BRPI0302034B1 - antena moldada polarizada e método de fabricação de um dipolo para uso em uma antena polarizada - Google Patents

Abstract

"antena bipolar moldada polarizada simples ou dupla que tem estrutura de alimentação integrada". trata-se de uma antena polarizada para o envio e recepção de sinais de rádio freqüência polarizados que inclui um dipolo e uma placa refletora. o dipolo é formado como uma parte única incluindo os braços radiantes e estruturas de alimentação, requerendo assim montagem mínima. este dipolo pode ser formado por meio da moldagem de materiais convencionais, tais como cobre, alumínio e plástico, os quais podem então ser revestidos. a estrutura de alimentação através da qual o cabo passa, apresenta uma abertura em fenda. a impedância do dipolo é baseada na largura destas aberturas e no tamanho do cabo condutor. por ter uma construção de corpo único, o dipolo da presente invenção proporciona boa impedância, baixa distorção de intermodulação, bom isolamento porta a porta e bom padrão de pureza.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ANTENA MOLDADA POLARIZADA E MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UM DIPOLO PARA USO EM UMA ANTENA POLARIZADA".

Fundamentos da Invenção Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se, de modo geral, a antenas de estação base de painel polarizadas duplas para uso em sistemas de comunicação móvel. Mais especificamente, a invenção refere-se à estrutura de dipolos usada com antenas de estação base de painel polarizadas.

Descrição da Técnica Relacionada [002] As antenas dipolares são comuns na indústria da comunicação e estruturas convencionais, incluindo dipolares com meio comprimento de onda com estruturas Gravata borboleta "bow tie" e estruturas borboleta "butterfly", são descritas em diversos livros, incluindo Bafanis, Constantine A, "Antenna Theory Anaiysis and Design", Wiley, 1997.

[003] Em particular, antenas de estação base de painel, tais como aquelas usadas em sistemas de comunicação móvel, se baseiam fortemente em antenas com polarização dupla. Em muitos casos, estas antenas são construídas usando-se elementos polarizados lineares simples, agrupados de tal maneira que se cria polarização dupla. Neste caso, dois arranjos separados de elementos radiantes são necessários para irradiar em ambas as polarizações.

[004] A construção de antenas com a utilização desta abordagem, no entanto, não é desejável, porque criar o efeito de polarização dupla com elementos polarizados lineares simples aumenta o custo do trabalho e o número de partes envolvidas na fabricação da antena, ao mesmo tempo em que reduz seu desempenho geral. Para superar isso, a maioria das antenas com polarização dupla são feitas com ele- mentos duplos diretamente polarizados, seja por meio da inclusão de um único elemento de conexão alimentado de tal maneira a criar uma estrutura polarizada dupla ou por meio da combinação de dois dipolos polarizados lineares simples em um, fazendo assim um único elemento de polarização duplo.

[005] A alimentação de sinais para e a partir destas estruturas de polarização duplas é usualmente realizada por meio de estruturas de acoplamento convencionais tais como cabos coaxiais, linhas de transmissão de microfaixa ou linha de faixa ou fendas. O inconveniente em usar estas estruturas de acoplamento convencionais com as antenas e dipolos descritos acima é que eles aumentam o número de partes necessárias para construir a antena, gerando assim distorções de intermodulação indesejadas.

[006] Além disso, a fabricação destas antenas de painel com dipolos que incluem inúmeros elementos de radiação requer, com fre-qüência, inúmeras juntas soldadas e conexões por parafuso. O número total de partes necessárias em tais antenas de painel, em adição ao custo de sua montagem, as torna não adequadas para produção em massa. Em adição, soldas, parafusos e tipos similares de fixações entre partes não apenas acrescenta ao tempo de fabricação e custo do trabalho, como também gera distorções de intermodulação indesejadas.

