ES2260395T3 - Dispositivo para recibir y/o emitir señales con diversidad de radiacion. - Google Patents

Abstract

Dispositivo para recibir y/o emitir señales que incluye al menos dos medios para recepción y/o emisión de ondas electromagnéticas de la antena tipo ranura (10, 11; 20, 21; 30, 31; 40, 41; 50, 51; 60, 61) y unos medios de conexión de dichos medios de recepción y/o emisión a unos medios para explotación de las señales, estando dispuestos los medios de recepción y/o emisión de ondas electromagnéticas simétricamente respecto de un punto y consistiendo los medios de conexión en, al menos, dos líneas de alimentación (12, 13; 22, 23; 32, 33; 42, 43; 52, 53; 62, 63) acopladas electrónicamente a las ranuras de las antenas de ranura, respectivamente, estando conectadas dichas líneas de alimentación por un lado a una línea de alimentación común (14, 24, 34, 44, 54, 64) que se encuentra en un plano que atraviesa el punto de simetría, caracterizado porque las líneas de alimentación se encuentran conectadas por el otro lado a un componente electrónico (15, 16; 25, 26; 35, 36; 45, 46; 55, 56; 65, 66) conmutable que permite simular un cortocircuito o un circuito abierto en el extremo de una de las líneas y a un circuito abierto o cortocircuito en el extremo de la otra línea.

Description

Dispositivo para recibir y/o emitir señales con diversidad de radiación.

La presente invención se refiere a un dispositivo para recibir y/o emitir señales electromagnéticas con diversidad de radiaciones, siendo posible utilizar dicho dispositivo en el campo de las transmisiones inalámbricas, especialmente en el contexto de transmisiones en un entorno cerrado o semi-cerrado, tales como entornos domésticos, gimnasios, estudios de televisión, teatros o similares.

En los sistemas conocidos de transmisiones inalámbricas de alta velocidad, las señales transmitidas por el emisor llegan al receptor a lo largo de una pluralidad de trayectorias. Cuando se combinan en el receptor, las diferencias de fase entre los diferentes rayos que han recorrido trayectorias de diversas longitudes generan un patrón de interferencias capaz de provocar un deterioro o atenuación significativos de la señal.

Además, la ubicación de la atenuación cambia con el transcurso del tiempo, en función de las modificaciones del entorno, tal como la presencia de nuevos objetos o el movimiento de las personas. La atenuación debida a la multiplicidad de trayectorias puede conllevar un nivel de deterioro significativo tanto en la calidad de la señal recibida como del rendimiento del sistema. Para combatir estos fenómenos de atenuación, la técnica utilizada con mayor frecuencia consiste en una técnica que implementa la diversidad espacial.

Como se muestra en la figura 1, esta técnica consiste, entre otras cosas, en la utilización de una pareja de antenas con una amplia cobertura espacial, tal como dos antenas 1, 2 de tipo de ranura que se encuentran conectadas a un conmutador 3 mediante líneas de alimentación 4, 5. Las dos antenas 1, 2 consisten en ranuras anulares y están separadas por una distancia que debe ser mayor o igual que \lambda_{0}/2, donde \lambda_{0} es la longitud de onda en el vacío correspondiente a la frecuencia de funcionamiento de la antena. Además, las líneas de alimentación 4, 5 tienen unas dimensiones tales que cortan la ranura de la antena de ranura a una distancia k\lambda_{m}/4 de su extremo y están conectadas al conmutador 3 mediante una línea cuya longitud es equivalente a k'\lambda_{m}/2 donde \lambda_{m} es la longitud de onda guiada por la línea a la frecuencia de funcionamiento central en la que \lambda_{m}=\lambda_{0}/\surd\varepsilon_{reff,} donde \lambda_{0} es la longitud de onda en el vacío y \varepsilon_{reff} es la permitividad efectiva de la línea, siendo k y k' números enteros y k un número entero impar.

Las antenas del tipo ranura pueden también ser sustituidas por antenas de tipo conexión (patch). Con este tipo de dispositivo es posible demostrar que la probabilidad de que las dos antenas sufran atenuación simultáneamente es muy pequeña. Esta demostración se deduce básicamente de la descripción facilitada en "Wireless digital communications" del Dr. Kamilo Feher, capítulo 7: "Diversity techniques for mobile wireless radio systems". También es posible demostrarlo mediante un cálculo puro de probabilidades basado en la hipótesis de que los niveles recibidos por cada antena son completamente independientes. En virtud del conmutador 3 es posible seleccionar el ramal conectado a la antena que tenga el nivel más alto, examinando la señal recibida mediante un circuito de control (no mostrado). De hecho, debido a que las dos antenas 1, 2 están suficientemente separadas se obtienen dos respuestas de canal sin correlacionar. De este modo es posible conmutar a la mejor de las antenas y reducir así considerablemente la probabilidad de atenuación.

