ES2289826T3 - Antena de resonador dielectrico con polarizacion circular. - Google Patents
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Abstract
Una antena (200; 220) de resonador dieléctrico de banda dual, que comprende: un primer resonador (204) formado de un material dieléctrico; un primer plano de tierra (212) formado de un material conductor sobre el que se monta el mencionado primer resonador (204); un segundo resonador (208) formado de un material dieléctrico; en la que cada uno de los mencionados resonadores (204, 208) resuena a una frecuencia predeterminada que es diferente entre los mencionados resonadores; caracterizada porque un segundo plano de tierra (216) formado de un material conductor sobre el que está montado el mencionado segundo resonador (208), dichos primer y segundo planos de tierra estando separados uno del otro por una distancia predeterminada; y la primera y la segunda sondas (112, 116) están eléctricamente acopladas a cada uno de los mencionados resonadores separadas aproximadamente 90 grados alrededor del perímetro de cada resonador, proporcionando una primera y una segunda señales, respectivamente, a cada uno de los resonadores.
Description
Antena de resonador dieléctrico con polarización
circular.
La presente invención se refiere a una antena de
resonador dieléctrico de doble banda con polarización circular. De
manera más particular, la presente invención se refiere a una antena
de resonador dieléctrico de bajo perfil para su uso con sistemas de
comunicaciones telefónicos celulares o sistemas de comunicaciones
por satélite.
Los recientes avances en teléfonos móviles y
fijos sin hilos, tales como para su uso en sistemas de
comunicaciones por satélite o sistemas de comunicaciones celulares,
han renovado el interés en antenas adecuadas para dichos sistemas.
Generalmente se consideran varios factores en la selección de una
antena para un teléfono sin hilos. Varios factores significativos
entre estos factores son el tamaño, el ancho de banda y la pauta de
radiación de la antena.
La pauta de radiación de una antena es un factor
significativo a ser considerado en la selección de una antena para
un teléfono sin hilos. En una aplicación típica, un usuario de un
teléfono sin hilos necesita ser capaz de comunicar con un satélite
o con una estación terrena que pueda estar situada en cualquier
dirección desde la posición del usuario. De esta manera, la antena
conectada al teléfono sin hilos del usuario de manera preferible
debería poder transmitir y/o recibir señales desde todas las
direcciones. Esto es, la antena de manera preferible, debería tener
una pauta de radiación omnidireccional en acimut y una anchura de
haz ancha (preferiblemente semiesférica) en elevación.
Otro factor que se debe considerar al
seleccionar una antena para un teléfono sin hilos es el ancho de
banda de la antena. Por lo general, un teléfono sin hilos transmite
y recibe señales a frecuencias separadas. Por ejemplo, un teléfono
PCS funciona sobre una banda de frecuencias de 1,85 a 1,99 GHz,
requiriendo de esta manera un ancho de banda de 7,29%. Un teléfono
celular funciona sobre una banda de frecuencias de 824 a 894 MHz
que requiere un ancho de banda de 8,14%. De acuerdo con esto, las
antenas para teléfonos sin hilos se deben diseñar para cumplir con
el ancho de banda requerido.
En la actualidad, las antenas monopolo, las
antenas de parche y las antenas helicoidales están entre los varios
tipos de antenas que se están usando en teléfonos de satélite y
teléfonos de tipo sin hilos. Estas antenas, sin embargo, tienen
varias desventajas, tales como un ancho de banda limitado y un
tamaño grande. También, estas antenas muestran una significativa
reducción en la ganancia a ángulos de elevación más bajos (por
ejemplo, 10 grados) que las hace no deseables para los teléfonos de
satélite.
Una antena que parece atractiva en teléfonos
móviles sin hilos es la antena de resonador dieléctrico. Hasta hace
poco, las antenas resonantes dieléctricas se han usado ampliamente
en circuitos de microondas, tales como filtros y osciladores. En
general, los resonadores dieléctricos están fabricados a partir de
materiales de bajas pérdidas que tienen una alta permitividad.
Las antenas resonantes dieléctricas ofrecen
varias ventajas, tales como un pequeño tamaño, una alta eficiencia
de radiación y sencillos esquemas de acoplamiento a varias líneas de
transmisión. Su ancho de banda se puede controlar sobre un amplio
margen mediante la elección de la constante dieléctrica
(\varepsilon_{r}) y los parámetros geométricos del resonador.
También pueden estar fabricadas con configuraciones de bajo perfil,
para hacerlas más agradables desde el punto de vista estético que
las antenas de látigo o las antenas verticales. Una antena de bajo
perfil también está menos sometida a daños que una antena de estilo
de látigo vertical. Así, la antena de resonador dieléctrico aparece
como que tiene un potencial significativo para su uso en teléfonos
móviles o teléfonos fijos sin hilos para sistemas de comunicaciones
de satélite o sistemas de comunicaciones celulares.
Se llama la atención al documento de Mongia y
colaboradores, "Antena de resonador dieléctrico con polarización
circular", Electronics Letters GB, IEE Stevenage, vol. 30, núm.
17, 18 de agosto de 1994, páginas 1361 y 1362, que describe una
antena de resonador dieléctrico con polarización circular que
comprende un resonador dieléctrico en forma de anillo cilíndrico
con sondas de acoplamiento provistas sobre una placa metálica.
