MXPA05004602A - Antena direccional. - Google Patents

Abstract

Una antena direccional que tiene un numero, N, de elementos de antena monopolo de salida. Esos elementos monopolo son formados como un primer segmento conductor superior sobre una porcion de un sustrato dielectrico. El arreglo tambien incluye el mismo numero, N, de elementos de imagen. Los elementos de imagen son formados como un segundo conjunto de segmentos conductores inferiores sobre el mismo sustrato de los elementos conductores superiores. Los elementos de imagen, que generalmente tienen la misma longitud y forma que los elementos monopolo, estan conectados a un potencial de referencia de conexion a tierra. Para completar el arreglo, tambien es colocado un elemento de antena activo del mismo sustrato, adyacente a al menos uno de los elementos monopolo. En un arreglo preferido, los elementos monopolo pasivos y los elementos de imagen correspondientes son conectados selectivamente para operar un modo reflector o director, como via un circuito de acoplamiento conmutable que cambia selectivamente las impedancias conectadas entre ellos.

Description

ANTENA DIRECCIONAL CAMPO DE LA INVENCION Esta invención se relaciona con sistemas de comunicación celulares móviles o portátiles, y de manera más particular con un aparato de antena compacta para usarse con unidades de abonado móviles o portátiles.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION Los sistemas de comunicación de acceso múltiple por división de código (CDMA) proporcionan comunicaciones inalámbricas entre una estación base y una o más unidades de abonado móviles o portátiles. La estación base es típicamente un conjunto de transceptores controlados por computadora"' "que están interconectados 'a una "red de telefonía conmutada pública terrestre (PSTN) . La estación base incluye además un además un aparato de antena para enviar señales de frecuencia de radio por el enlace de ida a las unidades de abonado móviles y para recibir señales de frecuencia de radio para el enlace de regreso transmitidas desde cada unidad móvil. Cada unidad de abonado móvil contiene también un aparato de antena para la recepción de las señales del enlace de ida para la transmisión de las señales del enlace de regreso. Una unidad de abonado móvil típica es un aparato telefónico celular digital o una computadora personal acoplada a un módem celular. En esos sistemas, unidades de abonado móvil múltiples pueden transmitir y recibir señales sobre la misma frecuencia central, pero códigos de modulación únicos distinguen las señales enviadas a o recibidas de unidades de abonado individuales. Además del CDMA, otras técnicas de acceso inalámbrico empleadas para comunicaciones entre una estación base y una o más unidades portátiles o móviles incluyen las descritas por el estándar 802.11 del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) y el estándar Blutooth desarrollado por la industria. Todas esas técnicas de comunicación inalámbrica requieren el uso de una antena en ambos extremos receptor y transmisor. Es bien sabido " or ' los expertos en el campo que incrementar la ganancia de la antena de cualquier sistema de comunicación inalámbrica tiene aspectos benéficos sobre el desempeño de los sistemas inalámbricos. Una antena común para transmitir y recibir señales desde una unidad de abonado móvil es una antena monopolo (o cualquier otra antena con un patrón de radiación unidireccional) . Un monopolo consiste de un solo alambre o elemento de antena que está acoplado a un transceptor déntro de la unidad de abonado. Información analógica o digital para la transmisión de la unidad de abonado es alimentada al transceptor' donde es modulada sobre una señal portadora a una frecuencia usando un código de modulación (es decir, en un sistema CDMA) asignado a esa unidad de abonado. La' señal portadora modulada es transmitida de la unidad de abonado a la estación base. Las señales del enlace de ida recibidas por la unidad de abonado son desmoduladas por el transceptor y proporcionadas al circuito de procesamiento dentro de la unidad de abonado. La transmisión de la señal de una antena monopolo es de naturaleza omnidireccional. Es decir, que la señal es enviada con aproximadamente la misma fuerza de señal en todas las direcciones en un plano generalmente horizontal. La recepción de una señal con elementos de antena monopolo "es"'igualmente omnidireccional. üna antena monopolio no se diferencia en su capacidad para detectar una señal en una dirección de azimuth contra detección de la misma o una señal diferente proveniente de otra dirección de azimuth. También, una antena monopolo no produce radiación significativa en la dirección de elevación. El patrón de la antena es comúnmente referido como forma de dona con el elemento de la antena localizado en el centro del orificio de la dona. Un segundo tipo de antena que puede ser usado por unidades de abonado móviles es del descrito en la Patente Estadounidense No. 5,617,102. La antena direccional comprende dos elementos de antena montados sobre la armadura externa de una computadora portátil, por ejemplo. Un desviador de fase unido a cada elemento imparte un retraso de ángulo de fase a la señal de entrada, modificando por lo tanto el patrón de la antena (lo cual se aplica a ambos de los modos de recepción y transmisión) para proporcionar alguna señal o haz concentrado en la dirección seleccionada. Concentrar el haz incrementa la ganancia y capacidad de dirección de la antena. La antena de doble elemento de la patente citada dirige por lo tanto la señal transmitida a sectores o direcciones predeterminadas para acomodar cambios en la orientación de la unidad de abonado con relación a la estación base, minimizando por lo tanto la pérdida de señal debida al cambio de orientación. De acuerdo con el teorema de reciprocidad de antena, las características de recepción de la antena son afectadas de igual manera por el uso de los desviadores de fase. Los sistemas celulares CDMA son sistemas limitados por la interferencia. Es decir, que a más unidades de abonado móviles o portátiles se vuelven activas en una célula y en células adyacentes, la interferencia por frecuencia se incrementa y de este modo también se incrementan los porcentajes de error de bits. Para mantener la integridad de la señal y sistema con el propósito de incrementar los porcentajes de error, el operador del sistema hace disminuir la velocidad de datos máxima permisible para uno o más usuarios, y hace disminuir el número de unidades de abonado activas, por lo que limpia las ondas aéreas de