Antena apilada multifrecuencia con metamateriales basada en la combinación de estructuras apiladas de bajo factor de calidad Q (12,

14) y elevado ancho de banda, con estructuras metamateriales de muy alto Q, donde el parche inferior (12) puede situarse sobre un sustrato (23) de espesor h2, que a su vez, se encuentra situado sobre un plano de masa (22). El parche superior (14) se puede situar sobre un sobre un sustrato de espesor h1, el parche inferior (12) hace las funciones de plano de masa del parche superior (12); al parche inferior (12) se acopla una o varias partículas metamateriales (15) de alto Q. De modo que se obtienen anchos de banda moderados y ajustables a las distintas bandas de frecuencias, mejorando los resultados obtenidos con los diseños anteriores.

Antena parche multifrecuencia con metamateriales.

La presente invención se refiere a una configuración de antena apilada que permite obtener antenas que operan en múltiples bandas de frecuencia separadas entre sí. Cada una de ellas presenta un elevado ancho de banda de forma que cada banda de frecuencias puede ser asignada a un servicio de telecomunicaciones.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La proliferación y demanda por parte del gran público de multitud de servicios de telecomunicaciones y de valor añadido conlleva la utilización de antenas que sean capaces de cubrir los servicios solicitados.

Para resolver esta problemática se utilizan básicamente dos tipos de antenas: antenas de banda ancha y antenas resonantes con parásitos o ajustables electrónicamente. Las primeras presentan como principal inconveniente las interferencias debido a los grandes anchos de banda, mientras que las segundas pueden presentar anchos de banda demasiado reducidos dependiendo del tipo de parásito empleado.

Dentro de esta última tendencia se han desarrollado antenas multifrecuencia planares o de bajo perfil, básicamente las antenas tipo F, F invertidas, y parches. Son estos últimos los que se utilizan con mayor frecuencia por su sencillez y comodidad. No obstante, dependiendo de la aplicación, se utilizan las antenas en F o F invertidas dado su mejor comportamiento en ancho de banda.

El problema que presentan estas estructuras es un diagrama de radiación diferente en cada una de las frecuencias de funcionamiento y un ancho de banda que, dependiendo de las aplicaciones, debe considerarse reducido.

En los últimos años, han surgido diseños basados en lo que se conoce como estructuras metamateriales. Los metamateriales se definen como unas estructuras electromagnéticas homogéneas y artificiales que poseen unas propiedades que no se encuentran en la naturaleza. Estas estructuras se implementan mediante la repetición periódica de partículas elementales.

Las antenas que incorporan metamateriales presentan el inconveniente del reducido ancho de banda obtenido, no válido para algunas aplicaciones, aunque en algunos diseños presente una sustancial reducción de tamaño.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención busca resolver o reducir uno o más de los inconvenientes expuestos anteriormente mediante una antena parche apilada multifrecuencia como es definida en las reivindicaciones.

Un objeto de una realización es proporcionar una antena parche apilada multifrecuencia que comprende un parche inferior que se puede excitar mediante una sonda coaxial de alimentación que excita, a su vez, por radiación a un parche superior apilado, estando ambos parches separados mediante una capa de material cuya permitividad relativa lr es substancialmente igual a 1, capa de espuma, donde la característica de la permitividad de al menos una capa de material ligero, poroso de la antena puede ser modificada en función del ancho de banda de interés.

Otro objeto de la realización es proporcionar una antena de uso en sistemas de telecomunicaciones con interfaz aire, por ejemplo, vía radio con dos o más anchos de banda de frecuencia con, substancialmente, el mismo diagrama de radiación y con características radiantes elevadas.

Aun otro objeto de la realización es acoplar junto al parche superior dos partículas metamateriales conocidas como resonadores de anillo dividido, Split-Ring-Resonators SRRs. Estas partículas permiten eliminar una banda de frecuencia, dividiendo el ancho de banda total de la antena apilada en dos o más sub-bandas de frecuencia.

Alternativamente, la partícula metamaterial comprende al menos dos resonadores de anillo continuo. Las partículas metamateriales están apdatadas para ser incluidas en las líneas planares de alimentación para constituir líneas filtrantes que conducen a una antena multifrecuencia y autodiplexada.

Otro objeto de la realización es proporcionar una antena de uso en sistemas de telecomunicaciones inalámbrico o vía radio con dos o más bandas de frecuencia con, substancialmente, el mismo diagrama de radiación y con elevada eficiencia, proporcionada por el parche apilado.

Aun otro objeto de la realización es proporcionar una antena cuyo proceso de diseño y fabricación sea sencillo, de bajo peso y de reducido tamaño y coste global.

El problema existente es, cara a los terminales de usuario, utilizar estructuras radiantes capaces de funcionar en varias frecuencias y con anchos de banda capaces de soportar los distintos servicios.

Una realización de una antena apilada multifrecuencia con metamateriales que aprovecha las ventajas de los parches apilados y los metamateriales para la realización de una antena multifrecuencia resuelve los problemas anteriormente citados.

