MXPA02008448A - Dispositivo conmutador para aparatos para recibir y/o transmitir ondas electromagneticas. - Google Patents

Abstract

El presente invento se refiere a un dispositivo para recibir y/o transmitir senales que comprende un ensamble de n medios para recibir y/o transmitir ondas con radiacion longitudinal del tipo de antena de ranura impresa, donde n es un entero mayor que o igual a uno, y con un medio de excitacion del tipo linea de microbanda acoplado a cuando menos una linea de ranura. El presente invento se caracteriza en que incluye un dispositivo conmutador que actua controlando el acoplamiento entre la linea de microbanda y al menos una linea de ranura. Fig. 1.

Description

DISPOSITIVO CONMUTADOR PARA APARATOS PARA RECIBIR Y/O TRANSMITIR ONDAS ELECTROMAGNETICAS El presente invento se refiere a un dispositivo de conmutación para aparatos que reciben y/o trasmiten señales que pueden utilizarse muy especialmente en el campo de las transmisiones inalámbricas.

En los sistemas conocidos de transmisiones inalámbricas de alto alcance, que pueden utilizarse especialmente en un ambiente doméstico, las señales enviadas por el transmisor alcanzan al receptor a través de caminos separados plurales. En el receptor, esto resulta en una interferencia capaz de provocar desvanecimiento y distorsiones de la señal trasmitida y consecuentemente una pérdida o deterioro de la información trasmitida. Para superar este inconveniente, normalmente se usan antenas direccionales de conejo, de reflector o de tipo en serie, usándose estas antenas para transmisión y/o recepción, y haciendo asi posible combatir o atenuar el deterioro relacionado con las vías múltiples. Específicamente, además de la ventaja aportada por la antena direccional, este hace posible, por filtrado espacial, por un lado reducir el número de vías múltiples y asi reducir el desvanecimiento, y por el otro reducir la interferencia con otros sistemas que operen en la misma banda de frecuencia.

Dado que las antenas direccionales no permiten una cobertura espacial azimutal significativa, la Patente Francesa No. 00 15715 archivada a nombre del solicitante, propone entonces una antena sectorial compacta basada en las antenas tipo Vivaldi . Esta antena consiste en un arreglo circular "centrifugo" de n antenas tipo Vivaldi impresas radiando elementos (siendo n un entero mayor de 2), haciendo posible presentar varios rayos direccionales secuencialmente a través del tiempo. El conjunto de rayos aporta una cobertura completa de 360° del espacio. La operación de conmutación se realiza en virtud de un interruptor externo a la antena. En general, este interruptor consiste de diodos combinados con circuitos de incremento/división de potencia y control electrónico que incluye al menos n puertos, haciendo posible seleccionar una o más antenas Vivaldi de entre los n elementos. Para asegurar un desempeño aceptable en términos de correspondencia, usualmente se utiliza más de un diodo en cada puerto. Además, las, pérdidas de los circuitos de incremento/división de potencia se añaden a las pérdidas asociadas de la transición de microbanda de ranura en linea requerida para excitar las antenas Vivaldi. Finalmente, el estado del diodo (abierto o cerrado) se controla por voltajes de polarización. Para poder aislar los voltajes provistos en cada puerto, se utilizan circuitos bloqueadores de CD (Corriente Directa) (Bloque de CD) . Esto introduce pérdidas adicionales. Por lo tanto, esta función de conmutación es con frecuencia cara como resultado del costo de los diodos y la producción es costosa y pesada por los circuitos polarizadores y los circuitos de incremento/división de potencia. Aún más, ello introduce pérdidas de potencia no poco considerables: pérdida en los circuitos de incremento/división, pérdidas debidas al bloqueo de CD y pérdidas en los diodos. En la recepción, estas pérdidas resultan en un aumento de la temperatura del ruido en el receptor y, en la transmisión, en una pérdida seca de la potencia a transmitir, que requiere sobredimensionar el amplificador de potencia, que puede presentar un costo adicional muy significativo. El objetivo del presente invento es por lo tanto proponer un dispositivo conmutador para aparatos para recibir y/o transmitir señales, haciendo posible reducir el costo, el tamaño general y las varias pérdidas.

Consecuentemente, un tema del presente invento es un dispositivo para recibir y/o transmitir señales, que comprende : un ensamble de n medios para recibir y/o transmitir ondas con la radiación longitudinal de la antena tipo ranura, donde n es un entero mayor o igual a uno un medio electromagnético de excitación acoplado por lo menos a la ranura de la antena; y un dispositivo conmutador que actúa controlando el acoplamiento electromagnético entre los medios de excitación y al menos una ranura de la antena de ranura, caracterizado porque el dispositivo conmutador incluye: al menos un medio para producir un contacto eléctrico reversible entre dos superficies metalizadas que definan una ranura de la antena de ranura (para la descripción esto involucra diodos) ; y un medio para controlar el estado del contacto antes mencionado.

