ES2280709T3 - Antena de resonador dielectrico. - Google Patents
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Abstract
Antena de resonador dieléctrico que comprende un bloque en forma de paralelepípedo (10, 20) de material dieléctrico del cual una primera cara destinada a ser montada en un plano de tierra se encuentra cubierta con una primera capa metálica (11, 21), caracterizada por que, al menos, una segunda cara perpendicular a la primera cara se encuentra cubierta con una segunda capa metálica (12, 22) en contacto con la primera capa metálica sobre una anchura menor que la anchura de la segunda cara y sobre una altura menor o igual que la altura de la segunda cara, de modo que, para una frecuencia dada, las dimensiones de la antena de resonador dieléctrico se reducen.
Description
Antena de resonador dieléctrico.
La presente invención se refiere a las antenas
de tipo de resonador dieléctrico compacto, de forma más particular,
a las antenas de este tipo destinadas a utilizarse en circuitos de
RF para comunicaciones inalámbricas, especialmente para el mercado
masivo.
Dentro del marco de trabajo del desarrollo de
antenas asociadas con los productos para el mercado masivo para
redes inalámbricas domésticas, las antenas de tipo de resonador
dieléctrico o DRA (Antena de Resonador Dieléctrico) muestran
propiedades interesantes en términos de radiación y banda de paso.
Además, este tipo de antena es perfectamente adecuada para una
utilización en forma de diferentes componentes montados en
superficie o componentes CMS, como se explica en
US-B1-6323824. Específicamente, una
antena de tipo de resonador dieléctrico consiste esencialmente en un
bloque de material dieléctrico de cualquier forma, el cual se
caracteriza por su permitividad relativa \varepsilonr. Como se
mencionaba en particular en el artículo "Dielectric Resonator
Antenna -A Review And General Design Relations For Resonant
Frecuency And BandWidth" publicado en International Journal of
Microwave and Millimeter-Wave
Computer-Aided Engineering- volumen 4, Nº 3, páginas
230-247 en 1994, la banda de paso y el tamaño de una
antena de tipo resonador dieléctrico son inversamente proporcionales
a la constante dieléctrica \varepsilonr del material constituyente
del resonador. De ese modo, cuanto más baja la constante
dieléctrica, más ancho de banda tiene la DRA pero es más grande; de
forma inversa, cuanto más alta la constante dieléctrica
\varepsilonr del material que forma la DRA, más pequeño es el
tamaño de la DRA pero en este caso, pero muestra una banda de paso
estrecha. Por lo tanto, para ser capaz de utilizar antenas de este
tipo en redes inalámbricas domésticas que cumplen con el estándar
WLAN, es necesario encontrar un compromiso entre el tamaño del
resonador dieléctrico y la banda de paso, mientras se propone un
bloque mínimo que permita la integración en el equipo.
En lo relativo a varias soluciones que hacen
posible reducir el tamaño de los resonadores dieléctricos, una
solución utilizada convencionalmente, consiste en explotar la
simetría de los campos dentro del resonador para definir planos de
corte en los que es posible aplicar condiciones de pared magnética o
eléctrica. Una solución de este tipo se describe, en particular, en
el artículo titulado "Half volume dielectric resonator antenna
designs" publicado en "Electronics Letters" de 6 de
Noviembre de 1997, volumen 33, Nº 23, páginas 1914 a 1916.
