ES2243070T3 - Antena. - Google Patents

Antena.

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ES2243070T3
ES2243070T3 ES99941706T ES99941706T ES2243070T3 ES 2243070 T3 ES2243070 T3 ES 2243070T3 ES 99941706 T ES99941706 T ES 99941706T ES 99941706 T ES99941706 T ES 99941706T ES 2243070 T3 ES2243070 T3 ES 2243070T3
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Bernard Jean-Yves Jecko
Francoise Jecko
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/0407Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10Resonant slot antennas
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Abstract

Antena del tipo que comprende: - una primera superficie (12) eléctricamente conductora, - una segunda superficie (14) eléctricamente conductora que forma un plano de masa, paralela a la primera, - un primer hilo o cinta de alimentación eléctricamente conductor (16) que une un primer borne de un generador/receptor (20) a la primera superficie (12) y un segundo hilo o cinta de alimentación (17) que une un segundo borne del generador/receptor (20) a la segunda superficie (14), y - por lo menos un hilo o cinta eléctricamente conductor (18, 19) que une las dos superficies citadas anteriormente (12, 14), caracterizada porque las dos superficies (12, 14) y el o los hilo(s) o cinta(s) (18, 19) de unión entre éstas son todos coplanarios.

Description

Antena.
La presente invención se refiere al campo de las antenas.
Mas precisamente aún, la presente invención se refiere al campo de las antenas que funcionan de un modo particular que comprende:
-
una primera superficie eléctricamente conductora, denominada generalmente "techo capacitivo"
-
una segunda superficie eléctricamente conductora que forma el plano de masa, paralela a la primera,
-
un primer hilo o cinta de alimentación eléctricamente conductor que une un primer borne de un generador/receptor a la primera superficie y un segundo hilo o cinta de alimentación que une un segundo borne del generador/receptor a la segunda superficie, y
-
por lo menos un hilo o cinta eléctricamente conductor que une las dos superficies citadas anteriormente.
Se describen unos ejemplos de dichas antenas, por ejemplo, en los documentos FR-A-2 668 859 y EP-A-667 984.
Se ha descrito así en el documento FR-A-2
668 859 una antena del tipo citado anteriormente que comprende un solo hilo o cinta que une las dos superficies, estando dicho hilo o cinta dispuesto para ser recorrido por una corriente a la frecuencia de trabajo y para ser acoplado por acoplamiento inductivo al hilo o cinta de alimentación que une el generador a la primera superficie. Se ha demostrado que esta antena genera, bajo ciertas condiciones de disposición de los elementos, una radiación de tipo monopolar, es decir que comprende un lóbulo con simetría de revolución, con una radiación máxima paralela al plano de masa y una radiación nula perpendicularmente a la antena, polarización lineal con campo eléctrico en un plano perpendicular a la antena y cobertura casi hemisférica salvo en el eje.
El documento EP-A-667 984 describe una variante de esta antena que comprende varios hilos o cintas paralelos que unen las dos superficies. Esta disposición permite en particular facilitar la adaptación de la antena sobre el generador.
Las antenas del tipo citado anteriormente ya han proporcionado grandes servicios.
El objetivo de la presente invención es sin embargo proponer una nueva antena que puede presentar unas dimensiones reducidas con respecto a la longitud de onda de trabajo no sólo en el plano horizontal como las antenas descritas en los documentos FR-A-2 668 859 y EP-A-667 984, sino también en la dirección vertical en la que la altura es muy pequeña, del orden de \lambda/200.
Este objetivo es alcanzado en el marco de la presente invención gracias a una antena del tipo citado anteriormente, caracterizada porque las dos superficies y el o los hilo(s) o cinta(s) de unión entre ellas son todos coplanarios.
En caso necesario, por lo menos un hilo o cinta de unión que asegura la unión entre el generador/receptor y la primera superficie, también es coplanario de los elementos citados anteriormente.
