ES2326970T3 - Antena de banda ancha. - Google Patents
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Abstract
Una antena monocónica (1) que comprende: una concavidad (11) esencialmente cónica con una región o zona de base y una región o zona de vértice formada en la primera cara extrema de un dieléctrico (10); un electrodo de radiación (12) dispuesto en la superficie de dicha concavidad (11) o un electrodo de radiación (12) dispuesto para que dicha concavidad (11) sea rellenada con él; y un conductor a tierra (13) dispuesto en las proximidades de, y esencialmente paralelo a, la otra cara extrema opuesta a la primera cara de dicho dieléctrico (10), y está así constituido para que las señales eléctricas sean alimentadas entre la región o zona de vértice de dicho electrodo de radiación (12) y dicho conductor a tierra (13), en el que el ángulo de semicono de dicha región o zona de vértice, entre un eje central y la superficie de la concavidad, es menor de 90 grados, caracterizado porque el ángulo de semicono de dicha concavidad (11) disminuye escalonada o continuamente desde la región o zona de base a la región o zona de vértice, y porque la relación de la altura h de dicha concavidad (11) al radio efectivo r de la región o zona de base de dicha concavidad (11) viene determinada por la siguiente expresión que describe su relación con la constante dieléctrica relativa epsilonr de dicho dieléctrico (10): tang --1 (r/h)> 0,8 u tang -1 (1,7/epsilon r) + 13 (Unidad de ángulo: grado)
Description
Antena de banda ancha.
La presente invención se refiere a una antena
utilizada en comunicación por radio, que incluye Red de Area Local
inalámbrica (LAN: Local Area Netwok). Más particularmente, se
refiere a una antena de banda ancha que comprende un electrodo de
radiación dispuesto en una concavidad esencialmente cónica formada
en una cara extrema de un dieléctrico; y un conductor a tierra
dispuesto en la otra cara extrema del dieléctrico.
Más particularmente, la presente invención se
refiere a una antena de banda ancha en la que su calidad inherente
de características de banda ancha es suficientemente mantenida y se
consigue más reducción de tamaño mediante carga dieléctrica.
Especialmente, se refiere a una antena de banda ancha en la que se
consigue reducción de perfil y anchura sin tener en cuenta la
selección del dieléctrico.
Con la mejora de la velocidad y la reducción del
precio de sistemas de LAN inalámbricos, recientemente ha aumentado
significativamente la demanda de las mismas. Especialmente estos
días, la introducción de red de área personal (PAN: Personal Area
Netwok) ha sido ampliamente considerada para construir una red
inalámbrica a pequeña escala entre una pluralidad de piezas de
equipo electrónico común alrededor de la casa para comunicación de
información. Por ejemplo, han sido definidos diferentes sistemas de
comunicación por radio que utilizan diferentes bandas de
frecuencias, tales como banda de 2,4 GHz y banda de 5 GHz, para las
cuales son innecesarias licencias de las autoridades
competentes.
En comunicación por radio que incluye LAN
inalámbrica, se transmite información a través de antenas. Por
ejemplo, una antena monocónica comprende un electrodo de radiación
formado en una concavidad esencialmente cónica en un dieléctrico, y
un electrodo de tierra formado en la cara inferior del dieléctrico.
De este modo, una antena pequeña que tenga características de banda
ancha puede estar constituida por el efecto de acortamiento de
longitud de onda desde el dieléctrico situado entre el electrodo de
radiación y el electrodo de tierra.
Una antena que tenga características de banda
ancha puede ser usada en comunicación de UWB (Banda
Ultra-Ancha: Ultra-WideBand), en la
que, por ejemplo, los datos son distribuidos como una banda de
frecuencia ultra-ancha como de 3 GHz a 10 GHz para
transmisión y recepción. Una antena pequeña contribuye a la
reducción de tamaño y peso del equipo de radio.
Por ejemplo, la Publicación de Patente Japonesa
no Examinada, número Hei 8-139515 (1996), describe
una pequeña antena de polarización vertical dieléctrica para LAN
inalámbrica. Esta antena de polarización vertical dieléctrica está
constituida como sigue: una cara extrema de un dieléctrico
cilíndrico está ahuecada cónicamente formando una concavidad en el
dieléctrico, se forma en ella un electrodo de radiación, y se forma
un electrodo de tierra en el lado opuesto, en la otra cara extrema
del dieléctrico El electrodo de radiación es extraído hacia el lado
del electrodo de tierra a través de un conductor en un orificio
pasante. (Se hace referencia a la figura 1 en la Publicación de
Patente no Examinada).
La figura 5 de la Publicación de Patente no
Examinada ilustra las características de antena de la antena de
polarización vertical dieléctrica. De acuerdo con esta figura, su
banda de operación es de aproximadamente 100 MHz. (La frecuencia
central es de aproximadamente 2,5 GHz; por lo tanto, la anchura de
banda relativa es de aproximadamente 4%). La antena monocónica
tiene inherentemente una banda de operación menor que un octavo;
por lo tanto, no se puede decir que la antena anterior proporcione
de manera suficiente las características de banda ancha
esperadas.
La miniaturización de una antena significa, por
ejemplo, reducción de su perfil y anchura. Por ejemplo, la
Publicación de Patente Japonesa no Examinada, número Hei
9-153727 (1997) presenta una propuesta con respecto
a la reducción de la anchura de una antena monocónica. Sin embargo,
la propuesta es tal que se debe formar simplemente un conductor de
radiación en la forma de un sólido de revolución
semi-elíptico, y es desconocido si es aplicable a
la estructura de una antena cuya cara lateral esté cubierta con
dieléctrico es desconocido.
La figura 31 ilustra esquemáticamente la
constitución general de una antena monocónica que tiene un único
electrodo de radiación cónico. La antena monocónica ilustrada en la
figura comprende un conductor de radiación hecho de forma
esencialmente cónica, y un conductor a tierra formado con un espacio
de separación dispuesto entre él y el conductor de radiación. Al
espacio se separación son alimentadas señales eléctricas.
La figura 32 ilustra un ejemplo de la
característica de VSWR (Voltage Standing Wave Ratio: Relación de
Voltaje a Onda Estacionaria) de una antena monocónica. Se obtiene
una VSWR no superior a 2 en un amplio intervalo de 4 GHz a 9 GHz, y
esto indica que la antena tiene una anchura de banda relativamente
grande.
Uno de los métodos conocidos para ensanchar más
la banda de esta antena monocónica es cargando resistencia en el
conductor de radiación. La figura 33 y la figura 34 ilustran
ejemplos de las constituciones de antenas monocónicas cuyo
conductor de radiación está formado de un miembro de baja
conductividad que contiene una componente de resistencia, en lugar
de metal de elevada conductividad. Con esta constitución disminuye
la potencia reflectante hacia una región o zona de alimentación, y
esto da lugar a una banda de adaptación expandida. Especialmente,
puesto que la frecuencia límite inferior de la banda de adaptación
se expande (hacia abajo), las anteriores constituciones se utilizan
también como medios para la reducción del tamaño de antena. Como se
ilustra en la figura 33, el electrodo de radicación puede ser
formado de un material que tenga una conductividad baja constante.
Sin embargo, si la conductividad es distribuida como se ilustra en
la figura 34 (conductividad inferior en el lado de la base
superior), el efecto es mejor producido.
Se conocen varios métodos para cargar
resistencia en el conductor de radiación de una antena monocónica.
Ejemplos concretos incluyen un método de adherir un miembro de baja
conductividad, formado como una lámina, a un aislador cónico, y un
método de aplicar un miembro de baja conductividad preparado como
material de revestimiento. (Se hace referencia a "Optimización de
una antena cónica para radiación de impulsos: Un diseño eficiente
que utiliza carga resistiva", escrito por James G. Maloney et
al. (IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 41, No. 7,
Julio de 1993, pp. 940-947), por ejemplo).
Sin embargo, si se considera la producción en
serie, el método de adherir una lámina es ciertamente de
productividad inferior, y no es realista. Con el método de aplicar
revestimiento es difícil hacer uniforme es espesor del
revestimiento para controlar la conductividad, y este método tampoco
es realista.
El documento de NUSSEIBEH ET AL: "TRANSIENT
RESPONSE OF A WIDE-ANGLE CONE WITH DIELECTRIC
LOADING" (Respuesta transitoria de un cono de angulo amplio con
carga dielectrica), RADIO SCIENCE, AMERICAN GEOPHYSICAL UNION,
WASHINGTON, DC., US, vol. 31, nº 5, septiembre de 1996
(1996-09), páginas 1047-1052,
describe una antena de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación
1.
Los dos documentos siguientes también describen
una antena de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1:
"Dielectrically Loaded Biconical Antenas"
("Antenas bicónicas cargadas dieléctricamente", Nusseibeh,
Fouad Ahmed, Tesis, University of Connecticut, 1995, páginas 1 a
93.
"Biconical antenas with elliptical
cross-sections" (Antenas bicónicas con secciones
transversales elípticas), C. Ruan, "Electronics Letters", Vol.
36, No. 16, 3 de Agosto de 2000, paginas 1339 a 1340.
