La presente invención se refiere a una nueva topología de antena impresa para aplicaciones multibanda capaz de operar en varias bandas de frecuencia al mismo tiempo.

La antena consiste en una serie de agrupaciones de dipolos impresos situados a ambas caras de un sustrato dieléctrico. Cada uno de los dipolos tiene, alternativamente, uno de sus brazos en la cara superior del sustrato y el otro brazo en la cara inferior del mismo. La antena está alimentada por un tramo de línea microcinta, situada tanto en la cara superior como inferior del sustrato dieléctrico. El número de agrupaciones de dipolos de la antena determina el número de bandas frecuenciales de funcionamiento. Cada una de estas agrupaciones tiene un número determinado de dipolos, que puede ser distinto para cada una de ellas. El número de dipolos que contiene cada una de las agrupaciones determina el ancho de banda y la ganancia que presenta la antena en la banda de funcionamiento asociada a la agrupación en cuestión

Antena impresa para aplicaciones multibanda.

Campo/Sector de la invención

La presente invención se refiere a una nueva topología de antena impresa para aplicaciones multibanda basada en la propiedad de periodicidad de las características de las antenas con la frecuencia.

Objeto de la invención

La presente invención describe una nueva topología de antena impresa para aplicaciones multibanda capaz de operar simultáneamente en varias bandas de frecuencias. El número de bandas de frecuencias en las que funciona la antena, así como la frecuencia central de cada una de estas bandas, pueden modificarse variando el número de elementos que forman la antena propuesta. Estas bandas de frecuencias tienen un ancho de banda y una ganancia suficientemente grande para la mayoría de aplicaciones de banda ancha actuales.

En los últimos años, estamos asistiendo a una rápida evolución de los sistemas de comunicaciones personales destinados al público en general. Estos sistemas se basan en tecnologías de telecomunicaciones inalámbricas, lo que provee al usuario de capacidad de movimiento sin necesidad de interrumpir la comunicación. Actualmente, existen numerosos sistemas de comunicación inalámbricos, como pueden ser los teléfonos móviles, los dispositivos Bluetooth y los sistemas de comunicaciones basados en el protocolo 802.11x (WI-FI).

Estos sistemas tienen un ancho de banda limitado, por lo que el número de usuarios que pueden acceder al mismo tiempo al sistema también es limitado. Este inconveniente ha llevado a los gobiernos a asignar varias bandas de frecuencias para poder aumentar el número de usuarios. Esta solución obliga a los fabricantes a realizar sistemas multibanda, capaces de funcionar al mismo tiempo en todas las bandas de frecuencias asignadas. Este hecho condiciona especialmente las antenas utilizadas, que deben ser multirresonantes.

Por otra parte, la tendencia actual del mercado es la de integrar estos sistemas de comunicaciones personales en equipos cada vez más pequeños y portátiles, como son los teléfonos móviles, las agendas electrónicas (PDA) y, por supuesto, los ordenadores portátiles. Para conseguir esto, sería deseable que las antenas, que son una parte imprescindible de los sistemas inalámbricos, fueran cada vez más pequeñas y que se pudieran integrar con todo el sistema electrónico.

Debido a sus características, las antenas impresas son una buena solución para estos sistemas inalámbricos. Algunas de estas características son: perfil plano, poco peso, proceso de fabricación fácil y económico y, sobre todo, su capacidad de integración con la circuitería del sistema. Además, los avances en nuevos materiales de fabricación de sustratos dieléctricos, sobre los que están fabricadas las antenas impresas, permiten reducir drásticamente el tamaño final de las mismas [1].

Pese a todas estas ventajas, las antenas impresas tienen un importante inconveniente: su ancho de banda de funcionamiento es bastante estrecho (típicamente alrededor de un 5% de la frecuencia de diseño). Esta limitación hace que estas antenas no puedan utilizarse en aplicaciones en las que el ancho de banda sea relativamente grande. Esto ha llevado a que en los últimos años se estén realizando numerosas investigaciones para conseguir nuevas geometrías de antenas impresas que presenten mayores rangos de funcionamiento en frecuencia.