interferencia potencial. Por ejemplo, para incrementar la velocidad de datos disponibles máxima en un factor de dos, el número de unidades móviles activas se reduce a la mitad. Sin embargo, esta técnica generalmente no puede ser empleada para incrementar velocidades de datos debido a la carencia de asignaciones de prioridad de servicio a los abonados. Finalmente, también es posible desviar la interferencia excesiva usando antenas directoras en ambas (o cualquier) estación base y "las unidades portátiles. Típicamente, un patrón de haz de antena directora es logrado a través del uso de una antena arreglada en fase. La antena arreglada en fase es explorada o dirigida electrónicamente a la dirección deseada controlando el ángulo de fase de la señal de entrada a cada elemento de la antena. Sin embargo, las antenas de arreglo de fase sufren de una menor eficiencia y ganancia puesto que la separación de los elementos se vuelve eléctricamente pequeña cuando se compare con la longitud de onda de la señal recibida o transmitida. Cuando esa antena es usada en conjunto con una unidad de abonado portátil o móvil, generalmente la separación del arreglo de la antena es relativamente pequeña y de este modo el desempeño de la antena se vea comprometido de manera correspondiente. En un sistema de comunicación en el cual unidades portátiles o móviles se comunican con una estación base, como un sistema de comunicación CDMA, la unidad portátil o móvil es típicamente un dispositivo manual o un dispositivo relativamente pequeño, como por ejemplo, el tamaño de una computadora portátil. En algunas modalidades, la antena está dentro o se proyecta desde el alojamiento o recinto de los dispositivos. Por ejemplo, los aparatos de telefonía celular utilizan una antena de parche interno o una antena monopolo o bipolo que se proyecta. Un dispositivo portátil grande, como una computadora portátil, puede tener " a- antena o arreglo de antenas montado en un recinto separado o integrado en el alojamiento de la computadora portátil. Una antena incluida por separado puede ser molesta para los usuarios o de manejar puesto que los dispositivos de comunicación son llevados de un lugar a otro. Auque las antenas integradas superan esta desventaja, esas antenas, excepto por la antena de parche, generalmente están en forma de proyecciones de los dispositivos de comunicación. Esas proyecciones pueden romperse o dañarse, cuando el dispositivo sea movido de un lugar .a otro. Un daño aún menor a una antena que se proyecta puede alterar drásticamente sus características de operación.

LA INVENCION Problemas de la técnica anterior Deben tomarse varias consideraciones en cuenta al integrar una antena de red inalámbrica en un recinto, si el recinto comprende una unidad separada del dispositivo de comunicación o el alojamiento del dispositivo de comunicación en sí. Al diseñarse la antena y el recinto asociado, debe tomarse en consideración cuidadosa las características eléctricas de la antena de modo que las señales que se propaguen sobre el enlace inalámbrico satisfagan los estándares del sistema predeterminados, como, la velocidad de bit de error, la relación de señal" a" ruido o la relación de señal a ruido más interferencia. Las propiedades eléctricas de la antena, puesto que son influenciadas por los parámetros físicos de la antena, son discutidas mejor más adelante. La antena también debe exhibir ciertas características mecánicas para satisfacer las necesidades del usuario y satisfacer el desempeño eléctrico requerido. La longitud de la antena, o la longitud de cada elemento del arreglo de la antena depende de las frecuencias de la señal recibida y transmitida. Si la antena es configurada como un monopolo, y la longitud es típicamente de un cuarto de longitud de onda de la frecuencia de la señal. Para la operación a 800 MHz (una de las bandas de frecuencia inalámbrica) , un monopolo de un cuarto de longitud de onda es de 9.25 centímetros (3.7 pulgadas) de longitud. La longitud de un dipolo de media longitud de onda es de 18.5 centímetros (7.4 pulgadas). La antena debe además presentar una apariencia estéticamente agradable al usuario. Si la antena es desplegada del dispositivo de comunicación, deberá proporcionarse suficiente volumen dentro del dispositivo de comunicación a la antena almacenada y los componentes periféricos. Pero puesto que el dispositivo de comunicación es usado en el servicio móvil o portátil, el dispositivo debe permanecer relativamente pequeño y ligero " c rT"'üná" forma que le permita ser transportado fácilmente. El mecanismo de despliegue de la antena puede ser mecánicamente simple y confiable. Para aquellas antenas alojadas en el dispositivo separado del dispositivo de comunicación, el mecanismo de conexión entre la antena del dispositivo de comunicación debe ser confiable y simple. No solo las propiedades eléctricas, mecánicas y estéticas de la antena son importantes, sino también superar los problemas de desempeño únicos en el ambiente inalámbrico. Uno de esos problemas es el llamado desvanecimiento multitrayectoria . En un desvanecimiento multitrayectoria, la señal de frecuencia de radio transmitida desde el emisor (ya sea una estación base o unidad de abonado móvil) puede encontrar interferencia en la ruta pretendida. La señal puede, por ejemplo, ser reflejada desde objetos, como edificios, dirigiendo por lo tanto una versión reflejada de la señal original al receptor. En esos casos, son recibidas dos versiones de la misma señal con frecuencia de radio; la versión original y la versión reflejada. Cada señal recibida está a la misma frecuencia, pero la señal recibida puede estar fuera de fase con el original debido a la reflexión y en consecuencia a la longitud de trayectoria de fase al receptor. Como resultado, las señales originales y reflejadas pueden cancelarse parcialmente cada úna~entfé_ "si (interferencia destructiva) , dando como resultado el desvanecimiento o supresión de la señal recibida. Las antenas de un solo elemento son altamente susceptibles al desvanecimiento multitrayectoria. Una antena de un solo elemento no puede determinar la dirección desde la cual es enviada una señal transmitida y por lo tanto no puede sintonizar para detectar más exactamente y recibir una señal transmitida. Su patrón direccional es fijado por la estructura física de los componentes de la antena. Unicamente puede ser cambiada la posición y orientación de la antena en un esfuerzo por obviar los efectos del desvanecimiento multitrayectoria. La antena de dos elementos descrita en la referencia de patente mencionada