ES2210690T3 - Antena de cortocircuito realizada segun la tecnica de microcintas y dispositivo incluyendo este sistema. - Google Patents
Antena de cortocircuito realizada segun la tecnica de microcintas y dispositivo incluyendo este sistema.Info
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Abstract
SEGUN LA PRESENTE INVENCION, UNA ANTENA REALIZADA SEGUN LA TECNICA DE LAS MICROCINTAS COMPRENDE UN CORTOCIRCUITO COMPUESTO CONSTITUIDO POR DOS BANDAS CONDUCTORAS (C2, C12). UNA CINTA VERTICAL (C3) SE EXTIENDE EN EL PLANO DE ESTE CORTOCIRCUITO ENTRE ESTAS DOS BANDAS. ESTA SE CONECTA AL CONDUCTOR CENTRAL (C1) DE UNA LINEA DE ACOPLAMIENTO QUE PERTENECE A LA ANTENA Y QUE PERMITE UN ACOPLAMIENTO CON UNA RESONANCIA DE ESTA ULTIMA, POR EJEMPLO PARA EXCITAR TAL RESONANCIA. ESTE CORTOCIRCUITO Y ESTA CINTA VERTICAL CONSTITUYEN PARA ESTA ANTENA DOS TERMINALES QUE PERMITEN CONECTAR FACILMENTE ESTA ULTIMA A UN ELEMENTO DE TRATAMIENTO DE SEÑAL (8) TAL COMO UN EMISOR. LA ANTENA DESCRIBE DOS ZONAS (Z1, Z2) QUE LE PERMITE FUNCIONAR CON DOS FRECUENCIAS. LA INVENCION SE APLICA PARTICULARMENTE A LOS RADIOTELEFONOS PORTATILES Y A SUS ESTACIONES BASES.
Description
Antena de cortocircuito realizada según la
técnica de microcintas y dispositivo incluyendo este sistema.
La presente invención se refiere a las antenas
realizadas de acuerdo con la técnica de las microcintas. Una antena
de este tipo es utilizada, típicamente, en un ámbito espectral que
incluye las radiofrecuencias y las hiperfrecuencias. Ésta comprende
una pastilla que, típicamente, está constituida por grabado de una
capa metálica. Ésta es denominada en inglés por los especialistas
"microstrip patch antenna", es decir, "antena de pastilla de
tipo microcinta".
La técnica de las microcintas es una técnica
planar que se aplica, a la vez, a la realización de líneas que
transmiten señales y a la de antenas que realizan un acoplamiento
entre tales líneas y las ondas radiadas. Ésta utiliza cintas y/o
pastillas conductoras formadas en la superficie superior de un
substrato dieléctrico delgado que las separa de una capa de masa
conductora que se extiende sobre la superficie inferior de este
substrato. Una pastilla de este tipo es, típicamente, más ancha que
una cinta de este tipo y sus formas y dimensiones constituyen
características importantes de la antena. La forma del substrato es,
típicamente, la de una hoja plana rectangular de espesor constante.
Pero esto no es en modo alguno obligatorio. En particular, se
conoce que una variación del espesor del substrato de acuerdo con
una ley exponencial permite ensanchar la banda pasante de una antena
de este tipo y que la forma de la hoja pueda separarse de un
rectángulo. Las líneas de campo eléctrico se extienden atravesando
el substrato entre la cinta o la pastilla y la capa de masa. Esta
técnica se distingue de otras diversas técnicas que utilizan,
también, elementos conductores en un substrato delgado, a saber:
- la de las líneas triplaca, que es conocida,
generalmente, con la denominación inglesa "stripline" y en la
cual una cinta está comprendida entre la capa de masa inferior y
una capa de masa superior, debiendo presentar esta última en el caso
de una antena una ranura para permitir un acoplamiento con ondas
radiadas,
- la de las líneas con ranura, en la cual el
campo eléctrico se establece entre dos partes de una capa
conductora formada en la superficie superior del substrato y
separadas una de otra por una ranura, debiendo desembocar esta
última, en el caso de una antena, típicamente, en un vaciado más
ancho que facilita el acoplamiento con ondas radiadas, formando, por
ejemplo, una estructura resonante, y
- la de las líneas coplanarias, en la cual el
campo eléctrico se establece en la superficie superior del substrato
y de una manera simétrica entre, por una parte, una cinta
conductora central y, por otra, dos zonas conductoras situadas a una
y otra parte de esta cinta, donde éstas están separadas,
respectivamente, por dos ranuras. En el caso de una antena, esta
cinta se conecta, típicamente, a una pastilla más ancha para formar
una estructura resonante que permite un acoplamiento con las ondas
radiadas.
En lo que concierne a la realización de las
antenas, la exposición que sigue se limitará, a veces, con fines de
simplificación, al único caso de una antena emisora conectada a un
emisor. Pero debe comprenderse que las disposiciones descritas
podrían aplicarse, también, al caso de antenas receptoras conectadas
a un receptor. Con el mismo objeto, se admitirá que el substrato
presenta la forma de una hoja horizontal.
De una manera esquemática, puede hacerse en
primer lugar una distinción entre dos tipos fundamentales de
estructuras resonantes que pueden realizarse de acuerdo con la
técnica de las microcintas. Un primer tipo puede denominarse de
"semionda". La antena se denomina, entonces, de "semionda"
o "eléctrica". Admitiéndose que una dimensión de su pastilla
constituye una longitud y se extiende según una dirección denominada
longitudinal, esta longitud es sensiblemente igual a la mitad de
longitud de onda de una onda electromágnética que se propaga en esta
dirección por la línea constituida por la masa, el substrato y la
pastilla. El acoplamiento con las ondas radiadas se hace en los
extremos de esta longitud, estando situados estos extremos en las
regiones en que la amplitud del campo eléctrico que reina en el
substrato es máxima.
