MXPA03007356A - Metodo y sistema para incrementa el ancho de banda de rf y el ancho de haz en un volumen compacto. - Google Patents

Abstract

Un sistema de antena compacto puede generar campos de radiacion de RF que tienen anchos de haz y anchos de banda incrementados. El sistema de antena puede incluir uno o mas radiadores de parche separados uno de otro por un dielectrico de aire y por elementos espaciadores relativamente pequenos. Los radiadores de parche inferiores pueden instalarse en una tarjeta de circuito impreso que puede incluir una red de alimentacion de RF y un plano de base que define una pluralidad de ranuras conformadas simetricamente. Las ranuras dentro del plano de base de la tarjeta de circuito impreso pueden excitarse por medio de salientes que son parte de la red de alimentacion de la tarjeta de circuito impreso. A su vez, las salientes pueden establecer un modo magnetico transversal de radiacion de RF en una cavidad que se encuentra colocada adyacente al plano de base de la tarjeta de circuito impreso y un plano de base del sistema de antena. La red de alimentacion de la tarjeta de circuito impreso puede alinearse con porciones de la cavidad de manera tal que las porciones de la cavidad funcionan como un sumidero de calor para absorber o recibir energia termica producida por la red de alimentacion.

Description

MÉTODO Y SISTEMA PARA INCREMENTAR EL ANCHO BANDA DE RF Y EL ANCHO DE HAZ EN UN VOLUMEN COMPACTO CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere generalmente a una antena para comunicar señales electromagnéticas, y se refiere más particularmente a una antena de arreglo plano que tiene radiadores de parche colocados dentro de un volumen compacto para incrementar el. ancho de banda de RF y el ancho de haz .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los diseñadores de antenas frecuentemente son forzados a diseñar antenas orientadas hacia atrás. Por ejemplo, debido a la creciente preocupación pública sobre la estética y el "ambiente", típicamente se requieren diseñadores de antenas para construir una antena de acuerdo con una cúpula de radar que se ha aprobado por el público en general, propietarios de tierra, organizaciones gubernamentales, o asociaciones vecinales que residirán en proximidad cercana a la antena.

Las cúpulas de radar son típicamente adjuntos que protegen las antenas de las condiciones ambientales tales como lluvia, aguanieve, mugre, viento, etc. El requerir diseñadores de antena para construir una antena para ajustarse dentro de una cúpula de radar es contrario a diseñar o dimensionar una cúpula de radar después de que se construye una antena crea muchos problemas para los diseñadores de antenas. Dicho de otra manera, el diseñador de antenas debe construir una antena con funcionalidad mejorada dentro de límites espaciales que definen un volumen de antenas en una cúpula de radar. Tal requisito es contraproducente al diseño de antenas dado que los diseñadores de antenas reconocen que el tamaño de las antenas se encuentra típicamente en función de su frecuencia operativa. Por lo tanto, los diseñadores de antena necesitan desarrollar antenas de alto rendimiento que deben ajustarse dentro de volúmenes que se cortan contra la capacidad de dimensionar estructuras de antenas con relación a su frecuencia operativa. Los sistemas de antenas convencionales confinados en volúmenes predefinidos, tales como cúpulas de radar, generalmente no pueden proporcionar grandes anchos de haz además de grandes anchos de banda. En otras palabras, típicamente la materia convencional requiere hardware voluminoso y costoso con objeto de proporcionar grandes anchos de haz y anchos de banda, midiéndose el ancho de haz desde los puntos de potencia media (-3dB a -3dB) de un haz de RF respectivo. Tal hardware voluminoso y costoso generalmente no puede ajustarse en volúmenes predefinidos, muy pequeños. Otra desventaja de la materia convencional se relaciona con la elaboración de un sistema de antenas y el potencial para la intermodulación pasiva (PIM) que puede resultar debido al material utilizado en técnicas de elaboración convencionales. Más específicamente, con sistemas de antenas convencionales, se utilizan materiales disimilares, materiales ferrosos, contactos metal a metal y articulaciones deformadas o soldadas con objeto de ensamblar un sistema de antenas respectivo. Tales técnicas de elaboración pueden elaborar un sistema de antenas más susceptible a PIM y por lo tanto, puede reducirse substancialmente el rendimiento de un sistema de antenas convencional. De acuerdo con lo anterior, existe una necesidad en la materia de un sistema de antenas substancialmente compactos que puede ajustarse dentro de un volumen predefinido y que puede generar patrones de radiación de RF relativamente ancha y ancho de banda de RF incrementado. Además, existe también otra necesidad en la materia de un sistema de antenas compacto que puede elaborarse con facilidad y que puede utilizar técnicas de elaboración que reduzcan substancialmente la intermodulación pasiva. Existe una necesidad adicional en la materia de que un sistema de antenas substancialmente compacto pueda manejar las características de potencia de los sistemas de antenas convencionales sin degradar el rendimiento del sistema de antenas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención soluciona los problemas anteriormente mencionados con un sistema de antenas que puede generar campos de radiación de RF grandes y anchos además de proporcionar un ancho de banda incrementado. Esta funcionalidad mejorada puede alcanzarse con un sistema de antenas compacto, donde el sistema de antenas sin una cúpula de radar puede tener típicamente una altura menor a un séptimo (1/7) de longitud de onda y un ancho que es menor que o igual a seis décimos (0.6) de una longitud de onda. Con una cúpula de radar, el sistema de antenas puede tener una altura que sea menor que o igual a un quinto (1/5) de una longitud de onda. El sistema de antenas puede comprender uno o más radiadores de parche separados uno de otro por un dieléctrico de aire y por elementos espaciadores relativamente pequeños. Los radiadores de parche pueden tener formas predefinidas para incrementar los anchos de haz . En una modalidad a manera de ejemplo, los radiadores de parche pueden tener una forma substancaalmente rectangular. Pueden instalarse uno o más radiadores de parche en una tarjeta de circuito impreso que pueden comprender una red de alimentación de RF y un plano de base el cual define una pluralidad de ranuras simétricamente conformadas . En una modalidad a manera de ejemplo, las ranuras pueden comprender una forma de "hueso de perro" o de ? doble" con mayor sección que en la parte central que tiene una longitud de trayectoria eléctrica que es menor que o igual a media longitud de onda. Las ranuras dentro del plano de base de la tarjeta de circuito impreso pueden excitarse por salientes que son parte de la red de alimentación de la tarjeta de circuito impreso, las ranuras, a su vez, pueden establecer un modo magnético transversal de energía de RF en la cavidad que se encuentra adyacente al plano de base de la tarjeta de circuito impreso y un plano de base del sistema de antenas. La cavidad puede alinearse concéntricamente con centros geométricos de los radiadores de parche. La red de alimentación de la tarjeta de circuito impreso puede alinearse con porciones de la cavidad de manera tal que las porciones de la cavidad funcionan como un sumidero térmico para absorber o recibir energía térmica producida por la red de alimentación. Debido a esta función de transferencia térmica eficiente, la tarjeta de circuito impreso puede comprender un material dieléctrico relativamente delgado que es típicamente barato.

