ES2230344T3 - Antena plana multibanca. - Google Patents

Abstract

Antena plana multibanda que incluye sobre un sustrato una primera ranura (10) tipo ranura anular o de forma simétrica respecto de un punto cuyo perímetro tiene unas dimensiones (R1, R¿1) que le permiten funcionar a una primera frecuencia f1, caracterizada porque incluye al menos una segunda ranura (11) tipo ranura anular o de forma simétrica respecto de un punto cuyo perímetro tiene unas dimensiones (R2, R¿2) para funcionar a una segunda frecuencia f2 y solapada en la primera ranura (10), estando alimentadas la primera y la segunda ranuras a través de una línea de alimentación (12) (lm1, lm2; l¿m; l¿m1, l¿m2) común situada de forma que atraviese cada una de las ranuras en un plano de cortocircuito de la línea de alimentación.

Description

Antena plana multibanda.

La presente invención se refiere a una antena plana multibanda y/o de banda ancha, en especial a una antena adaptada a las redes inalámbricas móviles o domésticas.

En el marco del despliegue de las redes inalámbricas móviles o domésticas, el diseño de las antenas se enfrenta a un problema específico derivado de las diferentes frecuencias asignadas a dichas redes. En efecto, según se muestra en la relación no exhaustiva que se facilita a continuación, las tecnologías inalámbricas son numerosas y las frecuencias en las que se lleva a cabo su explotación lo son más aún.

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A lo largo de los 20 últimos años también se han implementado diferentes sistemas de telefonía móvil que funcionaban en unas bandas de frecuencia dependientes al mismo tiempo del operador y del país de explotación. Más recientemente, hemos sido testigos del desarrollo de las redes domésticas inalámbricas, cuyas especificaciones, en el caso de ciertas tecnologías, siempre están pendientes de concluir y cuyas bandas de frecuencia difieren de un continente a otro.

Desde el punto de vista del usuario, esta multitud de bandas puede constituir un obstáculo para la obtención de sus servicios en la medida en que implica la utilización de diferentes dispositivos de conexión para cada red. Por ello, la tendencia actual por parte de los constructores consiste en reducir el parque de dispositivos haciéndolos compatibles con diversas tecnologías o normas. Es por ello por lo que han aparecido, ahora hace algunos años, unos teléfonos de banda dual que garantizan la conexión tanto a la red GSM a 900 MHz como a la DECS a 1,8 GHz. Por otra parte, la multiplicidad de las normas en el ámbito de las redes domésticas inalámbricas desemboca en un reparto de las bandas de frecuencia que están bien muy alejadas, o bien adyacentes, según las normas que se consideren.

En el futuro, la demanda cada vez más importante del espectro de frecuencias vinculada al aumento de los dispositivos digitales, por una parte, y la escasez de frecuencias por la otra, darán lugar a unos equipos capaces de funciones en diversas bandas de frecuencia y/o en una amplia banda de frecuencias.

Por otra parte, sería interesante desarrollar unos equipos portátiles que pudiesen utilizarse como un teléfono móvil cuando el usuario se encuentra fuera de su hogar y como un equipo doméstico que forme parte de la red doméstica cuando se regresa al hogar, es decir unos equipos que sean compatibles con la red celular y la red doméstica.

Así pues, parece necesario desarrollar unas antenas que funcionen en varias bandas de frecuencias para permitir esta compatibilidad y además tengan un tamaño reducido.

Actualmente se conoce una antena plana constituida, como puede verse en la figura 1, por una ranura anular 1 que opera a una frecuencia f dada. Dicha ranura anular 1 es alimentada por una línea de microbanda 2.