Un segundo tipo de estructura resonante que puede
ser realizado de acuerdo con esta misma técnica puede denominarse de
"cuarto de onda". La antena se denomina, entonces, de "cuarto
de onda" o "magnética". Ésta difiere de una antena de
semionda, por una parte, por el hecho de que su pastilla tiene una
longitud sensiblemente igual al cuarto de la longitud de onda,
siendo definidas esta longitud de la pastilla y esta longitud de
onda como anteriormente y, por otra, por el hecho de que se efectúa
un cortocircuito importante en un extremo de esta longitud entre la
masa y la pastilla de manera que se impone una resonancia de tipo de
cuarto de onda cuyo nudo de campo eléctrico está fijado por este
cortocircuito. El acoplamiento con las ondas radiadas se hace en el
otro extremo de esta longitud, estando situado este otro extremo en
la región en que la amplitud del campo eléctrico a través del
substrato es máxima.
En la práctica, en tales antenas pueden
establecerse diversos tipos de resonancia. Estos tipos dependen,
especialmente:
- de la configuración de las pastillas, pudiendo
presentar estas últimas, especialmente, ranuras, eventualmente
radiativas,
- de la eventual presencia y de la localización
de cortocircuitos, así como de modelos eléctricos representativos de
estos cortocircuitos, no siendo estos últimos siempre asimilables,
ni siquiera aproximadamente, a cortocircuitos perfectos cuyas
impedancias serían nulas,
- y de los dispositivos de acoplamiento que ha
sido incluidos en estas antenas para permitir acoplar sus
estructuras resonantes a un órgano de tratamiento de señal, tal
como un emisor, así como de la localización de estos
dispositivos.
Además, para una configuración de antena dada,
pueden aparecer varios modos de resonancia que permiten una
utilización de la antena con varias frecuencias correspondientes a
estos modos.
El acoplamiento de una antena de resonancia de
este tipo a un órgano de tratamiento de señal, tal como un emisor,
se hace, típicamente, por intermedio, no solamente de un
dispositivo de acoplamiento incluido en esta antena, sino, también,
de una línea de conexión exterior a esta antena y que conecta el
dispositivo de acoplamiento al órgano de tratamiento de señal. Si se
considera una cadena funcional global que incluye el órgano de
tratamiento de señal, la línea de conexión, el dispositivo de
acoplamiento y la estructura resonante, conviene que el dispositivo
de acoplamiento y la línea de conexión sean realizados de manera que
esta cadena presente una impedancia uniforme en toda su longitud, lo
que evita reflexiones parásitas que se oponen a un buen
acoplamiento.
En el caso de una antena emisora de estructura
resonante, las funciones respectivas del dispositivo de
acoplamiento, de la línea de conexión y de la antena, son las
siguientes: la función de la línea de conexión es transportar una
señal de radiofrecuencia o de hiperfrecuencia del emisor hasta los
bornes de la antena. A todo lo largo de una línea de este tipo, la
señal se propaga en forma de una onda progresiva, sin experimentar,
al menos en principio, modificación notable de sus características.
La función del dispositivo de acoplamiento es transformar la señal
facilitada por la línea de conexión de manera que esta señal excite
una resonancia de la antena, es decir que la energía de la onda
progresiva que lleva esta señal sea transferida a una onda
estacionaria que se establece en la antena con características
definidas por esta última. En cuanto a la antena, ésta transfiere la
energía de esta onda estacionaria a una onda radiada al espacio. La
señal emitida por el emisor experimenta, así, una primera
transformación para pasar de la forma de una onda progresiva a la de
una onda estacionaria, y después una segunda transformación que la
da la forma de una onda radiada. En el caso de una antena receptora,
la señal toma las mismas formas en los mismos órganos, pero las
transformaciones se hacen en el orden y sentido inversos.
Las líneas de conexión pueden ser realizadas de
acuerdo con una técnica distinta a la planar, por ejemplo, en forma
de líneas coaxiales.
Antenas realizadas de acuerdo con las técnicas
planares están incluidas en diversos tipos de aparatos. Estos
aparatos son, especialmente, radioteléfonos portátiles, estaciones
de base para estos últimos, automóviles y aviones o misiles
aéreos. En el caso de un radioteléfono portátil, el carácter
continuo de la capa de masa inferior de esta antena permite limitar
fácilmente la potencia de radiación interceptada por el cuerpo del
usuario del aparato. En el caso de los automóviles y, sobre todo,
en el caso de los aviones o misiles cuya superficie exterior es
metálica y presenta un perfil curvo que permite obtener una
resistencia aerodinámica pequeña, la antena puede conformarse a este
perfil de manera que no haga aparecer una resistencia aerodinámica
suplementaria perjudicial.
La presente invención se refiere, de modo más
particular, a antenas de dimensiones limitadas del tipo de cuarto de
onda.
Una primera antena de cuarto de onda realizada de
acuerdo con la técnica de las microcintas, es conocida por un
artículo de T.D. Ormiston, P. Gardner, y P.S. Hall "Microstrip
Short-circuit Patch Design Equations", Microwave
and Optical Technology Letters, vol. 16, Nº 1, Septiembre 1997,
páginas 12-
\hbox{14.}
En la figura 1 de este artículo, el substrato y
la masa de esta antena no están representados, pero la presencia de
un substrato y de una capa de masa está implícita debajo la
pastilla y la microcinta representadas. Para imponer una resonancia
del tipo de cuarto de onda a esta antena, un borde de su pastilla
está provisto de un cortocircuito formado en una capa conductora
que se extiende en una superficie de canto del substrato. Este
cortocircuito es compuesto, es decir, que está constituido por dos
conductores que presentan la forma de bandas verticales. Estas
últimas se extienden lateralmente, respectivamente, hasta los dos
extremos de la anchura de la pastilla, dejando al mismo tiempo un
intervalo axial libre entre ellas.
En este artículo están previstos medios de
alimentación para alimentar la antena a partir de un emisor. Estos
son designados por los términos "microstrip feed", es decir,
que estos están realizados de acuerdo con la técnica de las
microcintas. Aunque esto no está explicado en modo alguno en este
artículo, está claro que tales medios aseguran las dos funciones
que se han precisado anteriormente para el dispositivo de
acoplamiento y la línea de conexión. De la figura 1 de este
artículo aparece que la línea de conexión es una línea de microcinta
de tipo clásico. Un conductor principal de esta línea es una cinta
representada situada en el plano de la pastilla. Un conductor de
masa de esta línea pertenece a la capa de masa, no representada, que
es común a esta línea, al dispositivo de acoplamiento y a la
antena.
