MXPA04011244A - Antena para aplicaciones de red. - Google Patents

Abstract

Se proporciona una antena con un primer elemento conductor colocado en una region inferior de la antena y un segundo elemento conductor colocado encima del primer elemento conductor, en una region superior de la antena. Uno de los elementos conductores es un elemento activo y transmite y recibe senales mientras que el otro elemento es un elemento conectado a tierra.

Description

- - ANTENA PARA APLICACIONES DE RED DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los sistemas de comunicación de acceso múltiple con división de código (CDMA) pueden ser utilizados para proporcionar comunicación inalámbrica entre una estación de base y una o más unidades suscriptoras . La estación de base típicamente es un equipo controlado por computadora de transceptores de interrupción que se interconectan a una red telefónica conmutada pública basada en tierra (PSTN) . La estación de base incluye un aparato de antena para enviar señales de radiofrecuencia de enlace directo a las unidades suscriptoras móviles. La antena de estación de base también es responsable de recibir señales de radiofrecuencia de enlace inverso transmitidas desde cada unidad móvil. Cada unidad suscriptora móvil también contiene un aparato de antena para la recepción de las señales de enlace directas y para la transmisión de las señales de enlace inversas. Una unidad suscriptora móvil típica es un microteléfono de teléfono celular digital o una computadora personal acoplada a un módem celular inalámbrico . El tipo más común de antena utilizado para transmitir y recibir señales en una unidad suscriptora móvil es una antena monopolo omnidireccional . Este tipo de antena consiste de un alambre único de elemento de antena que se acopla a un transceptor dentro de la unidad suscriptora. El transceptor recibe señales de enlace inversas que se van a transmitir desde circuitaje dentro de la unidad suscriptora y modula las señales en el elemento de antena a una frecuencia especificada a dicha unidad suscriptora. Las señales de enlace directas recibidas por el elemento de antena a una frecuencia especificada se desmodulan por el tranceptor y se suministran a circuitaje de procesamiento dentro de la unidad suscriptora. En los sistemas celulares CDMA, las unidades suscriptoras móviles múltiples pueden transmitir y recibir señales en la misma frecuencia y utilizar algoritmos de codificación para detectar información de señalización diseñada unidades suscriptoras individuales en una base por unidad. La señal transmitida enviada desde una antena monopolo es de naturaleza omnidireccional. Esto es, la señal es enviada con la misma fuerza de señal en todas direcciones en un plano generalmente horizontal. La recepción de señales con un elemento de antena monopolo de igual manera es omnidireccional . Una antena monopolo no se diferencia en su capacidad para detectar una señal en una dirección versus la detección de la señal igual o diferente que provenga de otra dirección.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN Diversos problemas son . inherentes en las antenas de la técnica anterior utilizadas sobre unidades suscriptoras móviles en sistemas de comunicaciones inalámbricos. Típicamente, un arreglo de antena con capacidades de exploración consiste de cierta cantidad de elementos de antena que se localizan en la parte superior de un plano terrestre. Para que la unidad suscriptora satisfaga los requerimientos de capacidad portátil, el plano terrestre debe ser físicamente pequeño. Por ejemplo, en aplicaciones de comunicación celular, el plano terrestre típicamente es más pequeño que la longitud de onda de las señales transmitidas y recibidas. Debido a la interacción entre un plano terrestre pequeño y los elementos de antena, los cuales típicamente son elementos monopolo, la resistencia pico del haz formado por el arreglo se eleva por encima del horizonte, por ejemplo en aproximadamente 30°, aunque el haz mismo está dirigido a lo largo del horizonte. De manera correspondiente, la fuerza del haz a lo largo del horizonte es de aproximadamente 3 db menor que la potencia pico. Generalmente, las unidades suscriptoras se localizan a distancias grandes de las estaciones de base de manera tal que el ángulo de incidencia entre la unidad suscriptora y la estación de base es aproximadamente cero. El plano terrestre puede necesitar ser significativamente más grande que la longitud de onda de las señales transmitidas/recibidas para ser capaz de hacer descender el haz pico hacia el horizonte. Por ejemplo, en un sistema de 800 Mhz, el plano terrestre debe tener que ser significativamente más grande de 35.6 cm (14 pulgadas) de diámetro y un sistema PCS que opera a aproximadamente 1900 Mhz, el plano terrestre debe necesitar ser significativamente mayor de aproximadamente 16.5 cm (6.5 pulgadas) de diámetro. Los planos terrestres con tales tamaños grandes pueden prohibir el uso de la unidad suscriptora como un dispositivo portátil. Por lo tanto, es deseable dirigir la potencia pico del haz a lo largo del horizonte con elementos de antena montados en un plano terrestre de manera que la unidad suscriptora sea móvil . Además, es deseable producir elementos de antena con estas características de dirección de haz utilizando técnicas de producción en masa de bajo costo. La presente invención reduce en gran medida los problemas encontrado por los sistemas de antena de la técnica anterior, mencionados antes. La presente invención proporciona una antena barata para uso con una unidad suscriptora móvil en un sistema de comunicaciones de red de la misma frecuencia inalámbrica, tal como las redes de comunicación celular CDMA. La antena se puede fabricar con técnicas de fotograbado de tablero de circuito impreso (PCB) para un control preciso de la estructura impresa. En un aspecto, la presente invención proporciona una antena con un primer elemento conductor colocado en una región inferior de la antena, y un segundo elemento conductor colocado por encima del primer elemento conductor en una región superior de la antena. Uno de los elementos conductores es un elemento activo que transmite y recibe señales, mientras que el otro elemento es un elemento conectado a tierra. Las modalidades de este aspecto pueden incluir una o más de las siguientes características. En algunas modalidades, el primer elemento conductor es un elemento conectado a tierra, y el segundo elemento conductor puede incluir un dispositivo de alimentación central acoplado a una tira de alimentación para facilitar el acoplamiento de la antena a una línea de transmisión. En otras modalidades, el segundo elemento conductor es un elemento conectado a tierra y el primer elemento conductor puede incluir un dispositivo de alimentación de extremo. El elemento conectado a tierra se puede acoplar a una superficie terrestre. La superficie terrestre puede ser plana. La superficie plana terrestre se puede colocar sustancialmente · paralela o perpendicular al primero y segundo elementos conductores. De manera alternativa o adicional, el primero y segundo elementos conductores pueden ser planos . En modalidades particulares, la superficie conectada a tierra tiene una forma cónica con el vértice de la superficie cónica colocado próximo a la tierra y los elementos activos y la base de la superficie colocada distal a la tierra y los elementos activos. La antena puede incluir un sustrato elaborado, por ejemplo, de un material dieléctrico tal como poliestireno o teflón, los cuales son materiales de tablero de circuito impreso (PCB) comunes. El primero y segundo elementos conductores se puede colocar en lados opuestos o en el mismo lado del sustrato. El primero y segundo elementos se pueden elaborar de un metal conductor, tal como cobre. En algunas configuraciones, el elemento activo recibe y transmite señales que tienen un patrón de antena con una ganancia pico que es dirigida sustancialmente a lo largo de un horizonte de la tierra por el elemento conectado a tierra. La ganancia pico se puede dirigir en un ángulo de aproximadamente 10° por encima del horizonte.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LOS DIBUJOS Los objetivos anteriores y otros objetivos, características y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción más particular de las modalidades preferidas de la invención, como se ilustra en los dibujos anexos en los cuales caracteres de referencia similares se refieren a las mismas partes a través de las diferentes vistas. Los dibujos no necesariamente están a escala, en vez de esto se pone énfasis en la ilustración de los Pprincipios de la invención. La figura 1A ilustra una configuración preferida de un aparato de antena utilizado por una unidad suscriptora móvil en un sistema celular, de acuerdo con la invención. ^\ La figura IB ilustra otra configuración preferida de un aparato de antena utilizado por una unidad suscriptora móvil en un sistema celular, de acuerdo con esta invención. "^ ^La figura 2A es un diagrama de nivel de sistema para los circuitos electrónicos los cuales controla la red de antena de la figura 1A. La figura 2B es un diagrama de nivel de sistema para los circuitos electrónicos los cuales controlan la red de antena de la figura IB.