Como continuación a las simulaciones y ensayos, se ha comprobado que si la transición línea microbanda/ranura radiante se realiza de tal modo que la ranura se encuentre en un plano de cortocircuito de línea, es decir, en la zona en la que las tensiones son más elevadas, la ranura anular presentará entonces resonancias en todos los múltiplos impares de esta frecuencia, o lo que es lo mismo, al contrario que en el caso de las estructuras del tipo "patch (pastilla)" alimentadas por línea, en cuyo caso las resonancias aparecen en todos los múltiplos pares de la frecuencia fundamental. Este funcionamiento justifica las siguientes reglas de diseño que se utilizan para hacer una antena como la representada en la figura 1.

En este caso,

\lambda_{s} = 2\piR

Im = \lambda_{m}/4

Zant. = 300 \Omega

siendo \lambda_{s} y \lambda_{m} las longitudes de onda en la ranura y bajo la línea de microbanda y Zant la impedancia de entrada de la antena. Por otra parte, la m representa la longitud de la línea de microbanda necesaria para realizar una adaptación a 50 \Omega siendo W_{s} y W_{m} respectivamente la anchura de la ranura y la anchura de la línea de microbanda.

De este modo, en el caso de una antena del tipo de la mostrada en la figura 1 realizada en un substrato "CHUKOH FLO" \varepsilonr = 2,6 tan\delta = 0,002 - h = 0,8 mm – ep cobre = 15 \mum con R = 7 mm, W_{s}= 0,25 mm, lm = 9,26 mm y funcionando a una frecuencia fundamental f de 5,8 GHz, se observa un funcionamiento en frecuencias como el representado en la figura 2. Se observa, pues, una resonancia a 5,8 GHz (f) más una segunda resonancia de en torno a 17 GHz, a saber a 3f, manteniéndose el valor del coeficiente de reflexión plano en la región de los 11 GHz.

En el documento "STRIPLINE-FED ARBITRARILY SHAPED PRINTED APERTURE ANTENNAS" de CHEN et al. Y en el documento IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, vol. 45, nº 7 - julio 1997, páginas 1186 - 1198 XP000694428, se describe una antena del mismo tipo.

De acuerdo con las propiedades descritas anteriormente, la presente invención propone una nueva estructura de antena plana multibanda y/o banda ancha de diseño simple y poco voluminosa.

De este modo, la presente invención tiene por objeto una antena plana de un tipo que incluye una primera ranura cuyas dimensiones le permiten funcionar a una primera frecuencia f1 y que está alimentada mediante una línea de alimentación situada de forma que la ranura se encuentra en un plano de cortocircuito de la línea de alimentación, caracterizada porque incluye al menos una segunda ranura cuyas dimensiones le permiten funcionar a una segunda frecuencia f2, estando alimentada la segunda ranura a través de dicha línea de alimentación.

De acuerdo con una característica de la invención que permite el funcionamiento multibanda, la segunda ranura se encuentra en un plano de cortocircuito de la línea de alimentación.

Preferentemente, esta antena incluye N ranuras, cada una con unas dimensiones que le permiten funcionar a una frecuencia f_{i} siendo i variable entre 1 y N, estando cada ranura alimentada por dicha línea de alimentación para encontrarse en un plano de cortocircuito de la línea de alimentación.

De acuerdo con otra característica de la invención que permite un funcionamiento en banda ancha, las dos ranuras son cotangentes en un punto, estando situada la línea de alimentación bien al nivel de este punto, bien al lado opuesto de este punto en el que ambas ranuras son concéntricas.

De acuerdo con un modo de realización, la longitud de cada ranura se selecciona para que la ranura resuene a dicha frecuencia f_{i}. Cada ranura puede ser de forma idéntica o no, simétrica respecto a un punto. Preferentemente, cada ranura es circular o cuadrada. La ranura puede incorporar medios que permitan la irradiación de una onda polarizada circularmente. Estos medios están formados, por ejemplo, por muescas. En este caso, según la posición de la línea de alimentación, se generará una onda de polarización circular a derechas o a izquierdas.

Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la lectura de la descripción de diversas realizaciones, habiéndose efectuado esta descripción haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

La figura 1 ya descrita representa una vista superior esquemática de una antena de ranura anular conocida.