[007] Além de evitar estas distorções de intermodulação, é necessário conseguir bom isolamento porta a porta entre as duas entradas dos elementos radiantes na antena de modo a obter um eficiente sistema de comunicação. Este isolamento é a medida entre a razão de potência que deixa uma porta e entra na outra porta. Mas usar as linhas de transmissão dielétricas aéreas que são comuns em estruturas de acoplamento convencionais, cria distorções no sinal alimentado a e a partir do refletor. Nestas circunstâncias, é proibitivamente caro e difí- cil obter o isolamento desejado, o que significa que a antena não pode ser configurada de tal modo que uma porta seja usada para transmissão e a outra porta para recepção.

[008] Finalmente, em adição a ter as características de isolamento porta a porta e um mínimo de distorções de íntemnodulação, também é importante que os dipolos no arranjo de antena tenham uma boa impedância, tal que todos os dipolos no arranjo sejam emparelhados de maneira apropriada.

[009] Em vista do que foi dito acima, existe a necessidade na técnica de antenas de estação base de painel de baixo custo que sejam fáceis de montar, que incluam uma disposição simples de elementos radiantes e que requeiram um número reduzido de partes e conexões. Em adição, tais antenas têm que ter bom isolamento porta a porta, bom padrão de características, boa impedância e baixa distorção intermodulaçâo.

Sumário da Invenção [0010] A presente invenção proporciona uma nova e útil antena polarizada simples ou dupla para uso em sistemas de comunicação móvel.

[0011] Uma primeira modalidade da invenção proporciona uma antena polarizada para uso em um sistema de comunicação móvel que compreende pelo menos um dipolo tendo uma parte de base e uma pluralidade de braços radiantes que se estendem a partir dela, em que o dito dipolo é formado como uma estrutura simples; e uma placa refletora à qual a parte de base é presa, sendo que a dita placa refletora é um plano terra e reflete sinais de freqiiência de rádio polarizados. O dipolo pode incluir dois conjuntos de braços, incluindo um primeiro conjunto e um segundo conjunto respectivamente tendo uma primeira polarização e uma segunda polarização correspondentes a duas polarizações do dito dipolo. Cada conjunto de braços, de prefe- rência, inclui dois pares de braços dispostos em forma de V e tendo uma parte de vértice, Um primeiro par de braços em cada conjunto tem uma primeira fenda na dita parte de vértice e um segundo par de braços tem uma segunda fenda na dita parte de vértice para receber um cabo de alimentação, sendo que a dita primeira fenda recebe um cabo central condutor e a dita segunda fenda recebe uma jaqueta de isolamento, O dipolo também pode incluir uma cavidade para alimentar o cabo localizado na parte de vértice dos braços.

[0012] A presente invenção proporciona adicionalmente um método de fabricação de um dipolo para uso em uma antena polarizada, compreendendo formar um corpo de dipolo inteiro como uma peça única, incluindo uma parte de base e uma pluralidade de braços radiantes. O corpo do dipolo é moldado, otimamente, a partir de um material convencional tal como plástico, alumínio ou similar. Neste caso, o método da presente invenção compreende adicionalmente revestir o dipolo moldado com um material metálico que pode ser soldado.

[0013] Sendo assim, a invenção compreende as características de construção, combinação de elementos e disposição de partes que serão exemplificadas na construção estabelecida abaixo e o escopo da invenção será indicado nas reivindicações.

Breve Descrição dos Desenhos [0014] Os objetivos e vantagens da presente invenção se tornarão mais claros com referência aos desenhos a seguir em que elementos similares receberam caracteres de referência similares. Em particular: [0015] A Figura 1 é uma vista em perspectiva de uma antena que utiliza um arranjo de dipolos.

[0016] A Figura 2 é uma vista em perspectiva do dipolo com polarização dupla (todas as partes montadas).

[0017] A Figura 3 é uma vista de topo do dipolo com polarização dupla mostrado na Figura 2.

[0018] A Figura 4 é uma vista de uma modalidade de uma antena que utiliza um arranjo de dipolos tendo uma variedade de dispositivos de isolamento RF.

[0019] A Figura 5 é um gráfico de três padrões de radiação da primeira polarização, por exemplo, polarização de plano H, tendo larguras de feixe (por exemplo, aberturas de -3 dB) de 65,4 graus a 1,71 GHz, 62,2 graus a 1,8 GHz e 60,5 graus a 1,88 GHz, respectivamente, para o arranjo de antena 1x9 que utiliza a matéria alvo da invenção mostrada na Figura 4. A Figura 5 é baseada em um deslocamento de amplitude de 24,22 dB e em um descolcamento de posição de 0,03°.