De acuerdo con una definición, el medio de excitación consiste en una linea de suministro tipo microbanda . De acuerdo con una variante, puede consistir de una linea tipo coplanar.

De acuerdo con otra definición, la antena de ranura consiste de al menos una ranura, impresa en un substrato, un extremo de la cual se ensancha gradualmente hacia el borde de este substrato, mientras el otro extremo, que tampoco está cerrado, se extiende hacia otro borde del substrato .

De acuerdo con otra definición, las antenas de ranura están arregladas regularmente en torno de un punto único, coplanar, de tal modo que les sea posible radiar en un sector con un ángulo de 360°.

Otras características y ventajas del presente invento se harán evidentes al leer la descripción de las varias definiciones, descripción que se da más adelante en referencia a los dibujos del apéndice, en los cuales: La Figural muestra el dispositivo conmutador para una antena de ranura; La Figura2 muestra un dispositivo interruptor para un arreglo circular de antenas de ranura; La Figura3 muestra un dispositivo conmutador para un arreglo circular de antenas de ranura incluyendo los medios de control.

La Figura 1 muestra esquemáticamente una antena tipo Vivaldi impresa en un substrato 3. La estructura y el desempeño de la antena Vivaldi son bien conocidas para las personas experimentadas en la técnica y se describen especialmente en los documentos "IEEE Transacciones en Antenas y Propagación" por S. Prasad y S. Mahpatra, Volumen 2 AP-31 No. 3, May. 1983 y "Estudio de discontinuidades en guia de ondas abiertas - aplicación para mejoramiento de un modelo de fuente radiante" por A. Louzir, R. Clequin, S. Toutain y P. Gélin, Lest Ura CNRS No. 1329. El suministro para la antena Vivaldi de la Figura 1 se basa en el uso de una transición entre una linea de suministro de la microbanda tipo 7 y una ranura 6. Para optimizar la transmisión de energía desde la línea de microbanda hacia la ranura, el extremo no ensanchado de la ranura se extiende perpendicularmente hacia la línea de microbanda por una longitud L2 de aproximadamente, en la frecuencia de operación, k' s/4 a partir de la línea de microbanda con (siendo ?? la 1ongitud de onda en el vacío y Blreff la permitividad relativa efectiva de la ranura) y k' un entero impar. En cuanto a la línea de microbanda, se extiende hacia un circuito abierto localizado a una longitud Ll de aproximadamente k n/4 a partir de la ranura, donde (siendo ?? la longitud de onda en el vacío y sreff la permitividad relativa efectiva de la línea) y k es un entero impar. El otro extremo de la línea de microbanda está acoplado al medio 5 para transmitir y/o recibir señales de tipo conocido, que incluyen específicamente un amplificador de potencia. Para detalles completos sobre la optimización de el acoplamiento, debe hacerse referencia al documento "Transiciones de línea de ranura" por Knorr, IEEE, MTT, Vol. 22, pp. 548-554, May. 1974 y al documento ""Una Nueva Antena de línea de ranura MIC", por Prasad y Mahapatra. Bajo las condiciones arriba descritas y presentadas en la Figura 1, para producir el acoplamiento, el extremo no ensanchado de la ranura localizado a la longitud k' s/4 de la línea de microbanda debe terminar en un corto circuito. Si este extremo termina en un circuito abierto, entonces no hay acoplamiento entre la línea de microbanda y la ranura. El invento se basa en el control del acoplamiento.