Un objeto de la presente invención es el
proporcionar una antena monocónica excelente que comprenda un
electrodo de radiación cónico dispuesto en una concavidad
esencialmente cónica formada en una cara extrema de un dieléctrico,
y un conductor a tierra dispuesto en la otra cara extrema del
dieléctrico.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar una excelente antena monocónica en la que su calidad
inherente de las características de banda ancha sea mantenida
suficientemente y se consiga reducción de tamaño adicional mediante
carga dieléctrica.
Un objeto más de la presente invención es
proporcionar una excelente antena monocónica en la que se consiga
reducción de perfil y anchura sin tener en cuenta la selección del
dieléctrico.
La presente invención ha sido realizada teniendo
en cuenta los anteriores problemas.
De acuerdo con la presente invención, la calidad
inherente de las características de banda ancha de una antena
monocónica se mantiene suficientemente y se consigue la reducción de
tamaño adicional mediante carga dieléctrica.
De los resultados de varias simulaciones, los
presentes inventores hallaron que: el valor del ángulo de la mitad
del cono que optimiza el ajuste de un cono circular formado en una
cara extrema de un dieléctrico depende de la constante dieléctrica
relativa \varepsilon_{r} del dieléctrico cubierto. Se obtiene
una expresión aproximada al formular apropiadamente un expresión
aproximada y al ajustar sus coeficientes.
El ángulo \alpha de semicono de la concavidad
sustancialmente cónica es definido caso por caso como sigue: en
caso de un cono circular, el ángulo es el formado entre el eje
central del cono circular y su cara lateral. En caso de un cono
elíptico o una pirámide, el ángulo es la media del ángulo mínimo y
del ángulo máximo formado entre el eje central y la cara
lateral.
El electrodo de radiación puede ser formado para
que la concavidad sustancialmente cónica esté relleno con él.
Un aspecto de la presente invención es una
antena monocónica de acuerdo con la reivindicación 1 que
comprende:
Una concavidad sustancialmente cónica formada en
una cara extrema de un dieléctrico; un electrodo de radiación
colocado en la superficie de la concavidad o un electrodo de
radiación colocado para que la concavidad sea rellenada con él; y
un conductor a tierra, colocado en la proximidad de la otra cara
extrema del dieléctrico frente a la otra cara, y sustancialmente
paralelo a ella. La antena monocónica está así constituida de manera
que son alimentadas señales eléctricas entre la región de vértice
próxima del electrodo de radiación y la región del conductor a
tierra.
La antena monocónica está caracterizada
porque:
El ángulo de semicono de la concavidad varía
escalonadamente o de manera continua para que el ángulo de semicono
de dicha concavidad disminuya desde la región o zona de base a la
región o zona de vértice, y la relación de la altura h de la
concavidad con el radio efectivo r de la base de la
concavidad viene determinado por la siguiente expresión que
describe su constante dieléctrica relativa \varepsilon_{r} de
relación del dieléctrico:
tang^{-1}(r/h)> 0,8
\cdot tang^{-1}(1,7/\varepsilon_{r}) + 13 \hskip1cm
(Unidad de ángulo:
grado)
Sin embargo, "la altura de la concavidad"
aquí referida se define como la longitud del segmento de una
extracción perpendicular desde el vértice de la concavidad a la
base de la concavidad.
El "radio efectivo de la base de la
concavidad" se define como la distancia media entre el punto
central, para lo cual se toma el punto de intersección de la base
de la concavidad con la perpendicular y envoltura exterior de la
base. El "ángulo de semicono de la concavidad" se define como
el ángulo formado entre una tangente de la cara lateral de la
concavidad y la perpendicular.
Los presentes inventores descubrieron que un
ajuste del ángulo de semicono de una antena monocónica tiene una
gran influencia sobre la banda de ajuste de impedancia. Entonces,
los presentes inventores obtuvieron lo siguiente: la banda de
ajuste de impedancia puede ser maximizada para determinar el ángulo
de semicono \alpha (ángulo formado entre el eje central y la cara
lateral de un cono) de una concavidad cónica formada en una cara
extrema de un dieléctrico con un ángulo de semicono constante
mediante la siguiente expresión que describe su relación con la
constante dieléctrica relativa \varepsilon_{r:}
\alpha = 0,8
\cdot tang^{-1}(1,7/\varepsilon_{r}) + 13 \hskip1cm
(Unidad de ángulo:
grado)
Es decir, el ángulo óptimo de semicono de un
cono circular depende de la constante dieléctrica relativa del
dieléctrico. En una antena monocónica constituida a base de la
anterior expresión, su cara lateral está cubierta con un
dieléctrico; por consiguiente, el efecto de miniaturización se
produce inevitablemente. (Esto es causado por el hecho de que se
acorta la longitud de onda del campo electromagnético producido
entre el electrodo de radiación y el conductor a tierra). En el
empaquetamiento, por lo tanto, se selecciona apropiadamente un
dieléctrico que cumpla demandas de miniaturización, y se determina a
continuación un ángulo de semicono del cono circular.
Si una antena monocónica esta formada solamente
por dicho método de constitución, la reducción del tamaño de la
antena puede ser conseguida mejorando la constante dieléctrica
relativa \varepsilon_{r} del dieléctrico. Sin embargo, en
relación con esto, el ángulo \alpha de semicono es también
reducido (es decir, la antena resulta mayor que su anchura). Por lo
tanto, la altura de la antena no se reduce extremadamente. Si se
desea que una antena sea extremadamente delgada, la constante
dieléctrica relativa \varepsilon_{r} puede ser mejorada de
acuerdo con la anterior expresión. De hecho, sin embargo, los
dieléctricos de varias constantes dieléctricas relativas no existen
infinitamente.
Para abreviar, el ángulo de semicono de un cono
circular cuyo perfil o anchura es reducida se desvía de un valor
óptimo que conduce a una adaptación de impedancia favorable. Para
hacer frente a esto, la presente invención es así constituida para
que sea compensada al escalonar el ángulo de semicono.
Se adopta una constitución de bajo perfil de
acuerdo con la reivindicación 1. En la que el ángulo de semicono de
la concavidad es variado de manera escalonada o continua para que
así se reduzca ya que va desde la región o zona de base a la región
o zona de vértice de acuerdo con la siguiente expresión. Esta
expresión describe la relación entre el índice de la altura
h de la concavidad con el radio efectivo r de la base
de la concavidad y la constante dieléctrica relativa
\varepsilon_{r}.
tang^{-1}
(r/h)> 0,8 \cdot tang^{-1}(1,7/\varepsilon_{r}) +
13 \hskip1cm (Unidad de ángulo:
grado)
En una constitución de perfil bajo dos pasos o
escalones de ángulo de semicono son básicamente suficientes. Huelga
decir que el número de pasos puede ser incrementado a tres o
más.
Sin embargo, el ángulo de semicono en la región
o zona de vértice de un electrodo de radiación debe ser menor de 90
grados. Además, es preferible que la variación en el ángulo de
semicono fuera suave en las proximidades de la región o zona de
vértice de un electrodo de radiación. Sigue que un esfuerzo debiera
hacerse para mantener un cono circular equiangular en las
proximidades de la región o zona de vértice, es decir, en la región
o zona de alimentación de acuerdo con la Teoría Equiangular de
Rumsey. Por Teoría Equiangular de Rumsey, nos referimos a
"Frequency Independent Antena - Antena de Frecuencia
Independiente" escrito por V. Rumsey (Academic Press, 1966).
Debe tenerse cuidado para no apartarse de los principios anteriores.
De lo contrario, se perderían las características de banda
ultra-ancha inherentes a la antena monocónica.
\newpage
Aquí, la siguiente constitución puede ser
adoptada: se forma un electrodo de alimentación encima de la otra
cara del extremo anterior, y el dieléctrico es penetrado. De este
modo, el electrodo de radiación y un extremos del electrodo de
alimentación están conectados eléctricamente juntos en la región de
vértice cercana. Además el otro extremo del electrodo de
alimentación puede ser realizado para que alcance la cara lateral
del dieléctrico. En este caso, las señales eléctricas son
alimentadas entre el otro extremo del electrodo de alimentación y
el conductor a tierra. Por consiguiente, se obtiene una estructura
de región o zona de alimentación apropiada para la producción en
serie.
La figura 1 es un dibujo que ilustra la
apariencia y constitución de un ejemplo de una antena
monocónica.
La figura 2 es un dibujo que ilustra un ejemplo
de cálculo (resultado de simulación de campo electromagnético) de
las características de frecuencia de la antena monocónica basada en
la constitución del ejemplo.
La figura 3 es un dibujo que ilustra otro
ejemplo de cálculo (resultado de simulación de campo
electromagnético) de las características de frecuencia de la antena
monocónica sobre la base de la constitución del ejemplo
anterior.
La figura 4 es un dibujo que incluye diagramas y
gráficos que ilustran el ángulo de semicono en función de las
características de frecuencia (derecha) y un gráfico representado
por una expresión para establecer el ángulo de semicono de acuerdo
con el ejemplo (izquierda). La figura ilustra la relación entre
ellos cuando la constante dieléctrica relativa \varepsilon_{r}
del dieléctrico 10 es 1.
La figura 5 es otro dibujo que incluye diagramas
y gráficos que ilustran el ángulo de semicono en función de las
características de frecuencia (derecha) y un gráfico representado
por la expresión para establecer el ángulo de semicono de acuerdo
con el ejemplo (izquierda). La figura ilustra la relación entre
ellos cuando la constante dieléctrica relativa \varepsilon_{r}
del dieléctrico 10 es 3.