anteriormente es también susceptible al desvanecimiento multitrayectoria debido a la naturaleza simétrica y opuesta de los lóbulos hemisféricos del patrón de la antena. Puesto que los lóbulos del patrón de la antena son más o menos simétricos y opuestos entre si, una señal reflejada hacia el lado posterior de la antena puede tener la misma potencia recibida que una señal recibida en la parte frontal. Es decir, que si la señal transmitida se refleja de un objeto más allá de o detrás de lo que se pretende recibir y entonces se refleja hacia el lado posterior de la antena, interferirá con la señal recibida directamente de la fuente, en puntos en~é"I~e~spacio donde la diferencia de fase de las dos señales crea interferencia destructiva debido al desvanecimiento multitrayectoria . Otro problema presente en los sistemas de comunicación celular es la interferencia de la señal intercélula. La mayoría de los sistemas celulares están divididos en células individuales, con cada célula teniendo una estación base localizada en su centro. La colocación de cada estación base está arreglada de modo que las estaciones base vecina se localizan a intervalos de aproximadamente 60 grados entre sí. Cada célula puede ser vista con un polígono de seis lados con una estación base en el centro. Los bordes de ' cada célula se empalman a las células vecinas y un grupo de células forma un patrón similar al de un panal. La distancia del borde de una célula a su estación base es accionada típicamente por la potencia mínima requerida para transmitir una señal aceptable de una unidad de abonado móvil localizada cerca el borde de la célula a esa estación base de la célula (es decir, la potencia requerida para transmitir una señal aceptable una distancia igual al radio de una célula) . La interferencia intercélula ocurre cuando una unidad de abonado móvil cerca del borde de una célula transmite una señal que cruza sobre el borde hacia la célula vecina e interfiere con comunicaciones qué ' toman" lugar dentro de la célula vecina. Típicamente, las señales en las células vecinas sobre la misma o frecuencias poco separadas producen interferencia intercélula . El problema de la interferencia intercélula es complicado por el hecho de que las unidades de abonado cerca del borde de una célula típicamente transmiten en niveles de potencia más altos de modo que las señales transmitidas pueden ser recibidas efectivamente por la estación base pretendida localizada en el centro de la célula. También, la señal de otra unidad móvil de abonado localizada más allá o detrás de lo que se pretende recibir puede arribar a la estación base al mismo nivel de potencia, representa interferencia adicional . El problema ' de interferencia intercélula es exacerbado en el sistema CDMA debido a que las unidades de abonado en células adyacentes típicamente transmiten sobre la misma frecuencia portadora o central. Por ejemplo, dos unidades de abonado de células adyacentes que operan a la misma frecuencia portadora pero que transmiten a diferentes estaciones base se interfieren entre sí si ambas señales son recibidas en una de las estaciones base. Una señal parece tan ruidosa con relación a la otra. El grado de interferencia y la capacidad del receptor para detectar y desmodular la señal pretendida también es influenciada por el nivel de potencia al cual las unidades ""desabonado" "están operando. Si una de las unidades de abonado se sitúa en el borde de una célula, esta transmite un nivel de potencia mayor, con relación a las otras unidades dentro de su célula y la célula adyacente, para alcanzar la estación base pretendida. Pero, su señal también es recibida por la estación base no pretendida, es decir, la estación base en la célula adyacente. Dependiendo del nivel de potencia relativo de las dos señales de frecuencia igual portadoras recibidas en la estación base no pretendida, puede no ser capaz de diferenciar apropiadamente una señal transmitida desde dentro de su célula de la señal transmitida desde la célula adyacente. Se requiere un mecanismo para reducir el campo de visión aparente de la antena de las unidades de abonado, lo cual puede tener un efecto notable sobre la operación del enlace de regreso (abonado a base) reduciendo el número de transmisiones interfirientes recibidas en una estación base. Una mejora similar en el patrón de la antena por el enlace de ida, permite la reducción en la señal transmitida para lograr una calidad de señal recibida deseada . En resumen, está claro que la tecnología de comunicaciones inalámbricas, es de suma importancia para maximizar el desempeño de la antena, minimizando a la vez el tamaño y complejidad de fabricación.

Breve Descripción de la Presente Invención La presente invención es una antena direccional que tiene un número, N, de elementos de antena monopolo de salida. Esos elementos monopolo se forman como un primer segmento conductor superior sobre una porción de un sustrato dieléctrico. El arreglo también incluye el mismo número, N, de elementos de imagen. Los elementos de imagen se forman como un segundo conjunto de segmentos conductores inferiores sobre el mismo sustrato de los segmentos superiores conductores. Los elementos de la imagen, que generalmente tienen la misma longitud y forma que los elementos monopolo, son conectados a un potencial de referencia de conexión a tierra. Para completar el arreglo, un elemento de antena activo también es colocado sobre el mismo sustrato, adyacente a al menos uno de los elementos monopolo. En una modalidad preferida, el elemento activo es colocado en el centro del arreglo. Los elementos monopolo son formados típicamente como secciones conductoras alargadas sobre el sustrato dieléctrico. El sustrato dieléctrico en sí puede ser formado como una primera sección alargada sobre la cual están colocados los elementos conductores, y una segunda sección alargada perpendicular a la primera sección alargada, formando un brazo de interconexión entre la primera sección alargada y el elementó- 'activó'""central . De igual modo, el elemento activo central puede ser formado como una porción dieléctrica alargada del mismo sustrato sobre el cual es depositada una porción conductora. Los elementos de imagen pueden ser conectados juntos eléctricamente. En una modalidad, ellos son formados como un solo parche conductor sobre el sustrato. En una modalidad preferida, los elementos de la antena monopolo son conectados eléctricamente para actuar como elementos pasivos; es decir, gue únicamente el único elemento central activo es conectado al equipo transceptor de radio.

