ES2396383A2 - Antena para estaciones base - Google Patents
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Abstract
Antena cargada con partículas metamateriales, multifrecuencia, autodiplexada y de tamaño reducido para estaciones base. Array de antenas realizado con elementos radiantes multifrecuencia y autodiplexados que se alimentan por varias redes de formación de haz que integran o acoplan partículas filtrantes de manera que consiguen un aislamiento importante entre cada una de las redes. Las estructuras autodiplexadas anteriores, elementos radiantes y redes de formación, se consiguen mediante la inclusión de partículas metamateriales en cada una de ellas. Cada red terminará en un puerto de conexión que proveerá un ancho de banda suficiente para el correspondiente servicio de telecomunicación y con un aislamiento importante entre dichos servicios. La inclusión de las partículas metamateriales ha permitido reducir el tamaño de la antena propuesta en, al menos, un 40% respecto a las antenas convencionales utilizadas en la actualidad para las estaciones de base de telefonía móvil.
Description
Antena para estaciones base.
La presente invención se refiere a una agrupación de antenas autodiplexadas (“array” en la literatura técnica) con redes de alimentación filtrantes que permite obtener un sistema radiante con varios puertos aislados entre sí (autodiplexamiento). El diplexamiento en los elementos radiantes y en las redes de alimentación se consigue mediante la inserción de estructuras metamateriales. Cada uno de los puertos de la antena resultante proporciona una banda de frecuencias suficiente asociada al servicio de telecomunicación de que se trate.
Es por lo tanto objeto de la invención el obtener una antena autodiplexada de reducidas dimensiones, fácil de implantar y con un reducido coste.
El gran crecimiento que han experimentado los sistemas de comunicaciones inalámbricos ha desembocado en una proliferación de estándares y diferentes generaciones de los mismos. Esto ha originado un aumento de las estaciones base necesarias para proporcionar la cobertura de dichos sistemas.
Los elementos radiantes de estas estaciones de base, generalmente, son arrays de antenas que proporcionan la ganancia y anchura de haz requeridas para dar servicio a la celda asociada a la estación de base. Inicialmente, la disparidad de frecuencias y servicios llevó a instalar estaciones de base diferentes para cada estándar o banda de frecuencias.
Actualmente, las estaciones de base están constituidas por varias agrupaciones de antenas asociadas a cada uno de los servicios de comunicaciones inalámbricos que tienen que proveer. Cada uno de estos arrays tiene su propia red de alimentación con un puerto de conexión hacia el exterior que proporciona el correspondiente servicio de comunicaciones. Esta técnica permite tener buenos aislamientos entre los distintos puertos de la estación de base, lo cual es requerido para evitar interferencias. Sin embargo, esta técnica tiene varios inconvenientes.
El primer inconveniente se deriva del empleo de varias agrupaciones de antenas dentro de una única estación de base. Esto se traduce en un aumento de las dimensiones, peso y coste de la propia estación base.
El segundo inconveniente es que todos los puertos de conexión tienen un funcionamiento en banda ancha que cubre todas las bandas de frecuencia de los servicios de comunicaciones inalámbricos. La consecución de un aislamiento importante entre los correspondientes servicios y enlaces requiere el empleo de filtros externos para evitar interferencias entre las distintas bandas.
Estos filtros o etapas filtrantes se materializan en estructuras en funciones de resonador o de estructura metamaterial.
En cuanto a la polarización de la antena, la misma se define a partir de la distinta posición o situación de las antenas agrupadas o apiladas o bien a partir de la distinta posición o situación de las redes de alimentación.
La antena para estaciones base que la invención propone resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta en cada uno de los aspectos comentados.
De forma más concreta, la invención consiste en obtener agrupaciones de antenas multifrecuencia autodiplexadas de reducido tamaño para estaciones de base de telefonía móvil.
El array de antenas multifrecuencia y autodiplexadas obtenido pretende sustituir al conjunto de antenas de banda ancha comúnmente empleadas en las estaciones de base.
La antena podrá emplear tantas redes de formación como servicios de comunicaciones sean requeridos. De esta forma proporcionarán un puerto de conexión distinto para cada servicio y banda de frecuencias.