La figura 6 es un dibujo más que incluye
diagramas y gráficos que ilustran el ángulo de semicono en función
de características de frecuencia (derecha) y un gráfico representado
por la expresión para establecer el ángulo de semicono de acuerdo
con el ejemplo (izquierda). La figura 1 ilustra la relación entre
ellos cuando la constante dieléctrica relativa \varepsilon_{r}
del dieléctrico 10 es 5.
La figura 7 es un dibujo más que incluye
diagramas y gráficos que ilustran el ángulo de semicono en función
de características de frecuencia (derecha) y un gráfico representado
por la expresión para establecer el ángulo de semicono de acuerdo
con el ejemplo (izquierda). La figura ilustra la relación entre
ellos cuando la constante dieléctrica relativa \varepsilon_{r}
del dieléctrico 10 es 8.
La figura 8 es un dibujo que ilustra las
constituciones de antenas monocónicas constituidas de manera que el
ángulo de semicono \alpha de la concavidad esencialmente cónica
formada en una cara extrema de un dieléctrico está de acuerdo con
una regla predeterminada correspondiente a la constante dieléctrica
relativa \varepsilon_{r}.
La figura 9 es un dibujo que ilustra las
características de antena de una antena monocónica con el ángulo de
semicono óptimo para la constante dieléctrica relativa
\varepsilon_{r} de 2 y 4, respectivamente.
La figura 10 es un dibujo que ilustra una
realización de una antena monocónica cuyo perfil es reducido en
comparación con la constitución del ángulo de semicono óptimo de
acuerdo con la invención
La figura 11 es un dibujo que ilustra las
características de VSWR de una antena monocónica que tiene la
constitución ilustrada en la figura 10;
La figura 12 es un dibujo que ilustra un ejemplo
de una antena monocónica cuya anchura se reduce en comparación con
la constitución de ángulo de semicono óptimo.
La figura 13 es un dibujo que ilustra las
características de VSWR de una antena monocónica que tiene la
constitución ilustrada en la figura 12.
La figura 14 es un dibujo que ilustra un ejemplo
de la constitución de una estructura de región o zona de
alimentación apropiada para la producción en serie de una antena
monocónica de acuerdo con la presente invención.
La figura 15 es un dibujo que ilustra como está
montada una antena monocónica que tiene la constitución ilustrada
en la figura 14 en una placa de circuito.
La figura 16 es un dibujo que ilustra la
estructura en sección transversal de una antena monocónica que
utiliza constitución de bajo perfil.
La figura 17 es el diagrama de característica de
impedancia y diagrama de característica de VAWR de la antena
monocónica de bajo perfil ilustrada en la figura 16.
La figura 18 es un dibujo que ilustra la
estructura en sección transversal de una antena monocónica de bajo
perfil en la que el vértice del electrodo de radiación cónico es
fijado descentrado en 25% con respecto al radio.
La figura 19 es el diagrama de característica de
impedancia y diagrama de característica de VSWR de la antena
monocónica de bajo perfil ilustrada en la figura 18;
La figura 20 es un dibujo que ilustra la
constitución de una antena monocónica adicional.
La figura 21 es un dibujo que ilustra un ejemplo
de cálculo para demostrar el efecto eléctrico de la antena
monocónica de Figura 20.
La figura 22 es un dibujo que ilustra las
constituciones de antenas en las que dos porciones desprendidas de
electrodo están formadas en la dirección de la profundidad de la
concavidad formada en un aislador.
La figura 23 es un dibujo que ilustra ejemplos
con la formación del conductor a tierra en la otra cara extrema del
aislador. En estos ejemplos, la carga resistiva es aplicada a
antenas bicónicas constituidas disponiendo electrodos de radiación
en las superficies de antena de concavidades esencialmente cónicas
formadas simétricamente en ambas caras extremas;
La figura 24 es un dibujo que ilustra la
estructura en sección transversal de una antena adicional.
La figura 25 es un dibujo que ilustra la
constitución de una antena cónica en la que están formadas dos
porciones cortadas y desprendidas en la dirección de la
profundidad del electrodo de radiación esencialmente cónico formado
en un aislador;
La figura 26 es un dibujo que ilustra ejemplos
de las constituciones de antenas bicónicas constituidas utilizando
antenas cónicas que se forman proporcionando porciones
circunferenciales cortadas y desprendidas en los electrodos de
radiación formados en las superficies de los aisladores cónicos;
La figura 27 es un dibujo que ilustra la
estructura en sección transversal de una antena cónica
adicional.
La figura 28 es un dibujo que ilustra la
estructura en sección transversal de una modificación de la antena
cónica ilustrada en la figura 27.
La figura 29 es un dibujo que ilustra la
constitución de una antena bicónica constituida utilizando una
antena cónica que se forma disponiendo un miembro de baja
conductividad llenando el electrodo de alimentación formado en la
superficie de las concavidades cónicas de un aislador;
La figura 30 es un dibujo que ilustra la
estructura en sección transversal de una modificación de la antena
cónica ilustrada en la figura 29;
La figura 31 es un dibujo que ilustra la
constitución (ejemplo convencional) de una antena monocónica que
tiene un electrodo de radiación cónico único;
La figura 32 es un dibujo que ilustra un ejemplo
(ejemplo convencional) de las características de VSWR (Voltage
Standing Wave Ratio) de una antena monocónica;
La figura 33 es un dibujo que ilustra la
constitución (ejemplo convencional) de una antena monocónica en la
que un conductor de radiación está constituido por un miembro de
baja conductividad que contiene una componente de resistencia en
lugar de metal de elevada conductividad;
La figura 34 es un dibujo que ilustra la
constitución (ejemplo convencional) de una antena cónica en la que
un conductor de radiación está constituido por un miembro no
uniforme, de baja conductividad, que contiene una componente de
resistencia en lugar de metal de elevada conductividad.
Haciendo referencia a los dibujos, se
describirán ejemplos y una realización de la presente invención con
más detalle en lo que sigue.
La figura 1 ilustra la apariencia y constitución
de un ejemplo de una antena monocónica 1.
Como se ilustra en la figura, la antena
monocónica 1 comprende: una concavidad esencialmente cónica 11
formada en una cara extrema de un cilindro de dieléctrico 10; un
electrodo de radiación 12 dispuesto en la superficie de la
concavidad; y un conductor a tierra 13 que está dispuesto en la
proximidad y en esencia paralelamente a la primera cara extrema del
dieléctrico 10. La antena monocónica 1 está así constituida de
manera que son alimentadas señales eléctricas entre la región de
vértice próxima 14 del electrodo de radiación 12 y la región del
conductor a tierra 13.
Con respecto a al ángulo \alpha del semicono
(ángulo entre el eje central y la cara lateral del cono) de la
concavidad esencialmente cónica 11 formada en la primera cara
extrema del dieléctrico 10, la antena monocónica 1 está constituida
como sigue: el ángulo \alpha del semicono está determinado por una
regla predeterminada de acuerdo con la constante dieléctrica
relativa \varepsilon_{r}. La regla es, por ejemplo, como
sigue:
- (1)
- Si la antena monocónica 1 está cubierta con un dieléctrico con una constante dieléctrica relativa \varepsilon_{r} = 2, la antena monocónica 1 está constituida de manera que el ángulo del semicono es de aproximadamente 45 grados.
- (2)
- Si la antena monocónica 1 está cubierta con un dieléctrico con la constante dieléctrica relativa \varepsilon_{r} = 3, la antena monocónica 1 está constituida de manera que el ángulo de semicono es de aproximadamente 37 grados.
- (3)
- Si la antena monocónica 1 está cubierta con un dieléctrico con una constante dieléctrica relativa \varepsilon_{r} = 5, la antena monocónica 1 está constituida de manera que el ángulo de semicono es de aproximadamente 28 grados.
- (4)
- Si la antena monocónica 1 está cubierta con un dieléctrico con la constante dieléctrica relativa \varepsilon_{r} = 8, la antena monocónica 1 está constituida de manera que el ángulo de semicono es de aproximadamente 23 grados.
La regla en la que está basada la anterior
constitución de la antena monocónica 1 es la Expresión (1) que
sigue. La Expresión (1) describe la relación entre el ángulo
\alpha de simicono de la concavidad 11 formada en una cara
extrema del dieléctrico 10 y la constante dieléctrica relativa
\varepsilon_{r}.
(1)\alpha =
0,8 \cdot tng^{-1}(1,7/\varepsilon_{r}) + 13
\hskip1cm (Unidad de ángulo:
grado)
El intervalo efectivo de fijación del ángulo de
semicono está entre el valor dado por la Expresión (1) anterior más
varios grados y menos varios grados. Cualquier valor dentro de este
intervalo no plantea problemas en el uso práctico.
Con la constitución anteriormente mencionada de
antena monocónica, la anchura de banda de una antena es
drásticamente mejorada.
La figura 2 y la figura 3 ilustran ejemplos de
cálculos de las características de frecuencia de una antena
monocónica de acuerdo con este ejemplo (los resultados de
simulaciones de campo electromagnético). La figura 2 ilustra las
características de frecuencia en forma de gráfico de Smith (centro:
50 \Omega) y diagrama de características de VSWR cuyas
características de frecuencia se miden cuando la constante
dieléctrica relativa \varepsilon_{r} es 3 y el ángulo de
semicono es 40 grados. La figura 3 las ilustra medidas cuando la
constante dieléctrica relativa \varepsilon_{r} es 8 y el ángulo
de semicono es 22 grados.