\newpage

La figura 2 es una curva que da el coeficiente de reflexión en función de la frecuencia en el caso de una antena como la representada en la figura 1.

La figura 3 es una vista superior esquemática de una antena plana de frecuencia dual, de acuerdo con la presente invención.

La figura 4 es una curva que da el coeficiente de reflexión en función de la frecuencia, en el caso de una antena como la representada en la figura 3.

La figura 5 es una vista superior esquemática de una antena plana de frecuencia triple, de acuerdo con la presente invención.

La figura 6a a 6c son vistas superiores esquemáticas de antenas planas de banda ancha, según otra realización de la presente invención.

La figura 7 representa diferentes curvas que dan la banda pasante de las antenas de las figuras 1, 3, 5 y 6.

Las figuras 8a, 8b y 8c representan esquemáticamente diferentes formas de ranura utilizables en las antenas de la presente invención.

Para simplificar la descripción en las figuras, los mismos elementos tienen las mismas referencias.

Como se representa en la figura 3, una antena de frecuencia dual de acuerdo con la presente invención incluye una primera ranura anular 10 cuyo radio R1 se elige para que funcione a una primera frecuencia fundamental f1. Debido a ello, el radio R1 es igual a \lambda_{s1}/2\pi donde \lambda_{s1} es la longitud de onda en la ranura 10. La ranura 10 tiene una anchura W_{s1}. La antena incluye también una segunda ranura anular 11 cuyo radio R2 se elige para operar a una segunda frecuencia fundamental f2, siendo el radio E2 igual a \lambda_{s2}/2\pi. En el modo de realización se seleccionó f2 más próxima a 2f1, pero pueden considerarse otras relaciones.

De acuerdo con la presente invención, las dos ranuras anulares 10 y 11 están alimentadas por una sola línea de microbanda 12. Esta línea de microbanda está situada de tal forma que las ranuras se encuentran en un plano de cortocircuito de la línea de alimentación. Debido a ello, la línea de alimentación 12 desborda la ranura 11 en una longitud lm2 igual a k(\lambdam2/4) y la ranura 10 en una longitud lm1 igual a k(3\lambdam2/4) = k(\lambdam1/4) donde \lambdam2 es la longitud de onda bajo la línea de microbanda a la frecuencia f2 y \lambdam1 a la frecuencia f1 y k es un número entero impar. Por otra parte, la longitud lm' representa la longitud de línea necesaria para adaptar a 50\Omega la impedancia Zant que es de aproximadamente 300\Omega. Esta línea presenta una anchura Wm. De manera general, la longitud de la línea para que la ranura se encuentre en un plazo de cortocircuito es igual a k\lambdam/4 siendo \lambdam la longitud de onda bajo la línea de microbanda a la frecuencia de funcionamiento definida para la ranura y k un número entero
impar.

En la figura 4, se ha representado el coeficiente de reflexión de una estructura como la representada en la figura 3 con las características siguientes:

R1 = 16,4 mm	W_{s1} = 0,4 mm	lm1 = 20 mm	f1 = 2,4 GHz
R2 = 7,4 mm	W_{s2} = 0,4 mm	lm2 = 9,25 mm	f2 = 5,2 GHz

En este caso, la línea de microbanda presenta una anchura Wm = 0,3 mm y una longitud l'm = 20 mm. El conjunto se ha realizado sobre un substrato R4003 (\varepsilonr = 3,38, h = 0,81 mm).

Los resultados de la simulación obtenidos con la estructura anterior se representan en la figura 4. De este modo se observa el funcionamiento a frecuencia dual de la nueva topología con una muy buena adaptación a 2,4 GHz (S11 = -22dB) y un S11 completamente correcto a 5,2 GHz (S11 = -12dB).

