Superficie de corrugaciones planas horizontales miniaturizadas,

y antena y circuito rodeados por dicha superficie.

Se refiere a una superficie artificial formada por corrugaciones horizontales planas miniaturizadas, que permite eliminar o reducir la propagación de ondas electromagnéticas en el substrato (2) de antenas y circuitos impresos y mejorar sus prestaciones. Dicha superficie se basa en el uso de nuevas topologías para la tira (5) metálica que forma la corrugación, estas geometrías consisten en líneas replegadas acopladas, elementos tipo "hairpin", tipo palmera o tipo espiral. Estas geometrías posibilitan una reducción en el tamaño de las corrugaciones y la incorporación de un número suficiente de ellas para la obtención del efecto deseado, y esto compatible con dispositivos compactos.

SUPERFICIE DE CORRUGACIONES PLANAS HORIZONTALES MINIATURIZADAS, Y ANTENA Y CIRCUITO RODEADOS POR DICHA SUPERFICIE

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo de las antenas de perfil plano y circuitos impresos, de aplicación en telefonía móvil, rádares, posicionamiento o comunicaciones.

El objeto principal de la presente invención es una superficie artificial compuesta por una disposición preferiblemente periódica de corrugaciones de perfil plano, conocidas como corrugaciones horizontales, cuyo funcionamiento se basa en la eliminación o guiado, según la dirección considerada, de ondas electromagnéticas. El diseño se fundamenta en una serie de topologías para la parte metálica impresa (strip o tira) de la corrugación que, mediante el repliegue de las mismas, obtienen una longitud de transformación de impedancia de A / 4 en un menor espacio físico. Dichas topologías están formadas preferiblemente por líneas acopladas, geometrías de tipo "hairpin", geometrías de tipo palmera y geometrías en espiral. La condición de cortocircuito necesaria para el funcionamiento de la superficie se produce en cada tira metálica mediante la introducción en uno de sus extremos de un muro metálico o un conjunto, periódico o no, de vías metálicas o hilo de material conductor.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En el estado de la técnica existen distintas superficies artificiales compuestas por elementos habitualmente impresos con geometrías y propiedades distintas, cuyos diseños han sido dirigidos a solventar en lo posible el problema producido por la propagación de ondas de superficie en un substrato con plano de masa. Dicho problema tiene como consecuencia, cuando dicha propagación se produce en el substrato en el que se sitúan tanto antenas impresas, conocidas también como antenas de parche, como circuitos realizados en tecnología impresa, el empeoramiento de las prestaciones de los mismos.

Se conocen bien tanto los inconvenientes que tienen dichos efectos como el alcance y efectividad de las soluciones que involucran elementos de geometrías canónicas. Por ejemplo, se presentan un conjunto de superficies y algunas aplicaciones en el trabajo presentado en 10.1109/TAP.2004.841530 (publicado en IEEE Transactions on Antennas and Propagation en 2005) . La superficie propuesta en dicho trabajo, a diferencia de otras formadas por disposiciones de elementos con periodicidades en dos dimensiones (conocidas como superficies de banda prohibida electromagnética EBG de sus siglas en inglés) , está compuesta por una configuración de elementos repetidos en una única dimensión, dicha superficie forma parte de las denominadas superficies soft/hard. Véase el trabajo anteriormente referido para mayor información de estas superficies y sus diferencias con las superficies EBG y el presentado en 10.1109/8.59765 (publicado en IEEE Transactions on Antennas and Propagation en 1990) donde P.S. Kildal describe el funcionamiento de estas superficies.

