ES2931948T3 - Antena monocónica helicoidal de polarización mixta - Google Patents

Abstract

Antena helicoidal monocónica de polarización mixta que tiene: una estructura de soporte (2) con un eje longitudinal (2a); conductores de tierra (3) conectados a un área alrededor de una primera porción (4) de la estructura de soporte (2) que define un plano de tierra (21) de la antena (1) ortogonal al eje (2a); al menos tres conductores de señal (7), que tienen respectivos primeros extremos (8) que están conectados a una segunda porción (5) de la estructura de soporte (2) y respectivos segundos extremos (10) que están conectados a una tercera porción (6) de la estructura de soporte (2) ubicada entre la primera porción (4) y la segunda porción (5) a lo largo del eje (2a), (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Antena monocónica helicoidal de polarización mixta

Campo Técnico

La presente invención se refiere a una antena monocónica, helicoidal, de polarización mixta. En particular, la presente invención encuentra una aplicación ventajosa, pero no exclusiva, en los equipos transceptores móviles para las radiocomunicaciones terrestres, náuticas y por satélite, a los que la siguiente descripción hará referencia explícita sin perjuicio de la generalidad.

Estado de técnica

Equipos de radiocomunicación terrestre y náutica, entre los que se incluyen antenas que normalmente tienen una polarización vertical destinada a comportarse de la misma manera que las antenas de aguja de los equipos transceptores móviles, que son los que más utilizan los operadores en un territorio o en el mar, y un patrón de radiación omnidireccional en el plano horizontal para permitir una fácil conexión entre diferentes operadores independientemente de sus respectivas posiciones.

Los dispositivos de radiocomunicación por satélite comprenden antenas que suelen tener un patrón de radiación omnidireccional en el plano horizontal y una polarización circular análoga, es decir, con la misma dirección de rotación que la de la antena a bordo del satélite.

La solicitud de patente PCT publicada con el número W097/01196 a nombre de Saab Ericsson Space AB divulga un elemento de antena, que comprende un plano de tierra y un soporte cónico de un dieléctrico que con su porción inferior está fijado al plano y soporta cuatro medios de radiación en forma de hilos helicoidales, que están dispuestos simétricamente alrededor de, y que cumplen su cometido gracias al soporte.

Por otra parte, la patente estadounidense n° US 5.835.067 a nombre de Edward A. Goodman divulga una antena multibanda vertical corta de 160 metros, provista de un mástil de 30 pies, cables de faldón paralelos y una pluralidad de conductores de tierra que definen un plano de tierra.

Problema técnico

Las antenas simples y conocidas no funcionan con una eficacia elevada y uniforme tanto en una banda de frecuencias de radiocomunicación terrestre o náutica entre 200 y 500 MHz, como en una banda de frecuencias de radiocomunicación por satélite entre 240 y 320 MHz, o están limitadas por tener una polarización exclusivamente vertical exclusivamente circular.

Para operar en las dos bandas de frecuencias mencionadas anteriormente, estos dispositivos mixtos de radiocomunicación comprenden antenas complejas, que se obtienen mediante la unión mecánica de diferentes tipos de antenas simples, es decir, que operan en diferentes bandas de frecuencia y tienen diferentes polarizaciones. Las desventajas de esta solución incluyen una cierta fragilidad mecánica, un gran inconveniente de espacio y la necesidad de una pluralidad de conectores de entrada de señal, cada uno de ellos conectado eléctricamente a una respectiva antena, y/o un sistema de canalización de la señal que permita el uso del equipo simultáneamente en todas las bandas de frecuencia.

Objeto de la invención

El objeto de la presente invención es proporcionar una antena de radiocomunicación terrestre, náutica y por satélite que no presente los inconvenientes descritos anteriormente y que, al mismo tiempo, sea fácil y barata de fabricar.