Las redes de formación emplearán líneas filtrantes para su realización. Estas líneas filtrantes, unida a la presencia de elementos radiantes autodiplexados, permiten filtrar las bandas de frecuencia no deseadas en cada uno de los puertos y aumentar el aislamiento entre los mismos. Dichas etapas filtrantes se materializan en estructuras en funciones de resonador o de estructura metamaterial.
De forma más concreta, las redes de formación del haz se imprimen sobre un sustrato dieléctrico, de manera que el plano de masa de las antenas hace las funciones de plano de masa de las redes de formación del haz.
Dichas redes de formación del haz se realizan en cualquier tecnología plana, pudiendo ser microstrip, coplanar o stripline.
El array de antenas proporcionará dos o más anchos de banda con, sustancialmente, el mismo diagrama de radiación y con características radiantes elevadas.
Otro objeto de la realización es proporcionar una agrupación de antenas para estaciones base cuyo proceso de diseño y fabricación sea sencillo, de bajo peso y de reducido tamaño y coste global. La presente invención busca reducir tamaño, precio y coste frente a las tradicionales estaciones de base de telefonía móvil con varios conectores para distintas frecuencias, todo ello mediante el empleo de partículas metamateriales.
Finalmente, y en cuanto a la polarización de la antena, la misma se define a partir de la distinta posición o situación de las antenas apiladas o bien a partir de la distinta posición o situación de las redes de alimentación.
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra una representación esquemática de sendas antenas para dar servicio DCS y UMTS, la de la izquierda, correspondiente a la solución convencional, concretamente dos arrays separados de banda ancha, mientras que a la derecha se representa una agrupación de antenas multifrecuencia autodiplexada, realizada de acuerdo con el objeto de la presente invención.
La figura 2.- Muestra esquemáticamente en una vista frontal una agrupación de antenas de parche multifrecuencia autodiplexada de acuerdo a la realización.
La figura 3.- Muestra, de acuerdo con una vista posterior esquemática, una agrupación de antenas de parche multifrecuencia autodiplexada de acuerdo a la realización.
La figura 4.- Muestra, según una vista en alzado invertida esquemática, una agrupación de dos antenas de parche multifrecuencia autodiplexada realizadas de acuerdo con la invención.
Las figuras 5A y 5B.- Muestra sendos detalles correspondientes a dos posibilidades para la red de alimentación para la frecuencia del servicio.
La figura 6.- un detalle de la red de alimentación para la segunda frecuencia del servicio, en la que aparece un detalle ampliado de las líneas filtrantes con la línea impresa de alimentación, los elementos capacitivos interdigitales para rechazar la frecuencia inferior, y los anillos complementarios CSRR (complementary split ring resonators) impresos sobre la parte posterior del substrato.
La figura 7.- Muestra, finalmente, una vista en sección del dispositivo de la invención.
En la figura 1, se ha representado el concepto de una agrupación de antenas multifrecuencia autodiplexada (parte derecha de la figura) objeto de la invención, frente a dos arrays separados de banda ancha convencionales (parte izquierda de la figura).
En ambos casos, ambas antenas estarán dotadas de un conector del servicio (1) del panel de comunicaciones móviles, y un segundo conector del segundo servicio (2) del panel de comunicaciones móviles.
En el caso de la antena convencional, ésta estará formada por un primer array (3), destinado al primer servicio, y un segundo array (4) destinado al segundo servicio, mientras que en la antena que propone la invención se establece un único array (5) destinado a ambos servicios, concretamente una agrupación de antenas apiladas multifrecuencia autodiplexada, antenas formadas por elementos apilados y estructuras resonadoras metamateriales.
En la figura 3 se ha representado esquemáticamente en una vista posterior una agrupación de antenas de parche multifrecuencia autodiplexada de acuerdo a la realización, pudiéndose observar la parte trasera del array (21), la ubicación del parche autodiplexado (22), el puerto de alimentación del primer servicio (23) (i.e. DCS), el puerto de alimentación del segundo servicio (24) (i.e. UMTS), la red de alimentación del primer servicio (25), líneas filtrantes metamateriales (26) en la red de alimentación del primer servicio, la red de alimentación del segundo servicio (27), las líneas filtrantes metamateriales (28) en la red de alimentación del segundo servicio, la dimensión vertical del array (6), y la dimensión horizontal (10) del array.