En cualquier ejemplo de constitución, la antena
tiene característica de espiral en la proximidad del centro del
gráfico de Smith, y obtiene características de frecuencia
favorables. Se dice que una antena tiene características de antena
favorables en el dominio de frecuencia si VSWR no es mayor que 2. En
cualquier ejemplo de constitución, la anchura de banda relativa con
VSWR < 2 asciende aproximadamente a 100%. Es evidente que la
anchura de banda es drásticamente mejorada en comparación con
ejemplos de características presentadas en la Publicación de
Patente Japonesa no Publicada número Hei 8-139515
(1996).
Con respecto al método para la constitución de
esta antena monocónica, la forma de la concavidad 11 formada en una
cara extrema del dieléctrico 10 no está limitada al cono circular.
Incluso si tiene la forma de cono elíptico o de pirámide, se
produce igualmente el efecto de la presente invención. Si se utiliza
concavidad piramidal, la definición de ángulo \alpha de semicono
es como sigue: la media del ángulo mínimo y el ángulo máximo entre
ángulos formados entre el eje central y la cara lateral.
No existe tampoco limitación especial sobre la
forma exterior del cilindro dieléctrico 10. Básicamente, es
aceptable cualquier forma, incluyendo de cilindro circular y de
prisma, siempre que el electrodo de radiación esté cubierto por
ella. El electrodo de radiación puede estar formado llenando con él
la concavidad cónica 11, en lugar de formarlo en la superficie de
la concavidad 11.
El intervalo efectivo de la constante
dieléctrica relativa \varepsilon_{r} es de hasta 10,
aproximadamente.
Los presentes inventores realizaron simulaciones
de campo electromagnético y se dedujo aproximadamente la Expresión
(1) anterior, en la que se basó una fijación del ángulo \alpha de
simicono del cono circular formado en la primera cara extrema del
dieléctrico. De los resultados de varias simulaciones los inventores
encontraron lo siguiente: como se ilustra en la figura 4 a la
figura 7, el valor del ángulo de semicono que lleva a la adaptación
óptima del cono circular formado en la primera cara extrema de un
dieléctrico depende de la constante dieléctrica relativa
\varepsilon_{r} del dieléctrico cubierto. La curva aproximada
significativa desde el punto de vista del diseño se obtiene
formulando aproximadamente una expresión aproximada y ajustando sus
coeficientes. Con respecto a la figura 4 a figura 7, se dará a
continuación una descripción adicional.
La figura 4 incluye diagramas y gráficos que
ilustran el ángulo de semicono en función de características de
frecuencia (derecha) y un gráfico que representa el ángulo de
semicono basado en la expresión para fijación de acuerdo con el
presente ejemplo (izquierda). (Los diagramas y gráficos de la
derecha ilustran tres casos: caso en el que el ángulo de semicono
es 58 grados; caso en el que el ángulo de semicono es 40 grados; y
caso en el que el ángulo de semicono es 24 grados, desde arriba).
La figura ilustra la relación entre ellos cuando la constante
dieléctrica relativa \varepsilon_{r} del dieléctrico 10 es 1.
Los diagramas de características de frecuencia comprenden gráfico
de Smith y diagrama de características de VSWR.
De los diagramas de características de
frecuencia a la derecha de la figura, resulta evidente lo siguiente:
cuando el ángulo de semicono es de aproximadamente 58 grados, el
gráfico de Smith tiene una espiral en la proximidad del centro, y
se hace máxima la anchura de banda relativa con VSWR \leq 2. Es
decir, lo que sigue es evidente: el ángulo de semicono que lleva a
adaptación óptima es 58 grados, y además el valor del ángulo de
semicono está muy próximo a la línea representada por la expresión
para establecer el ángulo de semicono de acuerdo con el presente
ejemplo.
La figura 5 incluye gráficos que ilustran el
ángulo de semicono en función de las características de frecuencia
(derecha) y un gráfico que representa el ángulo de semicono basado
en la expresión para fijación de acuerdo con el presente ejemplo
(izquierda). (Los diagramas y gráficos de la derecha ilustran tres
casos: caso en el que el ángulo de semicono es 58 grados; caso en
el que el ángulo de semicono es 40 grados; y caso en el que el
ángulo de semicono es 24 grados, desde arriba). La figura ilustra la
relación entre ellos cuando la constante dieléctrica relativa
\varepsilon_{r} del dieléctrico 10 es 3. Los diagramas de
características de frecuencia comprenden el gráfico de Smith y el
diagrama de características de VSWR.
De los diagramas de características de
frecuencia a la derecha de la figura, es evidente lo siguiente:
cuando el ángulo de semicono es aproximadamente 40 grados, el
gráfico de Smith tiene una espiral en la proximidad del centro, y
se hace máxima la anchura de banda relativa, con VSWR \leq 2. Es
decir, lo siguiente es evidente: el ángulo de semicono que lleva a
adaptación óptima es 40 grados, y además el valor del ángulo de
semicono está muy próximo a la línea representada por la expresión
para fijar el ángulo de semicono de acuerdo con este ejemplo.
La figura 6 incluye diagramas y gráficos que
ilustran el ángulo de semicono en función de características de
frecuencia (derecha) y un gráfico que representa el ángulo de
semicono sobre la base de la expresión para fijación de acuerdo con
el presente ejemplo (izquierda). (Los diagramas y gráficos de la
derecha ilustran tres casos: caso en que el ángulo de semicono es
40 grados; caso en que el ángulo de semicono es 26 grados; y caso
en que el ángulo de semicono es 15 grados, desde arriba). La figura
ilustra la relación entre ellos cuando la constante dieléctrica
relativa \varepsilon_{r} del dieléctrico 10 es 5. Los diagramas
de características de frecuencia comprenden el gráfico de Smith y
el diagrama de características de VSWR.
De los diagramas de características de
frecuencia de la derecha de la figura, resulta evidente lo que
sigue: cuando el ángulo de semicono es aproximadamente 26 grados,
el gráfico de Smith tiene una espiral en la proximidad del centro,
y se hace máxima la anchura de banda relativa con VSWR \leq 2. Es
decir, es evidente lo que sigue: el ángulo de semicono que lleva a
adaptación óptima es 26 grados, y además el valor del ángulo de
semicono está muy próximo a la línea representada por la expresión
para fijar el ángulo de semicono de acuerdo con el presente
ejemplo.
La figura 7 incluye diagramas y gráficos que
ilustran el ángulo de semicono en función de características de
frecuencia (derecha) y un gráfico que representa el ángulo de
semicono basado en la expresión para fijación de acuerdo con el
presente ejemplo (izquierda). (Los diagramas y gráficos de la
derecha ilustran tres casos: caso en el que el ángulo de semicono
es 36 grados; caso en que el ángulo de semicono es 22 grados; y caso
en el que el ángulo se semicono es 10 grados, desde arriba). La
figura ilustra la relación entre ellos cuando la constante
dieléctrica relativa \varepsilon_{r} del dieléctrico 10 es 8.
Los diagramas de características de frecuencia comprenden gráfico
de Smith y diagrama de características de VSWR.
De los diagramas de características de
frecuencia a la derecha de la figura, resulta evidente lo que sigue:
cuando el ángulo de semicono es aproximadamente 22 grados, el
gráfico de Smith tiene una espiral en la proximidad del centro, y
se hace máxima la anchura de banda relativa con VSWR \leq 2. Es
decir, es evidente lo que sigue: el ángulo de semicono que lleva a
adaptación óptima es 22 grados, y además el valor del ángulo de
semicono está muy próximo a la línea representada por la expresión
para fijación del ángulo de semicono de acuerdo con este
ejemplo.
La antena monocónica comprende una concavidad
esencialmente cónica formada en una cara extrema de un cilindro de
dieléctrico; un electrodo de radiación dispuesto en la superficie de
la concavidad (o dispuesto de manera que la concavidad sea llenada
con él); y un conducto a tierra dispuesto en la proximidad de, y
esencialmente paralelo a, la otra cara extrema opuesta a la primera
cara extrema del dieléctrico. La antena monocónica está así
constituida de manera que son alimentadas señales eléctricas a entre
la región de vértice próxima del electrodo de radiación y la región
del conducto a tierra. La antena monocónica puede estar constituida
como una pequeña antena que tenga relativamente características de
banda ancha debido al efecto de acortamiento de la longitud de onda
desde el dieléctrico situado entre el electrodo de radiación y el
electrodo de tierra.