La cavidad colocada entre la tarjeta de circuito impreso y el plano de base del sistema de antenas puede funcionar eléctricamente como una frontera cerrada cuando la cavidad tiene esquinas de apertura mecánicamente. El diseño de esquina de apertura facilita la comodidad para elaborar la cavidad. Las esquinas de apertura de la cavidad tienen también dimensiones que permiten la resonancia mientras que se reduce subst ancialment e la Int ermodulación Pasiva (PIM) . La PIM puede reducirse adicionalmente por sujetadores planos utilizados para anexar bridas respectivas y un centro plano de una cavidad respectiva al plano de base de la tarjeta de circuito impreso y el plano de base del sistema de antenas. Los sujetadores planos pueden comprender un adhesivo dieléctrico. Además del adhesivo dieléctrico, la presente invención puede emplear también otros tipos de sujetadores que reducen el uso de materiales disimilares, materiales ferrosos, contactos metal a metal, articulaciones deformadas o soldadas y otros materiales similares con objeto de reducir la PIM.

Por ejemplo, los radiadores de parche pueden espaciarse aparte por sujetadores plásticos que "se ajustan" permanentemente en su lugar. Tales sujetadores no solamente reducen la PIM, sino que también tales sujetadores reducen substancialmente los costos de labor y material asociados con la elaboración del sistema de antenas. En una modalidad a manera de ejemplo, se coloca una cúpula de radar sobre los radiadores de parche. Las cúpulas de radar se diseñan típicamente para ser transparentes eléctricamente a los radiadores de un sistema de antenas. Sin embargo, para la presente invención, cuando se coloca una cúpula de radar sobre los radiadores de parche, ocurre un resultado inesperado: se incrementa el rendimiento de los radiadores de parche. Más específicamente, se mejora la pérdida de retorno y la ganancia pico es relativamente más alta a una antena sin una cúpula de radar. Además, se mejora la supresión de lóbulo lateral superior en comparación con una antena sin una cúpula de radar . Aunque se proporciona un producto que puede elaborarse eficientemente, la presente invención proporciona también un sistema de antenas RF eficiente. La energía de RF producida por la cavidad, ranuras, y salientes puede entonces acoplarse a uno o más radiadores de parche. Los radiadores de parche pueden resonar después y propagar energía de RF con anchos de haz relativamente anchos y un ancho de banda incrementado.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una ilustración que muestra una vista en alzado de la construcción de una modalidad a manera de ejemplo de la presente invención. La Figura 2 es una ilustración que muestra una vista lateral de la modalidad a manera de ejemplo mostrada en la Figura 1. La Figura 3 es una ilustración que muestra una vista isométrica de la modalidad a manera de ejemplo mostrada en las Figuras 1 y 2. La Figura 4 es una vista en corte transversal de la modalidad a manera de ejemplo ilustrada en la Figura 3 tomada a lo largo de la línea de corte 4-4.