El objeto de la presente invención consiste en facilitar una solución alternativa a las soluciones convencionales utilizando la diversidad espacial como en la solución descrita anteriormente.

Por lo tanto, el objeto de la presente invención consiste en un dispositivo para recibir y/o emitir señales que incluye al menos dos medios para recepción y/o emisión de ondas electromagnéticas tipo antena de ranura y unos medios para conectar dichos medios de recepción y/o emisión a otros medios para explotación de las señales, estando dispuestos los medios de recepción y/o emisión de ondas electromagnéticos simétricamente respecto de un punto y consistiendo los medios de conexión en al menos dos líneas de alimentación electromagnéticamente acopladas a las ranuras de la antenas de ranura, respectivamente, estando conectadas dichas líneas de alimentación por un lado a una línea de alimentación común que se encuentra en un plano que atraviesa el punto de simetría, caracterizado porque las líneas de alimentación se encuentran conectadas por el otro lado a un componente electrónico conmutable entre un cortocircuito y un circuito abierto simulados en el extremo de una de las líneas y un circuito abierto o un cortocircuito simulados en el extremo de la otra línea.

La solución que se acaba de describir facilita una nueva topología de antena que funciona de acuerdo con el principio de la diversidad de radiación. Se basa en elementos radiantes omnidireccionales conmutables situados próximos entre si.

De acuerdo con una realización, los medios de recepción y/o emisión de ondas electromagnéticas del tipo de antena de ranura consisten en ranuras resonantes generadas mediante tecnología impresa o coplanar. Las ranuras tienen una configuración anular, cuadrada o rectangular, o bien están formadas por dipolos. De acuerdo con una variante, las ranuras están equipadas con unos medios que permiten la radiación de una onda polarizada circularmente.

Adicionalmente, de acuerdo con la presente invención, si el componente electrónico que permite la conmutación es perfecto, es decir si proporciona un cortocircuito y un circuito abierto perfectos, la longitud de la línea de alimentación situada entre el componente electrónico y la ranura acoplada electromagnéticamente a dicha línea es igual a la frecuencia de funcionamiento central, es decir k\lambda_{m}/4 donde \lambda_{m}=\lambda_{0}/\surd\varepsilon_{reff} y donde \lambda_{o} es la longitud de onda en el vació, \varepsilon_{reff} es la permitividad efectiva de la línea y k es un número entero impar. Si el componente electrónico no es perfecto la longitud de la línea debe adaptarse para tener en cuenta los elementos parásitos.

De acuerdo con una realización preferida, el componente electrónico consiste en un diodo, un conmutador electrónico, un transistor o cualquier circuito de conmutación tal como un sistema micro-electromecánico conocido como "Micro-ElectroMechanical system" o MEM.

Se advertirán otras características y ventajas de la presente invención al efectuar la lectura de la descripción de diversas realizaciones, efectuándose dicha descripción haciendo referencia a las figuras adjuntas, en las cuales:

La figura 1 (ya descrita) es una vista esquemática en planta de un dispositivo emisor/receptor con diversidad espacial de acuerdo con la técnica anterior.

La figura 2 es una vista esquemática en planta de una primera realización de un dispositivo emisor/receptor de acuerdo con la presente invención.

La figura 3 es una vista en planta de la maqueta utilizada para simular un dispositivo de acuerdo con la figura 2.

Las figuras 3a, 3b y 3c muestran la radiación del dispositivo de la figura 3 de acuerdo con tres estados de funcionamiento de la antena.

La figura 4 muestra una vista esquemática en planta de otra realización de un dispositivo emisor/receptor de acuerdo con la presente invención.

La figura 5 y 6 muestran dos variantes esquemáticas en planta que permiten el funcionamiento con polarización circular.

La figura 7 muestra una vista esquemática en planta de otra realización de un dispositivo emisor/receptor de acuerdo con la presente invención utilizando la tecnología coplanar.

La figura 8 muestra una vista en planta de otra realización adicional de un dispositivo emisor/receptor de acuerdo con la presente invención.

En primer lugar se describirá una primera realización para la recepción y/o emisión de señales electromagnéticas con diversidad de radiación de acuerdo con la presente invención.

Como se muestra en la figura 2, este dispositivo para recepción y/o emisión de señales, fabricado mediante tecnología impresa, consiste en dos elementos de tipo antena de ranura realizados a partir de ranuras anulares 10 y 11, siendo ambas ranuras simétricas respecto de un plano P y tangentes en un punto P_{0} en la realización mostrada.

