Sistema de antena bipolo diferencial con estructura radiante coplanaria y dispositivo de emisión/recepción.

Sistema de antena dipolo diferencial (10 ; 82 ; 82' ; 82") que comprende,

en una misma cara (12) de un sustrato dieléctrico, una primera mitad (18)de dipolo radiante grueso, una primera banda conductora (20) de unalínea bifilar de alimentación en señal diferencial, estando esta primerabanda conductora (20) conectada a la primera mitad (18) de dipoloradiante grueso, una segunda mitad (28) de dipolo radiante grueso y unasegunda banda conductora (30) de la línea bifilar de alimentación,estando esta segunda banda conductora (30) conectada a la segundamitad (28) de dipolo radiante grueso, caracterizado porque comprende:

- en dicha misma cara (12) una banda conductora suplementaria (36) queforma un corto-circuito que une la primera mitad (18) y la segunda mitad(28) del dipolo grueso, y

- un dispositivo (50) de filtrado diferencial resonante cuya banda pasanteestá diseñada para combinarse con la resonancia generada por el cortocircuitode forma que se produzca una adaptación de impedancia de laantena.

SISTEMA DE ANTENA BIPOLO DIFERENCIAL CON ESTRUCTURA RADIANTE COPLANARIA Y DISPOSITIVO DE EMISIÓN/RECEPCIÓN

La presente invención se refiere a un sistema de antena dipolo diferencial adaptado para aplicaciones de emisión/recepción de señales diferenciales con banda ancha pasante. Se refiere igualmente a un dispositivo de emisión y/o recepción correspondiente.

Los sistemas de emisión/recepción de radiofrecuencia alimentados por señales eléctricas diferenciales son muy atractivos para los sistemas de comunicaciones sin cable actuales y futuros, principalmente para los concebidos como objetos comunicantes autónomos. Una alimentación diferencial es una alimentación mediante dos señales de igual amplitud en oposición de fase. Contribuye a reducir, incluso a eliminar, el ruido denominado “de modo común” indeseable en los sistemas de emisión y de recepción.

En el campo de la telefonía móvil por ejemplo, cuando se utiliza un sistema no diferencial, se observa en efecto una degradación importante del rendimiento de la radiación cuando el operador sostiene un combinado provisto con tal sistema. Dicha degradación está causada por la variación, debida a la mano del operador, de la distribución de la corriente en la estructura (chasis) del combinado utilizado como plano de masa. La utilización de una alimentación diferencial origina un sistema simétrico y reduce de este modo la concentración de corriente en la caja del combinado: el combinado es entonces menos sensible al ruido de modo común producido por la mano del operador.

En el campo de las antenas, una alimentación no diferencial provoca la radiación de un componente cruzado indeseable debido al modo común que circula en los cables de alimentación no simétricos. La utilización de una alimentación diferencial elimina la radiación cruzada de los cables de medida y permite de este modo la obtención de medidas reproducibles e independientes del contexto de medida así como diagramas de radiación perfectamente simétricos.

En el campo de los componentes activos, los amplificadores de potencia de tipo “push-pull” cuya estructura es diferencial presentan varias ventajas, tales como el desdoblamiento de la potencia de salida y la eliminación de los harmónicos de órdenes superiores. En recepción, los amplificadores diferenciales con bajo ruido presentan varias perspectivas en términos de reducción del factor de ruido. También, la utilización de una estructura diferencial impide la activación indeseable de los osciladores por el ruido de modo común. El cuanto al estado de la técnica, la patente US 2005/162240 A1 describe una antena con alimentación diferencial que incluye un filtro pasa-banda.

La antena dipolo eléctrica es la antena diferencial en la que más naturalmente puede pensarse. Es una antena constituida por dos brazos idénticos y simétricos, alimentados por dos señales de igual amplitud y en oposición de fase. Recientemente, los dipolos gruesos conocidos por sus anchas bandas pasantes fueron muy utilizados para las comunicaciones de alto caudal, conforme a los diferentes estándares de comunicación UWB (del inglés “Ultra Wide Band”) referidos a comunicaciones con anchas bandas pasantes. Cuando son utilizadas en dispositivos no simétricos, estas antenas presentan problemas de ruido de modo común que la alimentación diferencial permite eliminar.

Por razones de optimización del lugar ocupado, dichas antenas están además ventajosamente realizadas con tecnología coplanaria, principalmente con tecnología CPS diferencial (del inglés “CoPlanar Stripline”) para “línea en banda coplanaria”) . Por otra parte, la tecnología CPS diferencial permite aprovechar ventajas de estructuras diferenciales permitiendo al mismo tiempo una integración coplanaria simple con elementos discretos: no es necesario crear uniones de tipo vía para unir los elementos entre sí. La ausencia de plano de masa permite también realizar una unión simple y menos perturbadora con otros elementos diferenciales coplanarios. Por lo tanto, cada vez más dispositivos diferenciales están diseñados con esta tecnología.

