ANTENA DE BANDA ANCHA DE PEQUEÑA ALTURA DE PERFIL.

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

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E05012307.

Solicitante: EADS DEUTSCHLAND GMBH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: WILLY-MESSERSCHMITT-STRASSE 85521 OTTOBRUNN ALEMANIA.

Inventor/es: WALTER,INGO DR, MICHAEL,BIRGIT DR, ARNOLD,EUGEN, FUCHS,ULLRICH DR.

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 8 de Junio de 2005.

Fecha Concesión Europea: 6 de Octubre de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > ANTENAS (elementos radiantes o antenas para calentamiento... > Cuernos o bocas de guía de onda; Antenas de ranura;... > H01Q13/08 (Terminaciones radiantes de líneas de transmisión de microondas de dos conductores, p. ej. de líneas coaxiales, o líneas micro-rayadas)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > ANTENAS (elementos radiantes o antenas para calentamiento... > Antenas eléctricamente cortas teniendo unas dimensiones... > H01Q9/28 (Elementos cónicos, cilíndricos, en forma de jaula, de cinta, de enrejado o elementos análogos que tienen una superficie de radiación extendida; Elementos que comprenden dos superficies cónicas que tienen ejes colineales y vértices adyacentes, estando alimentados por líneas de transmisión de dos conductores (cuernos o bocas de guías de ondas H01Q 13/00; antenas de ranura H01Q 13/00))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > ANTENAS (elementos radiantes o antenas para calentamiento... > Antenas eléctricamente cortas teniendo unas dimensiones... > H01Q9/40 (Elemento que tiene una superficie radiante extendida)
  • H01Q9/04B4

Clasificación PCT:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > ANTENAS (elementos radiantes o antenas para calentamiento... > Antenas eléctricamente cortas teniendo unas dimensiones... > H01Q9/04 (Antenas resonantes)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > ANTENAS (elementos radiantes o antenas para calentamiento... > Cuernos o bocas de guía de onda; Antenas de ranura;... > H01Q13/08 (Terminaciones radiantes de líneas de transmisión de microondas de dos conductores, p. ej. de líneas coaxiales, o líneas micro-rayadas)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > ANTENAS (elementos radiantes o antenas para calentamiento... > Antenas eléctricamente cortas teniendo unas dimensiones... > H01Q9/28 (Elementos cónicos, cilíndricos, en forma de jaula, de cinta, de enrejado o elementos análogos que tienen una superficie de radiación extendida; Elementos que comprenden dos superficies cónicas que tienen ejes colineales y vértices adyacentes, estando alimentados por líneas de transmisión de dos conductores (cuernos o bocas de guías de ondas H01Q 13/00; antenas de ranura H01Q 13/00))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > ANTENAS (elementos radiantes o antenas para calentamiento... > Antenas eléctricamente cortas teniendo unas dimensiones... > H01Q9/40 (Elemento que tiene una superficie radiante extendida)

Clasificación antigua:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > ANTENAS (elementos radiantes o antenas para calentamiento... > Antenas eléctricamente cortas teniendo unas dimensiones... > H01Q9/04 (Antenas resonantes)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > ANTENAS (elementos radiantes o antenas para calentamiento... > Cuernos o bocas de guía de onda; Antenas de ranura;... > H01Q13/08 (Terminaciones radiantes de líneas de transmisión de microondas de dos conductores, p. ej. de líneas coaxiales, o líneas micro-rayadas)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > ANTENAS (elementos radiantes o antenas para calentamiento... > Antenas eléctricamente cortas teniendo unas dimensiones... > H01Q9/28 (Elementos cónicos, cilíndricos, en forma de jaula, de cinta, de enrejado o elementos análogos que tienen una superficie de radiación extendida; Elementos que comprenden dos superficies cónicas que tienen ejes colineales y vértices adyacentes, estando alimentados por líneas de transmisión de dos conductores (cuernos o bocas de guías de ondas H01Q 13/00; antenas de ranura H01Q 13/00))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > ANTENAS (elementos radiantes o antenas para calentamiento... > Antenas eléctricamente cortas teniendo unas dimensiones... > H01Q9/40 (Elemento que tiene una superficie radiante extendida)

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia, Ex República Yugoslava de Macedonia, Albania.

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ANTENA DE BANDA ANCHA DE PEQUEÑA ALTURA DE PERFIL.

Descripción:

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 Lmax ≤q 0,6λmax, una anchura máxima Bmax ≤q λmax y una altura máxima respecto a la superficie de base Hmax ≤q 0,4λmax, en que λmax es la longitud de onda en el vacío en el límite de frecuencia inferior fu 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 [fu, fo] con fu y fo como límites inferior y superior de la banda de frecuencias de la antena, preferentemente VSWR ≤q 3, en que para la anchura de banda se tiene fo/fu ≥q 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 Hmax de 0,13*λmax respecto a la superficie de base 2, en que λmax es aquí la longitud de onda en el vacío en el límite de frecuencia inferior fu de la banda de frecuencias de la antena. La distancia Hmax es determinada para ello convenientemente como perpendicular a la superficie de base 2. La magnitud Lmax vale a modo de ejemplo 0,25*λmax, la magnitud Bmax vale a modo de ejemplo igualmente 0,25*λmax. La posición y el valor de los componentes discretos se escogen en función de Hmax, Lmax y Bmax. Por supuesto, la distancia Hmax 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.


 


Reivindicaciones:

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 Lmax ≤q 0,6λmax, una anchura máxima Bmax ≤q λmax y una altura máxima respecto a la superficie de base (2) Hmax ≤q 0,4λmax, en que λmax 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).