Resumen de la invención

De acuerdo con la presente invención, se proporciona una antena monocónica helicoidal de polarización mixta como se define en las reivindicaciones anexas, que incluye: una estructura de soporte con un eje longitudinal; una pluralidad de conductores de tierra conectados en un patrón radial a un área alrededor de una primera porción de la estructura de soporte para definir un plano de tierra de la antena ortogonal al eje; al menos tres conductores de señal, que tienen respectivos primeros extremos que están conectados a una segunda porción de la estructura de soporte y respectivos segundos extremos que están conectados a una tercera porción de la estructura de soporte situada entre la primera porción y la segunda porción a lo largo del eje, están enrollados de manera helicoidal con respecto al eje y tienen una forma que define un volumen sustancialmente frusto-cónico que es coaxial con el eje y está orientado con la base más pequeña hacia la primera porción; y un conector coaxial de alimentación que tiene un polo caliente conectado eléctricamente a dichos segundos extremos

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se describirá ahora con referencia a los dibujos que acompañan a la misma, que ilustran una realización ejemplar no limitante, donde

- la Figura 1 muestra una vista lateral de la antena realizada según la enseñanza de la presente invención;

- la Figura 2 muestra una vista en planta de la antena de la Figura 1; y

- la Figura 3 muestra una vista lateral en despiece de la antena de la Figura 1.

Descripción de las realizaciones preferidas de la invención

En las figuras 1-3, la antena de la presente invención se indica en su conjunto con el número de referencia 1. La antena 1 comprende: una estructura de soporte 2 con un eje longitudinal 2a; una pluralidad de conductores de tierra 3 conectados a un área alrededor de una porción de base 4 de la estructura de soporte 2, de manera que están dispuestos en un patrón radial con respecto al eje 2a para definir un plano de tierra de la antena 1; al menos tres conductores de señal 7, que tienen respectivos primeros extremos 8 que están conectados a una porción de extremo 5 de la estructura de soporte 2 y respectivos segundos extremos 10 conectados a otra porción 6 de la estructura de soporte 2 situada entre las porciones 4 y 5 a lo largo del eje 2a, están enrollados de manera helicoidal con respecto al eje 2a y tienen una forma que define un volumen sustancialmente frusto-cónico 12 , que tiene una base mayor y una base menor, que es coaxial al eje 2a y está orientado con la base más pequeña hacia la porción de base 4. La antena 1 comprende, además, un conector coaxial de alimentación 13 que tiene el polo caliente 14 (Figura 3) conectado eléctricamente a los extremos 10 de los conductores de señal 7 y la tierra 15 (Figura 3) conectada eléctricamente a los conductores de tierra 3.

En particular, los extremos 8 de los conductores de señal 7 están situados a lo largo de una superficie lateral 9 de la porción de extremo 5, preferiblemente de forma cilindrica coaxial con el eje 2a, y los otros extremos 10 están situados a lo largo de una superficie lateral 11 de la porción 6, preferiblemente con una forma frusto-cónica coaxial con el eje 2a.

Las Figuras 1 y 3 también muestran un cable de alimentación coaxial 16 que puede conectarse al conector coaxial 13.

En la realización preferida ilustrada por las figuras, hay diez conductores de señal 7: este número es el resultado de un equilibrio entre la complejidad mecánica y el rendimiento de la antena, en términos de constancia de la eficacia y adaptación de la impedancia de entrada, en toda la banda de frecuencias de uso.

La antena 1 se utilizará preferiblemente, pero no necesariamente, con el eje 2a en posición vertical y la porción base 4 en la parte inferior y la porción de extremo 5 en la parte superior.

Cada uno de los conductores de señal 7 consta de un respectivo cordón metálico y, en particular, un cable de acero, recubierto de un material eléctricamente aislante. Así pues, los conductores de señal 7 están hechos de un material moldeable pero, no obstante, flexible.

Ventajosamente, también cada uno de los conductores de tierra 3 consta de un respectivo cordón metálico, y, en particular, una cuerda de acero, recubierta de un material eléctricamente aislante.

Los extremos 8 de los conductores de señal 7 están conectados a la porción de extremo 5 de manera que están angularmente equidistantes entre sí con respecto al eje 2a y son interceptados por un primer plano 17 ortogonal al eje 2a. Del mismo modo, los extremos 10 de los conductores de señal 7 están conectados a la porción de extremo 6 de manera que están angularmente equidistantes entre si con respecto al eje 2a y son interceptados por un segundo plano 18 ortogonal al eje 2a.