- - N\ La figura 3A es una vista lateral del elemento de antena del aparato de la figura 1. " ^La figura 3B es una vista desde el lado opuesto del elemento de antena de la figura 3A. La figura 4 ilustra un haz dirigido 10° por encima del horizonte, por un elemento de antena configurado de acuerdo con .la invención. La figura 5 es una modalidad alternativa de un elemento de antena de acuerdo con esta invención. ^\ La figura 6 es otra modalidad alternativa de un elemento de antena, de acuerdo con esta invención. \ La figura 7 es otra modalidad alternativa de un elemento de antena, de acuerdo con esta invención. ^ La figura 8A es una vista lateral de otra modalidad alternativa del elemento de antena del aparato de la figura 1. La figura 8B es una vista desde el lado opuesto del elemento de antena de la figura 8A. La figura 9A es un diagrama que ilustra la característica de ancho de banda estrecho del elemento de antena de la presente invención. La figura 9B es un diagrama que ilustra la característica de ancho de banda amplio del elemento de antena de la presente invención. \ La figura 9C es un diagrama que ilustra una característica de ancho de banda múltiple del elemento de antena de la presente invención. La figura 10A es una vista en perspectiva del elemento de antena con la porción superior activa y la porción inferior conectada a tierra acoplada a una superficie de conexión a tierra vertical, de acuerdo con la invención . ^ La figura 10B es una vista en perspectiva de un elemento de antena con una porción inferior activa y una porción superior conectada a tierra acoplada a la superficie vertical conectada a tierra, de acuerdo con la invención . X La figura 10C es una vista en perspectiva de un elemento de antena dipolo de choque con una superficie de conexión a tierra vertical, de acuerdo con la invención. La figura 10D es una vista en perspectiva de un antena dipolo con una superficie cónica de conexión a tierra, de acuerdo con la invención. ^ La figura 10E es una vista en perspectiva de una antena dipolo con un teléfono celular que sirve como una superficie de conexión a tierra, de acuerdo con la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN A continuación se presenta una descripción de las modalidades preferidas de la invención. Las modalidades se proporcionan a modo de ejemplo y no como limitaciones de la invención . Regresando ahora a los dibujos, se muestra en la figura 1A un aparato 10 de antena configurados de acuerdo con la presente invención. El aparato 10 de antena sirve como un medio mediante el cual se lleva a cabo la transmisión y recepción de señales de radio por una unidad suscriptora, tal como una computadora 14 portátil acoplada a un módem celular inalámbrico, con una estación 12 de base. La unidad suscriptora proporciona datos inalámbricos o servicios de voz y puede conectar dispositivos tales como la computadora 14 portátil, o los asistentes digitales personales (PDA) o similares a través de la estación 12 de base a una red la cual puede ser la red de telefonía conmutada pública (PSTN) , una red de computadora conmutada por paquetes, u otras redes de datos tales como la Internet o una Internet privada. La estación 12 de base se puede comunicar con la red sobre cualquier cantidad de protocolos de comunicación eficientes diferentes tales como ISDN primario, o incluso TCP/IP si la red es una red Eternet tal como la Internet . La unidad suscriptora puede ser de naturaleza móvil y se puede desplazar desde un lugar a otro mientas se comunica con la estación 12 de base.