Los presentes inventores encontraron que una
fijación del ángulo de semicono de una antena monocónica tiene gran
influencia sobre la banda de adaptación de impedancia. Entonces, los
presentes inventores dedujeron lo siguiente: la banda de adaptación
de impedancia puede ser hecha máxima determinando el ángulo \alpha
de semicono (formado entre el eje central y la cara lateral de un
cono) de una concavidad cónica formada en una cara extrema de un
dieléctrico mediante la siguiente expresión, que describe su
relación con la constante dieléctrica relativa
\varepsilon_{r}:
...(1)\alpha
= 0,8 \cdot tang^{-1}(1,7/\varepsilon_{r}) + 13
\hskip1cm (Unidad de ángulo:
grado)
Es decir, el ángulo óptimo de semicono de un
cono circular depende de la constante dieléctrica relativa del
dieléctrico. Como se ilustra en los ejemplos de la figura 8,
mostrando una forma ligeramente diferente del dieléctrico, el
ángulo óptimo de semicono es 48 grados cuando la constante
dieléctrica relativa \varepsilon_{r} es 2, y 31 grados cuando
la constante dieléctrica relativa \varepsilon_{r} es 4. La
figura 9 ilustra las características de antena de una antena
monocónica con un ángulo óptimo de semicono para la constante
dieléctrica relativa \varepsilon_{r} de 2 y 4, respectivamente.
Sin embargo, la figura representa las características de antena
mediante características de VSWR. De la figura 9 resulta evidente lo
que sigue: se obtiene adaptación de impedancia favorable en una
banda ultra-ancha diseñando la antena monocónica
sobre la base de la expresión (1) anterior, la cual describe la
relación entre la constante dieléctrica relativa \varepsilon_{r}
y el ángulo óptimo \alpha de semicono de la concavidad.
En la antena monocónica constituida sobre la
base de la Expresión (1) anterior, su cara lateral está cubierta
con un dieléctrico, por lo que se produce inevitablemente el efecto
de miniaturización. (Esto es causado por el hecho de que se acorta
la longitud de onda del campo electromagnético producido entre el
electrodo de radiación y el conductor a tierra). En
empaquetamiento, por lo tanto, se selecciona apropiadamente un
dieléctrico que cumpla demandas de miniaturización, y se determina
a continuación un ángulo de semicono del cono circular.
Con la constitución de la antena monocónica
sobre la base de la Expresión (1) anterior, la reducción del tamaño
de la antena puede ser conseguida mejorando la constante dieléctrica
relativa \varepsilon_{r} del dieléctrico. Sin embargo, en
relación con esto, el ángulo \alpha de simicono es también
reducido (es decir, la antena resulta mayor que su anchura). Por lo
tanto, la altura de la antena no se reduce extremadamente. En
realidad, es solicitado con frecuencia perfil bajo.
Inversamente, se puede desear algunas veces
constitución extremadamente esbelta o delgada. Si una antena
monocónica está constituida de acuerdo con la Expresión (1)
anterior, esto se consigue mejorando la constante dieléctrica
relativa \varepsilon_{r}. En realidad, sin embargo, no existen
de manera infinita dieléctricos de varias constante dieléctrica
relativas. Además, los dieléctricos disponibles están limitados
naturalmente en términos de posibilidad de trabajo en formación de
electrodos y resistencias de corte y calor. Por lo tanto, una
constitución más esbelta deseada es muy probable que sea difícil de
ejecutar.
El ángulo de semicono de un cono circular cuyo
perfil o anchura es reducido se desvía de un valor óptimo que
conduzca a adaptación de impedancia favorable. Para resolver esto,
se compensa escalonando o alterando continuamente el ángulo de
semicono.
Se dará una descripción más específica. Si se
adopta constitución de perfil bajo, como en esta realización, el
ángulo de semicono se hace variar escalonadamente o de manera
continua para que se reduzca a medida que pasa desde la región o
zona de base a la región o zona de vértice. Sin embargo, la relación
de la altura h de la concavidad al radio efectivo r
de la base de la concavidad se fija de acuerdo con la siguiente
expresión (2), que describe su relación con la constante
dieléctrica relativa \varepsilon_{r}.
...(2)tang^{-1}(r/h)>
0,8 \cdot tang^{-1} (1,7/\varepsilon_{r}) + 13 \hskip1cm
(Unidad de ángulo:
grado)
Si se adopta constitución esbelta como un
ejemplo, el ángulo de semicono se hace variar de manera que se
aumenta a medida que va desde la región o zona de base a la región
o zona de vértice. Sin embargo, la relación de la altura h
de la concavidad al radio efectivo r de la base de la
concavidad se fija de acuerdo con la siguiente expresión (3), que
describe su relación con respecto a la constante dieléctrica
relativa \varepsilon_{r}.
...(3)tang^{-1}(r/h)<
0,8 \cdot tang^{-1}(1,7/\varepsilon_{r}) + 13
\hskip1cm (Unidad de ángulo:
grado)
En cualquier caso de constitución de perfil bajo
como en esta realización, o constitución esbelta como en el ejemplo
anterior, son básicamente suficientes dos pasos de ángulo de
semicono. Inútil añadir que el número de pasos puede ser aumentado
a tres o más, o puede estar presente una región o zona en la que el
ángulo de semicono sea variado continuamente. Sin embargo, el
ángulo de semicono de la región o zona de vértice de un electrodo de
radiación debe ser menor que 90 grados. Además, es preferible que la
variación del ángulo de semicono sea suave en la proximidad de la
parte de vértice de un electrodo de radiación. Se deduce que se ha
de hacer un esfuerzo para mantener un cono circular equiangular en
la proximidad de la región o zona de vértice, es decir la región o
zona de alimentación de acuerdo con la Teoría Equiangular de Rumsey.
(La Teoría Equiangular de Rumsey se refiere al documento
"Frecuency Independent Antenna" ("Antena Independiente de la
Frecuencia"), escrito por V. Rumsey (Academic Press, 1966). Se
debe tener cuidado de no separarse del principio anterior. De otro
modo, se pueden perder características de banda
ultra-ancha inherentes a la antena monocónica.
\newpage
La figura 10 ilustra una realización de una
antena monocónica cuyo perfil es reducido en comparación con la
constitución del ángulo óptimo de semicono de acuerdo con la
presente invención. En el ejemplo ilustrado en la figura el perfil
es inferior a la constitución del ángulo óptimo de semicono. En esta
realización se selecciona un dieléctrico con una constante
dieléctrica relativa \varepsilon_{r} de 4; la altura h
del cono circular se fija en 6 mm; y el radio r de la base del cono
circular se fija en 12,6 mm. De este modo como una consecuencia
natural, se mantiene la relación expuesta en la Expresión (2)
anterior.
Como se ilustra en la figura, además, se adopta
constitución de dos pasos. Con esta constitución, el ángulo de
semicono se escalona en un punto medio, y el valor \alpha_{o}
del ángulo de semicono en el lado de la base se fija en 70 grados,
siendo fijado en 45 grados el valor \alpha_{1} del ángulo de
semicono. Así, el valor del ángulo de semicono en el lado del
vértice se hace menor que en el lado de la base.
La figura 11 ilustra el resultado de una
simulación realizada con respecto a las características de VSWR de
la antena monocónica que tiene la constitución ilustrada en la
figura 10. Como se ilustra en la figura, se obtiene generalmente
adaptación de impedancia favorable, y se pierde en gran medida un
estado en el que la adaptación de impedancia y de ese modo se evita
perder características de anchura de banda. Si la combinación de
valores de ángulo de semicono es más finamente ajustada, se
obtendrían características más favorables.
La figura 12 ilustra un ejemplo de una antena
monocónica cuya anchura es reducida en comparación con la
constitución óptima del ángulo de semicono. En el ejemplo ilustrado
en la figura, la anchura es menor que la constitución de ángulo de
semicono óptimo. En este ejemplo, se selecciona un dieléctrico con
constante dieléctrica relativa \varepsilon_{r} de 2; la altura
h del cono circular se fija en 17, 4 mm; y el radio r
de la base del cono circular se fija en 9 mm. De este modo, como
consecuencia natural, se mantiene la relación expuesta en la
expresión (3) anterior.
Como se ilustra en la figura, además, se adopta
la constitución de dos pasos. Con esta constitución, el ángulo de
semicono está escalonado en un punto medio, y el valor
\alpha_{o} del ángulo de semicono en el lado de la base se fija
en 11 grados, fijándose en 41 grados el valor \alpha_{1} del
ángulo de semicono en el lado del vértice. Así, el valor del
ángulo de semicono en el lado del vértice se hace menor que en el
lado de la base.
La figura 13 ilustra el resultado de una
simulación realizada con respecto a las características de VSWR de
una antena monocónica que tiene la constitución ilustrada en la
figura 12. Como se ilustra en la figura, se obtiene generalmente
adaptación de impedancia favorable.
La figura 14 ilustra un ejemplo de la
constitución de una antena monocónica provista de una estructura de
región o zona de alimentación apropiada para producción en
serie.
En el ejemplo ilustrado en la figura, se dispone
un electrodo de alimentación similar a una pista en la base de un
dieléctrico, y el electrodo de alimentación y un electrodo de
radiación se conectan eléctricamente entre sí a través de un
orificio practicado en el fondo del dieléctrico. Como se ilustra en
la figura, este electrodo de alimentación está formado de manera
que su primer extremo alcanza la cara lateral del dieléctrico.
Un conductor a tierra está formado también en la
base del dieléctrico. Como se ilustra en la figura, el conductor a
tierra está formado de manera que se desvía y rodea al electrodo de
alimentación. Además, el conductor a tierra está también formado de
manera que se extiende hasta la cara lateral del dieléctrico.
El electrodo de alimentación y el conductor a
tierra ilustrados en la figura 14 pueden ser formados fácilmente
sobre la superficie de un dieléctrico mediante chapado, por ejemplo.
