ES2298196T3 - Antena de parche de microcinta multifrecuencia con elementos parasitos acoplados. - Google Patents

Antena de parche de microcinta multifrecuencia con elementos parasitos acoplados. Download PDF

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Abstract

Un dispositivo de antena de parche de microcinta multifrecuencia, que incluye un plano de tierra o toma de tierra equilibrada y una primera capa conductora, actuando dicha capa conductora como el parche activo para el dispositivo de antena en su conjunto, estando dicho parche activo alimentado al menos en un punto de dicha capa conductora, que se caracteriza porque dicha antena de parche de microcinta comprende al menos dos capas conductoras adicionales que actúan como parches (2) parásitos, estando dichos parches parásitos colocados por debajo de dicho primer parche activo, a diferentes niveles entre dicho parche activo y el citado plano de tierra o toma de tierra equilibrada, en el que al menos uno de los parches parásitos incluye una estructura multinivel o una estructura de relleno espacial o una combinación de ambas, y/o en el que al menos el parche activo incluye una estructura multinivel, una estructura de relleno espacial o una combinación de las mismas.

Description

Antena de parche de microcinta multifrecuencia con elementos parásitos acoplados.
Objeto y antecedentes de la invención
La presente invención se refiere a una nueva clase de antenas de microcinta con comportamiento de multifrecuencia, basadas en el apilamiento de varios parches parásitos por debajo de un parche superior activo.
Se dice que una antena es multifrecuencia cuando el comportamiento radioeléctrico (impedancia, polarización, diseño, etc.) es invariable para diferentes frecuencias operativas. El concepto de antenas multifrecuencia deriva de antenas independientes de la frecuencia. Las antenas independientes de la frecuencia fueron propuestas en primer lugar por V.H. Rumsey (V.H. Rumsey, "Antenas de Frecuencia Independiente", 1957 IRE National Convention Record, pt. 1, pp. 114-118), y pueden ser definidas como una familia de antenas cuyo comportamiento (impedancia, polarización, diseño, ...) sigue siendo el mismo para cualquier frecuencia operativa. El trabajo de Rumsey condujo al desarrollo de la antena logarítmica periódica y de la matriz logarítmica periódica. Se encontraron diferentes grupos de antenas independientes en la literatura como antenas auto-escalables basadas directamente en el Principio de Rumsey, como las antenas espirales (J.D. Dyson, "La Antena Espiral Equiangular Unidireccional", IRE Trans. Antennas Propagation, vol. AP-7, pp. 181-187, Octubre de 1959) y las antenas auto-complementarias basadas en el Principio de Babinet. Este principio fue ampliado posteriormente por Y. Mushiake en 1948.
Una conjunto análogo de antenas son las antenas multifrecuencia, en la que el comportamiento de la antena es el mismo, pero a un conjunto discreto de frecuencias. Las antenas multinivel, tales como los descritas en la Publicación de Patente núm. WO 01/22528, "Antenas Multinivel", son un ejemplo de una clase de antenas que debido a su geometría, se comportan de una manera similar en varias bandas de frecuencia, es decir, implementan un comportamiento multifrecuencia (multibanda).
En este caso, el concepto de antenas multifrecuencia se aplica de una forma innovadora a antenas de microcinta, obteniendo de esta manera una nueva generación de antenas de parche de microcinta multifrecuencia. El comportamiento de multifrecuencia se obtiene por medio de parches de microcinta parásitos colocados a diferentes alturas bajo el parche activo. Algunas de las ventajas de las antenas de parche de microcinta con respecto a otras configuraciones de antenas, son: ligereza de peso, bajo volumen, bajo perfil, simplicidad y bajos costes de fabricación.