También debe entenderse por aquellos expertos en la técnica que la figura 1 puede ser un sistema de comunicación de tipo celular estándar tal como CDMA, TDMA, GSM u otros sistemas en los cuales se asignan canales de radio para transportar datos o señales de voz entre la estación 12 de base y en la unidad 14 suscriptora. En una modalidad preferida, la figura 1 es un sistema similar a CDMA, utilizando los principios de multiplexado de división de código tales como los que se definen en la patente de E.U.A. No. 6,151,332. El aparato 10 de antena incluye una base o un plano 20 conectado a tierra sobre el cual se montan 8 elementos 22 de antena. Como se ilustra, el aparato 10 de antena se acopla a la computadora 14 portátil (no dibujada a escala) . El aparato 10 de antena permite que la computadora 14 portátil realice comunicaciones inalámbricas vía señales 30 de un enlace directo transmitido desde la estación 12 de base y señales 32 de enlace inversa transmitidas a la estación de base 12. En una modalidad preferida, cada elemento 22 de antena se coloca sobre un plano 20 conectado a tierra de la manera dispersada como se ilustra en la figura. Esto es, una modalidad preferida incluye cuatro elementos los cuales se colocan respectivamente en lugares que corresponden a las esquinas de un cuadrado, y cuatro elementos adicionales, cada uno se coloca a lo largo de los lados del cuadrado entre los elementos de esquina respectivos. Con atención de nuevo a la figura 2A, se muestra un diagrama de bloques del circuito electrónico el cual controla la unidad 11 de acceso al suscriptor. La unidad 11 de acceso al suscriptor incluye la red 10 de antena, el submontaje 40 de radiofrecuencia (RF) de antena y una red secundaria 42 electrónica. Las señales inalámbricas que llegan desde la estación 12 de base se recibe primero en la red 10 de antena el cual consiste de los elementos de antena 22-1, 22-2,..., 22-N. Las señales que llegan a cada elemento de antena se alimentan a la red secundaria 40 de RF, que incluye, por ejemplo, un desviador de fase (o un elemento de impedancia) 56, un retraso 58 o un interruptor 59. Existe un desviador 56 de fase, un retrasador 58 y un interruptor 59 asociados con cada elemento 22 de antena. Las señales después se alimentan a través de una red 60 divisora combinadora la cual típicamente agrega la energía en cada cadena de señal que se proporciona a la señal sumada a la red secundaria 42 electrónica. En la dirección de transmisión, las señales de radiof ecuencia proporcionadas por la red secundaria 42 electrónica se alimentan a la red 60 divisora combinadora. Las señales que van a ser transmitidas se desplazan a través de la cadena de señal, incluyendo el interruptor 59, el retrasador 58 o el desviador 56 de fase a uno de los elemento 22 de antena respectivos y desde este lugar se transmiten de regreso hacia la estación de base. En la dirección de recepción, la red secundaria 42 electrónica recibe la señal de radio en el filtro 62 duplexor el cual proporciona las señales recibidas al receptor 64. El receptor 64 de radio proporciona una señal desmodulada a un circuito 66 descodificador que separa la codificación de modulación. Por ejemplo, cada descodificador puede operar para separar la codificación del tipo de acceso múltiple de división de códigos (CDMA) que puede involucrar el uso de códigos pseudoaleatorios o códigos Walsh para separar las diversas señales diseñadas para unidades suscriptoras particulares, de una manera la cual es conocida en la técnica. La señal descodificada después se alimenta al circuito 68 de memoria intermedia de datos, en donde después alimenta la señal descodificada a un circuito 70 de interconexión de datos. El circuito 70 de interconexión después proporcionan las señales de datos a una interconexión típica de computadora tal como la que se puede proporcionar por un enlace común en serie universal (USB) , interconexión de tipo PCMCIA, interconexión en serie u otra interconexión de computadora bien conocida que sea compatible con la computadora 14 portátil. Un controlador 72 puede recibir o transmitir mensajes desde la interconexión de datos hacia y desde el circuito 74 de interconexión de mensajes para controlar el funcionamiento del descodificador 66, un codificador 74, el sintonizador del transmisión 76 y el receptor 64. Esto también puede proporcionar las señales 78 de control asociadas con el control del estado de los interruptores 59, el retrasador 58 o los desplazadores 56 de fase. Por ejemplo, un primer conjunto de señales de control 78-3 pueden controlar los estados del desplazador de fase de manera tal que cada desplazador 56 de fase individual implante un desplazamiento de fase deseado particular a una de las señales recibidas desde o transmitida por el elemento 22 de antena respectivo. Esto permite el direccionamiento de la totalidad de la red 10 de antena a una dirección deseada particular y de esta manera se incrementan la velocidad de datos disponibles totales que se pueden llevar a cabo con el equipo. Por ejemplo, la unidad 11 de acceso puede recibir un mensaje de control desde la estación de base que tiene instrucciones para dirigir su red a una dirección o circuitos particulares asociados con el receptor 64 o el descodificador 66 puede proporcionar una indicación de fuerza de señal al controlador 72. El controlador 72 a su vez, establece periódicamente los valores para el desplazador 56 de fase. Con referencia ahora a las figuras IB y 2B, se muestra una distribución alternativa para una red 10 de antena de la unidad 11 de acceso. En esta configuración, un elemento 22-A de antena activo único se coloca en la parte media del plano 20 conectado a tierra y se rodea por un conjunto de elemento de antena pasivos 22-1, 22-2, 22-3, ... 22 -N- (en la figura IB, se muestran ocho elemento de antena pasivos) . Aquí únicamente se conecta el elemento 22A de antena activo, directamente a través del filtro 62 duplexor, a la red secundaria 42 electrónica. Un elemento de retraso 58 asociado, o elemento de impedancia acumulada 57 y el conmutador 59 se interconectan al elemento 22-1, 22-2, 22-3,... 22-N de antena pasiva respectiva. En el arreglo que se muestra en las figuras IB y 2B, las señales de transmisión/recepción se comunican entre la estación de base y el elemento 22 -A de antena activo. A su vez, el elemento 22 -A de antena activo proporciona las señales a la red secundaria 42 electrónica o recibe señales de la red 42. Los elementos de antena pasivos 22-1, 22-2, 22-3,... 