Por lo tanto, el uso de una tal antena monocónica como se ilustra
en la figura hace posible seguir una técnica para el denominado
montaje en superficie cuando la antena se monta en una placa de
circuito en la producción en serie, y de este modo se simplifica la
fabricación.
Como se ilustra en la figura 15, el cuerpo de la
antena monocónica puede ser fijado y conectado eléctricamente a una
placa de circuito solamente soldando los electrodos de la cara
lateral del dieléctrico a los electrodos de la placa de circuito
desde el lado de la superficie.
El conductor a tierra no precisa necesariamente
ser formado sobre la base de un dieléctrico, y, alternativamente,
un conductor a tierra se puede formar en la placa de circuito sobre
la que se va a montar el cuerpo de la antena. En este caso, por
ejemplo, se puede usar adhesivo para fijar el cuerpo de la
antena.
La antena monocónica de acuerdo con la
realización ilustrada en la figura 10 está constituida de manera
que: cuando se reduce de perfil una antena sobre la base de los
valores óptimos del ángulo de semicono obtenidos por la expresión
(2)) anterior, se compensa la desviación de su ángulo de semicono de
sus valores óptimos. Esta compensación es realizada escalonando el
ángulo de semicono, y esto da lugar a adaptación de impedancia
favorable.
Si se reduce el perfil de una antena, se plantea
un problema. El ángulo de semicono del cono se desvía del valor
óptimo que conduce a la adaptación de impedancia favorable. Para
resolver esto, el vértice del cono circular de la antena monocónica
se fija descentrado en este ejemplo adicional y se compensa con ello
la adaptación de impedancia. En este caso la línea recta que
conecta el vértice del electrodo de radiación esencialmente cónico
y el centro de la base del cono no es perpendicular a la base del
cono.
Se tomará un ejemplo. La figura 16 ilustra la
estructura en sección transversal de una antena monocónica que
utiliza constitución de perfil bajo. En el ejemplo ilustrado en la
figura, el ángulo de semicono del cono circular es de 64,5 grados,
que difiere de 31 grados, el valor óptimo con \varepsilon_{r} =
4. Como dieléctrico a llenar en la región o zona entre el electrodo
de radiación y el conductor a tierra, se usa un material con una
constante dieléctrica relativa \varepsilon_{r} de 4. La figura
17 incluye el diagrama de características de impedancia y el
diagrama de características de VSWR de la antena monocónica de
perfil bajo ilustrada en la figura 16. Como resulta evidente de la
figura, la impedancia difiere en gran medida de 50 ohm, y se
perjudican las características de VSWR, especialmente en dominio de
alta frecuencia.
Entretanto, la figura 18 ilustra la estructura
en sección transversal de una antena monocónica de perfil bajo, en
la que el vértice del electrodo de radiación cónico está desplazado
del centro en 25% con respecto al radio. En este caso, como se
ilustra en la figura, la línea recta que conecta el vértice del
electrodo de radiación esencialmente cónico y el centro de la base
del cono no es perpendicular a la base del cono.
La figura 19 incluye el diagrama de
características de impedancia y el diagrama de característica de
VSWR de la antena monocónica de perfil bajo ilustrada en la figura
18. Como resulta evidente de la figura, las características de
impedancia están próximas a 50 ohm, y las características de VSWR se
mejoran también. Especialmente, es importante que se disminuya la
frecuencia de límite inferior de la banda de adaptación.
Como se ha mencionado anteriormente, es evidente
que si la impedancia no puede ser adaptada en una antena monocónica
debido a la reducción de perfil o similar, la fijación del vértice
del cono descentrado es efectiva como unos medios para mejorar sus
características.
Con respecto al método para constituir la antena
monocónica, la configuración de la concavidad formada en una cara
extrema del dieléctrico no está limitada al cono circular. Incluso
si se hace en la forma de cono elíptico o de pirámide, se produce
igualmente el efecto de la presente invención.
Si se utiliza concavidad piramidal, la
definición de su ángulo \alpha de semicono es como sigue: la media
del ángulo mínimo y el ángulo máximo entre los ángulos formados
entre el eje central y la cara lateral.
No existe tampoco limitación especial sobre la
forma exterior del cilindro dieléctrico. Básicamente, es aceptable
cualquier forma, incluyendo la de cilindro circular y prisma,
siempre que el electrodo de radiación está cubierto por ella. El
electrodo de radiación puede ser formado llenando con él la
concavidad cónica 11, en lugar de formarlo sobre la superficie de
la concavidad.
La figura 20 ilustra la constitución de un
ejemplo de una antena monocónica. La antena monocónica comprende:
un aislador; una concavidad sustancialmente cónica facilitada en la
primera cara extrema del aislador; un electrodo de radiación
formado en la superficie interna de la concavidad; una porción
desprendida obtenida por desprendimiento circunferencial del
electrodo de radiación; un miembro de baja conductividad rellenado
en la concavidad al nivel en el que al menos la porción desprendida
es enterrada; y un conductor a tierra localizado en la proximidad
de y esencialmente paralelo a la segunda cara extrema del
aislador.
En primer lugar, la concavidad esencialmente
cónica está dispuesta en la primera cara extrema del aislador. El
electrodo de radiación está formado en la cara interna de la
concavidad mediante chapado o similar. A continuación, parte del
electrodo de radiación es desprendido circunferencialmente mediante
corte o similar. Después, se llena el miembro de baja conductividad
hasta el nivel al cual está enterrada la porción desprendida. Para
el miembro de baja conductividad es apropiado conductor que contenga
caucho o elastómero. Se obtiene una conductividad deseada con
relativa facilidad ajustando el contenido del conductor. Además, el
conductor a tierra está dispuesto en la proximidad y esencialmente
paralelo a la otra cara extrema del aislador. Excusado es añadir
que se puede formar un electrodo como conductor a tierra
directamente en la otra cara extrema del aislador.
Como en antenas monocónicas convencionales, las
señales eléctricas son alimentadas al espacio de separación entre
el electrodo de radiación y el conductor a tierra. Si se alimentan
señales eléctricas desde el lado de la cara trasera del conductor a
tierra se puede adoptar la misma constitución que en antenas
convencionales. Es decir, se practica un orificio en el conductor a
tierra, y la región de vértice del electrodo de radiación se
extiende hasta el lado de la cara trasera.
La antena ilustrada en la figura 20 funciona
básicamente como una antena monocónica. A propósito, no está
presente conductor en la base superior de la concavidad; sin
embargo, esto no resulta una causa para impedir el funcionamiento
apropiado de la antena monocónica. Además, puesto que existe el
miembro de baja conductividad entre los dos electrodos de radiación
divididos, se produce el efecto eléctrico equivalente a la carga
resistiva. (La figura 20 está representada de manera que la
concavidad está formada en el lado superior del aislador. Sin
embargo, no existen los conceptos de superior e inferior debido a la
estructura de la antena cónica. En esta memoria, la cara extrema
provista de la concavidad es designada como base superior por
conveniencia de la descripción. Sin embargo, esto no limita el
ámbito o alcance del presente ejemplo. (Es lo mismo con lo que
sigue).
La figura 21 ilustra un ejemplo de cálculo para
demostrar el efecto eléctrico de la antena monocónica de acuerdo
con este ejemplo. A la izquierda de la figura está el diagrama de
características de VSWR obtenido cuando no está formada la porción
desprendida del electrodo, y a la derecha está el obtenido cuando
está formada la porción desprendida. (Las otras condiciones son
completamente idénticas). A continuación se describirán brevemente
las condiciones para el cálculo. Como resulta evidente de la figura,
la formación de la parte desprendida del electrodo conduce a las
siguientes ventajas: la banda en la que VSWR no es mayor que 2 es
expandida hasta la banda de baja frecuencia; se mejora
apropiadamente la adaptación; y se consigue el ensanchamiento de
banda de la antena cónica.
- (1)
- Porción de electrodo de radiación: se supone que se usa un metal con una conductividad de 1x10^{7}S/m.
- Diámetro de la base superior: 12,6 mm, altura: 12,6 mm.
- (2)
- Miembro de baja conductividad: se supone que se utiliza un material con una conductividad de 2S/m.
- (3)
- Aislador: se supone que se utiliza un dieléctrico con una constante dieléctrica relativa de 4.
En el ejemplo de la constitución de antena
cónica ilustrado en la figura 20, se forma una porción desprendida
circunferencial en el electrodo de radiación formado en la
superficie interna de la concavidad del aislador. El número de las
porciones desprendidas circunferenciales no se limita a uno. Se dará
una descripción más concreta. Como se ha mencionado anteriormente,
la presencia del miembro de baja conductividad entre los electrodos
de radiación divididos por la porción desprendida produce el efecto
eléctrico equivalente a la carga resistiva. Para esta finalidad,
pueden ser previstas dos o más porciones desprendidas
circunferenciales, según se requiera.
La figura 22 ilustra las constituciones de
antenas cónicas en las que se forman dos porciones desprendidas de
electrodo en la dirección de la profundidad de la concavidad formada
en el aislador. En este caso, el miembro de baja conductividad de
la concavidad puede estar provisto de estructura de capas múltiples
según se ilustra en el lado de la derecha de la figura. La
estructura de capas múltiples es tal que miembros de baja
conductividad de diferentes conductividades llenan en nivel al
nivel en que está enterrada cada porción desprendida de electrodo.