[0020] A Figura 6 é um gráfico de três padrões de radiação para a segunda polarização de uma antena com arranjo 1x9 que utiliza a matéria alvo da invenção mostrada na Figura 4, mostrando -24 dBc a 1,71 GHz, -23 dBc a 1,8 GHz e -25 dBc a 1,88 GHz, A Figura 6 é também baseada em um deslocamento de amplitude de 24,22 dB e em um descolcamento de posição de 0,03°.

Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas [0021] A invenção será ensinada agora usando uma modalidade exemplar preferida, Embora a modalidade seja descrita em detalhes, será apreciado que a invenção não está limitada apenas a esta modalidade, mas tem um escopo que é significativamente mais amplo. As reivindicações em anexo devem ser consultadas para determinar o verdadeiro escopo da invenção.

[0022] Uma modalidade preferida da invenção será descrita agora com referência às Figuras 1 a 6, A Figura 1 mostra uma antena de polarização dupla 14 da presente invenção com um arranjo 1x9 de dipolos 16, de acordo com a presente invenção. A antena 14 compreende o arranjo de dipolos 16 e uma placa refletora 12 à qual os dipolos 16 são presos. Obviamente, entende-se que a invenção não está limitada a um arranjo particular.

[0023] A Figura 2 mostra um dipolo 16 da presente invenção com maiores detalhes. O dipolo 16 é formado como uma estrutura unitária que inclui a parte de base, braços e estruturas de alimentação discutidas abaixo. A formação do dipolo pode ser conseguida por meio de métodos convencionais, tais como moldagem, fundição ou entalhe. Em adição, o dipolo pode ser formado usando-se materiais convencionais tais como cobre, bronze, plástico, alumínio ou zamak. Se o material usado for um tipo que não pode ser soldado, tal como plástico ou alumínio, então o dipolo, uma vez formado, pode ser coberto ou revestido, em parte ou totalmente, com um material metálico que pode ser soldado, tal como cobre, prata ou ouro.

[0024] O dipolo 16 inclui quatro pares de braços 18, 20, 22 e 24 presos a uma parte de base 26. Os braços são dispostos em pares 18, 20, 22 e 24, sendo que cada um tem um formato de V ou U, com os braços irradiando para fora a partir da parte de vértice 21 do V ou U. A parte de base 26 do dipolo se prende à placa refletora 12 mostrada na Figura 1.

[0025] Os pares de braços são dispostos de tal modo que o par 18 e oposto ao par 20 e o par 22 é oposto ao par 24. Os pares opostos têm fios e são posicionados com relação à placa refletora 14 de modo a transmitir e/ou receber energia RF em duas polarizações: uma primeira polarização de +45 graus e uma segunda polarização de —45 graus. Pares opostos 20 e 28 correspondem à primeira e segunda polarização da antena 14, respectivamente. De modo similar, os pares opostos 24 e 22 correspondem à primeira e segunda polarizações. O dipolo da presente invenção não está limitado a estas polarizações e deve-se entender que mudar o número, disposição e posição dos pares de braços pode mudar tanto o número de polarizações quanto os ângulos de polarização da antena.

[0026] Cada conjunto de pares de braços opostos inclui uma estru- tura de alimentação 28 que está localizada na parte de vértice 21 de um dos pares de braços. Esta estrutura de alimentação 28 é uma cavidade longitudinal 23 que corre no comprimento do corpo do dipolo, permitindo que um cabo 30 seja alimentado nesta parte de base 26 do dipolo, através da estrutura de alimentação e para fora até o topo do dipolo. Uma fenda, discutida abaixo, é colocada no vértice do par de braços oposto. O condutor do cabo é soldado a este vértice via esta fenda.