Se llama una atención adicional al documento de
Kishk y colaboradores, "Antenas resonadoras dieléctricas apiladas
de banda ancha", Electronics Letters, GB, IEE Stevenage, vol. 25,
núm. 18, 31 de agosto de 1989, páginas 1232 y 1233, que describe
una antena de resonador dieléctrico cilíndrica apilada, en la que
los resonadores dieléctricos están hechos de diferentes materiales.
Sin embargo, los resonadores dieléctricos cilíndricos apilados son
excitados por medio de una sonda coaxial común.
También se llama la atención al documento EP 0
372 451 que describe un dispositivo radiante multifrecuencia, que
comprende al menos un elemento radiante de un primer tipo y al menos
un elemento radiante de un segundo tipo, los elementos estando
asociados sobre una superficie común con el fin de constituir una
matriz de antenas. Los elementos radiantes del primer tipo siendo
elementos de tipo microtira y los elementos del segundo tipo siendo
elementos del tipo de hilo, los elementos radiantes del primer tipo
actuando en un primer intervalo de frecuencias y los elementos
radiantes del segundo tipo actuando en un segundo intervalo de
frecuencias.
Se dirige la atención además al documento de
Resúmenes de Patentes de Japón, vol. 16, núm. 403
(E-1254), del 26 de agosto de 1992 y JP 04 134906
que describe un diseño sobre el que un conductor interior y un
conductor exterior están preparados sobre una pared interior de
agujero pasante y sobre una cara de circunferencia exterior de un
dieléctrico cilíndrico hecho de cerámica de titanio de bario,
respectivamente. Un elemento de antena consiste en un resonador
dieléctrico coaxial en modo TM.
Por último, pero no menos importante, en el
documento de Fan y colaboradores, "Antena DR acoplada por ranuras
para el funcionamiento en frecuencia dual", IEEE Transactions on
Antennas and Propagation, IEEE, IEEE INC, Nueva York, E.E.U.U.,
vol. 45, núm. 2, de 1 de febrero de 1997, páginas 306 a 308, se
describe una antena de resonador dieléctrico de banda dual de
acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
De acuerdo con la presente invención, se
proporciona una antena de resonador dieléctrico de banda dual como
la que se declara en la reivindicación 1. Las realizaciones
preferidas de la invención se describen en las reivindicaciones
dependientes.
La presente invención está dirigida a una antena
de resonador dieléctrico que tiene un plano de tierra formado de un
material conductor. Se monta un resonador formado de un material
dieléctrico sobre el plano de tierra. Una primera y una segunda
sondas están separadas una de la otra y están eléctricamente
acopladas al resonador para proporcionar una primera y una segunda
señales, respectivamente, al resonador y producir radiación
circularmente polarizada en la antena. De manera preferible, el
resonador es sustancialmente cilíndrico y tiene una abertura axial
central a su través. También de manera preferible, la primera y la
segunda sondas están separadas aproximadamente 90 grados alrededor
del perímetro del resonador.
La invención está dirigida a una antena de
resonador dieléctrico de banda dual, que tiene un primer resonador
formado de un material dieléctrico. El primer resonador está montado
sobre un primer plano de tierra formado de un material conductor.
Se forma un segundo resonador de un material dieléctrico y se monta
sobre un segundo plano de tierra formado sobre un material
conductor. El primer y el segundo planos de tierra están separados
uno del otro una distancia predeterminada. La primera y la segunda
sondas están acopladas eléctricamente a cada uno de los resonadores
y están separadas aproximadamente 90 grados alrededor del perímetro
de cada uno de los resonadores para proporcionar una primera y una
segunda señales, respectivamente a cada uno de los resonadores.
Cada uno de los resonadores resuena a una predeterminada banda de
frecuencias que es diferente de un resonador a otro. Miembros de
soporte montan el primer y el segundo planos de tierra con una
relación espaciada separada con una distancia de sepa-
ración predeterminada tal que los ejes centrales de los resonadores estén sustancialmente alineados unos con otros.
ración predeterminada tal que los ejes centrales de los resonadores estén sustancialmente alineados unos con otros.
Un ejemplo está dirigido a una antena
multibanda. Una primera parte de la antena se sintoniza para que
resuene en una primera banda de frecuencias predeterminada. La
primera parte de la antena incluye un plano de tierra formado de un
material conductor, un resonador dieléctrico formado de un material
dieléctrico montado sobre el plano de tierra, teniendo el resonador
una abertura axial longitudinal central a su través, y una primera
y una segunda sondas separadas una de la otra y estando acopladas
eléctricamente al resonador para proporcionar una primera y una
segunda señales, respectivamente al resonador, y producir una
radiación circularmente polarizada en la antena. Una segunda parte
de la antena está sintonizada para resonar en una segunda banda de
frecuencias predeterminada diferente a la primera banda de
frecuencias. La segunda parte de la antena incluye un miembro de
antena alargado que se extiende a través de la abertura axial en el
resonador dieléctrico y que está aislado eléctricamente del mismo.
El eje longitudinal del miembro de antena alargado coincide con el
eje del resonador dieléctrico.
Una variación del mencionado último ejemplo
puede incluir una tercera parte de antena sintonizada para que
resuene en una tercera banda de frecuencias predeterminada diferente
a la primera y a la segunda banda de frecuencias. La tercera parte
de la antena se extiende a través de la abertura axial en el
resonador dieléctrico y está eléctricamente aislada de la primera y
de la segunda partes de la antena. La tercera parte de la antena
tiene un eje longitudinal que es coincidente con los ejes
longitudinales de la primera y de la segunda partes de la
antena.
Características y ventajas adicionales de la
invención, así como la estructura y el funcionamiento de varias
realizaciones de la invención, se describen con detalle a
continuación con referencia a los dibujos acompañantes.