Los elementos monopolo pasivos y los elementos de imagen correspondientes pueden ser operados selectivamente en cualquiera de un modo reflector o director. En una configuración, cada elemento monopolo respectivo es conectado a uno correspondiente de los elementos de imagen a través de un circuito de acoplamiento. Un circuito de acoplamiento puede ser tan simple como un conmutador, que proporcione una configuración seleccionable conectada y no conectada. Sin embargo, en la modalidad preferida, el circuito de acoplamiento contiene al menos dos impedancias. En esta configuración, un primer elemento de impedancia es colocado en serie entre el elemento monopolo y el elemento de imagen cuando el conmutador estañ éñ""uña ' primera posición, y un segundo elemento de impedancia es colocado en serie cuando el conmutador está en una segunda posición. Los conmutadores e impedancias pueden ser incorporadas típicamente como componentes microelectrónicos colocados sobre el mismo sustrato que los elementos del arreglo de antenas. Las señales suministradas al montaje de arreglo de antenas pueden entonces controlar los conmutadores para hacer corto circuito o abrir las conexiones entre la porción superior y la porción inferior de cada elemento de la antena, para lograr un estado de operación director o reflector.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Las anteriores y otras 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 acompañantes y en los cuales caracteres de referencia similares se refieren a las mismas partes a través de las diferentes figuras. Los dibujos no necesariamente están a escala, dando en su lugar énfasis en la ilustración los principios de la invención. La Figura 1 ilustra una célula de un sistema de comunicación inalámbrico sobre base celular. Las Figuras 2 hasta "5""'í ustráñ"~várias vistas de una antena. La Figura 6 es una vista más detallada de un elemento radial mostrado en la Figura 2. La Figura 7 es una representación descriptiva del módulo microelectronico de la Figura 6. Las Figuras 8, 9A, 9B, 10A, 10B, 11, 12A, 12B, 13, 14A, 14B, 15A, 15B, 16A, 16B, 17? y 17B ilustran modalidades adicionales de antenas.

DESCRIPCION DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Las Figuras 1 ilustran una célula 50 de un sistema de comunicación celular CDMA típico. La célula 50 representa un área geográfica en la cual las áreas de abonado móviles 60-1 hasta 60-3 se comunican con una estación base localizada en el centro 65. Cada unidad de abonado 60 está equipada con una antena 70 configurada de acuerdo a la presente invención. Las unidades de abonado 60 están provistas con servicios de datos y/o voz inalámbricos por el operador del sistema y pueden conectarse a dispositivos como, por ejemplo, computadoras portátiles, computadoras transportables, asistentes digitales personales (PDA) o similares a través de la estación base 65 (incluyendo la antena 68) a una red 75, la cual puede ser una red de telefonía conmutadá~públicá (PSTN) , una red de computadoras conmutada por paquetes, como la Internet, una red de datos públicos o una red privada. La estación base 65 se comunica con la red 75. sobre cualquiera de un número de protocolos de comunicación disponibles, diferentes, como el ISDN de velocidad primaria, u otros protocolos basados en LAPD como el 1S-634 o V5.2, o aún TCP/IP si la red 75 es una red de Ethernet basada en paquetes como la Internet. Las unidades de abonado 60 pueden ser de naturaleza móvil y pueden desplazarse de un lugar a otro mientras se comunican con la estación base 65. Cuando las unidades de abonado abandonan una célula y entran a otra, los enlaces de comunicación son transferidos de la estación base de las célula saliente a la estación base de la célula entrante. la Figura 1 ilustra una estación base 65 y tres unidades móviles 60 en una célula 50 a manera de ejemplo únicamente y para facilitar la descripción de la invención. La invención es aplicable a sistemas en los cuales típicamente existen muchas más unidades de abonado comunicándose con una o más estaciones base en una célula individual, como las células 50. La invención es aplicable además a cualquier dispositivo o sistema de comunicación inalámbrico, como una red de área local inalámbrica. También debe ser comprendido por aquellos expertos en la técnica" que ~~la~~Fxgura "'T~. epresenta esquemas de señalización empleados por sistemas de comunicaciones tipo celular estándar como el CDMA, TDMA, GSM u otros, en los cuales son asignados canales de radio de frecuencia para transportar datos y/o voz entre las estaciones base 65 y las unidades de abonado 60. En una modalidad preferida, la Figura 1 es un sistema similar al CDMA, que usa los principios de multiplexión por división de código, como aquellos definidos en los estándares IS-95B para la interconexión aérea. En uña modalidad del sistema basado en células, las unidades de abonado móviles 60 emplean una antena 70 que proporciona recepción direccional de las señales de radio del enlace de ida transmitidas desde la estación base 65, asi como transmisión direccional de las señales del enlace de regreso (vía un proceso llamado formación de haz) de las unidades de abonado móviles 60 a la estación base 65. Este concepto es ilustrado en la Figura 1 por los patrones de haz ejemplares 71 hasta 73 que se extienden hacia fuera desde cada unidad de abonado móvil 60 más o menos en una dirección de mejor propagación hacia la estación base 65. Dirigiendo transmisiones más o menos hacia la estación base 65, y recibiendo de manera dirigida señales que se originan más o menos desde la ubicación de la estación base 65, el aparato de antena 100 reduce los efectos de interferencia iñtercélula"- y desvanecimiento multitrayectoria para las unidades de abonado móviles 60. Además, puesto que los patrones de haz de antena 71, 72 y 73 se extienden hacia fuera en la dirección de la estación base 65 pero son atenuados en la mayoría de otras direcciones, se requiere menos potencia para la transmisión de señales de comunicación efectivas de las unidades de abonado móviles 60-1, 60-2 y 60-3 a la estación base 65. La Figura 2 ilustra un arreglo de antena 100 construida de acuerdo a las enseñanzas de la presente invención. El arreglo de antena 100 incluye un elemento central 102 rodeado por seis elementos pasivos 104 hasta 104F, cada uno de los cuales puede ser operado en un modo reflector o director como será discutido aqui más adelante. El arreglo de antena 100 no está restringido a seis elementos pasivos. Otras modalidades incluyen menos (por ejemplo, dos o cuadro) o más (por ejemplo, ocho) elementos pasivos. En otra modalidad donde la antena opera como un arreglo de fase, a ser discutido posteriormente más