En este sentido, la presente invención propone una nueva topología de antena impresa para aplicaciones multibanda que, manteniendo las principales ventajas de las antenas impresas convencionales, supera la limitación que éstas presentan en cuanto a su ancho de banda de funcionamiento. Las características principales de esta nueva topología de antena, además de las características inherentes de las antenas impresas, se pueden resumir en los siguientes tres puntos:

- Capacidad multibanda, es decir, capacidad de funcionamiento en varias bandas de frecuencia.

- En cada una de las bandas de funcionamiento de la antena, ésta posee un ancho de banda (BW) considerable y adaptable, notablemente superior al de las antenas impresas convencionales.

- La ganancia de la antena en cada banda de frecuencia es alta y se puede incrementar aumentando el número de elementos de la antena para cada banda de frecuencia en cuestión.

Antecedentes de la invención

Las antenas impresas fueron propuestas por primera vez por Deschamps en 1963, pero no fuero fabricadas hasta veinte años después. Desde entonces, se han desarrollado gran cantidad de antenas impresas y agrupaciones de éstas (arrays) para numerosas aplicaciones [2, 3].

Una antena impresa consiste en un parche metálico radiante de una geometría específica, paralelo a un plano metálico (plano de masa) y separado de éste por una capa de material dieléctrico de una anchura determinada, y cuya constante dieléctrica es relativamente baja (normalmente menor que 10). La forma del parche radiante puede ser rectangular, triangular, circular o cualquier otra que satisfaga las características de la antena en cuanto a tamaño, ancho de banda de funcionamiento, polarización, diagrama de radiación y ganancia, necesarias para cada aplicación en particular.

La alimentación de la antena impresa se puede realizar de tres formas: mediante un cable coaxial, mediante una línea microstrip o mediante una apertura de acoplamiento. En los tres casos, la alimentación guía la energía electromagnética hasta la región situada justo debajo del parche radiante. Parte de la energía atraviesa el contorno del parche y se radia hacia el exterior. La localización exacta de la alimentación de la antena es uno de los parámetros más importantes del diseño de la misma, ya que afecta a las características de radiación.

Las antenas impresas tienen una serie de características que las hacen especialmente deseables en aplicaciones a frecuencias de microondas, en comparación con las antenas convencionales. Las más importantes son su tamaño reducido, perfil plano, poco peso, fabricación fácil y barata y, especialmente, la posibilidad de integración de la antena con el resto de la circuitería del sistema. Las antenas impresas también presentan algunos inconvenientes, siendo su principal desventaja frente a las antenas convencionales su estrecho ancho de banda, debido básicamente a su funcionamiento como cavidad resonante, con un alto factor de calidad. Este inconveniente limita el uso de antenas impresas en sistemas de comunicaciones de banda ancha.

Para superar este inconveniente y poder ampliar el uso de las antenas impresas a los sistemas de comunicaciones de banda ancha o multibanda, en los últimos años se han realizado numerosas investigaciones destinadas por una parte a aumentar el ancho de banda de las antenas impresas y por otra parte a realizar antenas multirresonantes.

Muchos de estos estudios están orientados al diseño de antenas impresas "tipo hilo", es decir, siguiendo el mismo tipo de funcionamiento que las antenas de hilo convencionales, pero adaptadas a la tecnología impresa. Estas investigaciones se basan en las excelentes características de las antenas de hilo, dipolos y agrupaciones de éstos, con y sin elementos reflectores, en cuanto a su gran ancho de banda, posibilidad de varias bandas frecuenciales de funcionamiento y alta ganancia.

A la hora de diseñar las antenas impresas "tipo hilo" se siguen, normalmente, dos tipos de estrategias. La primera de ellas es la utilización de "slots" como elementos radiantes. Estos "slots" consisten en realizar una serie de aperturas radiantes sobre un elemento metálico, de forma que estas aperturas se comportan de forma equivalente a los distintos dipolos y elementos reflectores que aparecen en las antenas de hilo convencionales [4, 5]. La segunda estrategia utilizada es el diseño de antenas impresas formadas por distintos dipolos impresos, distribuidos tal y como lo estarían en su modelo equivalente como antena de hilo [6, 7].

La periodicidad del funcionamiento de las antenas con la frecuencia es un comportamiento bien conocido en las antenas convencionales de hilo, de manera que se han desarrollado numerosas antenas que intentan explotar este comportamiento para conseguir mejores características. Son las llamadas antenas logoperiódicas.