La invención se refiere por tanto más precisamente a una antena que comprende, en una misma cara de un sustrato dieléctrico, una primera mitad de dipolo radiante grueso, una primera banda conductora de una línea bifilar de alimentación en señal diferencial, estando dicha primera banda conductora unida a la primera mitad de dipolo radiante grueso, una segunda mitad de dipolo radiante grueso y una segunda banda conductora de la línea bifilar de alimentación, estando esta segunda banda conductora unida a la segunda mitad de dipolo radiante grueso.

Tal antena dipolo diferencial está descrita, por ejemplo, en el documento “Differential and single ended elliptical antenas for 3.1-10.6 GHz ultra wide-band Communications”, de Powell y al, IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium Proceedings, vol.3, páginas 2935-2938 (2004) . En este documento, el dipolo grueso comprende dos mitades radiantes de forma elíptica alimentadas por una línea bifilar diferencial. Garantiza un funcionamiento en un campo de frecuencias que abarcan de 3, 1 a 10, 6 GHz para aplicaciones de tipo UWB. En particular, el estándar WiMedia UWB proporciona una banda pasante comprendida entre 4, 2 y 4, 8 GHz en Europa, para garantizar una compatibilidad con los estándares americanos. Una antena dipolo diferencial elíptica de este tipo se describe igualmente en el documento “Planar elliptical element ultra-wideband dipole antenna”, de Schantz, IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium Proceedings, vol.3, páginas 4447 (2002) .

En el documento “A novel CPS-fed balanced wideband dipole for ultra-wideband applications”, de Chan y al, Proceeding of the European conference on antennas and propagation, EuCAP 2006, páginas 235.1 (2006) , el dipolo grueso comprende dos mitades radiantes en forma de medio disco alimentadas por dos bandas conductoras de una línea bifilar diferencial.

Más generalmente, se entiende por “dipolo grueso”, todo dipolo cuyas mitades radiantes ocupan una superficie geométrica compacta, tal como un polígono (en particular un triángulo) , una elipse, un disco, una semielipse o un medio disco.

Se señala también que cuánto más gruesa es una antena dipolo y de transición lenta de las líneas de campos entre sus brazos, mayor banda pasante presenta. Varias formas geométricas permiten alcanzar bandas pasantes más o menos importantes. Por ejemplo, una antena de tipo “mariposa”, cuyos brazos son de forma triangular, presenta una banda pasante relativa, definida por la relación ∆f/f0 donde ∆f es el ancho de la banda pasante y f0 es la frecuencia central de funcionamiento de la antena, del orden de 20%. Una antena elíptica puede, en algunos casos, presentar una banda pasante relativa que excede el 100%.

Las antenas anteriormente citadas son bastante compactas y de ancho de banda pasante, pero tienen generalmente la dimensión de una media onda con frecuencia de funcionamiento baja, es decir 30 a 40 mm a 4 GHz. En numerosas aplicaciones en que se requiere una muy alta miniaturización, siguen siendo no obstante demasiado voluminosas. Principalmente, las aplicaciones generalmente consideradas son aquéllas que utilizan protocolos de comunicación de tipo USB sin cable, en tarjetas USB de muy pequeños tamaños para los cuales las dimensiones anteriormente citadas no son convenientes.

Lamentablemente, la mayoría de las técnicas clásicas de miniaturización conocidas no son válidas para estructuras simétricas diferenciales coplanarias. Por otra parte, las leyes de la física y del electromagnetismo prevén una disminución de la banda pasante con la disminución del tamaño de las antenas, lo que no resulta conveniente principalmente en las aplicaciones anteriormente citadas.

Por otra parte, una antena debe estar conectada generalmente a un dispositivo de filtro pasa-banda. En efecto, una antena es un dispositivo que emite y recibe potencia electromagnética. Un filtro pasa-banda se utiliza por tanto para limitar la banda de frecuencia en la cual la antena va a emitir o recibir señales electromagnéticas. Esto permite reducir el ruido captado fuera de banda e impedir la interferencia de las señales emitidas o recibidas por la antena con las señales emitidas por otros sistemas de comunicación que funcionan en otras bandas de frecuencias algunas veces próximas.