Otras características, objetivos y ventajas de la presente invención se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la lectura de la siguiente descripción detallada haciendo referencia a los dibujos anexos, dados a título de ejemplo no limitativo, y en los que:
- la figura 1 representa esquemáticamente la estructura general de una antena de acuerdo con la presente invención,
- la figura 2 representa el esquema equivalente de esta antena,
- la figura 3 representa la respuesta de esta antena en función de la frecuencia y sitúa el punto de funcionamiento,
- la figura 4 representa un modo de realización particular de la presente invención,
- la figura 5 representa la evolución de la parte real de la impedancia de entrada, en función de la frecuencia, tomada en una antena de acuerdo con el modo de realización ilustrado en la figura 4,
- la figura 6 representa la evolución de la parte imaginaria de la impedancia de entrada, en función de la frecuencia, tomada en una antena de acuerdo con el modo de realización ilustrado en la figura 4,
- la figura 7 representa la evolución del coeficiente de reflexión resultante, en función de la frecuencia, para una antena de acuerdo con el modo de realización ilustrado en la figura 4, (se observará que en las figuras 5, 6 y 7 , los valores teóricos están indicados con unos trazos continuos, mientras que los valores medidos están ilustrados en trazos discontinuos), y
- las figuras 8, 9 y 10 representan la ganancia intrínseca de la antena en dB según diferentes planos.
Se observa en la figura 1 anexa, la arquitectura general de una antena 10 de acuerdo con la presente invención que comprende:
-
una primera superficie 12 eléctricamente conductora, denominada generalmente "techo capacitivo"
-
una segunda superficie 14 eléctricamente conductora que forma el plano de masa, paralela a la primera,
-
un primer hilo o cinta de alimentación 16 eléctricamente conductor que une un primer borne de un generador/receptor 20 a la primera superficie 12 y un segundo hilo o cinta de alimentación 17 que une un segundo borne del generador/receptor 20 a la segunda superficie 14, y
-
por lo menos dos hilos o cintas eléctricamente conductores 18, 19 que unen las dos superficies citadas anteriormente 12 y 14,
asegurando las dos superficies 12, 14 y los hilos o cintas de unión 16, 17, 18 y 19 la unión entre estas dos superficies 12, 14 y el generador/receptor 20 por un lado y entre estas superficies 12, 14 por otro lado, siendo todos coplanarios según la característica esencial de la presente invención.
La primera superficie 12 puede adoptar una geometría cualquiera. Esta geometría y la magnitud de esta superficie 12 son sin embargo características del funcionamiento de la antena.
La segunda superficie 14 que forma el plano de masa, rodea parcialmente o completamente la primera superficie 12. Según la representación esquemática dada en la figura 1, el plano de masa 14 presenta la forma de un anillo abierto que rodea casi totalmente la superficie 12. La abertura 15 practicada en el plano de masa 14 sirve de paso a la cinta 16.
Según la representación dada en la figura 1 anexa, están previstas dos cintas 18 y 19 que unen las superficies 12 y 14 entre ellas. Como se ha indicado en el documento EP-A-667 984 en este caso las cintas 18 y 19 son preferentemente simétricas respecto a la cinta de alimentación 16, y por ejemplo paralelas a ésta.
Sin embargo como variante, se puede prever una sola cinta para asegurar la unión entre las superficies 12 y 14. Así, haciendo referencia a figura 4, se describirá un modo de realización que comprende una sola cinta de alimentación para unir las superficies 12 y 14 entre sí.
Según otras variantes, la antena de acuerdo con la invención puede comprender más de dos cintas 18, 19 para asegurar la unión entre las superficies 12 y 14.
Una antena de este tipo puede ser obtenida mediante diferentes procesos de fabricación.
A título de ejemplos no limitativos, esta antena 10 puede ser recortada en un plano conductor, preferentemente una placa metálica, por ejemplo por grabado de la metalización de un circuito impreso de cara simple, o incluso por serigrafiado sobre un soporte eléctricamente aislante, depósito sobre un soporte de este tipo eléctricamente aislante, o realización a partir de un oropel metálico de geometría adaptada.
