ES2396537B1 - Antena planar multi-tramo. - Google Patents

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Guillermo Enrique TALAVERA VELILLA
Renat MARTIN RIUS
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    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
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Abstract

Antena planar multi-tramo.#Comprende, dispuesta sobre un substrato (2), una pista plana conductiva (3) con:#- un primer tramo (3a), que es recto, con un primer y un segundo extremos;#- un segundo tramo (3b), con forma de meandro, que se extiende desde dicho segundo extremo de dicho primer tramo (3a) recto, y#- un tercer tramo (3c), que es recto, que se extiende desde el extremo del segundo tramo (3b) más alejado del primer tramo (3a).

Description

Antena planar multi-tramo
Sector de la técnica
La presente invención concierne en general a una antena planar multi-tramo que
5
comprende una pista plana conductora, un tramo recto unido a un tramo serpenteante o
de meandro, y más particularmente a una antena planar que comprende además un tercer
tramo recto de manera que proporciona una solución de compromiso entre la necesidad
de ajustar la estructura en un espacio limitado y la forma de diseño necesaria para
construir una antena eficiente.
1 O
La presente invención es particularmente aplicable a las antenas realizadas en
circuitos impresos para los dispositivos de comunicación inalámbrica que disponen de
espacio limitado para las antenas (como sistemas embebidos inalámbricos que transmiten
en las bandas ISM).
Las antenas monopolo se comportan meJor (de forma más eficiente) si los
15
segmentos se disponen a lo largo de una línea recta perpendicular al plano de masa. La
longitud total de la línea recta suele ser igual a AJ4 (monopolo resonante), siendo 'A la
longitud de onda de la señal a transmitir. Sin embargo, en numerosas aplicaciones, no es
posible disponer el monopolo en línea recta lo que conlleva una reducción en la
eficiencia de la antena. Mediante la presente invención se proporciona una antena que
20
cabe en un espacio reducido manteniendo dos segmentos rectos de la antena lo más
largos posible para evitar la reducción de dicha eficiencia.
Estado de la técnica anterior
Hoy en día existen múltiples plataformas digitales que proporcionan servicios
25
sobre enlaces inalámbricos y que deben implantarse en espacios físicos reducidos. Un
ejemplo de dichas plataformas son las extensiones inalámbricas para dispositivos de
medición que permiten la lectura a distancia de sensores (o la transmisión periódica de
las lecturas de los sensores de medida remota de fluidos como agua, gas o electricidad) y
sustituyen a la necesidad de contar con un técnico que realice la lectura del sensor in situ.
30
En estos casos, el espacio físico para el dispositivo es limitado y un buen diseño de la
antena resulta importante para que la lectura o transmisión se pueda llevar a cabo a una
cierta distancia.
Estructuras clásicas de antenas, como monopolos y dipolos, se pueden fabricar
usando componentes estructurales específicos como cables, tubos y soportes mecánicos. Éste es un método de fabricación costoso y añade un gasto significativo en relación con las aplicaciones embebidas. En cualquier caso, la antena resultante suele ser demasiado grande para caber en el espacio disponible.
Las antenas sobre circuitos impresos (Printed Circuit Board, PCB) son una buena solución ya que el precio se mantiene bajo, permitiendo la posibilidad de fabricación a gran escala mediante las tecnologías de bajo coste que se emplean habitualmente para circuitos microelectrónicos.
Mediante antenas PCB pueden integrarse varios tipos de antenas:
Antenas clásicas monopolo y dipolo [1 ~ 5]:
Las antenas clásicas monopolo y dipolo (entendiendo por clásicas el hecho que dichas antenas se dispongan a lo largo de una línea recta), pueden fabricarse utilizando tecnologías PCB. Sin embargo, en muchas aplicaciones, la frecuencia de operación suele ser lo suficientemente baja como para que el tamaño de la antena resulte excesivo en comparación al resto de la placa.
Antenas de meandro o serpenteadas [6 ~ 10]:

