ES2202849T3 - Antena para banda multi-frecuencia, muy aislada. - Google Patents
Antena para banda multi-frecuencia, muy aislada.Info
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Abstract
ANTENA MULTIESPIRAL DE BANDA DE FRECUENCIA MULTIPLE (50) QUE EMPLEA FILTROS (88, 90) PARA PASAR LA BANDA DE UNA ESPIRAL (60) Y RECHAZAR LA BANDA DE OTRAS ESPIRALES (70). SE CONSIGUE UN AISLAMIENTO ADICIONAL DISPONIENDO LAS ESPIRALES ADYACENTES PARA QUE TENGAN SENTIDOS CONTRARIOS. SE LOGRA TODO EL AISLAMIENTO Y EL FILTRADO DENTRO DEL CUERPO DE LA ANTENA. LA ANTENA INCLUYE DOS ESPIRALES DE DOS BRAZOS (60, 70). LA ESPIRAL DE MAYOR FRECUENCIA ESTA EN EL INTERIOR DE LA ESPIRAL DE MENOR FRECUENCIA. AMBAS ESPIRALES SON CONCENTRICAS LA UNA EN TORNO A LA OTRA Y SE SITUAN EN EL MISMO PLANO. SE CONECTA UN SIMETRIZADOR Y UN CIRCUITO DE FILTRO (80) A AMBAS ESPIRALES Y QUEDA DISPUESTO DENTRO DEL CUERPO DE LA ANTENA.
Description
Antena para banda
multi-frecuencia, muy aislada.
Este invento se refiere al ámbito de antenas de
microondas y, más particularmente, a una antena de bandas
multifrecuencia con aislamiento entre las bandas.
Antenas que tienen la capacidad de operación con
bandas multifrecuencia son conocidas en la técnica. Una de tales
antenas está expuesta en EP 0747992, que describe una antena de
banda con frecuencia dual aislada de apertura común que consiste en
una disposición de antena espiral doble.
Es conveniente proporcionar aislamiento entre las
bandas multifrecuencia. Convencionalmente, esto se hace mediante el
filtrado de bandas por filtros en el exterior del cuerpo de la
antena, lo cual requiere componentes y espacio añadidos.
Sería ventajoso disponer de una antena de bandas
multifrecuencia que tenga aislamiento entre las bandas realizado
dentro del cuerpo de la antena.
Un sistema de antena de bandas multifrecuencia
según el presente invento, con aislamiento entre las bandas
multifrecuencia de operación, se define en la reivindicación 1 más
adelante. El sistema incluye una antena espiral interior que consta
de un par de brazos espirales arrollados alrededor de un eje
central. Los puntos de igual radio de los dos brazos espirales están
en lados opuestos del centro, o separados 180 grados. El invento no
se limita a espirales de dos brazos; brazos adicionales pueden ser
usados con plantillas conformadoras apropiadas. La antena espiral
interior es para operar en una primera banda de frecuencias. Una
antena espiral exterior incluye otro par de brazos que forman la
espiral hacia fuera, posicionados a 180 grados entre ellos. Cada
brazo espiral tiene un extremo de entrada y un extremo de
terminación. La antena espiral exterior opera en una segunda banda
de frecuencias que es más baja que la primera banda de frecuencias.
Las antenas espirales interior y exterior son concéntricas entre
ellas y están dispuestas en un plano común. La adición de más
espirales concéntricamente dispuestas está limitada solamente por
las restricciones de espacio.
El sistema de antenas también incluye un
dispositivo de acoplamiento equilibrador o balun y un circuito de
filtro, que consta de un primer balun que incluye un circuito de
primera línea de transmisión para conectar una primera señal de
activación de banda frecuencias al par de brazos de la antena
espiral interior. Un segundo balun incluye un circuito de segunda
línea de transmisión para alimentar una segunda señal de activación
de banda de frecuencias a los brazos de la antena espiral
exterior.
Un circuito de filtro proporciona aislamiento
entre señales de la primera banda de frecuencias y de la segunda
banda de frecuencias. En una realización preferida, el circuito de
filtro incluye un filtro de paso de banda que comprende el circuito
de primera línea de transmisión junto, por ejemplo, con el rechazo
de 70dB de la segunda señal de activación. Se obtiene aislamiento
adicional operando las espirales interior y exterior en sentidos de
polarización circular opuestos. Aunque esta manera de operación de
espirales proporciona teóricamente aislamiento infinito, se consigue
al menos 20 dB de aislamiento adicional. Así, en una realización
ejemplar, se proporciona al menos un rechazo de 90 dB de la segunda
señal por la primera espiral. Si espirales y filtros adicionales
tuvieran que ser usados para más de dos bandas de operación, las
espirales adicionales podrían también ser dispuestas de manera que
cada antena próxima tenga polarización opuesta.