En los dibujos, idénticos números de referencia
en general indican una funcionalidad idéntica, elementos similares
y/o estructuralmente similares. El dibujo en el que aparezca un
elemento por primera vez, está indicado por el dígito o por los
dígitos de más a la izquierda en el número de referencia.
Las figuras 1A y 1B ilustran una vista lateral y
una vista superior, respectivamente, de una antena de resonador
dieléctrico de acuerdo con una realización de la presente
invención;
La figura 2A ilustra un montaje de antena que
comprende dos antenas resonantes dieléctricas conectadas lado a
lado;
La figura 2B ilustra un montaje de antena que
comprende dos antenas resonantes dieléctricas apiladas conectadas
en vertical;
La figura 2C muestra la disposición de la sonda
de alimentación del montaje de la antena apilada de la figura
2B;
La figura 3 ilustra una placa circular con un
tamaño para ser colocada bajo un resonador dieléctrico;
La figura 4A ilustra otro ejemplo que incorpora
una antena dipolo cruzado con un resonador dieléctrico;
La figura 4B ilustra un ejemplo adicional que
incorpora una hélice de cuatro hilos y un látigo monopolo con la
antena de resonador dieléctrico;
La figura 5 ilustra una directividad simulada de
antena de ordenador frente a una curva del ángulo de elevación de
una antena de resonador dieléctrico construida de acuerdo con la
invención y que funciona a 1,62 GHz; y
La figura 6 ilustra una directividad simulada de
una antena de ordenador frente a una curva del ángulo de acimut de
la misma antena funcionando a 1,62 GHz.
Los resonadores dieléctricos ofrecen
características atractivas como elementos de antena. Estas
características incluyen su pequeño tamaño, su simplicidad
mecánica, su alta eficiencia de radiación porque no hay pérdidas
inherentes a conductores, su ancho de banda relativamente grande,
sus sencillos esquemas de acoplamiento a casi todas las líneas de
transmisión comúnmente usadas y la ventaja de obtener diferentes
características de radiación usando diferentes modos del
resonador.
El tamaño de un resonador dieléctrico es
inversamente proporcional al cuadrado de la raíz de
\varepsilon_{r}, donde \varepsilon_{r} es la constante
dieléctrica del resonador. Como resultado de esto, a medida que la
constante dieléctrica \varepsilon_{r} aumenta, el tamaño del
resonador dieléctrico disminuye, \varepsilon_{r} aumenta. Por
consiguiente, mediante la elección de un alto valor de
\varepsilon_{r} (\varepsilon_{r} = 10 a 100) el tamaño
(especialmente la altura) de la antena resonante se puede hacer
completamente pequeño.
El ancho de banda de la antena de resonador
dieléctrico es inversamente proporcional a
(\varepsilon_{r})^{-p}, donde el valor de p (p > 1)
depende del modo. Como resultado de esto, el ancho de banda de la
antena de resonador dieléctrico disminuye con un aumento en la
constante dieléctrica. Se debe notar que, sin embargo, la constante
dieléctrica no es el único factor determinante del ancho de banda de
una antena de resonador dieléctrico. Los otros factores que afectan
al ancho de banda del resonador dieléctrico son su forma y sus
dimensiones (altura, longitud, diámetro, etc.).
No existen pérdidas inherentes del conductor en
las antenas resonantes dieléctricas. Esto lleva a una alta
eficiencia de radiación de la antena.
La frecuencia de resonancia de una antena de
resonador dieléctrico se puede determinar por medio del cálculo del
valor del número de onda normalizado k_{0}a. El número de onda
normalizado k_{0}a viene dado por la relación
k_{0}a = 2\pif_{0}/c, donde f_{0} es la frecuencia de resonancia, a es el radio del cilindro y c es la velocidad de la luz en el espacio libre. Sin embargo, si el valor de \varepsilon_{r} es muy alto, (\varepsilon_{r} > 100), el valor del número de onda normalizado varía con \varepsilon_{r} como:
k_{0}a = 2\pif_{0}/c, donde f_{0} es la frecuencia de resonancia, a es el radio del cilindro y c es la velocidad de la luz en el espacio libre. Sin embargo, si el valor de \varepsilon_{r} es muy alto, (\varepsilon_{r} > 100), el valor del número de onda normalizado varía con \varepsilon_{r} como:
para una relación de aspecto dada
de un resonador
dieléctrico.
Para altos valores de \varepsilon_{r}, el
valor del número de onda normalizado como una función de la
relación de aspecto (H/2a) se puede determinar para un único valor
de \varepsilon_{r}. Sin embargo, si la \varepsilon_{r} del
material usado no es muy alta, la fórmula de la ecuación (1) no se
mantiene de manera exacta. Si el valor de \varepsilon_{r} no es
muy alto, se necesitan cálculos para cada valor diferente de
\varepsilon_{r}. Por medio de la comparación de los resultados
de procedimientos numéricos disponibles para diferentes valores de
\varepsilon_{r}, se ha encontrado que se pueden usar las
siguientes relaciones empíricas como una buena aproximación para
describir la dependencia del número de onda normalizado como una
función de \varepsilon_{r},
donde el valor de X se encuentra de
manera empírica a partir de los resultados de los procedimientos
numéricos.
El ancho de banda de impedancia de una antena de
resonador dieléctrico se define como el ancho de banda de
frecuencia en el que la relación de onda estacionaria de tensión de
entrada (VSWR) de la antena es menor que un valor especificado S.
