ELEMENTO RADIANTE DISEÑADO PARA OPERAR EN UNA ANTENA PEQUEÑA
La presente invención se relaciona con un elemento radiante diseñado para operar en una antena eléctricamente pequeña. Tales antenas eléctricamente pequeñas, esto es, con un tamaño substancialmente más pequeño que la longitud de onda de las señales que reciben y transmiten, son particularmente usadas en la recepción portátil de ondas de radio de FM. De aquí tal antena debe ser capaz de ser integrada en una unidad de dimensiones pequeñas para satisfacer restricciones de portabilidad. Ahora, se sabe que una antena, sin considerar su tipo o la tecnología usada para fabricarla, debe tener una dimensión mínima en el orden de la longitud de onda y normalmente mayor que el cuarto de longitud de onda para poder operar correctamente. Para frecuencias de FM, la longitud de onda está en el orden de 3 metros a 100 MHz, la banda de radio de FM se extiende alrededor de este valor. Por ejemplo, en Francia, la banda de FM está en el intervalo desde 88 MHz a 108 MHz. Para obtener una recepción efectiva, se usan por lo general antenas de látigo sobre las cuales se ajusta la orientación y longitud, esto es normalmente 75 cm para un cuarto de longitud de onda a 100 MHz, para la mejor recepción. Sin embargo este tipo de antena no puede ser usado para las aplicaciones portátiles. Por lo tanto se hace uso de antenas de tipo cuadro, las cuales son antenas eléctricamente pequeñas cuya eficiencia es por lo general muy pobre. Esto se expresa en la siguiente ecuación:
? = Rrad en donde Rrad es la resistencia a la radiación y Rohm es la resistencia a la pérdida ohmica. Para mejorar la eficiencia, las técnicas usadas consisten en incrementar las resistencias a la radiación incrementando el volumen ocupado por la antena mientras se proporcionan condiciones óptimas de acoplamiento. Esto se muestra por ejemplo en Small Antennas, por Harold Wheeler, IEEE Trans. Ant. Propagation, Vol. AP23, Julio 1975, AP23, Julio 1975. Tan pronto como el material conductor usado para el elemento radiante tiene una conductividad aceptable y las pérdidas dieléctricas son bajas, la pérdida ohmica por lo general permanece baja en relación a la resistencia a la radiación. Este no es el caso cuando la eficiencia es baja, lo cual es el caso para las antenas pequeñas. De aquí, esto involucra proponer un elemento radiante que pueda ser usado en una antena eléctricamente pequeña, y que pueda obtener una eficiencia correcta de antena. La presente invención se relaciona con una antena de tipo banda, es decir una antena eléctricamente pequeña constituida por una tira conductora doblada N veces como un fuelle y en forma de un bucle. Efectivamente se observa que para un doblez regular de la tira conductora en la manera de un fuelle, la eficiencia se multiplica de esta manera por N. El doblez mantiene las dimensiones totales de la antena en un tamaño similar a aquel obtenido con una antena del mismo tamaño y fabricada con una tira conductora estándar. El doblez del fuelle puede ser rectilíneo y paralelo o no de acuerdo con el factor de forma de la antena a respetar dependiendo del volumen disponible. En una modalidad, el ángulo de doblez se determina para ajustar la impedancia del elemento radiante. El doblez de la tira introduce un componente capacitivo en el comportamiento de la antena que, cuando tiene dimensiones pequeñas, es fuertemente inductivo. Por lo tanto esto permite que la impedancia sea adaptada. En una modalidad, la tira conductora es una tira delgada de hoja metálica. En una modalidad, la tira conductora está constituida por una capa de metalización realizada sobre un lado de un substrato hecho de un material plástico delgado. Otras características y ventajas de la presente invención emergerán de la lectura de la descripción de diferentes modalidades no restrictivas, la descripción se hace con referencia a los dibujos anexados, en donde:
La Figura 1 muestra una antena de cuadro estándar. La Figura 2 muestra la sección transversal de una tira conductora. La Figura 3 representa un elemento conductor implementado en la invención antes del doblez. La Figura 4 representa un elemento conductor ¡mplementado en la invención después del doblez. La Figura 5 ¡lustra una antena de cuadro de acuerdo con la invención, La Figura 6 muestra un elemento conductor en una modalidad particular de la invención antes del doblez. La Figura 7 muestra un elemento conductor en una modalidad particular de la invención después del doblez. La Figura 1 muestra una antena 10 de cuadro estándar de perímetro L que incluye un elemento 11 radiante de longitud L y anchura w. El elemento 1 1 radiante es por ejemplo una tira 20 conductora, de espesor e y anchura w cuya sección transversal se muestra en la Figura 2. Tales antenas se usan tradicionalmente para la recepción de frecuencias de FM en un equipo portátil. Efectivamente, en un equipo portátil, no es posible usar antenas con una longitud en el orden de la longitud de onda, la cual es 3 metros a 100 MHz. Las antenas de cuadro son, eléctricamente antenas pequeñas, es decir que su longitud L es mucho menor que la longitud de onda. Tomando en cuenta sus bajas dimensiones eléctricas, la eficiencia de estas antenas es por lo general pobre. Esto se expresa en la siguiente ecuación:
? = Rrad en donde Rrad es la resistencia a la radiación y Rohm es la resistencia a la pérdida ohmica. La invención propone mejorar la eficiencia de la antena reduciendo la resistencia de la pérdida ohmica, sin modificar el tamaño de la antena. La Figura 3 muestra un elemento 30 radiante antes del doblez de acuerdo con la invención. El elemento 30 radiante es una tira conductora de anchura W, de longitud L y espesor e. Esta tira se fabrica por ejemplo en cobre. De acuerdo con la invención, esta tira se dobla N veces como un fuelle como se muestra en la Figura 4. Finalmente, en el ejemplo de la antena de cuadro, una vez que el elemento 30 radiante se dobla, se le da la forma de una antena de cuadro cuyo perímetro es entonces igual a L y la anchura a w = W/N. La anchura w se puede modificar si es necesario. Una antena obtenida de esta manera de acuerdo con la invención y que muestra así dimensiones de perímetro L y anchura w tiene una resistencia a ia radiación casi idéntica a aquella del cuadro estándar del tamaño mostrado en la Figura 1 . Efectivamente, la resistencia a la radiación se determina principalmente por la forma y volumen equivalente de la antena.
Por ejemplo, la antena puede ser dimensionada de la siguiente manera W = 50 mm; N = 10; e = 0.1 mm; L = 10 cm. Se sabe que la corriente que corre a través de una tira conductora de anchura w y espesor e permanece confinada en una capa fina cercana a la superficie que tiene un espesor d conocida como profundidad de película, mostrada en ia Figura 2 y definida por la siguiente ecuación:
d = Vpfµs
en donde f es la frecuencia de operación en Hz, µ = 4p x 10"7 H/m y s es la conductividad del material (igual a 5.813 x 107 S/m para el cobre). De aquí, para un conductor de cobre a la frecuencia de
100 MHz, la profundidad de película es de 6.6 µm. Se nota que la tira conductora debe ser de un espesor e mayor a 2d. Tomando en cuenta Ids valores típicos de e y d, esta condición se satisface ampliamente. La resistencia a la pérdida ohmica se escribe así como:
Rohm = L SeffO"
en donde Se.f es la superficie conductora efectiva para la tira, es decir Seff = 2(W + e)d. Así, la resistencia a la pérdida ohmica es 2(W + e)ds
para la antena de cuadro de acuerdo con la invención mostrada en la Figura 5 y
para la antena de cuadro estándar representada en la Figura 1 . Por lo tanto, para W > W/N » e, una condición ampliamente realizada para los valores típicos seleccionados W = 500 x e y N = 10,
(Ro m)5 = L y (R0hm)? = NL . De -aguí la ecuación: 2Wds 2Wds
Así, la invención hace posible reducir la resistencia a la pérdida ohmica. Esto es útil en las antenas para las cuales la pérdida ohmica y, si es necesario, la pérdida dieléctrica no es despreciable, lo cual es el caso en antenas pequeñas en donde la eficiencia es por lo general pobre. De aquí, para una eficiencia de antena del orden de -20 dB, una eficiencia estándar obtenida para una antena de tipo cuadro, la reducción de la pérdida ohmica permite una mejora de la eficiencia de la antena que es casi proporcional a la reducción de la pérdida ohmica.