Los conductores de tierra 3 comprenden respectivos extremos 19 dispuestos a lo largo de una superficie lateral 20 de la porción de base 4, de manera que están angularmente equidistantes entre sí con respecto al eje 2a. Los ejes de los conductores de tierra 3 se encuentran en un plano 21 ortogonal al eje 2a que es, de hecho, el plano de tierra mencionado anteriormente. Preferiblemente, la superficie lateral 20 tiene una forma cilíndrica coaxial con el eje 2a.

La estructura de soporte 2 tiene una porción oblonga 22 dispuesta entre las porciones 5 y 6 y que tiene una longitud tal que el valor de la distancia entre los planos 17 y 21, indicada por D en la Figura 1, depende de una frecuencia mínima de funcionamiento de la antena 1, a la que debe obtenerse una eficiencia determinada de la antena 1.

En la realización mostrada en las Figuras 1-3, el conector coaxial 13 se encuentra en la superficie lateral 20 de la porción de base 4. Según realizaciones no mostradas de la invención, el conector coaxial 13 se encuentra en la parte inferior de la porción de base 4.

Cada uno de los conductores de señal 7 está enrollado de manera helicoidal sobre un ángulo 9 que tiene un valor que oscila entre 80° y 190. En el ejemplo mostrado en las figuras, el ángulo 9 es igual a 180°. Ventajosamente, el ángulo 9 oscila entre 100° y 120°. Preferiblemente, el ángulo e tiene un valor de 108°.

El ángulo 9 determina el porcentaje de polarización circular con respecto a la polarización vertical de la antena, es decir, el porcentaje de potencia irradiada con polarización circular con respecto a la potencia irradiada con polarización vertical.

El rango preferido de valores del ángulo 8 proporciona a la antena 1 una equivalencia sustancial entre la polarización circular y la vertical. Por lo tanto, la antena 1 se caracteriza por una polarización mixta vertical y circular. Además, el rango preferido de amplitud del ángulo 8 produce una alta ganancia de la antena y, al mismo tiempo, un valor ROS y obstáculos transversales aceptables.

La dirección de bobinado helicoidal de los conductores de señal 7 define la dirección de la polarización circular. En el ejemplo mostrado en las Figuras 1-3, los conductores de señal 7 están enrollados de tal manera que proporcionan a la antena 1 una polarización hacia la derecha.

Preferiblemente, pero no necesariamente, los extremos 8 están conectados, sustancialmente, en perpendicular a la superficie lateral 9 de la porción 5, y los extremos 1O están conectados, sustancialmente, en perpendicular a la superficie lateral 11. La forma frusto-cónica de la superficie lateral 11 y la forma cilíndrica de la superficie lateral 9 facilitan el mantenimiento de la forma de los conductores de señal 7, al objeto de definir el volumen cónico 12.

En particular, la línea generatriz 23 del volumen cónico 12 forma, con el plano de tierra 21, un ángulo /3 que oscila entre 35° y 55°. Ventajosamente, el ángulo f3 oscila entre 40° y 50°. Preferiblemente, el ángulo f3 tiene una amplitud de 45°.

Con especial referencia a la Figura 3, las porciones 4, 5, 6 y 22 de la estructura de soporte 2 están hechas de respectivas piezas montadas integralmente entre sí. La estructura de soporte 2 está hecha de un material eléctricamente aislante. La porción 6 está hueca internamente para albergar un cuerpo de conexión eléctrica 24 destinado a conectar eléctricamente los conductores de señal 7 al polo caliente 14 del conector coaxial 13.

Más en detalle, la porción 6 comprende una pluralidad de orificios pasantes 25, que están perforados a lo largo de la superficie lateral 11 en respectivas posiciones angularmente equidistantes entre sí con respecto al eje 2a. El cuerpo de conexión eléctrica 24 es, preferiblemente, de metal y comprende una porción superior 26 de forma frusto-cónica que se coloca dentro de la porción 6 por debajo de la superficie lateral 11 y en relación coaxial con el eje 2a y tiene una pluralidad de orificios 27 respectivamente coaxiales con los orificios 25, y una porción inferior 28 que tiene una forma sustancialmente cónica, que es coaxial con la porción 26 y dispuesta, al menos parcialmente, dentro de la porción 6, y tiene el vértice 29 orientado hacia la porción de base 4 y conecta eléctricamente el polo caliente 14 del conector coaxial de alimentación 13. El extremo 1O de cada conductor de señal 7 está provisto de un respectivo conector 30, que pasa a través de un respectivo orificio 25 y que está conectado a un respectivo orificio 27.