Las antenas de acuerdo con la presente invención pueden funcionar en todas las frecuencias.
Las dimensiones de la antena en el plano metálico son del orden de \lambda/6 a \lambda/5 donde \lambda representa la longitud de onda de trabajo.
El experto en la materia comprenderá que el espesor de la antena es extremadamente pequeño. Este espesor corresponde al espesor de los elementos 12 a 19 y del soporte de éstos.
La antena está adaptada a la impedancia del generador 20 (en general de 50\Omega) en la banda de frecuencia de trabajo para obtener un T.O.S. aceptable, preferentemente comprendido entre 1,5 y 2.
Se ha ilustrado en la figura 2 el esquema equivalente de esta antena.
Este esquema comprende una célula que comprende una capacidad Cfondo, una bobina Lfondo y una resistencia Rfondo, conectadas entre sí en paralelo y que corresponden al modo fundamental, otra célula que comprende una capacidad Ctecho y un bobina Lmasa conectadas entre sí en paralelo y una bobina de unión Lalim que asegura una unión en serie entre las dos células citadas anteriormente, estando la bobina Lalim acoplada a la bobina Lmasa por mutua inductancia M.
Ctecho representa la capacidad entre las dos superficies 12 y 14 medible en régimen estático.
Lmasa representa la inductancia asociada a la(s) cinta(s) 18, 19.
Lalim representa la inductancia asociada a la cinta de alimentación 16.
La mutua inductancia M es el resultado de la interacción de las cintas 16, 18 y 19 entre sí.
La curva de respuesta de esta antena modelizada, en función de la frecuencia, parte real R(f) y parte imaginaria X(f), está ilustrada en la figura 3.
Se ha referenciado en esta figura 3, por un lado la evolución de la respuesta en el modo fundamental y por otro lado la evolución de la respuesta a nivel de la resonancia paralela asociada al principio de funcionamiento original de dichas antenas. Esta última se traduce en un pico de resonancia para la parte real
R(f) y en una oscilación para la parte imaginaria
X(f).
Este pico de resonancia de la impedancia de entrada de la antena es la consecuencia del efecto capacitivo de las dos placas 12 y 14 y de los efectos de autoinducción y mutua inducción de la cintas 16, 18 y 19. El experto en la materia sabrá valorar estos elementos realizando la aproximación del estado casi estático.
La banda de funcionamiento de la antena se sitúa alrededor de las frecuencias de anulación de la parte imaginaria X(f) de la impedancia de entrada y corresponde a una parte real R(f) alrededor de la del generador 20.
La parte esencial de la radiación emitida por la antena proviene de la o de las cintas(s) 18, 19 y corresponde a una radiación de tipo dipolar casi omnidireccional en el plano perpendicular a las cintas y cuya polarización en este plano es paralela a las cintas. Es la radiación clásica de un dipolo eléctrico en un plano que le es perpendicular. Este dipolo sería paralelo a los hilos 16 y 18.
Como se ha sugerido anteriormente, se puede añadir un sustrato dieléctrico sobre y/o bajo el plano metálico definido por los elementos 12 a 19, para solidificar la estructura, para disminuir las dimensiones de la antena con respecto a la longitud de onda de funcionamiento, para generar una radiación en el dieléctrico, etc. ...
Por otra parte, se puede asociar un reflector de proximidad a la antena para conformar la radiación, por ejemplo para concentrar la radiación en una dirección deseada.
Se describirá ahora el modo de realización particular ilustrado en la figura 4.
La antena 10 ilustrada en esta figura 4 está formada por recorte de una hoja metálica de un espesor de 0,4 mm.
Comprende un techo 12 de geometría cuadrada de 25 mm x 25 mm, es decir del orden de \lambda/12 x \lambda/12.
El plano de masa 14 está formado por una cinta de una anchura de 6 mm, es decir del orden de lambda/50, y de una geometría cuadrada que rodea casi totalmente el techo 12.