Utilizando el hecho de que, en los planos definidos con las
constantes x y z, el campo eléctrico dentro de una antena de tipo
resonador dieléctrico en modo Te^{y}_{111} muestra una
orientación uniforme y un eje de simetría con respecto a una línea
recta perpendicular a esta orientación, es posible aplicar la teoría
de imágenes y reducir a la mitad el tamaño de la DRA efectuando un
corte en el plano de simetría y reemplazando la mitad truncada de la
DRA por una pared eléctrica infinita, es decir, una metalización. De
ese modo, se pasa de una forma rectangular de la DRA representada en
la figura 1 a las formas representadas en las figuras 2 y 3. Más
específicamente, la antena de resonador dieléctrico de base
rectangular de la figura 1 muestra las dimensiones a, b y 2*d que
han sido estimadas para un dieléctrico de permitividad
\varepsilonr = 12,6 funcionando de acuerdo al modo
Te^{y}_{111} a una frecuencia de 5,25 GHz y que son tales que a
= 10 mm, b = 25,8 mm y 2*d = 9,6 mm. Si se realiza una primera pared
eléctrica en el plano z = 0 como se representa en la figura 2, en
este caso la DRA de base rectangular muestra dimensiones b y a
idénticas a aquellas de la DRA de la figura 1 pero una altura d que
está reducida a la mitad. Además, una metalización representada por
la referencia 1 permite formar una pared eléctrica en el plano z =
0. De acuerdo con la realización de la figura 3, puede realizarse un
segundo corte utilizando la simetría del plano z = d, y en este
caso, se obtiene una pared eléctrica formada en x = 0 mediante la
metalización 2. Así pues, el resonador dieléctrico muestra
dimensiones iguales a b/2, a, d. El tamaño de la antena de tipo
resonador dieléctrico, de ese modo, se ha reducido por un factor de
4 con respecto a su topología base.
La presente invención hace posible reducir las
dimensiones de la antena de tipo resonador dieléctrico incluso más
sin degradar su radiación.
En consecuencia, un objeto de la presente
invención es una antena de resonador dieléctrico que comprende un
bloque en forma de paralelepípedo de material dieléctrico del cual
una primera cara destinada a ser montada en un plano de tierra se
encuentra cubierta con una primera capa metálica, caracterizada
porque, al menos, una segunda cara perpendicular a la primera cara
se encuentra cubierta por una segunda capa metálica en contacto con
la primera capa metálica sobre una anchura menor que la anchura de
la segunda cara y sobre una altura menor o igual que la altura de
la segunda cara, de modo que, para una frecuencia dada, las
dimensiones de la antena de resonador dieléctrico se reducen.
Preferentemente, para obtener buenos resultados,
la capa metálica que cubre la segunda cara se encuentra centrada
con respecto a la anchura de dicha segunda cara. De acuerdo con otra
característica de la presente invención, la capa metálica que cubre
la segunda cara se extiende a través de una capa metálica que cubre
una tercera cara paralela a la primera cara. Preferentemente, la
capa metálica que cubre la tercera cara se extiende sobre una
anchura menor que la longitud de la tercera cara. De acuerdo con
otra característica, la anchura de la capa metálica que cubre la
tercera cara es diferente de la anchura de la capa metálica que
cubre la segunda cara.
En este caso, como se describe a partir de aquí,
se obtiene una DRA incluso más compacta que las DRAs descritas
hasta ahora. El efecto de reducir el tamaño puede explicarse por el
alargamiento de las líneas de campo dentro de la antena de tipo
resonador dieléctrico. Específicamente, mediante las metalizaciones
parciales se imponen en el campo eléctrico nuevas condiciones
límite que deforman las líneas de campo mientras las alargan.
Otras características y ventajas de la presente
invención se volverán evidentes al leer la descripción de varias
realizaciones, siendo dada esta descripción con referencia a las
figuras adjuntas en las que:
- la figura 1, ya descrita, es una vista en
forma de diagrama en perspectiva de una antena base de tipo
resonador dieléctrico formada por un bloque de base
rectangular;
- la figura 2, ya descrita, representa una DRA
en perspectiva de forma de rectangular provista con una cara
metalizada mostrada en un plano de tierra amplio;
- la figura 3, ya descrita, es una vista en
forma de diagrama en perspectiva de una antena de tipo resonador
dieléctrico compacto en un plano de tierra;
- la figura 4 es una vista en forma de diagrama
en perspectiva de una antena de tipo resonador dieléctrico de
acuerdo con la primera realización de la presente invención;
- la figura 5 es una vista similar a de la
figura 4 de acuerdo con otra realización de la presente
invención;
- las figuras 6a, 6b y 6c representan una antena
de resonador dieléctrico alimentada mediante línea de
microbanda;
- la figura 7 representa una curva que da el
coeficiente de reflexión S11 como función de la frecuencia para
varias topologías de DRA compacta.
