ES2296262T3 - Cable coaxial radiante. - Google Patents
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Abstract
Cable coaxial en modo radiado, que comprende un conductor externo provisto periódicamente con hileras de aberturas que comprenden n aberturas o conjuntos de aberturas, repetidas a lo largo de la longitud del mencionado conductor externo, donde una separación constante s separa el extremo izquierdo de la primera abertura de una hilera, del extremo izquierdo de la primera abertura de una siguiente hilera, n valiendo como mínimo 10, caracterizado porque la separación s entre sucesivas hileras de aberturas se selecciona de forma que donde lambdaopt.1 y lambdaopt.2 son respectivamente los límites superior e inferior del rango de longitudes de onda para el que está diseñado el cable coaxial en modo radiado, con lambdaopt.2 = lambdaopt.1 / 2, y donde er representa la constante dieléctrica relativa del cable radiante, donde cada una de las aberturas o hileras de aberturas tiene una dimensión L, respectivamente una dimensión global L que corresponde a la suma SLi de las dimensiones Li de las aberturas en cada conjunto,en la dirección transversal al eje del cable, expresada en mm, teniendo un valor igual o mayor que el valor de la fórmula (10D / n)1/2, donde D es el valor del diámetro del cable expresado en mm, y donde la separación d en la dirección del eje del cable, que separa el eje de simetría de dos sucesivas aberturas o hileras de aberturas, es mayor que 1, 5 w, donde w es la mayor anchura de las aberturas, respectivamente la anchura de la abertura más ancha de las hileras de aberturas, en la dirección del eje del cable.
Description
Cable coaxial radiante.
La presente invención se refiere en general a un
cable coaxial radiante, y más en concreto a un cable coaxial
radiante que tiene grupos de aberturas equidistantes para generar
ondas electromagnéticas.
Los cables coaxiales radiantes son especialmente
apropiados para permitir conexiones de comunicación por radio con
equipos móviles, en entornos interiores tales como túneles, minas,
líneas de metro y edificios.
El uso de cables coaxiales radiantes en estos
entornos es especialmente importante como resultado del desarrollo
de los sistemas de comunicación móviles (conexiones de radio,
teléfonos celulares, teléfonos inalámbricos, redes informáticas
inalámbricas, etc.).
En la actualidad, estos sistemas de
comunicaciones móviles funcionan en un espectro de frecuencias muy
grande, que está asignado a nivel internacional. Comenzando en
bajas frecuencias, las bandas están asignadas como sigue (estas
cifras son solo indicativas, y pueden variar en cada país):
- -
- 74 a 87 MHz: radio móvil privada;
- -
- 88 a 108 MHz: emisiones de radio en FM;
- -
- 145 a 175 MHz: radio móvil privada;
- -
- en torno a 225 MHz: emisión de audio digital (DAB);
- -
- 380 a 470 MHz: radio móvil privada y redes TETRA;
- -
- 824 a 894 MHz: redes de comunicación móvil TDMA IS-54 y CDMA IS 95;
- -
- 870 a 960 MHz: redes de comunicación móvil GSM 900, GSM R y TETRA;
- -
- 1710 a 1880 MHz: redes GSM 1800;
- -
- 1885 a 2200 MHz: redes UMTS.
Además, tales cables coaxiales radiantes pueden
utilizarse también en entornos externos o internos, para limitar la
cobertura de radio en un pasillo lateral estrecho a lo largo de un
eje, por ejemplo en una ruta de transporte, una vía, un trayecto
definido en un taller, etcétera. Limitar la cobertura de radio en
cierta anchura, puede ser necesario para evitar interferencias con
transmisores del entorno que funcionen en la misma
radiofrecuencia.
Se conoce diversos tipos de cables radiantes;
estos consisten en un cable coaxial que comprende un conductor
interno rodeado por un dieléctrico y un conductor externo de forma
tubular. El conductor externo incluye aberturas que generan una
radiación electromagnética. El conductor externo está cubierto por
un forro externo aislante.
Las aberturas en el conductor externo pueden ser
de varios tipos, por ejemplo una ranura longitudinal sobre toda la
longitud del cable, o numerosos pequeños orificios muy próximos
entre sí. También existen cables en los que el conductor externo
consiste en un trenzado flojo, o en ocasiones en una capa de cables
enrollados en espiral alrededor del dieléctrico. La característica
común de estos cables es que la toda la longitud del conductor
externo incluye aberturas, separadas por una distancia
considerablemente más corta que la longitud de onda de la señal
radiada. Todos estos cables funcionan en un modo conocido como
"modo acoplado", y la energía radiada se propaga en una
dirección paralela al cable. Con estos cables, la señal recibida por
una antena decae rápidamente cuando se incrementa la distancia
entre la antena y el cable. Además, la señal recibida fluctúa
enormemente cuando la antena receptora se mueve a lo largo de un
trayecto paralelo al cable.
