MXPA04004432A

MXPA04004432A - Red de elementos en fase de banda dual que emplea segundas harmonicas espaciales.

Info

Publication number: MXPA04004432A
Application number: MXPA04004432A
Authority: MX
Inventors: K Gothard Griffin
Original assignee: Ipr Licensing Inc
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2005-05-16
Also published as: AU2002352616B2; US6753826B2; TW200423475A; BR0214200A; WO2003041224A1; CA2469883A1; US20030184492A1; JP2005509345A; NO20042363L; EP1456908A1; EP1456908A4; US7202835B2; CN101026267A; KR20070055636A; CN101026266A; CN1613167A; US20070182657A1; KR20050044386A; US20050052332A1

Abstract

Una antena directriz operable en multiples bandas de frecuencia incluye un elemento de antena activo y al menos un elemento de antena pasivo acoplado en forma parasitaria con el elemento de antena activo. El o los elementos de antena pasivos tienen longitud y espaciamiento substancialmente optimizados para operar a (i) una frecuencia fundamental asociada con el elemento de antena activa y (ii) una frecuencia resonante superior relacionada con la frecuencia fundamental. Se emplean distribuciones de corriente armonicas espaciales de los elementos de antena pasivos para crear las multiples bandas de frecuencia de operacion. La antena directriz tambien incluye dispositivos acoplados operativamente con el o los elementos de antena pasivos para dirigir un haz de antena formado al aplicar una senal a la frecuencia resonante fundamental, superior frecuencia resonante, o ambas al elemento de antena activo para operar en las multiples bandas de frecuencia.

Description

UNA RED EN FASE DE BANDA DOBLE QUE EMPLEA SEGUNDOS ARMÓNICOS ESPACIALES ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN A medida que las redes inalámbricas maduran y se emplean más ampliamente, se ofrecen tasas de datos más altas. Un ejemplo de tal red inalámbrica es una red inalámbrica de área local (WLAN) que utiliza un protocolo 802.11, 802.11a o 802.11b, denominado en general a continuación el protocolo 802.11. El protocolo 802.11 especifica una frecuencia portadora de 2,4 GHz (802.11b) para el servicio tradicional y frecuencias portadoras de 5,2 GHz (802.11a) y 5,7 GHz (802. llg) para servicios más nuevos de tasas de datos más altas. Como sucede con otras radios, un adaptador de red inalám-brica incluye un transmisor y un receptor conectados a una antena. La antena está diseñada para proporcionar ganancia máxima a una frecuencia dada. Por ejemplo, si se diseñase una antena monopolo para operar muy efectivamente a 2,4 GHz, no soportaría de forma óptima la operación a 5 GHz. Igualmente, si se diseñase una antena directiva para operar muy efectivamente a 5 GHz, estaría en peligro la compatibilidad inversa con 802.11 de 2,4 GHz. COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Para afrontar el problema de tener compatibilidad con múltiples frecuencias portadoras de red inalámbrica, una antena directiva de la invención proporciona alta ganancia y di-rectividad a múltiples frecuencias operativas. De esta forma, un sistema que emplea la antena directiva de la invención es compatible con múltiples sistemas inalámbricos, y, en el caso de sistemas WLAN 802.11, proporciona compatibilidad a las frecuencias portadoras de 2,4 GHz y 5 GHz, proporcionando por ello compatibilidad inversa y directa. Es posible un amplio rango de implementaciones de la antena directiva, donde la espaciación, la longitud, la estruc-tura de la antena, el acoplamiento reactivo a tierra, y los diseños de plano tierra son factores ejemplares que se utilizan para proporcionar el soporte de multifrecuencia . Se utilizan múltiples distribuciones de corrientes armónicas espacia-les de elemento (s) pasivo (s) que están acoplados de forma parásita a al menos un elemento de antena activo para crear múltiples bandas de frecuencia operativas. En una realización, la antena directiva de la invención, que puede operar en múltiples bandas de frecuencia, incluye un elemento de antena activo y al menos un elemento de antena pasivo acoplado de forma parásita al elemento de antena activo. El (los) elemento (s) de antena pasivo (s) tienen una longitud y espaciacion sustancialmente optimizadas para operar selectivamente a (i) una frecuencia fundamental asociada con el elemen-to de antena activo o (ii) una frecuencia resonante más alta relacionada con la frecuencia fundamental. La frecuencia resonante más alta puede ser un segundo armónico de la frecuencia fundamental . La antena directiva también puede incluir un (unos) dis-positivo (s) acoplado (s) operativamente al (los) elemento (s) de antena pasivo (s) para dirigir un haz de antena formado aplicando una señal a la frecuencia resonante fundamental o superior al elemento de antena activo para operar en las múltiples bandas de frecuencia. La antena directiva puede dirigir simultáneamente los haces de antena a la frecuencia fundamental y la frecuencia resonante más alta. La antena directiva también puede incluir elementos de carga reactiva acoplados por los interruptores entre el (los) elemento (s) de antena pasivo (s) y un plano tierra. El (los) elemento (s) de carga reactiva puede (n) estar acoplado (s) operativamente al (los) elemento (s) de antena pasivo (s) para hacer del (de los) elemento (s) de antena pasivo (s) asociado (s) un reflector a la frecuencia fundamental. La misma carga reac-tiva puede convertir el elemento de antena pasivo asociado en un director a la frecuencia resonante más alta. También se pueden lograr las condiciones opuestas con el (los) elemento (s) de carga reactiva. Los elementos de antena pueden ser monopolos o dipolos .