De acuerdo con la presente invención, para conseguir la diversidad de radiación, las dos ranuras anulares están configuradas para solaparse, como en el caso de la realización mostrada, o para estar separadas pero situadas muy próximas entre sí. Preferiblemente, la longitud extrema entre las dos antenas del tipo de antena de ranura es equivalente a 2 x \lambda_{s}/\pi donde \lambda_{s} es la longitud de onda guiada en la ranura para la frecuencia de funcionamiento.

Como se muestra en la figura 2, las dos antenas 10 y 11 tipo de ranura anular se alimentan mediante unas líneas de alimentación fabricadas mediante la tecnología microbanda. Convencionalmente, reciben alimentación de dos líneas microbanda 12, 13 con unas dimensiones equivalentes a k\lambda_{m}/4 donde \lambda_{m}=\lambda_{0}/\surd\varepsilon_{reff} siendo \lambda_{0} la longitud de onda en el vacío a la frecuencia central de funcionamiento, \varepsilon_{reff} la permitividad efectiva de la línea y k un número entero impar. Las dos líneas microbanda 12, 13 se encuentran situadas en cualquiera de los lados del plano de contacto P de las dos ranuras 10, 12 y se extienden hacia el interior de las ranuras. Son alimentadas mediante una línea común 14 cuyas dimensiones se han definido para adaptarse a la estructura. La línea de alimentación 14 está centrada en el plano P y está dispuesta en perpendicular a las líneas 12, 13. La línea de alimentación 14 se encuentra conectada por su otro extremo a unos medios para el suministro y la explotación de las señales simbolizados mediante el elemento 17. Dichos medios consisten en una forma conocida en unos medios de emisión y recepción.

De acuerdo con la presente invención, y como se muestra en la figura 2, el acoplamiento entre la línea microbanda y la ranura está controlado por los diodos 15 y 16 conectados de una forma específica en los extremos de las dos líneas de alimentación 12, 13. De este modo, el diodo 15 está conectado con polarización inversa entre el extremo de la línea de alimentación 13 y tierra, mientras que el diodo 16 está conectado con polarización directa entre el extremo de la línea de alimentación y tierra. Este tipo particular de conexión del diodo hace que sea posible conseguir, suponiendo que los dos diodos 15, 16 sean idénticos y tengan un voltaje de polarización V1 mayor que 0, tres estados operativos del dispositivo en función del voltaje de polarización aportado por la línea de alimentación 14.

Estado 1: si el voltaje de polarización v se selecciona de forma que v>V1, en este caso el diodo 15 estará en estado conductor mientras que el diodo 16 estará cortado. Por ello, la ranura anular 11 se excitará de una forma favorecida, mientras que la ranura anular 10 actuará más bien como reflector.

En este caso, se obtendrá un patrón de radiación como el mostrado en la figura 3a que está inclinado alejándose de la ranura anular 11.

Estado 2: el voltaje de polarización v es tal que v<V1. En este caso el diodo 15 estará cortado mientras que el diodo 16 se encuentra en estado conductor. Se obtendrá una situación simétrica a la del estado 1. Por ello, la ranura anular 10 se excitará, mientras que la ranura anular 11 actuará como reflector. Por lo tanto, se obtendrá un patrón de radiación como el mostrado en la figura 3b, inclinado alejándose de la ranura 10.

Estado 3: El voltaje de polarización es igual a 0. En este caso, los dos diodos 15 y 16 estarán cortados, las dos ranuras anulares 10, 11 estarán simultáneamente excitadas con campos eléctricos paralelos en sentidos opuestos. El patrón de radiación resultante es el mostrado en la figura 3c.

Los patrones de radiación de las figuras 3a y 3b se han obtenido mediante una maqueta como la mostrada en la figura 3. Esta maqueta muestra un dispositivo emisor y/o receptor del tipo mostrado en la figura 2. Este incluye dos ranuras anulares 10, 11 que son tangentes en P_{0}. Las ranuras anulares tienen un radio R = 6,5 mm y una anchura Ws = 0,4 mm. Son alimentadas por dos líneas de alimentación idénticas 12, 13 con una longitud Lm = 5,75 mm y una anchura de 0,3 mm. Se encuentran conectadas en el punto P_{0} a una línea de alimentación 14 con una longitud Lm' = 3,6 mm y una anchura Wm' = 0,3 mm seguida de una longitud equivalente Lm'' = 7,5 mm con una anchura Wm' = 0,25 mm. Los diodos 15, 16 están conectados a tierra mediante dos orificios pasantes de radio r = 0,4 mm, situados cerca de la línea sobre una base rectangular metálica cuyas dimensiones son h = 3 mm y D = 1,5 mm. Los ensayos llevados a cabo con esta maqueta provocan la aparición de diversidad de radiación, como se ha mencionado anteriormente.

