Antena microstrip monopolar de doble frecuencia.

1. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia, caracterizada porque comprende:

- un plano de masa (14)

- al menos un parche (10) metálico cortocircuitado con el plano de masa (14) a través de al menos un elemento de cortocircuito;

- al menos una ranura (11) realizada en la metalización del parche (10); y

- al menos una sonda metálica (18) de alimentación conectada a la metalización del parche (10).

2. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según reivindicación 1, caracterizada porque comprende al menos dos ranuras (11) realizadas en la metalización de la antena (10) y situadas en posición simétrica respecto al eje central del parche (10).

3. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque comprende una tapa superior (2) de material no metálico cuyo efecto ha sido considerado conjuntamente con la antena para fijar el tamaño de la misma así como la geometría y posición de las ranuras y la posición de los elementos de cortocircuito.

4. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según la reivindicación 2, caracterizada porque las ranuras (11) se encuentran en posiciones espaciadas simétricamente respecto al eje azimutal del parche (10).

5. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según la reivindicación 4, caracterizada porque las ranuras (11) tienen geometría semicircular, rectangular, semielíptica, en semianillo, geometría en L o geometría en C.

6. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según la reivindicación 1, caracterizada porque los elementos de cortocircuito se encuentran fijados de forma que los diagramas de radiación de la antena en ambas bandas sean monopolares.

7. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según la reivindicación 1 ó 6, caracterizada porque los elementos de cortocircuito son vías metálicas, tornillos metálicos, tornillos metálicos soldados, taladros metalizados, cintas metálicas verticales o piezas metálicas verticales.

8. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende al menos un sustrato dieléctrico entre el parche (10) y el plano de masa (14).

9. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según la reivindicación 8, caracterizada porque comprende un sustrato dieléctrico (13) situado sobre el plano de masa (14), sobre el que a su vez se sitúa una capa de material dieléctrico (12) sobre la que está impresa la metalización del parche (10).

10. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque el parche (10) está suspendido sobre el plano de masa (14) y sustentado verticalmente por los elementos de cortocircuito.

11. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque para el acoplo de energía comprende un cable o línea de transmisión (19) al que se conecta a través de una sonda metálica (18) o por medio de un conector (17) conectado a su vez a dicha sonda metálica (18).

12. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el parche (10) tiene geometría circular, cuadrada, rectangular o poligonal.

Antena microstrip monopolar de doble frecuencia

OBJETO DE LA INVENCION

La presente invención se refiere a una antena plana en tecnología microstrip que permite la comunicación en dos bandas de frecuencia. Se basa en el uso de modos de radiación de la antena producidos por elementos de cortocircuito, que conectan la metalización de la antena con el plano de masa, y la introducción de ranuras en la metalización de la antena. Debido a la anterior configuración la radiación emitida o recibida por la antena es, en ambas bandas, omnidireccional en el plano del suelo y por lo tanto adecuada para aplicaciones de comunicaciones vía radio.

La antena descrita tiene como principal aplicación su integración en la estructura de un edificio o elemento arquitectónico para posibilitar la comunicación vía radio entre cualesquiera dispositivos electrónicos, por ejemplo de control remoto y/o supervisión, y una red externa.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Debido a la creciente necesidad de establecer una conexión vía radio con dispositivos y equipos electrónicos en general, como por ejemplo en aplicaciones de automatización y control industrial, y el número en aumento de las bandas de frecuencia necesarias se requieren antenas que ofrezcan más de una banda de operación y permitan una recepción/transmisión de señales con independencia de su posición respecto a la otra antena del enlace radio de la red a la que accedan.

En el Estado de la Técnica existen distintas antenas planas en tecnología microstrip compuestas por metalizaciones habitualmente impresas, sobre un sustrato situado por encima del plano de masa, con geometrías y propiedades variables, cuyos diseños permiten obtener distintas características: bandas de funcionamiento, polarización radiada o niveles de ganancia. Los diagramas de radiación convencionales de este tipo de antenas son de tipo broadside. Esto significa que la dirección en la que emiten su máximo nivel de energía corresponde a la perpendicular al plano que contiene a la metalización de la antena.