La VSWR es una función de una onda incidente y de una onda reflejada
en una línea de transmisión, y es una terminología bien conocida
usada en la técnica. El ancho de banda de impedancia (BW_{i}) de
una antena que esté adaptada a una línea de transmisión a su
frecuencia de resonancia, está relacionado con el factor Q sin
carga total (Q_{u}) de un resonador dieléctrico por medio de la
siguiente relación:
Nótese que Q es proporcional a la relación de la
energía almacenada respecto de la energía perdida en calor o en
radiación, y es una terminología bien conocida usada en la técnica.
Para un resonador dieléctrico, que tenga una pérdida de conductor
despreciable en comparación con su potencia radiada, el factor Q sin
carga total (Q_{u}) está relacionado con el factor Q de radiación
(Q_{rad}) por medio de la siguiente relación,
Se necesitan procedimientos numéricos para
calcular el valor del factor Q de radiación de un resonador
dieléctrico. Para un modo dado, el valor del factor Q de radiación
depende de la relación de aspecto y de la constante dieléctrica de
un resonador. Se ha mostrado que para los resonadores de una
permitividad muy alta, Q_{rad} varía con \varepsilon_{r}, de
la siguiente manera:
donde la permitividad (p) = 1,5
para los modos que radian como un dipolo magnético; p = 2,5 para los
modos que radian como un dipolo eléctrico; y p = 2,5 para los modos
que radian como un cuadripolo
magnético.
De acuerdo con la presente invención, una antena
de resonador dieléctrico comprende un resonador formado por un
material dieléctrico. El resonador dieléctrico está colocado sobre
un plano de tierra formado de un material conductor. Una primera y
una segunda sondas o terminales conductores están conectadas
eléctricamente al resonador dieléctrico. Las sondas están separadas
una de la otra con una separación de 90 grados. La primera y la
segunda sondas proporcionan al resonador dieléctrico una primera y
una segunda señales, respectivamente. La primera y la segunda
señales tienen magnitudes iguales, pero están desfasadas 90 grados
una con respecto a la otra.
Las figuras 1A y 1B ilustran una vista lateral y
una vista superior, respectivamente, de una antena de resonador
dieléctrico 100 de acuerdo con una realización de la presente
invención. La antena de resonador dieléctrico 100 comprende un
resonador 104 montado sobre un plano de tierra 108.
El resonador 104 está formado por un material
dieléctrico y, en una realización preferida, tiene una forma
cilíndrica. El resonador 104 puede tener otras formas, tales como
formas rectangulares, octogonales, cuadradas, etc. El resonador 104
está montado bien fijado sobre un plano de tierra 108. En una
realización, el resonador 104 está unido a un plano de tierra 108
por medio de un adhesivo, de manera preferible un adhesivo que tenga
propiedades conductoras. De manera alternativa, el resonador 104
puede estar unido al plano de tierra 108 por medio de un tornillo,
perno u otro medio de amarre conocido (como se muestra en la figura
2B) que se extienda a través de una abertura 110 en el eje central
del resonador 104 para los modos que radian como un dipolo
magnético y dentro del plano de tierra 108. como existe un
nulo
en el eje central del resonador 104, el medio de amarre no interferirá con el diagrama de radiación de la antena 100.
en el eje central del resonador 104, el medio de amarre no interferirá con el diagrama de radiación de la antena 100.
Con el fin de evitar una degradación en el
funcionamiento de la antena de resonador dieléctrico, incluyendo su
ancho de banda y su diagrama de radiación, es necesario minimizar
cualquier hueco entre el resonador 104 y el plano de tierra 108.
Esto se consigue de manera preferible montando firmemente el
resonador 104 sobre el plano de tierra 108. De manera alternativa,
cualquier hueco entre el resonador 104 y el plano de tierra 108 se
puede rellenar por medio de un material conductor flexible o
maleable. Si el resonador 104 está montado de manera que tenga
pérdidas sobre el plano de tierra 108, permanecerá un hueco
inaceptable entre el resonador y el plano de tierra, lo que
degradará el funciona-
miento de la antena mediante la distorsión de la VSWR, la frecuencia de resonancia y el diagrama de radiación.
miento de la antena mediante la distorsión de la VSWR, la frecuencia de resonancia y el diagrama de radiación.
Dos sondas de alimentación 112 y 116 están
conectadas eléctricamente al resonador 104 a través de un paso en
el plano de tierra 108. En una realización preferida, las sondas de
alimentación 112 y 116 (mostradas en la figura 2A) están formadas
de tiras metálicas alineadas axialmente con el perímetro del
resonador 104 y conectadas al mismo. Las sondas de alimentación 112
y 116 pueden comprender extensiones de los conductores interiores
de los cables coaxiales 120 y 124, cuyos conductores exteriores
pueden estar eléctricamente conectados al plano de tierra 108. Los
cables coaxiales 120 y 124 pueden estar conectados a circuitos
transmisores y receptores radio (que no se muestran) de una manera
conocida.
Las sondas de alimentación 112 y 116 están
separadas una de la otra aproximadamente 90 grados y son
sustancialmente ortogonales al plano de tierra 108. Las sondas de
alimentación 112 y 116 proporcionan una primera y una segunda
señales, respectivamente al resonador 104. La primera y la segunda
señales tienen idéntica amplitud, pero están desfasadas una con
respecto a la otra 90 grados.