22-N reflejan las señales o dirigen las señales hacia el elemento de antena activo 22 -A. El controlador 72 puede proporcionar señales 78 de control para controlar el estado de los retrasadores 58, los elementos 57 de impedancia y los interruptores 59. Como se ilustra en las figuras 3A y 3B, cada elemento 22 de antena incluye un sustrato 140 sobre el cual - se imprime un elemento 142 plano conductor sobre un lado 144 en una región inferior del sustrato 140 y la trayectoria 146 conectada a tierra plana conductora se imprime en el lado opuesto 148, en una región superior del sustrato 140. El elemento 142 plano conductor incluye una línea 150 de alimentación corta la cual se extiende desde la parte inferior de una porción 151 en forma de cuadro agrandada del elemento 142 plano conductor y se conecta a una línea 152 de transmisión en el punto 153 de alimentación inferior que se localiza en el borde 154 inferior del sustrato 140. El elemento 142 plano conductor la línea 152 de transmisión están aisladas eléctricamente del plano 20 conectado a tierra. La línea 150 de alimentación se acorta para minimizar el retraso desde el punto 153 de alimentación al elemento 142 plano conductor. Cuando el elemento 22 de antena actúa como un elemento pasivo, la línea 152 de transmisión se conecta a la línea 58 de retraso que a su vez se conecta a un elemento 57 de impedancia variable o concentrada y el interruptor 59. Los valores específicos de capacitancia se pueden introducir de manera intencional en la línea de alimentación a la antena de manera que se produzca un retraso requerido para cambiar la antena de una antena reflejante a una antena directiva y viceversa, y se puede ajustar para que tenga aproximadamente un cuarto de longitud de onda de separación para maximizar el ancho de banda pasivo útil del elemento 22 de antena pasiva. Con referencia ahora en particular a las figura 3B, el parche 146 conectado a tierra plano conductor incluye una porción 170 cuadrada agrandada y se conecta a una tira 172 vertical que se extiende desde la parte inferior de la porción 170 cuadrada agrandada al borde 154 inferior del sustrato 140. La tira 172 vertical acopla el parche 146 conectado a tierra plano conductor con el plano 20 conectado a tierra. El sustrato 140 se elabora de un material dieléctrico. Por ejemplo, el sustrato se puede elaborar de PCB tales como poliestireno o Teflon. Para aplicaciones en el ancho de banda de PCS (1850 Mhz a 1990 Mhz) , el sustrato 140 tiene una longitud "1" de aproximadamente 61 mm (2.4 pulgadas), una anchura "w" de aproximadamente 20 mm (0.8 pulgadas) y un espesor "t" de aproximadamente 0.8 mm (0.031 pulgadas) . El elemento 142 plano conductor, la tira 172 vertical y el parche 146 conectado a tierra plano conductor se producen con técnicas de tablero de circuito impreso al colocar una capa de cobre respectiva en ambos lados 144 y 148 del sustrato 140 con un espesor de aproximadamente 381 µp? (0.0015 pulgadas) y después por medio de fotograbado de la capa de cobre en las formas deseadas. En uso, el elemento 142 plano conductor se - - alimenta directamente por el punto 153 de alimentación a través de la línea 150 de alimentación corta de manera tal que el elemento 142 plano conducto actúa como una antena monopolo. Para satisfacer los requerimientos de ancho de banda típicos, la antena formada por el elemento 142 plano conductor es altamente dependiente del plano de conexión a tierra. De esta manera, sin la presencia de un parche conectado a tierra plano conductor, la potencia de haz pico del haz que se forma por el elemento plano conductor oscila entre aproximadamente 30° por encima del horizonte. No obstante, en la mayor parte de las aplicaciones, el ángulo de incidencia entre la estación de base y la unidad suscriptora es de aproximadamente 0o. Por lo tanto, el parche 146 conectado a tierra plano conductor se coloca por encima del elemento 142 plano conductor para obligar al haz pico a descender a lo largo del horizonte. Con tal arreglo apilado, la red 10 de antena es capaz de transmitir haces con potencia de haz pico que se incrementa en un máximo de aproximadamente 10° por encima del horizonte (figura 4) . Como se menciona en lo anterior, el elemento 142 plano conductor está conformado como un cuadro para maximizar el ancho de banda de la antena 22. En aplicaciones PCS, el elemento 22 de antena establece resonancia con una frecuencia central "fc", por ejemplo, de aproximadamente 1.92 Ghz con un ancho de banda de aproximadamente 10%. El elemento 142 plano conductor tiene forma cuadrada para maximizar adicionalmente el ancho de banda de la antena 22. En modalidades alternativas, el elemento 142 plano conductor puede tener una forma diferente a la cuadrada para permitir que el elemento 22 de antena transmita en otros requerimientos de ancho de banda tales como bandas dobles o bandas únicas estrechas. Por ejemplo, con referencia a la figura 5, se muestra un elemento 200 plano conductor en forma de T. El elemento 200 tiene una porción 202 de tira vertical la cual se extiende desde una sección media de la porción 204 de tira horizontal. Al igual que con el elemento 142 plano conductor (figuras 3A y 3B) , la porción 202 de tira vertical termina en un punto 206 de alimentación el cual se conecta a una línea de alimentación de transmisión tal como la línea 152 de transmisión. En otra modalidad que se muestra en la figura 6, un elemento 300 plano conductor también tiene de manera predominante una estructura en forma de T. El elemento 300 plano conductor incluye una porción 302 de tira vertical conectada a una línea de alimentación en un punto 304 de alimentación que se localiza en la parte inferior del elemento 300 plano. La porción de tira vertical se extiende a una porción 306 de tira horizontal. En cualquier extremo de la porción 306 de tira horizontal se encuentra una extensión 308 descendente que se extiende hacia la parte inferior del elemento 300 plano 'conductor . En otra modalidad adicional de la invención que se muestra en la figura 7, un elemento 400 plano conductor incluye una tira 402 de alimentación vertical que termina en un punto 404 de alimentación en un extremo y que se conecta en el otro extremo a la sección media de una segunda porción 406 del elemento 400 plano conductor. La segunda porción 406 del elemento 400 plano conductor incluye en cualquier extremo de la segunda porción 406 una sección 408 ahusada la cual se inclina hacia abajo desde el plano horizontal hacia la tira 402 vertical. Cada sección 408 ahusada y la tira 402 vertical define un ángulo "a" de aproximadamente 45°. Aunque las modalidades discutidas en lo anterior se describen en el contexto de antenas monopolo, las antenas que funcionan como antenas dipolo también se encuentran dentro del alcance de la invención. Por ejemplo, con referencia ahora a las figuras 8A y 8B, se muestra un elemento 522 de antena que tiene lo que se denomina un diseño dipolo "de choque". Cada elemento 522 de antena incluye un sustrato 540 sobre el cual se imprime un elemento 542 plano conductor en un lado 544, en una región superior del sustrato 540 y un parche 546 conectado a tierra, plano y - - conductor se imprime en un lado 548 opuesto, en una región inferior del sustrato 540. Una tira 550 de alimentación se extiende desde la parte inferior del elemento plano conductor y se conecta a la línea 152 de transmisión en el punto 553 de alimentación inferior que se localiza en el borde 554 inferior del sustrato 540. El elemento 542 plano conductor y la línea 152 de transmisión se aislan eléctricamente del plano 20 conectado a