ES2278836T3 - Antena de montaje en superficie y aparato de comunicaciones que comprende dicha antena. - Google Patents
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Abstract
Antena de montaje en superficie que comprende: un sustrato rectangular (1) que comprende una cara superior, una cara inferior y unas caras laterales, y está constituido por un material dieléctrico o magnético, un electrodo de radiación en forma de cinta (2, 133) situado encima de dicho sustrato, un electrodo de conexión a tierra (32) situado encima de dicho sustrato, que presenta una conexión directa o un acoplamiento capacitivo con uno de los extremos de dicho electrodo de radiación, y un electrodo de alimentación de corriente (4, 104) que comprende una parte de alimentación de corriente (43, 143) y una parte de conexión a tierra (44, 144), cada una de las cuales se extiende sustancialmente en la dirección vertical sobre una cara lateral longitudinal (1b) de dicho sustrato, y una parte alineada (41, 141) que se extiende entre dicha parte de alimentación de corriente y dicha parte de conexión a tierra, caracterizada porque: el área de dicho electrodo de conexión a tierra (32) situada en lacara inferior (1a) de dicho sustrato es el 30% o menos de dicha cara inferior, el conjunto del electrodo de radiación (2, 133) presenta una forma de cinta que comprende una parte de electrodo (28, 29, 30, 133d) situada en la otra cara lateral longitudinal (1d) de dicho sustrato y conectada a una parte de electrodo en forma de L (27, 133c) situada en la cara superior (1c) de dicho sustrato, dicha parte alineada (41, 141) se extiende entre dicha parte de alimentación de corriente (43, 143) y dicha parte de conexión a tierra (44, 144) sustancialmente en paralelo con una parte de dicha parte de electrodo en forma de L (27, 133c), y dicho electrodo de alimentación de corriente (4, 104) está separado de dicho electrodo de radiación (2, 133) por un espacio comprendido entre dicha parte alineada (41, 141) y dicha parte de electrodo en forma de L (27, 133c), y, de ese modo, la forma y la relación de posiciones de dicho electrodo de alimentación de corriente (4, 104) y dicho electrodo de radiación (2, 133) proporcionan una capacitancia y una inductancia ajustadas para la adaptación de las impedancias.
Description
Antena de montaje en superficie y aparato de
comunicaciones que comprende dicha antena.
La presente invención se refiere a una antena
pequeña que comprende un sustrato fabricado en un material
dieléctrico o magnético, tal como la cerámica, la resina, etc., y se
refiere en particular a una antena de montaje en superficie que
presenta una función de adaptación de impedancias en el electrodo de
alimentación de corriente, y a un aparato de comunicaciones que
comprende dicha antena de montaje en superficie.
Las antenas de montaje en superficie se utilizan
para los sistemas de posicionamiento global (GPS), las redes de
área local (LAN inalámbricas), etc. con ondas portadoras de una
banda de frecuencias de GHz. La miniaturización de los equipos
móviles avanza a una velocidad espectacular y, por ello, es
necesario disponer de antenas de montaje en superficie de pequeño
tamaño y altura reducida, que presenten una buena eficiencia de
radiación sin direccionalidad y que además sean capaces de
funcionar en una banda ancha. No obstante, la miniaturización y la
reducción de la altura de las antenas de montaje en superficie
convencionales no resultan necesariamente satisfactorias, puesto que
dichas antenas presentan características que se deterioran con la
miniaturización y la reducción de la altura.
En general, este tipo de antena está diseñada
para funcionar con un electrodo de radiación, cuya longitud
corresponde a 1/4 de la longitud de onda. Esto se debe al hecho de
que la antena muestra su mayor eficiencia de radiación a 1/4 de la
longitud de onda, siendo este requisito particularmente importante
en los equipos móviles, que deberán ser capaces de funcionar
durante el período de tiempo más largo permitido por una carga de
la batería. Como bien se sabe, cuando se dispone un electrodo de
radiación sobre un sustrato dieléctrico, se produce el denominado
efecto de reducción de la longitud de onda, según el cual la
longitud efectiva de dicho electrodo es inversamente proporcional a
la raíz cuadrada de la constante dieléctrica \varepsilon_{T}. Con
el efecto de la reducción de la longitud de onda, puede fabricarse
un electrodo de radiación más corto que permitirá miniaturizar y
reducir la altura de la antena.
Cuanto más lenta sea la propagación de la onda
electromagnética a lo largo de la antena, menor podrá ser el tamaño
de la antena fabricada, utilizando un material de alta constante
dieléctrica \varepsilon_{T} para el sustrato. No obstante, en
realidad existe un límite en el empleo de materiales de alta
constante dieléctrica \varepsilon_{T} y, por lo tanto, en la
práctica sólo se utilizan los sustratos dieléctricos que presentan
constantes dieléctricas con un valor máximo de alrededor de 4,
porque las constantes dieléctricas superiores al nivel indicado
provocan el problema de la adaptación de las impedancias. Puesto
que es probable que la impedancia de entrada en un punto de
alimentación de corriente cambie en gran medida en una antena de
montaje en superficie que presenta una alta constante dieléctrica,
resulta difícil superar el problema de la adaptación de las
impedancias con la miniaturización.
Por ejemplo, como se representa en la Figura 21,
la antena de montaje en superficie descrita en la patente US nº
5.867.126 comprende un electrodo de radiación 92 situado sobre la
cara superior 91 de un sustrato sustancialmente rectangular 90 y
doblado en una forma sustancialmente de L o de U rectangular, que
presenta un extremo abierto y el otro conectado a tierra, y un
electrodo de alimentación de corriente 94 situado sobre la cara
superior del sustrato 90 y separado por un espacio 96 para provocar
la excitación del electrodo de radiación 92, estando conectado un
extremo del electrodo de alimentación de corriente 94 a un cable de
alimentación de corriente 99. Como se representa en la Figura 22, el
circuito equivalente es un circuito de resonancia paralela que
comprende la resistencia de radiación R y la inductancia L del
electrodo de radiación 92, la capacitancia C formada entre el
electrodo de radiación 92 y un conductor de tierra y la capacitancia
Ci' formada entre el electrodo de radiación 92 y el electrodo de
alimentación de corriente 94.
En esta antena, se transmite energía eléctrica
de alta frecuencia desde un circuito de transmisión (no
representado) hasta el electrodo de alimentación de corriente 94,
por medio de un cable de alimentación de corriente 99 de una placa
de circuitos, y dicha energía se introduce en un circuito de
resonancia constituido por el electrodo de radiación 92 y el
conductor de tierra para la resonancia en paralelo y se emite desde
el electrodo de radiación 92 en forma de ondas electromagnéticas.
Para que no se produzca ninguna reflexión de tensión en el punto de
alimentación de corriente 98, deberá realizarse la adaptación de las
impedancias.
Existen diversas propuestas para los medios de
adaptación de las impedancias que permiten que la impedancia de
entrada del electrodo de alimentación de corriente 94 percibida por
el circuito de transmisión, es decir, la impedancia de entrada en
el punto de alimentación de corriente 98, sea igual a la impedancia
característica de 50 \Omega. Por ejemplo, en la antena
representada en la Figura 21, el electrodo de radiación 92 presenta
un acoplamiento capacitivo con el electrodo de alimentación de
corriente 94, y se establece la capacitancia Ci' entre el electrodo
de radiación 92 y el electrodo de alimentación de corriente 94, de
tal forma que la inductancia L del electrodo de radiación 92 se
anula de la forma representada en el circuito equivalente de la
Figura 22.
No obstante, en la antena convencional
representada en la Figura 21, el electrodo de alimentación de
corriente y el electrodo de radiación no presentan una conexión
directa entre sí, sino un acoplamiento capacitivo, y no utilizan la
inductancia para la adaptación de las impedancias. En consecuencia,
si se reduce el tamaño y la altura de la antena, ésta no podrá
presentar unas características dieléctricas altas que facilitan la
adaptación de las impedancias. Además, en las antenas para el
sistema GPS, la red LAN inalámbrica, etc., la omnidireccionalidad
es un requisito esencial, y también es necesario aumentar la
eficiencia y la ganancia de radiación y ampliar el ancho de banda.
Estos puntos no han sido tratados a fondo tradicionalmente.
Cuando se produce una desadaptación de las
impedancias, a veces se inserta un nuevo circuito de adaptación
entre el circuito de transmisión/recepción y la antena. No obstante,
la adición de un nuevo circuito de adaptación aumenta el tamaño del
aparato de la antena. Con respecto a un circuito de adaptación de
impedancias, el documento nº JP 2000-286615 A da a
conocer una antena de pequeño tamaño que comprende un sustrato de
estructura laminada y un circuito de adaptación situado entre las
capas laminadas. No obstante, esta antena tiene un coste de
producción incrementado aparte de una estructura complicada.