En el caso de las antenas impresas, independientemente de cual de las dos estrategias de diseño de antenas "tipo hilo" sea utilizada, se han realizado también numerosos estudios de estructuras logoperiódicas, en un intento de aumentar considerablemente el ancho...

1. Antena impresa para aplicaciones multibanda, formada por una pluralidad de agrupaciones de dipolos impresos metálicos situados en la parte superior e inferior de un sustrato dieléctrico, caracterizada porque cada uno de los dipolos impresos que forman la antena tiene uno de sus brazos en la parte superior del sustrato dieléctrico y el otro brazo está situado en la parte inferior del sustrato dieléctrico, obteniendo de esta forma la corrección de fase necesaria en la alimentación de este tipo de antenas.

2. Antena impresa para aplicaciones multibanda según reivindicación 1, caracterizada porque está fabricada sobre un sustrato dieléctrico.

3. Antena impresa para aplicaciones multibanda según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque cada una de las agrupaciones de dipolos que la forman funciona en una banda de frecuencias determinada, siendo el número de agrupaciones de dipolos igual al número de bandas frecuenciales de funcionamiento de la antena.

4. Antena impresa para aplicaciones multibanda según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque cada una de las agrupaciones de dipolos está formada por un número determinado de dipolos en función del ancho de banda en frecuencia y de la ganancia que se pretenda que tenga la antena en la banda de frecuencias asociada a la agrupación de dipolos en cuestión.

5. Antena impresa para aplicaciones multibanda según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los distintos dipolos que forman la antena están dispuestos de forma que los dipolos más pequeños se encuentran más próximos al punto de alimentación de la antena.

6. Antena impresa para aplicaciones multibanda según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la longitud de cada uno de los dipolos que la forman está relacionada con la frecuencia de funcionamiento del mismo, de forma que la longitud de este dipolo varía entre 0.15? y 0.60?, dependiendo de las características del sustrato dieléctrico utilizado, siendo ? la longitud de onda a la frecuencia de funcionamiento del dipolo en cuestión.

7. Antena impresa para aplicaciones multibanda según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las longitudes de los distintos dipolos impresos que forman cada agrupación de dipolos de la antena están escaladas por un factor de escalado "t". Este factor de escala puede variar entre 0.5 y 1.

8. Antena impresa para aplicaciones multibanda según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la anchura de los distintos dipolos impresos que forman cada una de las agrupaciones de dipolos de la antena se obtienen para que la antena presente una impedancia de entrada que permita la correcta adaptación de impedancias de la misma.

9. Antena impresa para aplicaciones multibanda según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la anchura de los distintos dipolos impresos que forman cada una de las agrupaciones de dipolos de la antena puede ser la misma para lodos los dipolos que forman esta agrupación o puede estar escalada por el factor de escalado "t". Este factor de escala puede variar entre 0.5 y 1.

10. Antena impresa para aplicaciones multibanda según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la separación entre el dipolo más grande de la agrupación y el siguiente dipolo se calcula según las ecuaciones 1 y 2 de la descripción de la invención, donde el parámetro ? puede variar entre 0,4 y 1,7.

11. Antena impresa para aplicaciones multibanda según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la separación entre los distintos dipolos que forman cada agrupación está escalada por el factor de escalado "t". Este factor de escala puede variar entre 0.5 y 1.

12. Antena impresa para aplicaciones multibanda según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el factor de escalado de la antena "t" puede ser el mismo para todas las agrupaciones de dipolos de la antena o puede ser distinto para cada una de las agrupaciones de dipolos de la antena.

13. Antena impresa para aplicaciones multibanda según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la separación entre el dipolo más pequeño de cada una de las agrupaciones que forman la antena y el punto de alimentación de la antena se fija a un valor comprendido entre el resultado de la ecuación 3, mostrada en la descripción de la invención, y media longitud de onda en la línea de alimentación de la antena para la frecuencia de funcionamiento más alta de la agrupación en cuestión.

14. Antena impresa para aplicaciones multibanda según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la alimentación de la misma se realiza mediante una línea microcinta situada en ambas caras del sustrato dieléctrico sobre el que se fabrica la antena.

15. Antena impresa para aplicaciones multibanda según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la anchura de la línea de alimentación de la misma se calcula para que la impedancia de entrada que presente la antena esté adaptada y produzca máxima transferencia de potencia.