Una técnica más reciente ha propuesto cables
conocidos como "cables en modo radiado", en los que el
conductor externo incluye grupos de aberturas que se reproducen con
una separación constante s, siendo esta separación del mismo orden
de magnitud que la longitud de onda de la señal a ser radiada. La
radiación producida por los cables en modo radiado, se propaga en
una dirección radial (figura 1) formando un ángulo \Theta_{1}
con el eje del cable, que queda entre 0º y 180º.
Las personas cualificadas en el arte saben que
un cable en modo radiado produce un modo principal, que se propaga
en una dirección que forma un ángulo \Theta_{1} con el eje del
cable; este ángulo viene dado por la fórmula
donde:
s: separación del grupo de aberturas (en
metros);
\lambda: longitud de onda de la señal en el
aire (en metros);
\varepsilon_{r}: constante dieléctrica
relativa del cable (coeficiente).
A efectos prácticos, puede considerarse que las
expresiones longitud de onda "en el aire" y longitud de onda
"libre", son sinónimos.
En la expresión anterior, la dirección de
referencia para medir \Theta_{1} es la dirección del extremo del
cable alimentado por el generador de radiofrecuencia, como se
ilustra en la figura 1.
De esta forma, un cable en modo radiado funciona
en una banda que va desde \lambda_{inicial} hasta
\lambda_{final}, donde \lambda_{inicial} y
\lambda_{final} corresponden a \Theta_{1} = 0º y 180º
respectivamente. Estas longitudes de onda (en el aire)
\lambda_{inicial} y \lambda_{final} están conectadas
respectivamente con las frecuencias f_{inicial} y f_{final} (en
MHz), mediante
Las personas cualificadas en el arte saben que
la relación f_{final}/f_{inicial} está dada por
Con el dieléctrico utilizado normalmente entre
los conductores internos y externos, \sqrt\varepsilonr queda
generalmente entre \approx 1,1 y \approx 1,15. Por consiguiente,
f_{inicial}/f_{final} varía entre \approx 14 y \approx
21.
En lo que sigue, la mayoría de los cálculos se
lleva a cabo con \sqrt\varepsilonr = 1,136, que es el valor más
frecuente con los dieléctricos utilizados actualmente. Sin embargo,
debe hacerse hincapié en que las conclusiones que se extraiga
generalmente serán también válidas si \sqrt\varepsilonr no es
igual a este valor concreto.
La figura 1 anexa muestra el gráfico de
\Theta_{1} frente a f/f_{inicial}, calculado para
\sqrt\varepsilonr = 1,136. Este dibujo muestra que
\Theta_{1} comienza en 0º cuando f es igual a f_{inicial}.
Después \Theta_{1} se incrementa con f hasta 180º, cuando f =
f_{final}, que es igual a 15,71 f_{inicial}. Por debajo de
f_{inicial} y por encima del f_{final}, el cable funciona en
modo acoplado.
En comparación con los cables en modo acoplado,
las ventajas principales de los cables en modo radiado son:
- -
- una menor pérdida por acoplamiento;
- -
- una pérdida por acoplamiento que se incrementa con menos rapidez en la dirección radial;
- -
- un campo que fluctúa menos en movimiento paralelo al eje del cable.
Sin embargo, las personas cualificadas en el
arte saben también que si no se adopta ciertas precauciones, la
anterior tercera ventaja desaparece cuando la frecuencia alcanza 2
f_{inicial}, puesto que parece un modo de segundo orden que se
propaga en una dirección \Theta_{2} diferente respecto de
\Theta_{1}, y que interfiere con el modo principal. De acuerdo
con la relación (1), \Theta_{1} = 94º (para
\sqrt\varepsilonr = 1,136) cuando f =2 f_{inicial}. Si f
continúa incrementándose aparece un tercer modo cuando f = 3
f_{inicial}, y así sucesivamente para todos los múltiplos de
f_{inicial}. Como consecuencia, cuanto mayor es la frecuencia más
numerosos son los modos secundarios, todos los cuales se propagan
en diferentes direcciones \Theta_{i}. Estas interferencias
entre modos principales y secundarios tiene como resultado
fluctuaciones de la intensidad de campo muy grandes, a lo largo del
cable.
Si consideramos primero el caso de cables
radiantes de banda estrecha, es decir cables utilizados solo en una
o varias frecuencias muy próximas entre sí (este es el caso si el
cable se utiliza solo para una aplicación de comunicación de radio,
de las listadas arriba), los cables del arte previo estaban
diseñados generalmente para tener el ángulo \Theta_{1} muy
cerca de 90º, en la banda de frecuencia para la que está previsto el
cable. La razones principales son evitar el modo secundario que
aparece para \Theta_{1} mayor de aproximadamente 94º y también
que, con la mayoría de los tipos de abertura, la radiación disminuye
en las direcciones casi paralelas al eje del cable (es decir, con
\Theta_{1} próximo a 0º o 180º).
\newpage
La fórmula (1) indica que elegir una separación
s \approx \lambda da lugar a \Theta_{1} \approx 90º cuando
\sqrt\varepsilonr \approx 1. Esta es la razón por la que los
cables radiantes de banda estrecha del arte previo están diseñados
con la separación del grupo de aberturas, aproximadamente igual a la
longitud de onda (en el aire) para la que está previsto el
cable.