En la literatura aparecen descritos algunos intentos de diseño de antenas de parche de microcinta, mediante la adición de varios parches parásitos con una configuración coplanar, de dos dimensiones (F. Croq, D.M. Pozar, "Operación Multifrecuencia de Antenas de Microcinta que Utilizan Resonadores Paralelo Acoplados de Apertura", IEEE Transacciones sobre Antenas y Propagación, vol. 40, núm. 11, pp. 1367-1374, Nov. 1992). También, diversos ejemplos de antenas multibanda o de banda ancha, que consisten en un conjunto de capas parásitas sobre la parte superior de un parche activo, han sido descritas en la literatura (véase, por ejemplo, J. Anguera, C. Puente, C. Borja, "Un Procedimiento para Diseñar Antenas de Parche Microcinta Apiladas Basadas en un Modelo de Red Simple", Microwave and Opt. Tech. Letters, Vol. 30, núm. 3, Willey, Junio de 2001); sin embargo, se debe subrayar que, en ese caso, los parches parásitos están situados sobre la parte superior del parche alimentado (el parche activo), mientras que en la presente invención los parches están situados por debajo de dicho parche activo, dando lugar a un diseño más compacto y mecánicamente más estable que implementa un comportamiento multibanda o de banda ancha.
En M. SANAD, "Una antena microcinta compacta de doble banda ancha que tiene elementos parásitos tanto apilados como planares", IEEE ANTENNAS AND PROPAGATION SOCIETY INTERNATIONAL SYMPOSIUM 1996 DIGEST, 21-26 de Julio de 1996, celebrado conjuntamente con la US-NC/URSI NATIONAL RADIO. SCIENCE MEETING, Nueva York, IEEE, US, vol. 1, 21 de Julio de 1996, páginas 6-9, se describe una disposición sustancialmente en la misma línea que el preámbulo de la reivindicación 1.
Es interesante apreciar que cualquiera de las geometrías de parches descritos en la técnica anterior, puede ser utilizada de una manera innovadora tanto para los parches activos como para los parásitos que se describen en la presente invención. Un ejemplo de geometrías de la técnica anterior son la cuadrada, circular, rectangular, triangular, hexagonal, octogonal, fractal o de relleno espacial ("Antenas Miniatura de Relleno Espacial", Publicación de Patente núm. WO 01/54225), o de nuevo las geometrías Multinivel (WO 01/22528).
Por otra parte, una Curva de Relleno Espacial (en lo que sigue, SFC) es una curva que es grande en términos de longitud física, pero pequeña en términos del área en la que se puede incluir la curva. De forma más precisa, se adopta la definición que sigue en este documento para curva de relleno espacial: una curva compuesta por al menos diez segmentos que están conectados de tal manera que cada segmento forma un ángulo con sus contiguos, es decir, ningún par de segmentos adyacentes definen un segmento recto más grande, y en la que la curva puede ser opcionalmente periódica a lo largo de una dirección recta fija del espacio si, y sólo si, el período está definido por una curva no periódica compuesta por al menos diez segmentos conectados, y ningún par de dichos segmentos adyacentes y conectados define un segmento recto más largo. También, cualquiera que sea el diseño de tal SFC, nunca puede intersectar consigo misma en ningún punto excepto en el punto inicial y final (es decir, la curva total puede estar dispuesta a modo de curva cerrada o bucle, pero ninguna de las partes de la curva puede ser un bucle cerrado). Una curva de relleno espacial puede estar acoplada a una superficie plana o curva, y debido a los ángulos entre segmentos, la longitud física de la curva es siempre más grande que la de la línea recta que puede ser acoplada en la misma área (superficie) que dicha curva de relleno espacial. Adicionalmente, para configurar apropiadamente el plano de tierra de acuerdo con la presente invención, los segmentos de las curvas SFC incluidas en dicho plano de tierra deben ser más cortos que la décima parte de la longitud de onda operativa en el espacio libre.
Sumario de la invención
Una de las características principales de la presente invención consiste en el comportamiento del diseño como antena de parche de microcinta multifrecuencia. La antena propuesta está basada en una antena de parche de microcinta activo, y al menos dos parches parásitos se sitúan por debajo del parche activo, en el espacio entre dicho parche superior y el plano de tierra o toma de tierra equilibrada. La separación entre parches puede estar rellena de aire o, por ejemplo, con un material dieléctrico para proporcionar un diseño mecánico compacto. Se puede utilizar una o más fuentes de alimentación para excitar el citado parche activo para obtener una antena polarizada dual o una antena polarizada circular. El mecanismo de alimentación de dicho parche activo puede ser, por ejemplo, una línea coaxial unida al parche activo. Cualquiera de los medios de alimentación y de las redes adaptadoras bien conocidas, que se han descrito en la técnica anterior (por ejemplo, estructuras acopladas a un espacio o ranura, sondas en "forma de L" o líneas coaxiales), pueden ser también utilizados. Debido a la estructura, la antena está en condiciones de operar simultáneamente en diversas bandas de frecuencia operativa, cada una de las cuales tiene excelentes valores de banda en cuanto a pérdidas de retorno (entre -6 dB y -60 dB dependiendo de la aplicación) y patrones de radiación similares a través de todas las bandas.