Las antenas espiral interior y exterior y el
balun y circuito de filtro están dispuestos dentro del cuerpo de la
antena.
Estas y otras características y ventajas del
presente invento resultarán más claras mediante la siguiente
descripción detallada de una realización ejemplar del mismo, como se
ilustra en los dibujos que se acompañan, en los que:
La Fig 1: es la vista desde arriba de una antena
de banda de multifrecuencia que incorpora el invento.
La Fig 2: muestra la disposición del balun y del
filtro para la antena de la Fig 1.
La Fig 3: es una vista isométrica en despiece
ordenado de una realización ejemplar de una antena espiral
multibanda que incorpora el invento.
La Fig 4: es una vista lateral en despiece
ordenado de la antena de la Fig 3.
La Fig 1 muestra una realización ejemplar de una
antena 50 de banda multifrecuencia que constituye el invento. La
antena 50 es una antena multiespiral que utiliza filtros para dejar
pasar la banda de una espiral y rechazar la banda de las otras
espirales. Se consigue aislamiento adicional disponiendo espirales
adyacentes para tengan sentidos opuestos. Un aspecto importante del
invento es que todo el aislamiento y filtrado se efectúa dentro del
cuerpo de la antena.
En esta configuración ejemplar la antena 50
incluye dos espirales 60 y 70 de dos brazos. La espiral 60 de
frecuencia más alta se sitúa en el interior de la espiral 70 de
frecuencia más baja. La espiral 60 interior incluye dos brazos
62,64, arrollados en espiral, cada uno formado por modelos
conductores grabados químicamente en una placa de circuito impreso
revestida de cobre en una realización ejemplar. La espiral 60
interior es alimentada en el centro por señales de entrada en las
microplacas adaptadoras 62A, y 64A conectadas en los extremos
interiores de los brazos de las espirales 62,64. Los brazos terminan
en el extremo exterior de la espiral en las microplacas adaptadoras
62B, 64B utilizadas para el contacto de los resistores
terminales.
La espiral exterior 70 incluye dos brazos 72, 74
arrollados en espiral, cada uno formado por recorridos conductivos y
está alimentado desde el lado de fuera por señales de entrada en las
microplacas adaptadoras 72A, 74A. Los brazos 72,74 terminan en las
microplacas adaptadoras 72B,74B para los resistores terminales.
Los resistores están conectados entre el plano
espiral representado por el papel en el que aparece la Fig 1, y la
tierra o masa del sistema, por medio de cables coaxiales que suben a
través del cuerpo de la antena.
El uso de resistores u otros métodos terminales
no es crítico para este invento. El sistema funcionará sin
resistores, pero no tan bien. Los resistores atenúan la energía que
no se radia, que de otra manera alcanzaría el extremo de los brazos
espirales y se devolvería por reflexión para interferir con la
energía incidente. Una falta de resistores se hace más evidente
cuando la región de radiación está cerca del extremo de los brazos
espirales y la energía tiene una longitud de recorrido corta antes
de ser rebotada contra la señal que llega.
También se puede apreciar que la espiral exterior
podría ser alimentada alternativamente desde las terminaciones
interiores de los brazos espirales.
Ambas antenas espirales 60 y 70 están alimentadas
por cables coaxiales que unen las espirales a los baluns que están
contenidos en un cuadro de líneas de transmisión de estrías dentro
del cuerpo de la antena. El uso de cables coaxiales no es
fundamental; líneas de transmisión de estrías u otras líneas de
transmisión adecuadas pueden ser utilizadas.
La Fig 2 muestra la disposición 80 del balun y
del filtro para la antena 50. La línea conductora 82 con tres
grandes placas adaptadoras 82A,82B y 82C es el balun para la antena
70 de baja frecuencia. La placa adaptadora 82A está conectada por un
cable coaxial a la placa adaptadora 72A del brazo 72. La placa
adaptadora 82B está conectada por un cable coaxial a la placa
adaptadora 74A del brazo 74. La placa adaptadora 82C está conectada
por un cable coaxial a la fuente impulsora de transmisión. Hay 180
grados de diferencia de fase entre las longitudes de brazo de los
brazos 72, 74 en la frecuencia central. Los dos extremos de los
brazos en espiral 72,74, son conducidos 180 grados fuera de fase.