La antena meandro, o el patrón meandro, es una antena que dispone la longitud de pista requerida para que la antena sea resonante siguiendo un trazado doblado hacia atrás y adelante. De esta forma resulta una estructura mucho más compacta de la que se obtendría de otro modo. Las antenas meandro, espiral y hélice son similares en tanto que la resonancia se obtiene en un espacio reducido por la compresión del trazado de la antena de diferentes maneras. En los tres casos, la resistencia de radiación, ancho de banda, y la eficiencia disminuyen a medida que se aumenta la compactación. El motivo de esta reducción de eficiencia se debe al hecho de que se han dispuesto distribuciones de corrientes próximas entre sí con signos opuestos, cancelándose sus contribuciones a los campos radiados. Además, su ajuste se hace cada vez más crítico. De forma similar a como se hace con otras antenas la adaptación de impedancias se puede implementar ajustando la forma de acceder a la antena. El meandro y la antena helicoidal, o una combinación de las dos, son fáciles de implementar en una PCB y muchas antenas en chips cerámicos se basan en este tipo de antenas.
Antenas bucle [11-12]:
Una antena bucle tiene un trazado conductor continuo que parte de uno de los
conductores de una línea de transmisión y finaliza en el otro conductor de la línea de
5
transmisión. Las antenas bucle se pueden dividir en tres: antenas de media longitud de
onda, de longitud de onda entera, y antenas "series-loaded short loop" (en este caso el
término onda se refiere a la circunferencia aproximada del bucle). En el caso que sus
dimensiones sean comparables a la longitud de onda el tamaño de estas antenas es
excesivo para muchas aplicaciones. Si, por el contrario, las dimensiones son pequeñas
1O
sus características de radiación son peores que las de un monopolo.
Antenas basadas en curvas que llenan el espacio [13]:
Otra alternativa para obtener una cierta longitud de antena en un área reducida es
utilizar curvas que rellenan el espacio ("space filling curves") muchas de las cuales se
15
basan en diseños fractales. El aspecto clave de este tipo de curvas reside en la repetición
de un motivo sobre dos o más tamaños de escalas o iteraciones de forma que cada tramo
de la pista conductora es sólo una pequeña fracción de la longitud de onda.
Aunque este concepto permite generar antenas muy compactas siguiendo un
proceso sistemático, también aparecen distribuciones de corrientes próximas con signos
20
opuestos que reducen la eficiencia de radiación de la antena.
Todas las antenas PCB expuestas anteriormente presentan inconvenientes
(eficiencia, tamaño, forma, etc.) otorgándoles un carácter subóptimo para usarse en
comunicaciones de módulos o sistemas embebidos de banda única (como por ejemplo los
25
868 MHz de las bandas de radio industrial, científica y médica).
La patente FR 2911998Bl [10] muestra una pequeña antena serpenteada para el
dominio embebido formada por un primer tramo recto y un segundo tramo serpenteado.
Como se verá en un apartado posterior (donde se muestra una comparativa de los
30
resultados obtenidos mediante dicha antena y la propuesta por la invención), la antena
propuesta en dicha patente francesa presenta una serie de inconvenientes que limitan su
número de aplicaciones, no siendo apta para el mencionado uso en comunicaciones
embebidas de banda única de 868MHz.
debido a cancelaciones de corrientes, la parte en forma de meandro presenta una baja eficiencia de radiación. El cociente entre el primer y el tercer tramo permite modular los efectos de un meandro dado: cuanto mayor es el cociente mayor es la eficiencia de radiación pero menor la reducción de tamaño obtenida, y viceversa. Por lo tanto, combinando estas tres partes en un espacio dado puede encontrarse un compromiso para el tamaño de cada parte para obtener una antena resonante con la eficiencia de radiación óptima.
Breve descripción de los dibujos:
Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a título ilustrativo y no limitativo, en los que:
La Fig. 1 es una vista en perspectiva de la antena propuesta por la invención según un primer ejemplo de realización;
Las Figs. 2A a 2C muestran, mediante unas respectivas vistas en planta superior, alzado y planta inferior, a la antena de la Fig. 1 acoplada a una placa de circuito según una primera disposición;
Las Figs. 3A a 3C muestran, mediante unas respectivas vistas en planta superior, alzado y planta inferior, a la antena de la Fig. 1 acoplada a la placa de circuito según una segunda disposición;
Las Figs. 4A a 4C muestran, mediante unas respectivas vistas en planta superior, alzado y planta inferior, a la antena de la Fig. 1 acoplada a la placa de circuito según una tercera disposición;
La Fig. 5 es una vista en planta de la antena propuesta por la invención para un segundo ejemplo de realización;
Las Figs. 6A a 6C muestran, mediante unas respectivas vistas en planta superior, alzado y planta inferior, a la antena de la Fig. 5 acoplada a una placa de circuito según una primera configuración;
Las Figs. 7 A a 7C muestran, mediante unas respectivas vistas en planta superior, alzado y planta inferior, a la antena de la Fig. 5 acoplada a una placa de circuito según una segunda configuración;

