ANTENA PEQUEÑA ELÉCTRICAMENTE AUTO-RESONANTE.

La presente invención es aplicable a un diseño de miniaturización de una antena, por ejemplo, en el campo técnico de la Identificación por Radiofrecuencia (RFID) mediante una micro-antena acoplada a un chip que conforma una etiqueta electrónica, habitualmente denominada etiqueta de RFID, y que se une a un objeto, animal o persona para su identificación. Más particularmente, la invención que aquí se presenta se refiere a una antena que consigue auto-resonancia sin la necesidad de ninguna red de acoplamiento externa entre la antena y la fuente (por ejemplo, un chip de RFID) y cuyo tamaño se puede reducir arbitrariamente ajustando únicamente diferentes parámetros de la estructura resonante (a expensas de un alcance de lectura reducido). Esta antena diminuta es especialmente adecuada para aplicaciones de RFID ya que puede fabricarse en un sustrato de capa única, con pequeñas dimensiones tal como requieren las antenas usadas en las etiquetas de RFID. Antecedentes de la invención ES 2 366 137 T3 La reducción de tamaño de las antenas es un asunto fundamental para diferentes aplicaciones de comunicaciones. Las antenas deben integrarse en diferentes productos electrónicos tales como teléfonos móviles, ordenadores portátiles, asistentes digitales personales (PDA), etc. y estos necesitan antenas pequeñas capaces de integrarse con los diferentes productos. Otra aplicación habitual para las antenas pequeñas es las Identificación por Radiofrecuencia (RFID). Esta tecnología permite la identificación de cualquier objeto con la ayuda de una etiqueta electrónica unida al mismo. Esta etiqueta electrónica está compuesta por una pequeña antena y un microchip. En el desarrollo tecnológico de la Identificación por Radiofrecuencia, las antenas diminutas de la etiqueta electrónica de RFID pueden funcionar en una banda de baja frecuencia (LF), alrededor de 125 kHz, otras en una banda de alta frecuencia (HF) a 13,56 MHz y algunas otras están desarrolladas para trabajar a 900 MHz, en la banda de frecuencia ultra-alta (UHF). Se conocen diferentes implementaciones de etiquetas de RFID que llevan en su interior el microchip conectado a la antena de circuito impreso, por ejemplo, implementados en etiquetas autoadhesivas, cápsulas, monedas, tarjetas, insignias, etc. Normalmente, el tamaño de una antena dada está en el orden de su longitud de onda. Esta restricción significa que las antenas para bajas frecuencias serán más grandes que las antenas para altas frecuencias. En contraste, las antenas pequeñas se definen comúnmente aquí como antenas que se acoplan en una esfera de un radio /(2-), siendo la longitud de onda. Una de las antenas más habituales es el dipolo resonante tal como se conoce en la literatura. Un dipolo resonante es una antena compensada formada por un cable con una longitud levemente menor que la mitad de la longitud de onda suministrada en el centro. Una antena auto-resonante, tal como un dipolo resonante, es una antena cuya impedancia de entrada es meramente real. El teorema de transferencia de potencia máxima dice que, para una red lineal con impedancia de fuente fija, la potencia máxima se suministra desde la fuente (antena) hasta la carga (chip) cuando la impedancia de la carga es el conjugado complejo de la impedancia de la fuente. Para una antena auto-resonante, como para la impedancia real, la potencia máxima se suministrará cuando la impedancia de la antena y de la fuente son iguales. Basándose en el teorema de transferencia de potencia máxima, si la antena no es auto-resonante, habitualmente se necesita una red de acoplamiento para conseguir la transferencia de potencia máxima entre la antena y la carga. Al igual que el dipolo resonante, se sabe desde hace tiempo que las antenas auto-resonantes tienen un tamaño en el orden de la longitud de onda, que para algunas aplicaciones es muy grande. Si se necesita reducir el tamaño de la antena, la impedancia de entrada se vuelve reactiva (inductiva o capacitiva, dependiendo de la estructura de la antena). Por lo tanto, la solución común para el diseño de antenas pequeñas y para conseguir resonancia es la introducción de una red de acoplamiento, incrementando inevitablemente el tamaño y coste totales. Entre las estructuras auto-resonantes ya conocidas, aparte del dipolo resonante antes mencionado, el Resonador de Anillos Divididos (Split Ring Resonator (SRR)), introducido por Pendry (consulte Magnetism from conductors and enhaced non liear phenomena de J. B. Pendry y col., IEEE Transactions on Microwaves Theory and Techniques, vol. 47, pág. 2075 - 2084, noviembre de 1988) es una gran contribución al campo de los metamateriales ya que es la primera 2 ES 2 366 137 T3 partícula capaz de conseguir valores negativos de permeabilidad magnética efectiva. La estructura de dicho resonador consta de dos anillos metálicos concéntricos. Ambos anillos tienen un cierto grosor (c) y pequeños huecos grabados sobre lados opuestos, tal como se muestra en la figura 1A. El SRR tiene un radio medio (r0) medido exactamente entre los dos anillos concéntricos. También, la figura 1B muestra el circuito equivalente de un SRR (propuesto en Comparative 5 analysis of edge and broadside coupled ring resonators for metamaterial design, Theory and experiments de R. Marqués y col., IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 51, pág. 2572 - 2581, octubre de 2003), en el que la capacidad total (C0) entre los anillos es C0 = 2 r0Cpull donde Cpull es la capacidad de los anillos por unidad de longitud. La frecuencia resonante del SRR viene dada por f0 = (LsCs) /2 donde Cs es la conexión en serie de las capacidades que se corresponden con las partes superior e inferior, es decir, Cs = C0/4. La inducción Ls puede aproximarse mediante la 10 