Se aprecia que, en esta realización ejemplar, la placa adaptadora 82
C no está situada equidistante entre las placas adaptadoras 82A y
82B, ya que la diferencia en longitud eléctrica entre la placa
adaptadora central y las dos placas adaptadoras extremas es
solamente de 180 grados en la frecuencia central de la espiral
exterior. Esto es un balun de banda estrecha, y habrá algún error
de fase en los extremos superior e inferior de la banda de
operación. Un balun de banda ancha podría usarse alternativamente si
la banda de frecuencias de operación es de banda ancha. Dicho balun
de banda ancha utilizaría un acoplador de guía de ondas o un diseño
tipo híbrido de 180 grados.
La línea conductora 84 con dos pequeñas placas
adaptadoras 86A, 86B y una placa adaptadora grande 86C es el filtro
y el balun para la antena 60 de alta frecuencia. Las pequeñas
placas adaptadoras 86A,86B son los puntos de conexión para los
cables coaxiales que sucesivamente se conectan a las placas
adaptadoras 62A, 64A alimentando a la espiral central 60. Las
líneas conductoras delgadas 84A,84B se transforman en la línea de
alimentación conductora más gruesa 84C y están conectadas a estas
placas adaptadoras 86A,86B. Las líneas delgadas 84A y 84B son el
balun y tienen igualmente 180 grados de longitud de fase entre sus
recorridos.
Hay cuatro injertos o ramales 88A,88B,90A,90B de
líneas conductoras en circuito abierto fijados a la línea de
alimentación 84C como costillas a la columna vertebral. Los
injertos constituyen el filtro. El filtro es una serie de injertos
en circuito abierto de ¼\lambda separados por ½\lambda de la
línea de transmisión. Las longitudes eléctricas ¼\lambda y
½\lambda están en el centro de la banda de baja frecuencia de la
espiral exterior. La energía que baja por un injerto recorre
¼\lambda, se refleja sin un cambio de fase y retorna al inicio del
injerto con un cambio de fase de 180 grados. Esta energía reflejada
anula ahora la energía incidente de la línea de transmisión.
Cuantos más injertos en la línea, mayor es el efecto de anulación.
Adicionalmente, los injertos pueden estar agrupados. La estructura
parecería un ventilador con los injertos individuales separados en
los extremos, pero que convergen al mismo punto en la línea de
transmisión. Para un aumento adicional del filtrado con injertos,
los injertos (o grupos de injertos) están separados por ½\lambda.
El circuito abierto en el extremo de un injerto se refleja como un
cortocircuito al comienzo del injerto. ½\lambda más allá, el
cortocircuito es reflejado a un circuito abierto. Considérese una
estructura de tres accesos, esto es, una línea transmisión de
½\lambda de longitud con injertos de ¼\lambda en ambos
extremos. La energía de entrada, que se está intentando bloquear,
ve un atajo del recorrido del injerto más próximo. El segundo
injerto refleja hacia atrás como un circuito abierto para la
energía hacia el recorrido completo. Por tanto, por medio del uso
de injertos, la energía no deseable es incitada a abandonar la
línea de transmisión por un injerto de cortocircuito, y es bloqueada
si continúa por la línea de transmisión hacia abajo por un circuito
abierto creado por el segundo injerto. Colocando en serie múltiple
de estos dispositivos de tres accesos, se puede conseguir cualquier
valor de filtrado (aislamiento) que se desee.
Más filtros y baluns pueden añadirse con capas de
líneas de transmisión de estrías adicionales si se necesitan más
espirales para bandas de multifrecuencia.
Las Fig 3 y 4 muestran una implementación de
ejemplo de una antena espiral 100 que constituye el invento. La Fig
3 es una vista isométrica en despiece ordenado de los elementos de
la antena que están emparedados entre una estructura envolvente 102
de la antena y un radomo o cúpula 104. La Fig 4 es una vista lateral
expandida de los elementos de la antena 100. Las espirales 60 y 70
están definidas como modelos conductores de cobre grabados
químicamente a partir de una capa de cobre sobre un substrato
dieléctrico 106. En esta realización, el substrato está unido
mediante la lámina o película de unión 108 a una superficie
expuesta de otro substrato dieléctrico 110. Un anillo de puesta a
tierra 112 está definido en la superficie opuesta del substrato
110.