En cuanto al dispositivo de acoplamiento, éste
presenta la forma de una cinta longitudinal horizontal. Éste está
presentado como perteneciente a una línea del tipo microcinta que
prolonga la cinta de la línea de conexión. Esta cinta puede
denominarse cinta de acoplamiento. Ésta penetra en el área de la
pastilla a través del borde del cortocircuito. Ésta se extiende
después a través de esta área a partir de este borde entre dos
entalladuras y se conecta a la pastilla en un punto de conexión
interna de esta pastilla, es decir, en un punto interior a esta
área. Estas dos entalladuras están previstas en este artículo para
permitir la penetración de la cinta de acoplamiento hasta el punto
de conexión conveniente. Éstas corresponden a los dos bordes del
intervalo axial del cortocircuito.
Esta primera antena conocida presenta los
inconvenientes siguientes:
Un primer inconveniente se refiere al hecho de
que la cinta y la masa de la línea de conexión están situadas,
respectivamente, en la prolongación de la pastilla y de la masa de
la antena. Ahora bien, al menos en algunos aparatos de pequeñas
dimensiones tales como algunos readioteléfonos, los elementos
constitutivos del emisor están situados en el interior del aparato
que incluye la antena, mientras que esta última está situada en la
superficie de este aparato, estando agrupados estos aparatos,
típicamente, en una tarjeta de circuito impreso denominada
"tarjeta- madre". Resulta, así, que la línea de conexión
descrita en este artículo no puede ser suficiente para asegurar por
sí sola la conexión de la antena al emisor. Debe estar prevista una
línea de conexión complementaria y la instalación de las dos líneas
en un aparato de este tipo aumenta el coste de fabricación de este
último.
Otro inconveniente de esta antena es que su
alimentación o, de modo más general, su acoplamiento al órgano de
tratamiento de señal, solamente puede obtenerse de modo útil gracias
a un ajuste preciso de diversos parámetros. Estos parámetros son,
especialmente, la anchura y la longitud de las dos entalladuras
mencionadas anteriormente y la anchura de la cinta de acoplamiento.
Estos deben ser ajustados para dar un valor conveniente a la
impedancia de la antena. Sus valores y, de modo más particular, el
de esta longitud, tienen que ser llevados entre límites de
tolerancias muy próximos uno a otro y difícilmente predeterminables.
En el caso de una fabricación industrial en serie de tales antenas,
esta dificultad de ajuste puede aumentar los costes de fabricación
de una manera perjudicial.
Una segunda antena de cuarto de onda realizada de
acuerdo con la técnica de las microcintas es conocida por el
documento de patente WO 94/24723 (Wíreles Access, Inc). Su pastilla
(316 en la figura 3) presenta una ranura ancha (rectangular ring
350) para hacer su funcionamiento menos sensible a la proximidad de
las masas conductoras, tales como un cuerpo humano, o a la de
circuitos eléctricos, tales como los de un microordenador. Su
cortocircuito (330) es parcial, es decir, que está formado solamente
en un segmento de un borde de esta pastilla. Está indicado que esto
facilita una adaptación de la impedancia de entrada de la antena. La
línea de conexión que alimenta esta antena está dispuesta
verticalmente debajo del substrato. Ésta es del tipo coaxial. El
dispositivo de acoplamiento está constituido por una prolongación
del conductor central, es decir, del conductor principal que se
extiende en el eje de esta línea, atravesando esta prolongación el
substrato para conectarse a la pastilla. En cuando al conductor de
masa que llega a esta línea, éste se conecta directamente a la masa
de la antena.
Esta segunda antena conocida presenta,
especialmente, el inconveniente de que la realización de un
dispositivo de acoplamiento eficaz por intermedio de la parte
terminal del conductor central de una línea coaxial que se conecta a
la pastilla de la antena obliga a perforar el substrato y presenta
dificultades prácticas, especialmente, para el ajuste de la
posición del punto de conexión. Estas dificultades aumentan el
coste de la fabricación, sobe todo, si se trata de una fabricación
en serie.
La solicitud de patente EP 0.795.926 describe una
antena que comprende:
- dos capas dieléctricas paralelas, presentando,
cada una, una superficie inferior, una superficie superior y una
superficie de canto,
- un plano conductor de masa que se extiende
debajo de la superficie inferior de la capa dieléctrica
inferior,
- una pastilla conductora que se extiende entre
las dos capas dieléctricas y que comprende dos extremos que están
plegados en la cara superior de la capa dieléctrica superior,
pareciéndose esta antena a una cavidad radiante por dos aberturas
laterales,
- dos conductores de cortocircuito que se
extienden en la superficie de canto de la capa dieléctrica inferior
y que conectan esta pastilla a este plano de masa,
- y conductores de conexión para transmitir una
señal entre esta antena y un órgano de tratamiento de señal.
Los conductores de conexión comprenden una
primera guía de onda de cinta que se extiende en la superficie de la
capa dieléctrica inferior, porque ésta está recortada en la
pastilla. De acuerdo con un primer modo de realización, la primera
guía de cinta está unida a un cable coaxial situado debajo del plano
de masa, por una banda conductora de anchura muy superior a la
primera guía y que se extiende en el canto de la capa dieléctrica
inferior.
De acuerdo con un segundo modo de realización, el
cable coaxial es reemplazado por una segunda guía de onda de cinta
que se extiende en el plano de masa, en la superficie inferior de la
capa dieléctrica inferior, si ésta está concebida como una placa de
circuito impreso.
Esta antena presenta el inconveniente de una
discontinuidad de impedancia no despreciable, a nivel de la conexión
entre la primera guía y el cable coaxial o la segunda guía de
cinta.
La presente invención tiene, especialmente los
objetos siguientes:
- facilitar la realización de un acoplamiento
entre una antena de cortocircuito del tipo anterior y un órgano de
tratamiento de señal, tal como un emisor, que tiene que cooperar
con esta antena, y
- limitar el coste de fabricación de un
dispositivo de comunicación que incluye una antena de este tipo y un
órgano de tratamiento de señal, esto en general y, de modo mas
particular, en el caso de fabricación en serie de un dispositivo de
este tipo.