Además, los elementos de antena pueden ser elementos bi- o tridimensionales que soportan más de dos resonancias. Los elementos de antena pueden tener, además, longitud y espaciación para soportar más de dos bandas de frecuencia. Además, los elementos de antena pueden ser elementos que soportan frecuencias resonantes más altas que son múltiplos no enteros de la frecuencia fundamental . Los elementos de antena se pueden disponer de manera que la frecuencia resonante más alta sea un múltiplo no entero de la frecuencia fundamental . La antena directiva puede incluir además una impedancia de entrada acoplada a la red a través de las bandas deseadas y se puede optimizar usando técnicas de optimización, incluyendo: adición de un brazo plegable de grosor apropiado a los elementos de antena activos, utilización de elementos de impedancia concentrada, utilización de segmentos de linea de transmisión, o una combinación de técnicas de optimización. La antena directiva se puede usar en sistemas celulares, microteléfonos, Internets inalámbricas, redes inalámbricas de área local (WLAN) , puntos de acceso, adaptadores remotos, repetidores, y redes 802.11. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los anteriores y otros objetos, características y ventajas de la invención serán evidentes por la siguiente descrip-ción más detallada de las realizaciones preferidas de la invención, ilustradas en los dibujos anexos en los que caracteres de referencia análogos se refieren a las mismas partes en todas las distintas vistas. Los dibujos no están necesariamente a escala, recalcándose en cambio que ilustran los princi-pios de la invención. La figura 1 es un diagrama esquemático de una red inalámbrica, tal como una red inalámbrica de área local (WLAN) 802.11, en la que se puede emplear la antena directiva de la invención. La figura 2A es un diagrama de una estación inalámbrica que utiliza una realización de monopolo de la antena directiva para operar en la WLAN de la figura 1. La figura 2B es un diagrama isométrico de la antena directiva de la figura 2A. La figura 2C es un diagrama esquemático de cargas reactivas ejemplares e interruptores usados para cambiar la fase de los elementos de antena de la figura 2B. La figura 3 es un diagrama que ilustra una matriz lineal de tres dipolos, que forma una realización alternativa de la antena directiva de la figura 2A. La figura 4A es un diagrama de distribuciones de corriente de frecuencia espacial de una antena dipolo utilizada en una realización alternativa de la antena directiva de la figu-ra 2A. La figura 4B es un gráfico de frecuencias que ilustra puntos de resonancia del elemento de antena de la figura 4A. La figura 5 es una variación de la antena directiva de la figura 3 enlazando las mitades inferiores de los dipolos a tierra común. La figura 6 es un diagrama de la' realización de dipolo de la antena directiva de la figura 3 y re-irradiación de ella. La figura 7 es un diagrama isométrico de una realización de red anular de la antena directiva de la figura 5. Las figuras 8A y 8B son un conjunto de configuraciones de radiación a 5 GHz para la antena directiva de la figura 7. Las figuras 9A y 9B son un conjunto de configuraciones de radiación a 2 GHz para la antena directiva de la figura 7. Y la figura 10 es un gráfico de ganancia que ilustra la directividad de las antenas directivas de la figura 7. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA Sigue una descripción detallada de las realizaciones preferidas . La figura 1 es un diagrama esquemático de una red inalámbrica ejemplar en la que se puede emplear realizaciones de la antena directiva de banda multifrecuencia de la invención. La red inalámbrica es una red inalámbrica de área local ( LAN) 100 que tiene un sistema de distribución 105. Puntos de acceso 110a, 110b, y 110c están conectados al sistema de distribución 105 mediante conexiones alámbricas. Cada uno de los puntos de acceso 110 tiene una zona respectiva 115a, 115b, 115c en la que es capaz de transmitir y recibir señales RF con estaciones 120a, 120b, 120c, que se soportan con hardware y software de red inalámbrica de área local para acceder al sistema de distribución 105. La tecnología presente proporciona diversidad de antenas a los puntos de acceso 110 y las estaciones 120. La diversidad de antenas da a los puntos de acceso 110 y las estaciones 120 la capacidad de seleccionar una de dos antenas para realizar servicios de transmisión y recepción en base a la calidad de señal que se recibe. Una razón de seleccionar una antena frente a otra es el evento de desvanecimiento por trayectos múltiples en el que una señal que sigue dos recorridos diferentes a las antenas hace que