Cuando se alimenta el resonador 104 por medio de
dos señales que tengan idéntica magnitud, pero que estén desfasadas
una con respecto a la otra 90 grados, se producen dos dipolos
magnéticos que son sustancialmente ortogonales uno con el otro por
encima del plano de tierra. Los dipolos magnéticos ortogonales
producen un diagrama de radiación polarizado de manera
circular.
En una realización, el resonador 104 está
formado a partir de un material cerámico, tal como el titanato de
bario. El titanato de bario tiene una alta constante dieléctrica
\varepsilon_{r}. Como se ha hecho notar con anterioridad, el
tamaño del resonador es inversamente proporcional a
\surd\varepsilon_{r}. De esta manera, eligiendo un alto valor
de \varepsilon_{r}, se puede hacer el resonador 104
relativamente pequeño. Sin embargo, también se pueden usar otros
materiales que tengan propiedades similares, y se permiten otros
tamaños dependiendo de las aplicaciones específicas.
La antena 100 tiene una altura
significativamente más baja que una antena de hélice de cuatro hilos
que funcione en la misma banda de frecuencias. Por ejemplo, una
antena de resonador dieléctrico que funcione en las frecuencias de
la banda S tiene una altura significativamente menor que una antena
de hélice de cuatro hilos que funcione también en las frecuencias
de la banda S. Una altura menor hace una antena de resonador
dieléctrico más deseable en teléfonos sin hilos.
Las tablas I y II siguientes comparan las
dimensiones (altura y diámetro) de una antena de resonador
dieléctrico con una antena de hélice de cuatro hilos típica
funcionando en las frecuencias de la banda L (intervalo de 1 a 2
GHz) y en las frecuencias de la banda S (intervalo de 2 a 4 GHz),
respectivamente.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Las tablas I y II muestran que, aunque la antena
de resonador dieléctrico tiene una altura más pequeña que una
antena de hélice de cuatro hilos, que funcione en la misma banda de
frecuencias, una antena de resonador dieléctrico tiene un diámetro
mayor que una antena de hélice de cuatro hilos. En otras palabras,
la ventaja ganada por la reducción en la altura de una antena de
resonador dieléctrico aparece desplazada por un diámetro mayor en
algunas aplicaciones. En realidad, un diámetro mayor no es una gran
preocupación, porque el objetivo principal de este diseño de antena
es obtener un bajo perfil. Una antena de resonador dieléctrico de
esta invención se podría construir dentro del techo de un coche sin
alterar de manera significativa la línea del techo. De manera
similar, una antena de este tipo se podría montar en una cabina de
teléfono fijo localizada remotamente de un sistema de
comunicaciones de teléfono por satélite.
Además, la antena 100 proporciona unas pérdidas
significativamente más bajas que una antena de hélice de cuatro
hilos comparable. Esto es debido al hecho de que no existen pérdidas
en el conductor en los resonadores dieléctricos, produciendo por lo
tanto, a una alta eficiencia de radiación. Como resultado de esto,
la antena 100 requiere un amplificador de transmisión de potencia
menor y un receptor con una figura de ruido menor que los que se
necesitarían para una antena de hélice de cuatro hilos
comparable.
Las señales reflejadas desde el plano de tierra
108 se pueden sumar de manera destructiva a las señales radiadas
provenientes del resonador 104. Se hace referencia a esto a menudo
como interferencia destructiva, que tiene el efecto indeseable de
distorsionar el diagrama de radiación de la antena 100. En una
realización, la interferencia destructiva se reduce por medio de la
formación de una pluralidad de ranuras en el plano de tierra 108.
Estas ranuras alteran la fase de las ondas reflejadas, evitando por
lo tanto que las ondas reflejadas se sumen de manera destructiva y
distorsionen el diagrama de radiación de la antena 100.
El campo alrededor del borde del plano de tierra
108 interfiere también con el diagrama de radiación de la antena
100. Esta interferencia se puede reducir por medio del serrado del
borde del plano de tierra 108. El serrado del borde del plano de
tierra 108 reduce la coherencia de los campos cercanos al borde del
plano de tierra 108, lo que reduce la distorsión del diagrama de
radiación haciendo que la antena 100 sea menos susceptible a los
campos circundantes.
En funcionamiento real, a menudo se desean dos
antenas separadas para capacidades de transmisión y de recepción.
Por ejemplo, en un sistema de teléfonos por satélite, un transmisor
puede estar configurado para funcionar en las frecuencias de la
banda L y un receptor puede estar configurado para funcionar en las
frecuencias de la banda S. En ese caso, una antena de la banda L
puede funcionar en solitario como una antena de transmisión, y una
antena de la banda S puede funcionar en solitario como una antena de
recepción.
La figura 2A ilustra un montaje de antena 200
que comprende dos antenas 204 y 208. La antena 204 es una antena de
banda L que funciona en solitario como una antena de transmisión,
mientras que la antena 208 es una antena de banda S que funciona en
solitario como una antena de recepción. De manera alternativa, la
antena de banda L puede funcionar en solitario como una antena de
recepción, mientras que la antena de banda S puede funcionar en
solitario como una antena de transmisión. Las antenas 204 y 208
pueden tener diámetros diferentes dependiendo de sus respectivas
constantes dieléctricas \varepsilon_{r}.