Las Figs. 8A a 8D muestran, mediante unas respectivas vistas parciales en planta superior, a la antena de la Fig. 1 acoplada a la placa de circuito según otras disposiciones;
Las Figs. 8E y 8F muestran, mediante unas respectivas vistas parciales en planta superior, a la antena de la Fig. 5 acoplada a una placa de circuito según otras configuraciones;
La Figs. 9A a 9E muestran diferentes diseños de la antena propuesta por la presente invención para diferentes ejemplos de realización, en particular la Fig. 9A: para el primer ejemplo de realización de la Fig. 1, la Figs 9B para el segundo ejemplo de realización de la Fig. 5, la Fig. 9C para un tercer ejemplo de realización, la Fig. 9D para un cuarto ejemplo de realización y la Fig. 9E para un quinto ejemplo de realización;
La Fig. 1 O es una gráfica que muestra los resultados medidos de la relación de onda estacionaria de la antena de la Fig l. Donde a) muestra la relación de onda estacionaria para el rango comprendido entre 500 y 8500MHz y b) muestra un detalle de la relación de onda estacionara para el rango comprendido entre 750 y 1050MHz;
La Fig 11 es una gráfica donde se ilustran los resultados obtenidos mediante la antena propuesta en FR2911998Bl, según la implementación ilustrada en la Fig. 12, y la antena propuesta por la presente invención, según la implementación ilustrada en la Fig. 13, representándose en particular una comparativa del coeficiente de reflexión S 11 de ambas antenas;
La Fig. 12 muestra la implementación de la antena propuesta en FR2911998Bl que ha ofrecido los resultados ilustrados en la Fig. 11; y
La Fig. 13 muestra la implementación de la antena propuesta por la presente invención, según el ejemplo de realización de la Fig. 1, que ha ofrecido los resultados ilustrados en la Fig. 11.
Descripción detallada de unos ejemplos de realización