Efectivamente ?dB = 10log ? implica que:
? = 0.01 = 1 /[ 1 + (Rohm/Rrad)]
en donde 1 + (Roh Rrad) = 100 es por lo tanto 1 + (R0hm/Rrad) »
(Rohm/Rrad) V ? « (Rahm/Rrad) - Así, la eficiencia de la antena es inversamente proporcional a la resistencia a la pérdida Rohm. En estas condiciones, la división de la resistencia a la pérdida Rohm por un factor de 10 mejora la eficiencia de la antena en 10 dB. Este es un margen de mejoría muy bueno. De aquí, la invención mejora significativamente la eficiencia de las antenas pequeñas, particularmente antenas de tipo cuadro, mientras mantiene un volumen de antena muy bajo. En una modalidad ventajosa, el ángulo de doblez se determina para ajustar el valor de impedancia de la antena. De aquí, la invención mejora la adaptación de la impedancia de la antena. Efectivamente, se sabe que la impedancia presentada por un cuadro pequeño es altamente inductiva, lo que vuelve difícil la adaptación. El doblez de la tira introduce un componente capacitivo que tiene el efecto de reducir el comportamiento inductivo del cuadro y así vuelve más fácil la adaptación de la impedancia. El componente capacitivo también se puede ajustar por el ángulo de doblez. Efectivamente, el doblez de la tira de metal forma elementos capacitivos con forma de V y uno puede demostrar por analogía con el cálculo conocido de la capacitancia de un capacitor (C = eS/e en donde e es la permisividad del dieléctrico, S ia superficie de las placas conductoras y e el espesor del dieléctrico) que la capacitancia varía con el ángulo de doblez (ángulo entre las dos partes de metal de cada forma de V de la tira doblada). En una modalidad ¡lustrada por las Figuras 6 y 7, el elemento 60 radiante usa un substrato 61 de un material plástico delgado como soporte, por ejemplo una película flexible de poliéster, metalizada sobre una cara 62 y posiblemente cubierta con otra capa fina de dieléctrico 63. La tira conductora está así intercalada entre dos capas de película dieléctrica. El espesor e es así del orden de pocos cientos de mieras. El elemento 60 radiante así constituido se dobla luego de acuerdo con la invención como se muestra en la vista parcial de la Figura 7. Además de las ventajas de la reducción en la resistencia a la pérdida ohmica y la facilidad para fabricar tal antena, se observa una mejoría en el efecto capacitivo debido a la presencia del material dieléctrico. De aquí, la selección del material de soporte y más particularmente de su permisividad dieléctrica ofrece una flexibilidad adicional para controlar el efecto capacitivo y por lo tanto la adaptación de la impedancia de la antena. Por otra parte, se nota que los matepales de las dos capas de dieléctrico 61 y 63 pueden ser diferentes y ofrece todavía más flexibilidad. La invención no está limitada a ias modalidades descritas y aquellos expertos en la técnica reconocerán la existencia de diferentes variantes de modalidad tales como por ejemplo la tira de metal puede ser una tira de hoja metálica delgada que se dobla en un zigzag como se muestra en la invención, el perfil de doblez, su forma, su regularidad, su periodicidad, la longitud y el perfil del cuadro que pueden notablemente ser únicos o múltiples para mejorar la eficiencia de la antena.