se produzca cancelación de señal en una antena pero no en la otra. Otro ejemplo es cuando la interferencia es producida por dos señales diferentes recibidas en la misma antena. Otra razón para seleccionar una de las dos antenas se debe al entorno cambiante, tal como cuando una estación 120c es llevada de la tercera zona 115c a las zonas primera y segunda 120a, 120b, respectivamente. En la WLAN 100, los puntos de acceso A y C utilizan protocolos 802.11 de frecuencia portadora tradicional de 2,4 GHz. Sin embargo, el punto de acceso B usa un protocolo 802.11 de frecuencia portadora de 5 GHz de mayor anchura de banda y más reciente. Esto significa que si la estación 120c se desplaza de la tercera zona 115c a la segunda zona 115b, la antena que proporciona el recorrido de diversidad no será adecuada para proporcionar ganancia máxima en la segunda zona 115b si está destinada a la frecuencia portadora de 2,4 GHz de las zonas primera y tercera 115a y 115c, respectivamente. Igualmente, si la antena está diseñada para operar a 5 GHz, no proporcionará ganancia máxima en las zonas A y C de 2,4 GHz. En cualquier caso, las velocidades de transferencia de datos se sacrifican debido al diseño de la antena cuando no está en su zona "nativa" . Además, las antenas monopolo usadas típicamente para diversidad de antenas parten con desventaja porque sus configuraciones de ha omnidireccional tienen una ganancia fija. En contraposición a las antenas monopolo simples que proporcionan diversidad de antenas, está una antena directiva, denominada a veces una red de antenas. Tal red se puede usar para dirigir un haz de antena para proporcionar ganancia máxima de la antena en una dirección particular. Como se describe en la Solicitud de Patente de Estados Unidos número 09/859.001, presentada el 16 de mayo de 2001, titulada "Antena adaptativa para uso en sistemas de comunicaciones inalámbricas" (Expediente n" 2479.2042-001), cuyas ideas en su totalidad se incorporan aquí por referencia, un tipo de red de ante-ñas utiliza la propiedad de que cuando un elemento pasivo de antena de dipolo de media onda o de monopolo de cuarto de onda está cerca de su resonancia primaria, las diferentes condiciones de carga pueden hacer que la antena sea reflectora o directiva. Si ambos elementos activo y pasivo se hacen más lar-gos, se puede incrementar la ganancia directiva. La presente invención avanza el concepto de que si el elemento pasivo se hace más largo, como un monopolo de media onda o dipolo de onda completa, cerca de una resonancia armónica espacial, tal como la resonancia del segundo armónico es-pacial, el elemento pasivo se puede hacer reflector o directivo y puede operar en múltiples bandas de frecuencia. Usando el concepto de resonar cerca de un armónico espacial, una red lineal, circular u otra geométrica que utilice los principios de la presente invención puede exhibir una anchura de banda de 3dB de más de 50% en comparación con una antena directiva no resonante, y la ganancia directiva se dobla aproximadamente. Cuando se añade a la primera resonancia (es decir, a la frecuencia fundamental, tal como a 2,4 GHz) , toda la banda cubre más de un octavo en dos sub-bandas distintas. Así, siguiendo haciendo referencia a la figura 1, cuando la tercera estación 120c es transportada desde la tercera zona 115c a la primera zona 115a pasando por la segunda zona 115b, logra alta ganancia de antena en todo el traslado con conexión inalámbrica ininterrumpida al sistema de distribución 105 mediante conexiones con los puntos de acceso C, B, y A, en ese orden, aunque la tercera estación 120c pase de 802.11 a 2,4 GHz a 802.11 a 5 GHz y de nuevo a 802.11 a 2,4 GHz. La figura 2A es un diagrama isométrico de la primera es-tación 120a que utiliza una red directiva de antenas 200, configurada como una red circular, que está fuera del chasis de la primera estación 120a. En una realización alternativa, la red directiva de antenas 200 puede estar dispuesta en una tarjeta PCMCIA situada dentro de la primera estación 120a. En cualquier realización, la red directiva de antenas 200 puede incluir cinco elementos de antena pasivos monopolo 205a, 205b, 205c, 205d, y 205e (colectivamente, elementos de antena pasivos 205) y al menos un elemento de antena activo monopolo 206. En una realización alternativa, la red directiva de antenas 200 puede incluir tan sólo un elemento de antena pasivo acoplado de forma parásita a al menos un elemento de antena activo. La red directiva de antenas 200 está conectada a la estación 120a mediante un puerto de bus serie universal (USB) 215. Los elementos de antena pasivos 205 en la red directiva de antenas 200 están acoplados de forma parásita al elemento de