Una plancha circular de espuma 116 está unida al
anillo de puesta a tierra y al substrato 110 mediante una lámina de
unión 114. Rodeando a la plancha hay un anillo de aislamiento
conductor 120. Una superficie de una estructura de plancha
absorbente dieléctrica 128 está unida a la espuma 116 mediante una
lámina de unión 118. La superficie opuesta del absorbente 128 está
unida mediante una lámina de unión 130 a un plano de puesta a
tierra 132 definido en una superficie del substrato 134. Los
circuitos filtro y balun 80 están definidos en la superficie
opuesta del substrato 134. Una superficie expuesta de un substrato
dieléctrico 138 está unida a la superficie de los circuitos 80 por
una lámina de unión 136. Un plano de puesta tierra de 140 está
definido en el lado opuesto del substrato 138.
En la Fig 4 se muestra un ejemplo de cable
coaxial y de un circuito resistor terminal 122, para la conexión
entre una placa adaptadora terminal conectada a un brazo espiral y
al plano de puesta a tierra 140. El elemento 126A muestra un
conectador de alimentación coaxial para la conexión de los
circuitos filtro/balun 80. La línea coaxial 126C y el conectador
126A (Fig 3) son para la alimentación de la espiral de baja
frecuencia 70. La línea coaxial 126D y el conectador 126B (Fig 3)
son para alimentación de la espiral interior 60.
Cuando los distintos elementos de la antena 100
están ensamblados conjuntamente, el resultado es un sistema de
antena de banda múltiple compacto, altamente aislado, en el que el
aislamiento entre las bandas que operan se consigue mediante
elementos situados dentro del cuerpo de la antena, lo que está
definido generalmente por la envolvente 102 y radomo 104.
Ha sido descrita una antena de banda múltiple,
multiespiral, que utiliza filtros para dejar pasar la banda de una
espiral y rechazar la banda de las otras. Se consigue aislamiento
adicional mediante la disposición de espirales adyacentes para que
tengan sentidos opuestos. El aislamiento se consigue mediante
filtros y circuitos balun dispuestos dentro del cuerpo de la
antena. Esto minimiza el espacio requerido para la antena. La
antena puede conseguir aislamiento entre bandas sobre 70dB aun
cuando las espirales para las bandas diferentes sean concéntricas
entre ellas y en un mismo plano. Este aislamiento puede ser
conseguido, como por ejemplo, en una realización en la que el ancho
de banda de frecuencias de una espiral es 200 MHZ, el ancho de banda
de la segunda espiral es 500 MHZ, y la separación entre las dos
bandas es 300 MHZ.
Claims (10)
1. Un sistema de antena de banda de frecuencia
múltiple (50) con aislamiento entre las bandas de frecuencia
múltiple de operación, que comprende:
una antena espiral interior(60) que
comprende brazos espirales primero y segundo (60,62) arrollados
alrededor de un eje central, teniendo cada brazo un extremo de
alimentación (62A,64A) y un extremo terminal (62B,64B), siendo dicha
antena espiral interior para operar en una primera banda de
frecuencias;
una antena espiral exterior (70) que comprende
brazos espirales tercero y cuarto (72,74) arrollados alrededor de
dicho eje central y hacia fuera de dicho eje con respecto a la
antena espiral interior mencionada, teniendo cada brazo de espiral
un extremo de alimentación (72A,74A) y un extremo terminal
(72B,74B), siendo dicha antena espiral exterior para operar en una
segunda banda de frecuencias que es más baja en un intervalo de
frecuencias que en un intervalo de frecuencias correspondiente de la
primera banda de frecuencias;
en el que dichas antenas espirales interior y
exterior son concéntricas entre sí y están dispuestas en un plano
común;
y en el que el sistema de antena comprende además
un circuito balun y de filtro (80), caracterizado porque el
circuito balun y de filtro consta de (1) un primer balun (84) para
conectar una primera señal de activación de banda de frecuencias a
dicha antena espiral interior, incluyendo dicho primer balun un
primer circuito de línea de transmisión (84A,84B,84C) para que
conectar dicha primera señal de activación a dichos terminales de
alimentación respectivos de dichos brazos espirales primero y
segundo de la antena espiral interior, estando dicho primer balun
(84) adaptado para alimentar dichos extremos interiores respectivos
de dichos brazos espirales de dicha antena interior con señales en
antifase, (2) un segundo balun (82) para la conexión de una segunda
señal de activación de banda de frecuencias a dicha antena espiral
exterior, incluyendo dicho segundo balun un segundo circuito de
línea de transmisión que conecta dicha segunda señal de activación a
dichos terminales de alimentación respectivos de dichos brazos
espirales primero y segundo de la antena espiral exterior y (3) un
circuito de filtro (88,90) que comprende injertos o ramales de
línea conductora en circuito abierto conectados a la línea de
alimentación (84C) de dicho primer circuito de línea de transmisión
que proporciona aislamiento entre señales de dicha primera banda de
frecuencias y dicha segunda banda de frecuencias, estando dicho
circuito de filtro adaptado para dejar pasar señales de dicha
primera banda de frecuencias y rechazar señales de dicha segunda
banda de frecuencias, en el que el filtro está dispuesto
concéntricamente alrededor del primer balun, y el segundo balun
está dispuesto concéntricamente alrededor del filtro.