La solución está basada en la combinación de estructuras apiladas de bajo factor de calidad Q, y por tanto elevado ancho de banda, con estructuras metamateriales de muy alto Q.

De este modo se obtienen de anchos de banda moderados y ajustables a las distintas bandas de frecuencias, mejorando los resultados obtenidos con los diseños anteriores.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Una explicación más detallada de la invención se da en la siguiente descripción basada en las figuras adjuntas en las que:

la figura 1 muestra esquemáticamente en una vista en perspectiva vertical una antena apilada multifrecuencia con metamateriales de acuerdo a una realización, [0021] la figura 2 muestra esquemáticamente en una vista en alzado la antena apilada multifrecuencia alimentada con una sonda coaxial de acuerdo a la realización, [0022] la figura 3 muestra las líneas de campo eléctrico del parche apilado de acuerdo a una realización, [0023] la figura 4 muestra el coeficiente de reflexión de un prototipo de antena apilada multifrecuencia con metamateriales de acuerdo a una realización [0024] la figura 5 muestra los coeficientes de reflexión de distintas antenas apiladas multifrecuencia con partículas metamateriales de distinto tamaño de acuerdo a la realización, y [0025] la figura 6 muestra los coeficientes de reflexión para distintas geometrías de los Split-Ring-Resonators SRRs.

MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

En relación con la figura 1 y 2, la antena 11 está formada por dos parches 12, 14 donde el parche inferior 12, de dimensiones L2 x L2 sobre un sustrato de material plástico 23 de altura h2 y permitividad Er2, a su vez situado sobre un plano de masa 22, y el parche superior 14, de dimensiones L1 x L1 sobre un sustrato, también, de material plástico 24 de altura h1 y permitividad Er1, el parche inferior 12 hace las funciones de plano de masa del parche superior 14. Ambos sustratos podrían estar separados por una capa de aire o un material ligero, poroso como un material de espuma 13 de altura h_foam.

Debido a los dos parches 12, 14, anteriormente citados, se obtienen dos resonancias, o frecuencias de funcionamiento. Estas resonancias se pueden ajustar en función de los parámetros L1, L2, h1, h2, h_foam, Er1 y Er2 hasta conseguir aproximarlas, de modo que se obtenga una antena 11 con un ancho de banda suficiente para cubrir toda la banda de interés.

Adicionalmente se pueden añadir al menos una pareja de partículas metamateriales 15, denominadas Split-Ring-Resonators SRRs, para que actúen como resonadores, bobina y condensador en paralelo. Estas partículas acopladas al parche inferior 12, permiten obtener una banda eliminada a la frecuencia de resonancia del SRR 15, que divide el ancho de banda total del parche apilado 11 en dos sub-bandas con un ancho de banda moderado en cada una de ellas.

En relación ahora a la figura 2, el parche inferior 12 es el elemento alimentado, en este caso por un medio de excitación eléctrico, por ejemplo, una sonda 21 coaxial, si bien cabe destacar que la alimentación puede realizarse utilizando otras tecnologías como líneas microstrip, líneas coplanares, ranuras o stripline en el plano de masa 22.

En relación con la figura 3, el mecanismo de radiación de la antena es el siguiente: el parche inferior 12 es excitado de manera convencional, por sonda, ranura, o línea microstrip como se acaba de mencionar y, éste, a su vez, excita al parche superior 14 por medio de la propia radiación electromagnética producida.

Para que este tipo de antenas 11 radie de forma eficiente, es necesario...

1. Antena apilada multifrecuencia con metamateriales comprendiendo al menos dos parches (12, 14) donde un parche inferior (12) se puede situar sobre un sustrato de material plástico (23) , a su vez, situado sobre un plano de masa (22) , y un parche superior (14) se puede situar sobre un sobre un sustrato de material plástico 24 de altura h1, de manera que el parche inferior (12) hace las funciones de plano de masa del parche superior (12) ; ambos sustratos pueden estar separados por una capa de aire o un material ligero, poroso (13) ; caracterizada porque en el parche inferior (12) son acoplables al menos dos partículas metamaterial (15) .

2. Antena de acuerdo a la reivindicación 1; caracterizada porque las partículas de metamaterial (15) en la forma de resonadores de anillo divididos que eliminan la banda de funcionamiento de la antena (11) están incluidas en la proximidad de los bordes exteriores del parche inferior (12) .

3. Antena de acuerdo a la reivindicación 1 ó 2; caracterizada porque la partícula metamaterial (15) comprende al menos dos resonadores de anillo continuo.

4. Antena de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3; caracterizada porque la partícula metamaterial (15) adopta una estructura que funciona como un resonador.

5. Antena de acuerdo a la reivindicación 4; caracterizada porque el parche inferior (12) es alimentado eléctricamente por un medio de excitación eléctrico (21) del tipo una sonda coaxial, líneas microstrip, líneas coplanares, o ranuras o stripline en el plano de masa (22) .