antena activo 206 para poder explorar la red directiva de antenas 200. Por exploración se entiende que al menos un haz de antena de la red directiva de antenas 200 se puede girar 360° en incrementos asociados con el número de elementos de antena pasivos 205. Una técnica ejemplar para determinar el ángulo de exploración es muestrear una señal baliza, por ejemplo, en cada ángulo de exploración y seleccionar el que proporciona la relación de señal a ruido más alta. También se puede usar otras medidas de rendimiento, y también se puede emplear y usar técnicas más sofisticadas para determinar un mejor ángulo de exploración en unión con la red directiva de antenas 200. La red directiva de antenas 200 también se puede usar en un modo omnidireccional para proporcionar una configuración de antena omnidireccional (no representada) . Las estaciones 120 pueden usar una configuración omnidireccional para Detección de Portadora antes de la transmisión. Las estaciones 120 también pueden usar la antena direccional seleccionada al trans-mitir y recibir de los puntos de acceso 110. En una red "ad hoc", las estaciones 120 pueden volver a una configuración de antena omni-única, puesto que las estaciones 120 pueden comunicar con cualquier otra estación 120. Además de la propiedad de exploración, la red directiva de antenas 200 puede proporcionar un haz 220a de 2,4 GHz y un haz 220b de 5 GHz (colectivamente, haces 220) . Los haces 220 se pueden generar simultáneamente o en tiempos diferentes. La generación de los haces se soporta mediante selecciones apropiadas de la longitud y espaciación de antena. Otros factores también pueden contribuir a la doble capacidad del haz, tal como acoplamiento a tierra, impedancia de entrada, forma del elemento de antena, y así sucesivamente. Se deberá entender que 2,4 GHz y 5 GHz son frecuencias meramente ilustrativas y que se pueden soportar combinaciones de múltiplos enteros o múltiplos no enteros de la frecuencia fundamental mediante selecciones apropiadas del diseño según los principios de la presente invención. La figura 2B es una vista detallada de la red directiva de antenas 200 que incluye los elementos de antena pasivos 205 y el elemento de antena activo 206 explicado anteriormente. La red directiva de antenas 200 también incluye un plano tierra 330 al que los elementos de antena pasivos están acoplados eléctricamente, como se explica a continuación con referencia a la figura 2C. La red directiva de antenas 200 proporciona un lóbulo de antena directiva, tal como el lóbulo de antena 220a para WLA 802.11 de 2,4 GHz, inclinado alejándose de los elementos de antena 205a y 205e. Esto es una indicación de que los elemen-tos de antena 205a y 205e están en un modo "reflector" o "directivo" y que los elementos de antena 205b, 205c, y 205d están en un modo "transmisivo" . En otros términos, el acoplamiento mutuo entre el elemento de antena activo 206 y los elementos de antena pasivos 205 permite que la red directiva de antenas 200 explore el lóbulo de antena directiva 220a, que, en este caso, se dirige como se representa como resultado de los modos en los que se ponen los elementos de antena pasivos 205. Diferentes combinaciones de modos de los elementos de antena pasivos 205 dan lugar a diferentes configuraciones y án-gulos del lóbulo de antena 220a. La figura 2C es un diagrama esquemático de un circuito o dispositivo ejemplar que se puede usar para poner los elementos de antena pasivos 205 en los modos reflector o transmisivo. El modo reflectivo se indica con una línea de trazos "alargada" representativa 305, y el modo transmisivo o directivo se indica con una línea de trazos "acortada" 310. Las líneas de trazos representativas 305 y 310 se forman acoplando el elemento de antena pasivo 205a al plano tierra 330 mediante un elemento inductivo 320 o elemento capacitivo 325, respecti-vamente . El acoplamiento del elemento de antena pasivo 205a mediante el elemento inductivo 320 o el elemento capacitivo 325 se realiza mediante un conmutador 315. El conmutador puede ser un conmutador mecánico o eléctrico capaz de acoplar el elemento de antena pasivo 205a al plano tierra 330 de manera adecuada para esta aplicación de RF. El conmutador 315 se establece mediante una señal de control 335 en una manera típica de control de conmutador. Acoplado al plano tierra 330 mediante el inductor 320, el elemento de antena pasivo 205a es efectivamente alargado, como representa la línea de trazos más larga representativa 305. Esto se puede considerar como poner un "tablero" para una señal RF acoplada al elemento de antena pasivo 205a mediante acoplamiento mutuo con el elemento de antena activo 206. En el caso de la figura 2B, ambos