Para simular un corto circuito o un circuito abierto, el extremo de la ranura no está metalizado y un dispositivo 4, que hace posible simular el corto circuito o el circuito abierto descritos arriba, se coloca a través de la ranura a una longitud de aproximadamente krXs/i. En la Figura 1 se ha posicionado un diodo 4, pero esto podría ser también cualquier otro interruptor, como por ejemplo un transistor montado en diodo o MEM (siglas en inglés de sistemas microelectromecánicos) . De acuerdo con la teoría desarrollada por Knorr, el dimensionar la antena de ranura con cuartos de longitud de onda, hace posible que, en el cruce de la linea de microbanda y la ranura, se produzca la impedancia opuesta a la que ubicó más adelante un cuarto de longitud de onda: por ejemplo, el circuito abierto localizado al extremo de la linea de microbanda es equivalente a un corto circuito localizado en el cruce. Aún más, la teoría de línea hace posible confirmar que el acoplamiento es máxima cuando, en el cruce, la impedancia equivalente de la línea de microbanda es un corto circuito y la de la ranura es un circuito abierto. Entonces, el acoplamiento tiene lugar cuando el diodo está encendido, esto es, cuando la ranura tiene un circuito abierto en el cruce y cuando la línea de microbanda tiene un corto circuito en el cruce. Por el contrario, no hay acoplamiento cuando el diodo está apagado. Por tanto es posible controlar el acoplamiento y por ende la operación de la antena controlando la polarización del diodo. Para este extremo, todo lo que se requiere es aplicar polaridades cuidadosamente elegidas a las superficies 1 y 2 metalizadas. Por ejemplo, es posible elegir para aplicar, a la placa 2, ya sea la polaridad Vcc mayor que V, el voltaje de polarización del diodo, si se desea que esté encendido, o conectar la superficie 2 a tierra si se desea que el diodo esté apagado, habiendo acoplado ya la superficie 1 a -Sí- tierra .

Así se provee un dispositivo conmutador, incluyendo un circuito de control que resulta simple ya que controla la aplicación de dos polaridades a las superficies metalizadas, y que resulta económico ya que consiste de un único diodo.

Una mejora al presente invento es producir una antena de ranura que provea cobertura secuencial de 360° del espacio.

La Patente Francesa No. 0015715, presentada a nombre del solicitante, propone una antena compacta que hace posible aumentar la eficiencia espectral del arreglo reutilizando las frecuencias en virtud de la segmentación del espacio físico a cubrir por el patrón de radiación de la antena sectorial. La antena propuesta en la Aplicación de Patente Francesa No. 0015715 consiste en un arreglo coplanar circular en torno a un punto central de los elementos radiantes impresos del tipo Vivaldi, haciendo posible presentar secuencialmente varios haces direccionales a lo largo del tiempo, el conjunto de haces dando una cobertura completa de 360° del espacio.

El medio receptor y/o transmisor consiste de una linea de microbanda o de una linea coplanar que cruza todas las ranuras de las antenas de ranura impresas constituyendo el medio receptor y/o transmisor, siendo igual la longitud L3 de la linea entre dos ranuras, en la frecuencia central que opera el sistema, a ^m/2 y siendo cerca de Xm/4 la longitud L4 de la linea entre un extremo de la linea y una ranura, donde ¾¿n=^(Wsreff (siendo ?? la longitud de onda en el vacio y ereff la permitividad relativa efectiva de la linea) y k es un entero. Preferentemente, la longitud de la linea entre dos ranuras es igual a k ?t? para obtener la operación en fase de las antenas de ranuras impresas.

En este caso, el cruce entre la ranura de la antena de ranura impresa y la linea es preferentemente producida, a la frecuencia central de operación del sistema, a una distancia L5 de aproximadamente un k^s/4 del extremo inferior de la ranura con (siendo ?? la longitud de onda en el vacio y elreff la permitividad relativa efectiva de la ranura) y k' un entero impar.

La mejora aqui propuesta se refiere al sistema de conmutación propuesto en la aplicación previa de patente y consiste de una extensión del principio propuesto en el presente invento para varias antenas. La presente mejora de hecho consiste en integrar este sistema de conmutación directamente con la antena para reducir el tamaño general y las pérdidas de poder asociadas con la función de conmutación. El sistema externo (5, 9) que hace posible elegir el modo de recepción o transmisión de la antena, que está puesto directamente en la línea de microbanda, no se describirá en detalle, y sólo los medios de conmutación se describirán abajo.

A diferencia de la Aplicación de Patente Francesa No. 00 15715, los extremos inferiores de las ranuras que forman las antenas Vi aldi de la presente mejora no terminan en cortos circuitos : el centro de la antena en su totalidad está libre de metalización, lo que hace posible aislar las diversas placas metálicas (M12, M23, M34, M41) formando las ranuras (Al, A2 , A3, A4 ) y por lo tanto terminar cada una de ellas con un circuito abierto. La conmutación se lleva entonces a cabo controlando el acoplamiento electromagnético entre la linea de microbanda y la ranura excitadora de la antena tipo Vivaldi . El principio de conmutación es el mismo que para una antena de una sola ranura, y todavía se produce colocando un diodo (DI, D2 , D3, D4 ) o cualquier otro interruptor a través de la ranura a una distancia aproximada de k'Xs/4 de la línea de microbanda (siendo k' un entero impar) formando cada antena y haciendo posible conectar las dos superficies metalizadas que forman la antena. La conmutación entre la linea de microbanda de entrada/salida a una de recepción/transmisión, respectivamente, las antenas Vivaldi son controladas encendiendo los diodos correspondientes a la antena seleccionada y manteniendo los demás diodos apagados. La conmutación de los diodos se realiza aplicando potenciales de polarización (V12, V23, V34, V41) a las diversas superficies metalizadas (M12, M23, M34, M41, respectivamente) . Variando las polaridades de dos superficies consecutivas, el diodo que conecta a estas dos superficies puede dejarse ya sea encendido o apagado. La descripción puede extenderse al caso de n ranuras (siendo n un entero mayor que o igual a l) y, adicionalmente, es posible elegir m antenas (siendo m un entero estrictamente menor que n)de las n antenas activas presentes.