Así, el plano de masa 14 está formado por cuatro tramos de cinta rectilíneos, perpendiculares y paralelos entre sí dos a dos, que presentan típicamente cada uno una longitud exterior de 65 mm, es decir del orden de \lambda/5, y una anchura de 6 mm, es decir del orden de \lambda/50.
El techo 12 está preferentemente centrado sobre el plano de masa 14 y presenta sus lados paralelos a los tramos de la cinta que forman este plano de masa 14. Así, la distancia que separa el borde interno del plano de masa 14 y el borde externo del techo 12, es del orden de 14 mm.
Uno de los tramos citados anteriormente que forman el plano de masa 14, presenta un recorte transversal 15 de una anchura del orden de 5 a 8 mm.
Este recorte 15 está formado preferentemente a aproximadamente 37 mm de un extremo de este tramo y aproximadamente a 23 mm del otro extremo del mismo tramo de plano de masa.
Una cinta de masa rectilínea 18 de una anchura de 8 mm y de una longitud del orden de 14 mm une el borde interno del tramo 14 que presenta el recorte 15, y el techo 12. Así, esta cinta de masa 18 se extiende perpendicularmente al tramo 14 y al borde del techo 12. Esta cinta de masa 18 se conecta preferentemente sobre el elemento más largo de la cinta 14 que presenta el recorte 15 y se conecta preferentemente al techo a una distancia del orden de 4 mm de uno de los ángulos de éste.
La cinta de alimentación 16 está formada por una cinta rectilínea, centrada sobre el recorte 15, de una anchura del orden de 3 mm y que se conecta perpendicularmente sobre un lado del techo 12, preferentemente a una distancia de un ángulo de éste del orden de 4 mm.
Se observa en la figura 4 que el tramo de cinta de masa 14 que presenta el recorte 15 está provisto de un conector 30 cuyo blindaje externo está conectado eléctricamente a la cinta de masa 14 y cuya rama conductora central está conectada mediante cualquier medio apropiado al extremo exterior de la cinta de alimentación 16.
La figura 5 representa la parte real R(f) de la impedancia de entrada de la antena 10 ilustrada en la figura 4, en \Omega, en función de la frecuencia.
La figura 6 representa la parte imaginaria X(f) de la impedancia de entrada de la misma antena 10 ilustrada en la figura 4, en \Omega, en función de la frecuen-
cia
Y la figura 7 representa el coeficiente de reflexión | S_{11} | resultante.
Más precisamente, en las figuras 5 a 7 se han ilustrado con trazos continuos las curvas teóricas y con trazos discontinuos las curvas reales medidas sobre una antena de acuerdo con la figura 4.
El coeficiente de reflexión | S_{11} | teórico es mínimo (-28 dB) a 1,057 GHz y el coeficiente de reflexión | S_{11} | real medido es mínimo (-21,3 dB) a 1,07 GHz.
Las dimensiones totales del dispositivo 10: antena más plano de masa, ilustrado en la figura 4, son del orden de \lambda/6 a \lambda/5 en donde \lambda es la longitud de la onda de trabajo.
La ganancia intrínseca a la frecuencia de 1,06 GHz ilustrada en las figuras 8 a 10 traduce una radiación casi omnidireccional en el plano ortogonal a las cintas 18, 19, de acuerdo con el principio de radiación del dipolo.
La figura 8 representa la ganancia en función del ángulo \theta entre la dirección de observación y una perpendicular al plano metálico, en el plano de la cinta 16 (es decir \varphi= 0º).
La figura 9 representa la ganancia del ángulo \theta entre la dirección de observación y una perpendicular al plano metálico, en un plano perpendicular a la cinta 16 (es decir \varphi =90º).
La figura 10 representa la ganancia en el plano de la antena (\theta=90º) en función del acimut \varphi de observación en este plano.
Existen un gran número de antenas conocidas, incluidas las antenas planarias.
