ES2351191T3 - Antena de banda ancha de pequeña altura de perfil. - Google Patents
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Abstract
Antena que comprende una superficie radiante (1) y una superficie de base (2) metálica, en que entre la superficie radiante (1) y la superficie de base (2) están conectados uno o más componentes discretos (3) y en que la superficie radiante (1) tiene una primera zona, en la que la superficie radiante (1) tiene un estrechamiento en lo referente a su anchura B y en lo referente a su altura H respecto a la superficie de base (2), caracterizada porque dentro de los límites de la superficie radiante (1) está realizada una ranura (11) perpendicularmente a la extensión longitudinal L de la superficie radiante (1), en que la ranura (11) está puenteada por una o más inductancias discretas.
Description
Antena de banda ancha de pequeña altura de
perfil.
La invención se refiere a una antena que
comprende una superficie radiante y una superficie de base.
Las antenas planas, también denominadas antenas
patch, se caracterizan por un peso pequeño y por una sección
transversal pequeña, lo que las hace de fácil manejo y les confiere
un campo de aplicación amplio.
Las antenas planas conocidas constan de una tira
metálica, que está dispuesta a una distancia predeterminable
paralelamente a una superficie de base metálica. Entre la tira y la
superficie de base se encuentra la mayoría de las veces un
dieléctrico homogéneo. La longitud de la tira metálica se escoge de
tal modo que la longitud eléctrica de la conducción que forma la
tira con la superficie de base tiene un valor de aproximadamente
media longitud de onda (en el dieléctrico). La anchura de la
superficie metálica determina esencialmente la impedancia de la
antena, la distancia de la tira a la superficie de base determina
esencialmente la anchura de banda. Esta distancia es al mismo tiempo
la altura de perfil de la antena plana. Habitualmente, la altura de
perfil está entre un veinteavo y un quinto de la longitud de onda
en el vacío para el centro de la banda, teniendo una altura de
perfil mayor una anchura de banda más alta como consecuencia.
Una desventaja de las antenas planas es la
pequeña anchura de banda. Para aumentar la anchura de banda se
escoge por ejemplo la forma de la tira metálica de tal modo que las
frecuencias de resonancia de dos o más modos de oscilación de la
antena tienen una distancia entre frecuencias relativamente pequeña.
A través de ello pueden conseguirse relaciones de anchura de banda
de hasta 1,6:1. La relación de anchura de banda se define como la
relación entre el limite superior de frecuencia y el límite inferior
de frecuencia. Tales antenas planas son conocidas por ejemplo a
partir del documento EP 0 989 628 B1 y del documento WO 2004/021514
A1.
En la antena plana del documento EP 0 989 628
B1, la superficie de base está unida entonces a la superficie
radiante mediante un cable coaxial, en que el cable coaxial sirve
para conducir señales a la superficie radiante. La superficie de
base tiene en este caso un borde perpendicular, que se extiende
perpendicularmente desde la superficie de base, de modo que resulta
una sección transversal en forma de "L" o de "U". Una
desventaja de esta disposición es la anchura de banda demasiado
pequeña para determinados campos de aplicación. Los objetos de los
documentos FR 2 791 815 A1 y EP 1 052 723 A2 se refieren
respectivamente a un objeto correspondiente al preámbulo de la
reivindicación 1. A partir del documento US 2001/0050636 A1 es
conocida una antena con diversas formas de realización de una
superficie radiante.
Para determinados campos de aplicación
comerciales y militares, por ejemplo la operación con saltos
(hopping) en servicios de comunicación militares, en sistemas
de vigilancia de campo de batalla, en sistemas de emisión, en los
que varios emisores, que operan a distintas frecuencias, están
conectados simultáneamente a la misma antena así como en sistemas
de recepción correspondientes son necesarias antenas, que tengan la
altura de perfil y el tamaño pequeños pero que posean una anchura de
banda considerablemente mayor que la que puede conseguirse con
antenas planas. Hay naturalmente otros tipos de antena que poseen la
relación de anchura de banda requerida. Éstos poseen sin embargo en
muchos casos dimensiones considerablemente mayores.
Constituye por ello la tarea de la invención
proporcionar una antena mejorada, con la que pueda aumentarse
considerablemente la anchura de banda.
Esta tarea se resuelve con la antena conforme a
la reivindicación 1. Realizaciones ventajosas de la antena son el
objeto de reivindicaciones subordinadas.
En la antena conforme a la invención, dentro de
los límites de la superficie radiante está realizada una ranura
perpendicularmente a la extensión longitudinal L de la superficie
radiante, en que la ranura está puenteada por una o más inductancias
discretas.