Para realizar una comparación con la antena propuesta por la presente invención, se han implementado las dos antenas, la de la patente FR2911998Bl (ver Fig. 12) y la propuesta por la invención (ver Fig. 13) con la misma tecnología y substrato (FR4). El análisis en el espectro frecuencial ilustrado en la gráfica de la Fig. 11 muestra que la antena de FR2911998Bl puede radiar en banda ancha. Esta emisión en banda ancha se realiza a expensas de la potencia de emisión que puede ser crucial para un gran número de aplicaciones, como por ejemplo aplicaciones de medición sobre bandas ISM en las que la potencia de emisión puede resultar un factor clave en la implementación
satisfactoria de un diseño. dirección de un lado del substrato.
La antena propuesta por la presente invención muestra además un mejor
coeficiente de reflexión (S 11) a diferentes frecuencias, que la dota de mayor versatilidad
y le permite estar operativa a diferentes frecuencias con un parámetro S 11 mejor. Un
5
caso claro se muestra en la banda de 868 MHz, en el que la antena propuesta por la
presente invención tiene un parámetro S 11 de -10.5 dB en contraposición a los -0.2 dB de
la antena propuesta en la patente FR2911998Bl. Del mismo modo, a frecuencia 5.38
GHz los parámetros son -14.3 dB y -4.9 dB respectivamente. En la Figura 11 está
representado el parámetro Sll para la dos antenas (en dB) en función de la frecuencia (en
1O
GHz), correspondiendo la gráfica de trazo más claro a la antena propuesta por la presente
invención y la de trazo más oscuro a la de la FR2911998Bl.
En la Fig. 1 O se ilustran la relación de onda estacionaria medida mediante la
antena propuesta por la presente invención para el diseño de la Fig. l. Donde a) muestra
la relación de onda estacionaria para el rango comprendido entre 500 y 8500MHz y b) es
15
muestra un detalle de la relación de onda estacionara para el rango comprendido entre
750 y 1050MHz.
A continuación la antena propuesta por la presente invención se explica en detalle
con referencia a las figuras adjuntas, para varios ejemplos de realización.
20
Primer ejemplo de realización:
Según se ilustra en la Fig. 1, para este primer ejemplo de realización, a antena 1
tiene un substrato dieléctrico 2, un conductor de antena 3 dispuesto sobre una superficie
25
del substrato dieléctrico 2, y tiene una toma de alimentación 4 dispuesta en un lado del
substrato dieléctrico 2. La longitud total del conductor de la antena debe ser de al menos
IJ4, donde IJ4 es el tamaño óptimo para una antena recta y este tamaño debe aumentar
con el tamaño del meandro de la antena.
El conductor de antena 3 tiene un primer tramo recto 3a, un segundo tramo de
30
meandro 3b y un tercer tramo también recto 3c. El primer tramo recto 3a y el segundo
tramo de meandro 3b meandro se encuentran ubicados en un lado del eje 5a/b?
El primer tramo recto 3a discurre desde la toma de alimentación 4, dispuesta en la
porción extrema del substrato, en la dirección de la flecha A de la Fig. 1, es decir, en la
El segundo tramo del conductor de antena es un tramo de meandro 3b que se
extiende desde el segundo extremo del primer tramo recto 3a en la misma dirección que
el primer tramo 3a, en la dirección de la flecha A de la Fig. 1, es decir, en la dirección de
5
un lado del substrato.
El tercer tramo 3c del conductor de antena es la prolongación del último
segmento del tramo de meandro 3b en una dirección perpendicular al eje 5a y en paralelo
al eje 5b y de forma paralela al otro lado del substrato 2. Este tercer tramo 3c del
conductor de antena utiliza la longitud máxima posible del lado largo del substrato 2
1 O
antes de llegar a la longitud total necesaria para la antena.
Es preferible acortar la longitud del conductor del tramo de meandro 3b y
extender la de los tramos rectos 3a y 3c del conductor en lugar de lo contrario, con el fin
de maximizar la eficiencia de la antena.
15
La Figs. 2A a 2e muestran un ejemplo de fijación de la antena 1 a la placa de
circuito 6, de tal manera que el lado largo de la antena es ortogonal al borde 7h del plano
de tierra 7, según una primera disposición. La placa de circuito 6 comprende un substrato
de aislamiento 8, una línea de alimentación 9 y un plano de tierra 7. El patrón del circuito
(que se omite en la figura) incluyendo la red de alimentación 9 se forma en un lado del
20
substrato de aislamiento 8, y el plano de tierra 7 en el otro lado. La antena 1 se monta en
la placa de circuito 6 mediante la soldadura de la toma de alimentación 4 con el extremo
de la línea de alimentación 9.
Las Figs. 3A a 3e muestran un ejemplo de la antena 1 integrada dentro de la placa
de circuito 6, según una segunda disposición. La figura 3e muestra una porción recortada
25
e, que ha sido formada mediante la realización de un corte del plano del tierra 7 por una
esquina de la placa de circuito 6 con las mismas dimensiones que la antena l. Es
obligatorio que la porción recortada e del plano de tierra 7 sea más grande que el tamaño
de la antena y del área donde se encuentra fijada. Es aconsejable que las distancias Dl y
D2 sean lo más grandes posible.
30
Las Figs. 4A a 4e muestran otro ejemplo de la antena 1 integrada dentro de la
placa de circuito 6, según una tercera disposición .. La Fig. 3e muestra una porción
recortada e, que ha sido formada mediante la realización de un corte del plano del tierra
7, del mismo tamaño que la antena 1, en una esquina de la placa de circuito 6. Es
obligatorio que la porción recortada C del plano de tierra 7 sea más grande que el tamaño de la antena y del área donde se encuentra fijada y es aconsejable que las distancias D1, D2 y D3 sean lo más grandes posible.
La antena se encuentra fijada en el otro lado de esta parte del plano de masa 7 de tal manera que el lado largo del tramo de meandro 3c sea paralelo al borde 7h del plano de tierra 7. En esta configuración es aconsejable que las distancias D1, D2 y D3 sean lo más grandes posible.
Las Figs. 8A a 8D muestran a la antena de la Fig. 1 acoplada a la placa de circuito según otras disposiciones más.
Segundo ejemplo de realización:
La Fig. 5 es una vista en planta de otra implementación de antena de la presente invención. La antena 1 tiene un substrato dieléctrico 2, un conductor de antena 3 dispuesto sobre una superficie del substrato dieléctrico 2, y una toma de alimentación 4 dispuesta en un lado del substrato dieléctrico 2. La longitud total del conductor de antena debe ser de al menos /J4, donde /J4 es el tamaño óptimo para una antena recta y este tamaño debe aumentar con el tamaño del meandro de la antena
El conductor de antena 3 tiene un primer tramo recto 3a, un segundo tramo de meandro 3b y un tercer tramo 3c también recto. El primer tramo recto 3a parte está formado de tal manera que el conductor discurre desde el primer extremo (porción extrema del lado de la toma de alimentación 4) dispuesto en la parte extrema del substrato en la dirección de la flecha E de la Fig. 5, es decir en paralelo al lado largo del substrato.
El segundo tramo del conductor de antena es un tramo de meandro 3b formado de manera que el conductor se extiende desde el primer extremo del primer tramo recto 3a en la misma dirección que el primer tramo 3a, por tanto un lado del tramo de meandro de manera ortogonal al lado corto del substrato y el otro lado del tramo de meandro en paralelo a la dirección de la flecha E de la Fig. 5
El tercer tramo 3c del conductor es de nuevo un tramo recto que utiliza la longitud máxima posible del lado largo del substrato 2 hasta que se ajusta a la longitud total requerida de la antena.