Por otro lado se conoce en el Estado de la Técnica la posibilidad de obtener diagramas de radiación monopolares, esto es con simetría azimutal, para las antenas microstrip bajo determinadas circunstancias. Por ejemplo, las denominadas antenas de parche en anillo cortocircuitado son también planas pero a su vez permiten excitar su modo fundamental, el modo TM01 o también denominado modo cero, que presenta un diagrama de radiación omnidireccional en el plano de la metalización de la antena. Es de destacar que este tipo de antenas sólo consiguen un margen estrecho de adaptación trabajando con este modo de simetría azimutal (típicamente por debajo de un 5%) , esto significa que su característica de permitir una radiación monopolar únicamente se logra en una banda de frecuencia y además esta banda es inherentemente estrecha. En los últimos años, un gran número de publicaciones científicas han avanzado en el conocimiento de estos radiadores. Por ejemplo, en el trabajo presentado en 10.1109/TAP.2006.875925 (publicado en IEEE Transactions on Antennas and Propagation en 2006) , González-Posadas et al. presentan un estudio analítico según el modelo de cavidad que describe las características de esta antena funcionando en su modo TM01con un diagrama monopolar.

Otro trabajo reciente es 9-472-4 (publicado en los Proceedings of the Fourth European Conference on Antennas and Propagation en 2010) . En este caso se busca ensanchar la banda de operación de una antena de parche en anillo cortocircuitado que trabaja con el modo cero. En este diseño de banda ancha se sustituye el poste central de cortocircuito del anillo por un conjunto de tres vías de cortocircuito separadas entre sí y cuya posición se optimiza para aumentar la banda de adaptación de la antena. Por lo tanto, en el diseño presentado por Vázquez-Roy et al. se consigue alcanzar un ancho de banda para el modo monopolar de un 12% para el nuevo diseño con vías metálicas en relación al correspondiente parche en anillo cortocircuitado convencional tomado como referencia y que ofrece anchos de banda cercanos a un 5%.

Se han presentado también algunos diseños que implementan antenas planas pero a su vez miniaturizadas mediante la incorporación de paredes de cortocircuito. Estas antenas se denominan en la literatura Planar Inverted Folded Antenna PIFA (por su forma lateral que recuerda a una F) y la introducción de ranuras en la metalización de la antena. Por ejemplo en el artículo 10.1049/el:20000305 (publicado en IET Electronics Letters en 2000) se diseña una antena de tipo PIFA que permite operar en dos bandas de frecuencia gracias a un segundo modo de la antena excitado mediante la incorporación de una ranura en la metalización de la antena. Los diagramas de radiación en este caso son para las dos bandas de trabajo de tipo broadside. El tamaño eléctrico de la antena es menor al que correspondería a una antena microstrip convencional para las mismas frecuencias.

En la patente EP-0749176A1, se presenta una antena microstrip cortocircuitada en un lateral (de tipo PIFA) con una forma en C para la metalización. La existencia de dos ranuras, además de darle su geometría característica, permite junto con el modo convencional operar en dos bandas de frecuencia para aplicaciones de comunicaciones. Sus diagramas de radiación son los habituales para las antenas de tipo PIFA.

La patente EP-1710861A1, presenta un conjunto de dos antenas que permiten trabajar en dos bandas de frecuencia. El invento combina sobre un único plano de masa una antena de parche circular, que está cortocircuitada en su centro, con una segunda antena que consiste en un monopolo de tipo varilla incorporado en posición vertical sobre el plano de masa y situado en su centro. Los diagramas de la antena en ambas bandas de operación son de tipo monopolar pero su principal inconveniente es que el monopolo vertical hace que la antena no sea plana lo que dificulta su integración con los sistemas habituales de comunicaciones.

En la patente EP-0923156A1 se propone un parche cortocircuitado en su lateral por medio de dos bandas metálicas verticales. También incorpora dos ranuras externas que obtienen una banda adicional de trabajo. En este caso la alimentación es por sonda coaxial pero esta a su vez queda conectada a una línea impresa de alimentación central para el parche. Los diagramas de la antena para sus bandas de operación no son monopolares.