tierra. La tira 550 de alimentación incluye una sección 551 agrandada. El tamaño de la sección 551 agrandada así como su ubicación a lo largo de la tira 550 de alimentación puede variar para alterar la impedancia del elemento 522 de antena. Típicamente, la impedancia del elemento 522 de antena coincide con la impedancia de alimentación. Como se menciona anteriormente con referencia al elemento 22 de antena, el elemento 522 de antena, a través de la línea 152 de transmisión, se conecta al desplazador 56 de fase (o al elemento de impedancia) que a su vez se conecta a la línea 58 de retraso y al interruptor 59. Si el elemento 522 de antena se conecta a un elemento 56 de impedancia en vez de un desplazador de fase, el elemento de impedancia puede ser un elemento de impedancia variable o un elemento de impedancia concentrada. La línea 152 de transmisión proporciona una trayectoria para transmitir señales hacia y para recibir señales desde el elemento 522 - - de antena. El desplazador 56 de fase de cada elemento 522 de antena es ajustable independientemente para facilitar el cambio de fase de una señal transmitida desde el elemento 522 de antena. El elemento 542 plano conducto incluye una base 560 la cual se alinea perpendicularmente con la tira 550 de alimentación. Extendiéndose hacia arriba desde la base 560 está un brazo 562 medio más ancho y dos brazos 564 exteriores más estrechos. Estos brazos 562 y 564 se extienden en un borde 566 superior del sustrato 540. Con referencia ahora a la vista del lado opuesto del elemento 522 en la figura 8B, el parche 546 conectado a tierra plano conductor incluye una porción 570 media alargada la cual se extiende desde la sección media de una tira 572 horizontal a una base 574 agrandada (el perfil del elemento 542 plano conductor también se muestra en la figura 8B con propósitos ilustrativos) . La base 574 agrandada se conecta a un plano 20 conectado a tierra para acoplar eléctricamente el parche 546 conectado a tierra conductor al plano 20 conectado a tierra. Localizado en cualquier extremo de la 572 horizontal se encuentra un brazo 576 que se extiende de manera descendente. Cada brazo 576 incluye una sección 578 abocardada la cual está abocardada alejándose de la porción 570 media alargada. El sustrato 540 se elabora de un material dieléctrico. Por ejemplo, el sustrato 540 se puede elaborar de materiales PCB tales como poliestireno o Teflón. Para aplicaciones en el ancho de banda PCS (1850 Mhz a 1990 Mhz) , el sustrato tiene una longitud "1" de aproximadamente 77 mm (3.035 pulgadas), una anchura "w" de aproximadamente 21 mm (0.833 pulgadas) y tiene un espesor de aproximadamente 0.8 mm (0.031 pulgadas) . El elemento 542 plano conductor, la tira 550 de alimentación y el parche 546 conectado a tierra plano conductor se producen con técnicas de tablero de circuito impreso al depositar una capa de cobre respectiva en ambos lados 544 y 548 del sustrato 540 con un espesor de aproximadamente 381 µt? (0.0015 pulgadas) y después al fotograbar el cobre en las formas deseadas. Se estratifica sobre la parte superior del cobre una capa delgada subsecuente de oro, material de soldadura o una máscara de soldado, con un espesor de aproximadamente 2.5 µ?? (0.0001 pulgadas). Cuando se utiliza, el elemento 542 plano conductor se alimenta a través del punto 553 de alimentación a lo largo de la tira 550 de alimentación. No obstante, debido al acoplamiento capacitivo entre el elemento 542 plano conductor y el parche 546 conectado a tierra plano conductor, existe una unión creada la cual proporciona un punto 580 de alimentación distribuido en una región media del sustrato 540. De esta manera, aunque la tira 550 de alimentación no alimenta directamente al parche 546 conectado a tierra plano conductor, la combinación del elemento 542 plano conductor y el parche 546 conectado a tierra plano conductor actúa como una antena dipolo desequilibrada que es alimentada en el punto 580 de alimentación distribuido. Es decir, parte de la energía proporcionada al elemento 542 plano conductor se divide y es alimentada a los brazos 576 del parche 546 conectado a tierra plano conductor. Las secciones 578 de los brazos 576 exteriores se abocardan o amplían alejándose de la porción 570 alargada media del parche 546 conectado a tierra plano conductor para impedir que los brazos 576 rezonantes interactúen o se acoplen con la porción 570 alargada media la cual se acopla al plano 20 conectado a tierra. Debido a que el elemento 542 plano conductor se localiza una distancia del plano 20 conectado a tierra y es alimentado por una tira 550 de alimentación estrecha, la cual actúa como un "choque", las interacciones entre el elemento 542 plano conductor y el plano 20 conectado a tierra se minimizan. Al hacerlo de esta manera, la fuerza del haz pico del haz transmitido por el elemento 522 de antena se dirige más hacia el horizonte. Al igual que los elementos de antena discutidos anteriormente, se pueden configurar como la red 10 de antena a un conjunto de elemento 522 de antena de las figuras 8A y 8B, los cuales son capaces de formar un haz con una potencia de haz pico que se incrementa en un máximo de 10° por encima del horizonte, como se muestra en la figura 4. Las longitudes "12" de los brazos 576 son de la misma longitud a un cuarto de longitud de onda de la onda transmitida. Las longitudes de estos brazos 576 así como las longitudes de los brazos 562 y 564 del elemento 542 plano conductor se recortan para modificar la frecuencia de transmisión del elemento 522 de antena. En aplicaciones PCS, el elemento 522 de antena genera resonantes con una frecuencia central "Fc" por ejemplo de aproximadamente 1.92 Ghz, con un ancho de banda de aproximadamente 10% (figura 9A) . De manera alternativa, los brazos 576 del parche 546 conectado a tierra plano conductor y el brazo 562 medio y los otros dos brazos 564 exteriores del elemento 542 plano conductor pueden tener longitudes diferentes de manera que los brazos resuenan a frecuencias diferentes. Las frecuencias resonantes diferentes amplían eficazmente el ancho de banda del elemento 522 de antena, por ejemplo en aproximadamente 15% (figura 9B) o permiten que el elemento 522 de antena resuene en dos frecuencias "fci" y "fC2M sobre anchos de banda estrechos (figura 9C) o en más de dos frecuencias . También están dentro del alcance de la invención otras configuraciones de antena tales como, por ejemplo, los elementos de antena que se ilustran en las figuras 10A a 10E los cuales no requieren el uso de un sustrato para soportar los elementos activos y conectados a tierra. En vez de esto, los elementos activos y conectados a tierra se separan por una separación de aire . Con referencia en particular a la figura 10A, se muestra un elemento 600 de antena con un elemento 602 activo colocado por encima de un elemento 604 conectado a tierra. El elemento 602 activo incluye un punto 606 de alimentación central conectado a una tira 607 de alimentación la cual a su vez está conectada a la línea 152 de transmisión mientras que el elemento 604 