La ventaja de esta configuración novedosa de antena con respecto a la técnica anterior, es doble. Por una parte, la invención proporciona un diseño mecánico compacto y robusto, con un perfil bajo en comparación con otras configuraciones apiladas de la técnica anterior, y con una única alimentación para todas las frecuencias. Por otra parte, la inclusión de muchos elementos resonantes, es decir, los parches parásitos, que pueden ser sintonizados de forma individual, proporciona un alto grado de libertad en el ajuste de la respuesta de frecuencia de la antena respecto a un comportamiento multibanda o de banda ancha. De este modo, el dispositivo de antena encuentra aplicación en muchas aplicaciones en las que se requiere la integración de múltiples servicios inalámbricos (tales como, por ejemplo, AMPS, GSM900, GSM1800, PCS1899, CDMA, UMTS, Bluetooth, TACS, ETACS, DECT, Radio FM/AM, DAB, GPS) en un único dispositivo de antena.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 muestra un parche activo alimentado por una sonda coaxial y seis parches parásitos situados por debajo de dicho parche activo;
la Figura 2 muestra lo mismo que la Figura 1, pero en este caso el parche activo se alimenta por medio de una sonda coaxial y de un condensador grabado por ataque químico sobre la misma superficie en la que se ha grabado el parche activo;
la Figura 3 muestra lo mismo que la Figura 1, pero en este caso, el parche activo está alimentado por una sonda coaxial y por un condensador situado por debajo del parche activo;
la Figura 4 muestra lo mismo que la Figura 1, pero en este caso, el parche activo se alimenta mediante una sonda coaxial en forma de L;
la Figura 5 muestra un parche activo de forma cuadrada y varios parches parásitos basados en un ejemplo particular de geometría multinivel;
la Figura 6 muestra lo mismo que la Figura 5, pero en este caso, los parches están basados en un ejemplo particular de geometría de relleno espacial;
la Figura 7 muestra una vista superior del punto de alimentación sobre el parche activo. Se utilizan dos alimentaciones de sonda para conseguir una antena polarizada dual o polarizada circular;
la Figura 8 muestra lo mismo que la Figura 1, pero en este caso se utilizan varias capas de dieléctrico diferentes entre los elementos radiantes;
la Figura 9 muestra una disposición en la que los parches activo y parásitos no están alineados, es decir, el centro de cada elemento no se extiende sobre el mismo eje.
Descripción detallada de algunas realizaciones preferidas de la invención
La Figura 1 describe una realización de la antena de parche de microcinta multifrecuencia formada por un parche (1) activo alimentado por una sonda (3) coaxial, y varios parches (2) parásitos situados por debajo de dicho parche (1) activo. O bien el parche (1) activo o bien los parches (2) parásitos, pueden estar por ejemplo impresos, sobre un substrato dieléctrico o, alternativamente, pueden ser conformados mediante un proceso láser. En general, cualquiera de las técnicas bien conocidas de fabricación de circuitos impresos u otra del estado actual de la técnica, para antenas de parche de microcinta, puede ser aplicada para implementar físicamente los parches y no constituye parte esencial de la invención. En algunas realizaciones preferidas, dicho substrato dieléctrico es una placa de fibra de vidrio (FR4), un substrato a base de Teflon (tal como Cuclad®) u otros substratos estándar para radiofrecuencia y microondas (tal como, por ejemplo, Rogers 4003® o Kapton®). El substrato dieléctrico puede incluso ser una porción de vidrio de ventana si la antena ha de ser montada en un vehículo a motor tal como un coche, un tren o un aeroplano, para transmitir o recibir ondas electromagnéticas asociadas a, por ejemplo, algunos sistemas de telecomunicaciones tales como radio, TV, telefonía celular (GSM 900, GSM 1800, UMTS) o aplicaciones de satélite (GPS, Sirius y así sucesivamente). Debido a la naturaleza multifrecuencia de la antena, todos estos sistemas, algunos de ellos, o una combinación de algunos de ellos con otros sistemas de telecomunicaciones, pueden operar simultáneamente a través de la antena descrita en la presente invención. Por supuesto, una red equilibradora, filtradora o amplificadora (por nombrar algunos ejemplos), puede ser conectada a, o estar integrada en, los terminales de entrada del parche (1) activo.