En el trabajo 10.1049/iet-map: 20050327 (publicado en IET Microwaves, Antennas & Propagation) E. Rajo et al., ofrecen una comparación entre las prestaciones de las superficies EBG clásicas, y las más empleadas en las aplicaciones, que fueron propuestas por Sivenpiper en 10.1109/22.798001 (publicado en IEEE Transactions on Microwave Theor y and Techniques en 1999) , y las corrugaciones horizontales formadas por strips y vías cortocircuitadas al plano de masa. Una de las principales conclusiones es que la periodicidad de las vías en estas últimas posibilita un menor tamaño para cada elemento en la dirección transversal si se ajustan adecuadamente. Otra opción posible para reducir el tamaño de los elementos de Sivenpiper es el desplazamiento de la vía hasta el borde de la metalización de los parches como se propuso en 10.1109/LMWC.2007.903456 (publicado en IEEE Microwave and Wireless Components Letters en 2007) . En este caso no se puede hablar de superficie soft/hard ya que la periodicidad es 2D y no hay una dirección soft en la superficie.

Otro trabajo que muestra una posibilidad distinta para reducir el tamaño de los elementos en una superficie EBG periódica es 10.1109/TMTT.2004.839322 (publicado en IEEE Transactions on Microwave Theor y and Techniques en 2005) . En este caso se expone una estructura EBG periódica en dos dimensiones formada por elementos del tipo Sivenpiper en los que se ha realizado una modificación en la geometría de la metalización que recuerda a un tenedor. A su vez los elementos se entrelazan unos con otros obteniendo un acoplamiento capacitivo adicional entre los mismos lo que produce una mayor compactación de los mismos. Se muestran dos ejemplos claros de posible utilidad de este tipo de estructuras.

En relación a la utilidad de este tipo de corrugaciones planas, ha quedado demostrada su capacidad para mejorar diversos parámetros de las antenas y circuitos impresos. Dicha capacidad está ligada a su propiedad de eliminar o reducir drásticamente la propagación de ondas electromagnéticas guiadas por la superficie del substrato.

Por ejemplo en 10.1109/TAP.2007.908818 (publicado en IEEE Transactions on Antennas and Propagation en 2007) se utiliza la versión de corrugaciones horizontales planas con strip y vías metálicas situadas en el centro para evitar la excitación de ondas de superficie y aumentar la ganancia de una antena impresa. Dichas corrugaciones se sitúan de manera concéntrica rodeando la antena de manera que la dirección transversal coincide con la dirección radial.

Otro ejemplo de aplicación de estas estructuras es la propuesta en 10.1109/TAP.2009.2024226 (publicado en IEEE Transactions on Antennas and Propagation en 2009) . En este trabajo se expone la aplicación de las corrugaciones planas horizontales, formadas por tiras metálicas y vías cortocircuitadas al plano de masa situadas en uno de los bordes, a la reducción del acoplamiento mutuo entre dos antenas de parche que comparten el mismo substrato.

En el artículo 10.1109/LAWP.2009.2021589 (publicado en IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters en 2009) F. Caminita et al proponen una versión de las corrugaciones planas horizontales con vías situadas en el centro basada en la modificación de la geometría de la tira metálica. Dicha modificación consiste en un conjunto de ramas en forma de "L" que sobresalen de la tira metálica y se repliegan hacia uno de los lados. Dichas ramas que son paralelas a la tira metálica se entrelazan con las ramas de la tira metálica más próxima.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención resuelve el problema de la propagación no deseada de ondas de superficie, y en general de ondas electromagnéticas en antenas preferentemente impresas y circuitos impresos.

La invención describe un conjunto de nuevas topologías para las tiras metálicas impresas de corrugaciones planas horizontales (también conocidas como superficies soft/hard o superficies EBG) que permiten una reducción en el tamaño físico de los elementos y por consiguiente posibilitan su integración en diversos dispositivos compactos.

Las corrugaciones miniaturizadas que se proponen se componen de un plano de masa (metálico) acompañado de al menos un substrato dieléctrico sobre el que se sitúa una disposición, preferentemente regular, de tiras metálicas que incorporan un conjunto de vías metálicas situadas en uno de sus bordes y que conectan eléctricamente el plano de masa y las tiras metálicas, cumpliendo así con la condición de cortocircuito necesaria para el funcionamiento de la superficie objeto de invención.