Con el término estrechamiento se indica aquí que
a lo largo de la extensión longitudinal L de la superficie radiante
varían tanto la anchura B como la altura H de la superficie radiante
sobre la superficie de base.
La superficie radiante tiene ventajosamente una
longitud máxima L_{max} \leq 0,6\lambda_{max}, una anchura
máxima B_{max} \leq \lambda_{max} y una altura máxima respecto
a la superficie de base H_{max} \leq 0,4\lambda_{max}, en que
\lambda_{max} es la longitud de onda en el vacío en el límite de
frecuencia inferior f_{u} de la banda de frecuencias de la
antena. Para la relación de ondas estacionarias de tensión VSWR
(del inglés "Voltage Standing Wave Ratio") se tiene, en un
intervalo, de frecuencias [f_{u}, f_{o}] con f_{u} y f_{o}
como límites inferior y superior de la banda de frecuencias de la
antena, preferentemente VSWR \leq 3, en que para la anchura de
banda se tiene f_{o}/f_{u} \geq 1,4.
La superficie radiante tiene ventajosamente un
estrechamiento constante. En este caso, la superficie radiante
tiene la forma de un triángulo isósceles. Entonces la superficie
radiante forma junto con la superficie de base una guía de ondas TEM
(del inglés "Transverse ElectroMagnetic", de modos
electromagnéticos transversales) con una impedancia de onda
constante.
Los medios para la alimentación de energía
electromagnética a la antena están dispuestos preferentemente en la
zona de la menor distancia entre la superficie radiante y la
superficie de base. Para una superficie radiante triangular, esta
zona puede ser convenientemente una esquina de la superficie
radiante.
La alimentación es preferentemente una
alimentación coaxial. Aquí, el conductor interior coaxial está unido
galvánicamente a la superficie radiante, mientras que el conductor
exterior está unido galvánicamente a la superficie de base de la
antena. El estrechamiento de la anchura de la superficie radiante y
de la altura de la superficie radiante sobre la superficie de base
se escoge aquí convenientemente de forma ajustada a la impedancia
del cable de alimentación conectado, ya que entonces los modos de
oscilación más altos de la antena que se producen en el punto de
alimentación sólo se excitan con una amplitud pequeña.
Los componentes discretos, que están
distribuidos por debajo de la superficie radiante en posiciones
prefijables con valores prefijables, sirven para mejorar la
adaptación para la parte inferior del intervalo de frecuencias. Los
valores y posiciones pueden escogerse correspondientemente a los
requisitos respectivos de la adaptación y del diagrama de radiación
de la antena. Los componentes discretos pueden ser en particular
inductancias y/o capacitancias.
Por supuesto tienen sentido sin embargo también
otras formas distintas a la triangular y un estrechamiento de
altura y anchura no constante de la superficie radiante de la
antena en un caso especial. A través de ello son posibles otras
mejoras de la adaptación y de la forma del diagrama de
radiación.
El término "componente discreto" debe
entenderse funcionalmente. Aquí puede emplearse en vez de una
inductancia o capacitancia discreta naturalmente también una
realización de una conducción impresa sobre un sustrato (no
representado).
La antena conforme a la invención hace posible
un procedimiento de radioemisión con una gran anchura de banda, por
ejemplo una operación con saltos. Además de ello es posible una
alimentación simultánea de la antena con varias líneas de emisión,
que están distribuidas en un intervalo de frecuencias muy ancho. Más
allá de ello es posible, con la antena conforme a la invención,
recibir simultáneamente varias señales de recepción situadas en una
banda de frecuencias ancha.
Otra ventaja de la antena conforme a la
invención es la posibilidad de emplear esta antena de banda ancha
directamente delante de una pared metálica o no metálica, sin que
empeore su adaptación o su diagrama de radiación. Esto es posible
también en caso de adaptación conforme de la superficie radiante a
una forma eventualmente curva de la pared metálica. En el caso de
una pared metálica, la propia pared puede emplearse como superficie
de base. La pared podría ser por ejemplo una parte de una superficie
de un vehículo, de un barco o de un avión. Debido a la pequeña
altura de perfil de la antena, la antena sobresale sólo poco de la
superficie del vehículo. Esto es válido tanto para realizaciones
para el intervalo VHF (del inglés "Very High Frequency",
frecuencia muy alta), el intervalo UHF (del inglés "Ultra High
Frequency", frecuencias ultra-alta) y
naturalmente para el intervalo de microondas.