En el documento WO 01/24316 A1 correspondiente
al documento EP 1162688 A1 y la patente US nº 6.323.811, se da a
conocer una antena que comprende un primer electrodo de radiación
(electrodo de radiación del lado de alimentación de corriente) y un
segundo electrodo de radiación (electrodo de radiación del lado sin
alimentación de corriente) situados en la cara superior de un
sustrato, entre los cuales se genera una resonancia compuesta, y
comprende además un electrodo para un circuito de adaptación en una
cara lateral del sustrato. En esta antena, el primer electrodo de
radiación (el electrodo de radiación del lado de alimentación de
corriente) está directamente conectado con el electrodo de
adaptación en una posición de adaptación de impedancias, pero los
electrodos de alimentación de corriente no tienen capacitancia. La
adaptación de las impedancias se realiza, pues, ajustando sólo la
inductancia. La estructura de electrodo que presenta dicho circuito
de adaptación corresponde a una antena en F invertida convencional,
que es una estructura de antena de por sí fácil para la adaptación
de las impedancias.
Los documentos JP 8-186431 A y
JP 11-340726 A dan a conocer unas tecnologías de
adaptación de impedancias de una antena unidireccional, que
presenta una estructura que comprende un conductor de radiación en
la cara superior de un sustrato y un conductor de tierra que abarca
toda la cara inferior del sustrato. No obstante, dicha antena no es
adecuada para las aplicaciones que requieren omnidireccionalidad,
tales como el servicio GPS, la red LAN inalámbrica, etc. Esto
resulta obvio, por ejemplo, a partir del hecho de que esta antena
presenta una estructura en la que el conductor de alimentación de
corriente situado en la cara superior de un sustrato está rodeado
por el conductor de radiación, formando un acoplamiento de gran
capacitancia. Además, debido a que no se presta atención a la
miniaturización, la eficiencia y la ganancia de radiación y el ancho
de banda, todavía quedan algunos problemas por resolver para su
utilización en el servicio GPS, etc.
El documento
DE-A-100 30 402 da a conocer una
antena de montaje n superficie con un electrodo de radiación
directamente conectado a un circuito electrónico. El electrodo de
radiación se dispone en zigzag sobre un sustrato.
La primera parte precaracterizadora de la
reivindicación 1 se basa en la técnica anterior dada a conocer en
el documento WO 01/24316 A1 mencionado anteriormente.
Por consiguiente, uno de los objetivos de la
presente invención consiste en proporcionar una antena de montaje
en superficie, cuya adaptación de impedancias pueda llevarse a cabo
con facilidad aun cuando se utilice un material que presenta una
constante dieléctrica relativamente alta para la miniaturización,
que proporcione alta ganancia, banda ancha y omnidireccionalidad y
que resulte particularmente adecuada para el servicio GPS, la red
inalámbrica LAN, etc.
Otro de los objetivos de la presente invención
consiste en proporcionar un aparato de comunicaciones que comprenda
esta antena de montaje en superficie para teléfonos celulares,
auriculares, ordenadores personales, ordenadores portátiles, cámaras
digitales, etc.
Estos objetivos son alcanzados mediante la
antena según la reivindicación 1 y el aparato según la
reivindicación 3. Las reivindicaciones subordinadas se refieren a
las formas de realización preferidas de la presente invención.
Como consecuencia de los intensos trabajos de
investigación realizados a la vista de los anteriores objetivos, los
inventores han comprobado que, con la función de adaptación de
impedancias proporcionada por una estructura de electrodo de
alimentación de corriente que además de capacitancia presenta
inductancia, es posible conseguir con facilidad la adaptación de las
impedancias aun cuando se utilice un material que presenta una
constante dieléctrica relativamente alta para el sustrato,
obteniéndose una antena pequeña de montaje en superficie con
omnidireccionalidad. La presente invención se basa en este
hallazgo.
La antena de montaje en superficie de una forma
de realización de la presente invención comprende un sustrato
fabricado en un material dieléctrico o magnético, un electrodo de
radiación dispuesto encima por lo menos de la cara superior de
dicho sustrato, un electrodo de conexión a tierra dispuesto encima
de dicho sustrato de tal forma que dicho electrodo de conexión a
tierra presenta un acoplamiento capacitivo con un extremo de dicho
electrodo de radiación, y un electrodo de alimentación de corriente
dispuesto por lo menos encima de una cara lateral de dicho sustrato
de tal forma que dicho electrodo de alimentación de corriente está
orientado hacia dicho electrodo de radiación y separado de éste por
un espacio. Dicho electrodo de alimentación de corriente presenta
un punto de alimentación de corriente en un extremo y un punto de
conexión a tierra en el otro, así como una parte para llevar a cabo
la adaptación de las impedancias mediante la capacitancia y la
inductancia entre dicho punto de alimentación de corriente y dicho
punto de conexión a tierra, siendo la proporción entre el área de
dicho electrodo de conexión a tierra y el área de la cara inferior
de dicho sustrato del 30% o inferior.
El electrodo de alimentación de corriente
presenta una forma de portal con una parte de alimentación de
corriente en un extremo y una parte de conexión a tierra en el otro,
así como una parte alineada con dicho electrodo de radiación y
separada de éste por un espacio.
En la presente invención, dicho electrodo de
alimentación de corriente está constituido preferentemente por un
primer y un segundo electrodos situados sobre las caras laterales
opuestas de dicho sustrato, que están conectados por medio de un
electrodo en forma de I situado sobre una cara terminal de dicho
sustrato, presentando el primer electrodo una parte de alimentación
de corriente en un extremo y el segundo electrodo, una parte de
conexión a tierra en un extremo, constituyendo dicho electrodo en
forma de I dicha parte alineada de tal forma que dicho electrodo de
alimentación de corriente adopta una forma de portal y presentando
dicho electrodo de radiación una parte de electrodo de conexión a
tierra situada sobre una cara terminal o sobre una cara terminal y
las caras laterales opuestas de dicho sustrato.
Por lo menos una parte de dicho electrodo de
alimentación de corriente y dicho electrodo de radiación adopta
preferentemente una forma de zigzag, de U rectangular, de L o de
manivela.
Dicho electrodo de alimentación de corriente
está situado sobre una cara lateral de dicho sustrato, de tal forma
que está orientado hacia un extremo abierto de dicho electrodo de
radiación y separado de éste por un espacio. En este caso, dicho
electrodo de alimentación de corriente presenta una parte de
alimentación de corriente situada cerca de un extremo abierto de
dicho electrodo de radiación.
En una forma de realización preferida de la
presente invención, por lo menos una parte de dicho electrodo de
radiación se extiende de un extremo a otro de dicho sustrato en la
dirección longitudinal, y su anchura se reduce sustancialmente de
forma continua o escalonada. En otra forma de realización preferida
de la presente invención, dicho electrodo de radiación se extiende
de un extremo a otro de dicho sustrato en la dirección
longitudinal, y su anchura se reduce sustancialmente de forma
continua o escalonada, y se dobla adoptando sustancialmente una
forma de U rectangular en el otro extremo.
En otra forma de realización preferida de la
presente invención, dicho electrodo de radiación se extiende hasta
la cara superior a través de una cara lateral diferente de la cara
lateral donde está situado dicho electrodo de alimentación de
corriente. En este caso, la cara inferior de dicho sustrato
preferentemente no presenta sustancialmente ningún electrodo de
conexión a tierra en el área comprendida debajo de dicho electrodo
de radiación situado en la cara superior de dicho sustrato.
Dicho electrodo de radiación o dicho electrodo
de alimentación de corriente presenta preferentemente esquinas
redondeadas.
La antena de la presente invención puede
comprender además un segundo electrodo de conexión a tierra opuesto
al otro extremo de dicho electrodo de radiación y separado de éste
por un espacio.
En una forma de realización particularmente
preferida de la presente invención, la antena de montaje en
superficie comprende un sustrato fabricado en un material
dieléctrico o magnético, un electrodo de radiación en forma de
cinta situado sobre dicho sustrato, un electrodo de conexión a
tierra situado sobre dicho sustrato de tal forma que dicho
electrodo de conexión a tierra presenta una conexión directa o un
acoplamiento capacitivo con un extremo de dicho electrodo de
radiación, y un electrodo de alimentación de corriente situado sobre
por lo menos una cara lateral de dicho sustrato y separado de dicho
electrodo de radiación por un espacio deseado; adoptando dicho
electrodo de radiación una forma global de portal que comprende una
parte de electrodo situada sobre una cara lateral de dicho sustrato
en dirección longitudinal, que está conectada a una parte de
electrodo en forma de L situada sobre la cara superior de dicho
sustrato; comprendiendo dicho electrodo de alimentación de
corriente una parte de alimentación de corriente y una parte de
conexión a tierra cada una de las cuales se extiende
sustancialmente en la dirección vertical sobre la otra cara lateral
de dicho sustrato, y una parte alineada que se extiende entre dicha
parte de alimentación de corriente y dicha parte de conexión a
tierra sustancialmente en paralelo con dicho electrodo de radiación
y separado de éste por dicho espacio; siendo la proporción entre el
área de dicho electrodo de conexión a tierra y el área de dicha cara
inferior de dicho sustrato del 30% o inferior, y siendo modificada
la forma y la relación de las posiciones de dicho electrodo de
alimentación de corriente y dicho electrodo de radiación para
ajustar la capacitancia y la inductancia y permitir la adaptación
de las impedancias.