De un modo clásico, se conectan a las antenas unos filtros fabricados independientemente. Esto requiere la mayoría de la veces la utilización de circuitos de adaptación o... [Seguir leyendo]

1. Sistema de antena dipolo diferencial (10 ; 82 ; 82’ ; 82”) que comprende, en una misma cara (12) de un sustrato dieléctrico, una primera mitad (18) de dipolo radiante grueso, una primera banda conductora (20) de una línea bifilar de alimentación en señal diferencial, estando esta primera banda conductora (20) conectada a la primera mitad (18) de dipolo radiante grueso, una segunda mitad (28) de dipolo radiante grueso y una segunda banda conductora (30) de la línea bifilar de alimentación, estando esta segunda banda conductora (30) conectada a la segunda mitad (28) de dipolo radiante grueso, caracterizado porque comprende:

-en dicha misma cara (12) una banda conductora suplementaria (36) que forma un corto-circuito que une la primera mitad (18) y la segunda mitad

(28) del dipolo grueso, y

- un dispositivo (50) de filtrado diferencial resonante cuya banda pasante está diseñada para combinarse con la resonancia generada por el cortocircuito de forma que se produzca una adaptación de impedancia de la antena.

2. Sistema de antena dipolo diferencial (10 ; 82 ; 82’ ; 82”) según la reivindicación 1, en el que la banda conductora suplementaria (36) es rectilínea y está colocada en una dirección ortogonal con respecto a la dirección principal de la línea de alimentación (20, 30) .

3. Sistema de antena dipolo diferencial (10 ; 82 ; 82’ ; 82”) según la reivindicación 1 o 2, en el que la banda conductora suplementaria (36) está colocada a una distancia (d) predeterminada de un punto de alimentación (P) de las dos mitades (18, 28) del dipolo radiante por la línea bifilar de alimentación (20, 30) , estando dicha distancia (d) seleccionada suficientemente baja para desplazar hacia las bajas

frecuencias una resonancia engendrada por el corto-circuito en el dipolo radiante.

4. Sistema de antena dipolo diferencial (10 ; 82 ; 82’ ; 82”) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que las mitades primera (18) y segunda (28) de dipolo radiante grueso tienen una forma elíptica o semielíptica.

5. Sistema de antena dipolo diferencial (10 ; 82 ; 82’ ; 82”) según cualquiera de las reivindicaciones1 a 3, en el que las mitades primera (18) y segunda (28) de dipolo radiante grueso tienen una forma triangular.

6. Sistema de antena dipolo diferencial (10 ; 82 ; 82’ ; 82”) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en él que el dispositivo (50) de filtrado diferencial resonante comprende un par de resonadores (52, 54) acoplados colocados en dicha misma cara (56) , comprendiendo cada resonador (52, 54) dos bandas conductoras (LE1, LE2, LS1, LS2) posicionadas de modo simétrico con respecto a un eje de dicha misma cara (56) , estando estas dos bandas conductoras (LE1, LE2, LS1, LS2) conectadas respectivamente a dos conductores (E1, E2, S1, S2) de un puerto bifilar de conexión a una línea bifilar de transmisión de una señal diferencial.

7. Sistema de antena dipolo diferencial (10 ; 82 ; 82’ ; 82”) según la reivindicación 6, en el que cada banda conductora (LE1, LE2, LS1, LS2) de cada resonador (52, 54) está plegada sobre sí misma de modo que se conforme un acoplamiento capacitivo entre sus dos extremos.

8. Sistema de antena dipolo diferencial (10 ; 82 ; 82’ ; 82”) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende una línea cuarto de onda

(70) de dos bandas conductoras coplanarias (72, 74) colocada de modo que se una, en adaptación de impedancia, la línea bifilar (20, 30) de alimentación de la antena al dispositivo de filtrado (50) , con dicha línea cuarto de onda, conformada por un circuito impreso para presentar discontinuidades de estructura (72B, 72C, 72D, 74B, 74C, 74D) generadoras de al menos un salto de impedancia y de al menos un acoplamiento capacitivo entre sus dos bandas conductoras (72, 74) de modo que se reproduzca un desfase cuarto de onda.

9. Dispositivo de emisión y/o recepción de una señal con banda ancha pasante, que comprende un sistema de antena según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.

10.Antena dipolo diferencial (10) que comprende, en una misma cara (12) de un sustrato dieléctrico, una primera mitad (18) de dipolo radiante grueso, una primera banda conductora (20) de una línea bifilar de alimentación en señal diferencial, estando esta primera banda conductora (20) conectada a la primera mitad (18) de dipolo radiante grueso, una segunda mitad (28) de dipolo radiante grueso y una segunda banda conductora (30) de la línea bifilar de alimentación, estando esta segunda banda conductora (30) conectada a la segunda mitad (28) de dipolo radiante grueso, caracterizada porque comprende en dicha misma cara (12) una banda conductora suplementaria (36) que conforma un corto-circuito que une la primera mitad (18) y la segunda mitad (28) del dipolo grueso, y porque resulta apta para ser conectada a un dispositivo (50) de filtrado diferencial resonante, para conformar un sistema de antena según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.

Frecuencia (GHz)

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