La Figura 5 es un diagrama de bloques que ilustra algunos de los componentes centrales de la modalidad a manera de ejemplo ilustrada en la Figura 5. La Figura 6 es una ilustración que muestra una vista en alzado de la modalidad a manera de ejemplo ilustrada en la Figura 4 aunque también muestra vistas escondidas de las ranuras que alimentan la cavidad y uno o más elementos de radiación. La Figura 7 es una ilustración que muestra una ranura a manera de ejemplo de acuerdo con la presente invención. La Figura 8 es una ilustración que muestra una vista despiezada de una modalidad a manera de ejemplo de la presente invención. La Figura 9A ilustra un patrón de radiación polar de elevación para una modalidad a manera de ejemplo que emplea una cúpula de radar. La Figura 9B ilustra un patrón de radiación polar de elevación para una modalidad a manera de ejemplo que no emplea una cúpula de rada . La Figura 9C ilustra un patrón de radiación polar azimut para una modalidad a manera de ejemplo que emplea una cúpula de radar . La Figura 9D ilustra un patrón de radiación polar azimut para una modalidad a manera de ejemplo que no emplea una cúpula de radar . La Figura 9E es una ilustración que muestra una vista inferior o posterior de un plano de base de la tarjeta de circuito impresa como se ilustra en la Figura 8. La Figura 10A es una ilustración que muestra una vista isométríca de una cavidad resonante a manera de ejemplo para la presente invención . La Figura 10B es una ilustración que muestra un área agrandada enfocada en una estructura de esquina a manera de ejemplo de la cavidad resonante mostrada en la Figura 10A. La Figura 11 es una ilustración que muestra un arreglo típico de instalación para una antena proporcionada por una modalidad a manera de ejemplo de la presente invención. La Figura 12 es un diagrama de flujo lógico a manera de ejemplo que resalta los pasos a manera de ejemplo de un método para incrementar el ancho de haz de RF y el ancho de banda en un volumen compacto.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La antena de la presente invención puede solucionar los problemas anteriormente mencionados y es útil para las aplicaciones de comunicaciones inalámbricas, tales como servicios de comunicaciones personales (PCS) y servicio telefónico de radio móvil celular (CMR) . El sistema de. antenas puede incluir uno más radiadores de parche, una tarjeta de circuito impreso adyacente al (os) radiador (es) de parche, y una pluralidad de ranuras colocadas en un plano de base de la tarjeta de circuito impreso. La antena incluye además una cavidad adyacente al plano de base de la tarjeta de circuito impreso y un segundo plano de base adyacente a la cavidad. El sistema de antena radia energía de RP con un ancho de haz y ancho de banda relativamente anchos . Regresando ahora a los dibujos, en los cuales los números de referencia similares se refieren a elementos similares, la Figura 1 es una ilustración que muestra una vista en alzado de una modalidad a manera de ejemplo de la presente invención. Refiriéndose ahora a la Figura 1, se muestra un sistema 100 de antenas para comunicar las señales electromagnéticas con los espectros de alta frecuencia asociados con los sistemas de comunicaciones inalámbricas convencionales. Un sistema 100 de antenas puede implementar se como un arreglo plano de los elementos 110, 140 de radiación conocidos como generadores o radiadores de onda, en los que el arreglo se coloca a lo largo de un plano vertical de la antena como se ve normal al sitio de la antena . El sistema 100 de antenas, el cual puede transmitir y recibir señales electromagnéticas, incluye los elementos 110, 140 de radiación, un plano 120 de base, y una red 130 de alimentación. El sistema 100 de antenas incluye además una tarjeta 150 de circuito impreso y un puerto 160. Refiriéndose ahora a la Figura 2 la cual ilustra la vista lateral del sistema 100 de antenas de la Figura 1, se muestra más claramente la relación espacial entre un primer conjunto de elementos 110 de radiación y un segundo conjunto de elementos 140 de radiación. El primer conjunto de elementos 110 de radiación se encuentra colocado entre el segundo conjunto de elementos 140 de radiación y la tarjeta 150 de circuito impreso. A un costado de la tarjeta 150 de circuito impreso opuesta al primer conjunto de elementos 110 de radiación y al segundo conjunto de elementos 140 de radiación se encuentra una pluralidad de cavidades 200 que se describirá más detalladamente a continuación. El puerto 160 puede comprender un conector de tipo cable coaxial . La Figura 3 ilustra además una vista isométrica del sistema 100 de antenas el cual puede comprender una pluralidad de un primer conjunto de elementos 110 de radiación y un segundo conjunto de elementos 140 de radiación. El sistema 100 de antenas como se ilustra en la Figura 3 es un producto muy compacto aunque de alto rendimiento que puede colocarse o posicionarse en un volumen muy estrecho o pequeño tal como una cúpula de radar. Por ejemplo, en una modalidad a manera de ejemplo, la longitud L puede ser de aproximadamente 72 pulgadas (182.9 cm) mientras que el ancho puede ser de aproximadamente 8 pulgadas (20.3 cm) . La altura H del sistema 100 de antenas (incluyendo una cúpula de radar) puede ser de 2.75 pulgadas (6.98 cm) . En esta modalidad a manera de ejemplo, el rango de frecuencia de operación es aproximadamente desde 806 MHz hasta 896 MHz. En términos de longitud de onda, esto significa que el ancho W puede ser menor que o igual a seis décimos (0.6) de longitud de onda. De manera similar, la altura H, sin una cúpula de radar, puede ser menor que o igual a un séptimo (1/7) de longitud de onda. La altura H, con una cúpula de radar, puede ser menor que igual a un quinto (1/5) de longitud de onda. La longitud L puede variar dependiendo del número de elementos 110 de radiación que se deseen en el sistema 100 de antenas. Refiriéndose ahora a la Figura 4, esta figura ilustra un corte transversal del sistema 100 de antenas ilustrado en la Figura 3. Este corte transversal particular se toma a lo largo de la linea de corte 4-4 como se ilustra en la Figura 3. La Figura 4 proporciona detalles adicionales de los elementos mecánicos que forman el sistema 100 de antenas de la invención. Los tamaños de los materiales ilustrados en la Figura 5 no se muestran a escala. En otras palabras, se han exagerado algunos de los materiales en tamaño de manera que estos materiales puedan verse fácilmente. A continuación se ilustrará una representación gráfica más precisa de los tamaños relativos de materiales con respecto a la Figura 11. Un