A título de ejemplos no limitativos se pueden citar:
1)
las estructuras resonantes planarias del tipo "microcintas" compuestas por elementos apilados con por lo menos dos niveles de metalización, por ejemplo un plano de masa, un sustrato dieléctrico que puede ser aire y un elemento radiante metálico; pertenecen a esta familia por ejemplo:
-
las antenas "patch" radiantes que se basan en el principio de las cavidades resonantes con fugas que generan unas bandas de funcionamiento estrechas (cuya dimensión es por lo menos del orden de \lambdag/2, representando \lambdag la longitud de onda en el dieléctrico) y
-
las antenas "hilo-placa" microcinta, tales como las descritas en el documento EP-A-667 984 con la misma estructura que las antenas patch anteriores pero que trabajan partiendo de un principio diferente y que permiten una adaptación a unas frecuencias cercanas a \lambda/8, y
2)
las estructuras "planarias" que solamente comprenden un elemento plano metálico que constituye la antena, asociado generalmente a un sustrato dieléctrico para dar rigidez el conjunto; estas antenas no precisan a priori un plano de masa, pero están colocadas la mayoría de las veces dispuestas en paralelo a un plano de este tipo para permitir una alimentación correcta. Pertenecen a esta segunda familia por ejemplo:
-
los dipolos eléctricos y magnéticos resonantes en su versión impresa sobre un sustrato, que solamente se diferencian de las antenas "patch" en el modo de resonancia que es el de una placa metálica y no de una cavidad,
-
las antenas con hendiduras resonantes, y
-
las estructuras planarias de ondas progresivas constituidas por tramos de líneas microcinta o coplanarias adaptadas en los extremos, siendo la característica principal de estas antenas su gran dimensión respecto a la longitud de onda para obtener un buen rendimiento.
Así, los inventores no conocen ninguna antena existente que responda a la estructura de acuerdo con la presente invención definida anteriormente y que presente en particular las siguientes ventajas:
-
dimensión pequeña de la antena con respecto a la longitud de onda, es decir del orden de \lambda/6 a \lambda/5, incluyendo el plano de masa,
-
antena planaria y que solamente presenta un espesor muy pequeño,
-
una banda amplia de frecuencias con respecto a las antenas resonantes clásicas,
-
radiación dipolar en el espacio,
-
fácil asociación de planos de masa y de sustratos.
Se observará asimismo que la presente invención permite la realización de antenas a muy bajo coste, con una gran facilidad de realización.
La presente invención puede encontrar aplicación en un gran número de campos. Se citarán a título de ejemplos no limitativos las antenas para automóviles, las antenas para conexiones sin hilo, las antenas milimétricas para distribución sectorial, las fuentes de antenas "lentes" y "parabólicas" , las antenas para la telefonía inalámbrica, etc...
Evidentemente la presente invención no está limitada al modo de realización particular que acaba de ser descrito. Ventajosamente, para ciertas aplicaciones en las que se desea la radiación directiva en el plano \varphi=0 y no ya omnidireccional, se puede añadir a la antena un plano reflector que le sea paralelo y esté situado a una distancia del orden de \lambda/20.
Según el modo de realización esquematizado en la figura 1, las dos cintas 16, 17 que aseguran la unión entre el generador/receptor 20 y respectivamente la primera superficie 12 y la segunda superficie 14, son coplanarias de estas últimas. Según el modo de realización esquematizado en la figura 4, sólo la cinta 16, que asegura la unión entre el generador/receptor 20 y la primera superficie 12, es coplanaria de las superficies 12 y 14, estando asegurada directamente la unión entre el generador/receptor 20 y la segunda superficie 14 por medio de la masa de una toma coaxial. Sin embargo como variante, se puede prever que ni la cinta 16, ni la cinta 17 sean coplanarias de las superficies 12 y 14. Para ello, se puede prever por ejemplo, una alimentación por encima de dichas superficies
12, 14.
Todavía según otra variante, la superficie 12 que forma el techo puede ser escindida en varios elementos coplanarios, o incluso perforada, como se ha indicado en el documento EP-A-667 984.