La figura 2 anexa ilustra una realización
específica de tal cable radiante de banda estrecha del arte previo;
en esta realización, cada grupo de abertura incluye dos ranuras
inclinadas en direcciones opuestas, y la separación de grupo es
aproximadamente igual a la longitud de onda.
Si consideramos el caso de cables radiantes de
banda ancha, es decir cables que deben mostrar funcionamientos
satisfactorios en la banda de frecuencia asignada a diversas
aplicaciones de comunicación móvil, el principal problema a
resolver son las fluctuaciones de campo debidas a la interferencia
producida por los modos secundarios descritos previamente. Se ha
propuesto varias soluciones para cancelar, o reducir a un nivel
aceptable, la intensidad de los modos secundarios, al menos en una
banda de frecuencia desde 2 f_{inicial} hasta k x f_{inicial},
donde k depende del rendimiento de la solución. Generalmente k varía
desde 3 hasta 5, o incluso hasta 7 con las mejores soluciones. Si
no referimos a la figura 1, esto significa que los rendimientos se
deterioran (hay grandes fluctuaciones de intensidad de campo a lo
largo del cable) si \Theta_{1} excede 115º, 135º o 145º, con k
igual a 3, 5 y 7 respectivamente, y con \sqrt\varepsilonr =
1,136.
Debe mencionarse que si \sqrt\varepsilonr
\approx 1,1, los valores de \Theta_{1} que corresponden a k
igual a 3, 5 y 7 son respectivamente 114º, 133º y 143º; estos
valores son próximos a aquellos obtenidos para
\sqrt\varepsilonr = 1,136. Se obtiene conclusiones similares si
\sqrt\varepsilonr \approx 1,2.
La figura anexa 1 muestra además que
\Theta_{1} crece muy rápidamente desde 0º hasta 35º, cuando f se
incrementa desde f_{inicial} hasta 1,1 f_{inicial}. Esta banda
es demasiado estrecha para ser de interés alguno en la práctica, y
tiene como resultado que los cables radiantes de banda ancha del
arte previo, están generalmente diseñados para tener \Theta_{1}
entre \approx 35º y un ángulo de \Theta_{max} que varía entre
115º y 145º (\Theta_{max} depende de la eficiencia de la
solución utilizada, para cancelar o atenuar los modos secundarios)
en las bandas de frecuencia para las que están previstos. Esto
significa también (en el mejor caso) que la dirección
\Theta_{1} en la que se propagan las ondas generadas por el
cable radiante queda dentro de un ángulo de aproximadamente 110º,
centrado en la dirección perpendicular al eje del cable.
Como consecuencia, los cables radiantes de banda
ancha del arte previo están diseñados escogiendo la separación s
del grupo de abertura, de forma que tenga \Theta_{1} entre
\approx 35º y \Theta_{max}, en las bandas de frecuencia para
las que está previsto el cable. Tales cables pueden ser utilizados
en frecuencias en las que \Theta_{1} > \Theta_{max},
pero los rendimientos se deterioran debido a las interferencias
entre el modo principal, y modos secundarios insuficientemente
atenuados.
Los siguientes documentos específicos ilustran
el estado del arte aludido más arriba.
El documento
DE-A-2 812 512 describe un patrón
que, con el objetivo de producir un perfil periódico en la
dirección del eje del cable radiante, consiste en aberturas del
mismo tamaño y la misma forma, cuya densidad varía periódicamente
lo largo del cable. Como el titular de esta patente indica, el
propósito de tal patrón es producir un perfil periódico de la
intensidad de la radiación, en la dirección del eje del cable.
Además, este documento no proporciona la extensión de la banda de
frecuencia, en la cual se atenúa los modos secundarios.
El documento
GB-A-1 481 485 describe un patrón
periódico que consiste en dos ranuras principales y cuatro ranuras
auxiliares. Las ranuras auxiliares están dispuestas a ambos lados de
cada una de las ranuras principales. En este dispositivo, los modos
secundarios que aparecen en las frecuencias que quedan entre
f_{inicial} y 5 f_{inicial}, son despreciables o casi cero.
Además, un patrón de mayor tamaño incluiría diez ranuras y, por
consiguiente, sería de difícil producción en la práctica puesto que
la longitud total de las aberturas sería tal que debilitaría la
resistencia mecánica del conductor externo.
El documento
FR-A-2 685 549 describe un patrón
que incluye N aberturas, cuya banda de frecuencia útil queda entre
f_{inicial} y N x f_{inicial}.
Los patrones descritos en estos dos últimos
documentos tienen el inconveniente de que las aberturas están
presentes sobre casi toda la longitud del cable, lo que tiene la
consecuencia de reducir la resistencia mecánica. De hecho, se sabe
bien que las deformaciones del cable, o de las aberturas en el
conductor externo, pueden afectar enormemente a los rendimientos
obtenidos. Otro inconveniente de estas soluciones conocidas es la
dificultad de producir ranuras inclinadas largas, con diferentes
inclinaciones, sobre ciertos tipos de construcciones de cable.