segundo elemento 140 de formación de radiación se espacia encuentra espaciado del primer elemento 110 de radiación por un espaciamiento SI. El espaciamient o SI es típicamente una dimensión resonante. Es decir, el tamaño del parámetro SI típicamente es una dimensión resonante o una dimensión que mejora la resonancia del segundo elemento 140 de radiación. El segundo elemento 140 de radiación en una modalidad a manera de ejemplo puede tener un largo Ll de 0.364 longitudes de onda y un ancho Wl de 0.144 longitudes de onda. Sin embargo, la presente invención no se encuentra limitada a estos valores. Otras dimensiones resonantes no se encuentran más allá del alcance de la presente invención. Además, la presente invención no se encuentra limitada a una pluralidad de elementos de radiación 110, 140. Puede emplearse un solo elemento de radiación sin aislarse del alcance y espíritu de la invención . El primer elemento 110 de antena de radiación puede espaciarse de la tarjeta 150 de circuito impreso por un parámetro de espaciamiento S2 el cual es típicamente un valor resonante. En otras palabras, el parámetro S2 es uno que mejora típicamente la resonancia del elemento 110 de parche de radiación. En términos de longitud de onda, el parámetro S2 se encuentra típicamente entre 0.03 a 0.05 longitudes de onda (o 0.42 a 0.83 pulgadas [1.07 cm a 2.1 cm] en el rango de frecuencia de operación a manera de ejemplo) . El primer elemento 110 de radiación en una modalidad a manera de ejemplo puede tener una longitud L2 de 0.364 longitudes de onda y un ancho W2 de 0.224 longitudes de onda. Sin embargo, la presente invención no se encuentra limitada a estos valores. Otras dimensiones resonantes no se encuentran más allá del alcance de la presente invención . El segundo elemento 140 de radiación se sujeta típicamente en su lugar con relación al primer elemento 110 de radiación por elementos espaciadores/sujetadores 500 los cuales pueden comprender montajes dieléctricos. El primer elemento 110 de radiación se coloca de manera similar a la tarjeta 150 de circuito impreso por una pluralidad de espaciadores /suj etadores 500. Los espaciadores /su etadores 500 se encuentran típicamente diseñados para "ajustarse" permanentemente en su lugar con objeto de eliminar o reducir el uso de puntos de soldeo de la presente invención. Esto, a su vez, reduce también substancialmente el trabajo en el proceso de elaboración del Sistema 100 de Antenas. Además, al utilizar tales espaciadores/su etadores puede también reducirse o eliminarse substancialmente la int ermodulación pasiva (PIM) . Sin embargo, la presente invención no se encuentra limitada a sujetadores de tipo "ajuste". Otros sujetadores o soportes dieléctricos que pueden reducir la PIM no se encuentran más allá de la presente invención. Por ejemplo, pueden utilizarse los bloques delgados o angostos de espumas dieléctricas para soportar los elementos 110, 140. Como se ilustra en las Figuras 3 y 4, el segundo elemento 140 de radiación y el primer elemento 110 de radiación comprenden típicamente elementos de parche. El segundo elemento 140 de radiación y el primer elemento 110 de radiación se elaboran típicamente a partir de materiales conductores tales como el aluminio. Específicamente, ambos aluminios pueden elaborarse a partir de aluminio 5052. De manera similar, la cavidad 200 puede construirse también a partir de aluminio. Sin embargo, otros materiales conductores no se encuentran más allá del alcance de la presente invención para las estructuras resonantes. Además, los elementos 110, 140 de radiación pueden construirse también con combinaciones de materiales dieléctricos recubiertos con un metal. Aquellos expertos en la materia apreciarán las diversas maneras en las que pueden construirse los elementos de radiación sin aislarse del alcance y espíritu de la presente invención. En una modalidad preferida a manera de ejemplo, tanto el segundo elemento 140 de radiación como el primer elemento 110 de radiación son de forma substancialmente rectangular. La forma rectangular de los parches 140, 110 en combinación con las aperturas o ranuras 700 (como se describirá a continuación) y la cavidad resonante 200 incrementan el ancho de banda y ancho de haz producidos por el sistema 100 de antenas. Sin embargo, la presente invención no se encuentra limitada a elementos de parche de forma rectangular. Otras formas incluyen, pero no se limitan a, formas cuadradas, circulares, y otras formas similares que maximizan el ancho de haz y el ancho de banda de un sistema de antenas compacto . La presente invención tampoco se encuentra limitada al número de elementos de radiación 110, 140 dentro de un arreglo apilado del número de arreglos apilados ilustrados en los dibujos. Menos elementos de radiación o adicionales 110, 140 de los arreglos apilados no se encuentran más allá del alcance de la presente invención. Por ejemplo, pueden emplearse más elementos de radiación 110, 140 en arreglos apilados respectivos con objeto de incrementar el ancho de banda. La Figura 4 ilustra detalles adicionales del sistema 100 de antenas que no se muestran en las figuras anteriores. Por ejemplo, las porciones de la red 130 de alimentación se encuentran alineadas subs t ancialmente sobre porciones de la cavidad 200. Al alinear las porciones de la red 130 de alimentación sobre porciones de la cavidad 200, tales como bridas 520 (como se describirá más detalladamente a continuación) la presente invención puede disipar la energía térmica formada en la red 130 de alimentación más eficazmente y rápidamente. Las bridas 520 pueden servir como un sumidero térmico a porciones de la red 130 de alimentación. Al utilizar porciones de la cavidad 200 resonante tales como un sumidero térmico, puede utilizarse una tarjeta 150 de circuito impreso relativamente delgada. La cavidad 200 puede sujetarse a la tarjeta 150 de circuito impreso (y más específicamente, el plano 530 de base de la tarjeta 150 de circuito impreso) utilizando un sujetador plano 540 tal como un adhesivo dieléctrico. Este sujetador plano 540 puede entonces reducir la resistencia térmica entre la red 130 de alimentación y la brida 520. La cavidad 200 puede anexarse también al plano 120 de base con un sujetador plano 540 tal como un adhesivo dieléctrico descrito con anterioridad. Utilizar tales sujetadores no solamente reduce la resistencia térmica entre la red 130 de alimentación y la cavidad, reduce también substancialmente la int ermodulación pasiva (PIM) . Con porciones de la cavidad 200, que funcionan como sumidero térmico para la red 130 de alimentación colocada sobre una tarjeta 150 de