Dicha parte de alimentación de corriente de
dicho electrodo de alimentación de corriente está situada
preferentemente cerca del extremo abierto de dicho electrodo de
radiación, mientras que dicha parte de conexión a tierra de dicho
electrodo de alimentación de corriente está situada preferentemente
cerca del extremo del sustrato en la cara opuesta a dicho electrodo
de conexión a tierra.
\newpage
El sustrato de antena de la presente invención
está fabricado preferentemente en un material dieléctrico que
presenta una constante dieléctrica \varepsilon_{T} comprendida
entre 6 y 50.
El aparato de comunicaciones de una forma de
realización de la presente invención comprende un aparato de antena,
en el que se monta la antena de montaje en superficie anterior sobre
un área de una placa de circuitos donde no está presente el
conductor de tierra, estando alineado dicho sustrato que presenta
dicho electrodo de radiación que se extiende en dirección
longitudinal con un borde de dicho conductor de tierra de dicha
placa de circuitos y estando separado de éste por un espacio, y
estando situado dicho electrodo de alimentación de corriente sobre
la cara lateral de dicho conductor de tierra.
En otra forma de realización preferida de la
presente invención, dicho electrodo de conexión a tierra, situado
sobre dicha antena de montaje en superficie en la cara opuesta de
dicho conductor de tierra de dicha placa de circuitos, está
dispuesto cerca de una esquina de dicha placa de circuitos, y dicho
electrodo de conexión a tierra está conectado a un conductor de
dicha placa de circuitos mediante un conductor lineal.
La Figura 1 es una vista en perspectiva que
representa una antena de montaje en superficie según un primer
ejemplo utilizado para facilitar la comprensión de la presente
invención;
la Figura 2 es una vista que representa un
circuito equivalente de la antena del primer ejemplo;
la Figura 3 es una vista en perspectiva que
representa una antena de montaje en superficie según un segundo
ejemplo utilizado para facilitar la comprensión de la presente
invención;
la Figura 4 es una vista desplegada del
electrodo de radiación representado en la Figura 3;
la Figura 5 es una vista que representa un
circuito equivalente de la antena del segundo ejemplo;
la Figura 6 es una vista que representa otro
ejemplo del electrodo de alimentación de corriente;
la Figura 7 es una vista en perspectiva que
representa una antena de montaje en superficie según un tercer
ejemplo utilizado para facilitar la comprensión de la presente
invención;
la Figura 8 es una vista en perspectiva que
representa una antena de montaje en superficie según un cuarto
ejemplo utilizado para facilitar la comprensión de la presente
invención;
la Figura 9 es una vista en perspectiva que
representa una antena de montaje en superficie según un quinto
ejemplo utilizado para facilitar la comprensión de la presente
invención;
la Figura 10(a) es una vista en
perspectiva que representa una antena de montaje en superficie según
una primera forma de realización de la presente invención;
la Figura 10(b) es una vista desplegada
que representa la antena de montaje en superficie según la primera
forma de realización de la presente invención;
la Figura 11(a) es una vista en
perspectiva que representa una antena de montaje en superficie según
una segunda forma de realización de la presente invención;
la Figura 11(b) es una vista desplegada
que representa la antena de montaje en superficie según la segunda
forma de realización de la presente invención;
la Figura 12(a) es una vista en
perspectiva que representa una antena de montaje en superficie según
una tercera forma de realización de la presente invención;
la Figura 12(b) es una vista desplegada
que representa la antena de montaje en superficie según la tercera
forma de realización de la presente invención;
la Figura 13(a) es una vista en
perspectiva que representa una antena de montaje en superficie según
un sexto ejemplo utilizado para facilitar la comprensión de la
presente invención;
la Figura 13(b) es una vista desplegada
que representa la antena de montaje en superficie según el sexto
ejemplo;
la Figura 14(a) es una vista en
perspectiva que representa una antena de montaje en superficie según
un séptimo ejemplo utilizado para facilitar la comprensión de la
presente invención;
la Figura 14(b) es una vista desplegada
que representa la antena de montaje en superficie según el séptimo
ejemplo;
la Figura 15(a) es una vista en
perspectiva que representa una antena de montaje en superficie según
un octavo ejemplo utilizado para facilitar la comprensión de la
presente invención;
la Figura 15(b) es una vista desplegada
que representa la antena de montaje en superficie según el octavo
ejemplo;
la Figura 16(a) es una vista en
perspectiva que representa una antena de montaje en superficie según
una cuarta forma de realización de la presente invención;
la Figura 16(b) es una vista desplegada
que representa la antena de montaje en superficie según la cuarta
forma de realización de la presente invención;
la Figura 17 es un gráfico que representa la
relación entre la constante dieléctrica ***** y la impedancia de
entrada;
la Figura 18 es una vista en perspectiva que
representa una antena montada sobre una placa de circuitos;
la Figura 19 es una vista esquemática que
representa un aparato de comunicaciones que comprende la antena;
la Figura 20(a) es una vista en planta
que representa un ejemplo en el que la antena de la presente
invención está montada sobre una placa de circuitos;
la Figura 20(b) es una vista lateral que
representa el electrodo de alimentación de corriente de la antena
de la Figura 20(a);
la Figura 20(c) es una vista lateral que
representa el electrodo de radiación de la antena de la Figura
20(a);
la Figura 21 es una vista en perspectiva que
representa un ejemplo de antena de montaje en superficie
convencional;
la Figura 22 es una vista que representa un
circuito equivalente de la antena de la Figura 21, y
la Figura 23 es una vista desplegada que
representa el electrodo de radiación de la antena de montaje en
superficie del ejemplo comparativo 1.
Cuando se aplica un electrodo de radiación, un
electrodo de conexión a tierra y un electrodo de alimentación de
corriente, etc. sobre un sustrato, se produce una capacitancia entre
estos electrodos. El incremento de la capacitancia entre el
electrodo de alimentación de corriente y el electrodo de radiación
provoca una reducción de la impedancia de entrada y una
desadaptación de las impedancias. Debido a que la capacitancia
aumenta en proporción con una constante dieléctrica
\varepsilon_{T}, la desadaptación de impedancias llega a ser
notable cuando se utiliza un material de alta constante dieléctrica
\varepsilon_{T} para disminuir la frecuencia de propagación. En
consecuencia, convencionalmente se han venido utilizando sustratos
que presentan una constante dieléctrica \varepsilon_{T} baja de un
valor máximo de alrededor de 4. La presente invención posibilita la
utilización de materiales dieléctricos que presentan una constante
dieléctrica de 6 o superior, preferiblemente de 8 o superior y,
particularmente, de entre 20 y 50 o superior, aunque dichos valores
no deben considerarse restrictivos.
La presente invención se basa en el hecho
tecnológico de que, aunque la utilización de un material de alta
constante dieléctrica como sustrato provoque el incremento de la
capacitancia entre el electrodo de radiación y el electrodo de
alimentación de corriente, dicho incremento de la capacitancia puede
anularse alargando el electrodo de alimentación de corriente para
incrementar su inductancia y adaptar de ese modo las impedancias.
Aunque este tipo de antena convencional presenta un electrodo de
alimentación de corriente con una estructura que sólo proporciona
capacitancia en su circuito equivalente, la presente invención
permite dar al electrodo de alimentación de corriente una forma
capaz de proporcionar capacitancia e inductancia. En particular, el
electrodo de alimentación de corriente adopta una forma de cinta
para facilitar la obtención de la inductancia, y parte del
electrodo de alimentación de corriente está alineado con el
electrodo de radiación y separado de éste por un espacio intermedio,
permitiendo de ese modo el ajuste de la capacitancia. Asimismo, con
el electrodo de alimentación de corriente en forma de cinta que
presenta una parte de alimentación de corriente en un extremo y una
parte de conexión a tierra en el otro extremo, tal como se
representa en la Figura 2, se proporciona un componente paralelo
L_{2} y unos componentes serie L_{i} y C_{i}, con lo cual se
facilita el diseño de adaptación de las impedancias y se reduce el
período de fabricación.
Debido a que la antena de montaje en superficie
puede adoptar diversas formas dependiendo de su uso, las condiciones
de adaptación de impedancias deberán adaptarse ampliamente para
satisfacer esta diversidad. Como se ha descrito anteriormente, el
electrodo de alimentación de corriente según la presente invención
puede considerarse como una combinación de un componente paralelo
L_{2} y unos componentes serie L_{1} y C_{i}. Con este
electrodo de alimentación de corriente, realizado en forma de
zigzag, U rectangular, L o manivela o una combinación de éstas, la
inductancia y la capacitancia pueden establecerse de forma
arbitraria sin ninguna limitación por las condiciones de adaptación
de las impedancias. Por ejemplo, la capacitancia y la inductancia
pueden ser sustancialmente iguales o una puede ser mayor que la
otra. La inductancia varía proporcionalmente con la longitud del
electrodo de alimentación de corriente, y la capacitancia es una
función de las longitudes opuestas del electrodo de alimentación de
corriente y el electrodo de radiación. En consecuencia, cuando la
adaptación de las impedancias se realiza con el electrodo de
alimentación de corriente de la presente invención, en primer lugar,
se determina cuál de los componentes L_{1}, L_{2} y C_{i} del
circuito equivalente debe ser incrementado o reducido y hasta qué
nivel. A continuación, puede determinarse con facilidad la forma del
electrodo de alimentación de corriente que satisface los parámetros
deseados para la adaptación de las impedancias, basándose en el
conocimiento de que L_{1}, L_{2} son proporcionales a la
longitud del electrodo de corriente de alimentación y de que
C_{i} es una función de las longitudes opuestas del electrodo de
corriente de alimentación y el electrodo de radiación.