Representada en forma de diagrama en
perspectiva, en la figura 4 muestra una primera realización de una
antena de tipo resonador dieléctrico compacto de acuerdo con la
presente invención. El resonador dieléctrico consiste,
esencialmente, en un bloque 10 de material dieléctrico. El material
eléctrico que muestra una permitividad específica \varepsilonr
puede ser un material a base de cerámica o un plástico metalizable
de tipo polieterimida (PEI) relleno con dieléctrico o polipropileno
(PP). En la realización representada, el bloque tiene forma de
paralelepípedo pero resulta obvio para las personas entrenadas en la
técnica que el bloque puede tener cualquier otra forma, en
particular, una forma de cubo o incluso una forma poligonal o
cilíndrica. De una forma conocida, para disminuir el tamaño del
bloque, la superficie más baja está destinada a establecerse en un
sustrato con plano de tierra se encuentra cubierta con una capa
metálica 11. De acuerdo con la presente invención, una de las caras
perpendiculares a la cara cubierta con la capa metálica 11, se
encuentra también cubierta con una capa metálica parcial 12. Las
capas metálicas están hechas por ejemplo de plata, cromo, níquel o
con capas múltiples cobre/níquel o cobre/estaño, siendo posible que
la deposición se realice imprimiendo de pantalla una tinta
conductora en el caso de la base de cerámica tal como alúmina o por
deposición electromecánica en el caso de un plástico metalizable.
En este caso, se hace preferentemente uso de una capa múltiple,
especialmente, una capa de cobre químico para fijar al plástico
seguido de cobre electrolítico para mejorar el estado de la
superficie cubierta por una deposición de níquel o de estaño para
evitar cualquier fenómeno de corrosión. La metalización también
puede llevarse a cabo por deposición de vacío de metales de tipo
plata, cromo, níquel. En este caso, el espesor de las deposiciones
es de aproximadamente a una micra.
En el caso del bloque de la figura 4, la capa de
metalización 12 ha sido depositada sobre toda la altura del
bloque.
Ahora se describirá otra realización de la
presente invención con referencia a la figura 5. En este caso la
antena de tipo resonador dieléctrico consiste en un bloque en forma
de paralelepípedo 20 hecho de un material dieléctrico de
permitividad \varepsilonr. Como en la antena de la figura 4, una
capa metálica 21 ha sido depositada en la cara 20 del bloque. Esta
cara está montada en el sustrato con plano de tierra. Del mismo
modo, de acuerdo con la presente invención, una capa metálica 22 de
anchura menor que la anchura de una de las caras verticales del
bloque 20 ha sido depositada en la citada cara y, de acuerdo con
otra característica de la presente invención, esta capa 22 se
extiende a través de una capa metálica 23 depositada en la cara 20
del bloque paralelo a la cara que lleva la capa metálica 21. Como se
representa en la figura 5, la capa 23 muestra una longitud m_{h}
menor que la longitud de la cara en la cual se deposita.
Para demostrar la reducción en tamaño de una
antena de tipo resonador dieléctrico tal como se hace de acuerdo
con las figuras 4 y 5, se ha realizado un dimensionado de las
diversas topologías en base a software de simulación
electromagnético 3D basado en el método FDTD "Dominio de Tiempo de
Diferencia Finita". Por lo tanto, se ha simulado una antena de
tipo resonador dieléctrico rectangular, alimentada a través de una
ranura mediante línea de microbanda. Esta estructura se representa
en las figuras 6a, 6b, 6c. En este caso, el bloque 30 provisto con
metalizaciones como en el caso de la figura 5 está montado en un
sustrato 31. El sustrato 31 es un sustrato dieléctrico de
permitividad \varepsilon'r caracterizado por sus débiles
cualidades de RF, es decir, mostrando dispersión considerable en
sus características dieléctricas y pérdidas dieléctricas
considerables. Como se representaba en la figura 6a, las dos caras
externas del sustrato 31 han sido metalizadas, específicamente, la
cara superior mediante una capa 32 que forma un plano de tierra y la
cara más baja mediante una capa en la cual ha sido grabada la línea
de microbanda 33. La DRA se alimenta de manera convencional mediante
una ranura 34 hecha en el plano de tierra situado en la cara
superior, mediante la línea de microbanda 33 grabada en la cara más
baja. La DRA ha sido dimensionada de acuerdo a las diversas
topologías descritas en las figuras 1, 2, 3, 4 y 5 de una forma que
opera a 5,25 GHz en un sustrato de tipo FR4 (\varepsilon'r = 4,4,
h = 0,8 mm). La DRA está hecha en un dieléctrico de permitividad
\varepsilonr = 12,6. Como se representa en la figura 6b, el
sistema de alimentación (ranura y línea) se encuentra centrado en la
anchura de la DRA: D2 = a/2. En este caso, la línea de alimentación
muestra una impedancia característica de 50 \Omega (w_{m} = 1,5
mm) y las dimensiones de la ranura 34 son iguales a w_{s} y
L_{s}. La línea de microbanda 33 cruza la ranura 34
perpendicularmente, como se representa claramente en la figura 6c,
con un saliente m con respecto al centro de la ranura. La posición
de la ranura está etiquetada a través de la dimensión D1. Para las
configuraciones correspondientes a las figuras 2 y 3, la DRA se
coloca en un plano de tierra infinito mientras que para la
configuración correspondiente a la figura 5, es decir, a una de las
realizaciones de la presente invención, la DRA se encuentra situada
en el margen del plano de tierra como se representa en la figura 6b.