De este modo, con un dispositivo como el mostrado en la figura 2, es posible conmutar entre tres patrones de radiación sustancialmente diferentes. Por lo tanto, se obtiene una antena con una diversidad de radiación de orden 3, mejorando de este modo significativamente la calidad de la conexión inalámbrica.

Esta solución consigue una antena con un reducido tamaño total que tan sólo requiere el uso de dos diodos o elementos de conmutación similares como MEMs para controlar el patrón.

A continuación se describirán diversas realizaciones de un dispositivo de acuerdo con la presente invención, fabricado utilizando la tecnología impresa haciendo referencia a las figuras 4 a 6. De este modo, como se muestra en la figura 4, los medios emisores/receptores de la antena de tipo de ranura consisten en dos ranuras cuadradas 20, 21 que son simétricas con respecto a un punto P_{0}.

De acuerdo con la presente invención, las dos antenas 20, 21 son alimentadas por dos líneas de alimentación 22, 23 que parten del punto P_{0} y que se dirigen hacia el interior de la antena consistente en una ranura con forma cuadrada y que tiene de manera conocida una longitud equivalente a k\lambda_{m}/4 donde \lambda_{m}=\lambda_{0}/\surd\varepsilon_{reff}, siendo \lambda_{0} la longitud de onda en el vacío a la frecuencia central de funcionamiento, \varepsilon_{reff} la permitividad efectiva de la línea y k un número entero impar.

Se dispone un diodo 25, 26 montado en una forma idéntica a la de la realización de la figura 2 en el respectivo extremo de cada línea de alimentación 23, 22. Es decir, el diodo 25 se monta con polarización inversa entre el extremo de la línea 23 y tierra, mientras que el diodo 26 se monta con polarización directa entre el extremo de la línea 22 y tierra. Las dos líneas de alimentación 22, 23 se encuentran conectadas a una línea de alimentación común 24 en el punto P_{0}. La línea de alimentación 24 perpendicular a las dos líneas de alimentación 23, 22 se encuentra en el plano de simetría P' y sus dimensiones son equiparables a las del circuito emisor/receptor (no mostrado).

A continuación se describirán otras dos realizaciones de los dispositivos emisores/receptores de acuerdo con la presente invención, haciendo referencia a las figuras 5 y 6.

En este caso, las antenas de tipo antena de ranura permiten la radiación de una onda polarizada circularmente. En la realización de la figura 5, las antenas consisten en ranuras anulares 30, 31 simétricas con respecto a un plano que atraviesa el punto de contacto. De una forma conocida, para generar la polarización circular, las ranuras 30, 31 disponen de unas muescas 30', 31' opuestas diagonalmente.

De acuerdo con la presente invención, las antenas 30, 31 están alimentadas por líneas de alimentación 32, 33, 34 que tienen las mismas características que las líneas de alimentación 12, 13, 14 de la figura 2. Además, las líneas de alimentación 32, 33 están conectadas a unos diodos 36, 35 montados entre el extremo de la línea de alimentación y la tierra del mismo modo que los diodos 15, 16 en la realización de la figura 2. Por tanto, el funcionamiento del dispositivo de la figura 5 será idéntico al funcionamiento del dispositivo de la figura 2 y se obtendrán tres estados en función del voltaje de polarización aplicado a los diodos.

La figura 6 muestra otra realización de antenas que permite la polarización circular. En este caso, las antenas consisten en dos ranuras rectangulares 40,41 que son simétricas con respecto a uno de sus ápices S. De acuerdo con la presente invención, las antenas 40, 41 están equipadas con líneas de alimentación microbanda 42, 43, 44 como en la realización de la figura 4. Los diodos 46, 45 están conectados a los extremos de las líneas de alimentación 42, 43, respectivamente, de la misma forma que en la realización de la figura 4.

La figura 7 muestra un dispositivo emisor/receptor de acuerdo con la presente invención fabricado mediante tecnología coplanar. En este caso, las antenas consisten en dos antenas 50, 51 fabricadas mediante tecnología coplanar. De este modo, se ha depositado una capa metálica A sobre un sustrato, y en dicha capa se han realizado dos ranuras anulares 50, 51 tangentes en el punto B. En este caso, las líneas de alimentación consisten en una línea coplanar que incluye un elemento de línea 52 y un elemento de línea 53 que tienen una longitud equivalente a k\lambda_{m}/4, siendo \lambda_{m} y k unos valores idénticos a los mencionados anteriormente para el caso en el que el componente de conmutación sea perfecto.