Las antenas 204 y 208 están conectadas juntas a
lo largo de los planos de tierra 212 y 216. Como la antena 204
funciona como una antena transmisora, la señal radiada de la antena
204 excita el plano de tierra 216 de la antena 208. Esto provoca un
acoplamiento electromagnético no deseado entre las antenas 204 y
208. El acoplamiento electromagnético se puede minimizar mediante
la selección de un hueco óptimo 218 entre los planos de tierra 212
y 216. La anchura óptima del hueco 218 se puede determinar de manera
experimental. Los resultados experimentales han mostrado que el
acoplamiento electromagnético entre las antenas 204 y 208 aumenta si
el hueco 218 es mayor o menor que el espaciado del hueco óptimo. El
espaciado del hueco óptimo es una función de las frecuencias
operativas de las antenas 204 y 208 y del tamaño de los planos de
tierra 212 y 216. Por ejemplo, se he determinado que para una
antena de banda S y para una antena de banda L configuradas lado a
lado como se ilustra en la figura 3A, el espaciado de hueco óptimo
es de 2,54 cm (1 pulgada); esto es, los planos de tierra 212 y 216
deberían estar separados 2,54 cm (1 pulgada) para un buen
funcionamiento.
De manera alternativa, una antena de banda S y
una antena de banda L se pueden apilar en vertical. La figura 2B
muestra un montaje de antena 220 que comprende una antena de banda S
224 y una antena de banda L 228 apiladas en vertical a lo largo de
un eje común. De manera alternativa, las antenas 224 y 228 se pueden
apilar en vertical pero no a lo largo de un eje común, esto es,
pueden tener sus ejes centrales desplazados uno del otro. La antena
224 comprende un resonador dieléctrico 232 y un plano de tierra 236,
y la antena 228 comprende un resonador dieléctrico 240 y un plano
de tierra 244. El plano de tierra 236 de la antena 224 está situado
en la parte superior del resonador dieléctrico 240 de la antena
228. Los miembros del soporte no conductor 248 fijan la antena 224
con una relación separada respecto de la antena 228 con un hueco 226
entre el plano de tierra 236 y el resonador 240.
La figura 2C muestra con un mayor detalle la
disposición de la sonda de alimentación del montaje de antenas
apiladas de la figura 2B. El resonador superior 232 está alimentado
por medio de las sondas de alimentación 256 y 258. Los conductores
260 y 262, que conectan las sondas de alimentación a la circuitería
de transmisión/recepción (que no se muestra), se extienden a través
de la abertura central 241 en el resonador inferior 240. El
resonador inferior 240 está alimentado por medio de las sondas de
alimentación 264 y 266, que a su vez, están conectadas a la
circuitería de transmisión/recepción por medio de los conductores
268 y 270. En la realización de ejemplo que se muestra, el
resonador superior 232 funciona en la banda S, mientras que el
resonador inferior 240 funciona en la banda L. Será aparente para
los que sean expertos en la técnica pertinente que estas
designaciones de bandas solamente son a modo de ejemplo. Los
resonadores pueden funcionar en otras bandas. De manera adicional,
los resonadores de banda S y los resonadores de banda L se pueden
invertir, en caso de que se desee.
Se debería mantener un especiado de hueco óptimo
entre las antenas 224 y 228 para reducir el acoplamiento entre las
antenas. Como con las realizaciones que se ha descrito con
anterioridad, este espaciado de hueco óptimo se determina de manera
empírica. Por ejemplo, se ha determinado que para una antena de
banda S y para una antena de banda L configuradas en vertical como
se ilustra en las figuras 2B y 2C, el hueco óptimo 226 es de 2,54
cm (1 pulgada), esto es, el plano de tierra 236 debería estar
separado del resonador dieléctrico 240 una distancia de 2,54 cm (1
pulgada).
La antena de resonador dieléctrico es adecuada
para su uso en teléfonos por satélite (fijos o móviles), incluyendo
los teléfonos que tengan antenas montadas sobre los techos
superiores (por ejemplo, una antena montada en el techo de un
coche) u otras superficies planas grandes. Estas aplicaciones
requieren que la antena funcione a una alta ganancia a bajos
ángulos de elevación. Desafortunadamente, las antenas en uso en la
actualidad, tales como las antenas de parche y las antenas de
hélice de cuatro hilos no muestran una alta ganancia a bajos
ángulos de elevación. Por ejemplo, las antenas de parche muestran -5
dB de ganancia aproximadamente a 10 grados de elevación. En
contraste con esto, las antenas resonantes dieléctricas del tipo al
que está dirigido esta invención muestran una ganancia de -1,5 dB
aproximadamente a 10 grados de elevación, haciéndolas por lo tanto
atractivas para su uso como antenas de bajo perfil en sistemas de
teléfonos por satélite.
Otra ventaja digna de atención de la antena de
resonador dieléctrico es su facilidad de fabricación. Una antena de
resonador dieléctrico es más fácil de fabricar que una antena de
hélice de cuatro hilos o una antena de parche microtira.
La tabla III lista los parámetros y las
dimensiones para una antena de resonador dieléctrico de banda L de
ejemplo.
La figura 3 muestra una placa circular
conductora 300 dimensionada para ser colocada entre el resonador
dieléctrico 104 y el plano de tierra 108. La placa circular 300
conecta de manera eléctrica el resonador dieléctrico 104 al plano
de tierra. La placa circular 300 reduce las dimensiones de cualquier
hueco de aire entre el resonador dieléctrico 304 y el plano de
tierra 108, inhibiendo por lo tanto el deterioro del diagrama de
radiación de la antena. La placa circular 300 incluye dos ranuras
semicirculares 308 y 312 en su perímetro. Las ranuras 308 y 312
pueden tener también otras formas. Las ranuras 308 y 312 están
separadas una de la otra a lo largo de una circunferencia en 90
grados y están dimensionadas para recibir de manera apropiada las
sondas de alimentación con su forma. El resonador dieléctrico 104
incluye dos ranuras 316 y 320 en su perímetro. Cada ranura está
dimensionada para recibir una sonda de alimentación y es coincidente
con una ranura de la placa circular 300. Las ranuras 316 y 320
también pueden estar recubiertas con un material conductor para
conectarse a las sondas de alimentación.