Y con estos fines, ésta tiene por objeto,
especialmente, una antena realizada de acuerdo con la técnica de las
microcintas, comprendiendo esta antena:
- un substrato dieléctrico que presenta una
superficie inferior, una superficie superior y una superficie de
canto,
- un plano conductor de masa que se extiende en
esta superficie inferior,
- una pastilla conductora que se extiende en esta
superficie superior,
- dos conductores de cortocircuito que se
extienden en esta superficie de canto y que conectan esta pastilla a
esta masa conductora, y
- conductores de conexión para transmitir una
señal entre esta antena y un órgano de tratamiento de señal;
estando caracterizada esta antena porque los conductores de
conexión comprenden una línea coplanaria que tiene un primer tramo
que se extiende en la cara superior del substrato, y un segundo
tramo que se extiende en la superficie de canto, y que prolonga el
primer tramo sin discontinuidad sensible de impedancia, y que
incluye dos conductores de masa constituidos por los dos conductores
de cortocircuito (C2, C12).
Diversos aspectos de la presente invención se
comprenderán mejor con la ayuda de la descripción que sigue y de las
figuras esquemáticas adjuntas. Cuando un mismo elemento está
representado en varias de estas figuras, éste está designado por
los mismos números y/o letras de referencia.
La figura 1 representa una vista en perspectiva
de un dispositivo de comunicación que incluye una primera antena
realizada de acuerdo con esta invención.
La figura 2 representa una vista desde arriba de
la antena de la figura 1.
La figura 3 representa una vista frontal de esta
misma antena.
La figura 4 representa un diagrama de la
variación de un coeficiente de reflexión en decibelios en la
entrada de esta misma antena en función de la frecuencia expresada
en MHz.
La figura 5 representa una vista parcial de una
segunda antena realizada de acuerdo con esta invención, en corte por
un plano vertical axial.
La figura 6 representa una vista parcial en
perspectiva de la antena de la figura 5.
Igual que la primera antena conocida mencionada
anteriormente, una antena de acuerdo con la presente invención
comprende una estructura resonante constituida por los elementos
siguientes:
- Un substrato dieléctrico 2 que presenta dos
superficies principales mutuamente opuestas que se extienden según
direcciones definidas en esta antena y que constituyen direcciones
horizontales DL y DT, pudiendo depender estas direcciones de la
zona considerada de la antena. Este substrato puede presentar formas
diversas como se expuso anteriormente. Sus dos superficies
principales constituyen, respectivamente, una superficie inferior S1
y una superficie superior S2. Otra dirección está definida,
igualmente, en esta antena. Ésta forma un ángulo con cada una de
estas direcciones horizontales y constituye una dirección vertical
DV. El ángulo formado es, típicamente, un ángulo recto. Pero esta
dirección vertical puede formar, también, ángulos diferentes con
estas direcciones horizontales y puede depender, también, de la zona
considerada. El substrato presenta varias superficies de canto,
tales como la superficie S3, que unen, cada una, un borde de la
superficie inferior con un borde correspondiente de la superficie
superior y que contienen esta dirección vertical.
- Una capa conductora inferior que se extiende en
esta superficie inferior y que constituye una masa 4 de esta
antena.
- Una capa conductora superior que se extiende
sobre un área de esta superficie superior por encima de la masa 4 de
manera que constituye una pastilla 6 del tipo designado
mundialmente por la palabra inglesa patch. Esta pastilla tiene una
configuración específica de esta antena. Ésta tiene, también, una
longitud y una anchura que se extienden según dos citadas
direcciones horizontales, que constituyen, respectivamente, una
dirección longitudinal DL y una dirección transversal DT, siendo
esta última dirección paralela a la superficie de canto S3. Aunque
las palabras longitud y anchura se aplican, habitualmente, a las dos
dimensiones mutuamente perpendiculares de un objeto rectangular,
siendo la longitud mayor que la anchura, debe comprenderse que la
pastilla 6 podría separase de una forma de este tipo sin salirse
del marco de esta invención. De modo más particular, las direcciones
DL y DT pueden formar un ángulo diferente de 90 grados, los bordes
de esta pastilla pueden no ser rectilíneos y su citada longitud
puede ser más corta que su citada anchura. Uno de estos bordes se
sitúa en la intersección de la superficie superior S2 y la
superficie de canto S3. Éste se extiende, por tanto, según la
dirección transversal DT. Éste constituye un borde trasero 10 y
define según la dirección longitudinal DL un sentido hacia atrás DB
dirigido hacia este borde trasero y un sentido hacia delante DF
opuesto a este sentido hacia atrás.
- Finalmente, un cortocircuito C2 que conecta
eléctricamente la pastilla 6 a la masa 4. Este cortocircuito está
formado en la superficie de canto S3 que es, típicamente, plana y
constituye, entonces, un plano de cortocircuito. Éste impone que
las resonancias de la antena sean, al menos, del tipo de cuarto de
onda.
La antena comprende, además, un dispositivo de
acoplamiento, que presenta, de modo más particular, la forma de una
línea de acoplamiento. Este dispositivo comprende, por una parte, un
conductor principal constituido por dos tramos C1 y C3 y conectado a
la pastilla 6 en un punto de conexión interna 18. Éste, por otra
parte, comprende un conductor de masa, igualmente, compuesto, que
coopera con este conductor principal y que será descrito más
adelante. Éste constituye todo o parte de un conjunto de conexión
que conecta la estructura resonante de la antena a un órgano de
tratamiento de señal 8, por ejemplo, para excitar una o varias
resonancias de la antena a partir de este órgano en el caso en que
se trate de una antena emisora. Además de este dispositivo, el
conjunto de conexión comprende, típicamente, una línea de conexión
tal como C4, C5, que es externa a la antena y que comprende dos
conductores. En un extremo de esta línea en el lado de la antena,
estos dos conductores están conectados, respectivamente, a dos
conductores de conexión que pertenecen al dispositivo de
acoplamiento y que puede considerase que constituyen los bornes de
la antena. En el otro extremo de esta línea, los dos conductores de
esta última están conectaos, respectivamente, a dos bornes del
órgano de tratamiento de señal. Esta línea puede ser, especialmente,
de tipo coaxial, del tipo de microcinta o de tipo coplanaria. En el
caso en que la antena considerada constituye una antena receptora,
este mismo conjunto transmite las señales recibidas por esta antena
al órgano de tratamiento de señal. Los diversos elementos de este
conjunto tienen la funciones anteriormente definidas.