[0027] A Figura 2 e a Figura 3 mostram a relação destes pares de braços com maiores detalhes. Focando um único conjunto de braços, incluindo os pares de braços 22 e 24, a estrutura de alimentação 28 é definida pela cavidade 23 que é proporcionada na parte de vértice de um dos braços 22 do par. O cabo 30 passa através da cavidade 23. Esta estrutura de alimentação 28 também inclui uma abertura em fenda 32 que se estende ao longo da cavidade e tem uma largura m. A abertura em fenda 32 expõe a jaqueta de isolamento 34 do cabo 30 que corre através da cavidade 23.

[0028] Cada conjunto de braços também inclui primeira e segunda fendas 31 e 38, respectivamente, através das quais o cabo é adicionalmente alimentado. A primeira fenda 31 está localizada na parte de vértice de um primeiro par de braços 22 e a segunda fenda 38 é formada na parte de vértice do segundo conjunto de braços 24. O cabo corre de tal maneira que a primeira fenda 31 retém todo o cabo (isto é, não separado) e a segunda fenda 38 retém a parte condutora 36 do cabo. Então, o condutor 36 é soldado à parte de vértice 21 do segundo conjunto de braços 24 próxima à segunda fenda 38.

[0029] O conjunto de braços que inclui os pares de braços 18 e 20 está disposto de maneira similar. A parte de vértice 21 do par de braços 18 inclui uma estrutura de alimentação 28 através da qual é definida pela cavidade 23, através da qual um segundo cabo 42 é passado.

Esta estrutura de alimentação 28 também inclui uma abertura em fenda 44 que se estende ao longo da cavidade 23 e tem uma largura m. a abertura em fenda 44 expõe a jaqueta de isolamento 46 do cabo 42 que corre através da cavidade 23.

[0030] Conjuntos de braços 18 e 20 também incluem primeira e segunda fendas 47 e 50, respectivamente, através das quais o cabo é adicionalmente alimentado. A primeira fenda 47 está localizada na parte de vértice 21 do primeiro par de braços 18 e a segunda fenda 50 é formada na parte de vértice 21 do segundo conjunto de braços 20. O cabo corre de tal modo que a primeira fenda 47 retém todo o cabo (isto é, não separado) e a segunda fenda 50 retém a parte condutora 48 do cabo 42. Então, o condutor 48 é soldado à parte de vértice 21 do segundo conjunto de braços 20 próximo à segunda fenda 50.

[0031] Uma vantagem desta estrutura de dipolo é que ela permite o uso de cabos coaxiais simples que servem como cabos de alimentação 30 e 42, conforme discutido acima. Estes cabos coaxiais incluem tipicamente um condutor interno circundado por um isolante de PTFE ou material similar.

[0032] Além do mais, o dipolo e sua estrutura de alimentação interna permite que estes cabos 42 e 30 passem diretamente através do corpo do dipolo 16 até o topo e se conectem aos pares de braços 20, 18 e 24, 22 nas fendas 50 e 38, respectivamente, sem precisar de qualquer ilhó para isolar os condutores 36 e 48 da parte de base condutora 26 a que os braços 20 ou 24 são presos. Isso reduz o número total de partes necessárias para construir o dipolo, diminuindo assim o custo de fabricação e melhorando o desempenho RF da antena.

[0033] O desempenho do sinal do dipolo 16 pode ser adicionalmente aperfeiçoado colocando-se separadores isoladores convencionais 37 entre os pares de braços adjacentes. Estes separadores podem ser feitos de materiais isoladores convencionais tais como plásti- co ou PTFE.

[0034] Devido ao fato da impedância do dipolo ser determinada pelo tamanho das aberturas, o condutor central do cabo, e os orifícios na parte de base 26 se estendendo para dentro das cavidades 28, estes tamanhos podem ser escolhidos de modo a proporcionar ao dipolo uma impedância desejada, assim como facilitar a formação e revestimento do dipolo. Em particular, o tamanho destas aberturas pode ser largo o suficiente para assegurar o revestimento apropriado da peça moldada, mas estreita o suficiente para permitir que o dipolo proporcione bom isolamento porta a porta, boa impedância e bom padrão de características. O escopo da invenção não se destina a ficar limitado a qualquer formato particular destas aberturas.