conectado a tierra se acopla directamente a una superficie 608 conectada a tierra vertical. Existe una separación 610 vertical entre el elemento 602 activo y el elemento 604 conectado a tierra. Además, la tira 607 de alimentación está separada del elemento 604 conectado a tierra y no establece ningún contacto físico con la superficie 608 conectada a tierra vertical. Por lo tanto, el elemento 602 activo y el elemento 604 conectado a tierra están separados eléctricamente por una separación de aire. Regresando a la figura 10B, el elemento 700 de antena incluye un elemento 702 conectado a tierra colocado en una porción superior del elemento de antena, un elemento 704 activo localizado debajo del elemento 702 conectado a tierra de manera tal que el elemento 702 conectado a tierra y el elemento 704 activo definen una separación 705 vertical. En esta modalidad, el elemento activo se proporciona con una alimentación 706 inferior conectada a una tira 707 de alimentación que se conecta a la línea 152 de transmisión y el elemento 702 conectado a tierra se acopla a una superficie 708 conectada a tierra vertical con una tira 710. Debido a que la tira 707 de alimentación no se conecta físicamente a la superficie 708 conectada a tierra y la tira 710 se separa del elemento 704 activo, existe una separación de aire que separa al elemento 704 activo del elemento 702 conectado a tierra. Con referencia ahora a la figura 10C, se muestra un elemento 800 de antena que tiene una configuración similar al elemento 600 de antena que se muestra en la figura 8. El elemento 800 de antena incluye un elemento 802 activo con un punto 804 de alimentación central conectado a la línea 152 de transmisión con una tira 806 de alimentación, y un elemento 807 conectado a tierra inferior acoplado a una superficie 808 conectada a tierra vertical. Al igual que los elementos de antena 600 y 700, existe una separación 810 vertical entre el elemento 802 activo y el elemento 807 conectado a tierra. Además, a diferencia del elemento 600 de antena (figura 8), el elemento 802 activo y el elemento 806 conectado a tierra se separan por una separación de aire en vez de un sustrato dieléctrico, dado que la tira 806 de alimentación está separada y no establece contacto con el elemento 806 conectado a tierra. Las modalidades de los elementos de antena que se muestran en las figuras 3 y 8 se acoplan a un plano conectado a tierra que está orientado ortogonal al parche conectado a tierra o al elemento conectado a tierra, mientras que las modalidades de los elementos de antena discutidos con referencia a las figuras 10A-10C se acoplan a superficies conectadas a tierra verticales. No obstante, cualquiera de los elementos de antena discutidos en lo anterior que se ilustran en las figuras 3, 8 y 10A-10C se pueden acoplar también a superficies conectadas a tierra no planas. Por ejemplo, en la figura 10D se muestra un elemento 900 de antena con una configuración similar a la del elemento 600 de antena (figura 10A) . Aquí, el elemento 900 de antena incluye un elemento 902 conectado a tierra acoplado a una superficie 904 conectada a tierra cónica con el vértice de la superficie conectada a tierra cónica que se encuentra más cerca del elemento 902 conectado a tierra y un elemento 906 activo colocado por encima del elemento 902 conectado a tierra. El elemento 906 activo incluye una alimentación 908 central conectada a la línea 152 de transmisión con una tira 910 de alimentación. El elemento 906 activo y el elemento 902 conectado a tierra definen una separación 911 vertical. La línea 152 de transmisión se extiende a través de una abertura 912 de la superficie 904 conectada a tierra sin que establezcan contacto con la superficie 904 conectada a tierra. De esta manera, la tira 910 de alimentación está separada físicamente del elemento 902 conectado a tierra y se proporciona una separación de aire entre el elemento 906 activo y el elemento 902 conectado a tierra. La superficie conectada a tierra puede ser esférica o puede tener cualquier forma arbitraria. A modo de ejemplo, en la figura 10E se muestra un elemento 1000 de antena con un elemento 1002 conectado a tierra acoplado a un teléfono 1004 celular. Al igual que los elementos de antena 600 (figura 10A) y 900 (figura 10D) , el elemento 1000 de antena incluye un elemento 1006 activo colocado por encima del elemento 1002 conectado a tierra, con una separación 1007 vertical definida entre los dos elementos. El elemento 1006 activo se alimenta en el punto 1008 de alimentación a través de una tira 1010 de alimentación que se conecta a una línea 152 de transmisión que se localiza dentro del teléfono 1004 celular. Nuevamente, la línea 152 de alimentación de transmisión de cada una de las modalidades que se muestran en las figuras 10A-10E se conecta a un desplazador de fase (o un elemento de impedancia) el cual a su vez se conecta a una línea de retraso y un interruptor, similar al desplazador 56 de fase, la línea 58 de retraso y el interruptor 59, que se muestran respectivamente ya sea en la figura 3 u 8. En ciertas configuraciones, si el elemento de antena respectivo se conecta a un elemento 56 de impedancia en vez de un desplazador de fase, el elemento de impedancia puede ser un elemento de impedancia variable o un elemento de impedancia concentrada. Como se describe anteriormente, la línea 152 de transmisión proporciona una trayectoria para transmitir hacia y recibir señales desde los elementos de antena 600, 700, 800, 900 y 1000, en particular, hacia y desde los elementos respectivos activos 602, 704, 802, 906 y 1006. El desplazador 56 de fase de cada elemento de antena es ajustable independientemente para facilitar el cambio de fase de una señal transmitida desde el elemento de antena. En las modalidades de la invención que se muestran en las figuras 10A-10E, el elemento activo y los elementos conectados a tierra se separan por una separación de aire. De manera alternativa, los elementos activo y conectado a tierra se pueden colocar en lados opuestos de un sustrato elaborado, por ejemplo, de un material dieléctrico similar al que se muestra en las figuras 3 y 8. Además, cualquiera de los elementos de antena discutidos en lo anterior con referencia a las figuras 3, 8 y 10 puede tener un elemento activo y un elemento conectado a tierra colocado en el mismo lado de un sustrato. De esta manera, se pueden utilizar técnicas de fabricación de PCB para producir una estructura de guía de onda coplanar cuando los elementos activo y conectado a tierra están en el mismo lado del sustrato, y para elaborar una estructura de microtira cuando el elemento de antena se elabora con los elementos activo y conectado a tierra colocados en lados opuestos del sustrato. Aunque esta invención se ha mostrado y descrito particularmente con referencias a las modalidades preferidas de la misma, se comprenderá por aquellos expertos en la técnica que se pueden realizar diversos cambios en forma y detalles sin que por esto se aparten del alcance de la invención abarcada por las reivindicaciones anexas .