adelante, el elemento central está ausente. El elemento central 102 comprende un radiador conductor 106 colocado sobre un sustrato dieléctrico 108. Cada elemento pasivo 104A hasta 104F comprende un segmento conductor superior 110A hasta 110F y un segmento conductor inferior 112A hasta 112F colocados sobre un sustrato dieléctrico 113A 'hasta 1X3FV-respectivamente . Los segmentos conductores inferiores 112A hasta F están conectados a tierra. Generalmente, los segmentos conductores superiores (110A-110F) y los inferiores (112A-112F) son de igual longitud. Cuando el segmento conductor superior de un elemento pasivo (por ejemplo, el segmento conductor superior 110A) es conectado al segmento conductor inferior respectivo (el segmento conductor inferior 112A) el elemento pasivo 104A opera en un modo reflector, de modo que toda la energía de frecuencia de radio (RF) recibida es reflejada nuevamente desde el elemento pasivo 104A hacia la fuente. .Cuando el segmento conductor superior 110A, por ejemplo, es abierto (es decir, no conectado al segmento conductor inferior 112A) el elemento pasivo 104A opera en un modo director en el cual el elemento pasivo 104A es esencialmente invisible a la energía de RF propagante que pasa a su través. En una modalidad, el elemento central 102 y los elementos pasivos 104A y 104D son fabricados de un solo sustrato dieléctrico, como un tablero de circuitos impresos, con los elementos de antena respectivos colocados sobre él. Los elementos pasivos, 104B y 104C son colocados sobre un sustrato deformable o flexible y unido o montado a una superficie del elemento central 102. De este modo los elementos pasivos 104B y 104C son plegables en un arreglo compacto cuando" ' "están en"— uso, y " deformables en las posiciones radiales ilustradas en la Figura 2 para su operación óptima. Esto se logra doblando (o deformando) los elementos pasivos 104B y 104C alrededor del punto de unión hacia el elemento pasivo 104A y 104D, respectivamente. De manera similar, los elementos pasivos 104E y 104F son colocados sobre un sustrato deformable o flexible y unidos o montados a una superficie opuesta del elemento central 102 de modo que los elementos pasivos 104E y 104F sean plegables hacia un arreglo compacto cuando no estén en uso o desplegables en la configuración ilustrada en la Figura 2 durante la operación. En otra modalidad, cada uno de los elementos pasivos 104A hasta 104F son formados sobre un sustrato dieléctrico flexible separado y unidos de manera deformable al elemento central 102. En otra modalidad aún, los elementos pasivos 104A hasta 104F son formados sobre sustratos dieléctricos rígidos individuales y unidos de manera deformable al elemento central 102 mediante el uso de un material deformable interpuesto entre ellos. Existen muchos dispositivos y técnicas disponibles para unir los sustratos deformables que contienen elementos pasivos 104A hasta 104F al elemento central 102. Puede ser usado un adhesivo para unir la superficie del elemento central 102 a los sustratos deformables o el material deformable. También pueden ser colocadas " vías soldables" en' "cada uña de las-supéxficies a ser acopladas. Las uniones son acopladas y las guías soldadas de modo que las uniones sigan siendo deformables. Si se requiere que las señales pasen entre el elemento central 102 y cada uno de los elementos pasivos 104A hasta 104F, entonces en otra modalidad las desviaciones soldables son conectadas a los trazos conductores apropiados conectados sobre el elemento central 102 y los elementos pasivos 104A hasta 104F. De esta manera, las vías acopladas soldadas establecen una interconexión eléctrica y en unión mecánica entre los elementos pasivos 104A hasta 104F y al elemento central 102. También, puede ser utilizado un sujetador- mecánico para unir los diferentes elementos pasivos 104A hasta 104F al elemento central 102. En otra modalidad el elemento central 102 y los elementos pasivos 104A hasta 104D son fabricados sobre un primer sustrato deformable, los elementos pasivos 104B y 104C son fabricados sobre un segundo sustrato deformable y los elementos pasivos 104B y 104C son fabricados sobre un tercer sustrato deformable. Los tres sustratos deformables que tienen los elementos de antena son unidos como se discutió anteriormente. En otra modalidad más, el elemento central 102 es formado de un material dieléctrico rígido, por ejemplo, un tablero de circuitos impresos, mientras que el elemento pasivo 104A es colocado sobre un primer sustrato deformable, los eleméñtos~~pásívós" 104B y 104C son formados sobre un segundo sustrato deformable, el elemento pasivo 104D es formado sobre un tercer sustrato deformable. Los elementos pasivos 104E y 104F son colocados sobre un cuarto sustrato deformable. Los cuatros sustratos deformables son entonces unidos en el elemento central por medio de guías soldadas o un adhesivo como se discutió anteriormente . En otra modalidad más de la presente invención, cada uno de los elementos pasivos 104A hasta 104F son colocados sobre un material de sustrato dieléctrico rígido y unidos al elemento central 102 por medio de una unión deformable . En particular, un borde del material deformable o flexible es unido a cada uno de los elementos pasivos 104A hasta 104F y el borde opuesto del material es unido al elemento central 102. De este modo, en esta modalidad, cada elemento de antena es colocado sobre un material deformable rígido. Se usan vias soldables o un adhesivo para fijar el material deformable al elemento central 102. Una vista desde arriba del arreglo de antena 100 se ilustra en la Figura 3. En particular, se muestran las uniones formables 105. La Figura 4 es una vista desde arriba del arreglo de antena 100 en una configuración doblada. La distancia entre los elementos pasivos adyacentes (por ejemplo, entre los elementos pasivos 104A y 104B) está exagerada en Ta Figura ~~4" 'por "claridad. Las uniones deformables permiten que los elementos adyacentes entren en contacto de modo que el arreglo de antena 100 sea almacenable en una configuración muy compacta. La Figura 5 es una vista en perspectiva de la antena 100 en una configuración doblada. Aunque el desempeño se degradará, es posible que el arreglo de antena 100 opere en la configuración doblada de las Figuras 4 y 5. Regresando a la Figura 2, en ella se muestran módulos microelectrónicos 116A hasta 116F interpuestos entre los segmentos conductores superiores 110A hasta 110F y los segmentos conductores inferiores 112A hasta 112F de cada elemento pasivos 104A hasta 104F. En ella se muestra además un módulo microelectróncio 122 colocado sobre le sustrato dieléctrico 104, que comprende, por ejemplo, el circuito transceptor. Los trazos conductores 124 conducen