inducción de un solo anillo con un radio igual al radio medio (r0) del SRR y el ancho (c) de cada anillo concéntrico. El comportamiento del SRR en su primera resonancia puede aproximarse mediante un dipolo resonante (definido en Magnetism from conductors and enhaced non liear phenomena de J. B. Pendry y col., IEEE Transactions on Microwaves Theory and Techniques, vol. 47, pág. 2075 - 2084, noviembre de 1988) y luego su polarización magnética se expresa por: 15 donde Bz es el componente magnético axial del campo electromagnético, 0 es un factor geométrico y 0 es la frecuencia resonante del SRR. De acuerdo con la expresión anterior, la polarizabilidad tendrá valores extremos cerca de la frecuencia resonante. Ya que la corriente en el SRR es uniforme, puede aproximarse mediante un bucle plano y así se impone la siguiente expresión: 20 mz = IS donde I es la corriente a través del SRR y S es el área total. Por lo tanto, la corriente I a través del SRR es: A partir de esta expresión puede verse que la corriente en el SRR (I) es muy grande cerca de la frecuencia resonante, incluso para una estructura pequeña. La figura 2 muestra la distribución de la densidad de la corriente 25 en un SRR en la frecuencia resonante. Debido al comportamiento resonante de los SRR, una matriz periódica de estos resonadores, tal como la mostrada en la figura 3, iluminada mediante un campo de entrada adecuadamente polarizado, no permite la propagación de ondas electromagnéticas para una banda de frecuencias específica. Gracias a un efecto tal como el debido a la teoría del medio efectivo, puede usarse una matriz de SSR como filtro de ondas milimétricas y microondas. Un 30 ejemplo de su uso se muestra en el documento EP 1675212 A1, en el que un elemento de transmisión plano, tal como una microbanda conductora o un plano metálico central con sustrato dieléctrico sobre ambos lados y una banda conductora formada sobre él, se monta en acoplamiento magnético con una inserción en serie de varios SRR. Además, el documento EP 1675212 A1 presenta una antena o una batería de antenas que incorpora el filtro descrito que comprende dicha matriz de SRR para la emisión y recepción de ondas electromagnéticas, ya que el 35 comportamiento de la matriz de SRR como medio efectivo permite la propagación de ondas rápidas para una frecuencia dada y entonces se comporta como una antena de ondas de escape. Otras variaciones de SRR se muestran en las figuras 4 - 7 (consulte Equivalent-circuit models for split-ring resonators and complementary split-ring resonators coupled to planar transmision lines de J. D. Baena y col. IEEE Trans. on Microvawe Theory and Techniques, vol. 53 (4), pág. 1451 - 1461, abril de 2005) que muestran 3 estructuras y circuitos equivalentes respectivamente de: SRR no bianisotrópico (NBSRR), mostrado en la figura 4: presenta una simetría de rotación de 180º en el plano del SRR; como consecuencia de esta simetría el NBSRR evita los efectos de la polarización cruzada mientras mantiene la geometría de plano simple. SRR de doble división (D-SRR) o Resonador de Anillos Dobles Divididos / Deformados, mostrado... [Seguir leyendo]

1.- Una antena pequeña eléctricamente auto-resonante que comprende al menos un elemento radiante que es una estructura resonante incorporada en un substrato plano y excitada en un punto (1) de alimentación, estando modelada dicha estructura resonante por un circuito eléctrico equivalente con inductancia y capacitancia que determinan una frecuencia resonante y produciendo dicha estructura resonante una corriente eléctrica a través del punto (1) de alimentación cuando dicha estructura resonante es excitada por un campo magnético dirigido en una dirección transversal al substrato plano, que se caracteriza porque la estructura resonante es un resonador (11) de anillos divididos plegados que comprende un anillo (R1) con un hueco y un anillo plegado (R2) con una ranura externa para el punto (1) de alimentación, configurando dicho anillo plegado (R2) otro hueco en oposición diametral con el hueco del anillo interno (R1) y dicho punto (1) de alimentación. 2.- Una antena pequeña eléctricamente auto-resonante que comprende al menos un elemento radiante que es una estructura resonante incorporada en un substrato plano y excitada en un punto de alimentación, estando modelada dicha estructura resonante por un circuito eléctrico equivalente con inductancia y capacitancia que determinan una frecuencia resonante y produciendo dicha estructura resonante una corriente eléctrica a través del punto de alimentación cuando dicha estructura resonante es excitada por un campo magnético dirigido en una dirección transversal al substrato plano, que se caracteriza porque la estructura resonante es un resonador de anillos divididos plegados que comprende un anillo externo con un hueco y un anillo interno plegado con una ranura interna para el punto de alimentación, configurando dicho anillo interno plegado otro hueco en oposición diametral con el hueco del anillo externo y dicho punto de alimentación. 3.- Una etiqueta de RFID que comprende la antena pequeña eléctricamente auto-resonante definida de acuerdo con cualquier reivindicación precedente. 4.- La etiqueta de RFID de acuerdo con la reivindicación 3, en la que la antena pequeña eléctricamente autoresonante se construye dentro de un tapón de una botella. 5.- La etiqueta de RFID de acuerdo con la reivindicación 3, en el que la antena pequeña eléctricamente autoresonante se construye a partir de una lámina de metal de un envase de burbuja. 8 ES 2 366 137 T3 TÉCNICA ANTERIOR 9 ES 2 366 137 T3 TÉCNICA ANTERIOR TÉCNICA ANTERIOR ES 2 366 137 T3 TÉCNICA ANTERIOR TÉCNICA ANTERIOR 11 ES 2 366 137 T3 TÉCNICA ANTERIOR TÉCNICA ANTERIOR 12 ES 2 366 137 T3 TÉCNICA ANTERIOR 13 ES 2 366 137 T3 14