El sencillo ejemplo de cuatro ranuras, como en la Figura 2, se tomará para ilustrar la selección en recepción o en transmisión de la antena Vivaldi Al. El proceso de conmutación entre la linea de microbanda 8 de entrada/salida hacia la antena Vivaldi Al se controla encendiendo el diodo DI y manteniendo apagados los diodos D2 , D3, D4. Esto se hace posible aplicando un voltaje de polarización a cada superficie metalizada. Entonces, la superficie M12 es ubicada en el potencial V12, 23 en el V23, M34 en V34 y M41 en V41. De hecho, cuando la diferencia de potencial polarizado (V12-V41) es tal que el diodo DI está encendido (esto es, por ejemplo (V12-V41) >V1 , donde VI es el voltaje de polarización del diodo DI), el diodo es equivalente a un corto circuito. Para los otros diodos, la diferencia potencial es menor que el voltaje de polarización de los diodos. Para simplificar el circuito 10 para controlar los voltajes de polarización, todo lo que se requiere es aplicar un potencial Vcc > VI a la superficie M12 y conectar todas las otras superficies a la tierra del circuito. Aplicando los principios de acoplamiento entre una linea de microbanda 8 y una ranura, mencionados en la descripción del presente invento, bajo las condiciones descritas arriba, el acoplamiento es máxima en la antena Al y mínima en las otras tres antenas A2, A3 y A4. Entonces una sola de las cuatro antenas fue seleccionada en transmisión o en recepción para así transmitir o recibir, respectivamente. La selección de una antena de entre las cuatro se ilustra en la tabla de abajo en referencia a la Figura 3, que da los valores de potencial a ser aplicados a las diversas superficies metalizadas con objeto de realizar la conmutación.

Potencial aplicado a las placas Mij M12 M23 M34 M41 Al Vcc 0 0 0 0 A2 Vcc 0 0 Ranura Excitada A3 0 0 Vcc 0 A4 0 0 0 cc El dispositivo requerido para la presente mejora consiste de 4 diodos, que se colocan a través de las ranuras, y de un pequeño circuito de control, que hace posible dirigir los diversos potenciales de las superficies metalizadas. Este dispositivo 10 debe ser insertado a la mitad de la antena ya que la última parte consiste de substratos, para limitar lo más posible la longitud de los cables conectores. El conjunto del dispositivo conmutador resulta entonces muy compacto y reduce las pérdidas debido al reducido número de diodos y a la simplicidad del circuito que controla los potenciales de polarización.

Aún más, de acuerdo con una mejora del presente invento, es posible elegir m antenas (siendo m un entero estrictamente menor que n) de entre las n antenas activas presentes. Es posible tomar nuevamente el sencillo ejemplo antes mencionado con cuatro ranuras, y seleccionar dos de estas ranuras para activarlas en forma simultánea. Todo lo que se requiere entonces es tomar nuevamente el ensamble antes descrito y modificar el corto circuito de tal modo que pueda aplicar tres diferentes potenciales para el ejemplo de las cuatro ranuras: un potencial cero, esto es, conectando a tierra la superficie metalizada; un potencial Vcc donde Vcc es mayor que el mayor de los voltajes de polarización de los diodos si son diferentes; y un potencial igual a dos veces Vcc. La tabla de abajo permite ilustrar esta selección de dos de cuatro ranuras, con referencia a la Figura 3, dando los valores de los potenciales que deben aplicarse a las diversas placas con objeto de seleccionar las ranuras deseadas: Potencial aplicado a las placas Mij M12 M23 M3 M41 Al y A2 Vcc 2*Vcc 0 0 Al y A3 Vcc 0 V 0 Ranuras Al y A4 2*Vcc 0 0 Vcc Excitadas A2 y A3 0 Vcc 2*Vcc 0 A2 y A4 0 Vcc 0 Vcc A3 y A4 0 0 Vcc 2*Vcc Asi se obtiene un sistema relativamente simple para la conmutación entre las diversas ranuras de la antena entera, dado que el circuito de control se reduce a un selector de voltaje que puede insertarse a la mitad de las superficies metalizadas, como en la Figura 3, para reducir el tamaño total del circuito. Además, las pérdidas de poder se reducen a aquellas debidas a el acoplamiento, que no pueden ser modificadas, y a aquellas debidas a la polarización de los diodos, cuyo número es menor que aquel de los dispositivos conmutadores propuestos en el trabajo anterio .