En este momento, los miembros de baja conductividad están
distribuidos de manera que la conductividad es inferior en el lado
de la base superior. De este modo se mejora el efecto de disminuir
la potencia reflectante a la región o zona de alimentación, y esto
da lugar a banda de adaptación expandida.
El ejemplo no se limita a una antena monocónica,
y es efectivo como un método de carga resistiva para una antena
bicónica. La figura 23 ilustra ejemplos en los que se forma el
conductor a tierra en la otra cara extrema del aislador. En estos
ejemplos, la carga resistiva es aplicada a antenas bicónicas
formadas disponiendo electrodos de radiación en las superficies
internas de concavidades esencialmente cónicas formadas
simétricamente en ambas caras extremas.
Cada una de las antenas bicónicas ilustradas en
las figuras comprende: un aislador; una primera concavidad
esencialmente cónica formada en una cara extrema del aislador; un
primer electrodo de radiación formado en la superficie interna de
la primera concavidad; una primera porción desprendida obtenida
desprendiendo circunferencialmente parte del primer electrodo de
radiación; un primer miembro de baja conductividad que llena la
concavidad al nivel en el que está enterrada al menos la primera
porción desprendida; una segunda concavidad esencialmente cónica
formada en la otra cara extrema del aislador; un segundo electrodo
de radiación formado en la superficie interna de la segunda
concavidad; una segunda porción desprendida obtenida desprendiendo
circunferencialmente parte del segundo electrodo de radiación; y un
segundo miembro de baja conductividad que llena la concavidad hasta
el nivel en el que está enterrada al menos la segunda porción
desprendida.
En los ejemplos ilustrados en la figura 23 son
alimentadas señales eléctricas al espacio de separación entre ambos
electrodos de radiación. Para este fin, se pueden usar varios
métodos. Por ejemplo, se pueden extender líneas paralelas desde la
cara del lado del aislador y conectadas a las regiones de vértice de
los electrodos de radiación. (Este método no se muestra en la
figura).
Como se ha descrito en relación con la figura
22, la presencia del miembro de baja conductividad entre los
electrodos de radiación divididos por la porción desprendida produce
el efecto eléctrico equivalente a carga resistiva. Si la carga
resistiva es aplicada a una antena bicónica, puede ser similarmente
adoptada esta constitución. Es decir, para la finalidad
anteriormente mencionada, se pueden disponer dos o más porciones
desprendidas circunferencialmente en cada uno de los electrodos de
radiación superior e inferior, según se requiera. (Se hace
referencia al centro de la figura 23).
Como se ilustra en el lado derecho de la figura
23, los miembros de baja conductividad en las concavidades pueden
ser provistos de estructura de capas múltiples. La estructura de
capas múltiples es tal que los miembros de baja conductividad de
diferentes conductividades llenan respectivamente hasta el nivel al
que está enterrada cada porción desprendida de electrodo. En este
momento, los miembros de baja conductividad están distribuidos de
manera que la conductividad es inferior en el lado de la base. De
este modo, se mejora el efecto de disminuir la potencia reflectante
a la región o zona de alimentación, y esto da lugar a banda de
adaptación expandida.
La figura 24 ilustra la estructura en sección
transversal de una antena monocónica que es una modificación del
ejemplo de la Figura 20. La antena monocónica ilustrada en la figura
comprende: un aislador formado de forma esencialmente cónica; un
electrodo de radiación formado en la superficie del aislador
esencialmente cónico; una región o zona de hendidura
circunferencial que divide circunferencialmente parte del electrodo
de radiación junto con el aislador situado debajo del mismo; un
miembro de baja conductividad que llena la región o zona de
hendidura circunferencial, y un conductor a tierra dispuesto en la
proximidad de la región de vértice cercana del electrodo de
radiación.
En el ejemplo ilustrado en la figura 24, el
electrodo de radiación es el primero formado en la superficie del
aislador hecho de forma cónica. El electrodo de radiación puede ser
formado mediante chapado o similar. A continuación, parte del
electrodo de radiación es desprendido circunferencialmente y cortado
juntamente con el aislador situado debajo del mismo mediante corte
o similar. La porción cortada y desprendida cortada así obtenida es
llenada con el miembro de baja conductividad. Para el miembro de
baja conductividad, es apropiado conductor que contenga caucho o
elastómero. Se obtiene una conductividad deseada con facilidad
relativa ajustando el contenido del conductor. Además, el segundo
conductor está dispuesto en la proximidad de la región de vértice
del electrodo de radiación.
Con la constitución de antena monocónica
ilustrada en la figura 24, la presencia del miembro de baja
conductividad entre los dos electrodos de radiación produce el
efecto eléctrico equivalente a carga resistiva. (Esto es lo mismo
que anteriormente).
Excusado es añadir que un soporte para fijar la
disposición del conductor a tierra y el aislador es requerido
separadamente, aunque no se muestra en la figura 24.
En el ejemplo de la constitución de una antena
cónica ilustrada en la figura 24, el electrodo de radiación formado
en la superficie del aislador está provista sólo de una porción
cortada y desprendida circunferencialmente. El ejemplo no limita a
uno el miembro de las porciones circunferenciales cortadas y
desprendidas. Se dará una descripción más concreta. Como se ha
mencionada anteriormente, la presencia del miembro de baja
conductividad entre los electrodos de radiación divididos por la
porción desprendida produce el efecto eléctrico equivalente a carga
resistiva. Para este fin pueden ser previstas dos o más porciones
circunferenciales coartadas y desprendidas, según se requiera.
La figura 25 ilustra la constitución de una
antena cónica en la que dos porciones coartadas y desprendidas
están formadas en la dirección de la profundidad del electrodo de
radiación esencialmente cónico formado sobre el aislador. En este
caso, miembros de baja conductividad de diferentes conductividades
pueden llenar las porciones individuales cortadas y desprendidas.
En este momento, los miembros de baja conductividad están
distribuidos de tal manera que la conductividad es inferior en el
lado de la base del aislador. Así se mejora el efecto de
disminución de la potencia reflectante hacia la región o zona de
alimentación, y esto da lugar a banda de adaptación expandida.
El ejemplo ilustrado en la figura 24 no está
limitado a una antena monocónica y es efectivo como un método de
carga resistiva para antenas bicónicas. La figura 26 ilustra
ejemplos de las constituciones de antenas bicónicas que usan
antenas cónicas que se forman proporcionando porciones
circunferenciales cortadas y desprendidas en los electrodos de
radiación formados en las superficies de aisladores cónicos.
La antena bicónica ilustrada a la izquierda de
la figura 26 comprende un primer aislador hecho de forma
esencialmente cónica; un primer electrodo de radiación formado en
la superficie del aislador esencialmente cónico; una primera región
o zona de hendidura circunferencial que divide circunferencialmente
parte del primer electrodo de radiación junto con el aislador
situado debajo del mismo; un primer miembro de baja conductividad
que llena la primera región o zona de hendidura circunferencial; un
segundo aislador hecho esencialmente de forma cónica, cuyo vértice
está opuesto al del primer aislador y cuya base es simétrica con
respecto a la del primer aislador; un segundo electrodo de
radiación formado en la superficie del aislador esencialmente
cónico; una segunda región o zona de hendidura circunferencial que
divide circunferencialmente parte del segundo electrodo de
radiación junto con el aislador situado debajo; y un segundo miembro
de baja conductividad que llena la segunda región o zona de
hendidura circunferencial.
Como se ilustra en la figura 26, se omite la
formación del conductor a tierra en la otra cara extrema de cada
aislador en la proximidad de la región de vértice cercana del
electrodo de radiación. Los aisladores cónicos están dispuestos de
modo que sus respectivos vértices están opuestos entre sí y sus
respectivas bases son simétricas entre sí, y el electrodo de
radiación está formado en la superficie de cada aislador cónico.
Parte de cada electrodo de radiación está cortada y desprendida
circunferencialmente junto con el aislador situado debajo, y estas
porciones cortadas y desprendidas se llenan con el miembro de baja
conductividad. Inútil es añadir que se requiere un soporte para
fijar la disposición de las dos antenas cónicas, aunque ello no se
muestra en la figura.
En el ejemplo ilustrado en la figura 26, son
alimentadas señales eléctricas al espacio de separación entre ambos
electrodos de radiación. Para este fin, se pueden utilizar varios
métodos. Por ejemplo, se pueden extender líneas paralelas desde la
cara del lado del aislador y conectadas a las regiones de vértice de
ambos electrodos de radiación. (Este método no se muestra en la
figura).
Como se ha mencionado anteriormente, la
presencia del miembro de baja conductividad entre los electrodos de
radiación divididos por la porción cortada y desprendida produce el
efecto eléctrico equivalente a carga resistiva. Si la carga
resistiva de acuerdo con el ejemplo ilustrado en la figura 24 se
aplica a una antena bicónica, se puede adoptar similarmente esta
constitución. Para esta finalidad, como se ha descrito en relación
con la figura 25, se pueden disponer dos o más porciones
circunferenciales cortadas y desprendidas en cada uno de los
electrodos de radiación superior e inferior, según sea requerido.
(Se hace referencia al lado derecho de la figura 26).