Claims (15)

1. Antena del tipo que comprende
-
una primera superficie (12) eléctricamente conductora,
-
una segunda superficie (14) eléctricamente conductora que forma un plano de masa, paralela a la primera,
-
un primer hilo o cinta de alimentación eléctricamente conductor (16) que une un primer borne de un generador/receptor (20) a la primera superficie (12) y un segundo hilo o cinta de alimentación (17) que une un segundo borne del generador/receptor (20) a la segunda superficie (14), y
-
por lo menos un hilo o cinta eléctricamente conductor (18, 19) que une las dos superficies citadas anteriormente (12, 14),
caracterizada porque las dos superficies (12,14) y el o los hilo(s) o cinta(s) (18, 19) de unión entre éstas son todos coplanarios.
2. Antena según la reivindicación 1, caracterizada porque por lo menos el hilo o cinta (16) que asegura la unión entre el generador/receptor (20) y la primera superficie (12) también es coplanario de las superficies (12, 14).
3. Antena según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque el hilo o cinta (17) que asegura la unión entre el generador/receptor (20) y la segunda superficie (14) también es coplanario de las superficies (12, 14).
4. Antena según una de las reivindicaciones 1 ó 3, caracterizada porque la segunda superficie (14) que forma el plano de masa, rodea por lo menos parcialmente la primera superficie (12).
5. Antena según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la segunda superficie que forma el plano de masa (14) presenta la forma de un anillo abierto que rodea casi totalmente la primera superficie (12).
6. Antena según una de las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizada porque la abertura (15) practicada en el plano de masa (14) sirve de paso al hilo o cinta (16) que asegura la unión entre el generador/receptor (20) y la primera superficie (12).
7. Antena según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque comprende por lo menos dos hilos o cintas (18, 19) que unen entre sí las primera y segunda superficies (12, 14).
8. Antena según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque está realizada por recorte en un plano conductor, preferentemente una placa metálica, por ejemplo por grabado de la metalización de un circuito impreso de cara simple, o incluso por serigrafiado sobre un soporte eléctricamente aislante, depósito sobre un soporte de este tipo eléctricamente aislante, o realización a partir de un oropel metálico de geometría adaptada.
9. Antena según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque las dimensiones en el plano de las superficies (12, 14) son del orden de \lambda/6 a \lambda/5 donde \lambda representa la longitud de onda de tra-
bajo.
10. Antena según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque comprende un sustrato dieléctrico sobre y/o bajo el plano de las primera y segunda superficies (12, 14).
11. Antena según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque comprende además un reflector de proximidad asociado para conformar la radiación, por ejemplo para concentrar la radiación en una dirección deseada.
12. Antena según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizada porque comprende una primera superficie (12) de geometría cuadrada y un plano de masa (14) formado por cuatro tramos rectilíneos de cinta, perpendiculares y paralelos entre sí dos a dos, que rodea casi totalmente la primera superficie (12), formando uno de los tramos citados anteriormente el plano de masa (14) que presenta un recorte transversal (15) para el paso de una cinta (16) que asegura la unión entre el generador/receptor (20) y la primera superficie (12).
13. Antena según la reivindicación 12, caracterizada porque comprende además una cinta de masa rectilínea (18) que une el borde interno del tramo (14) que presenta el recorte (15) y la primera superficie (12) y se extiende perpendicularmente a los bordes de éstos.
14. Antena según una de las reivindicaciones 12 ó 13, caracterizada porque comprende una primera superficie (12) de geometría cuadrada cuyos lados presentan una longitud del orden de \lambda/12 y un plano de masa (14) formado por cuatro tramos de cinta rectilíneos, perpendiculares y paralelos entre sí dos a dos, de una longitud del orden de \lambda/5 y de una anchura del orden de \lambda/50, que rodea casi totalmente la primera superficie (12).
15. Antena según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizada porque comprende un conector (30) cuyo blindaje externo está conectado eléctricamente al plano de masa (14) y cuya rama conductora central está conectada a la cinta (16) que asegura la unión entre el generador/receptor (20) y la primera superficie (12).
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