La presente invención tiene por objeto,
igualmente, un dispositivo de comunicación que incluye una antena de
acuerdo con esta invención y un citado órgano de tratamiento de
señal conectado a esta antena por un citado conjunto de
conexión.
La antena de acuerdo con la presente invención
puede ser una antena monofrecuencia o una antena multifrecuencia. La
antena dada como ejemplo es una antena bifrecuencia, es decir, que
tiene que poder dar lugar, al menos, a dos resonancias, de modo que
pueda funcionar según dos modos correspondientes a dos frecuencias
de funcionamiento. Con este objeto, se ha formado una ranura en la
pastilla 6 que desemboca en la parte delantera al exterior de esta
última. Ésta constituye una ranura separadora longitudinal F1. La
extensión longitudinal ocupada por esta ranura define en esta
pastilla una región delantera Z2, Z1, Z12, separando la propia
ranura en esta región una zona primaria Z1 de una zona secundaria
Z2. Una región trasera ZA se extiende entre esta región delantera y
el borde trasero 10. Esta región trasera es mucho más corta según
la dirección longitudinal DL que esta región delantera.
El punto de conexión interna 18 está situado en
la zona primaria Z1. Un modo de funcionamiento de la antena
constituye, entonces, un modo primario en el cual se establece una
onda estacionaria gracias a una propagación de ondas progresivas en
los dos sentidos de esta dirección longitudinal o de una dirección
próxima a esta última, propagándose esta ondas en un área que
incluye esta zona primaria y esta región trasera, excluyendo
sensiblemente la zona secundaria Z2. Otro modo de funcionamiento
constituye un modo secundario en el cual se establece una onda
estacionaria gracias a la propagación de ondas progresivas en los
dos mismos sentidos, propagándose estas ondas en otro área que
incluye las zonas primaria y secundaria y la región trasera.
En el marco de esta disposición, la región
trasera ZA tiene una primera función que es acoplar la zona
secundaria a la zona primaria para permitir el establecimiento del
modo secundario. Ésta tiene una segunda función que es permitir al
cortocircuito presente en el borde trasero hacer su función en cada
una de estas dos zonas. La antena es, entonces, al menos
aproximadamente, para cada frecuencia de funcionamiento, del tipo de
cuarto de onda.
Las configuraciones de la pastilla y de la línea
de acoplamiento y, de modo más particular, la posición longitudinal
del punto de conexión interna 18 se eligen de manera que se haga
aparecer un valor deseado predeterminado de la impedancia presentada
por la antena para el órgano de tratamiento de señal o, de modo más
típico, para una línea de conexión que une este órgano a este
dispositivo. Esta impedancia será denominada en lo que sigue
impedancia de antena. En el caso de una antena emisora, ésta se
denominará, habitualmente, impedancia de entrada. Su valor deseado
es, ventajosamente, igual a la impedancia de la línea de conexión.
Por este motivo, la posición del punto de conexión da,
preferentemente, a la impedancia de la antena, sensiblemente, un
mismo valor para las diversas frecuencias de funcionamiento.
Generalmente, es útil que las frecuencias de
funcionamiento tengan valores deseados predeterminados. Estos
valores pueden obtenerse, ventajosamente, por una elección adecuada
de las respectivas dimensiones longitudinales de las zonas primaria
Z1 y secundaria Z2. Por este motivo, estas dimensiones son,
típicamente, diferentes.
En el caso descrito de modo más particular, la
configuración de la pastilla 6 forma, además, una ranura que se
extiende según la dirección transversal DT. Esta ranura constituye
una ranura separadora transversal F2 que separa parcialmente esta
zona primaria de la región trasera ZA. Ésta se conecta al extremo
trasero de la ranura separadora longitudinal F1. Otra ranura F3 se
extiende en la zona primaria Z1 hacia adelante a partir de la
ranura separadora transversal F2. Ésta puede denominarse ranura de
disminución de frecuencia porque su función es disminuir las
frecuencias de funcionamiento en una medida creciente con su
longitud. Ésta permite, así, no solamente limitar la longitud de la
pastilla necesaria para obtener valores deseados predeterminados de
las frecuencias de funcionamiento, sino, también, ajustar estas
frecuencias gracias a una regulación conveniente de su longitud.
Preferentemente, la antena presenta un plano de
simetría que se extiende según las direcciones longitudinal DL y
vertical DV, constituyendo la traza de este plano en la superficie
superior del substrato un eje de simetría A de la pastilla 6.
Cuando dos elementos son simétricos entre sí con respecto al eje o
al plano de simetría, el número incluido en los signos de
referencia del que está a la derecha en las figuras es igual al
número correspondiente al de la izquierda aumentado en 10. El
dispositivo de acoplamiento y la zona primaria Z1 se extienden en la
proximidad del eje A y la configuración de la pastilla forma dos
citadas ranuras separadoras longitudinales F1, F11 a una y otra
parte de esta zona primaria. La zona secundaria comprende,
entonces, dos partes Z2, Z12 situadas, respectivamente, más allá de
estas dos ranuras.
En estas condiciones el conjunto de las ranura
separadoras F1, F2, F11, F12 presenta la forma de una U. Los ramales
y la base de esta U son, respectivamente, longitudinales y
transversales. Esta base presenta un intervalo axial 20 que se
extiende a una y otra parte del eje para conectar la zona primaria
Z1 al cortocircuito C2, C12 por intermedio de una parte axial de la
región trasera ZA.