señales entre el módulo microelectrónico 112 y de los módulos microelectxónicos 116A hasta 116F. Las señales son transportadas sobre los componentes de control de los trazos conductores 124 dentro de los módulos microelectrónicos 116A hasta 116F para operar los elementos pasivos 104A hasta 104F en el estado reflector o director. Conectada además al módulo microelectrónico 122 se encuentra una interfaz interconexión 125 para proporcionar conexión eléctrica entre el arreglo de antena 100 y el dispositivo de comunicaciones externo'. " La interfaz o interconexión 125 puede ser construida de cualquier material rígido o flexible para interconectarse (vía un cable de listón, por ejemplo) a un conector montado sobre un recinto que encierra el arreglo de antena 100. En uso, un conductor es insertado en el conector para conectar el arreglo de antena 100 al dispositivo externo. Será apreciado por aquellos expertos en la técnica que están disponibles varias colocaciones y trayectorias de encaminamiento del conductor para los módulos microelectrónicos y los trazos conductores, según se requiera para el diseño de antena y configuración especificas . La Figura 6 es una vista amplificada de uno de los elementos pasivos 104D, por ejemplo, que incluye el módulo microelectrónico 116D y los trazos conductores 124. Los otros elementos pasivos son construidos de manera similar. El sustrato dieléctrico 113D comprende un material deformable (flexible) o un material rígido que tiene una porción sobre la cual el segmento conductor superior 110D y el segmento conductor inferior 112D están formados, y una segunda porción de brazo perpendicular a la primera porción. En la modalidad donde el elemento pasivo 104D es construido de material rígido, la segunda porción de brazo incluye material deformable (no mostrado en la Figura 6) fijo al "éxtrém ~de T "segunda porción de brazo. En una modalidad, la primera porción que contiene los segmentos conductores superior e inferior y la segunda porción de brazo son formadas formando o cortando una sola hoja de material de sustrato dieléctrico. La modalidad rígida puede ser formada de material de tablero de circuitos impresos, incluyendo el material FR4, y la modalidad deformable puede ser formada de Kapton, poliimida, mylar, o cualquier otro material deformable. La selección de un material adecuado se basa sobre las propiedades mécánicas y eléctricas deseadas de los elementos de antena, incluyendo la pérdida, permisibidad y permeabilidad. Se muestran tres trazos conductores ejemplares 124 que atraviesan la porción de brazo del sustrato dieléctrico 113D y conectados a los contactos (no mostrados) del módulo microelectrónico 116D. Dependiendo de las características del conmutador empleado dentro del módulo microelectrónico 116D (a ser discutido en conjunto con la Figura 7) pueden requerirse menos de tres trazos conductores 125 para controlar ese conmutador. Finalmente, como se muestra, un trazo conductor 125 conecta el segmento conductor 112D a una terminal de conexión a tierra, por ejemplo, sobre la interfaz o interconexión 125 mostrada en la Figura 2. El módulo microelectrónico 116 no está configurado para la función de conmutación, pero puede incluir otras" funciones™relacionadas con la operación del arreglo de antena 100 y sus elementos constituyentes. Como es sabido por aquellos expertos en la técnica, el material conductor para formar el segmento conductor superior 110D, y el segmento conductor inferior 112D y los trazos conductores 124 puede ser aplicado al sustrato dieléctrico imprimendo epoxis conductores o tintas conductoras sobre él. También, los elementos conductores son formables grabando las porciones no deseadas de un sustrato dieléctrico revestido de cobre. La Figura 7 ilustra un módulo microelectrónico ejemplar 116D, que incluye un conmutador SPDT mecánico 140.

Aquéllos expertos en la técnica reconocen que el conmutador mecánico 140 es una representación simple de un dispositivo de conmutación típicamente implementado .con un diodo de unión, un MOSFET, un transistor de unión bipolar, o un conmutador mecánico, incluyendo una o fabricado usando la tecnología MEMS (sistema microelectromecánico) . Bajo el control de una señal transportada sobre uno de los trazos conductores 124, el conmutador 140 conmuta entre el contacto con un conductor 142 y un conductor 144. Cuando conmuta hacia el conductor 142, el segmento conductor superior 100D es conectado a un elemento de impedancia 146. El elemento de impedancia 146 compensa por reactancias (es decir, capacitiva o inductiva) dentro del conmutador 140, de modo que el —segmehíó - superior 110D vea un circuito abierto cuando el conmutador 140 se cierre hacia el conductor 142. De manera alternativa, cuando el conmutador 140 se conecte al conductor 144, el segmento conductor superior 110 ve un segmento conductor inferior conectado a tierra 112D vía un elemento de impedancia 148. El elemento de impedancia 148 cancela cualesquier reactancia (es decir, capacitivas o inductivas) creadas en el conmutador 140 de modo que el segmento conductor superior 110D vea un corto a tierra. En una modalidad, se muestran tres trazos conductores 124, para transportar un voltaje de desviación positivo y negativo para desviar el componente electrónico que implementa el conmutador SPDT 140, y una señal de voltaje de control adicional para seleccionar la posición del conmutador. Dependiendo del componente eléctrico o mecánico especifico que implemente el conmutador 140, únicamente puede requerirse un voltaje de desviación positivo o negativo o el componente puede ser conmutado si un voltaje de desviación de acuerdo a lo determinado únicamente por un voltaje de control. De este modo, otras modalidades de la presente invención pueden requerir numerosos trazos conductores 124 conectados al módulo microelectrónico 116D. La Figura 8 muestra otra modalidad 300 de un arreglo de antena de acuerdo a las enseñanzas de la presente invención, donde ""los elementos pasivos y el elemento central en la modalidad de la Figura 8 son similares a aquellos ilustrados en la Figura 2. cada uno de los elementos pasivos 104A, 104B, 104D y 104F son colocados sobre un sustrato rígido (por ejemplo, el material FR4 ) y unidos al elemento central 102 de un material deformable, como un mylar, de acuerdo a lo indicado por el carácter de referencia 302. los elementos pasivos 104F y 104C son colocados sobre el mismo sustrato que el elemento central 102. En otra modalidad más del arreglo de antena 318 ilustrado en las Figuras 9A y 9B, los elementos pasivos 104A y 104B son formados sobre un primer material deformable, los elementos pasivos 104D y 104E son formados sobre un segundo material deformable, y el elemento central 