ES2289329T3 - Antena de ramales. - Google Patents
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Abstract
Antena que incluye una serie de ramales radiantes Antena que incluye una serie de ramales radiantes (210, 220, 230, 240), estando cada uno de los rama(210, 220, 230, 240), estando cada uno de los ramales radiantes (210, 220, 230, 240) alimentado por les radiantes (210, 220, 230, 240) alimentado por un mismo hilo conductor (100) e incluyendo tambiénun mismo hilo conductor (100) e incluyendo también un plano conductor (300) paralelo a un plano prin un plano conductor (300) paralelo a un plano principal geométrico que incluye los ramales radiantescipal geométrico que incluye los ramales radiantes (210, 220, 230, 240), formando dicho plano conduc (210, 220, 230, 240), formando dicho plano conductor (300) el plano de masa de la antena, caracteritor (300) el plano de masa de la antena, caracterizada porque la antena es una antena de tipo impreszada porque la antena es una antena de tipo impreso en la cual el conjunto de los ramales radiantes o en la cual el conjunto de los ramales radiantes (210, 220, 230, 240) está situado en el mismo plan(210, 220, 230, 240) está situado en el mismo plano principal, describiendo cada uno de los ramales o principal, describiendo cada uno de los ramales radiantes (210, 220, 230, 240) un segmento inicialradiantes (210, 220, 230, 240) un segmento inicial que es radial con respecto a un eje geométrico (X que es radial con respecto a un eje geométrico (X) perpendicular al plano principal, y después cada) perpendicular al plano principal, y después cada uno de los ramales radiantes (210, 220, 230, 240) uno de los ramales radiantes (210, 220, 230, 240) se prolonga según un arco de círculo centrado sob se prolonga según un arco de círculo centrado sobre este eje geométrico describiendo después de nuere este eje geométrico describiendo después de nuevo un segmento sensiblemente radial dirigido en divo un segmento sensiblemente radial dirigido en dirección al eje geométrico (X) corriendo a lolargo rección al eje geométrico (X) corriendo a lo largoasí de un segmento radial del ramal próximo sin to así de un segmento radial del ramal próximo sin tcarlo. ocarlo.
Description
Antena de ramales.
La presente invención se refiere a las antenas
de polarización circular, y más precisamente a las antenas que
presentan un diagrama de radiación de revolución alrededor de un eje
y que presentan un máximo de radiación en el plano perpendicular a
la dirección de este eje.
La invención se refiere más específicamente a
las antenas en tecnología aplicada (patch).
El concepto de antena impresa (o antena
"patch" o antena "microstrip") a aparecido desde 1953 con
DESCHAMPS [1], y las primeras realizaciones han sido efectuadas en
los años 70 por HOWELL y NUNSON [2].
Las antenas aplicadas o impresas agrupan el
conjunto de las aéreas realizadas según una tecnología que consiste
en colocar un hilo conductor metálico encima de un plano de masa.
Este hilo conductor metálico constituye el elemento radiante de la
antena y es de dimensiones reducidas y puede ser de forma
arbitraria. En la práctica, es a menudo de geometría simple tal
como un cuadrado, un rectángulo, un disco o un aro.
Este tipo de antena posee las ventajas de las
líneas microcintas: pequeña masa y volumen reducido, estructuras
planares que pueden ser conformadas, posibilidad de fabricación en
gran serie que permite así una producción de bajo coste.
Esta tecnología ha visto por tanto amplias
aplicaciones en los campos tales como la aeronáutica, la espacial,
las telecomunicaciones para el gran público (antenas de teléfonos
portátiles), ...
La tecnología de antenas aplicadas o
"patch" está muy ampliamente difundida a través de obras de
referencia internacional; [5], [6] y [7].
Se conoce por otra parte por el documento
US-A-2 521 550 una antena filar que
incluye una serie de ramales situados sensiblemente en un mismo
plano principal, estando cada uno de los ramales alimentado por un
mismo hilo conductor y describiendo un segmento inicial que es
radial con respecto a un eje geométrico perpendicular al plano
principal, prolongándose después cada uno de los ramales según un
arco de círculo centrado sobre este geométrico y describiendo
después de nuevo un segmento sensiblemente radial dirigido en
dirección al eje geométrico, corriendo así a lo largo de un
segmento radial del ramal próximo sin tocarlo.