\newpage
Como se ilustra en el lado derecho de la figura
26, miembros de baja conductividad de diferentes conductividades
pueden llenar las dos porciones cortadas desprendidas formadas en la
dirección de la profundidad del electrodo de radiación
esencialmente cónico formado sobre cada uno de los aisladores
superior e inferior. En este momento, los miembros de baja
conductividad se distribuyen de manera que la conductividad es
inferior en el lado de la base superior. De este modo, se mejora el
efecto de disminuir la potencia reflectante a la región o zona de
alimentación, y esto da lugar a banda de adaptación expandida.
La figura 27 ilustra la estructura en sección
transversal de un ejemplo de una antena monocónica que es otra
modificación del ejemplo de la Figura 20. La antena monocónica
ilustrada en la figura comprende un aislador; una concavidad
esencialmente cónica dispuesta en una cara extrema del aislador; un
electrodo de alimentación en la superficie de la región de vértice
próxima de la concavidad, un miembro de baja conductividad que llena
la cavidad, un conductor a tierra dispuesto próximo y esencialmente
paralelo a la otra cara extrema del aislador o formado directamente
en la otra cara extrema del aislador.
En el ejemplo ilustrado en la figura, la
concavidad cónica se forma primeramente en la superficie del
aislador, y después se forma el electrodo de alimentación en la
superficie interna de la concavidad en la proximidad de su vértice.
El electrodo de alimentación puede ser formado mediante chapado o
similares. A continuación, se llena la concavidad con el miembro de
baja conductividad. Para el miembro de baja conductividad es
apropiado un conductor que contenga caucho o elastómero. Se obtiene
una conductividad deseada con relativa facilidad ajustando el
contenido del conductor. Después, se dispone el conductor próximo y
en esencia paralelamente a la otra cara extrema del aislador.
Alternativamente, el conductor a tierra puede ser formado
directamente en la otra cara extrema del aislador.
Con la constitución de la antena monocónica
ilustrada en la figura 27, el miembro de baja conductividad funciona
como un conductor de radiación, y además se obtiene el efecto
eléctrico equivalente a carga resistiva. Como se ilustra en la
figura, el área del electrodo se reduce significativamente y el
coste puede ser correspondientemente reducido. A diferencia de los
ejemplos mencionadas anteriormente, se omite el proceso de
desprendimiento del electrodo y el coste puede ser
correspondientemente reducido.
Las señales eléctricas son alimentadas al
espacio de separación entre el electrodo de alimentación y el
conductor a tierra. Si las señales eléctricas son alimentadas desde
el lado de la cara trasera del conductor a tierra, se puede adoptar
una tal constitución en la que se hace un orificio en el conductor a
tierra y la región de vértice de la concavidad se extiende hasta
el lado de la cara trasera.
La figura 28 ilustra una modificación de la
antena monocónica ilustrada en la figura 27. Como se ilustra en la
figura 28, el miembro de baja conductividad que llena la concavidad
puede estar provisto de una estructura de capas múltiples en la que
miembros de conductividades diferentes llenan respectivamente hasta
niveles individuales predeterminados. En este momento, los miembros
de baja conductividad se distribuyen de manera que la conductividad
es inferior en el lado de la base superior. De ese modo, se mejora
el efecto de disminuir la potencia reflectante a la región o zona
de alimentación, y esto da lugar a banda de adaptación
expandida.
El ejemplo ilustrado en la figura 27 no se
limita a una antena monocónica, y es efectivo como un método de
carga resistiva para antenas bicónicas. La figura 29 ilustra la
estructura en sección transversal de una antena bicónica
constituida usando antenas cónicas que se forman llenando con un
miembro de baja conductividad los electrodos de alimentación
formados en la superficies de las concavidades cónicas en un
aislador.
En la antena bicónica ilustrada en la figura 29,
se omite la formación del conductor a tierra en ambas caras
extremas del aislador. La antena bicónica comprende: una primera
concavidad cónica y una segunda concavidad cónica formadas
simétricamente en ambas caras; un primer electrodo de alimentación
formado en la superficie de la región de vértice cercana de la
primera concavidad; un primer miembro de baja conductividad que
llena la primera concavidad; un segundo electrodo de alimentación
formado en la superficie de la región de vértice cercana de la
segunda concavidad; y un segundo miembro de baja conductividad que
llena la segunda concavidad.
Con la constitución de antena bicónica ilustrada
en la figura 29, los miembros de baja conductividad funcionan como
conductores de radiación, y además se obtiene el efecto eléctrico
equivalente a carga resistiva. Como se ilustra en la figura, el
área de los electrodos se reduce significativamente y el coste se
puede reducir correspondientemente. A diferencia de los ejemplos
mencionados anteriormente, se omite el proceso de desprendimiento
de electrodo, con lo que el coste se reduce
correspondientemente.
En el ejemplo ilustrado en la figura 29, las
señales eléctricas son alimentadas al espacio de separación entre
los electrodos de alimentación primero y segundo. Para esta
finalidad, se pueden usar varios métodos. Por ejemplo, se pueden
extender líneas paralelas desde la cara lateral del aislador y
conectadas a las regiones de vértice de ambos electrodos de
radiación. (Este método no se muestra en la figura).
La figura 30 ilustra una modificación de la
antena bicónica ilustrada en la figura 29. Como se ilustra en la
figura 30, el miembro de baja conductividad que llana cada
concavidad puede estar provisto de estructura de capas múltiples en
la que miembros de conductividades diferentes llenan respectivamente
hasta niveles individuales predeterminados. En este momento, los
miembros de baja conductividad se distribuyen de tal manera que la
conductividad es inferior en el lado de la base superior. De este
modo se mejora el efecto de disminuir la potencia reflectante a la
parte de alimentación, y esto da lugar a una banda de adaptación
expandida.
En las realizaciones y ejemplos mencionados
anteriormente con referencia a las figuras, el electrodo de
radiación de la antena cónica está hecho en una forma cónica.
Incluso si la forma del electrodo de radiación es esencialmente
cónica como un cono o pirámide elíptica, el efecto de la presente
invención se produce igualmente. No existe tampoco limitación
especial sobre la forma del cilindro aislador y, básicamente, se
puede adoptar cualquier forma, incluyendo la de cilindro circular y
prisma, fácil de manejar.
De acuerdo con la presente invención, se puede
proporcionar una excelente antena monocónica en la que su inherente
calidad de las características de banda ancha se mantiene
suficientemente y además la reducción de tamaño se consigue al
proporcionarse la carga del dieléctrico.
Además, de acuerdo con la presente invención, el
alcance de aplicación de una antena monocónica de carga dieléctrica
puede ser ampliada de manera espectacular y así la antena puede ser
llevada dentro del uso práctico, por ejemplo, como una pequeña
antena para un sistema de comunicaciones de banda
ultra-ancha.
Además, de acuerdo con la presente invención, se
puede proporcionar una excelente antena monocónica en la que se
consigue la reducción de perfil independientemente de la selección
del dieléctrico.
Si los métodos de constitución, de acuerdo con
la presente invención, son utilizados cuando una antena monocónica
se reduce en tamaño por la carga dieléctrica, la calidad de las
característica de banda ancha inherentes pueden mantenerse
suficientemente en la antena monocónica. A la misma vez, la
constitución de perfil bajo puede ser adoptada. La antena así
obtenida es útil, por ejemplo, como una pequeña antena de perfil
bajo para sistemas de comunicaciones de banda
ultra-ancha.
Claims (2)
1. Una antena monocónica (1) que comprende: una
concavidad (11) esencialmente cónica con una región o zona de base
y una región o zona de vértice formada en la primera cara extrema de
un dieléctrico (10); un electrodo de radiación (12) dispuesto en la
superficie de dicha concavidad (11) o un electrodo de radiación (12)
dispuesto para que dicha concavidad (11) sea rellenada con él; y
un conductor a tierra (13) dispuesto en las proximidades de, y
esencialmente paralelo a, la otra cara extrema opuesta a la primera
cara de dicho dieléctrico (10), y está así constituido para que las
señales eléctricas sean alimentadas entre la región o zona de
vértice de dicho electrodo de radiación (12) y dicho conductor a
tierra (13), en el que el ángulo de semicono de dicha región o zona
de vértice, entre un eje central y la superficie de la concavidad,
es menor de 90 grados,
caracterizado
porque el ángulo de semicono de dicha concavidad
(11) disminuye escalonada o continuamente desde la región o zona de
base a la región o zona de vértice, y
porque la relación de la altura h de
dicha concavidad (11) al radio efectivo r de la región o zona
de base de dicha concavidad (11) viene determinada por la siguiente
expresión que describe su relación con la constante dieléctrica
relativa \varepsilon_{r} de dicho dieléctrico (10):
tang^{-1}(r/h)> 0,8
\cdot tang^{-1}(1,7/\varepsilon_{r}) + 13 \hskip1cm
(Unidad de ángulo:
grado)
2. La antena monocónica (1) de acuerdo con la
reivindicación 1,
en la que un electrodo de alimentación está
formado en la otra cara (o segunda cara) extrema,
en la que el primer extremo del electrodo de
alimentación penetra a dicho dieléctrico (10) y está conectado
eléctricamente con dicho electrodo de radiación (12) en la región o
zona de vértice, y
en la que el otro extremo del electrodo de
alimentación está así formado para que alcance una cara lateral de
dicho dieléctrico (10).
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