circuito impreso, puede utilizarse un substrato de material relati amente delgado como la tarjeta 150 de circuito impreso. La cavidad 200 se anexa al plano 530 de base de la tarjeta 150 de circuito impreso con un sujetador plano 540. De manera similar, la cavidad 200 se anexa a la cúpula de radar que soporta el plano 120 de base por un sujetador plano 540. La cavidad 200 propaga típicamente un modo magnético transversal (T oi) de energía de RF para la única polarización soportada por el sistema 100 de antenas. Dado que la cavidad 200 resuena, la altura o el espaciamiento S3 de la cavidad tiene una dimensión resonante de 0.027 longitudes de onda (o una dimensión de 0.375 pulgadas (0.953 cm) en la frecuencia de operación a manera de ejemplo) . El largo L3 y el ancho W3 de la cavidad resonante 200 puede tener cada uno una dimensión resonante de 0.433 longitudes de onda. Sin embargo, la presente invención no se encuentra limitada a estos valores . Otras dimensiones resonantes no se encuentran más allá de la presente invención. Mientras se propaga un modo magnético transversal de energía de RF, la cavidad 200 puede incrementar también subs t anci almente la proporción frontal a posterior del sistema 100 de antenas. La cavidad 200 se excita por una ranura 700 como se describirá más detalladamente a continuación. La Figura 5 es un diagrama de bloques funcional que ilustra los diversos componentes que conforman el sistema 100 de antenas compacto. Esta figura resalta un arreglo preferido y a manera de ejemplo de los componentes del sistema 100 de antenas. De los componentes ilustrados en la Figura 6 , existen unos cuantos que pueden considerarse los componentes centrales del Sistema 100 de Antenas que proporcionan la funcionalidad mejorada en tal volumen de antenas compacto. Los componentes centrales pueden considerarse como el segundo elemento 140 de radiación, el primer elemento 110 de radiación, la tarjeta 150 de circuito impreso, el plano 530 de base con ranuras 700, y la cavidad 200. Refiriéndose ahora a la Figura 6, se muestran detalles adicionales de las ranuras 700 colocadas dentro del plano 530 de base. Las ranuras 700 se excitan por pares de salientes 710 que se encuentran colocadas dentro de la red 130 de alimentación colocada a un costado de la tarjeta 150 de circuito impreso. El espacia iento y la orientación de las ranuras 700 con relación al primer elemento 110 de radiación pueden optimizar el modo de operación magnético transversal deseado TMoi en la cavidad resonante 200. La optimización del modo de operación TMpi puede realizarse también utilizando el centro de la cavidad 200 como el origen para los parches de radiación 110, 140. Es decir, los centros geométricos de los radiadores de parche 110, 140 y las cavidades 200 pueden alinearse concéntricamente. Refiriéndose ahora a la Figura 7B, las ranuras 700 pueden tener también una forma predefinida. Por ejemplo, en una modalidad a manera de ejemplo, cada ranura 700 tiene una forma de "hueso de perro" o de "H doble". Típicamente, esta forma comprende dos regiones circulares espaciadas por una región lineal relativamente larga. Sin embargo, la presente invención no se encuentra limitada a esta forma. Otras formas incluyen, pero no se limitan a, formas que tienen una longitud eléctrica que sea menor o igual a la mitad de la longitud de onda. La longitud eléctrica de una ranura se encuentra típicamente midiendo la mitad del perímetro de la apertura, comenzando en un extremo lejano de la ranura hasta el otro extremo lejano. Una longitud eléctrica menor o igual a media longitud de onda facilita el acoplamiento eficiente de energía de RF hacia la cavidad 200 y el primer elemento 110 de radiación de parche. La presente invención tampoco se encuentra limitada a una sola modalidad de ranura donde dos salientes 710 alimentan una ranura. Por ejemplo, pueden acoplarse pares de ranuras con pares de salientes 710. Es decir, cada saliente 710 puede alimentar una ranura respectiva 700. Otras combinaciones de ranuras y salientes no se encuentran más allá del alcance de la presente invención . Refiriéndose ahora a la Figura 8, esta figura ilustra una vista despiezada de los componentes del sistema 100 de antenas. Puede utilizarse una cúpula 800 de radar protectora que comprende un material de PVC para cubrir el sistema 100 de antenas. Una cúpula 800 de radar comprende preferentemente un material de PVC elaborado en la forma deseada por un proceso de extrusión. La cúpula 800 de radar se anexa a las muescas 400 formadas en el plano 120 de base. Se coloca un par de tapas terminales 810A y 810B a lo largo de una dimensión menor en un extremo del plano 120 de base y cubren la aperturas restantes formadas en el extremo de la combinación del plano 120 de base y la cúpula 800 de radar. La encapsulacion del sistema 100 de antenas dentro del gabinete sellado formada por el plano 120 de base, una cúpula 800 de radar, y las tapas terminales 810?-? protege el sistema 100 de antenas de los elementos ambientales, tales como luz solar directa, agua, polvo, mugre y humedad. En la modalidad a manera de ejemplo ilustrada en la Figura 8, cada una de las cavidades 200 tiene una apertura 820 colocada en la porción de base. Esta apertura 820 se encuentra diseñada para recibir una porción de un soporte 830 de instalación. Sin embargo, típicamente se emplean solamente dos soportes 830 de instalación para un arreglo de antena. Pero cada cavidad 200 puede incluir una apertura 820 para facilitar la repetición durante la elaboración y repartición de partes. Para aquellas cavidades 200 que en un arreglo no reciben el soporte 830 de instalación, las aperturas 820 se cierran eléctricamente y mecánicamente por el plano 120 de base. Durante la operación de la antena, debido al espesor de una cavidad respectiva 200 y el espesor de un sujetador plano respectivo 540, una apertura 820 que recibe un soporte 830 de instalación es virtualmente transparente eléctricamente. Cuando se coloca una cúpula 800 de radar sobre los elementos 110, 140 de radiación, el rendimiento del sistema 100 de antenas mejora inesperadamente. En otras palabras, mientras las cúpulas de radar generalmente se diseñan para ser transparentes y tener poco o ningún efecto sobre la energía de RF a generarse o recibirse por una antena, se proporciona la cúpula 800 de radar para algunos resultados inesperados para la presente invención. Más específicamente, la Tabla 1 ilustra algún rendimiento incrementado en ganancia de pico, la supresión de lóbulo lateral superior, y las pérdidas de retorno cuando la cúpula 800 de radar incluye la antena de invención.