El documento
DE-G-9 318 420 describe una solución
que utiliza un conductor externo ondulado. No se hace mención a la
eliminación de modos secundarios.
El documento EP 0 765 002 A2 describe una
solución para un cable de banda estrecha, que utiliza un patrón
periódico que consiste en dos ranuras alargadas opuestas, en la
dirección axial. La separación del patrón es aproximadamente igual
a una longitud de onda, para radiar en una dirección de
\Theta_{1} próxima a 90º.
El documento US 6 292 072 B1 describe una
solución para un cable en modo acoplado de banda ancha, que utiliza
grupos de aberturas separadas por una separación que varía entre 8 y
10 m. Tal realización tiene los inconvenientes de los cables en modo
acoplado.
El documento WO 99/17401 describe una solución
para un cable en modo radiado, que se basa en un principio similar
al mostrado en la figura 2, pero en el que cada ranura inclinada es
reemplazada por un grupo de ranuras circulares o alargadas.
El documento BE 1 010 528 (US 5 705 967 A)
revela un cable radiante operativo en la dirección radial, para una
banda de frecuencia específica, que comprende un conductor externo
provisto con un patrón periódico de grupos de abertura con una
separación p igual a \lambda / (\sqrt\varepsilonr + 1), donde
\lambda es la longitud de onda de la menor frecuencia a la que
funciona el cable en modo radiado, y \varepsilon_{r} es la
constante dieléctrica del cable. La longitud del patrón periódico es
igual a p/2, y el número de aberturas en cada grupo varía desde 1
hasta 12.
Es un objetivo de la presente invención
proporcionar un cable radiante de banda estrecha mejorado, que
exhiba una baja pérdida por acoplamiento, sobre una banda de
frecuencia de aproximadamente una octava.
Otro objetivo de la presente invención es
proporcionar un cable radiante de banda estrecha mejorado, que
exhiba pequeñas fluctuaciones de intensidad de campo sobre una
banda de frecuencia de aproximadamente una octava, y que por tanto
permita la obtención de bajas tasas de error de bit cuando se
utilice para comunicaciones digitales, y minimice las distorsiones
cuando se utilice para comunicaciones analógicas.
Un objetivo más de la presente invención es
proporcionar un cable radiante de banda ancha, que proporcione una
banda grande en la que los rendimientos sean comparables a los
cables de banda ancha del arte previo, y una banda cuya longitud
sea aproximadamente una octava en la que el cable presente bajas
pérdidas por acoplamiento y variaciones menores de intensidad de
campo.
De acuerdo con la presente invención se ha
encontrado, sin duda de forma sorprendente, que los mencionados
objetivos pueden alcanzarse mediante proporcionar un cable coaxial
radiante que incluye una hilera de aberturas, repetidas en una
separación constante s, escogidas de forma muy específica de tal
forma que \Theta_{1} varíe en el intervalo entre
aproximadamente 150º y 180º en la banda de frecuencia superior para
la que el cable esté previsto.
Para la descripción detallada de los patrones de
abertura, las expresiones "dirección axial" y "dirección
transversal" se utilizan en este contexto refiriéndose
respectivamente a las direcciones paralela y perpendicular, respecto
del cable del eje.
La expresión "hilera de aberturas" tal como
se utiliza en este contexto, se refiere a cualquier patrón periódico
de aberturas que comprende n aberturas idénticas o similares,
repetidas a lo largo de la longitud del conductor externo, o que
comprende n aberturas idénticas o similares repetidas a lo largo de
la longitud del conductor externo, mientras que la hilera de
aberturas puede incluir aberturas idénticas o diferentes (no
necesariamente alineadas en las direcciones axial o transversal,
tal como se ilustra por ejemplo en las figuras 6 a 9, anexas a este
texto de especificación) que, para los propósitos de la invención,
se comportan colectivamente como una sola abertura y que son
aludidas en este texto como "hilera de aberturas".
Así, la invención proporciona un cable coaxial
en modo radiado como el definido en la reivindicación 1, que
comprende un conductor externo provisto con una hilera de aberturas
periódicas, que comprende una pluralidad (n) de aberturas o hileras
de aberturas, repetidas a lo largo la longitud del mencionado
conductor externo, mientras que una separación constante s separa
el extremo izquierdo de la primera abertura de un conjunto, del
extremo izquierdo de la primera abertura de un siguiente conjunto,
donde cada conjunto comprende al menos 10 aberturas o hileras de
aberturas, mientras que la longitud (global) L (en mm) de las
aberturas (o hileras de aberturas) es mayor de
(10D/n)^{1/2}, siendo D el diámetro del cable (en mm), y
donde la separación de abertura d es mayor de 1,5 w, donde w es la
anchura de las aberturas o hileras de aberturas, y donde la
separación s entre conjuntos sucesivos se selecciona de forma
que
donde \lambda_{opt . 1} y
\lambda_{opt . 2} representan los límites superior e inferior,
del rango óptimo longitudes de onda para el que está diseñado el
cable coaxial en modo radiado, y donde \varepsilon_{r} es la
constante dieléctrica del cable
radiante.