Se contempla de manera opcional la posibilidad de realizar dicho cortocircuito empleando, en lugar de vías metálicas, un muro metálico vertical que realice la conexión entre el plano de masa y el borde de las tiras metálicas. También se contempla la posibilidad de que el cortocircuito se realice mediante hilo conductor y por técnicas compatibles con la fabricación textil, en este caso tanto el plano de masa, como el material utilizado como substrato, podrían ser flexibles para posibilitar su incorporación en superficies deformables. La geometría y tamaño de las tiras metálicas y el periodo de las vías (en el primer caso) definen las propiedades de eliminación de ondas electromagnéticas de la superficie.

La presente invención sustituye las tradicionales formas de las tiras metálicas rectangulares para el caso de las corrugaciones planas horizontales con vías o muro metálico en el borde.

De forma preferente, la invención comprende:...

R E I V I N D I C A C I O N E S

1. Superficie de corrugaciones planas horizontales miniaturizadas que contienen al menos un plano de masa (1) y substrato (2) dieléctrico, caracterizada porque comprende:

- al menos una tira (5) metálica cortocircuitada a través de un elemento de cortocircuito con el plano de masa (1) , con una geometría variable que permite una disminución física de la superficie necesaria para la transformación de impedancia;

- al menos una configuración que presente dos o mas corrugaciones planas miniaturizadas en una repetición regular o irregular de las mismas, siguiendo una geometría canónica que permita orientar la dirección en la que la superficie elimina las ondas de superficie con la dirección de una antena o circuito donde se pretende cancelar las ondas electromagnéticas no deseadas.

2. Superficie de corrugaciones planas horizontales miniaturizadas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el elemento de cortocircuito se selecciona entre: unas vías (3) metálicas, un hilo conductor y un muro metálico.

3. Superficie de corrugaciones planas horizontales miniaturizadas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la geometría canónica sigue una simetría que se selecciona entre: simetría lineal, circular, triangular, cuadrada o rectangular y pentagonal.

4. Superficie de corrugaciones planas horizontales miniaturizadas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la tira (5) metálica presenta una geometría que se selecciona entre: geometría de espiral cuadrada y geometría de espiral circular.

5. Superficie de corrugaciones planas horizontales miniaturizadas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la tira (5) metálica tiene forma de líneas acopladas simples o en "L", o de resonador tipo Hairpin.

6. Superficie de corrugaciones planas horizontales miniaturizadas de acuerdo con reivindicación 1, caracterizada porque la tira (5) metálica comprende al menos un elemento concentrado de tipo condensador y/o diodo varactor y/o diodo pin o combinaciones de los anteriores.

7. Superficie de corrugaciones planas horizontales miniaturizadas de acuerdo con reivindicación 1, caracterizada porque comprende al menos un elemento concentrado de tipo bobina o combinación de bobinas, conectado en serie entre cualquiera de los elementos de cortocircuito y el plano de masa (1) .

8. Superficie de corrugaciones planas horizontales miniaturizadas de acuerdo con reivindicación 1, caracterizada porque el elemento de cortocircuito se encuentra conectado en cualquiera de los extremos de la tira (5) metálica, para cualquiera de los elementos geométricos de corrugaciones miniaturizadas.

9. Superficie de corrugaciones planas horizontales miniaturizadas de acuerdo con reivindicación 1, caracterizada porque comprende adicionalmente una línea de transmisión en una capa superior, quedando las corrugaciones embebidas en una multicapa formada por al menos dos capas de substrato (2) dieléctrico, pudiendo tener dicha multicapa, materiales con iguales o distintas características dieléctricas.

10. Superficie de corrugaciones planas horizontales miniaturizadas de acuerdo con reivindicación 1, caracterizada porque la línea de transmisión es microstrip.

11. Superficie de corrugaciones planas horizontales miniaturizadas de acuerdo con reivindicación 1, caracterizada por estar sustentadas en un substrato (2) dieléctrico y un plano de masa (1) siendo ambos conformes a una superficie flexible o rígida de geometría preferentemente no plana.