Tabla 1 - Rendimiento Mejorado de la Antena con Cúpula de Radar 806 828.5 851 873.5 896 Promedio MHz MHz MHz MHz MHz Ganancia Con 11.34 11.51 11.5 11.58 11.79 11.54 Pico cúpula de (dBd) radar Sin 11 11.49 11.45 11.26 Il.5~3 11.34 cúpula de radar USS* Con 20 17.5 23 26 25 22.3 (dB) cúpula de radar Sin 18 16 ? ÍÍ.5 22.5 20.5 17.7 cúpula de radar Pérdida Con -18.1 -24 -20.6 -22 -20.9 -21.1 de cúpula de Retorno radar (dB) Sin -14.8 -20.5 -17.7 -17 -17.9 -17.6 cúpula de radar La Figura 9? ilustra un patrón de radiación polar de elevación para una modalidad a manera de ejemplo que emplea una cúpula 800 de radar cuando el arreglo de antena se encuentra lineado en una posición vertical. El número de referencia 905 denota una región a manera de ejemplo de la mejora de supresión de lóbulo lateral superior. La Figura 9B ilustra un patrón de radiación polar de elevación para una modalidad a manera de ejemplo que no emplea una cúpula de radar 800 cuando el arreglo de antena se encuentra alineado en una posición vertical. La Figura 9C ilustra un patrón de radiación polar azimut para una modalidad a manera de ejemplo que emplea la cúpula de radar 800 cuando el arreglo de antena se encuentra alineado en un posición vertical. La Figura 9D ilustra un patrón de radiación polar azimut para una modalidad a manera de ejemplo que no emplea una cúpula de radar 800 cuando el arreglo de antena se encuentra alineado en una posición vertical . La tarjeta 150 de circuito impreso es una lámina relativamente delgada de material dieléctrico y puede ser uno de entre muchos materiales dieléctricos utilizados para propósitos de circuitería de radio. En una modalidad preferida y a manera de ejemplo, el material utilizado tiene un valor constante de dieléctrico relativo dk = 3.38 (y £r = 2.7 cuando se utiliza el substrato como microbanda) . En el ambiente preferido a manera de ejemplo, los materiales de substrato basados en teflón típicamente no se utilizan con objeto de reducir costos. Sin embargo, los materiales basados en TEFLÓN y otros materiales dieléctricos no se encuentran más allá del alcance de la presente invención. Adyacente a la tarjeta 150 de circuito impreso se encuentra el plano 530 de base que se ilustra detalladamente en la Figura 9E . Refiriéndose ahora a la Figura 9E, el plano 530 de base contiene las ranuras 700 utilizadas para excitar la cavidad 200. Estas ranuras 700 pueden grabarse al agua fuerte preferentemente fuera del plano 530 de base por técnicas de fotolitografía. Refiriéndose ahora a la Figura 10A, esta figura ilustra adicionalmente los detalles de la cavidad resonante 200. La cavidad 200 se encuentra elaborada preferentemente de aluminio y tiene un diseño que mejora la repetición de la precisión mientras que reduce subs tancialmente la int ermodulación pasiva (PIM) . Sin embargo, otros materiales conductores no se encuentran más allá del alcance de la presente invención. La cavidad 200 comprende las paredes 1000A-D que se encuentran espaciadas una de otra por una distancia predeterminada d (Ver la Figura 10B) . Esta distancia predeterminada d entre las paredes 1000 en las esquinas permite tolerancias responsables en la elaboración, pero es típicamente lo suficientemente pequeña de manera tal que la cavidad 200 opera eléctricamente como una frontera cerrada para que se propague la energía de RF en la cavidad 200. En otras palabras, la cavidad 200 puede funcionar eléctricamente como una frontera cerrada cuando mecánicamente la cavidad tiene esquinas de apertura. Las esquinas de apertura de la cavidad típicamente tienen dimensiones que permiten resonancia mientras reducen sustancialmente la intermodulación pasiva (PIM) . Las esquinas de apertura de la cavidad funcionan también como agujeros de drenaje para cualquier condensación que pueda formarse dentro de una cavidad 200 respectiva. Refiriéndose ahora a la Figura 10B, existe una distancia d entre las paredes 1000C y 1000D de la cavidad. Como se mencionó anteriormente, la distancia d se dimensiona de manera tal que la cavidad pueda resonar mientras al mismo tiempo puede reducir sus tancialmente la intermodulación pasiva debido a que no existe contacto metal a metal entre las paredes respectivas 1000C y 1000D. La PIM se reduce adicionalment e por la presente invención debido a materiales disimilares, materiales ferrosos, contactos metal a metal, y articulaciones deformadas o soldadas se utilizan preferentemente con objeto de eliminar o reducir subs tancialmente este fenómeno físico. Por ejemplo, además de las esquinas de apertura de la cavidad 200, la presente invención emplea (como se describió anteriormente) sujetadores planos 540 para unir las bridas 520 de la cavidad 200 al plano 530 de base de la tarjeta 120 de circuito impreso. Mientras tanto, la base de la cavidad 200 puede unirse al plano 120 de base que soporta la cúpula de radar por otro sujetador plano dieléctrico. De manera similar, el primer elemento 110 de radiación se soporta por espaciadores /suj etadores 500 no soldados, y soporta también espaciadores/sujetadores 500 adicionales para soportar el segundo elemento 140 de radiación. Refiriéndose ahora a la Figura 11, esta figura ilustra además una rep esentación gráfica más precisa de los tamaños relativos (espesor) de los materiales que conforman el sistema 100 de antenas. Se muestran los detalles mecánicos adicionales de los espaciadores/sujetadores 500. Como se mencionó con anterioridad, estos espaciadores/sujetadores se construyen preferentemente a partir de materiales dieléctricos para reducir (PIM) mientras que permite también la facilidad de elaboración del sistema 100 de antenas. Es decir, los espaciadores/sujetadores 500 puede w ajustarse" permanentemente en su lugar sin el uso de cualesquier articulaciones deformadas o soldadas . La Figura 12 ilustra un diagrama 1200 de flujo lógico para un método que incrementa el ancho de banda de RF y el ancho de haz dentro de un volumen compacto. El diagrama 1200 de flujo lógico resalta algunas funciones clave del sistema 100 de antenas. El paso 1210 es el primer paso del proceso 1200 de la invención en el cual el sistema 100 de antenas se ensambla sin contactos metal a metal y soldeo. Más específicamente, en este paso, el sistema 100 de antenas puede elaborarse a fin de reducir substancialmente la int ermodulación pasiva (PIM) . Típicamente no se emplean materiales disimilares, materiales ferrosos, contactos metal a metal, y articulaciones deformadas o soldadas o son limitados en el sistema 100 de antenas con objeto de reducir o eliminar substancialmente la PIM. Una manera en la que se reduce o elimina substancialmente la PIM es mediante el uso de sujetadores planos dieléctricos 540 con objeto de conectar porciones de la cavidad 200 en el plano 530 de base ranurado y el plano 120 de base. Otra manera en la cual se reduce o elimina substancialmente la PIM es empleando esquinas de apertura en la cavidad 200 donde las paredes respectivas, tales como las paredes 1000C y ÍOOOD de la Figura 10B, se encuentran espaciadas por la distancia predeterminada d. Después, en el paso 1220 la energía de RF se propaga a lo largo de la red 130 de alimentación de la tarjeta 150 de circuito impreso. En el paso 1230, el calor se disipa de la red 130 de alimentación en las bridas 520 de la cavidad 200. En el paso 1240 , las ranuras 700 se conforman y dimensionan simétricamente de manera tal que cada ranura 700 tenga una longitud eléctrica eficaz menor que o igual a media longitud de onda. Tal forma y tamaño de las ranuras 700 mejora el eficiente acoplamiento de RF entre las ranuras 700 y las salientes 710 y entre las ranuras 700 y las cavidades resonantes 200. En el paso 1520, las ranuras 700 colocadas en el plano 530 de base conforman o establecen un modo magnético transversal (T ) de energía de RF en la cavidad 200. Después, en el paso 1260, los elementos de radiación tales como los radiadores de parche primero y segundo 110, 140 se excitan con energía de RF emitida desde la ranura 700 o las salientes 710 o ambas.