6. Antena de acuerdo a las reivindicaciones 1 a 5 caracterizada porque en las líneas planares de alimentación incluye también partículas metamateriales constituyendo, de ese modo, líneas filtrantes que conducen a una antena multifrecuencia y autodiplexada.

7. Antena de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3; caracterizada porque la característica de la permitividad de al menos una capa de material ligero, poroso (13) de la antena (11) puede ser modificada en función del ancho de banda de interés.

8. Antena de acuerdo a la reivindicación 6; caracterizada porque la antena (11) comprende al menos una capa adicional de material ligero, poroso (13) .

9. Antena de acuerdo a la reivindicación 4; caracterizada porque la antena (11) comprende al menos dos o más elementos resonadores.

10. Antena de acuerdo a la reivindicación 8; caracterizada porque la antena (11) comprende elementos resonadores de diferente tamaño.

OFICINA ESPANOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPANA

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : H01Q1/38 (2006.01) H01Q5/01 (2006.01)

21 N.O solicitud: 200930859 22 Fecha de presentación de la solicitud: 16.10.2009 32 Fecha de prioridad:

DOCUMENTOS RELEVANTES

97. 1 4244-9133-9; ISBN 1-4244-0133-9. A KIM J. et al.. "5.2 GHz notched ultra-wideband antenna using slot-type SRR". Electronics Letters, 1-10 20060316 IEE Stevenage, GB. Vol. 42 , No. 6 , Paginas: 315 - 316. XP006026353 ISSN 0013 5194. Categoria de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoria A: refleja el estado de la tecnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado despues de la fecha de presentación de la solicitud El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nO: Fecha de realización del informe 23.07.2012 Examinador J. Botella Maldonado Página 1/5

OFICINA ESPANOLA DE PATENTES Y MARCAS

21 N.O solicitud: 200930859 ESPANA

22 Fecha de presentación de la solicitud: 16.10.2009

32 Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : H01Q1/38 (2006.01) H01Q5/01 (2006.01)

DOCUMENTOS RELEVANTES

97. 0-7803-9433-9; ISBN 0-78039433-X. 1-10 Categoria de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoria A: refleja el estado de la tecnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado despues de la fecha de presentación de la solicitud El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nO: Fecha de realización del informe 23.07.2012 Examinador J. Botella Maldonado Página 2/5

INFORME DEL ESTADO DE LA TºCNICA

NO de solicitud: 200930859

Documentación minima buscada (sistema de clasificación seguido de los simbolos de clasificación) H01º Bases de datos electrónicas consultadas durante la bºsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, terminos de bºsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, NPL, XPESP, XPAIP, XPI3E, INSPEC.

Informe del Estado de la Tecnica Pagina 3/5

OPINIÓN ESCRITA

NO de solicitud: 200930859

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 23.07.2012

Declaración

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de eºamen formal y tecnico de la solicitud (Articulo 31.2 Ley 11/1986) .

Base de la Opinión.

La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

Informe del Estado de la Tecnica Pagina 4/5

OPINIÓN ESCRITA

NO de solicitud: 200930859

1. Documentos considerados.

A continuación se relacionanlos documentos pertenecientes al estado de la tecnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

97. 1-4244-9133-9; ISBN 1-4244-0133-9. D04 KIM J. et al.. "5.2 GHz notched ultra-wideband antenna using slottype S RR". E lectronics Letters, 2006 0316 IEE S tevenage, G B. Vol. 42 , No. 6 , Paginas: 315 -316. XP006026353 ISSN 00135194. D05 KI-HAK KI M et al .. " A B and-rejected U WB P lanar M onopole Antenna with a R ing-shaped p arasitic pat ch". M icrowave Conference Proceedings, 2005. APMC 2005. Asia-Pacific Confer ence P roceedings Suzhou, C hina 04-07 D ec. 2005, 20 051204; 20051204 -20051207 P iscataway, NJ, USA, IEEE. Vo l. 4 , Paginas: 1 -3. XP010902346 ISB.

97. 0-7803-9433-9; ISBN 07803-9433-X.

2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

En el documento D01 se investiga el comportamiento de una antena apilada microstrip de banda ancha, su impedancia, direccionalidad, diagrama deradiación, distribución en campo pr6ºimo y ganancia, usando el metodo de las diferencias finitas en el dominio del tiempo. El documento D02 propone un nuevo diseºo de antena de banda ultra ancha UWB con filtro de banda eliminada en guia de onda coplanar, que utiliza un resonador en anillo abierto. Basicamente consiste en un parche rectangular con guia de alimentación coplanar en la que se inserta un SRR de ranura.

Ambos documentos se consideran los mas pr6ºimos del estado de latecnica y ninguno de ellostomados solos o en combinación, revela la invención definida en las reivindicaciones de la 1º a la 10º. Tampoco aparecen en ellos sugerencias que dirijan al eºperto enlamateria hacia la invención definida por estas reivindicaciones. Por lotanto el objeto de la invención recogido en las reivindicaciones de la 1º a la 10º, cumple los requisitos de novedad y actividad inventiva.

Informe del Estado de la Tecnica Pagina 5/5