La longitud L de las aberturas tal como se
utiliza en este contexto, aplica al caso en que la hilera incluye n
aberturas simples y está medida en la dirección transversal, y
corresponde a la longitud del arco de círculo, mientras que
"longitud global L de las aberturas" aplica al caso en que la
hilera incluye n hileras de aberturas, y está definida mediante:
donde L_{i} es la longitud del
arco de círculo en la dirección transversal, del número de abertura
i en un
conjunto.
La "anchura de abertura w" tal como se
utiliza en este contexto, se mide en la dirección axial y
corresponde a la anchura más larga de la abertura simple, o a la
anchura de la abertura más ancha en un conjunto.
La "separación de abertura d" tal como se
utiliza en este contexto, se mide en la dirección axial y
corresponde a la distancia entre el eje transversal de dos
aberturas, o hileras de aberturas, sucesivas.
Las figuras adjuntas 4 a 9 muestran como se mide
estos diferentes tamaños, haciendo referencia a ciertas
realizaciones específicas de aberturas simples, y de hileras de
aberturas.
En una realización preferida de la invención, la
separación de abertura d es en concreto igual a s/2n \pm 20%.
En otra realización preferida de la invención,
el rango de longitud de onda óptima para el que está diseñado el
cable en modo coaxial, en el caso más apropiado puede corresponder
sustancialmente una octava de frecuencia (con \lambda_{opt . 2}
= \lambda_{opt . 1}/2), donde s es aproximadamente igual a 3,7
\lambda_{opt . 1}.
De acuerdo con otra característica preferida de
la invención, la hilera de aberturas puede involucrar más en
concreto un número (n) de aberturas o hileras de aberturas, de al
menos 14.
Realizaciones adicionales y otros detalles de la
invención, serán evidentes a partir de la siguiente descripción
detallada, en referencia a los dibujos anexos, en los cuales:
la figura 1 representa un gráfico del ángulo
\Theta_{1} frente a f/f_{inicial}, calculado para
\sqrt\varepsilonr = 1,136;
la figura 2 ilustra una separación del grupo de
abertura acorde con el estado del arte;
la figura 3 ilustra una realización preferida de
la separación entre dos hileras sucesivas de aberturas, de acuerdo
con la invención;
las figuras 4-5 ilustran dos
realizaciones preferidas de hileras de aberturas, que comprenden
aberturas simples de acuerdo con la invención; y
las figuras 6-9 ilustran varias
realizaciones preferidas de hileras de aberturas, que comprenden
conjuntos de aberturas de acuerdo con la invención.
La figura 1 ilustra el hecho de que la banda de
frecuencia para \Theta_{1} variando entre 150º y 180º,
corresponde aproximadamente a una octava (es decir, desde unos 7,9
f_{inicial} hasta 15,71 f_{inicial}, si \sqrt\varepsilonr =
1,136).
La extensión de la banda donde \Theta_{1}
varía desde 150º hasta 180º, depende de \sqrt\varepsilonr. Para
el valor inferior de \sqrt\varepsilonr, a saber \approx 1,1,
la banda es ligeramente más larga de una octava; la relación de los
límites de esta banda \approx 2,3. En la descripción de la
invención asumiremos que esta banda corresponde a una octava,
incluso si en realidad es ligeramente mayor cuando
\sqrt\varepsilonr \approx 1,1.
Se ha descubierto que en el extremo inferior de
la octava mencionada arriba (es decir para \Theta_{1}
\approx150º), la pérdida por acoplamiento es 6 dB menor que para
un cable radiante coaxial del arte previo, diseñado para tener
\Theta_{1} \approx 90º y que presente la misma atenuación
longitudinal. La pérdida por acoplamiento disminuye más cuando
\Theta_{1} se incrementa, y la ganancia corresponde a 10 dB con
\Theta_{1} \approx 161º; la menor pérdida por acoplamiento se
obtiene cuando \Theta_{1} está entre 170º y 180º.
Además se ha encontrado que para \Theta_{1}
= 150º, las variaciones en la intensidad del campo son típicamente
menores de 3 dB pico a pico, cuando la antena receptora está
orientada para la máxima respuesta.
Diseñar un cable radiante que trabaje con
\Theta_{1} en el intervalo entre aproximadamente 150º y 180º
requiere una cancelación o atenuación excelentes del modo
secundario, hasta la frecuencia \approx 15,71 f_{inicial} con
\sqrt\varepsilonr = 1,136, y hasta \approx 21 f_{inicial}
con \sqrt\varepsilonr = 1,1.
Se evita una caída de la intensidad de radiación
en la dirección \Theta_{1} aproximándose a 180º, gracias al
hecho de que las n aberturas, o conjuntos de aberturas, tienen que
tener preferentemente una longitud global L que satisfaga la
siguiente condición:
donde D es el diámetro del cable.