Preferiblemente, cada orificio 27 tiene una rosca interna y cada conector 30 tiene una respectiva porción de extremo con rosca externa 30a, de manera que se enrosque en el respectivo orificio 27.

El vértice 29 está conectado eléctricamente al polo caliente 14 mediante un cable de conexión 31 de forma y longitud adecuadas, para permitir la adaptación de la impedancia de entrada de la antena 1.

La forma cónica de la porción inferior 28 del cuerpo de conexión eléctrica 24 completa el volumen frusto-cónico 12 en la base inferior para formar un volumen sustancialmente cónico. En otras palabras, la porción inferior 28, junto con los conductores de señal 7, definen un grupo de radiación con forma sustancialmente monocónica.

Según una realización no mostrada de la invención, la antena 1 comprende un circuito de adaptación de impedancia de entrada que conecta el vértice 29 con el polo caliente 14.

De nuevo en referencia a la Figura 3, la porción de base 4 está hueca internamente y alberga otro cuerpo de conexión eléctrica 32 que conecta eléctricamente los conductores de tierra 3 a tierra 15 del conector coaxial 13.

Los conductores de tierra 3 están conectados eléctricamente al cuerpo de conexión eléctrica 32 en un patrón radial. Más en detalle, la porción de base 4 comprende una pluralidad de orificios pasantes 33 que están perforados a lo largo de la superficie lateral 20 en respectivas posiciones angularmente equidistantes entre sí con respecto al eje 2a y que tienen los respectivos ejes situados, preferiblemente, en el plano de tierra 21. El cuerpo de conexión eléctrica 32 es, preferiblemente, metálico, tiene forma de anillo coaxial con el eje 2a y presenta, a lo largo de su propia superficie lateral 34, una pluralidad de orificios radiales 35, coaxiales, uno por uno, con los orificios 33. El extremo 19 de cada conductor de tierra 3 está provisto de un respectivo conector 36, que pasa a través de un respectivo orificio 33 y está conectado a un respectivo agujero 35.

Preferiblemente, cada orificio 35 tiene una rosca interna y cada conector 36 tiene una respectiva porción de extremo con rosca externa 36a, de manera que se enrosque en el respectivo orificio 35.

La porción de base 4 y la porción 6 están dimensionadas para mantener los dos cuerpos de conexión eléctrica 24 y 32 a una distancia mutua tal que determine una cierta capacidad eléctrica, útil para mejorar la adaptación de la impedancia de entrada de la antena 1, posiblemente en combinación con la inductancia eléctrica representada por el cable de conexión 31. En particular, el vértice 29 de la porción de forma cónica 28 está sustancialmente en el plano de tierra 21, y, por lo tanto, dentro del anillo del cuerpo de conexión eléctrica 32.

La porción de extremo 5 tiene una pluralidad de agujeros 37, que están perforados a lo largo de la superficie lateral 9 en respectivas posiciones angularmente equidistantes entre sí con respecto al eje 2a y, preferiblemente, con respectivos ejes situados en el plano 17. El extremo 1O de cada conductor de señal 7 está provisto de un respectivo conector 38, que está conectado de forma segura a un respectivo orificio 37.

Preferiblemente, cada orificio 37 tiene una rosca interna y cada conector 38 tiene una respectiva porción de extremo con rosca externa 38a, de manera que se enrosque en el respectivo orificio 37.

La conexión liberable entre los conectores 38 y los orificios 37 permite la desconexión de los conductores de señal 7 de la porción de extremo 5 y su reconexión con una dirección de bobinado helicoidal opuesta, a fin de cambiar la dirección de polarización circular.