Claims (58)

REIVINDICACIONES

1. Una antena, que comprende: un primer elemento conductor colocado en una región inferior de la antena; y un segundo elemento conductor colocado por encima del primer elemento conductor en una región superior de la antena, en donde uno del primero y segundo elementos conductores se adaptan para ser acoplados a un transmisor o receptor vía una línea de transmisión externa desde la antena y aislada eléctricamente desde un potencial de referencia conectado a tierra, para facilitar que el primero y segundo elementos conductores respectivos operen como un elemento activo que transmite y recibe señales, y en donde el otro del primero y segundo elementos conductores se adapta para ser acoplado eléctricamente al potencial de referencia conectado a tierra, independientemente de la línea de transmisión externa, para facilitar al otro del primero y segundo elementos conductores para que operen como un elemento conectado a tierra.

2. La antena de la reivindicación 1, en donde el primer elemento conductor es un elemento conectado a tierra .

3. La antena de la reivindicación 2, en donde el segundo elemento conductor incluye un dispositivo de alimentación central acoplado a una tira de alimentación para facilitar el acoplamiento de la antena a una línea de transmisión.

4. La antena de la reivindicación 1, en donde el segundo elemento conductor es el elemento conectado a tierra.

5. La antena de la reivindicación 4, en donde el primer elemento conducto incluye un dispositivo de alimentación de extremo.

6. La antena de la reivindicación 1, en donde el potencial de referencia conectado a tierra es una superficie conectada a tierra.

7. La antena de la reivindicación 6, en donde el primer elemento conductor es el elemento conectado a tierra.

8. La antena de la reivindicación 7 , en donde el segundo elemento conductor incluye un dispositivo de alimentación central acoplado a una tira de alimentación para facilitar el acoplamiento de la antena a una línea de transmisión.

9. La antena de la reivindicación 6, en donde el segundo elemento conductor es el elemento conectado a tierra .

10. La antena de la reivindicación 9, en donde el primer elemento conductor incluye un dispositivo de alimentación de extremo.

11. La antena de la reivindicación 6, en donde la superficie conectada a tierra es plana.

12. La antena de la reivindicación 11, en donde la superficie conectada a tierra se coloca sustancialmente paralela al primero y segundo elemento conductores.

13. La antena de la reivindicación 11, en donde la superficie conectada a tierra se coloca sustancialmente perpendicular al primero y segundo elemento conductores.

14. La antena de la reivindicación 6, en donde la superficie conectada a tierra tiene una forma cónica con el vértice de la superficie cónica colocado próximo al primer y segundo elemento conductores y la base de la superficie se coloca distal del primero y segundo elemento conductores.

15. La antena de la reivindicación 1, que comprende además un sustrato, el primero y segundo elemento conductores se colocan sobre el sustrato.

16. La antena de la reivindicación 15, en donde el primero y segundo elemento conductores se colocan en el mismo lado del sustrato.

17. La antena de la reivindicación 15, en donde el primero y segundo elemento conductores se colocan en los opuestos del sustrato.

18. La antena de la reivindicación 15, en donde el sustrato se elabora de un material dieléctrico.

19. La antena de la reivindicación 1, en donde el primero y segundo elemento conductores se elaboran de un metal conductor.