En esta expresión, L y D se expresan en
mm.
Como ejemplo, para un cable estándar cuyo
diámetro es 1¼'', (a saber, \approx 33 mm) con una hilera de 12
aberturas, la longitud de abertura mínima de es aproximadamente 5,25
mm, que corresponde al 16% del diámetro del cable.
Un cable radiante acorde con la presente
invención, puede utilizarse también a frecuencias inferiores (lo
que corresponde a \Theta_{1} <150º), pero los rendimientos se
ven perjudicados ligeramente (mayor pérdida por acoplamiento y
mayores variaciones en la intensidad de campo, en comparación con
obtenido con \Theta_{1} = 150º). Por consiguiente, un cable
radiante coaxial de banda ancha acorde con la presente invención
proporciona una banda de frecuencia mayor que los cables de banda
ancha del arte previo.
La figura 3 anexa muestra una de las
realizaciones preferidas de la presente invención. Incluye hileras
de n aberturas transversales o "ranuras" (donde n es mayor que
10, y preferentemente igual o mayor que 14) reproducidas a una
separación s constante, medida entre el extremo izquierdo de dos
sucesivas hileras de ranuras. La separación de ranura d es igual a
s / 2n \pm \Delta (donde \Delta representa aproximadamente el
20% de s / 2n), como se muestra en la figura 4 anexa. Se tiene que
la distancia entre el extremo izquierdo de la primera ranura y el
extremo izquierdo de la última ranura, que forman una hilera, es
igual a (n - 1)s / 2n. La hilera de ranuras está seguida por
una sección sin ranura alguna, cuya longitud es igual a (n +
1)s / 2n, si se mide entre el extremo izquierdo de la última
ranura de una hilera y el extremo izquierdo de la primera ranura de
la siguiente hilera.
Las n ranuras transversales deben tener una
longitud mínima L (en milímetros) igual a (10 D/n)^{1/2},
donde D es el diámetro del cable (en mm), y la separación de
ranuras d debe ser mayor que 1,5 w, donde w es la anchura de las
aberturas o las hileras de aberturas.
La separación s debe escogerse de forma que
\Theta_{1} \approx 150º en la parte inferior de la octava en
la que hay que optimizar los rendimientos; esta octava está
delimitada por las frecuencias (en MHz) f_{opt} y 2f_{opt}, que
se corresponden respectivamente a las longitudes de onda (en el
aire) \lambda_{opt} y \lambda_{opt}/2.
\lambda_{opt} está conectada con f_{opt}
mediante la expresión
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Si se considera la expresión (1), la condición
\Theta_{1} \approx 50º a la frecuencia f_{opt} puede
escribirse como
\vskip1.000000\baselineskip
Como cos150º = - 0,866, y para
\sqrt\varepsilonr = 1,36, obtenemos la siguiente condición:
En principio, si \sqrt\varepsilonr es
diferente de 1,136 la condición (10) debería recalcularse. Sin
embargo, en la práctica tal diferencia tiene solo un pequeño
impacto; desde luego, eligiendo s \approx 3,7 \lambda_{opt}
con \sqrt\varepsilonr \approx 1,1, se tiene \Theta_{1}
\approx 146º, que está a menos del 3% del valor objetivo.
Hay una segunda condición, que impone que
\Theta_{1} = 180º en la parte superior de la banda de frecuencia
en la que se requiere la optimización, es decir para \lambda =
\lambda_{opt}/2. A partir de la figura 1, es obvio que esta
condición se satisface siempre que se escoja s de acuerdo con la
expresión (10).
Un cable coaxial radiante acorde con la presente
invención, con una separación s dada por la expresión (10),
proporciona bajas pérdidas por acoplamiento y pequeñas variaciones
en la intensidad de campo, en la octava entre \lambda_{opt} y
\lambda_{opt}/2.
Si se requiere la optimización sobre una banda
de frecuencia que sea menor que una octava, por ejemplo entre
longitudes de onda \lambda_{opt . 1} y \lambda_{opt . 2}
(con \lambda_{opt . 2} > \lambda_{opt . 1} / 2), la
condición (10) es
\vskip1.000000\baselineskip
La segunda condición que impone que
\Theta_{1} \leq 180º, se satisfará si
\vskip1.000000\baselineskip
Puesto que cos 180º = - 1, para
\sqrt\varepsilonr igual 1,136 obtenemos
\vskip1.000000\baselineskip
Si \sqrt\varepsilonr \approx 1,1, esta
condición es:
\vskip1.000000\baselineskip
Para \sqrt\varepsilonr = 1,36, la separación
s se elige dentro del intervalo
\vskip1.000000\baselineskip
para \sqrt\varepsilonr = 1,1,
la separación s se elige dentro del
intervalo
\vskip1.000000\baselineskip
Puesto que estos intervalos son grandes, se
elige s para evitar que tenga frecuencias resonantes en los anchos
de banda de interés.