Aunque la invención descrita anteriormente se refiere, en particular, a una forma de realización ejemplar muy precisa, no debe considerarse limitada a esta forma de realización, ya que incluye todas las variantes, modificaciones o simplificaciones que serían evidentes para el experto en la materia, como por ejemplo:

- un número de conductores de señal 7 comprendido entre tres y nueve, lo que disminuye la complejidad mecánica en detrimento del rendimiento, que es ligeramente inferior en términos de constancia de la eficacia y de adaptación de la impedancia de entrada en toda la banda de frecuencias de uso, o superior a diez, lo que aumenta de manera progresiva el rendimiento a expensas de la complejidad mecánica, que resulta ser mayor;

- las porciones 4 y 5, que tienen forma de prisma recto coaxial con el eje 2a, y, correspondientemente, la porción 6 y la porción superior 26 del cuerpo de conexión eléctrica 32, que tienen forma frusto-piramidal coaxial con el eje 2a; y

- el conector coaxial 13 se coloca en un punto diferente de la estructura de soporte 2 elegido en función de la accesibilidad requerida por la instalación específica de la antena 1.

La antena 1 descrita anteriormente en las diversas realizaciones proporciona las siguientes ventajas:

- un ancho de banda de alta frecuencia, aproximadamente entre 200 y 500 MHz, en particular gracias a la forma monocónica definida del bobinado de los conductores de señal 7;

- una correcta adaptación de la impedancia de entrada con respecto al valor 50 O en la mencionada banda de frecuencias, en particular, gracias a la gama de valores seleccionados para el ángulo /3 de la forma monocónica con respecto al plano de tierra junto con un número suficientemente alto, igual a, al menos, tres conductores de señal 7;

- una polarización mixta equilibrada (vertical y circular) adecuada para las radiocomunicaciones terrestres, náuticas y por satélite, en particular, gracias a la gama de valores seleccionados para el ángulo e de bobinado helicoidal de los conductores de señal 7; y

- un diagrama de radiación omnidireccional con respecto a un plano ortogonal al eje 2a, es decir, con respecto a un plano horizontal, y con una alta ganancia para un amplio rango de elevación con respecto al plano horizontal plano, lo que resulta especialmente adecuado para la radiocomunicación por satélite, en particular gracias a la forma monocónica definida del bobinado de los conductores de señal 7.

En resumen, la antena 1 tiene una estructura mecánica relativamente sencilla y robusta con un único conector de alimentación coaxial, proporciona una alta eficiencia con una amplia banda de frecuencias y es apta para las radiocomunicaciones por terrestres y por satélite.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Antena monocónica, helicoidal, de polarización mixta que comprende: una estructura de soporte (2) con un eje longitudinal (2a); una pluralidad de conductores de tierra (3) conectados a una zona alrededor de una primera porción (4) de la estructura de soporte (2) de manera que están dispuestos en un patrón radial con respecto al eje (2a) para definir un plano de tierra (21) de la antena ( 1), que es ortogonal al eje (2a); al menos tres conductores de señal (7), que tienen respectivos primeros extremos (8) que están conectados a una segunda porción (5) de la estructura de soporte (2) y los respectivos segundos extremos (10) que se conectan a una tercera porción (6) de la estructura de soporte ( 2) situada entre la primera porción (4) y la segunda porción (5) a lo largo del eje (2a); dicha antena (1) caracterizada por que al menos tres de los mencionados conductores de señal (7) están enrollados de manera helicoidal con respecto al eje (2a) y tienen una forma que define un volumen sustancialmente frusto-cónico (12), con una base mayor y una base menor, que es coaxial al eje (2a) y está orientado con dicha base menor hacia la primera porción (4); dicha antena 1 comprende, además, un conector coaxial de alimentación (13) que tiene un polo caliente (14) conectado eléctricamente a dichos segundos extremos (10).

2. Una antena de acuerdo con la reivindicación 1, que incluye al menos diez conductores de señal (7).

3. Una antena de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde dichos primeros extremos (8) están angularmente equidistantes entre sí con respecto a dicho eje (2a) y dichos segundos extremos (10) están angularmente equidistantes entre sí con respecto a dicho eje ( 2a).

4. Una antena según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde cada uno de dichos conductores de señal (7) está enrollado de manera helicoidal sobre un ángulo (8) que tiene un valor que oscila entre 80° y 190°, preferiblemente entre 100° y 120°, y más preferiblemente igual a 108°.