Después, en el paso 1270 , se produce la radiación de RF con ancho de haz y ancho de banda de RF incrementados . La presente invención proporciona elementos de parche acoplados a ranura o apertura, soportados por cavidades, que producen energía de RF con anchos de haz y anchos de banca incrementados . La presente invención proporciona también un sistema de antenas compacto que tiene una altura (sin cúpula de radar) menor a un séptimo (1/7) de longitud de onda y un ancho que es menor o igual a seis décimos (0.6) de longitud de onda. Con una cúpula de radar, la altura puede ser de un quinto (1/5) de longitud de onda. Aunque es compacta, la presente invención es eficiente en cuanto a la potencia. La presente invención proporciona un diseño de transferencia térmica eficiente de manera tal que una red de alimentación transfiere su calor a una cavidad resonante utilizada para conformar los modos magnéticos transversales deseados de energía de RF. La transferencia térmica eficiente le permite a la presente invención utilizar materiales dieléctricos relativamente delgados para la tarjeta de circuito impreso que soporta la red de alimentación. La presente invención incorpora además un planteamiento de diseño de PIM utilizando el acoplamiento capacitivo de todas las articulaciones potenciales metal a metal mediante el empleo de sujetadores planos no conductores y esquinas de apertura para la cavidad resonante 200. El planteamiento de diseño de PIM baja entrega también métodos de elaboración eficientes y rentables. Por ejemplo, los sujetadores planos 540 eliminan cualquier necesidad de soldar la cavidad resonante 200 con el plano 530 de base. El uso de espaciadores dieléctricos 500 elimina también cualquier necesidad de láminas espadadoras dieléctricas costosas aunque reduce también el tiempo de ensamblado. La cúpula 800 de radar algunos resultados inesperados para la presente invención. Aunque se encuentra diseñada para ser eléctricamente transparentes a los elementos de radiación 110, 140, la cúpula 800 de radar incrementa actualmente el rendimiento del sistema 100 de antenas.