El esquema de alimentación del citado parche (1) activo puede ser tomado en uno cualquiera de los esquemas bien conocidos utilizados en las antenas de parche de la técnica anterior, por ejemplo: sonda (3) coaxial como se muestra en la Figura 1, sonda (3) coaxial y condensador (5) como se muestra en las Figuras 2, 3, sonda (3') coaxial en forma de L como se muestra en la Figura 4, o sonda de alimentación de ranura. En el caso de un esquema de alimentación por sonda, la patilla, el cable o el borne de la sonda de alimentación cruza todos los parches (2) parásitos a través de una abertura realizada en cada uno de dichos parches parásitos. Cuando la antena se alimenta por medio de una línea de microcinta por debajo del plano (4) de tierra, una ranura realizada en dicho plano (4) de tierra y en cada uno de los parches (2) parásitos individuales, proporciona un medio para alimentar el parche (1) superior activo. Para los expertos en la materia resultará claro que, cualquiera que sea el mecanismo de alimentación, se pueden utilizar dos puertos (8) de alimentación mostrados en la Figura 7, con el fin de obtener una antena polarizada dual, polarizada en pendiente, o polarizada circular.
El medio entre los elementos activo y parásitos puede ser aire, espuma o cualquier substrato estándar para radiofrecuencia y microondas. Además, se pueden usar varias capas (9) dieléctricas diferentes, por ejemplo: los parches pueden ser grabados químicamente sobre un substrato rígido tal como Rogers 4003® o fibra de vidrio, y se puede introducir espuma blanda para separar los elementos (Figura 8).
Las dimensiones de los parches activo (1) o parásitos (2) se ajustan de modo que se alcance la operación multifrecuencia deseada. Típicamente, los parches tienen un tamaño comprendido entre un cuarto de longitud de onda y la longitud de onda completa en la banda de frecuencia operativa deseada. Cuando se incluye un cortocircuito en, por ejemplo, uno de los parches, entonces el tamaño de dicho parche puede ser reducido por debajo de un cuarto de la longitud de onda. En el caso de parches perimetrales de relleno espacial, el tamaño del parche puede ser más grande que una longitud de onda completa si se desea un modo operativo de alta directividad, de orden alto. Las formas y las dimensiones de los parches pueden ser diferentes con el fin de obtener tal operación de multifrecuencia, y para obtener una antena compacta. Por ejemplo, las dimensiones de los parches pueden ser adicionalmente reducidas utilizando un relleno (7) espacial o una geometría (6) multinivel. Este proceso de reducción puede ser aplicado a la totalidad de la estructura o solamente a algunos elementos (Figuras 5 y 6). También, en algunas realizaciones, el comportamiento multibanda de dichas geometrías multinivel o de relleno espacial, puede ser utilizado en combinación con el efecto multibanda de la estructura multicapa de la presente invención, para aumentar el rendimiento de la antena.
Los centros de los parches activo y parásitos, pueden no estar alineados, con el fin de conseguir la operación multifrecuencia deseada. Este no alineamiento puede ser en horizontal, en vertical o en ambos ejes (Figura 9), y proporciona una forma útil de sintonizar la banda de la antena mientras que se ajusta la impedancia y se configura el modelo de antena resultante.
Los expertos en la materia comprenderán claramente que el comportamiento multibanda implementado por el dispositivo de antena descrito en la presente invención tendrá el máximo interés en aquellos entornos tales como, por ejemplo, las antenas de estación de base en sistemas celulares inalámbricos, la industria del automóvil, la industria de los terminales y microteléfonos, en las que la operación simultánea de varios sistemas de telecomunicaciones a través de una sola antena constituye una ventaja. Un dispositivo de antena como el que se ha descrito en la presente invención puede ser utilizado, por ejemplo, para operar simultáneamente una combinación de algunas de las bandas de frecuencia asociadas a AMPS, GSM900, GSM1800, PCS1899, CDMA, UMTS, Bluetooth, TACS, ETACS, DECT, Radio FM/AM, DAB, GPS o, en general, a cualquier otro sistema inalámbrico de radiofrecuencia.