La figura 4A muestra un ejemplo que incorpora
una antena de resonador dieléctrico y una antena de dipolo cruzado.
Este ejemplo integra una antena de resonador dieléctrico 104' que
funciona a las frecuencias de enlace ascendente en sistemas de
comunicaciones de teléfono por satélite (banda L) con una antena
dipolo cruzado plegada 402 que funciona en el enlace descendente de
sistemas de comunicaciones de teléfono por satélite (banda S). La
antena de resonador dieléctrico 104' está montada a un plano de
tierra 108'. Una placa de circuito impreso (PCB) 404 revestida de
manera conductora forma la parte superior del plano de tierra 108'
al que está conectada la antena de resonador dieléctrico 104'. Por
el otro lado de la PCB 404 se ha impreso un circuito de microondas
en cuadratura (que no se muestra) cuyas salidas alimentan a las
tiras conductoras colocadas de manera ortogonal o a las sondas de
alimentación 112' y 116' en los lados de la antena de resonador
dieléctrico. Los agujeros de paso conductores dispuesto en ángulo
recto desde las salidas de alimentación hasta la superficie del
plano de tierra superior 404 llevan las señales de amplitud
uniforme pero con fase en cuadratura a las tiras conductoras. Las
tiras (que no se muestran) se vuelven sobre sí mismas y continúan a
través de la parte inferior de la antena 104', proporcionando por
lo tanto una manera novedosa y barata de conectar el disco a las
islas de los agujeros de paso por medio del uso de técnicas
convencionales de soldadura por ola. Un radomo de bajo perfil 406
cubre ambas antenas. Se conecta un cable 408 a las tiras conductoras
112' y 116' para llevar las señales de radiofrecuencia del enlace
ascendente/descendente y la polarización de continua para la
electrónica activa de la carcasa.
\newpage
Toda la unidad de antena está montada a un
miembro de base 410. La base 410 puede estar hecha de manera
ventajosa de un material magnético o tener una superficie magnética
para el montaje de la unidad de antena al techo de un coche o de un
camión.
La antena de resonador dieléctrico 104' está
formada a partir de una pieza con forma cilíndrica denominada
"disco" hecha de material cerámico altamente dieléctrico
(hi-K) (esto es, \varepsilon_{r} > 45). El
material hi-K permite una reducción en el tamaño
requerido para la resonancia a frecuencias de la banda L. El disco
se excita en el modo (HEM_{11\Delta}) por medio de dos tiras
conductoras 112' y 116' colocadas de manera ortogonal. Este modo
permite una radiación con polarización circular y forma
semiesférica. El diámetro y la forma del plano de tierra 108' se
pueden ajustar para mejorar la cobertura de la antena a casi ángulos
del horizonte.
Los campos en el modo HEM_{11\Delta} en y
alrededor del disco no se acoplan a las estructuras colocadas a lo
largo del eje del disco. De esta manera, una única línea de
transmisión (coaxial o línea de tira impresa) que alimente los
pares del dipolo puede sobresalir a través del centro de la antena
de resonador dieléctrico sin afectar de manera adversa al diagrama
de radiación de la antena de resonador dieléctrico. Además, los
brazos del dipolo no son resonantes a frecuencias de la banda L de
forma que se minimiza el acoplamiento de banda L a banda S. Los
dipolos cruzados están colocados a una distancia de aproximadamente
1/3 de la longitud de onda (1,7 pulgadas a las frecuencias de
enlace descendente de satélite) por encima del plano de tierra
108'. Excitados de esta manera, los dipolos producen diagramas de
radiación con polarización circular semiesféricos ideales para
aplicaciones de comunicaciones por satélite. La altura por encima
del plano de tierra y el ángulo al que los brazos del dipolo se
pliegan se pueden ajustar para dar formas diferentes del diagrama de
radiación que enfaticen la recepción a ángulos de elevación
inferiores en lugar de en el cenit. El efecto de la presencia del
disco por debajo de los dipolos también se puede acomodar de esta
manera.
En una variación del ejemplo de la figura 4, la
antena de dipolo cruzado se puede sustituir por una antena de
hélice de cuatro hilos (QFHA). La QFHA es una antena impresa que se
arrolla sobre sí misma alrededor en forma de cilindro. El diámetro
se puede hacer pequeño (< 0,5''). La antena se puede suspender
por encima de la antena de resonador dieléctrico usando un tronco
de plástico con el tronco y el eje de la QFHA coincidentes con el
eje de la antena de resonador dieléctrico. El diagrama de radiación
de la QFHA tiene un nulo dirigido hacia el plano de tierra de forma
que se minimicen los efectos del acoplamiento a la antena de
resonador dieléctrico y al plano de tierra. Como la QFHA alineada a
lo largo del eje de la antena de resonador dieléctrico es de
pequeño diámetro, los diagramas de radiación de la antena de
resonador dieléctrico en banda L no se ven distorsionados por la
presencia de la QFHA.