[0035] Especifica mente, dependendo do tamanho m das aberturas na estrutura de alimentação, a impedância característica Z0 pode ser calculada pela seguinte equação: [0036] onde D é o diâmetro dos orifícios na parte de base 26 e cavidades longitudinais 26, d é o diâmetro do condutor central do cabo e cr é a constante dielétrica do cabo isolador usado.

[0037] No segundo caso, onde a largura m das aberturas 32 e 44 é muito pequena, o impacto da largura sobre a impedância é ínfimo. No entanto, se a abertura for inclinada a um ângulo ao longo do comprimento da estrutura de alimentação, então a impedância característica Z0 pode ser aproximada mais precisamente pela equação: [0038] onde D é o diâmetro dos orifícios na parte de base 26 e cavidades longitudinais 28, d é o diâmetro do condutor central do cabo, 0 é o ângulo no qual a abertura está inclinada, e cr é a constante dielé- trica do isolador do cabo usado.

[0039] No terceiro caso, onde a largura m das aberturas 32 e 44 é maior, expondo deste modo a superfície do cabo, então a impedância característica Z0 pode ser aproximada pela equação: [0040] onde h é o raio das cavidades longitudinais, d é o diâmetro do condutor central do cabo e f:r é a constante dielétrica do isolador do cabo usado.

[0041] Entende-se que o dipolo moldado da presente invenção pode ser usado em uma variedade de configurações de antenas. Além do mais, a parte de base 26 do dipolo moldado pode ser projetada e conformada de modo a corresponder a uma forma complementar da placa refletora 12 de modo a facilitar ainda mais a montagem do arranjo de antena. Seria óbvio para alguém versado na técnica que o tamanho e o formato da parte de base podem variar de antena para antena e ainda estar dentro do escopo da invenção.

[0042] A presente invenção também proporciona o isolamento de entradas de um dipolo 16 nos arranjos de antena que incluem uma pluralidade de dipolos da presente invenção. Os dipolos 16 na antena de polarização dupla 14 podem ser isolados um do outro utilizando-se dispositivos de isolamento por freqüência de rádio, tais como paredes, estruturas H e estruturas I. Por exemplo, a Figura 4 mostra uma antena de polarização dupla 70 em que os dipolos 16 são isolados utiiizan-do-se uma série de dispositivos de isolamento diferentes incluindo paredes 60, isoladores H 62 e isoladores I 64. Entende-se que o dipolo da presente invenção pode ser usado em conjunto com dispositivos e estruturas de isolamento comuns.

[0043] As Figuras 5 e 6 mostram as características de desempenho do arranjo de antena mostrado na Figura 4. As Figuras 5 e 6 mos- tram um gráfico de três padrões de radiação das primeira e segunda polarizações do arranjo de antena da Figura 4 usando dipolos 16 da presente invenção. Conforme mostrado, a antena exibe bom isolamento porta a porta de menos do que 30 dB em uma variedade de larguras de feixe e a altas freqüências.

[0044] A descrição anterior é meramente exemplar e não deve ser considerada em um sentido limitativo. Modificações ficarão imediatamente aparentes para aqueles de pouco conhecimento da técnica e são consideradas como estando dentro do escopo da invenção, que deve ser limitado apenas pelas reivindicações a seguir. Por exemplo, embora seja feita referência a pares de braços em formato de V, deve-se entender que estes pares de braços também poderíam ter formato de U sem que se afastasse do espírito da invenção. Certamente, a referência a "formato V" deve incluir um arranjo em forma de U.