Como un primer ejemplo, consideramos un cable
radiante optimizado para la banda de frecuencia asignada a los
estándares de comunicación TETRA y a los sistemas de Radio Móvil
Privada (PMR). Esta banda de frecuencia se extiende desde 384 hasta
170 MHz. Las longitudes de onda en el aire \lambda_{opt . 1} y
\lambda_{opt . 2} son respectivamente iguales a 71 y 64 cm.
Asumiremos que \sqrt\varepsilonr = 1,136. Para satisfacer las
condiciones (11) y (13), la longitud del paso se escoge
dentro del intervalo [292 cm; 467 cm], y para evitar que tenga frecuencias resonantes en las bandas de interés.
dentro del intervalo [292 cm; 467 cm], y para evitar que tenga frecuencias resonantes en las bandas de interés.
Por ejemplo, una separación s = 350 cm implica
que \Theta_{1} varía desde 155,6º hasta 162,6º, en la banda de
frecuencia entre 380 y 470 MHz.
Un cable radiante acorde con la presente
invención, y con una separación s escogida dentro del intervalo [292
cm; 467 cm] funciona también, con menores rendimientos, en
frecuencias externas a la banda entre 380 y 470 MHz, y puede
utilizarse como un cable de banda ancha. Por ejemplo, con s = 350 cm
el cable funciona en modo radiado con rendimientos satisfactorios
entre aproximadamente 40 y 600 MHz.
Como un segundo ejemplo, consideramos un cable
radiante optimizado para la transmisión de los estándares de
comunicación móvil TDMA IS-54, CDMA IS 95 y GSM 900,
cuya banda de frecuencia se extiende desde 824 hasta 960 MHz. Las
longitudes de onda en el aire \lambda_{opt . 1} y
\lambda_{opt . 2} son, respectivamente, iguales a 36 y 31 cm.
Asumiremos que \sqrt\varepsilonr = 1,136. Para satisfacer las
condiciones (10) y (12), la separación se escoge dentro del
intervalo [135 cm; 226 cm], y para evitar tener frecuencias
resonantes en las bandas de interés.
Un cable radiante acorde con la presente
invención, y con una separación s escogida dentro del intervalo [135
cm; 226 cm] funciona también, con menores rendimientos, en
frecuencias fuera de la banda entre 870 y 960 MHz, y puede
utilizarse como un cable de banda ancha. Por ejemplo con s = 200 cm,
el cable funciona en modo radiado con rendimientos satisfactorios
aproximadamente entre 70 y 1050 MHz.
Como tercer ejemplo consideraremos un cable
radiante optimizado para la banda de frecuencia asignada a una Red
de Área Local Inalámbrica (WLAN) sobre 5 GHz. La frecuencia de banda
precisa se extiende desde 5150 hasta 5850 MHz. Las longitudes de
onda en el aire \lambda_{opt . 1} y \lambda_{opt . 2} son,
respectivamente, iguales a aproximadamente 6 y 5 cm. Asumiremos que
\sqrt\varepsilonr = 1,136. Para satisfacer las condiciones 11 y
13, la separación s se elige dentro del intervalo [22 cm; 36 cm], y
para evitar que tenga frecuencias resonantes en las bandas de
interés.
Por ejemplo, una separación s igual a 32 cm
implica que \Theta_{1} varía desde 162,6º hasta 167,5º, en la
banda de frecuencia desde 5150 hasta 5850 MHz.
Un cable radiante acorde con la presente
invención y con una separación s elegida dentro del intervalo [22
cm; 36 cm] funciona también, con menores rendimientos, en
frecuencias fuera de la banda entre 5150 y 5850 MHz, y puede
utilizarse como cable de banda ancha. Por ejemplo con s = 32 cm, el
cable funcionaría en modo radiado con rendimientos satisfactorios
aproximadamente entre 440 y 6500 MHz.
Las ranuras rectangulares perpendiculares al eje
del cable, como se muestra en la figura 4, constituyen una de las
realizaciones preferidas. Los tamaños de ranura se escogen para
controlar las pérdidas por acoplamiento con una longitud mínima L
igual a (10 D/n)^{1/2}, donde D es el diámetro del cable.
La separación de ranuras d es igual a s / 2n \pm \Delta, y
tiene que ser mayor que 1,5 w, donde w es la anchura de las
aberturas o de las hileras de aberturas.
Otras realizaciones permiten conseguir el mismo
efecto. Por ejemplo la ranura puede estar inclinada con respecto al
eje del cable, como se muestra en la figura 5.
La ranura puede también tener esquinas
redondeadas. La abertura simple puede también tener forma elíptica
u ovalada, con el eje principal ya sea perpendicular, paralelo o
inclinado con respecto al eje del cable. La abertura puede también
ser circular.
La abertura simple puede también reemplazarse
por una hilera de aberturas, que incluye una pluralidad de aberturas
idénticas menores, sea alineadas transversalmente como se ilustra
en la figura 6 anexa, o no, como se muestra en la figura 7
anexa.