elementos de antena pasivos 205a y 205e están conectados al plano tierra 330 mediante respectivos elementos inductivos 320. Al mismo tiempo, en el ejemplo de la figura 2B, los otros elementos de antena pasivos 205b, 205c, y 205d están conectados eléctricamente al plano tierra 330 me-diante respectivos elementos capacitivos 325. El acoplamiento capacitivo acorta efectivamente los elementos de antena pasivos como representa la línea de trazos representativa más corta 310. Acoplar capacitivamente todos los elementos de antena pasivos 205 convierte efectivamente la red directiva de ante-ñas 200 en una antena omnidireccional . Se deberá entender que también se puede usar técnicas de acoplamiento alternativas entre los elementos de antena pasivos 205 y el plano tierra 330, tal como líneas de retardo e impedancias concentradas. La figura 3 es un diagrama esquemático de una red de 3 dipolos 300 utilizada para ilustrar el concepto de exploración del haz multifrecuencia . El dipolo de semionda centrado activo D se representa alimentado por un generador G. La longitud física total del dipolo D se ilustra en líneas continuas. Los dos dipolos DI y D2 a ambos lados del dipolo activo DI, también mostrados en líneas continuas, se cargan con reactores o impedancias XI y X2. Los valores de los reactores XI y X2 hacen un dipolo (por ejemplo, Di) reflector y el otro dipolo (por ejemplo, D2) directivo, haciendo por ello la red 300 similar a una red Yagi clásica. Cuando se alargan las tres antenas D, DI, D2 (es decir, las longitudes se escalan en proporción a la frecuencia) , como se indica con líneas de trazos, se aproximan a una segunda re-sonancia, donde la longitud eléctrica total de cada antena es aproximadamente onda completa. Los dipolos DI y D2 son de nuevo reflectores y directivos con la misma carga XI y X2. Una indicación de alcanzar la resonancia del segundo armónico es la posición permutada entre reflector y director, producida por la resonancia del segundo armónico que tiene una propiedad de impedancia diferente de la primera resonancia. La figura 4A es un diagrama esquemático de una distribución de corrientes armónicas espaciales en los elementos de antena pasivos DI, D2. La distribución de corrientes armónicas espaciales de frecuencia fundamental 405 tiene un solo pico a lo largo de los elementos de antena. La segunda distribución de corrientes armónicas espaciales 410 tiene dos picos a lo largo del elemento de antena. La tercera distribución de corrientes armónicas espaciales (no representada) tiene tres pi-eos, y así sucesivamente. La figura 4B es un gráfico de la reacción de un elemento de antena pasivo DI, D2 producido por acoplamiento parásito con el elemento de antena activo 206 que transmite un rango de frecuencias portadoras. En cada cruce del eje real, la antena pasiva resuena. El rango dentro del que el elemento de antena pasivo resonará de manera que produzca un efecto sustantivo hacia la generación de un haz compuesto (por ejemplo, los haces 220a, 220b, figura 2) es ± 5% del cruce del eje real. La figura 5 es un diagrama esquemático de una red monopo- lo alternativa 500 que emplea los principios de la presente invención. La red monopolo 500 incluye una antena activa D y elementos de antena pasivos DI y D2. Un plano tierra 505 es vertical y está conformado para crear una estructura resonante equilibrada que refleja los elementos de antena monopolo pasivos DI, D2. Los elementos de antena pasivos DI y D2 están acoplados de forma parásita al elemento de antena activo D y acoplados eléctricamente al plano tierra 505 mediante elementos de impedancia XI y X2 , respectivamente. El acoplamiento eléc-trico de los elementos de antena pasivos DI, D2 a tierra 505 se puede realizar seleccionando un estado de interruptores respectivos (no representados) . Además, las impedancias XI y X2 pueden ser regulables eléctricamente. En la operación, la red monopolo 500 dirige un haz de antena re-irradiando una señal portadora (por ejemplo, de 2,4 GHz o 5 GHz) , transmitida por el elemento de antena activo D, para formar un haz compuesto (haz 220a y 220b) . la re-irradiación se puede considerar progresiva, producida por una configuración de elementos de antena pasivos y activos re-sonantes, como se indica en la figura 6. Con referencia a la figura 6, la antena directiva 200 tiene una fase progresiva que se desplaza de izquierda a derecha. El proceso resonante de fase progresiva se produce de la siguiente manera: la antena activa D resuena a la frecuencia portadora (por ejemplo, frecuencia fundamental o del segundo armónico) , el elemento de antena reflector pasivo DI resuena a la misma frecuencia, el elemento de antena activo D sigue resonando