En la estructura de antena según una forma de
realización de la presente invención, el electrodo de radiación está
situado por lo menos sobre la cara superior del sustrato, uno de los
extremos del electrodo de radiación está conectado a tierra y el
otro es un extremo abierto. Aunque esta estructura de antena se
parece mucho a una antena en forma de F invertida, en la que el
electrodo de corriente de alimentación está conectado al electrodo
de radiación cerca del extremo de conexión a tierra de éste, la
estructura de antena de la presente invención difiere
fundamentalmente de la estructura de F invertida, en la medida en
que el electrodo de radiación presenta un acoplamiento capacitivo
con el electrodo de alimentación de corriente en la presente
invención, debido a que dichos electrodos están separados entre sí.
El electrodo de alimentación de corriente está situado
preferentemente sobre una cara lateral del sustrato, para que no se
produzcan desalineaciones cuando se imprima el electrodo y facilitar
de ese modo la formación de un electrodo con características
estables.
En la presente invención, resulta fácil realizar
la adaptación de las impedancias, estableciendo correctamente la
distancia y la longitud de alineación entre el electrodo de
radiación y el electrodo de alimentación de corriente o la longitud
y la forma de las extremidades del electrodo de alimentación de
corriente. Esto permite seleccionar arbitrariamente el ancho de
banda BW. Debido a que se cumplen las relaciones BW \infty# 1/Q y
Q = R x (C/L)^{1/2}, el control de C o C/L basado en el
grado de acoplamiento capacitivo y la longitud de un electrodo
puede determinar el incremento de BW. Por ejemplo, cuando el
electrodo de alimentación de corriente presenta una parte de
alimentación de corriente situada cerca del extremo abierto del
electrodo de radiación, la parte terminal de radiación puede
considerarse como un inductor, mediante el cual podrá disponerse de
una alta inductancia L. En un diseño de la misma frecuencia de
resonancia, la capacitancia C puede reducirse de conformidad con el
incremento de la inductancia, obteniéndose por resultado un valor Q
más alto e incrementándose, de ese modo, el ancho de banda.
La antena de montaje en superficie de la
presente invención se caracteriza porque el electrodo de conexión a
tierra no ocupa sustancialmente la cara inferior para proporcionar
una excelente omnidireccionalidad. Cuando el electrodo de conexión
a tierra ocupa toda la cara inferior, la antena pierde
omnidireccionalidad, debido al acoplamiento capacitivo con el
electrodo de radiación en la cara superior. En particular, la
proporción entre el área total del electrodo de conexión a tierra
situado en la cara inferior y el área total de la cara inferior es
preferentemente del 30% o inferior y más preferentemente del 20% o
inferior. Asimismo, es preferible que el electrodo de conexión a
tierra no ocupe sustancialmente un área de la cara inferior situada
debajo del electrodo de radiación que se halla en la cara
superior.
Puede disponerse un segundo electrodo de
conexión a tierra opuesto al extremo abierto del electrodo de
radiación y separado de éste por un espacio. En este caso, debido
al fuerte acoplamiento capacitivo con el electrodo de conexión a
tierra opuesto, la disposición del electrodo de alimentación de
corriente cercano tiene una influencia relativamente pequeña. En
consecuencia, para realizar un ajuste general de la frecuencia de
propagación, el ajuste principal se obtiene cambiando el grado de
acoplamiento entre el electrodo de radiación y el segundo electrodo
de conexión a tierra, y el ajuste fino se obtiene cambiando el grado
de acoplamiento entre el electrodo de radiación y el electrodo de
alimentación de corriente.
En la presente invención, la constante
dieléctrica \varepsilon_{T} del sustrato se halla preferentemente
comprendida en el rango de 6 a 50. Esta constante dieléctrica
\varepsilon_{T} se determina teniendo en cuenta el coeficiente de
temperatura del material dieléctrico, la precisión de trabajo del
sustrato, etc. Entonces, un aumento de la calidad del material, la
precisión de trabajo, etc. provocará, como es obvio, un incremento
del límite superior de la constante dieléctrica \varepsilon_{T}.
Un sustrato con dicha constante dieléctrica \varepsilon_{T} puede
ser una cerámica dieléctrica fabricada, por ejemplo, sometiendo a
sinterización un material que comprende el 22% en peso de MgO, el
5,13% en peso de CaCO_{3}, el 48,14% en peso de TiO_{2} y el
24,51% en peso de ZnO. Esta cerámica dieléctrica, que tiene una
constante dieléctrica \varepsilon_{T} de 21, comprende el 36,6% en
moles de MgO, el 3,4% en moles de CaO, el 40% en moles de TiO_{2}
y el 20,0% en moles de ZnO.
Cuando se utiliza un sustrato fabricado en un
material de constante dieléctrica alta, la eficiencia de radiación
del electrodo de radiación se reduce. Para impedir la reducción de
la eficiencia de radiación, se forma un electrodo de radiación y un
electrodo de conexión a tierra que incrementan la radiación hacia el
espacio, o se utiliza un sustrato compuesto de un material de
constante dieléctrica alta y un material de constante dieléctrica
baja.
La Figura 1 es una vista en perspectiva que
representa una antena de montaje en superficie, según un primer
ejemplo utilizado para facilitar la comprensión de la presente
invención. Esta antena 1A comprende un electrodo de radiación 2
situado sobre la cara superior de un sustrato rectangular 1, un
electrodo de conexión a tierra 3 conectado a un extremo del
electrodo de radiación 2 y un electrodo de alimentación de corriente
4 situado en una cara lateral y separado del electrodo de radiación
2 por un espacio predeterminado G1. El otro extremo del electrodo
de radiación 2 es un extremo abierto 20. Aunque la antena 1A
presenta una estructura similar a la de una antena en F invertida,
difiere de ésta porque el electrodo de alimentación de corriente 4
está orientado hacia el electrodo de radiación 2 y separado de éste
por un espacio G1. La cara inferior 1a del sustrato 1 sólo comprende
electrodos de soldadura, y la antena 1A se monta sobre un área de la
placa de circuitos donde el conductor de tierra no está presente.
En consecuencia, la antena 1A presenta omnidireccionalidad con un
diagrama de radiación de campo eléctrico que es sustancialmente
uniforme en cualquier dirección.
El electrodo de alimentación de corriente 4 es
un electrodo en forma de cinta doblada por dos puntos formando un
portal, que presenta una parte 41 opuesta al electrodo de radiación
2 y alineada sustancialmente con el borde 23 de éste. El electrodo
de alimentación de corriente 4 presenta una parte de alimentación de
corriente 43 en un extremo, cuyo punto de alimentación de corriente
40 está conectado a un cable de alimentación de corriente de un
circuito de transmisión/recepción (no representado), y una parte de
conexión a tierra 44 en el otro extremo, cuyo punto de conexión a
tierra 42 está conectado a un conductor de tierra. La parte de
alimentación de corriente 43 y la parte de conexión a tierra 44 del
electrodo de alimentación de corriente 4 generan principalmente
inductancia, mientras que el electrodo de radiación 2 y la parte
alineada 41 generan principalmente capacitancia. En consecuencia,
la antena de montaje en superficie de la presente invención presenta
el circuito equivalente representado en la Figura 2.
La inductancia L_{1}, L_{2} es generada por
las partes de las extremidades 43, 44 del electrodo de alimentación
de corriente 4, mientras que la capacitancia C_{i} es generada
entre el electrodo de radiación 2 y la parte alineada 41 del
electrodo de alimentación de corriente 4. En consecuencia,
modificando correctamente la longitud y la forma de las partes de
las extremidades 43, 44 y la parte alineada 41 para cambiar L_{1},
L_{2} y C_{i}, puede conseguirse que la impedancia de entrada
Z_{in} (observando el electrodo de radiación 2 desde el punto de
alimentación de corriente 40) sea igual a 50 \Omega. Por
consiguiente, una de las características más importantes de la
presente invención es que la adaptación de la impedancias de entrada
puede ser llevada a cabo de forma independiente, no tan sólo
cambiando la capacitancia entre el electrodo de radiación 2 y el
electrodo de alimentación de corriente 4, sino también cambiando la
inductancia del electrodo de alimentación de corriente 4. Debe
tenerse en cuenta que las posiciones del punto de alimentación de
corriente 40 y el punto de conexión a tierra 42 pueden invertirse
lateralmente, siendo esto aplicable a las formas de realización
subsiguientes. No es necesario que la parte alineada 41 esté
alineada con el electrodo de radiación 2 y separada de éste por un
espacio, ni tampoco es necesario que ambos estén situados en
paralelo.
La Figura 3 es una vista en perspectiva que
representa una antena de montaje en superficie según el segundo
ejemplo, la Figura 4 es una vista desplegada de su electrodo de
radiación y la Figura 5 es una vista que representa un circuito
equivalente de esta antena.