102 y los elementos pasivos 104C y 104F son formados sobre un tercer material deformable. Los tres materiales deformables son unidos en conjunto usando un adhesivo o vías de acoplamiento soldadas juntas para crear la unión deformable 320. El arreglo de antena 318 es ilustrado en la configuración desplegada en al Figura 9B y en la configuración almacenada en la Figura 9A. En una modalidad derivada, el arreglo de antena 318 no incluye el elemento central 102, de modo que los seis elementos de antena que rodean la unión deformable 320 operan como un arreglo de fase con anteriaV " En las diferentes modalidades discutidas aquí, para un desempeño óptimo de la antena cada uno de los elementos pasivos 104A hasta 104F deben ser orientados a un ángulo especifico o ángulos específicos uno con respecto al otro y el elemento central 102 (en aquellas modalidades donde está presente un elemento central) . Esto puede ser lograd montado el arreglo de antena sobre una superficie base (ahora mostrada) y colocando marcas o topes mecánicos sobre la superficie base para asegurar que cada uno de los elementos pasivos 104A hasta 104F sea desplegado a la posición correcta. De manera alternativa, si la antena es montada dentro de un estuche o recinto, pueden ser incorporadas varias estructuras o topes mecánicos en el recinto de modo que en la orientación desplegada, cada uno de los elementos pasivos 1047A hasta 104F sea situado en la posición óptima. Las Figuras 10a y 10B ilustran otra modalidad de la presente invención, que es un arreglo de antena 350 que incluye cuatro elementos 351, 354, 356 y 358 cada uno formado de un sustrato dieléctrico rígido. Como puede observarse, los elementos de antena 352 y 254 son formados sobre sustratos deformables individuales y unidos por material deformable 360. De manera similar, los elementos de la antena 356 y 358 son formados sobre hojas individuales~y_movidos " 'por" el material 362. Los materiales deformables 360 y 362 son unidos en una ubicación 364. Como se discutió anteriormente, las vías pueden ser utilizadas para crear la unión 364 o los materiales pueden ser unidos por un proceso adhesivo. La Figura 10B ilustra el arreglo de antena 350 en una configuración almacenada. La Figura 11 ilustra el estado desplegado en un arreglo de antena 370 que comprende cuatro elementos 372, 374, 376 y 378 colocados sobre el material flexible o deformable y unidos en una unión 380. De manera convencional, puesto que los arreglos de antena (Figuras 10A y 10B) y 370 (Figura 11) carecen de un elemento central, operan como antenas de arreglo en fase para explorar el haz de la antena cuando se desee. Las Figuras 12A y 12B ilustran un arreglo de antena de cinco elementos 390 que incluye los elementos 392, 394, 398 y 400. En la modalidad de las Figuras 12A y 12B los elementos 392 hasta 400 son colocados sobre un sustrato dieléctrico rígido y unidos en una unión deformable. Como puede observarse, los elementos de la antena 392 y 400 son formados sobre sustratos dieléctricos individuales y unidos al material deformable 402. Los elementos 304 y 306 también son formados por separado y unidos por el material deformable 400. Finalmente, el elemento 298 incluye una superficie de unión 406. Los materiales-¾eformablés" '406 y 404 y la superficie de unión 406 son acoplados y unidos de manera adhesiva o a través de vías de acoplamiento como se discutió anteriormente. El arreglo de antena 390 se muestra en la configuración doblada o almacenada en la Figura 12B. La Figura 13 ilustra un arreglo de antena 410 que tiene cinco elementos 412, 414, 416, 418 y 420 colocados en el material flexible o deformable. En particular, los elementos de la antena 412 y 420 son colocados sobre una hoja de material deformable y los elementos de la antena 414 y 416 son igualmente colocados sobre una hoja de un solo material. El elemento de la antena 418 es colocado sobre una sola hoja de material deformable. Como puede observarse, los elementos 412 hasta 420 son entonces unidos en una unión de acoplamiento 422 creada por conexión adhesiva o vías de soldadura cerno se discutió anteriormente. En otra modalidad (no mostrada) puede ser colocado un elemento central sobre el mismo material deformable que el elemento de la antena 418. Un arreglo de antena 430 se ilustra en la configuración desplegada en la Figura 14? y en la configuración doblada o almacenada en la Figura 14B. El arreglo de ante 430 incluye elementos de antena 432, 434, 436, 438, 440 y 442. Los elementos de la antena son unidos en una conexión central 443 usando las vias soldadas técnicas-aciñesivas"' descritas anteriormente. El arreglo de antena 430 incluye radios 440 sobre cada lado del elemento 432 y el elemento 438. Como se muestra en la Figura 14B, el uso de los radios 444 proporciona una configuración almacenada más compacta puesto que cada uno de los elementos restantes 434, 436, 440 y 442 se ajustan dentro del radio 444. Un arreglo de antena de cinco elementos 450, que incluye el elemente central se muestra en las Figuras 15A y 15B. Los elementos radicales 452, 454, 456 y 458 están separados del elemento central 460. Los elementos 452,. 454, 456 y 458 en una modalidad son colocados sobre un material flexible o deformable 462 (no mostrado en la Figura 15A) , mientras en otra modalidad, los elementos 452, 454, 456 y 458 son colocados sobre un sustrato dieléctrico rígido y unidos al material deformable 462. Las diferentes hojas de material deformable 462 son unidas al elemento central 460 usando las mismas técnicas en la configuración doblada en la Figura 15B. Las Figuras 16a y 16B ilustran otra modalidad del arreglo de antenas 450, que incluye un elemento de antena adicional 451. De este modo, el arreglo de antena 450 como es ilustrado en las Figuras 16A y 16B es un arreglo de cinco elementos. Debido al número impar de elementos, uno de los elementos, específicamente, el elemento 451 es ' colocado- "cí¿~ "manera-' única sobre un material dieléctrico rígido, el cual a su vez está acoplado con el material deformable 462 y unido a los otros dos pares inferiores de elementos y al elemento central 460 como se muestra en la Figura 16?. Las técnicas para el almacenamiento 451, 452, 454, 456 y 458 al elemento central 450 se discutieron más arriba. La Figura 16B ilustra el arreglo de ante 450 donde los cinco elementos se muestran en la configuración doblada o almacenada. Las Figuras 17A y 17B ilustran un arreglo de antena que tiene siete elementos, incluyendo los elementos radiales 482, 484, 486, 488, 490 y 492 y el elemento central 494. En una modalidad como se ilustra, los elementos radicales 482 y 494 son colocados sobre un material dieléctrico rígido y unidos por medio de una hoja de material deformable 