El documento EP 0 5120 876 describe una antena
según el preámbulo de la reivindicación 1.
El objetivo de la invención es mejorar las
antenas existentes y proponer una antena que sea simple de
realización, y de dimensión reducida, proporcionando al mismo
tiempo una polarización circular natural que sea particularmente
neta.
Este objetivo se alcanza según la invención
gracias a una antena según la reivindicación 1.
Otras características, objetivos y ventajas de
la invención aparecerán con la lectura de la descripción detallada
que sigue, dada con referencia la figura única adjunta, que
representa en perspectiva, en forma de una estructura explosionada
y desarrollada en volumen para mayor claridad, una antena según una
variante preferida de la invención.
En esta figura, la antena está constituida por
tres elementos principales, a saber un hilo de alimentación rígido
y rectilíneo 100, un conjunto 200 de cuatro ramales radiantes, y un
plano de masa 300. Los cuatro ramales, referenciados 210, 220, 230
y 240, están situados en un plano perpendicular al eje del hilo 100,
y el plano de masa 300 está dispuesto paralelamente al plano
principal de los ramales. La forma general delimitada por los
ramales así como el plano de masa 300 están ambos centrados
geométricamente sobre el hilo de alimentación 100.
El hilo 100 define por tanto aquí un eje
principal de simetría X de la antena.
Cada ramal 210, 220, 230, 240 está
eléctricamente conectado al hilo 100. A partir del hilo de
alimentación 100 de cada ramal presenta una forma semejante a la
del ramal 210, que se describirá ahora. El ramal 210 describe en
primer lugar un segmento inicial 212 que es aquí estrictamente
radial y que termina a distancia del eje X por un codo 213, codo
213 que inicia entonces la parte en arco del círculo 214 del ramal
considerado 210.
Esta parte o segmento en arco de círculo 214
describe aquí un ángulo de 90º alrededor del eje, para terminar de
nuevo por un codo 215 en ángulo recto. Este segundo codo 215 inicia
entonces un segmento terminal 216 del ramal considerado dirigido
hacia el eje de simetría X, parándose en la proximidad del eje 100
sin tocarlo.
Cada uno de los ramales presenta la misma
configuración, girando la parte en arco de círculo alrededor del
eje 100 en un mismo sentido (trigonométrico o inverso
trigonométrico) para cada ramal. Cada ramal gira aquí en el sentido
inverso trigonométrico con respecto aleje X.
El conjunto de los ramales define por su
contorno una forma circular separada en cuatro arcos de 90º. Cada
uno de los ramales describe, por sus dos segmentos rectilíneos y su
segmento en arco de círculo, el contorno de un cuadrante que
constituye el cuarto de un disco.
Estos cuadrantes están directamente uno al lado
del otro y, teniendo los ramales todos el mismo sentido inverso
trigonométrico, cada segmento radial que está conectado al hilo
central está bordeado por un segmento radial, que no está conectado
al hilo de alimentación 100.
Así, no solamente el conjunto de los cuatro
ramales 210 a 240 define una configuración general circular
alrededor de este eje geométrico X, si no que cada uno de estos
ramales describe además dos segmentos sensiblemente radiales,
situados a 90º uno del otro, y que corren a lo largo cada uno de un
segmento próximo que pertenece a un ramal próximo. Así, el conjunto
de los ramales 210, 220, 230, 240 forma cuatro pares de segmentos
paralelos y radiales, perteneciendo cada segmento considerado de un
par a un ramal diferente. Estos pares de los segmentos paralelos
están presentes cada 90º alrededor del eje de simetría de la
antena.
El hilo de alimentación 100 es aquí un hilo
rectilíneo que se para en el centro de los ramales, y no se prolonga
más allá del plano de estos últimos.
Este hilo de alimentación 100 está constituido
por el conductor central de un cable coaxial. La armadura exterior
150 de este cable coaxial se para, a su vez, mucho antes del
conductor interno del cable coaxial.
La armadura externa coaxial 150 está en conexión
eléctrica con el plano de masa 300, que forma un disco conductor
del mismo diámetro que el círculo de los ramales y paralelo a este
último. Este disco macizo 300 se encuentra en una distancia de los
ramales que es del orden del diámetro del círculo que describen
estos ramales.
