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.
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TABLA 1
1
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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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