496. Los elementos radiales 488 y 490 son de igual modo construidos y unidos por medio de una hoja de material deformable 497. En cambos casos, los elementos radiales pueden ser colocados sobre el material dieléctrico rígido por impresión o grabado. Los elementos radiales 468 y 492 y el elemento central 494 son colocados sobre un sustrato dieléctrico rígido 498. Las hojas deformables 496 y 497 son unidas al elemento central 494 por medio de vías, un adhesivo o un sujetador mecánico como se discutió anteriormente. El arreglo de antena 480 es mos¾rácic ~eñ '" á ""configuración doblada o almacenada en la Figura 17B. En otra modalidad (no mostrada) los elementos radiales 482, 484, 486, 488, 490 y 492 son colocados sobre un material flexible deformable y unidos como se muestra. Las enseñanzas de la presente invención han sido descritas en conjunto con varios arreglos de antena que tienen un elemento central activo y una pluralidad de elementos radiales separados del mismo, o que tienen únicamente una pluralidad de operaciones de elementos radiales separados como arreglos en fases o formadores de haces digitales convencionales. En una primera de esas modalidades, el . arreglo de antena comprende una pluralidad de elementos activos o pasivos, incluyendo un solo elemento activo en el centro de una pluralidad de elementos activos o pasivos separados radialmente unidos de manera deformable al elemento activo central. En otra modalidad, cada uno de los elementos radiales es unido a uno o más de otros elementos radiales en el punto de intersección central. Las señales de control y las señales de frecuencia de radio son alimentadas a o recibidas desde las diferentes modalidades de antena a través de una interconexión (de manera similar a la interconexión 125 de la Figura 2) fija al punto de intersección de la pluralidad de elementos de antena. Varios dispositivos y técnicas son conocidas y se encuentran disponibles para unir los elementos de antena al "elemento "central o a un punto central y si elemento central está ausente. Incluidos entre esos dispositivos y técnicas se encuentran vias soldables, adhesivos y sujetadores mecánicos como se discutió anteriormente. Auque la invención no fue descrita con referencia a una modalidad preferida, deberá ser comprendido por aquellos expertos en la técnica que pueden hacerse varios cambios y pueden ser sustituidos elementos equivalentes por los elementos de la invención sin apartarse del alcance de la misma. El alcance de la presente invención incluye además cualquier combinación de los elementos de las diferentes modalidades expuestas aquí. Además, pueden hacerse modificaciones para adaptar una situación particular a las enseñanzas de la presente invención sin apartarse del alcance esencial de la misma. Por lo tanto, se pretende que la invención no sea limitada a la modalidad descrita aquí como el mejor modo contemplado para llevar a cabo la invención, sino que la invención incluirá todas las otras construcciones que caigan dentro del alcance de las reivindicaciones anexas .

Claims (16)

1. REIVINDICACIONES 1. Arreglo de antena, que comprende: a. Un sustrato dieléctrico; b. una pluralidad, N, de elementos de antena monopolo, comprendiendo cada elemento monopolo un segmento conductor formado sobre el sustrato dieléctrico; c. una pluralidad similar, N, de elementos de imagen, comprendiendo cada elemento de imagen un segmento conductor inferior formado sobre el sustrato dieléctrico, estando cada uno de los elementos de imagen colocado sobre un lugar sobre el sustrato que está adyacente sobre uno respectivo de los elementos monopolo, y cada uno de los elementos de imagen conectado a un potencial de referencia de conexión a tierra; y d. un elemento de antena activo, colocado sobre üna porción del sustrato dieléctrico adyacente a al menos uno de los elementos de antena monopolo.
2. 2. Arreglo de antena según la reivindicación 1, donde al menos uno de los elementos monopolo es pasivo.
3. 3. Arreglo de antena según la reivindicación 1, donde cada uno de los elementos de antena monopolo es pasivo.
4. 4. Arreglo de antena según la reivindicación 1, donde los elementos de imagen son de aproximadamente la misma longitud que los elementos monopolo.
5. 5. Arreglo de antena según la reivindicación 1, donde los elementos de imagen son de aproximadamente la misma forma que los elementos monopolo.
6. 6. Arreglo de antena según la reivindicación 1, donde el conmutador está colocado en al menos uno de los segmentos conductores superior y un segmento conductor inferior correspondiente, controlando el conmutador de acoplamiento electromagnético entre ellos.
7. 7. Arreglo de antena según la reivindicación 6, donde el conmutador comprende un dispositivo semiconductor.
8. 8. Arreglo de antena según la reivindicación 6, donde el conmutador comprende además un primer elemento de impedancia en serie con el conmutador cuando está en una primera posición de conmutación y un segundo elemento de impedancia en serie con un conmutador cuando está en una segunda" posición de conmutación.
9. 9. Arreglo de antena según la. reivindicación 6, donde el conmutador conecta de manera controlable el segmento conductor superior al segmento conductor inferior, de modo que el elemento de antena monopolio correspondiente opere en un modo reflector, y donde el elemento de antena monopolo correspondiente opera de otro modo en un modo director .
10. 10. Arreglo de antena según la reivindicación 1, donde la pluralidad, N, de elementos de antena monopolo es dos .
11. 11. Arreglo de antena según la reivindicación 1, que comprende adicionalmente un segundo sustrato dieléctrico que también tiene una pluralidad, N, de elementos de antena monopolo y una pluralidad similar, N, de elementos de imagen, el segundo sustrato dieléctrico es 5 colocado en un ángulo conocido con respecto al sustrato dieléctrico en una configuración desplegada del arreglo.
12. 12. Arreglo de antena según la reivindicación 1, donde los elementos monopolo y los elementos de imagen son interconectados de manera controlable para operar en un 0 modo reflector o un modo director.
13. 13. Arreglo de antena según la reivindicación 1, donde los elementos de imagen son conectados eléctricamente entre si. ~" ' ~ "
14. 14. Arreglo de antena según la reivindicación 1, 5 donde los elementos de imagen son formados sobre un parche conductor común formado sobre el sustrato dieléctrico.
15. 15. Arreglo de antena según la reivindicación 1, donde el elemento activo es colocado entre los N elementos de antena monopolo sobre el sustrato dieléctrico. 0
16. 16. Arreglo de antena según la reivindicación 1, donde el elemento activo es colocado aproximadamente en el lugar central del arreglo de antena.