La armadura externa del cable coaxial lo conecta
a un potencial diferente del que alimenta los ramales.
Así, los dos conductores 100 y 150 del cable
coaxial están conectados a los bornes de una fuente eléctrica, no
representada en este caso, que se encuentra más allá del plano de
masa 300, en la parte opuesta de los ramales. El plano de masa 300
se encuentra por tanto entre esta fuente y el plano de los
ramales.
La fuente de alimentación no representada puede
estar realizada por ejemplo con la ayuda de un circuito de
tecnología planar impreso, pudiendo una alimentación según esta
tecnología en una variante ser colocada en cualquier punto de la
antena, por ejemplo en el plano de los ramales o sobre el plano de
masa 300.
El eje mecánico constituido por el hilo de
alimentación 100 es también el eje de simetría del diagrama de
radiación. Un máximo de radiación es emitido sobre el horizonte, es
decir axialmente alrededor del hilo 100 y en la dirección del plano
de los ramales, mientras que un mínimo de radiación está presente en
la dirección definida por el eje de simetría.
En una banda de frecuencia relativa bastante
ancha (>10%), la antena genera una polarización circular natural.
En efecto, sobre esta banda de frecuencia, la parte central de la
antena, y en particular el hilo vertical de alimentación 100 de la
antena, genera una componente del campo electromagnético polarizada
verticalmente que tiene un máximo en el horizonte.
La parte periférica en forma de círculo de la
antena genera a su vez una componente del campo electromagnético
polarizada horizontalmente que tiene también un máximo en el
horizonte.
La ganancia obtenida con esta antena es
típicamente de 2 dB para unos ángulos de elevación comprendidos
entre 0º y 60º.
La geometría de la antena permite además obtener
un desfasaje de 90º entre estas dos componentes radiadas y una misma
amplitud para cada una de ellas.
Una polarización circular se obtiene por tanto
con un máximo dirigido al horizonte. El sentido del arrollado de
los ramales fija la polarización principal. Así, el sentido de
arrollado inverso trigonométrico tal como el presentado aquí
implica una polarización circular derecha.
Cada ramal tiene una longitud del orden de una
semilongitud de onda a la frecuencia de trabajo, es decir del orden
de una semilongitud de onda a la frecuencia privilegiada para esta
antena.
A fin de ensanchar la banda de las frecuencias
de funcionamiento, unos ramales suplementarios pueden ser
superpuestos a los cuatro ramales iniciales. Estos ramales
suplementarios pueden estar conectados eléctricamente o no a los
ramales iniciales y pueden ser de la misma dimensión o no que los
ramales iniciales.
Un funcionamiento en modo multifrecuencia es
también posible, o bien por medio del apilamiento de varios
conjuntos de ramales tal como el descrito aquí, preferentemente
según unos planos paralelos y superpuestos y de diámetros
diferentes, o bien por medio de un multiplexador conectado a un
conjunto de ramales coplanarios.
El espesor total de la antena propuesta es
pequeño frente a la longitud de onda (típicamente del orden de
0,04\lambda), lo que la hace compacta.
La antena presentada aquí es muy compacta puesto
que sus ramales están plegados.
El diámetro exterior del círculo compuesto por
los cuatro ramales radiantes es del orden de 0,25\lambda, en el
que \lambda es la longitud de onda de trabajo privilegiada para
esta antena.
Un diámetro tan pequeño permite un volumen
reducido de la antena con respecto a la longitud de onda.
Los diferentes elementos de esta antena pueden
estar realizados en metal.
La masa de esta antena, ya pequeña, puede, por
la elección de un material adecuado, ser aún más pequeña.
La alimentación de la antena se realiza por un
hilo único y ningún circuito de desfasaje adicional es necesario
para su funcionamiento, lo que hace de ella una estructura simple de
realizar tanto a nivel eléctrico, como a nivel mecánico.
Esta antena y en particular el conjunto de los
ramales, es fácilmente realizable en tecnología aplicada, es decir
por ejemplo realizando el conjunto de los ramales en forma de un
circuito impreso sobre una película sustrato.
Más generalmente, la antena según la invención
es fácilmente realizada en producción de serie.