20. La antena de la reivindicación 1, en donde, en operación, el elemento activo recibe y transmite señales que tienen un patrón de antena con una ganancia pico que está dirigida sustancialmente a lo largo de un horizonte de la tierra por el elemento conectado a tierra.

21. La antena de la reivindicación 20, en donde la ganancia pico se dirige en un ángulo de aproximadamente 101 por encima del horizonte.

22. La antena de la reivindicación 1, en donde el primero y segundo elemento conductores son planos.

23. Una antena, que comprende: un sustrato; un primer elemento conductor colocado sobre el sustrato en una región inferior de la antena; y un segundo elemento conductor colocado sobre el sustrato por encima del primer elemento conductor en una región superior de la antena, en donde uno del primero y segundo elementos conductores está adaptado para ser acoplado a un transmisor o receptor vía una línea de transmisión, externo de la antena y aislado eléctricamente de un potencia de referencia conectado a tierra para facilitar que el primero y segundo elementos conductores respectivos operan como un elemento activo que transmite y recibe señales, y el otro del primero y segundo elementos conductores está adaptado para ser acoplado eléctricamente al potencial de referencia conectado a tierra, independiente de la línea de transmisión externa, para facilitar que el otro del primero y segundo elementos conductores opere como un elemento conectado a tierra.

24. La antena de la reivindicación 23, en donde el elemento activo y el elemento conectado a tierra se colocan en lados opuestos del sustrato.

25. La antena de la reivindicación 24, en donde el primer elemento conductor es el elemento conectado a tierra.

26. La antena de la reivindicación 25, en donde el segundo elemento conductor incluye un dispositivo de alimentación central acoplado a una tira de alimentación para facilitar el acoplamiento de la antena a una línea de transmisión .

27. La antena de la reivindicación 24, en donde el segundo elemento conductor es el elemento conectado a tierra.

28. La antena de la reivindicación 27, en donde el primer elemento conductor incluye un dispositivo de alimentación de extremo.

29. La antena de la reivindicación 24, en donde el potencial de referencia conectado a tierra es una superficie conectada a tierra.

30. La antena de la reivindicación 29, en donde el primer elemento conductor es el elemento conectado a tierra.

31. La antena de la reivindicación 30, en donde el segundo elemento conductor incluye un dispositivo de alimentación central acoplado a una tira de alimentación para facilitar el acoplamiento de la antena a una línea de transmisión .

32. La antena de la reivindicación 29, en donde el segundo elemento conductor es el elemento conectado a tierra .

33. La antena de la reivindicación 32, en donde el primer elemento conductor incluye un dispositivo de alimentación de extremo.

34. La antena de la reivindicación 29, en donde la superficie conectada a tierra es plana.

35. La antena de la reivindicación 34, en donde la superficie conectada a tierra se coloca sustancialmente paralela al primero y segundo elementos conductores.

36. La antena de la reivindicación 34, en donde la superficie conectada a tierra se coloca sustancialmente perpendicular al primero y segundo elementos conductores.

37. La antena de la reivindicación 29, en donde la superficie conectada a tierra tiene una forma cónica con el vértice de la superficie cónica que es colocada próxima al primero y segundo elemento conductores y la base de la superficie se coloca distal desde el primero y segundo elementos conductores.

38. La antena de la reivindicación 23, en donde el primero y segundo elementos se colocan en el mismo lado del sustrato.

39. La antena de la reivindicación 38, en donde el primer elemento conductor es el elemento conectado a tierra.

40. La antena de la reivindicación 39, en donde el segundo elemento conductor incluye un dispositivo de alimentación central acoplado a una tira de alimentación para facilitar el acoplamiento de la antena a una línea de transmisión.

41. La antena de la reivindicación 38, en donde el segundo elemento conductor es el elemento conectado a tierra .

42. La antena de la reivindicación 41, en donde el primer elemento conductor incluye un dispositivo de alimentación de extremo.

43. La antena de la reivindicación 38, en donde el elemento conectado a tierra es una superficie conectada a tierra.

44. La antena de la reivindicación 43, en donde el primer elemento conductor es el elemento conectado a tierr .

45. La antena de la reivindicación 44, en donde el segundo elemento conductor incluye un dispositivo de alimentación central acoplado a una tira de alimentación para facilitar el acoplamiento de la antena a una línea de transmisión.

46. La antena de la reivindicación 45, en donde el segundo elemento conductor es el elemento conectado a tierra.

47. La antena de la reivindicación 46, en donde el primer elemento conductor incluye un dispositivo de alimentación de extremo.

48. La antena de la reivindicación 43, en donde la superficie conectada a tierra es plana.

49. La antena de la reivindicación 48, en donde la superficie conectada a tierra se coloca sustancialmente paralela al primero y segundo elementos conductores.

50. La antena de la reivindicación 48, en donde la superficie conectada a tierra se coloca sustancialmente perpendicular al primero y segundo elementos conductores.

51. La antena de la reivindicación 43, en donde la superficie conectada a tierra tiene una forma cónica con el vértice de la superficie cónica se coloca próximo al primero y segundo elementos conductores y la base de la superficie se coloca distal desde el primero y segundo elementos conductores .

52. La antena de la reivindicación 23, en donde, en operación, el elemento activo recibe y transmite señales que tienen un patrón de antena con una ganancia pico que está dirigido sustancialmente a lo largo de un horizonte de la tierra por el elemento conectado a tierra.

53. La antena de la reivindicación 52, en donde la ganancia pico se dirige en un ángulo de aproximadamente 101 por encima del horizonte.

54. La antena de la reivindicación 23, en donde el primero y segundo elementos conductores son planos.

55. La antena de la reivindicación 23, en donde • el sustrato se elabora de un material dieléctrico.

56. La antena de la reivindicación 23, en donde el primero y segundo elemento se elaboran de un metal conductor.

57. La antena de la reivindicación 1, en donde la línea de transmisión es un conductor redondeado.

58. La antena de la reivindicación 23, en donde la línea de transmisión es un conductor enterrado.