DESCRIPCION DE LA INVENCION

La invención propuesta resuelve los problemas mencionados y describe una antena plana de tamaño reducido, que puede ser considerada una antena microstrip, también conocida como antena de parche en la literatura, es decir, comprende un plano de masa (metálico) que puede ir acompañado de al menos un sustrato dieléctrico sobre el que se sitúa una forma metálica que es la que define la radiación y la frecuencia de trabajo. La anterior metalización queda cortocircuitada por elementos de cortocircuito, por ejemplo tornillería o taladros metalizados, que la conectan eléctricamente con el plano de masa debido a lo cual el modo de funcionamiento de la antena es el denominado modo TM01 o modo cero cuya principal propiedad es proporcionar una radiación monopolar. A su vez la doble banda de operación se obtiene por la incorporación de ranuras preferentemente semicirculares, con dimensiones optimizadas y situadas de manera simétrica respecto al centro de la antena, para producir una segunda banda de operación para la antena y que producen también un diagrama de radiación esencialmente omnidireccional en el plano del suelo.

La invención aquí descrita, sustituye las ya conocidas configuraciones de parches cortocircuitados, como por ejemplo los conocidos como en anillo cortocircuitado, por una antena también de parche cuya banda de trabajo se ve aumentada por el ajuste y posicionamiento de los elementos de cortocircuito y a la que se añade una segunda banda de operación por medio de la introducción de ranuras en la metalización de la antena.

La posición de los elementos de cortocircuito se fija para ensanchar la respuesta en frecuencia de la antena en las dos bandas de operación y para simetrizar los diagramas de radiación. Uno de estos elementos de cortocircuito queda situado en el eje formado por la sonda de alimentación y el centro de la antena de forma que compense la falta de simetría que introduce la alimentación. Por otro lado son necesarios un número par de elementos de cortocircuito adicionales (al menos dos) que quedan situados en el lado opuesto respecto a la sonda de la metalización y en posiciones simétricas respecto al eje formado por la sonda y el centro de la antena. Como resultado de dicha configuración...

1. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia, caracterizada por que comprende:

-un plano de masa (14)

- al menos un parche (10) metálico cortocircuitado con el plano de masa (14) a través de al menos un elemento de cortocircuito;

- al menos una ranura (11) realizada en la metalización del parche (10) ; y

-al menos una sonda metálica (18) de alimentación conectada a la metalización del parche (10) ;

2. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según reivindicación 1, caracterizada por que comprende al menos dos ranuras (11) realizadas en la metalización de la antena (10) y situadas en posición simétrica respecto al eje central del parche (10) .

3. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según reivindicación 1 ó 2, caracterizada por que comprende una tapa superior (2) de material no metálico cuyo efecto ha sido considerado conjuntamente con la antena para fijar el tamaño de la misma así como la geometría y posición de las ranuras y la posición de los elementos de cortocircuito.

4. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según la reivindicación 2, caracterizada por que las ranuras (11) se encuentran en posiciones espaciadas simétricamente respecto al eje azimutal del parche (10) .

5. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según la reivindicación 4, caracterizada por que las ranuras (11) tienen geometría semicircular, rectangular, semielíptica, en semianillo, geometría en L o geometría en C.

6. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según la reivindicación 1, caracterizada por que los elementos de cortocircuito se encuentran fijados de forma que los diagramas de radiación de la antena en ambas bandas sean monopolares.

7. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según la reivindicación 1 ó 6, caracterizada por que los elementos de cortocircuito son vías metálicas, tornillos metálicos, tornillos metálicos soldados, taladros metalizados, cintas metálicas verticales o piezas metálicas verticales.

8. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según la reivindicación 1, caracterizada por que comprende al menos un sustrato dieléctrico entre el parche (10) y el plano de masa (14) .

9. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según la reivindicación 8, caracterizada por que comprende un sustrato dieléctrico (13) situado sobre el plano de masa (14) , sobre el que a su vez se sitúa una capa de material dieléctrico (12) sobre la que está impresa la metalización del parche (10) .

10. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que el parche (10) está suspendido sobre el plano de masa (14) y sustentado verticalmente por los elementos de cortocircuito.

11. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada por que para el acoplo de energía comprende un cable o línea de transmisión (19) al que se conecta a través de una sonda metálica (18) o por medio de un conector (17) conectado a su vez a dicha sonda metálica (18) .

12. Antena microstrip monopolar de doble frecuencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el parche (10) tiene geometría circular, cuadrada, rectangular o poligonal.

Fig. 1

Fig. 2 Fig. 3

Fig. 4 Fig. 5

Fig. 6 Fig. 7