Las dimensiones obtenidas para las diversas configuraciones de la
DRA se dan en la tabla 1 siguiente.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Como puede verse claramente, la DRA de la figura
6 muestra una longitud de 8,5 en vez de una longitud de 10 para las
otras DRAs, una anchura b de 6 en vez de anchuras que varíen entre
12,9 y 25,8 y una altura d igual a 4,8 en vez de una altura que
varíe entre 4,8 y 9,6. Por lo tanto, con una DRA de acuerdo con la
presente invención se obtiene un factor de reducción adicional de 3
con respecto a la ½ DRA.
De forma más general, la antena de tipo
resonador dieléctrico es dimensionada primero utilizando el
principio de corte a lo largo de dos planos de simetría, como se
describe en el artículo "Electronic Letters" mencionado
anteriormente. Las metalizaciones parciales se depositan como se
describió anteriormente. Las metalizaciones parciales cuyas
dimensiones dependen en particular del material utilizado, producen
una disminución en la frecuencia de funcionamiento de la DRA. De
manera consecuente, las dimensiones a y b se adaptan como para
reducirse a la frecuencia deseada.
Además, como se representa en la figura 7 que da
el coeficiente de reflexión S11 como función de la frecuencia, se
ve que la DRA de la figura 5 da un nivel de adaptación comparable a
las DRAs de las figuras 3 y 4.
Las realizaciones descritas anteriormente pueden
ser modificadas mediante realizaciones alternativas. En particular,
la anchura de la capa de metalización parcial de la segunda cara
puede ser diferente de la anchura de la capa de metalización de la
tercera cara.
Con la configuración de la presente invención,
por lo tanto, el tamaño de la DRA se reduce considerablemente
mientras se obtiene un rendimiento comparable.
Claims (5)
1. Antena de resonador dieléctrico que comprende
un bloque en forma de paralelepípedo (10, 20) de material
dieléctrico del cual una primera cara destinada a ser montada en un
plano de tierra se encuentra cubierta con una primera capa metálica
(11, 21), caracterizada porque, al menos, una segunda cara
perpendicular a la primera cara se encuentra cubierta con una
segunda capa metálica (12, 22) en contacto con la primera capa
metálica sobre una anchura menor que la anchura de la segunda cara y
sobre una altura menor o igual que la altura de la segunda cara, de
modo que, para una frecuencia dada, las dimensiones de la antena de
resonador dieléctrico se reducen.
2. Antena de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizada porque la capa metálica que cubre la segunda
cara se encuentra centrada respecto de la anchura de dicha segunda
cara.
3. Antena de acuerdo a cualquiera de las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque la capa metálica
que cubre la segunda cara se extiende a través de la capa metálica
(23) que cubre una tercera cara paralela a la primera cara.
4. Antena de acuerdo con la reivindicación 3,
caracterizada porque la capa metálica que cubre la tercera
cara se extiende sobre una anchura menor que la longitud de la
tercera cara.
5. Antena de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la anchura
de la capa metálica que cubre la tercera cara es diferente de la
anchura de la capa metálica que cubre la segunda cara.
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