Para una persona capacitada en la materia es obvio que las definiciones descritas arriba pueden modificarse, especialmente en relación con el número de antenas Vivaldi o con el tipo de suministro para la estructura, etc., sin apartarse de la competencia de las reivindicaciones que se mencionan a continuación.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo para recibir y/o transmitir señales que comprende: un ensamble de n medios para recibir y/o transmitir ondas con radiación longitudinal de la antena tipo ranura, donde n es un entero mayor o igual a uno; un medio de excitación electromagnética acoplado a cuando menos la ranura de una antena y un dispositivo conmutador que actúa controlando el acoplamiento electromagnético entre el medio de excitación y al menos una ranura de la antena de ranura caracterizándose en que el dispositivo conmutador comprende: al menos un medio para producir un contacto eléctrico reversible entre dos superficies metalizadas definiendo una ranura de la antena de ranura; y un medio para controlar el estado del contacto antes mencionado.

2. Dispositivo de acuerdo a la reivindicación 1, caracterizado porque el medio de excitación consiste en una linea de suministro del tipo linea coplanar o del tipo linea de microbanda.

3. Dispositivo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la antena de ranura consiste de al menos una ranura, impresa en un substrato, un extremo de la cual se ensancha gradualmente hacia el borde de este substrato mientras que el otro extremo, que tampoco está cerrado, se extiende hacia otro borde del substrato.

4. Dispositivo de acuerdo a las reivindicaciones 2 y 3, caracterizado porque el cruce entre una ranura de la antena de ranura impresa ocurre, a la frecuencia central de operación del sistema, a una distancia de aproximadamente k' s/4 del extremo no ensanchado de la ranura donde s = ??/Velreff (siendo ?? la longitud de onda en el vacio y elreff es la permitividad relativa efectiva de la ranura) y k' es un entero impar.

5. Dispositivo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque la longitud de la linea entre un extremo de la linea de microbanda y una ranura es aproximadamente k m/4 donde ??? = ??/Vsreff siendo ?? la longitud de onda en el vacio y sreff la permitividad relativa efectiva de la línea de microbanda y k es un entero impar.

6. Dispositivo de acuerdo a la Reivindicación 1, caracterizado porque los n medios para recibir y/o transmitir ondas con radiación longitudinal de la antena tipo ranura impresa, están arreglados para recibir un amplio sector azimutal.

7. Dispositivo de acuerdo a la reivindicación 6, caracterizado porque el dispositivo conmutador hace posible elegir n medios para recibir y/o transmitir ondas con radiación longitudinal de la antena tipo ranura impresa, de entre los n medios activos presentes al mismo tiempo, donde m es un entero menor que n.

8. Dispositivo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 6 y 7, caracterizado porque las antenas de ranura regularmente están arregladas en torno a un único punto coplanar, de modo que les sea posible radiar en un sector con un ángulo de 360°.

9. Dispositivo de acuerdo a la reivindicación 1, caracterizado porque los medios para producir un contacto eléctrico reversible entre dos superficies metalizadas que definen una ranura de la antena de ranura, están colocados a través de la ranura a una distancia cercana a k^s/4 de la linea de microbanda, con Xs = ??/Vslreff (siendo ?? la longitud de onda en el vacio y elreff la permitividad relativa efectiva de la ranura) y k' es un entero impar.

10. Dispositivo de acuerdo a la reivindicación 9, caracterizado porque el medio para producir un contacto eléctrico reversible entre dos superficies metalizadas que definen una ranura de la antena es un interruptor de control .

11. Dispositivo de acuerdo a la reivindicación 10, caracterizado porque un medio para producir un contacto eléctrico reversible entre dos superficies metalizadas que definen una ranura de la antena es un diodo, un transistor de diodo montado o un MEM (Sistema microelectromecánico) .

12. Dispositivo de acuerdo a la reivindicación 11, caracterizado porque el medio para controlar el estado del contacto reversible de una ranura es la aplicación de un potencial a las dos superficies metalizadas que definen esta ranura, permitiendo el cierre del interruptor controlado .

13. Dispositivo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque la antena de ranura es del tipo antena Vivaldi.