La invención así como otras formas de
realización ventajosas de la invención se explican a continuación
más detalladamente con ayuda de dibujos. Muestran:
la figura 1 una primera forma de realización de
una estructura de antena conforme a la presente invención en
representación en perspectiva,
la figura 2 la estructura de antena de la figura
1 en vista lateral,
la figura 3 la estructura de antena de la figura
1 en vista en planta desde arriba,
la figura 4 una segunda forma de realización de
una estructura de antena conforme a la presente invención en
representación en perspectiva,
la figura 5 la evolución de la curva de la
relación de ondas estacionarias en el punto de alimentación de la
realización representada en la figura 4 en función de la
frecuencia,
la figura 6 una forma de realización a modo de
ejemplo de una aplicación de una antena conforme a la invención de
una forma de realización primera o segunda.
El elemento de antena en una estructura en una
primera forma de realización preferida conforme a las figuras 1 a
3 comprende una superficie radiante 1 y una superficie de base 2
metálica. Convenientemente, en el punto de alimentación existe una
conexión 7 -designada en lo que sigue conexión de señales-, en
particular en forma de un cable coaxial (no representado), para
conducir señales a la superficie radiante 1. La conexión de señales
7 mediante un cable coaxial puede producirse aquí mediante medidas
conocidas para un técnico en la materia, en que el conductor
interior de un cable coaxial está unido de forma conductora con la
superficie radiante 1 y el conductor exterior del cable coaxial lo
está con la superficie de base 2. Convenientemente, el elemento de
antena puede estar alojado en un alojamiento (no representado).
En la zona 5 de la conexión de señales 7 pueden
existir preferentemente medios, por ejemplo espigas (no
representadas) que hacen posible una sujeción segura de la
superficie radiante 1 en una posición fija, separada de la
superficie de base 2. Estas espigas están hechas convenientemente de
material eléctricamente no conductor, por ejemplo material
sintético. Por supuesto son posibles también otros dispositivos
fijadores conocidos para el técnica en la materia, por ejemplo el
relleno del espacio entre la superficie de base 2 y la superficie
radiante 1 con material dieléctrico de constante dieléctrica
adecuada.
La figura 4 muestra una segunda forma de
realización de una antena conforme a la invención. En esta forma de
realización, las partes de la superficie radiante 1 están realizadas
en la zona 4 de los componentes discretos 3 y/o en la zona 5 de la
conexión de señales (no representada) paralelamente a la superficie
de base 2. A través de ello puede mejorarse el manejo de la
superficie radiante 1 y en particular la fijación de los
componentes discretos 3 y de la conexión de señales a la superficie
radiante 1.
La superficie radiante 1 tiene en la zona 4 de
los componentes discretos 3 a modo de ejemplo un valor de distancia
H_{max} de 0,13*\lambda_{max} respecto a la superficie de base
2, en que \lambda_{max} es aquí la longitud de onda en el vacío en
el límite de frecuencia inferior f_{u} de la banda de frecuencias
de la antena. La distancia H_{max} es determinada para ello
convenientemente como perpendicular a la superficie de base 2. La
magnitud L_{max} vale a modo de ejemplo 0,25*\lambda_{max}, la
magnitud B_{max} vale a modo de ejemplo igualmente
0,25*\lambda_{max}. La posición y el valor de los componentes
discretos se escogen en función de H_{max}, L_{max} y B_{max}.
Por supuesto, la distancia H_{max} entre la superficie radiante 1
y la superficie de base 2 en la zona 4 de los componentes discretos
3 puede modificarse por motivos de una adaptación mejorada.
Conforme a la invención, la superficie radiante
1 tiene una ranura 11 realizada perpendicularmente a su extensión
longitudinal L. A través de ello, la superficie radiante 1 queda
dividida en una parte trasera HT y una parte delantera VT. Conforme
a la invención, esta ranura 11 es puenteada mediante elementos
ciegos discretos (no representados), por ejemplo inductancias. Junto
a la gran anchura de banda, que genera el conexionado con elementos
ciegos apropiados, también puede actuarse sobre el diagrama de
radiación de la antena mediante el valor y la posición de los
elementos ciegos.
El término "elemento ciego discreto" debe
entenderse funcionalmente. Aquí también puede emplearse naturalmente
en vez de una inductancia discreta también una realización de una
conducción impresa sobre un sustrato (no representado).
La superficie de base 2 puede estar realizada en
la primera y en la segunda forma de realización de la invención
ventajosamente de forma plana, curvada una vez o curvada doblemente
y la superficie radiante 1 estar realizada de modo conforme a la
curvatura de la superficie de base 2. A través de ello es posible
colocar la estructura de antena también sobre estructuras de
soporte conformadas arbitrariamente con pequeñas necesidades de
espacio.
La figura 5 muestra la evolución de la curva de
la relación de ondas estacionarias VSWR en el punto de alimentación
de la conexión de señales de la realización representada en la
figura 4 en función de la frecuencia. La relación de ondas
estacionarias subyacente es calculada sobre la base de la dispersión
de la tensión, que son calculadas a la entrada de la conexión del
medio de alimentación a la superficie radiante 1.