De acuerdo con una disposición ventajosa que ya
ha sido aplicada en la primera antena conocida mencionada
anteriormente, la línea de acoplamiento que constituye el
dispositivo de acoplamiento de la antena comprende un conductor que
pertenece a la capa conductora superior. De modo más preciso, un
tramo C1 del citado conductor principal penetra según la dirección
longitudinal DL en el área de la pastilla 6. Éste se extiende entre
un extremo trasero próximo al borde trasero 10 y un extremo
delantero que constituye el punto de conexión interna 18. Este tramo
de conductor principal C1 presenta la forma de una cinta y puede
denominarse cinta de acoplamiento horizontal.
Como en el caso de la primera antena conocida
mencionada anteriormente, esta cinta está limitada lateralmente por
dos entalladuras F4 y F14. Pero, en la antena de la presente
invención, estas dos entalladuras F4 y F14 son suficientemente
estrechas según la dirección DT y suficientemente largas según la
dirección DL para poder ser consideradas, respectivamente, como dos
ranuras longitudinales F4 y F14. Estas dos ranuras separan esta
cinta de la pastilla 6 y se denominarán en lo sucesivo ranuras de
acoplamiento. La elección de su anchura tiene en cuenta el hecho de
que los parámetros de la línea, de la que esta cinta de acoplamiento
constituye el conductor principal, puedan ser determinados,
ventajosamente, concibiendo esta línea como una línea coplanaria
apta para excitar la antena de una manera distribuida según la
longitud de esta línea, más bien que como una línea del tipo
microcinta destinada a excitar la antena solamente en el extremo de
esta línea.
El conductor de masa de esta línea coplanaria
está constituido, principalmente, a la manera de una línea
coplanaria, por las partes de la pastilla 6 situadas lateralmente a
una y otra parte de esta cinta C1 más allá de las dos ranuras F4 y
F14, y no por la masa de la antena, como en una línea de microcinta.
Esta línea se denominará en lo que sigue línea coplanaria
horizontal.
Ésta permitiría acoplar la antena por intermedio
de una señal electromagnética aplicada o recogida por la línea de
conexión externa en el extremo trasero de esta línea coplanaria
horizontal entre dos bornes comunes a esta línea coplanaria
horizontal y a la antena, estando constituidos estos dos bornes,
respectivamente, por este conductor de masa 4 de esta línea y el
extremo trasero de esta cinta C1. Pero, al menos, en el caso de
aparatos tales como algunos redioteléfonos, la realización de la
conexión entre el dispositivo de acoplamiento y esta línea externa
por intermedio de tales conductores situados en el plano de la
pastilla, complicaría la fabricación de estos aparatos.
De modo más particular, la línea coplanaria
horizontal en cuestión se extiende según el eje A. Ésta pasa al
intervalo axial 20 de la base de la U, estando delimitado este
intervalo por las dos ranuras de acoplamiento F4 y F14. Como se
indicó anteriormente, la posición del extremo delantero 18 de su
conductor principal está determinada para dar un valor deseado a la
impedancia de la antena. Pero esta impedancia depende, también, de
otros parámetros, tales como las anchuras de la cinta de
acoplamiento C1 y de las ranuras de acoplamiento, F4 y F14, así como
de la naturaleza del substrato.
De acuerdo con otra disposición ventajosa
anteriormente aplicada en la primera antena conocida, el citado
cortocircuito es un cortocircuito compuesto que comprende dos
conductores de cortocircuito C2 y C12. Estos dos conductores se
extienden según la dirección vertical DV dejando entre ellos un
intervalo libre. Cada uno de ellos conecta la masa 4 de la antena a
la pastilla 6.
De acuerdo con una disposición propia de la
presente invención, la línea de acoplamiento de antena comprende,
además, conductores de conexión que están formados en la superficie
de canto S3 y que pueden formar una línea coplanaria vertical. Una
línea de este tipo está constituida, de modo más particular, por
los conductores siguientes:
- un conductor principal C3 que se extiende según
la dirección vertical DV entre un extremo inferior y un extremo
superior en el intervalo dejado entre los dos conductores de
cortocircuito C2 y C12. Este extremo superior se conecta al extremo
trasero del conductor principal C1 de la línea coplanaria
horizontal. Este conductor principal de la línea coplanaria
vertical constituye al mismo tiempo el citado primer conductor de
conexión, un primer borne de la antena y un tramo vertical del
conductor principal de la línea de acoplamiento.
- y dos conductores de masa de esta línea, que
cooperan con el conductor C3, y constituidos por los dos conductores
de cortocircuito C2 y C 12.
Estos dos conductores de cortocircuito C2 y C12
constituyen al mismo tiempo, conjuntamente, un segundo borne de la
antena. El conductor vertical C3 de la línea de acoplamiento tiene
la misma anchura que el conductor horizontal C1, y éste está
separado de los conductores de cortocircuito C2 y C12,
respectivamente, por ranuras F5 y F15 que tienen la misma anchura
que las ranuras F4 y F14, de manera que el tramo de línea vertical
constituye una línea coplanaria vertical que se conecta a la línea
coplanaria horizontal sin discontinuidad sensible de impedancia.
En el caso de un aparato de dimensiones
limitadas, el hecho de que estos conductores de conexión estén
formados en la superficie de canto S3, facilita, sensiblemente, la
realización de una conexión entre, por una parte, el dispositivo de
acoplamiento que pertenece a la antena formada en la superficie del
aparato y, por otra, una línea de conexión que une este dispositivo
a un órgano de tratamiento de señal. Si este órgano está situado en
el interior de este aparato, esta línea puede tomar la forma de una
línea coaxial que, en la proximidad de la antena, es perpendicular
al plano de ésta. En otros casos, esta disposición de los
conductores de conexión facilita la conexión de la antena a
conductores montados en una tarjeta-madre, en una
de cuyas caras el substrato de la antena ha sido fijado
previamente, siendo, entonces, la línea de conexión, típicamente,
al menos en la proximidad de la antena, paralela a la dirección
longitudinal de ésta.
Por otra parte, la realización de tales
conductores de conexión aptos para formar bornes de la antena en la
superficie de canto del substrato no complica la fabricación de la
antena más que de una manera despreciable. En efecto, por una parte,
la realización de los conductores de cortocircuito es necesaria para
que la antena fabricada sea del tipo de cuarto de onda. Por otra
parte, el primer conductor de conexión puede ser realizado por un
proceso, al menos, análogo al de la realización de los conductores
de cortocircuito y, en la mayoría de los casos, en el transcurso de
una misma etapa de fabricación.