cuando pasa la onda electromagnética que resulta del elemento de antena reflector pasivo DI, resonando después la antena directiva pasiva D2. Se producen ondas RF 605a, 605b, y 605c en ese orden, y un haz compuesto resultante (por ejemplo, figura 2, haz 220a) se dirige en la dirección de la flecha 610. Generalmente es beneficioso hacer el elemento de antena activo D más corto que los elementos de antena pasivos DI y D2 de manera que produzca menor interferencia con el haz o los haces re- irradiantes . La figura 7 es un ejemplo de la red monopolo 500 de la figura 5 dispuesto en una red anular. Un haz compuesto formado (explicado en referencia a las figuras 8A, 8B, 9A, y 9B) puede explorar en azimut girando los valores asignados a los elementos de impedancia XI -X6. Siguen a continuación los resultados de una simulación de un ejemplo de esta red monopolo anular 700. La red monopolo anular ejemplar 700 tiene una dimensión general de 1,3 pulgadas (3,30 cm) de diámetro x 1,72 pulgadas (4,36 cm) de alto. La mitad de los elementos pasivos consecutivos se carga con 3 ohmios (resistencia de cortocircuito típica de un conmutador cortocircuitado) , y los tres restantes se cargan con 3 1 j600 ohmios. Las principales configuraciones planas a 5 GHz que resultan de la simulación se representan en las figuras 8A y 8B. El "corte" en alzado está a la derecha (figura 8A) , y el "corte" en azimut está a la izquierda (figura 8B) . Como representa la simulación, estos cortes mantienen la misma forma general en todo el rango de 3,4 GHz a 5,7 GHz. Esa banda de cobertura es 50%, que se considera muy grande para una red dipolo en fase. La directividad dentro de dicha banda es de 7+ dBi a 9+ dBi, que también es muy atractiva. Las configuraciones de radiación simuladas a 2 GHz se muestran en las figuras 9A y 9B. La configuración en alzado en función de theta está a la derecha (figura 9B) , y el corte cónico a través del haz en theta = 60 grados está a la izquierda (figura 9A) . La directividad es aproximadamente 3 dBi. La cla-ra diferencia entre las configuraciones azimutales a las dos frecuencias está en la dirección del haz, donde el haz de 2 GHz apunta al sur, y el haz de 5 GHz apunta al norte. Esto señala la existencia de dos modos diferentes. En la banda de 5 GHz, la red es eléctricamente más grande que a 2 GHz, de modo que el límite superior de la ganancia de red puede ser mucho más alto. La diferencia de ganancia simulada es 5,5 dB para este caso concreto. La anchura de banda de 3-dB en la banda de 5 GHz es ancha, superior al 50%. Eso es porque operan dos op-timizaciones de ganancia diferentes. Una es el pico resonante del elemento, y la otra es el pico de red. Los dos picos se pueden escalonar en frecuencia y ampliar en anchura de banda.

La figura 10 es un gráfico de la ganancia de antena en escala logarítmica, de manera que el rendimiento se puede es-calar fácilmente en frecuencia. El gráfico de directividad se representa para dos modelos simulados: 1,3 pulgadas (3,30 cm) de diámetro y 1,7 pulgadas (4,31 cm) de diámetro, respectivamente, de la red anular circular 700. Cuando se escala el primer modelo a frecuencias WLAN IEEE 801.11b y 802.11a, las di-rectividades son 2,9 y 7,1 dBi, respectivamente. El segundo modelo tiene mejor rendimiento. Cuando se escalan, las direc-tividades son 3,5 y 8,2-8,7 dBi, respectivamente. Con esta disposición, todas las bandas 802.11 se pueden cubrir en una red. En disposiciones alternativas, se pueden cubrir bandas para otras redes inalámbricas, donde las frecuencias portadoras son sustancialmente armónicas entre sí o donde las frecuencias portadoras no son armónicos múltiplos enteros, pero la red directiva de antenas ha sido diseñada para soportar las resonancias de armónicos múltiplos no enteros. La impedancia de entrada del elemento activo se puede adaptar utilizando una técnica de monopolo plegado. Usando la técnica de monopolo plegado, se añade un brazo plegado (no representado) en paralelo al elemento de antena monopolo y se pone en derivación a tierra. El brazo plegado actúa como un factor de multiplicación para la impedancia de entrada. El grosor del brazo plegado modifica, además, el factor de multiplicación. Además, se puede lograr adaptación añadiendo componentes reactivos, que pueden ser necesarios para compensar una variación inevitable sobre la anchura de banda sustancial que cubre la red. También se puede utilizar segmentos de línea de transmisión para efectuar la adaptación de impedancia. Tiene la ventaja de utilizar una placa de circuito ya en posición para crear las líneas. Una combinación de dos o las tres téc-nicas se puede usar e incluso puede ser necesaria para optimizar la adaptación