En el intervalo de frecuencias de
220-450 MHz, la relación de ondas estacionarias VSWR
tiene un valor menor de 2. En toda la banda de frecuencias de
200-1050 MHz, la relación de ondas estacionarias
tiene un valor menor de 3.
En la figura 6 se representa una forma de
realización a modo de ejemplo de una aplicación de una antena
conforme a la invención. Varias antenas 9 están dispuestas en el
perímetro de un cilindro 8. La forma del cilindro 8 puede parecerse
aquí convenientemente a la de un mástil de barco. Las antenas 9
están colocadas sobre la superficie exterior del cilindro 8 y se
emplean como antenas de emisión para diversos intervalos de
frecuencias. Posibles intervalos de emisión o respectivamente de
recepción son aquí por ejemplo 30-100 MHz,
100-200 MHz y 200-600 MHz.
Las matrices cilíndricas se emplean en el caso
de emisión para comunicación y contramedidas electrónicas para la
perturbación de disposiciones de comunicación rivales. En el caso
de recepción, las matrices se emplean para comunicación y para
medidas de apoyo electrónicas, es decir, captación, marcación y
clasificación de disposiciones de comunicación ajenas.
Convenientemente, las antenas 9 son distribuidas entonces sobre así
denominadas redes de conformación de haz 10 (beamforming)
tanto en diagramas de suma como en diagramas de radiador individual
sobre los aparatos finales, es decir emisor y receptor.
Claims (10)
1. Antena que comprende una superficie radiante
(1) y una superficie de base (2) metálica, en que entre la
superficie radiante (1) y la superficie de base (2) están conectados
uno o más componentes discretos (3) y en que la superficie radiante
(1) tiene una primera zona, en la que la superficie radiante (1)
tiene un estrechamiento en lo referente a su anchura B y en lo
referente a su altura H respecto a la superficie de base (2),
caracterizada porque dentro de los límites de la superficie
radiante (1) está realizada una ranura (11) perpendicularmente a la
extensión longitudinal L de la superficie radiante (1), en que la
ranura (11) está puenteada por una o más inductancias discretas.
2. Antena según la reivindicación 1, en que la
superficie radiante (1) tiene una longitud máxima
L_{max} \leq 0,6\lambda_{max}, una anchura máxima B_{max} \leq \lambda_{max} y una altura máxima respecto a la superficie de base (2) H_{max} \leq 0,4\lambda_{max}, en que \lambda_{max} es la longitud de onda en el vacío en el límite de frecuencia inferior fu de la banda de frecuencias de la antena.
L_{max} \leq 0,6\lambda_{max}, una anchura máxima B_{max} \leq \lambda_{max} y una altura máxima respecto a la superficie de base (2) H_{max} \leq 0,4\lambda_{max}, en que \lambda_{max} es la longitud de onda en el vacío en el límite de frecuencia inferior fu de la banda de frecuencias de la antena.
3. Antena según una de las reivindicaciones
precedentes, en que la superficie radiante (1) tiene un
estrechamiento constante en lo referente a la altura H y a la
anchura B.
4. Antena según una de las reivindicaciones
1-2, en que la superficie radiante (1) tiene un
estrechamiento no constante en lo referente a la altura H y a la
anchura B.
5. Antena según una de las reivindicaciones
precedentes, en que existen medios para la sujeción de la
superficie radiante (1), que sujetan la superficie radiante (1) en
una posición fija, separada de la superficie de base (2).
6. Antena según una de las reivindicaciones
precedentes, en que existen medios (7) para la alimentación de
energía electromagnética a la antena, que están dispuestos en la
zona (5) de la menor distancia entre superficie radiante (1) y
superficie de base (2).
7. Antena según la reivindicación 8, en que la
superficie radiante (1) tiene radiante (1) tiene otra zona (4, 5)
en la zona (4) de los componentes discretos (3) y/o en la zona (5)
de los medios de alimentación (7) en la que la superficie radiante
es paralela a la superficie de base (2).
8. Antena según una de las reivindicaciones
precedentes, en que la superficie de base (2) tiene forma plana,
curvada una vez o curvada doblemente y la superficie radiante (1)
está realizada de modo conforme a la curvatura de la superficie de
base (2).
9. Disposición compuesta por varias antenas
según una de las reivindicaciones precedentes, en que las antenas
están dispuestas a lo largo del perímetro de una estructura de
soporte (8) cilíndrica.
10. Disposición según la reivindicación 9, en
que las antenas están interconectadas a través de redes de
conformación de haz (10).
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
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