Claims (22)

1. Un dispositivo de antena de parche de microcinta multifrecuencia, que incluye un plano de tierra o toma de tierra equilibrada y una primera capa conductora, actuando dicha capa conductora como el parche activo para el dispositivo de antena en su conjunto, estando dicho parche activo alimentado al menos en un punto de dicha capa conductora, que se caracteriza porque dicha antena de parche de microcinta comprende al menos dos capas conductoras adicionales que actúan como parches (2) parásitos, estando dichos parches parásitos colocados por debajo de dicho primer parche activo, a diferentes niveles entre dicho parche activo y el citado plano de tierra o toma de tierra equilibrada, en el que al menos uno de los parches parásitos incluye una estructura multinivel o una estructura de relleno espacial o una combinación de ambas, y/o en el que al menos el parche activo incluye una estructura multinivel, una estructura de relleno espacial o una combinación de las mismas.
2. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con la reivindicación 1, en el que uno de los parches parásitos incluye una estructura multinivel.
3. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que al menos uno de los parches parásitos incluye una estructura de relleno espacial.
4. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con la reivindicación 1 ó 3, en el que al menos el parche activo incluye una estructura multinivel, una estructura de relleno espacial, o una combinación de ambas.
5. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con las reivindicaciones 1 ó 4, en el que la geometría del parche activo se elige en el grupo consistente en: cuadrada, circular, rectangular, triangular, hexagonal, octogonal y fractal.
6. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la geometría de los parches parásitos se elige en el grupo consistente en: cuadrada, circular, rectangular, triangular, hexagonal, octogonal y fractal.
7. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el parche activo y los parches parásitos tienen formas y dimensiones diferentes.
8. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la antena implementa un comportamiento multibanda en tantas bandas como capas de parche existan en la disposición de antena.
9. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la antena implementa un comportamiento de banda ancha.
10. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dicha antena se utiliza para operar simultáneamente varios sistemas de comunicación.
11. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 7, en el que la antena se alimenta en el parche activo en dos puntos de alimentación, para proporcionar polarización dual, polarización en pendiente, polarización circular, polarización elíptica, o una combinación de las mismas.
12. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 8, en el que al menos uno de los parches es más grande que la longitud de onda operativa, y al menos una porción del perímetro de dicho parche es una curva de relleno espacial, y la antena es operada según un modo resonante localizado de orden mayor que el de dicho parche particular.
13. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el área cubierta por la antena es más pequeña que la cubierta por un parche convencional con el mismo ancho de banda.
14. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el centro de al menos un parche no está alineado con el eje vertical que atraviesa ortogonalmente el parche activo por su centroide.
15. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos un parche no está alineado horizontalmente con respecto a los otros parches.
16. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 11, en el que la antena se alimenta por medio de al menos una patilla conductora, un cable o un borne, en el la patilla, el cable o el borne atraviesa todas las capas a través de una abertura realizada en cada uno de los parches parásitos, estando dicha patilla, el cable o el borne acoplado electromagnéticamente con el parche activo, ya sea mediante contacto óhmico o ya sea mediante acoplamiento capacitivo.
17. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 11, en el que la antena se alimenta por medio de una línea de microcinta, estando dicha línea de microcinta situada por debajo del plano de tierra y acoplada con el parche superior por medio de una ranura realizada en cada parche parásito individual y en el plano de tierra.
18. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los parches activo y parásitos se imprimen sobre un substrato dieléctrico.
19. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con la reivindicación 15, en el que uno de dichos substratos dieléctricos consiste en una porción de vidrio de ventana de un vehículo a motor.
20. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo de antena opera simultáneamente en una combinación de bandas de frecuencia elegidas en el grupo: AMP, GSM900, GSM1800, PCS1899, CDMA, UMTS, Bluetooth, TACS, ETACS, DECT, Radio FM/AM, GPS, o de cualquier otro sistema inalámbrico de radiofrecuencia.
21. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que uno de dichos parches (1, 2) está cortocircuitado respecto al plano (4) de tierra.
22. Un dispositivo de antena de parche de microcinta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-20, en el que ninguno de dichos parches (1, 2) está cortocircuitado respecto al plano (4) de tierra.
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