en una banda ancha. El plano tierra no tiene que ser vertical. Puede ser parcialmente horizontal o completamente horizontal. Un sistema que emplea la antena directiva de la invención puede realizar operación de banda doble utilizando redes pasivas exploradas electrónicamente, tal como la red anular explicada anteriormente. Las dos (o más) bandas pueden estar separadas más de una octava. La técnica también se puede emplear donde se requiere una red de exploración de banda ancha. La aplicación de banda ancha proporciona dos veces la ganancia de una primera red resonante comparable usando la técnica anterior. Así, se puede soportar banda doble y banda superior ancha con el mismo tipo de antenas y partes electrónicas que en una primera red resonante de la técnica anterior, de modo que no hay aumento de costo. Aunque esta invención se ha mostrado y descrito con detalle con referencias a sus realizaciones preferidas, los expertos en la materia entenderán que se puede hacer varios cambios en la forma y detalles sin apartarse del alcance de la inven-ción abarcado por las reivindicaciones anexas. Como ejemplos, los elementos no tienen que ser monopolos o dipolos. Pueden ser de otros tipos que soporten resonancia más allá de la resonancia primaria. La separación de los elementos de red tampoco se limita al segundo armónico; pueden ser un tercer armónico o superior. La resonancia real del elemento de antena no puede ser múltiplos enteros de la frecuencia fundamental, soportada mediante la utilización de formas bi- o tridimensionales. Esta característica se puede explotar seleccionando el tipo de ele-mentó y regulando la forma del elemento para que resuene en las bandas de frecuencia deseadas de la separación de banda requerida. Por una razón similar, la espaciación armónica de los elementos de red no siguen necesariamente una serie de múltiplos enteros. Eso es debido a que, en caso de que la red sea una estructura circular bidimensional , la red tiene su propia serie de resonancias características. La optimización de la red es hacer que forme una fase progresiva de elemento a elemento de manera que la onda se pueda propagar sustancial-mente en una dirección para formar un haz directivo. Esta característica de espaciación armónica también ofrece flexibilidad al optimizar las bandas de frecuencia. Se deberá entender que la antena directiva de la invención puede ser empleada por varios dispositivos electrónicos inalámbricos, tal como microtelefonos, puntos de acceso, y repetidores, y se puede emplear en redes, tal como sistemas celulares, Internets inalámbricas, redes inalámbricas de área local, y redes 802.11.

Claims

REIVINDICACIONES 1. Una antena directiva que puede operar en múltiples bandas de frecuencia, incluyendo: un elemento de antena activo; al menos un elemento de antena pasivo acoplado de forma parásita al elemento de antena activo y que tiene longitud y espaciación sustancialmente optimizadas para operar selectivamente a (i) una frecuencia fundamental asociada con el elemento de antena activo o (ii) una frecuencia resonante más alta relacionada con la frecuencia fundamental; y dispositivos acoplados operativamente a dicho al menos único elemento de antena pasivo para dirigir al menos un haz de antena formado aplicando una señal a la frecuencia resonante fundamental o superior al elemento de antena activo para operar en las múltiples bandas de frecuencia.
2. La antena directiva según la reivindicación 1, donde la frecuencia resonante más alta es el segundo armónico de la frecuencia fundamental.
3. La antena directiva según la reivindicación 1, donde la antena directiva dirige simultáneamente haces de antena a la frecuencia fundamental y la frecuencia resonante más alta.
4. La antena directiva según la reivindicación 1, incluyendo además una carga reactiva acoplada entre dicho al menos único elemento de antena pasivo y una tierra.
5. La antena directiva según la reivindicación 4, donde la carga reactiva hace del elemento de antena pasivo asociado (i) un reflector a la frecuencia fundamental y la misma carga reactiva convierte el elemento de antena pasivo asociado en un director a la frecuencia resonante más alta o (ii) un director a la frecuencia fundamental y la misma carga reactiva convierte el elemento de antena pasivo asociado en un reflector a la frecuencia resonante más alta.
6. La antena directiva según la reivindicación 1, donde los elementos de antena son monopolos o dipolos .
7. La antena directiva según la reivindicación 1, donde los elementos de antena soportan más de dos resonancias.
8. La antena directiva según la reivindicación 1, donde la longitud y espaciacion soportan más de dos bandas de fre-cuencia.