La antena de montaje en superficie 1B utilizada
para el servicio GPS comprende un sustrato rectangular 1, un
electrodo de radiación 2 situado encima de la cara superior 1c y la
cara lateral adyacente 1d, un electrodo de conexión a tierra 3
conectado a un extremo del electrodo de radiación 2, y un electrodo
de alimentación de corriente 4 en forma de portal situado sobre el
sustrato 1, que se extiende desde la cara lateral 1b hasta la cara
superior 1c en la dirección longitudinal. El electrodo de
alimentación de corriente 4 puede estar situado sólo sobre la cara
lateral 1b. La disposición y la forma del electrodo de alimentación
de corriente en forma de portal 4 pueden determinarse tomando en
consideración el equilibrio de la adaptación de impedancias y el
incremento de ancho de banda.
El electrodo de radiación 2 adopta una forma que
se extiende desde un extremo del sustrato 1 en la dirección
longitudinal y que decrece en anchura sustancialmente de forma
continua o escalonada. Como se representa en la vista desplegada de
la Figura 4, el electrodo de radiación 2 está constituido por una
parte de electrodo de radiación 21 situada en la cara superior 1c
del sustrato 1, y una parte de electrodo de radiación 22 que se
extiende de forma continua sobre una cara lateral adyacente 1d, y la
parte de electrodo de radiación 22 presenta además una anchura que
decrece ligeramente en dirección a uno de los extremos. Por lo
tanto, es posible inducir una resonancia múltiple formando un
electrodo de radiación 2, cuya anchura decrezca gradualmente no tan
solo sobre la cara superior 1c del sustrato 1, sino también sobre la
cara lateral adyacente 1d del mismo, formando de ese modo una antena
de menor tamaño y mayor omnidireccionalidad.
El electrodo de conexión a tierra 3 puede estar
conectado con el electrodo de radiación 2 mediante un acoplamiento
capacitivo sin contacto. El electrodo de conexión a tierra 3 puede
abarcar las cuatro superficies que rodean una cara terminal 1e del
sustrato 1. El electrodo de conexión a tierra 3 situado en la cara
inferior 1a también actúa como electrodo de soldadura, que se
conecta a un conductor de tierra en la placa de circuitos. El
electrodo de alimentación de corriente 4 también presenta una parte
de electrodo de conexión a tierra 50 en la cara inferior 1a del
sustrato 1, que actúa como electrodo soldado a la placa de
circuitos.
El electrodo de alimentación de corriente 4
adopta una forma de portal (U rectangular) que presenta una anchura
de 1 mm y una longitud equivalente de 10 mm. Las Figuras 6(a)
a (c) representan las diversas formas del electrodo de alimentación
de corriente 4. La Figura 6(a) representa un ejemplo del
electrodo de alimentación de corriente en forma de U rectangular 4,
en cuyas partes de las extremidades laterales se generan
inductancias sustancialmente iguales L_{1}, L_{2}. Las Figuras
6(b) y (c) representan las formas de unas partes de
extremidades laterales que presentan longitudes diferentes, que
constituyen ejemplos del ajuste de la inductancia por medio de la
longitud del conductor. En la Figura 6(b), la parte de la
extremidad del lado derecho presenta una forma zigzagueante, siendo
L_{1} < L_{2}. Asimismo, en la Figura 6(c), la parte
de la extremidad izquierda presenta una forma de manivela, mientras
que la parte de la extremidad derecha presenta una forma
zigzagueante, siendo L_{1} > L_{2}. Cuando se realiza un
ajuste por medio de la inductancia, L_{1} se incrementa para
incrementar la impedancia de entrada, mientras que L_{2} se
incrementa para reducir la impedancia de entrada.
La parte central alineada 41 del electrodo de
alimentación de corriente 4 es una de las características de la
presente invención. Las capacitancias C y C_{i} pueden ajustarse
de forma arbitraria mediante la parte central alineada 41. Es
decir, la capacitancia C_{i} es sustancialmente proporcional a la
longitud W de la parte alineada 41 e inversamente proporcional a la
distancia G_{1} entre la parte alineada 41 y el electrodo de
radiación 2. En consecuencia, cuando C_{i} se incrementa, se
alarga la parte alineada 41 o se reduce la distancia G_{1} entre
la parte alineada 41 y el electrodo de radiación 2. En cambio,
cuando C_{i} se reduce, se adopta la medida contraria. Por lo
tanto, C_{i} puede ajustarse cambiando la longitud W de la parte
alineada 41 y la distancia G_{1} entre la parte alineada 41 y el
electrodo de radiación 2.
El electrodo de radiación 2 adopta una forma
básica en la que la longitud en la dirección perpendicular al flujo
de la corriente de alta frecuencia (la dirección longitudinal del
sustrato 1), es decir su anchura, no es constante, sino que se
reduce gradualmente a medida que se acerca al extremo abierto 20. La
corriente de alta frecuencia suministrada desde una fuente de
alimentación hasta el electrodo de alimentación de corriente 4 se
somete a resonancia, a una frecuencia determinada mediante la
inductancia del electrodo de radiación 2 y la capacitancia generada
entre el electrodo de radiación 2 y la toma de tierra, y se emite al
espacio como energía electromagnética. En este caso, existe un modo
de distribución de corriente cuyo nodo y bucle se hallan en el
electrodo de conexión a tierra 3 y el extremo abierto 20. Cuando el
electrodo de radiación 2 presenta una anchura constante, sólo
existe un modo de distribución de corriente. En cambio, cuando el
electrodo de radiación 2 no presenta una anchura constante, se forma
un circuito de resonancia equivalente en la antena, que posee una
pluralidad de inductancias L_{r1}, L_{r2}, L_{r3},... y de
capacitancias C_{r1}, C_{r2}, C_{r3},..., como el
representado en la Figura 5. Debido a que estos circuitos de
resonancia presentan frecuencias de resonancia considerablemente
cercanas, existe una pluralidad de resonancias equivalentes que
cambian de forma continua y dan por resultado unas características
de resonancia de banda ancha.
La Figura 7 representa una antena de montaje en
superficie según el tercer ejemplo utilizado para facilitar la
comprensión de la presente invención. Dado que se asignan los mismos
símbolos y números de referencia a las partes que son iguales a las
de las figuras anteriores, se omitirá la descripción de éstas. El
electrodo de radiación 24 presenta una forma sustancialmente
trapezoidal que se extiende de un extremo al otro del sustrato 1 en
la dirección longitudinal y se reduce en anchura de forma
sustancialmente continua o escalonada, y el electrodo de
alimentación de corriente 4 está situado sobre el sustrato 1 y se
extiende desde una cara lateral 1b hasta la cara superior 1c.
Debido a que el electrodo de alimentación de corriente 4 adopta la
forma de una U, el espacio entre la parte alineada 41 y el
electrodo de radiación 24 no es constante y la capacitancia es
relativamente pequeña. No es necesario que dicho electrodo de
radiación 24 y dicho electrodo de alimentación de corriente 4 sean
paralelos entre sí, sino que estén parcialmente alineados
solamente.
La Figura 8 representa una antena de montaje en
superficie según el cuarto ejemplo utilizado para facilitar la
comprensión de la presente invención. Dado que se asignan los mismos
símbolos y números de referencia a las partes que son iguales a las
de las figuras anteriores, se omitirá la descripción de éstas. El
electrodo de radiación 25 adopta la forma de una línea microtira,
uno de cuyos extremos está conectado a tierra y el otro 20 es un
extremo abierto. Aunque en cualquiera de los ejemplos anteriores el
electrodo de radiación 2 abarca la longitud completa del sustrato
dieléctrico 1 y la cara superior 1c de éste, la longitud del
electrodo de radiación puede establecerse en 1/4 de la longitud de
onda de la frecuencia deseada, que no es necesariamente la longitud
completa del sustrato 1. El electrodo de radiación 25 es más corto
que el sustrato 1, lo cual permite disponer de un margen de ajuste
para disminuir la frecuencia central de la señal de propagación.
Asimismo, las irregularidades de tamaño, grietas, etc. existentes
en los bordes del sustrato 1 no suponen ningún problema para la
formación del electrodo de radiación 25.
La Figura 9 representa una antena de montaje en
superficie según el quinto ejemplo utilizado para facilitar la
comprensión de la presente invención. Dado que se asignan los mismos
símbolos y números de referencia a las partes que son iguales a las
de las figuras anteriores, se omitirá la descripción de éstas. Un
segundo electrodo de conexión a tierra 5 está situado sobre el
sustrato 1, en una posición opuesta al extremo abierto 20 del
electrodo de radiación 16 y separada de éste por un espacio G2. Esto
permite proporcionar una capacitancia alta y estable entre el
extremo abierto 20 del electrodo de radiación 26 y el conductor de
tierra y proporcionar de ese modo un ajuste general de la
frecuencia. El ajuste fino puede ser realizado mediante la
inductancia y la capacitancia del electrodo de alimentación de
corriente 4.
De conformidad con la capacitancia proporcionada
por medio del espacio G2 comprendido entre el extremo abierto 20 del
electrodo de radiación 26 y el segundo electrodo de conexión a
tierra 5, podrá obtenerse la frecuencia deseada aunque el electrodo
de radiación 26 sea corto, proporcionando una baja inductancia. En
consecuencia, la antena de montaje en superficie que presenta dicha
estructura es adecuada para la miniaturización.