Es preferible acortar la longitud del conductor del tramo de meandro 3b y extender los tramos rectos 3a y 3c del conductor en lugar de lo contrario, con el fin de maximizar la eficiencia, teniendo en cuenta que el espacio disponible es fijo y que para llegar a la frecuencia de trabajo deseada, la antena debe tener una longitud mínima (al menos JJ4).
Las Figs. 6A a 6e muestran un ejemplo de fijación de la antena 1 a la parte protuberante 6a de la placa de circuito 6b, para una primera configuración, de tal manera que el lado corto de la antena es ortogonal al borde 7h del plano de tierra 7. La placa de circuito 6 comprende un substrato de aislamiento 8, una línea de alimentación 9 y un 10 plano de tierra 7. El patrón del circuito (que se omite en la figura), incluyendo la línea de alimentación 9, se forma en un lado del substrato de aislamiento 8, y el plano de tierra 7 en el otro lado. La antena 1 se monta sobre la placa de circuito 6b mediante la soldadura de la toma de alimentación 4 con el extremo de la línea de alimentación 9. Las Figs. 7A a 7e muestran otro ejemplo de fijación de la antena 1, para el que
15 ésta está integrada dentro de la placa de circuito 6, según una segunda configuración. La figura muestra una porción recortada e, que ha sido formada mediante la realización de un corte del plano del tierra 7 por una esquina de la placa de circuito 6 con las mismas dimensiones que la antena l. Es obligatorio que la porción recortada e del plano de tierra 7 sea más grande que el tamaño de la antena y del área donde se encuentra fijada.