[1] G.A. DESCHAMPS "Microstrip
microwave antennas".3 rd USAF -Symposium on Antennas
-1953.
[2] J.Q. HOWELL "Microstrip
antennas" I.E.E.E. Transactions on Antennas and
Propagation -Vol. AP-22 - páginas.
90-93 - enero 1975.
[3] Howell, J.Q.",Microstrip
Antennas", IEEE AP-S Int. Symp. Digest,
1972, páginas. 177-180.
[4] Munson, R.E.",Conformal Microstrip
Antennas and Microstrip Phased Arrays", IEEE Trans. on
Antennas and Propagation,- Vol. AP-22,
1974, páginas. 74-78.
[5] JR James & PS Hall
"Handbook of MICROSTRIP ANTENNAS" 1989.
[6] lJ Bahl & P. Bhartia
"Microstrip Antennas" 1980.
[7] J.R JAMES -P. S. HALL -C. WOOD
"Microstrip antenna theory and design".
Claims (10)
1. Antena que incluye una serie de ramales
radiantes (210, 220, 230, 240), estando cada uno de los ramales
radiantes (210, 220, 230, 240) alimentado por un mismo hilo
conductor (100) e incluyendo también un plano conductor (300)
paralelo a un plano principal geométrico que incluye los ramales
radiantes (210, 220, 230, 240), formando dicho plano conductor
(300) el plano de masa de la antena, caracterizada porque la
antena es una antena de tipo impreso en la cual el conjunto de los
ramales radiantes (210, 220, 230, 240) está situado en el mismo
plano principal, describiendo cada uno de los ramales radiantes
(210, 220, 230, 240) un segmento inicial que es radial con respecto
a un eje geométrico (X) perpendicular al plano principal, y después
cada uno de los ramales radiantes (210, 220, 230, 240) se prolonga
según un arco de círculo centrado sobre este eje geométrico
describiendo después de nuevo un segmento sensiblemente radial
dirigido en dirección al eje geométrico (X) corriendo a lo largo
así de un segmento radial del ramal próximo sin tocarlo.
2. Antena según la reivindicación 1,
caracterizada porque el hilo de alimentación (100) de los
ramales (210, 220, 230, 240) está constituido por un hilo rígido
rectilíneo (100) confundido con el eje geométrico (X).
3. Antena según cualquiera de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque cada ramal (210,
220, 230, 240) describe un arco de círculo (214), según un mismo
sentido de rotación alrededor del eje (X), de manera que para cada
ramal (210, 220, 230, 240) considerado, el segmento radial extremo
(216) de este ramal (210, 220, 230, 240) bordea un segmento radial
inicial (222) de un ramal próximo.
4. Antena según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el conjunto
de los ramales (210, 220, 230, 240) describe un contorno circular
de diámetro sensiblemente igual a \lambda/4 donde \lambda es la
longitud de onda de trabajo privilegiada de la antena.
5. Antena según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el hilo de
alimentación (100) está constituido por el conductor central (100)
de un conductor coaxial, y porque el plano de masa (300) es
alimentado por la armadura externa (150) de este conductor
coaxial.
6. Antena según la reivindicación 5,
caracterizada porque el conductor central (100) del cable
coaxial presenta su extremo en contacto con los ramales (210, 220,
230, 240) y la armadura externa (150) presenta su extremo en
contacto con el plano de masa (300).
7. Antena según cualquiera de las
reivindicaciones 5 a 6, caracterizada porque el plano de masa
(300) forma un disco macizo de diámetro sensiblemente igual al
diámetro de la forma descrita por el conjunto de los ramales (210,
220, 230, 240).
8. Antena según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los ramales
están en número de cuatro, describiendo cada uno por su porción
circular un arco de círculo (214) que describe un ángulo de
aproximadamente 90º.
9. Antena según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque presenta
varias series de ramales (210, 220, 230, 240), estando cada serie
formada por unos ramales coplanarios en un plano principal
particular, describiendo cada una de estas series de ramales (210,
220, 230, 240) una forma general de disco, y estando estos discos
superpuestos en recubrimiento unos de los otros siendo de diámetros
diferentes.
10. Antena según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque varias
series de ramales (210, 220, 230, 240) de diámetros sensiblemente
iguales o diferentes, estando los ramales conectados entre si o no,
están dispuestos en apilamiento.
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