De acuerdo con la presente invención, los extremos de los dos elementos de línea 52, 53 están conectados a una línea de alimentación perpendicular 54 a lo largo de un plano que atraviesa el punto B, estando también fabricada esta línea mediante tecnología coplanar.

A continuación se describirá una realización más de la presente invención haciendo referencia a la figura 8. En este caso, las dos antenas consisten en dipolos que son simétricos con respecto a un plano P1. En este ejemplo, las dos antenas consisten en dipolos en forma de T 60, 61, en los que los brazos de la T, tienen una longitud cercana a \lambda_{0}/2, donde \lambda_{0} es la longitud de onda en el vacío. Cada brazo de la T, tiene en el centro una ranura 60', 61'. Cada dipolo es alimentado mediante un acoplamiento electromagnético por una línea de alimentación 62, 63 fabricada mediante tecnología impresa. Las líneas de alimentación 62, 63 están conectadas a una línea de alimentación común 64 que se encuentra en el plano de simetría P1. Las líneas de alimentación 62, 63 tienen una longitud hasta la ranura 60', 61' equivalente \lambda_{m}/2 y después se extienden más allá de la ranura en una longitud de la línea de alimentación equivalente a \lambda_{m}/4, donde \lambda_{m} es la longitud de onda guiada en la línea microbanda, en el caso de que el componente de conmutación sea perfecto.

De acuerdo con la presente invención, los diodos 65, 66 conectados de una forma idéntica a la de otras realizaciones, se encuentran en los extremos de las dos líneas de alimentación 62, 63. De este modo, el diodo 65 está conectado con polarización inversa entre el extremo de la línea de alimentación 62 y tierra, mientras que el diodo 66 está conectado con polarización directa entre el extremo de la línea de polarización 63 y tierra.

Como se muestra en la figura, las líneas de alimentación 62 y 63 están acopladas electromagnéticamente con las ranuras 60', 61' a una distancia \lambda_{s}/4 de la parte inferior del extremo interior de dichas ranuras. Además, en la realización mostrada, las líneas de alimentación 62, 63 se encuentran a una distancia \lambda_{s}/10 del extremo del dipolo.

Claims (7)

1. Dispositivo para recibir y/o emitir señales que incluye al menos dos medios para recepción y/o emisión de ondas electromagnéticas de la antena tipo ranura (10, 11; 20, 21; 30, 31; 40, 41; 50, 51; 60, 61) y unos medios de conexión de dichos medios de recepción y/o emisión a unos medios para explotación de las señales,

estando dispuestos los medios de recepción y/o emisión de ondas electromagnéticas simétricamente respecto de un punto y consistiendo los medios de conexión en, al menos, dos líneas de alimentación (12, 13; 22, 23; 32, 33; 42, 43; 52, 53; 62, 63) acopladas electrónicamente a las ranuras de las antenas de ranura, respectivamente, estando conectadas dichas líneas de alimentación por un lado a una línea de alimentación común (14, 24, 34, 44, 54, 64) que se encuentra en un plano que atraviesa el punto de simetría, caracterizado porque las líneas de alimentación se encuentran conectadas por el otro lado a un componente electrónico (15, 16; 25, 26; 35, 36; 45, 46; 55, 56; 65, 66) conmutable que permite simular un cortocircuito o un circuito abierto en el extremo de una de las líneas y a un circuito abierto o cortocircuito en el extremo de la otra línea.

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de recepción y/o emisión de ondas electromagnéticas de la antena tipo ranura consisten en ranuras resonantes fabricadas mediante tecnología de impresión o tecnología coplanar.

3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque las ranuras tienen una configuración anular, cuadrada o rectangular o bien están formadas por dipolos (60, 61).

4. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las ranuras están equipadas con unos medios (30', 31'; 40, 41) que permiten radiar una onda polarizada circularmente.

5. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la longitud de la línea de alimentación entre el componente electrónico perfecto y la ranura electromagnéticamente acoplada a dicha línea es igual a la frecuencia funcionamiento central, a k\lambda_{m}/4, donde \lambda_{m}=\lambda_{0}/\surd\varepsilon_{reff}, siendo \lambda_{0} la longitud de onda para el vacío, \varepsilon_{reff} la permitividad efectiva de la línea y k un número entero impar.

6. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque la línea de alimentación se fabrica utilizando tecnología microbanda o tecnología coplanar.

7. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el componente electrónico consiste en un diodo, un conmutador electrónico, un transistor o un sistema micro-electromecánico.