2. Un sistema de antena de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado además porque dichos extremos
de alimentación (62A,64A) de dichos brazos espirales (62,64) de
dicha antena interior están situados en extremos interiores de
dichos brazos espirales, y dicha antena interior es alimentada en el
centro por dicho primer balun (84).
3. Un sistema de antena de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado además porque dicho primer
circuito de línea de transmisión balun (84) incluye segmentos de
línea de transmisión (84A,84B) que difieren en longitud eléctrica
efectiva en media longitud de onda en una frecuencia central de
operación de dicha antena espiral interior.
4. Un sistema de antena de acuerdo con cualquier
reivindicación precedente, caracterizado además porque
dichos extremos de alimentación (72A,74A) de dichos brazos
espirales (72,74) de dicha antena exterior están situados en los
extremos exteriores de dichos brazos espirales, y dicha antena
exterior está alimentada desde el lado de fuera de dicha antena
exterior por dicho segundo balun.
5. Un sistema de antena de acuerdo con cualquier
reivindicación precedente, caracterizado además porque dicho
segundo balun (82) está adaptado para alimentar dichos extremos de
alimentación respectivos (72A,74A) de dichos brazos de espiral de
dicha antena exterior con señales en antifase.
6. Un sistema de antena de acuerdo con la
reivindicación 5, caracterizado además porque dicho circuito
de línea de transmisión del segundo balun (82) incluye segmentos de
línea de transmisión que difieren en longitud eléctrica efectiva en
media longitud de onda en una frecuencia central de operación de
dicha antena espiral exterior.
7. Un sistema de antena de acuerdo con cualquier
reivindicación precedente, caracterizado además porque dicho
circuito filtro (88,90) incluye un primer injerto o ramal de línea
de transmisión (88A) que se extiende desde un segmento de línea de
transmisión de dicho primer circuito de línea de transmisión
primera, teniendo dicho injerto una longitud eléctrica efectiva
equivalente a un cuarto de longitud de onda de una frecuencia de
operación de dicha segunda banda de frecuencias.
8. Un sistema de antena de acuerdo con la
reivindicación 7, caracterizado además porque dicho circuito
de filtro (88,90) incluye un segundo injerto de línea de
transmisión (90A) que se extiende desde dicho segmento de línea de
transmisión de dicha primera línea de transmisión en un punto
espaciado desde dicho primer injerto una distancia equivalente a
una longitud eléctrica efectiva de la mitad de la longitud de onda
a dicha frecuencia de operación de dicha segunda banda de
frecuencias.
9. Un sistema de antena de acuerdo con cualquier
reivindicación precedente, caracterizado además porque
dichos primero y segundo baluns (82,84) y dicho circuito de filtro
(88,90) están definidos en una placa de circuito de líneas de
transmisión de estrías (134), estando dicha placa situada dentro
del cuerpo de la antena del sistema de antena.
10. Un sistema de antena de acuerdo con la
reivindicación 9, caracterizado además porque dichos primero
y segundo baluns (82,84) están conectados a dichos extremos de
alimentación respectivos de dichos brazos espirales de dichas
antenas interior y exterior por cables coaxiales (122).
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