REIVINDICAÇÕES

Claims (15)

1. Antena polarizada compreendendo: pelo menos um dipolo (16) tendo uma parte de base (26) e uma pluralidade de braços radiantes (18, 20, 22, 24) que se estendem a partir dali, em que o dito dipolo é uma estrutura unitária, e a dita pluralidade de braços radiantes (18, 20, 22, 24) é dividida em dois conjuntos incluindo um primeiro conjunto (22, 24) e um segundo conjunto (18, 20), tendo respectivamente uma primeira polarização e uma segunda polarização correspondentes às duas polarizações do dito dipolo (16), cada um dos ditos primeiro e segundo conjuntos de braços (18, 20, 22, 24) inclui dois pares de braços dispostos em forma de V e tendo uma parte de vértice; e uma placa refletora (12) a qual a parte de base é presa, sendo que a dita placa refletora é um plano terra e reflete sinais de freqüência de rádio polarizados, caracterizada pelo fato de que um primeiro dos ditos pares de braços (22) tem uma primeira fenda (31) na dita parte de vértice e um segundo dos ditos pares de braços (24) tem uma segunda fenda (38) na dita parte de vértice para receber um cabo de alimentação, sendo que a dita primeira fenda (31) recebe um condutor central de cabo (36) e a dita segunda fenda (38) recebe uma jaqueta de isolamento (34) do dito cabo de alimentação.

2. Antena, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dito dipolo (16) é um dipolo moldado.

3. Antena, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o dito dipolo (16) é feito de plástico, alumínio, bronze ou zamak.

4. Antena, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o dito dipolo (16) é coberto pelo menos parcialmente com um material de revestimento que pode ser soldado.

5. Antena, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dito dipolo (16) tem uma estrutura de alimentação (28) localizada nele, sendo que a dita estrutura de alimentação (28) tem uma abertura com largura m, e em que o dito dipolo tem um orifício de alimentação na dita parte de base do dipolo através do qual um cabo de alimentação pode passar para dentro da dita estrutura de alimentação (28), sendo que o dito orifício tem um diâmetro D e em que o dito cabo tem um condutor central com um diâmetro d.

6. Antena, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a impedância do dipolo é uma função do diâmetro d do condutor central e do diâmetro D do dito orifício de alimentação.

7. Antena, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a dita estrutura de alimentação (28) tem um raio h e a largura m da abertura é menor do que o diâmetro 2h da dita estrutura de alimentação (28).

8. Antena, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a impedância do dipolo é uma função do diâmetro do condutor central d e do raio h da dita estrutura de alimentação (28).

9. Antena, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende ainda um separador isolador localizado entre os ditos braços (18, 20, 22, 24).

10. Método de fabricação de um dipolo (16) para uso em uma antena polarizada compreendendo: formar um corpo de dipolo (16) como uma única peça, sendo que o dito corpo de dipolo tem uma parte de base (26) e uma pluralidade de braços radiantes (18, 20, 22, 24) que se estendem a partir dali, em que a dita pluralidade de braços radiantes (18, 20, 22, 24) é dividida em dois conjuntos incluindo um primeiro conjunto (22, 24) e um segundo conjunto (18, 20) respectivamente, tendo uma primeira polarização e uma segunda polarização correspondentes a duas pola- rizações do dito dipolo (16), caracterizado pelo fato de que cada um dos ditos primeiro (22, 24) e segundo (18, 20) conjuntos de braços inclui dois pares de braços dispostos em forma de V e tendo uma parte de vértice, em que a dita parte de vértice do dito primeiro conjunto tem uma primeira fenda (31, 47) e a dita parte de vértice do dito segundo conjunto tem uma segunda fenda (38, 50), sendo que a dita segunda fenda é menor do que a dita primeira fenda.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o dito dipolo (16) tem uma estrutura de alimentação (28) localizada nele, sendo que a dita estrutura de alimentação (28) tem uma abertura com largura m, e em que o dito dipolo (16) tem um orifício de alimentação na dita parte de base (26) do dipolo (16) através do qual um cabo de alimentação pode passar para dentro da dita estrutura de alimentação (28), sendo que o dito orifício tem um diâmetro D e em que o dito cabo tem um condutor central com um diâmetro d.

12. Método de fabricação de um dipolo (16), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o dito corpo do dipolo (16) é moldado.

13. Método de fabricação de um dipolo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o dito corpo do dipolo (16) é moldado de plástico, alumínio ou zamak.

14. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de cobrir pelo menos parte do corpo de dipolo (16) moldado com um material metálico.

15. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um separador isolador localizado entre os ditos braços (18, 20, 22, 24).