20 Las Figs. 8E y 8F muestran la antena de la Fig. 5 acoplada a una placa de circuito según otras configuraciones más. Un experto en la materia podría introducir cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos sin salirse del alcance de la invención según está definido en las reivindicaciones adjuntas.
REFERENCES
[1] Patent US 4,115,783
[2] Patent US 4,496,953
5 [3] Straw, R. D., "The ARRL Antenna Book", 21st edition, Chapter 2, The National Association for Amateur Radio, Newington, 2007.
[4] Nordic Semiconductor, ")J4 printed monopole antenna for 2.45GHz", White Paper, January 2005
[5] Patent US 6,990,363 10 [6] Patent US 3,231,894
[7] Patent US 5,892,490
[8] Patent US 5,995,064
[9] Patent US 6,693,604 B2
[10] Patent FR 2911998B1 15 [11] Patent US 5,300,937
[12] Straw, R. D., "The ARRL Antenna Boo!C', 21st edition, Chapter 5, The National Association for Amateur Radio, Newington, 2007.
[13] Patent US 7,164,386 B2

[14] PatentES 2112163 20 [15] Patent US 7245196

Claims (8)

  1. Reivindicaciones
    1.-Antena planar multi-tramo, del tipo que comprende, dispuesta sobre un
    substrato (2), una pista plana conductiva (3) con:
    5
    -un primer tramo (3a), que es recto, con un primer y un segundo extremos; y
    -un segundo tramo (3b), con forma de meandro, que se extiende desde dicho
    segundo extremo de dicho primer tramo (3a) recto,
    estando dicha antena planar caracterizada porque comprende un tercer tramo
    (3c ), que es recto, que se extiende desde el extremo de dicho segundo tramo (3b) más
    1 O
    alejado del primer tramo (3a).
  2. 2.-Antena planar multi-tramo según la reivindicación 1, donde dicho tercer tramo
    (3c) discurre según la misma dirección en la que discurre dicho primer tramo (3a).
  3. 3.-Antena planar multi-tramo según la reivindicación 2, donde dicho tercer tramo
    (3c) está alineado con respecto al primer tramo (3a).
    15
    4.-Antena planar multi-tramo según la reivindicación 1, donde dicho tercer tramo
    (3c) discurre según una dirección transversal a la dirección en la que discurre dicho
    primer tramo (3a).
  4. 5.-Antena planar multi-tramo según la reivindicación 4, donde dicha dirección
    transversal es una dirección perpendicular a la dirección del primer tramo (3a).
    20
    6.-Antena planar multi-tramo según la reivindicación 4, donde dicha dirección
    transversal es una dirección oblicua respecto a la dirección del primer tramo (3a).
  5. 7.-Antena planar multi-tramo según una cualquiera de las reivindicaciones
    anteriores, donde dicho segundo tramo (3b) discurre según la misma dirección en la que
    discurre dicho primer tramo (3a).
    25
    8.-Antena planar multi-tramo según la reivindicación 7, donde dicho segundo
    tramo (3b) está alineado con respecto al primer tramo (3a).
  6. 9.-Antena planar multi-tramo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6,
    donde dicho segundo tramo (3b) discurre según una dirección transversal a la dirección
    en la que discurre dicho primer tramo (3a).
    30
    10.-Antena planar multi-tramo según la reivindicación 9, donde dicha dirección
    transversal es una dirección oblicua respecto a la dirección del primer tramo (3a).
  7. 11.-Antena planar multi-tramo según una cualquiera de las reivindicaciones
    anteriores, que comprende una toma de alimentación ( 4) conectada a dicho primer
    extremo del primer tramo (3a). 12-Antena planar multi-tramo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 1O, que comprende: -una toma de tierra (7) conectada a dicho primer extremo del primer tramo (3a); y
    -
    una toma de alimentación (4) conectada a un punto intermedio del primer tramo (3a).
  8. 13.-Antena planar multi-tramo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho tercer tramo (3c) discurre en paralelo a la dirección longitudinal en la que discurre un lado mayor de dicho substrato (2).
    10 14.-Antena planar multi-tramo, configurada para su uso en comumcacwnes embebidas de banda única. 15.-Antena planar multi-tramo, donde dicha banda única es de sustancialmente 868 MHz.

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