Por otra parte, con la estructura anterior, se observa así que la radiación a 2,4 GHz es similar a la de la ranura por sí sola y perfectamente simétrica. A 5,2 GHz, se observa una ligera disimetría de la radiación, pero que se mantiene muy limitada.

En la figura 5, se ha representado una realización que funciona en modo tri-banda. En este caso, tres ranuras anulares 21, 22, 23 que funcionan a unas frecuencias fundamentales f1, f2, f3 están alimentadas mediante una misma línea de microbanda 20. Las ranuras se han realizado utilizando las reglas de diseño indicadas anteriormente. De este modo, el radio de cada ranura anular es tal que Ri (i = 1, 2, 3) = \lambdasi/2\pi donde \lambdasi es la longitud de onda de cada ranura. De igual modo, los planos de cortacircuito están situados de tal forma que lm3 = k(\lambda3/4), lm2 = k (\lambda2/4) y lm1 = k(\lambda1/4) donde \lambda1, \lambda2, \lambda3 son respectivamente las longitudes de onda bajo la línea de microbanda a las frecuencias f1, f2, f3 y donde k es un número entero impar. La longitud l'm se utiliza para la adaptación a 50\Omega.

En las figuras 6a, 6b y 6c se ha representado otro modo de realización de una antena plana de acuerdo con la presente invención. En el caso de las figuras 6a y 6b, las dos ranuras anulares R'1 y R'2 llegan a confundirse en un punto. Sus dimensiones les permiten operar a unas frecuencias cercanas. De este modo, como se representa en la figura 6a, la antena incluye dos ranuras anulares R'1 y R'2 cotangentes en el punto A.

En este modo de realización, las dos ranuras R'1 y R'2 están alimentadas mediante una línea común situada al lado del punto A. Las dos ranuras se encuentran sensiblemente en un plano de cortocircuito de la línea de alimentación y las longitudes l'm y l'm' se han seleccionado de tal forma que l'm equivale a k\lambda'm/4 donde \lambda'm es la longitud de onda bajo la línea de microbanda y k es un número entero impar, y l'm' permite la adaptación a 50\Omega.

Según el modo de realización de la figura 6b, las dos ranuras anulares son cotangentes en el punto B y están alimentadas por una línea de alimentación situada en el lado opuesto al punto B.

En este caso, las longitudes l''m2 y l''m1 se han seleccionado para que las ranuras R'1 y R'2 se encuentren sensiblemente en un plano de cortocircuito de la línea de alimentación. La longitud l''m' se ha seleccionado para realizar la adaptación a 50 \Omega. En el caso de la figura 6c, las dos ranuras anulares R'1 y R'2 son concéntricas. Están alimentadas por una línea de alimentación común basada en la tecnología microbanda, por ejemplo. En este caso, las longitudes lm1 y lm2 se han seleccionado para que las ranuras R'1 y R'2 se encuentren cercanas a un plano de cortocircuito de la línea y lm' permite la adaptación a 50 \Omega.

El estudio de las diferentes topologías descritas anteriormente se ha llevado a cabo con la ayuda de un programa de simulación conocido con el nombre de IE3D. En todos los casos, el tamaño del plano de masa y del substrato se supone infinito. Las características geométricas de las diferentes configuraciones puestas a prueba se presentan en la siguiente tabla. También se observa que la utilización de las topologías multi-ranura viene acompañada por un notable aumento de la banda pasante. Esta pasa en efecto de 380 MHz para la ranura sencilla, a 470MHz y 450MHz para las estructuras de dobles ranuras concéntricas y solapadas.

TABLA II

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Puede aumentarse incluso añadiendo una tercera ranura. De este modo se obtiene una banda del orden del 9% frente al 6,55% para una sola ranura. En todos los casos, se obtiene el máximo de banda con la configuración de ranuras concéntricas. Esta topología hace que aparezca una resonancia parásita a 1 GHz por debajo de la frecuencia de funcionamiento de la estructura (véase la Figura 7). Esta situación no sucede en la configuración de ranuras solapadas, lo que la podría hacer preferible a la de ranuras concéntricas, en función de las limitaciones espectrales impuestas por la aplicación. Desde el punto de vista de la radiación, las diferentes topologías conservan unos diagramas y unos rendimientos como los que se suelen obtener con una ranura anular sencilla.