9. La antena directiva según la reivindicación 1, donde los elementos de antena soportan frecuencias resonantes más altas que son múltiplos no enteros de la frecuencia fundamental .
10. La antena directiva según la reivindicación 1, donde los elementos de antena están dispuestos de manera que la frecuencia resonante más alta sea un múltiplo no entero de la frecuencia fundamental .
11. La antena directiva según la reivindicación 1, inclu-yendo además una impedancia de entrada acoplada a la red a través de las bandas deseadas para optimizar la resonancia en las bandas deseadas, incluyendo la impedancia de entrada al menos uno de los siguiente: un brazo plegable, elemento de impedancia concentrada, elemento inductivo, elemento capacitivo, o segmento de línea de transmisión.
12. La antena directiva según la reivindicación 1, utilizada en sistemas celulares, microteléfonos, Internets inalámbricas, redes inalámbricas de área local (WLAN) , puntos de acceso, adaptadores remotos, estaciones, repetidores, y redes 802.11.
13. Un método para uso con una unidad de abonado en un sistema de comunicaciones inalámbricas, incluyendo el método: proporcionar o recibir una señal RF de un conjunto de antena que tiene al menos un elemento de antena activo y al me-nos un elemento de antena pasivo acoplado electromagnéticamente a dicho al menos único elemento de antena activo; y seleccionar un estado de impedancia de componentes de impedancia seleccionables independientemente acoplados eléctricamente a dicho al menos único elemento de antena pasivo en el conjunto de antena de manera que afecte a la fase de respectivas señales RF re-irradiadas para formar al menos un haz compuesto a una primera o segunda banda de frecuencia operativa producidas por correspondientes distribuciones de corrientes armónicas espaciales en dicho al menos único elemento pasivo.
14. El método según la reivindicación 13, donde la segunda banda de frecuencia operativa es la frecuencia del segundo armónico de la primera banda de frecuencia operativa.
15. El método según la reivindicación 13, incluyendo ade-más dirigir simultáneamente un haz compuesto correspondiente a la primera banda de frecuencia operativa y un haz compuesto correspondiente a la segunda banda de frecuencia operativa.
16. El método según la reivindicación 13, donde seleccionar un estado de impedancia de componentes de impedancia se-leccionables independientemente incluye operar interruptores asociados con los componentes de impedancia.
17. El método según la reivindicación 16, donde seleccionar el estado de impedancia hace a los elementos de antena pasivos asociados (i) reflectores a la primera banda de frecuen-cia operativa y el mismo estado de impedancia hace al elemento de antena pasivo asociado directivo a la segunda banda de frecuencia operativa o (ii) directivo a la primera banda de frecuencia operativa y el mismo estado de impedancia hace al elemento de antena pasivo asociado reflector a la segunda banda de frecuencia operativa.
18. El método según la reivindicación 13, donde los elementos de antena son monopolos o dipolos .
19. El método según la reivindicación 13, donde seleccionar el estado de impedancia de componentes de impedancia se-leccionables independientemente afecta a la fase de más de dos resonancias .
20. El método según la reivindicación 13, donde la longitud y espaciación entre elementos de antena soporta más de dos bandas de frecuencia operativas.
21. El método según la reivindicación 13, donde la segunda banda de frecuencia operativa es un múltiplo no entero de la primera banda de frecuencia operativa.
22. El método según la reivindicación 13, donde los elementos de antena están dispuestos de manera que el segundo distribuciones de corrientes armónicas espaciales de los elementos pasivos sean un múltiplo no entero de la primera banda de frecuencia operativa.
23. El método según la reivindicación 13, incluyendo además regular una impedancia de entrada al conjunto de antena.
24. El método según la reivindicación 13 utilizado en sistemas celulares, microteléfonos, Internets inalámbricas, redes inalámbricas de área local (WLAN) , puntos de acceso, adaptadores remotos, estaciones, repetidores, y redes 802.11.
25. Una antena directiva que puede operar en múltiples bandas de frecuencia, incluyendo: medios para suministrar o recibir una señal RF de un conjunto de antena que tiene al menos un elemento de antena activo y múltiples elementos de antena pasivos acoplados electromagnéticamente a dicho al menos único elemento de antena activo; y medios para seleccionar un estado de impedancia de componentes de impedancia seleccionables independientemente acoplados eléctricamente a respectivos elementos de antena pasivos en el conjunto de antena de manera que afecten a la fase de respectivas señales re-irradiadas para formar un haz compuesto a una primera o segunda banda de frecuencia operativa producida por correspondientes distribuciones de corrientes armónicas espaciales en los elementos pasivos.