De modo más particular, de acuerdo con una
disposición ventajosa propia de la primera antena dada como ejemplo,
el conjunto de los conductores de conexión del dispositivo de
acoplamiento es realizado colectivamente por las etapas
siguientes:
- formación de una capa conductora vertical en la
superficie de canto S3, y
- grabado de esta capa para realizar a la vez los
dos conductores de cortocircuito C2 y C12 y el primer conductor de
conexión C3. Estos conductores constituyen, entonces,
respectivamente, dos bandas de cortocircuito y una cinta de
acoplamiento vertical.
Preferentemente, los conductores de conexión
ocupan solamente una fracción del borde trasero 10. En la antena
dada como ejemplo, se trata, sensiblemente, de la misma fracción que
la de la zona primaria Z1.
Preferentemente, las anchuras de las cintas de
acoplamiento y de las ranuras, tales como las ranuras de
acoplamiento situadas a una y otra parte de estas cintas, son
elegidas de manera que dan una impedancia uniforme y conveniente,
que, típicamente, es de 50 ohmios, a la línea de acoplamiento
constituida por las líneas coplanarias vertical y horizontal. Por
otra parte, la impedancia de la antena es ajustada por la elección
de la posición del punto de conexión interna 18. El valor pequeño
de las anchuras de las ranuras de acoplamiento y el efecto de
acoplamiento lateral que resulta, permite ensanchar el margen de
fabricación concerniente a estos diversos parámetros y esto
conservando una buena calidad de acoplamiento.
En el caso de la primera antena dada como
ejemplo, que está destinada a ser incluida en un aparato de pequeñas
dimensiones, la línea de conexión externa a la antena es una línea
coaxial. Al menos, en la proximidad de la antena, ésta se extiende,
típicamente, según una dirección sensiblemente perpendicular a la
superficie de esta antena, es decir, por ejemplo, según la dirección
vertical DV. Ésta comprende un conductor axial C4. En un primer
extremo de la línea este conductor axial está conectado el conductor
C3. En el otro extremo de la línea, éste está conectado a un primer
borne del órgano de tratamiento de señal 8. En toda la longitud de
la línea éste está rodeado por una funda conductora C5. En el primer
extremo de la línea esta funda está conectada a la vez a los dos
conductores de cortocircuito C2 y C12. En el otro extremo de la
línea, ésta está conectada al otro borne del órgano de tratamiento
de señal 8 que, por ejemplo, está constituido por un emisor.
En el marco de un modo de realización de esta
primera antena, van a indicarse a continuación, a título de ejemplo
numérico, diversas composiciones y valores. Las longitudes y
anchuras están indicadas, respectivamente, según las direcciones
longitudinal DL y transversal DT.
- frecuencia de funcionamiento primaria 940
MHz,
- frecuencia de funcionamiento secundaria 870
MHz,
- impedancia de entrada: 50 ohmios,
- composición y espesor del substrato: resina
epoxídica que tiene una permitividad relativa e_{r} = 4,3 y un
factor de disipación tg d = 0,02, espesor 1,6 mm,
- composición y espesor de las capas conductoras:
cobre, 17 micras,
- longitud de la zona primaria Z1: 26 mm,
- anchura de la zona Z1: 29 mm,
- longitud de las zonas secundarias Z2 y Z12: 30
mm,
- anchura de cada una de estas zonas: 5,5 mm,
- longitud de la región trasera ZA: 23 mm,
- longitud del conductor C1 de la línea
coplanaria horizontal: 25 mm,
- anchura del conductor C1 y del conductor
principal C3 de la línea coplanaria vertical: 2,1 mm,
- altura del conductor C3: 0,8 mm
- anchura común para todas las ranuras, estando
indicada esta anchura según la dirección horizontal para las ranuras
transversales F2 y F12: 0,5 mm,
- longitud de las ranuras de disminución de
frecuencia F3 y F13: 5 mm,
- anchura del intervalo axial 20: 7 mm,
- anchura de cada uno de los conductores de
cortocircuito C2 y C12: 5 mm.
Las figuras 5 y 6 muestran cómo se realiza la
conexión necesaria entre una línea de conexión externa y un
dispositivo de acoplamiento de antena en el caso de una segunda
antena de acuerdo con la presente invención.
Diversos elementos de esta segunda antena son
análogos, respectivamente, al menos en cuanto a sus funciones, a
diversos elementos de la primera antena que se ha descrito
anteriormente. Tales elementos están designados por las mismas
letras y/o números de referencia que los elementos análogos de la
primera antena, salvo que los números están aumentados en 50, siendo
el conductor de masa C5 de la línea de conexión externa de la
primera antena análogo a un conductor C55 de la segunda antena.
Esta segunda antena difiere de la primera en los
puntos siguientes:
El conductor principal C54 y la masa C55 de la
línea de conexión externa están formados en las superficies inferior
y superior de una hoja dieléctrica 30 que constituye una
tarjeta-madre y que lleva los componentes, no
representados, de un órgano de tratamiento de señal, tampoco
representado. Esta línea es del tipo microcinta. Una capa que
constituye su masa y la de la tarjeta-madre es la
prolongación de la masa 54 de la antena. El substrato 52 de esta
última está fijado a la superficie superior de la
tarjeta-madre 30. El conductor principal de la
línea de acoplamiento vertical, es decir, el primer conductor de
conexión, presenta la forma de un cilindro metálico C53 que
atraviesa la tarjeta-madre 30. Éste está conectado,
por una parte, por dos soldaduras 32 y 34 a la cinta de acoplamiento
horizontal C51 y, por otra, a la cinta C54 de la línea de conexión
externa. Los dos conductores de cortocircuito C52 y C62 están
realizados en forma de dos bandas metálicas preconstituidas y
bloqueadas a la vez a la cara superior del substrato 52, en su
superficie de canto S53 y a la masa C55 de la
tarjeta-madre 30.
Naturalmente, para la conexión de una antena
fijada en un plano a una tarjeta- madre son posibles otras
modalidades.