Por su parte, en la figura 4, y tal y como se ha comentado anteriormente, se muestra esquemáticamente, en una vista en alzado invertida, una agrupación de dos antenas de parche multifrecuencia autodiplexada, en la que se define una entrada de la alimentación del primer servicio (31) (i.e. DCS), una segunda entrada de la alimentación del segundo servicio (32) (i.e. UMTS), un parche principal inferior con elementos filtrantes metamateriales (33) (SRR, split ring resonators), un parche parásito superior (34), 35 partículas metamateriales asociadas al primer servicio (35), una conexión (36) al parche del primer servicio, y una segunda conexión (37) al parche del segundo servicio.
En cuanto a las figuras 5A-5B en las mismas se muestra el detalle de dos posibilidades para la red de alimentación para la frecuencia del primer servicio (i.e. DCS), concretamente en la figura 5A se puede observar la parte superior
(41) del substrato de la red de alimentación basada en topología banda eliminada, los anillos SRR filtrantes (42) del primer servicio; mientras que la referencia (43) constituye a un detalle equivalente para la segunda opción, la mostrada en la figura 5, opción de filtrado paso bajo del primer servicio, en el que se establece una línea impresa de alimentación (44), y anillos OCSRR (open complementary split ring resonators) (45) grabados sobre la línea.
Por su parte, la figura 6 muestra un detalle de la red de alimentación para la frecuencia del segundo servicio (i.e. UMTS). Se muestra un detalle de las líneas filtrantes con línea impresa de alimentación (51), elementos capacitivos interdigitales (52) para rechazar la frecuencia inferior, y anillos complementarios CSRR (53) (complementary split ring resonators) impresos sobre la parte posterior del substrato.
Por último, en laa figura 7 se muestra el corte de la estructura completa, en el que se define un plano de masa (61), un substrato de la línea de alimentación (62), un substrato de antena principal (63), un parche principal (64), partículas metamateriales (65), una capa de espuma (66), un substrato de parche superior (67), y un parche parásito superior (68).
A partir de esta estructuración, se consigue una drástica reducción en la volumetría de la antena, de manera que de acuerdo a las cotas establecidas en la figura 1, para una misma dimensión vertical (6) del ambas antenas, la profundidad (8) de la antena propuesta será del orden de 2/3 de la profundidad (7) de la antena convencional, mientras que la anchura (10) de la nueva antena será del orden de la mitad que la antena convencional.
Pasando ya a la estructura interna de la antena, y de acuerdo con las figuras 2 a 7, la antena (11) está formada por ocho parches apilados con partículas metamateriales adjuntas (35 y 36) al parche inferior (64) y principal. El parche inferior (64) de dimensiones L2xL2, se dispone sobre un sustrato de material plástico (63), de altura h2 y permitividad Er3, a su vez situado sobre un plano de masa (61), Y el parche superior (68), de dimensiones L1xL1, se establece sobre una espuma (66) y un segundo sustrato (67), también, de material plástico de altura h1 y permitividad Er1.
El parche inferior (64) hace las funciones de plano de masa del parche superior (68). Ambos sustratos podrían estar separados por una capa de aire o un material ligero, poroso como un material de espuma (66), de altura h_foam.
Debido a los dos parches inferior (64), y superior (68), anteriormente citados, se obtienen dos resonancias, o frecuencias de funcionamiento. Estas resonancias se pueden ajustar en función de los parámetros L1, L2, h1, h2, h foam, Er1 Y Er2 hasta conseguir aproximarlas, de modo que se obtenga una antena (11) con un ancho de banda suficiente para cubrir toda la banda de interés.
Adicionalmente se pueden añadir al menos una pareja de partículas metamateriales (65), denominadas Split-Ring-Resonators SRRs, para que actúen como resonadores, bobina y condensador en paralelo. Estas partículas acopladas al parche inferior (64), permiten obtener una banda eliminada a la frecuencia de resonancia del SRR o partícula metamaterial (65), que divide el ancho de banda total del parche apilado de la antena (11) en dos subbandas con un ancho de banda moderado en cada una de ellas.
Si la frecuencia de la partícula metamaterial (65) es tal que coincide con la banda de la antena (11) apilada, se obtiene una banda eliminada a la frecuencia de la partícula metamaterial (65). Por lo tanto, en función de la frecuencia de resonancia de la partícula metamaterial (65), se puede obtener una banda eliminada a distintas frecuencias, lo que permite obtener antenas (11) de dos bandas con un ancho de banda moderado.