De este modo, el carácter de banda ancha de las estructuras multi-ranura se ha validado en las nuevas topologías descritas anteriormente. La radiación no se ha visto perturbada por las disposiciones propuestas. La topología más eficaz, en términos de banda, corresponde a una configuración de ranuras concéntricas. No obstante, esta hace que aparezca una frecuencia de resonancia parásita. Esto no sucede en topologías de múltiples ranuras solapadas. Aunque esta no tenga una banda tan ancha como la solución concéntrica, permite igualmente obtener unas bandas de frecuencias apreciables en relación con la ranura única.

Ahora se pasarán a describir, haciendo referencia a las figuras 8a, 8b, 8c, diferentes modos de realización de las ranuras. En la figura 8a la ranura está constituida por un cuadrado 30 alimentado por una línea 31. En la figura 8b, la ranura 1 es circular. Está alimentada por una línea 2 e irradia una onda polarizada linealmente. En la figura 8c, la ranura circular 1' incorpora una serie de muescas 1''. Está alimentada por una línea 2. En este caso, la ranura irradia una polarización circular que puede ser izquierda o derecha en función de la situación de la línea de alimentación. Es evidente, para aquellas personas versadas en la materia, que independientemente de la forma de la ranura, esta debe de respetar las reglas de diseño indicadas anteriormente. En términos generales, la ranura debe ser simétrica respecto de un punto y presentar una longitud tal que irradie a la frecuencia fundamental seleccionada. La presente invención se ha descrito con líneas de alimentación realizadas siguiendo la tecnología de microbanda, si bien las líneas pueden realizar con una tecnología coplanar.

Claims (7)

1. Antena plana multibanda que incluye sobre un sustrato una primera ranura (10) tipo ranura anular o de forma simétrica respecto de un punto cuyo perímetro tiene unas dimensiones (R1, R'1) que le permiten funcionar a una primera frecuencia f1, caracterizada porque incluye al menos una segunda ranura (11) tipo ranura anular o de forma simétrica respecto de un punto cuyo perímetro tiene unas dimensiones (R2, R'2) para funcionar a una segunda frecuencia f2 y solapada en la primera ranura (10), estando alimentadas la primera y la segunda ranuras a través de una línea de alimentación (12) (lm1, lm2; l'm; l'm1, l'm2) común situada de forma que atraviese cada una de las ranuras en un plano de cortocircuito de la línea de alimentación.

2. Antena según la reivindicación 1, caracterizada porque incluye N ranuras solapadas (21, 22, 23) tipo ranura anular o de forma simétrica respecto de un punto, estando dimensionado el perímetro de cada ranura unas dimensiones para funcionar a una frecuencia f_{i} siendo i variable entre 1 y N, y estando alimentada cada ranura a través de dicha línea de alimentación (20) de forma que se encuentre en un plano de cortocircuito de la línea de alimentación.

3. Antena según la reivindicación 1, caracterizada porque las ranuras (R'1, R'2) son cotangentes en un punto y la línea de alimentación atraviesa las ranuras en dicho punto o bien en el punto diametralmente opuesto.

4. Antena según la reivindicación 1 caracterizada porque las ranuras son concéntricas.

5. Antena según las reivindicaciones 1 a 4 caracterizada porque las ranuras disponen de unos medios (1'') que permiten la radiación de una onda polarizada circularmente.

6. Antena según la reivindicación 5 caracterizada porque los medios están constituidos por unas muescas realizadas en la ranura.

7. Antena según una de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizada porque la línea de alimentación es una línea de microbanda o una línea realizada en tecnología coplanar.