Claims (6)
1. Antena realizada de acuerdo con la técnica de
microcintas, comprendiendo esta antena:
- un substrato dieléctrico (2) que presenta una
superficie inferior (S1), una superficie superior (S2) y una
superficie de canto (S3),
- un plano conductor de masa (4) que se extiende
en esta superficie inferior,
- una pastilla conductora (6) que se extiende en
esta superficie superior,
- dos conductores de cortocircuito (C2, C12) que
se extienden en esta superficie de canto y que conectan esta
pastilla a esta masa conductora (4), y
- conductores de conexión para transmitir una
señal entre esta antena y un órgano de tratamiento de señal;
estando caracterizada esta antena porque los conductores de
conexión comprenden una línea coplanaria que tiene un primer tramo
(F4, C1, F14) que se extiende en la cara superior del substrato, y
un segundo tramo (F5, C3, F15) que se extiende en la superficie de
canto y que prolonga el primer tramo sin discontinuidad sensible de
impedancia, y que incluyen dos conductores de masa constituidos por
los dos conductores de cortocircuito (C2, C12).
2. Antena de acuerdo con la reivindicación 1,
comprendiendo esta antena una estructura resonante que a su vez
comprende:
- el citado substrato dieléctrico (2),
presentando este substrato dos superficies principales mutuamente
opuestas que se extienden según direcciones definidas en esta antena
y que constituyen direcciones horizontales (DL y DT), constituyendo
estas dos superficies, respectivamente, la citada superficie
inferior (S1) y la citada superficie superior (S2), estando
definida, además otra dirección en esta antena que forma un ángulo
con cada una de estas direcciones horizontales, constituyendo esta
otra dirección una dirección vertical (DV), conteniendo la citada
superficie de canto (S3) esta dirección vertical,
- una capa conductora inferior que se extiende
sobre la citada superficie inferior y que constituye una masa (4)
de esta antena,
- una capa conductora superior que se extiende en
un área de la citada superficie superior por encima de la citada
masa de manera que constituye la citada pastilla (6), teniendo esta
pastilla una configuración, bordes, una longitud y una anchura,
extendiéndose esta longitud y esta anchura según dos citadas
direcciones horizontales, que constituyen, respectivamente, una
dirección longitudinal (DL) y una dirección transversal (DT),
conteniendo, además, la citada superficie de canto un borde (10) de
esta pastilla, extendiéndose este borde según la citada dirección
transversal (DT), y
los citados conductores de cortocircuito (C2,
C12), extendiéndose este conductor según la citada dirección
vertical (DV), e imponiendo, al menos aproximadamente, a la citada
estructura resonante una resonancia del tipo de cuarto de onda,
comprendiendo la citada antena, además, una línea
de acoplamiento apta para realizar un acoplamiento entre, por una
parte, una onda progresiva que se propaga por esta línea y, por
otra, la citada resonancia de la estructura resonante, comprendiendo
a su vez esta línea:
- un conector principal conectado a la citada
pastilla (6) en un punto de conexión interna (18), y
- los citados dos conductores de masa que se
extienden paralelamente a este conductor principal al lado de este
último,
estando caracterizada la citada antena por
el hecho de que el citado conductor principal de la línea de
acoplamiento incluye un tramo vertical (C3) que se extiende al lado
del citado conductor de cortocircuito (C2, C12) y que constituye el
citado segundo tramo, incluyendo los citados conductores de masa de
esta línea un tramo vertical constituido por estos conductores de
cortocircuito, de manera que permiten conectar la citada estructura
resonante al citado órgano de tratamiento de señal (8) por
intermedio de una línea vertical que incluye los citados tramos
verticales de estos conductores y que pertenece a la citada línea
de acoplamiento.
3. Antena de acuerdo con la reivindicación 2,
estando caracterizada esta antena por el hecho de que el
citado conductor principal de la línea de acoplamiento incluye,
además, una cinta de acoplamiento horizontal (C1) formada en la
citada capa conductora superior y que se extiende según la citada
dirección longitudinal (DL) de manera que conecta el citado tramo
vertical (C3) de este conductor al citado punto de conexión interna
(18), estando separada esta cinta de acoplamiento de la citada
pastilla por dos ranuras laterales longitudinales (F4, F14) que se
extienden, respectivamente, en los dos bordes de esta cinta,
comprendiendo, además, los citados dos conductores de masa de esta
línea un tramo horizontal constituido por la citada pastilla a una y
otra parte de esta cinta de acoplamiento, constituyendo esta cinta
de acoplamiento horizontal y este tramo horizontal del conductor
principal una línea coplanaria horizontal,
comprendiendo la citada antena una capa
conductora vertical que se extiende en áreas de la citada superficie
de canto (S3), siendo el citado cortocircuito un cortocircuito
compuesto que comprende dos citados conductores de cortocircuito
(C2, C12), estando constituidos estos dos conductores de
cortocircuito por dos bandas de cortocircuito verticales que
pertenecen a esta capa conductora vertical a una y otra parte del
citado tramo vertical (C3) del conductor principal de la línea de
acoplamiento, estando constituido este último por una cinta de
acoplamiento vertical que pertenece, también, a esta capa
conductora vertical y separado de estos dos conductores de
cortocircuito, respectivamente, por dos ranuras laterales
verticales (F5, F15), de manera que el citado tramo de línea
vertical constituye una línea coplanaria vertical que se conecta a
la citada línea coplanaria horizontal sin discontinuidad sensible de
impedancia.
4. Antena de acuerdo con la reivindicación 3,
estando caracterizada esta antena por el hecho de que la
citada línea coplanaria vertical (C2, F5, C3, F15, C12) está
formada en una fracción solamente de la citada anchura de la
pastilla (6).
5. Antena de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 4, estando caracterizada esta antena por
el hecho de que ésta es simétrica con respecto a un plano que pasa
por un eje de simetría (A) de la citada pastilla (6) y que se
extiende según la citada dirección vertical (DV).
6. Dispositivo de comunicación radio, incluyendo
este dispositivo:
- una antena de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, y
- un citado órgano de tratamiento de señal (8)
conectado a la citada antena por intermedio de los citados
conductores de conexión (C3, C2, C12).
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