Además, esta banda eliminada o notch se podría hacer sintonizable mediante la inserción de al menos un elemento ajustable electrónicamente como diodos varactores o tornillos ajustables próximos a la partícula metamaterial (65).
Estos tornillos, en función de su posición, introducen una perturbación que modifica ligeramente la frecuencia de resonancia de la partícula metamaterial (65), y por tanto la de la banda eliminada obtenida.
De este modo, ajustando la frecuencia de resonancia de la banda eliminada, se puede ajustar los anchos de banda de las dos bandas de la antena (11).
La frecuencia de la banda eliminada es función del tamaño, del ancho de las líneas y de la separación entre las líneas de la partícula metamaterial (65).
La inclusión de los elementos filtrantes en las líneas de alimentación aumentan el aislamiento existente entre cada uno de los puertos. De esta forma se llega a un filtrado apropiado de los servicios DCS y UMTS.
Las líneas de alimentación están sobre un substrato (62) de permitividad Er3 con altura h3. Habr
á una red de alimentación asociada al primer servicio, que se muestra en la figura 5. Sobre dicho substrato se difunden también los anillos (45) de radio interior R1 y radio exterior R2 y que fortalecerán las características “paso bajo” para eliminar la frecuencia superior del segundo servicio.
Las líneas de alimentación asociadas al servicio 2 están sobre el substrato (62) de permitividad
Er3 con altura h3. Dicha red de alimentación tiene anillos complementarios (OCSRR) en la parte de su plano de masa (53) y la línea presenta capacidades interdigitales (52) integradas con la línea asociada al segundo servicio.
Claims (1)
- REIVINDICACIONES
- 1ª.-
- Antena para estaciones base, caracterizada porque está constituida a partir de una agrupación de antenas
- apiladas multifrecuencia
- autodiplexadas, formadas por elementos apilados y estructuras resonadoras
- 5
- metamateriales.
- 2ª.-
- Antena para estaciones base, según reivindicación 1ª, caracterizada porque las redes de formación del haz se
- imprimen sobre un sustrato dieléctrico, de manera que el plano de masa de las antenas hace las funciones de
- plano de masa de las redes de formación del haz.
- 10
- 3ª.-
- Antena para estaciones base, según reivindicaciones 1ª y 2ª, caracterizada porque las redes de formación del
- haz se realizan en cualquier tecnología plana, pudiendo ser microstrip, coplanar o stripline.
- 4ª.-
- Antena para estaciones base, según reivindicaciones 1ª y 2ª, caracterizada porque en cada una de las redes de
- 15
- formación de haz se conectan o acoplan al menos un etapa filtrante o estructura metamaterial impresa.
- 5ª.-
- Antena para estaciones base, según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las etapas filtrantes se
- materializan en estructuras en funciones de resonador o de estructura metamaterial.
- 20
- 6ª.- Antena para estaciones base, según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la polarización de la
- misma se define a partir de la distinta posición o situación de las antenas apiladas.
- 7ª.-
- Antena para estaciones base, según reivindicaciones 1ª a 5ª, caracterizada porque la polarización de la misma
- se define a partir de la distinta posición o situación de las redes de alimentación.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES201031892A ES2396383B1 (es) | 2010-12-21 | 2010-12-21 | Antena para estaciones base |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES201031892A ES2396383B1 (es) | 2010-12-21 | 2010-12-21 | Antena para estaciones base |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2396383A2 true ES2396383A2 (es) | 2013-02-21 |
| ES2396383R1 ES2396383R1 (es) | 2013-03-25 |
| ES2396383B1 ES2396383B1 (es) | 2014-01-30 |
Family
ID=47631772
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES201031892A Withdrawn - After Issue ES2396383B1 (es) | 2010-12-21 | 2010-12-21 | Antena para estaciones base |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2396383B1 (es) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110459875A (zh) * | 2019-08-12 | 2019-11-15 | 苏州大学 | 一种基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面 |
-
2010
- 2010-12-21 ES ES201031892A patent/ES2396383B1/es not_active Withdrawn - After Issue
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110459875A (zh) * | 2019-08-12 | 2019-11-15 | 苏州大学 | 一种基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2396383B1 (es) | 2014-01-30 |
| ES2396383R1 (es) | 2013-03-25 |
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Legal Events
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Ref document number: 2396383 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20140130 |
|
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Effective date: 20140603 |