Aunque el electrodo de alimentación de corriente
4 situado sobre el sustrato 1 se extiende desde la cara lateral 1b
hasta la cara superior 1c, puede extenderse sólo por la cara lateral
1b dependiendo de las condiciones. Esto se aplica a cualquiera de
los ejemplos anteriores. Cuando el electrodo de alimentación de
corriente 4 está situado sólo en la cara lateral 1b, no es
necesario prestar atención a la precisión de la junta, etc. durante
la formación del electrodo de alimentación de corriente 4 mediante
impresión serigráfica, etc., reduciéndose de ese modo el número de
etapas, hecho deseable desde el punto de vista de la producción.
Las Figuras 10 a 12 representan antenas de
montaje en superficie según las formas de realización primera a
tercera de la presente invención. Dado que se asignan los mismos
símbolos y números de referencia a las partes que son iguales a las
de las figuras anteriores, se omitirá la descripción de éstas. En
estas formas de realización, cada electrodo de radiación en forma
de cinta 2 está situado encima del sustrato 1 y se extiende desde la
cara lateral 1d hasta la cara superficial 1c.
En la primera forma de realización representada
en la Figura 10, la parte de electrodo en forma de L 27 está situada
en una parte terminal de la cara superior 1c y el electrodo en forma
de L 28 se extiende de manera continua por la cara lateral
adyacente 1d del sustrato 1. El electrodo de alimentación de
corriente 4 adopta la forma de un portal que presenta unas partes
de extremidades 43, 44, cada una de las cuales posee un extremo de
alimentación de corriente, un extremo de conexión a tierra y una
parte central 41 alineada con el electrodo de radiación, situado en
la cara lateral 1b del sustrato 1 cerca del extremo abierto de la
parte del electrodo en forma de L 27.
En la segunda forma de realización representada
en la Figura 11, la parte de electrodo en forma de L 27 está situada
en una parte terminal de la cara superior 1c del sustrato 1, y el
electrodo en forma de L 29 se extiende de forma continua por la
cara lateral adyacente 1d. En la tercera forma de realización
representada en la Figura 12, la parte del electrodo en forma de L
27 está situada en una parte terminal de la cara superior 1c del
sustrato 1, y el electrodo en forma de I 30 se extiende de forma
continua por la cara lateral adyacente 1d. Con respecto a la forma
del electrodo de alimentación de corriente 4, la segunda y la
tercera forma de realización pueden ser sustancialmente iguales a la
primera forma de realización.
Los electrodos 51 son electrodos soldados para
sujetar la antena a la placa de circuitos, y las formas de
realización representadas en las Figuras 11 y 12 comprenden
electrodos adicionales 52 soldados para incrementar la adherencia a
la placa de circuitos. Los electrodos 51, 52 no están conectados al
conductor de tierra de la placa de circuitos. En las formas de
realización representadas en las Figuras 10 a 12, el electrodo de
radiación adopta la forma de una L para una mayor inductancia. En
las formas de realización representadas en la Figura 11, tanto la
parte del electrodo de radiación en forma de L 29 como la parte del
electrodo de alimentación de corriente en forma de portal 4
presentan una parte doblada redondeada. El radio de curvatura R
puede aplicarse sólo al electrodo de radiación. Cuando se
proporciona un sustrato 1 de baja altura, como el representado en
la Figura 12, el electrodo de soldadura 52 puede conectarse
directamente con el electrodo de radiación 30 por medio de un
electrodo de conexión 31 para estabilizar las características de la
antena sin experimentar grandes variaciones.
Cuando la parte del electrodo en forma de L 29
presenta una parte doblada redondeada R como la representada en la
Figura 11, la ganancia de radiación se incrementa. En un electrodo
de radiación convencional que presenta una parte doblada que adopta
sustancialmente una forma de L, U rectangular, zigzag o manivela, la
parte recta y la parte doblada tienen anchuras diferentes y se
conectan en rectángulo. Esto significa que la impedancia cambia de
manera discontinua, provocando la reflexión parcial de la onda de
propagación. En consecuencia, se produce una gran pérdida por
reflexión en la señal de alta frecuencia de entrada, lo cual, a su
vez, determina una reducción de la ganancia. Se ha comprobado que,
cuando la parte doblada se redondea para proporcionar un electrodo
lineal de sustancialmente la misma anchura, es posible evitar la
discontinuidad de la impedancia. También se ha comprobado que el
biselado de la parte doblada resulta efectivo. Si se pudiera
suprimir la pérdida por reflexión de la parte doblada, la pérdida
de transmisión de la corriente de resonancia que fluye a través del
electrodo de radiación de la antena se reduciría y la ganancia se
incrementaría.
Las Figuras 13 y 14 representan antenas de
montaje en superficie según el sexto y el séptimo ejemplo utilizados
para facilitar la comprensión de la presente invención. Dado que se
asignan los mismos símbolos y números de referencia a las partes
que son iguales a las de las figuras anteriores, se omitirá la
descripción de éstas. Estos ejemplos se caracterizan por un
electrodo de radiación 33 y un electrodo de alimentación de
corriente 4. El electrodo de radiación 33 está situado
principalmente en la cara superior 1c del sustrato 1 y, como en el
ejemplo representado en la Figura 3, está constituido por una parte
de electrodo de radiación 33a que se extiende en la dirección
longitudinal desde un extremo conectado a un electrodo de conexión a
tierra 3 hasta el otro extremo y se reduce en anchura
sustancialmente de forma continua o escalonada, y una parte de
electrodo de radiación 33b que se dobla por la parte terminal
izquierda formando una U rectangular o una U normal. Con dicho
electrodo de radiación 33, pueden obtenerse características de
resonancia de banda ancha mediante la parte de electrodo de
radiación 33a que adopta una forma trapezoidal, y la inductancia es
complementada por la parte doblada del electrodo de radiación 33b.
Los electrodos 51, que están soldados para fijar la antena a la
placa de circuitos, tienen el tamaño mínimo.
Existe un espacio de alrededor de 0,2 a 0,5 mm
entre la periferia externa del electrodo de radiación 33 y un borde
del sustrato 1. Con este espacio, la impresión de los electrodos
resulta más fácil y menos propensa a la desalineación. Este espacio
impide también la abrasión de la superficie de los electrodos debido
a la deformación y el agrietamiento de los bordes del sustrato 1,
etc. Impidiendo la desalineación y la abrasión de los electrodos
impresos, será posible suprimir las variaciones de las frecuencias
de propagación. La estructura en la que el electrodo de radiación
33 sólo abarca la cara superior 1c del sustrato 1 presenta un
acoplamiento capacitivo con el conductor de tierra de la placa de
circuitos más débil que el de la estructura en la que el electrodo
de radiación 33 abarca también una cara lateral; en consecuencia, la
primera estructura proporciona una ganancia superior.
Como se representa en la Figura 13, el electrodo
de alimentación de corriente en forma de portal 4 situado en la cara
lateral 1b está orientado hacia el extremo abierto 20 de la parte de
electrodo de radiación 33b. El electrodo de alimentación de
corriente 4 representado en la Figura 14 comprende una parte de
electrodo en forma de L 41 que presenta un extremo de alimentación
de corriente 43 en un extremo y está situado en la cara lateral 1b,
una parte de electrodo en forma de I 42 formada en una cara terminal
1 f y una parte de electrodo en forma de L 45 que presenta un
extremo de conexión a tierra 44 en un extremo y está situado en la
cara lateral 1d. El electrodo de alimentación de corriente en forma
de portal 4 comprende una parte alineada en forma de U rectangular
41 constituida por las partes de electrodo 41, 42, 45 situadas en
las dos caras laterales 1b, 1d y una cara terminal 1f, y la parte
alineada 41 está orientada hacia el electrodo de radiación en forma
de U rectangular 33b. Con dicho electrodo de alimentación de
corriente 4, el acoplamiento capacitivo puede realizarse
sustancialmente en toda la parte en forma de U rectangular del
electrodo de radiación 33, lo cual resultará ventajoso para la
miniaturización de la antena. Asimismo, se puede proporcionar un
espacio más amplio entre el electrodo de alimentación de corriente 4
y el electrodo de radiación 33 para obtener la misma capacitancia y
reducir las variaciones de la capacitancia debidas a la
desalineación de la impresión, etc. y las variaciones de la
frecuencia de propagación.
La Figura 15 representa una antena de montaje en
superficie según un octavo ejemplo utilizado para facilitar la
comprensión de la presente invención. Este ejemplo difiere de las
otras formas de realización y ejemplos en la estructura del
electrodo de alimentación de corriente 4. Es decir, el electrodo de
alimentación de corriente 4 está constituido por una parte de
electrodo en forma de F 41 situada en la cara lateral 1b del
sustrato 1, que presenta un extremo de alimentación de corriente 43,
un extremo de conexión a tierra 44 y unas partes de electrodo
rectas 42, 45 situadas en la cara terminal 1f y la cara lateral 1d.