Las aberturas en un conjunto pueden ser
diferentes, y los conjuntos sucesivos no son necesariamente
idénticos, toda vez que la totalidad de los conjuntos presenten
propiedades de radiación aproximadamente equivalentes, como se
muestra en las figuras 8 y 9 anexas.
En las realizaciones concretas mostradas en las
figuras anexas 6 a 9, la longitud global L de las aberturas debe
ser mayor que (10 D/n)^{1/2}. La separación de abertura d,
igual a s / 2n \pm \Delta, debe ser mayor que 1,5 w, donde w es
la anchura de una abertura o de una hilera de aberturas.
\vskip1.000000\baselineskip
La lista de referencias citadas por el
solicitante es solo para comodidad del lector. No forma parte del
documento de Patente Europea. Incluso aunque se ha tomado especial
cuidado en recopilar las referencias, no puede descartarse errores u
omisiones y la EPO rechaza toda responsabilidad a este
respecto.
\bullet DE 2812512 A [0027]
\bullet GB 1481485 A [0028]
\bullet FR 2685549 A [0029]
\bullet EP 0765002 A2 [0032]
\bullet US 6292072 B1 [0033]
\bullet WO 9917401 A [0034]
\bullet BE 1010528 [0035]
\bullet US 5705967 A [0035]
Claims (7)
1. Cable coaxial en modo radiado, que comprende
un conductor externo provisto periódicamente con hileras de
aberturas que comprenden n aberturas o conjuntos de aberturas,
repetidas a lo largo de la longitud del mencionado conductor
externo, donde una separación constante s separa el extremo
izquierdo de la primera abertura de una hilera, del extremo
izquierdo de la primera abertura de una siguiente hilera, n valiendo
como mínimo 10, caracterizado porque la separación s entre
sucesivas hileras de aberturas se selecciona de forma que
donde \lambda_{opt . 1} y
\lambda_{opt . 2} son respectivamente los límites superior e
inferior del rango de longitudes de onda para el que está diseñado
el cable coaxial en modo radiado, con \lambda_{opt . 2} \geq
\lambda_{opt . 1} / 2, y donde \varepsilon_{r} representa la
constante dieléctrica relativa del cable radiante, donde cada una de
las aberturas o hileras de aberturas tiene una dimensión L,
respectivamente una dimensión global L que corresponde a la suma
\SigmaL_{i} de las dimensiones L_{i} de las aberturas en cada
conjunto, en la dirección transversal al eje del cable, expresada en
mm, teniendo un valor igual o mayor que el valor de la fórmula (10D
/ n)^{1/2}, donde D es el valor del diámetro del cable
expresado en mm, y donde la separación d en la dirección del eje del
cable, que separa el eje de simetría de dos sucesivas aberturas o
hileras de aberturas, es mayor que 1,5 w, donde w es la mayor
anchura de las aberturas, respectivamente la anchura de la abertura
más ancha de las hileras de aberturas, en la dirección del eje del
cable.
2. Cable radiante acorde con la reivindicación
1, caracterizado porque la separación d que separa el eje de
simetría de dos sucesivas aberturas o hileras de aberturas, es igual
a s / 2n \pm 20%.
3. Cable radiante acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el rango de
longitudes de onda para el que está diseñado el cable coaxial en
modo radiado, corresponde sustancialmente a una octava (con
\lambda_{opt . 2} = \lambda_{opt . 1} / 2), donde s es
sustancialmente igual a 3,7 \lambda_{opt . 1}.
4. Cable radiante acorde con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque n vale al
menos 14.
5. Cable radiante acorde con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes 1-4,
caracterizado porque la separación s se escoge dentro del
intervalo 292 cm - 467 cm, para longitudes de onda en el aire
\lambda_{opt . 1} y \lambda_{opt . 2} de 79 y 64 cm,
respectivamente.
6. Cable radiante acorde con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes 1-4,
caracterizado porque la separación s se escoge dentro del
intervalo 135 cm - 226 cm, para longitudes de onda en el aire
\lambda_{opt . 1} y \lambda_{opt . 2} de 36 y 31 cm,
respectivamente.
7. Cable radiante acorde con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes 1-4,
caracterizado porque la separación s se escoge dentro del
intervalo 22 cm - 36 cm, para longitudes de onda en el aire
\lambda_{opt . 1} y \lambda_{opt . 2} de 6 y 5 cm,
respectivamente.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP05105959 | 2005-06-30 | ||
| EP05105959A EP1742298A1 (en) | 2005-06-30 | 2005-06-30 | Radiating coaxial cable |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| ES2296262T3 true ES2296262T3 (es) | 2008-04-16 |
Family
ID=35207465
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES06101720T Active ES2296262T3 (es) | 2005-06-30 | 2006-02-15 | Cable coaxial radiante. |
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| ES (1) | ES2296262T3 (es) |
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- 2006-02-15 ES ES06101720T patent/ES2296262T3/es active Active
- 2006-02-15 DE DE602006000193T patent/DE602006000193T2/de active Active
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