5. Una antena según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde una línea generatriz (23) de dicho volumen sustancialmente cónico (12) forma un ángulo (a) con dicho plano de tierra (21) que tiene un valor que oscila entre 35° y 55°, preferiblemente entre 40° y 50°, y más preferiblemente igual a 45°.

6. Una antena según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde cada uno de dichos conductores de tierra y de señal (3, 7) consiste en un respectivo cordón metálico recubierto de un material eléctricamente aislante.

7. Una antena según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde dichos primeros extremos (8) están conectados a dicha primera porción (5) de manera que intercepte un plano (17) ortogonal a dicho eje (2a), que se encuentra a una distancia (D) de dicho plano de tierra (21) medida a lo largo de dicho eje (2a), que depende de una frecuencia mínima de funcionamiento de la antena, a la que debe obtenerse una determinada eficacia de la antena (1).

8. Una antena según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 y que comprende un primer cuerpo de conexión eléctrica (24) que comprende una cuarta porción (26) conectada a dichos segundos extremos (10) y una quinta porción (28) con una forma cónica que es coaxial con respecto a dicho eje (2a) y tiene un vértice (29) conectado eléctricamente a dicho polo caliente (14) y que mira hacia dicha primera porción (4), a fin de formar, junto con dichos conductores de señal (7), un conjunto radiante con una forma sustancialmente cónica.

9. Una antena según la reivindicación 8, en donde dicha tercera porción (6) está hueca internamente y tiene una pluralidad de primeros orificios pasantes (25) a lo largo de una superficie lateral (11); dicha cuarta porción (26) está situada dentro de dicha tercera porción (6) y presenta una pluralidad de segundos orificios (27) realizados en relación coaxial con los primeros orificios (25), dicha quinta porción (28) está situada, al menos parcialmente, dentro de dicha tercera porción (6); el segundo extremo (1O) de cada conductor de señal (7) está provisto de un primer conector (30) respectivo, que pasa a través de uno de dichos primeros orificios (25) y se conecta a uno de dichos segundos orificios (27).

10. Una antena según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 y que comprende un segundo cuerpo de conexión eléctrica (32), que incluye un anillo que es coaxial con dicho eje (2a) y está conectado eléctricamente al terminal de tierra (15) de dicho conector coaxial de alimentación (13) y a dichos conductores de tierra (3).

11. Una antena de acuerdo con la reivindicación 10, en donde dicha primera porción (4) está hueca internamente y tiene

una pluralidad de terceros orificios pasantes (33) a lo largo de una superficie lateral (20) de la misma; dicho segundo cuerpo de conexión eléctrica (32) tiene una pluralidad de cuartos orificios (35) a lo largo de una superficie lateral (20) del mismo, que están en relación coaxial con respectivos terceros orificios (33); cada conductor de tierra (3) tiene un respectivo extremo (19) provisto de un respectivo segundo conector (36), que pasa a través de uno de dichos terceros orificios (33) y está conectado a uno de dichos cuartos orificios (35).

12. Una antena según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 en donde dicha segunda porción (5) tiene una pluralidad de quintos orificios (37) a lo largo de una superficie lateral (9) de la misma; cada uno de dichos primeros extremos (8) está provisto de un respectivo tercer conector (38), que está conectado de manera liberable a uno de dichos quintos orificios (37) de manera que permite que el respectivo conductor de señal (7) pueda desconectarse de la primera porción (5) y volver a conectarse con una dirección de bobinado helicoidal opuesta para cambiar la dirección de polarización circular de la antena (1).

13. Una antena según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 en donde dichos primeros extremos (8) están situados a lo largo de una superficie lateral (9) de dicha segunda porción (5), que tiene forma de cilindro o prisma recto coaxial con dicho eje (2a), y dichos segundos extremos (10) están situados a lo largo de una superficie lateral (11) de dicha tercera porción (6), que tiene una forma frusto-cónica o frusto-piramidal coaxial con el eje (2a).

14. Una antena según las reivindicaciones 8 y 13, en donde dicha cuarta porción (26) tiene una forma frusto-cónica o !rusto-piramidal coaxial al eje ( 2a).