El electrodo de alimentación de corriente de este ejemplo puede
obtener la adaptación de impedancias e incrementar el ancho de banda
utilizando la resonancia compuesta.
La Figura 16 representa una antena de montaje en
superficie según una cuarta forma de realización de la presente
invención. El electrodo de radiación en forma de cinta 133 está
constituido por una parte de electrodo en forma de manivela 133d
situada en la cara lateral 1d en dirección longitudinal y una parte
de electrodo en forma de L 133c situada en la cara superior 1c, que
adoptan globalmente una forma de portal. La longitud de todo el
electrodo de radiación 133 puede incrementarse, debido a que el
electrodo de radiación 133 se extiende desde la cara superior 1c
del sustrato 1 hasta la cara lateral 1d por medio de un doblez. Como
consecuencia, el sustrato 1 de la antena puede reducirse con el
mismo ancho de banda.
La relación de posiciones de la parte de
alimentación de corriente 143 y la parte de conexión a tierra 144
del electrodo de alimentación de corriente 104 es opuesta a la de
las formas de realización y ejemplos anteriores, estando situado el
punto de alimentación de corriente 140 sustancialmente en el centro
del sustrato, y la parte de alimentación de corriente 143, cerca del
extremo abierto del electrodo de radiación 133. Por lo tanto,
cuando la parte del electrodo en forma de L 133c situada en la cara
superior 1c se proyecta sobre la cara inferior 1a, no se superpone
al electrodo de conexión a tierra 32. Esta disposición proporciona
características de antena muy equilibradas para el servicio GPS,
mayor ancho de banda y buena omnidireccionalidad. El extremo abierto
del electrodo de radiación 133 está cerca de la parte alineada 141
del electrodo de alimentación de corriente 104. Con la parte
alineada ancha 141, es fácil conseguir la adaptación de las
impedancias, dando por resultado una ligera mejora de la
ganancia.
Aunque la parte alineada 141 adopta una forma
rectangular ancha en esta forma de realización, la forma del
electrodo de alimentación de corriente 104 puede cambiarse de
diversas maneras dependiendo de la posición de la antena montada
sobre la placa de circuitos, la disposición del recorrido de los
conductores sobre la placa de circuitos, la estructura del electrodo
de radiación, etc. Aunque las especificaciones de la placa de
circuitos y el electrodo de radiación 133 cambien, la inductancia y
la capacitancia pueden ajustarse correctamente estableciendo la
disposición, la forma, el tamaño, etc. adecuados del electrodo de
alimentación de corriente 104 situado entre el punto de alimentación
de corriente 140 y el punto de conexión a tierra 142, para llevar a
cabo con facilidad la adaptación de las impedancias.
La Figura 17 representa las relaciones entre la
impedancia de entrada Z_{in}, determinada mediante simulación, y
la constante dieléctrica \varepsilon_{T} del sustrato, con
respecto a la antena de montaje en superficie de la Figura 1 y la
antena de montaje en superficie (ejemplo convencional) de la Figura
21. Como puede observarse, el incremento de la capacitancia debido
a la utilización de un sustrato de constante dieléctrica alta puede
ser anulado correctamente mediante la inductancia, permitiendo de
ese modo utilizar un material de constante dieléctrica alta
\varepsilon_{T} de un valor máximo de alrededor de 50. Por lo
tanto, es posible utilizar un material dieléctrico que presente una
constante dieléctrica \varepsilon_{T} 5 veces más alta o más
(alrededor de 4 veces) que la constante de los materiales
dieléctricos convencionales, lo cual resulta efectivo en la
miniaturización de la antena. Si se pudieran conseguir materiales
dieléctricos estables en una zona de altas temperaturas o si se
pudieran proporcionar técnicas de trabajo mejoradas, el límite
superior de la impedancia de entrada Z_{in} se incrementaría
todavía más. Además, es de esperar que, si se pudieran conseguir
materiales compuestos de materiales de constante dieléctrica alta y
materiales de constante dieléctrica baja, el límite superior también
se incrementaría.
La Figura 18 representa la antena 1B de la
Figura 3 montada sobre una placa de circuitos 6. En la Figura 18 se
omiten otras partes diferentes que la antena. La antena 1B se
dispone en un área expuesta 65 de la placa de circuitos 6 donde el
conductor de tierra no está presente, de tal forma que queda
alineada con un borde 63 del conductor de tierra 62 en la dirección
longitudinal y separada de éste por un pequeño espacio. En este
caso, el electrodo de alimentación de corriente 4 está situado en el
lado del conductor de tierra 62, y el extremo abierto 20 del
electrodo de radiación 2 está situado en una posición alejada del
conductor de tierra 62. Uno de los extremos del electrodo de
alimentación de corriente en forma de portal 4 está conectado a un
cable de alimentación de corriente 61 y el otro extremo del
electrodo de alimentación de corriente en forma de portal 4 está
conectado al conductor de tierra 62. Con esta estructura, la señal
de alta frecuencia suministrada desde una fuente de alimentación 60
es enviada al electrodo de alimentación de corriente 4 por medio del
cable de alimentación de corriente 61, y la corriente de la señal
se divide en una corriente que fluye desde el extremo de
alimentación de corriente 40 hasta el electrodo de radiación 2 por
medio de la parte alineada 41, y una corriente que fluye hasta el
conductor de tierra 62 por medio del extremo de conexión a tierra
42, obteniéndose de ese modo la adaptación de las impedancias y la
excitación del electrodo de radiación 2. Como consecuencia de lo
anterior, las ondas electromagnéticas se emiten al espacio desde el
extremo abierto 20 del electrodo de radiación 2.
La mayoría de antenas convencionales se disponen
perpendicularmente a un borde del conductor de tierra 62. En este
caso, se dispone de un gran espacio muerto en la placa de circuitos,
hecho que determina inevitablemente poca libertad en el diseño. No
obstante, si en la placa de circuitos la antena se dispone en
paralelo con un borde del conductor de tierra 62 y ligeramente
separada de éste, el área (incluido el espacio muerto)
sustancialmente ocupada por la antena se reducirá drásticamente,
permitiendo una mayor libertad y densidad de diseño de montaje y
reduciendo, por lo tanto, el espacio para el aparato de antena.
La disposición lateral de la parte de
alimentación de corriente 43 y la parte de conexión a tierra 44 del
electrodo de alimentación de corriente 4 puede cambiarse dependiendo
de la disposición del cable de alimentación de corriente 61 y el
conductor de tierra 62 sobre la placa 6, aunque es necesario que por
lo menos el electrodo de alimentación de corriente 4 esté situado en
el lado del cable de alimentación de corriente 61, y que el
conductor de tierra 62 y el sustrato de la antena 1 estén situados
en paralelo entre sí en la dirección longitudinal, para obtener los
beneficios de la presente invención con una pequeña área ocupada.
Para que la antena sea omnidireccional, ésta debe montarse
preferentemente en un área expuesta 65 sin presencia del conductor
de tierra 62.
Si se ensambla en un teléfono celular, un
ordenador personal, etc., representados esquemáticamente en la
Figura 19, la antena montada de esta manera sobre la placa de
circuitos 6, ésta puede ser utilizada como un aparato de
comunicaciones provisto de las funciones del sistema GPS y una LAN
inalámbrica.
La Figura 20 representa un ejemplo en el que la
antena representada en la Figura 16 se monta sobre una placa de
circuitos 6 distinta de la representada en la Figura 18. Se asignan
los mismos números de referencia a las mismas partes que la Figura
18. La antena IL se dispone sobre un área expuesta 65 de la placa de
circuitos 6 que carece del conductor de tierra 62, de tal forma que
el sustrato de la antena 1 queda alineado con el borde 63 del
conductor de tierra 62 y separado de éste por un pequeño
espacio.
El electrodo de alimentación de corriente 4 está
situado en la cara lateral 1b del sustrato 1 en el lado del
conductor de tierra 62, con el extremo de alimentación de corriente
140 del electrodo de alimentación de corriente 104 conectado al
cable de alimentación de corriente 61 y el extremo de conexión a
tierra 142 conectado al conductor de tierra 62. Una parte del
electrodo de conexión a tierra 32 conectado al electrodo de
radiación 133, que está situada cerca de una esquina de la placa de
circuitos 6, está conectada al conductor de tierra 62 de la placa de
circuitos 6 por medio de un electrodo lineal 66. El electrodo lineal
66 actúa como una inductancia, facilitando la miniaturización del
sustrato 1 de la antena. Para el mismo sustrato 1, el ancho de banda
puede ampliarse utilizando un material de constante dieléctrica
inferior Se proporcionan áreas metálicas 51' y 53' para sujetar el
sustrato 1 de la antena a la placa de circuitos 6 mediante
soldadura.