12. Antena impresa caracterizada porque está rodeada por la superficie de corrugaciones planas horizontales descrita en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.

13. Antena impresa de acuerdo con reivindicación 12, caracterizada porque 5 comparte el mismo substrato (2) en el que están situadas las corrugaciones, estando la antena y las corrugaciones en configuración coplanar con un substrato (2) monocapa, o ubicadas en una capa inferior de idéntico material, donde el plano de las tiras (5) metálicas que las componen queda localizado en un estrato inferior al plano donde se sitúa la antena.

1.

14. Antena impresa de acuerdo con reivindicación 12, caracterizada porque comparte el mismo substrato (2) en el que están situadas las corrugaciones, estando la antena y las corrugaciones en configuración coplanar con un substrato (2) multicapa, o ubicadas en una capa inferior de dieléctrico diferente, donde el plano de las tiras (5) metálicas que las componen queda localizado en un estrato inferior al plano donde se sitúa la antena.

15. Circuito impreso rodeado por una superficie de corrugaciones planas horizontales de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque comparte el mismo substrato (2) en el que están situadas las corrugaciones, estando la antena y las corrugaciones en configuración coplanar con un substrato (2) multicapa, o ubicadas en una capa inferior de dieléctrico diferente, donde el plano de las tiras (5) metálicas que las componen queda localizado en un estrato inferior al plano donde se sitúa el circuito.

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

Nº solicitud: 201030518

ESPAÑA

Fecha de presentación de la solicitud: 12.04.2010

Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

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

DOCUMENTOS RELEVANTES

81. 814 XP011330993 ISSN 1536-1225. 1, 12 A RAJO-IGLESIAS E. et al. "Comparison of bandgaps of mushroom-type EBG surface and corrugated and strip-type soft surfaces". 20070205. Vol. 1, No. 1, Páginas.

18. 189 XP006028072. 1-15 Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica 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 después 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 20.03.2012 Examinador J. Botella Maldonado Página 1/4

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

Nº de solicitud: 201030518

Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) H01Q Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, NPL, XPESP, XPAIP, XPI3E, INSPEC.

Informe del Estado de la Técnica Página 2/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201030518

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 20.03.2012

Declaración

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 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 Técnica Página 3/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201030518

1. Documentos considerados.

A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

81. 814 XP011330993 ISSN 1536-1225. D03 RAJO-IGLESIAS E. et al. "Comparison of bandgaps of mushroomtype EBG surface and corrugated and strip-type soft surfaces". 20070205. Vol. 1, No. 1, Páginas.

18. 189 XP006028072.

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 El documento D01 analiza la propagación de ondas de superficie en superficies EBG. Las corrugaciones planas horizontales se realizan con tiras metálicas impresas formando topologías hairpin que se cortocircuitan con el plano de masa a través de una vía metálica. Estas topologías permiten una reducción en el tamaño de la estructura EBG conseguida tanto a través de la topología utilizada como de la posición lateral de la vía. En el documento D02 la topología propuesta para las tiras metálicas se basa en corrugaciones horizontales cortocircuitadas en un extremo con el plano de masa. Tiras en forma de L con las ramas en direcciones opuestas se alternan a ambos lados de una tira metálica, formando estructuras periódicas que encajan entre sí, permitiendo una mayor densidad de tiras lo que posibilita la miniaturización del EBG utilizando materiales de baja permitividad. En la figura 6 (a) presenta una antena parche rodeada por estructuras EBG. Las características de las reivindicación 1ª ya son conocidas de los documento D01 y D02. Además las características de las reivindicaciones 2ª, 5ª, 10ª, lo son del documento D01 y las características de la reivindicación 12ª, del documento D02. Por lo tanto las reivindicaciones 1ª, 2ª, 5ª, 10ª y 12ª no son nuevas a la vista del estado de la técnica conocido y carecen de actividad inventiva.

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