Las modalidades alternativas se volverán aparentes para aquellos expertos en la materia a la cual pertenece la presente invención sin aislarse de su espíritu y alcance. Consecuentemente, aunque esta invención se ha descrito a manera de ejemplo con cierto grado de particularidad, debe comprenderse que la presente descripción se ha hecho solamente a manera de ejemplo y que se puede recurrir a numerosos cambios en los detalles de construcción y la combinación y arreglo de partes sin aislarse del espíritu y alcance de la invención. De acuerdo con lo anterior, el alcance de la presente invención se define por las reivindicaciones anexas en lugar de la descripción anterior.

Claims (20)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecedente, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. Una antena que comprende: un radiador de parche; una tarjeta de circuito impreso adyacente a dicho radiador de parche, comprendiendo dicha tarjeta de circuito impreso una pluralidad de salientes, una red de alimentación, y un primer plano de base; una ranura colocada dentro de dicho primer plano de base; una cavidad adyacente a dicho primer plano de base; y un segundo plano de base adyacente a dicha cavidad, donde dichas salientes alimentan a dichas ranuras y dichas ranuras excitan dicha cavidad de manera tal que dicho radiador de parche radia energía de RF con un ancho de haz y ancho de banda anchos.

2. La antena según la eivindicación 1, caracterizada porque dicho radiador de parche comprende una forma substancialmente rectangular .

3. La antena según la reivindicación 1, caracterizada porque dicha ranura tiene una longitud eléctrica que es menor que o igual a media longitud de onda.

4. La antena según la reivindicación lr caracterizada porgue dicha ranura comprende una forma de "hueso de perro".

5. La antena según la reivindicación 1, caracterizada porgue dicha ranura establece un modo magnético transversal de energía de RF dentro de dicha cavidad.

6. La antena según- la reivindicación 1, caracterizada porque dicha cavidad comprende una o más salientes que se unen a dicho primer plano de base con un sujetador dieléctrico.

7. La antena según la reivindicación 1, caracterizada porque porciones de dicha red de alimentación se alinean con bridas de dicha cavidad de manera tal que dichas bridas conducen calor proveniente de porciones de dicha red de alimentación .

8. La antena según la reivindicación 1, caracterizada porque dicha cavidad comprende dos o más paredes que tienen un espaciamiento predeterminado entre las paredes respectivas mientras que dicha cavidad propaga un modo magnético transversal de energía de RF.

9. La antena según la reivindicación 1, caracterizada porque dicha cavidad se sujeta a dicho segundo plano de base con un sujetador dieléctrico .

10. La antena según la reivindicación 1, caracterizada porque dicho sistema tiene una altura total menor que o igual a un séptimo de longitud de onda y un ancho total menor que o igual a seis décimos de longitud de onda.

11. La antena según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende además una cúpula de radar, incrementando subs tancialmente dicha cúpula de radar el rendimiento de dicha antena .

12. Un arreglo de antenas que comprende : una pluralidad de elementos de radiación apilados, comprendiendo cada elemento de radiación apilado un primer radiador de parche rectangular y un segundo radiador de parche rectangular; una tarjeta de circuito impreso adyacente a cada primer radiador de parche rectangular, comprendiendo dicha tarjeta de circuito impreso una pluralidad de salientes y un plano de base; colocado dicho primer radiador de parche rectangular entre dicho segundo radiador de parche rectangular y dicha tarjeta de circuito impre s o ; una pluralidad de ranuras colocadas dentro de dicho plano de base, alineándose cada ranura con un elemento de radiación apilado respectivo; y una pluralidad de cavidades que incluyen dicho plano de base y ranuras respectivas donde dichas salientes alimentan a dichas ranuras y dichas ranuras excitan las cavidades respectivas de manera tal que dichos radiadores de parche radian energía de RF con un ancho de haz y ancho de banda incrementado.

13. El arreglo de antena según la reivindicación 12, caracterizado porque dicho primer parche se espacia de dicho segundo parche por uno o más elementos espaciadores dieléctricos .

14. El arreglo de antena según la reivindicación 12, caracterizado porque cada una de dichas ranuras tiene una longitud eléctrica que es menor que o igual a media longitud de onda .

15. El arreglo de antena según la reivindicación 12, donde cada una de dichas ranuras comprende una forma de "hueso de perro".

16. El arreglo de antena según la reivindicación 12, caracterizado porque dichas ranuras establecen un modo magnético-transversal de energía de RF dentro de dicha cavidad.

17. El arreglo de antena según la reivindicación 12, donde cada cavidad tiene dos o más paredes que forman esquinas, comprendiendo cada esquina un espaciamiento predeterminado para reducir o eliminar subs tancialmente la intermodulación pasiva.

18. Un método para producir patrones de radiación de RF con anchos de haz incrementados y energía de RF con ancho de banda incrementado en un volumen compacto, que comprende los pasos para : colocar una pluralidad de ranuras dentro de un plano de base de una tarjeta de circuito impreso; propagar energía de RF a lo largo de una red de alimentación; disipar calor proveniente de la red de alimentación en porciones de una cavidad metálica; excitar las ranuras para establecer un modo de energía de RF dentro de la cavidad metálica; y excitar radiadores de parche con la energía de RF producida por las ranuras y la cavidad.

19. El método según la reivindicación 18, caracterizado porque comprende además el paso para mantener un espacio entre las esquinas de la cavidad con objeto de reducir la int ermodulación pasiva.

20. El método según la reivindicación 18, caracterizado porque comprende además el paso para conformar la ranura de manera tal que. cada ranura tenga una longitud eléctrica eficaz menor que o igual a media longitud de onda para el acoplamiento de RF eficaz a o desde la red de alimentación y la cavidad.