y un parche (30) conductor o
superconductor paralelo al mencionado plano de tierra, teniendo el
perímetro del parche la forma de la curva de relleno del espacio, o
dicho parche teniendo una ranura con forma de la mencionada curva de
relleno del espacio, o dicho parche teniendo una apertura con un
perímetro con forma de la mencionada curva de relleno del
espacio.
2. Una antena de acuerdo con la reivindicación 1,
en la que la curva de relleno del espacio tiene la forma de una
curva de Hilbert.
3. Una antena de acuerdo con la reivindicación 1
o con la reivindicación 2, en la que la curva de relleno del
espacio tiene la forma de una curva de HilbertZZ (61, 62, 63, 64;
fig. 22).
4. Una antena de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que la distancia entre el parche
(30) y el plano de tierra (31) está por debajo de un cuarto de la
longitud de onda operativa.
5. Una antena de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que incluye además un sustrato
dieléctrico de bajas pérdidas (10) entre el parche (30) y el plano
de tierra (31).
6. Una antena de acuerdo con la reivindicación 5,
en la que dicho sustrato (10) dieléctrico de bajas pérdidas es
fibra de vidrio o un sustrato de Teflón®.
7. Una antena de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende además una disposición
de alimentación que comprende un cable coaxial que tiene un
conector exterior conectado al plano de tierra y un conductor
interior conectado al parche.
8. Una antena de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a la 6, que comprende además una disposición de
alimentación que comprende una línea de transmisión microtira.
9. Una antena de acuerdo con la reivindicación 8,
en la que la línea de transmisión microtira comparte el plano de
tierra con la antena y comprende una tira acoplada de manera
capacitiva al parche y situada a una distancia por debajo del
parche.
10. Una antena de acuerdo con la reivindicación
8, en la que la línea de transmisión microtira comprende una tira
situada por debajo del plano de tierra y acoplada al parche a
través de una ranura.
11. Una antena de acuerdo con la reivindicación
8, en la que dicha línea de transmisión microtira comprende una tira
coplanar al parche.
12. Una antena de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que la mencionada curva (25) de
relleno del espacio está dispuesta sobre una superficie curva.
13. Una antena de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que las esquinas formadas por un
par de los mencionados segmentos adyacentes están redondeadas o
suavizadas de cualquier otra forma.
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