En una variación adicional mostrada en la figura
4B, se monta una antena de hélice de cuatro hilos 414 con su eje
central coincidente con el eje central de la antena de resonador
dieléctrico 104'. Se instala una antena de látigo de 1/4 de
longitud de onda a lo largo del eje común de la QFHA 414 y de la
antena de resonador dieléctrico 104'. Como la antena de resonador
dieléctrico 104' y la QFHA 414 tienen campos nulos a lo largo de sus
ejes, el acoplamiento con la antena de látigo 416 se minimiza. Esta
antena de látigo se puede usar para las comunicaciones en la banda
celular de 800 MHz.
A continuación se dan algunas de las
características de la antena de resonador dieléctrico de esta
invención:
- -
- La antena de resonador dieléctrico Hi-K ofrece un bajo perfil, una antena de pequeño tamaño para aplicaciones de comunicaciones por satélite en banda L.
- -
- Las tiras plateadas sobre los laterales y sobre la parte inferior del disco de la antena de resonador dieléctrico permiten un procedimiento de contacto novedoso y barato para la alimentación PCB.
- -
- El uso de una PCB integrada para alimentar la antena de resonador dieléctrico permite el montaje de un amplificador de potencia de transmisión en el puerto de antena, minimizando por lo tanto las pérdidas de la línea de transmisión y mejorando la eficiencia.
- -
- El uso de un modo con polarización circular de una antena de resonador dieléctrico híbrida permite la integración de otros tipos de antena a lo largo del eje de la antena de resonador dieléctrico, permitiendo por lo tanto un funcionamiento multifunción, multibanda en un único montaje de bajo perfil.
- -
- El uso de dipolos en banda S que no sean resonantes en la banda L desacopla además la banda L de la antena en banda S.
- -
- Los dipolos en banda S son muy baratos y tienen muchos ajustes disponibles para cambiar la forma del diagrama de radiación en banda S.
La figura 5 ilustra una directividad simulada de
antena de ordenador frente a la curva del ángulo de elevación de
una antena de resonador dieléctrico construida de acuerdo con la
invención y que funciona a 1,62 GHz. La constante dieléctrica
\varepsilon_{r} del resonador se selecciona para que sea 45 y el
plano de tierra tiene un diámetro de 3,4 pulgadas. Aunque, en esta
simulación, el plano de tierra se eligió para que tuviese una forma
circular, también se pueden elegir otras formas. Los resultados de
la simulación indican que la ganancia máxima es de 5,55 dB, la
ganancia media es de 2,75 dB y la ganancia mínima es de -1,27 dB
para elevaciones por encima de 10 grados.
La figura 6 ilustra una directividad simulada de
antena de ordenador frente a la curva de ángulo de acimut de la
misma antena a una elevación de 10 grados funcionando a 1,62 GHz.
Los resultados de la simulación indican que la ganancia máxima es
de -0,92 dB, la ganancia media es de -1,14 dB y la ganancia mínima
es de -1,50 dB a una elevación de 10 grados. Nótese que la
polarización cruzada (RHCP; o polarización circular a derechas) es
extremadamente baja (menos de -20 dB). Esto indica que la antena de
resonador dieléctrico tiene una excelente relación axial incluso
cerca del horizonte.
Claims (9)
1. Una antena (200; 220) de resonador
dieléctrico de banda dual, que comprende:
- un primer resonador (204) formado de un material dieléctrico;
- un primer plano de tierra (212) formado de un material conductor sobre el que se monta el mencionado primer resonador (204);
- un segundo resonador (208) formado de un material dieléctrico;
- en la que cada uno de los mencionados resonadores (204, 208) resuena a una frecuencia predeterminada que es diferente entre los mencionados resonadores; caracterizada porque
un segundo plano de tierra (216) formado de un
material conductor sobre el que está montado el mencionado segundo
resonador (208), dichos primer y segundo planos de tierra estando
separados uno del otro por una distancia predeterminada; y
la primera y la segunda sondas (112, 116) están
eléctricamente acopladas a cada uno de los mencionados resonadores
separadas aproximadamente 90 grados alrededor del perímetro de cada
resonador, proporcionando una primera y una segunda señales,
respectivamente, a cada uno de los resonadores.
2. La antena (200) de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que las mencionadas primera y segunda
señales tienen de manera sustancial iguales amplitudes y una
diferencia de fase de 90 grados una con respecto a la otra.
3. La antena (200) de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que cada uno de los mencionados resonadores
(204, 208) es sustancialmente cilíndrico y tiene una abertura axial
central a su través.
4. La antena (200) de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que las mencionadas primera y segunda sondas
(112, 116) son sustancialmente ortogonales con respecto a los
mencionados planos de tierra (212, 216).
5. La antena (200) de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que cada uno de los mencionados resonadores
(204, 208) está formado de un material cerámico.
6. La antena (200) de acuerdo con la
reivindicación 5, en el que la constante dieléctrica
\varepsilon_{r} del mencionado material cerámico es mayor que
10.
7. La antena (200) de acuerdo con la
reivindicación 5, en el que la constante dieléctrica
\varepsilon_{r} del mencionado material cerámico es mayor que
45.
8. La antena (200) de acuerdo con la
reivindicación 5, en el que la constante dieléctrica
\varepsilon_{r} del mencionado material cerámico es mayor que
100.
9. La antena (220) de banda dual de acuerdo con
la reivindicación 1, comprendiendo de manera adicional miembros de
soporte (248) para el montaje de los mencionados primer y segundo
planos de tierra con una relación de separación con una distancia
de separación predeterminada, de forma que los ejes centrales de los
mencionados resonadores (232, 240) están sustancialmente alineados
uno con el otro.
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