Con respecto al ejemplo 2 representado en la
Figura 3, el ejemplo 7 representado en la Figura 11 y el ejemplo 12
representado en la Figura 16, se han realizado comprobaciones de las
características de las antenas. Asimismo, para comprobar las
características de la antena, se ha utilizado como ejemplo
comparativo 1 una antena igual a la representada en la Figura 3,
excepto porque la parte del electrodo de radiación 2 adopta una
forma de zigzag como la representada en la Figura 23. El sustrato de
la antena está constituido por una cerámica dieléctrica con una
constante dieléctrica \varepsilon_{T} igual a 21. Las dimensiones
del sustrato son: 15 mm de largo x 3 mm de ancho x 3 mm de grueso en
el ejemplo 2 y el ejemplo comparativo 1, y 10 mm de largo x 3 mm de
ancho x 2 mm de grueso en los ejemplos 7 y 12. Con una frecuencia
de propagación cuyo valor central se halla en 1,575 GHz \pm 1 MHz,
se ha medido el ancho de banda BW (MHz), la ganancia media (dBi) y
la direccionalidad a una relación de onda estacionaria (VSWR) de
2.
Con el terminal de alimentación de corriente
situado en una parte terminal de la placa de montaje de la antena
conectado a un terminal de entrada del analizador de red por medio
de un cable coaxial (impedancia característica: 50 \Omega), se ha
medido el parámetro de distribución de la antena en el terminal de
alimentación de corriente observado desde el analizador de red. La
VSWR se ha calculado a partir de los valores resultantes de la
medición. La ganancia se ha medido conectando un generador de
señales al terminal de alimentación de corriente de la antena que
se desea comprobar (lado de transmisión) en una cámara anecoica, y
recibiendo la energía eléctrica emitida desde la antena que se desea
comprobar a través de una antena receptora de referencia. La
ganancia Ga de la antena que se va a comprobar se expresa mediante
la ecuación Ga = Gr x Pa/Pr, siendo Pa la energía eléctrica
recibida desde la antena que se va a comprobar, y Pr la energía
eléctrica recibida medida por una antena transmisora de referencia
que presenta una ganancia Gr conocida. Con respecto a la
direccionalidad, la antena que se va a comprobar se sitúa en una
mesa giratoria y se hace girar alrededor de los ejes X, Y y Z,
respectivamente, como se indica en la Figura 18, para medir la
ganancia en cada ángulo de rotación. Además, teniendo en cuenta que
la antena se monta en un aparato de comunicaciones tal como un
teléfono celular, etc., como se representa en la Figura 19, se ha
estudiado la dependencia con el metal de las características de la
antena. Los resultados de la medición se representan en la Tabla
1.
A partir de los resultados anteriores, es
evidente que la antena del ejemplo 2 y las formas de realización 2 y
4 permiten adaptar las impedancias con facilidad, a pesar de que el
sustrato posee una constante dieléctrica relativamente alta.
Aunque las antenas del ejemplo 2 y la forma de realización 2
presentan un ancho de banda ligeramente inferior al del ejemplo
comparativo 1, éstas presentan una alta ganancia de radiación y
características estables y sólo experimentan una pequeña reducción
de la ganancia con la aproximación de un metal. Las antenas de las
formas de realización 2 y 4 presentan un buen ancho de banda y
ganancia, aunque el tamaño del sustrato es pequeño (alrededor de
2/3). Con respecto a la omnidireccionalidad, tres de las antenas
anteriores tienen una ganancia sustancialmente cercana a la de un
círculo en tres ejes, lo cual indica que carecen de direccionalidad
y, por lo tanto, presentan características omnidireccionales. A
partir de lo anterior, es evidente que la antena de la forma de
realización 2 y, particularmente, la antena de la forma de
realización 4 presentan una combinación bien equilibrada de ancho de
banda, ganancia de radiación, direccionalidad y dependencia con el
metal. Parece ser que el motivo por el cual la antena del ejemplo
comparativo 1 presenta una baja ganancia de radiación radica en el
hecho de que, debido a la dificultad para realizar la adaptación de
las impedancias, el electrodo de radiación adopta una forma de
zigzag para incrementar la inductancia de adaptación.
Por lo tanto, es evidente que, utilizando un
electrodo de radiación con la forma representada en las Figuras 10 a
16, podrá fabricarse una antena de tamaño pequeño de 10 mm de largo
o menos, alrededor de 3 mm de ancho o menos y alrededor de 2 mm de
grueso o menos.
La forma del sustrato de la antena no está
limitada a un cuerpo sólido rectangular, sino que puede ser
cualquier forma adecuada, pudiéndose utilizar un cuerpo o laminado
magnético o un cuerpo o laminado de resina. Asimismo, para ampliar
el ancho de banda y ajustar la frecuencia, resulta efectivo recortar
la parte alineada 23a o el sustrato 1 cerca del extremo del
electrodo de radiación 2.
Aunque el electrodo de radiación puede adoptar
diversas formas, tales como una forma trapezoidal, una forma
escalonada, una forma curva, una forma zigzagueante, una forma
parcialmente zigzagueante, una forma de manivela, etc., es deseable
que el electrodo de radiación presente una forma cuya anchura se
estrecha sustancialmente de forma continua o escalonada en la
dirección longitudinal. No es necesario que uno de los extremos del
electrodo de radiación esté conectado de forma continua al
electrodo de conexión a tierra, sino que puede unirse a éste
mediante un acoplamiento capacitivo discontinuo.
Es de esperar que, cuando la antena de la
presente invención se monte sobre un área de la placa de circuitos
que carece del conductor de tierra, se obtengan las características
máximas de la antena; en cambio, es de esperar que, cuando ésta se
monte sobre un área en la que está presente el conductor de tierra,
se pierdan parte de las características de la antena. Las
estructuras de las antenas de los ejemplos y las formas de
realización anteriores pueden combinarse, siendo posible realizar
diversas modificaciones a las mismas dentro del alcance de la
presente invención.
Como se ha descrito anteriormente, según la
presente invención, la adaptación de impedancias resulta fácil
particularmente cuando se utiliza un material de constante
dieléctrica alta para el sustrato, que proporciona una antena de
montaje en superficie pequeña, de poco peso, de alta ganancia y
omnidireccional. La antena de montaje en superficie de la presente
invención, utilizada para el servicio GPS, la red LAN inalámbrica,
etc., funciona como un aparato de comunicaciones que presenta por
completo todas sus características.
Claims (4)
1. Antena de montaje en superficie que
comprende:
un sustrato rectangular (1) que comprende una
cara superior, una cara inferior y unas caras laterales, y está
constituido por un material dieléctrico o magnético,
un electrodo de radiación en forma de cinta (2,
133) situado encima de dicho sustrato,
un electrodo de conexión a tierra (32) situado
encima de dicho sustrato, que presenta una conexión directa o un
acoplamiento capacitivo con uno de los extremos de dicho electrodo
de radiación, y
un electrodo de alimentación de corriente (4,
104) que comprende una parte de alimentación de corriente (43, 143)
y una parte de conexión a tierra (44, 144), cada una de las cuales
se extiende sustancialmente en la dirección vertical sobre una cara
lateral longitudinal (1b) de dicho sustrato, y una parte alineada
(41, 141) que se extiende entre dicha parte de alimentación de
corriente y dicha parte de conexión a tierra,
caracterizada porque:
el área de dicho electrodo de conexión a tierra
(32) situada en la cara inferior (1a) de dicho sustrato es el 30% o
menos de dicha cara inferior,
el conjunto del electrodo de radiación (2, 133)
presenta una forma de cinta que comprende una parte de electrodo
(28, 29, 30, 133d) situada en la otra cara lateral longitudinal (1d)
de dicho sustrato y conectada a una parte de electrodo en forma de L
(27, 133c) situada en la cara superior (1c) de dicho sustrato,
dicha parte alineada (41, 141) se extiende entre
dicha parte de alimentación de corriente (43, 143) y dicha parte de
conexión a tierra (44, 144) sustancialmente en paralelo con una
parte de dicha parte de electrodo en forma de L (27, 133c), y dicho
electrodo de alimentación de corriente (4, 104) está separado de
dicho electrodo de radiación (2, 133) por un espacio comprendido
entre dicha parte alineada (41, 141) y dicha parte de electrodo en
forma de L (27, 133c), y, de ese modo, la forma y la relación de
posiciones de dicho electrodo de alimentación de corriente (4, 104)
y dicho electrodo de radiación (2, 133) proporcionan una
capacitancia y una inductancia ajustadas para la adaptación de las
impedancias.
2. Antena según la reivindicación 1, en la
que dicha parte de alimentación de corriente (143) está situada
cerca de un extremo abierto de dicho electrodo de radiación (133),
mientras que dicha parte de conexión a tierra (144) está situada
cerca de un extremo del sustrato (1) que está opuesto a dicho
electrodo de conexión a tierra (32).
3. Aparato de comunicaciones que comprende
una antena según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
montada sobre un área (65) de una placa de circuitos (6) donde no
está presente el conductor de tierra (62), en el que dicho sustrato
(1) con dicho electrodo de radiación (133) que se extiende en la
dirección longitudinal está alineado con uno de los bordes de dicho
conector de tierra y separado de éste por un espacio, y dicho
electrodo de alimentación de corriente (104) está dispuesto sobre
dicha antena en la cara orientada hacia dicho conductor de
tierra.
4. Aparato según la reivindicación 3, en el
que dicho electrodo de conexión a tierra (32) está dispuesto sobre
dicha antena en la cara opuesta al conductor de tierra (62), cerca
de una de las esquinas de dicha placa de circuitos (6), y está
conectado a un conductor de dicha placa de circuitos mediante un
conductor lineal (66).
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