ANTENA MARGARITA PARA EMISION Y RECEPCION DE ONDAS ELECTROMAGNETICAS POLARIZADAS LINEAL Y CIRCULARMENTE.

La presente invención es una antena constituida por el agrupamiento coplanar de un número par de hilos radiantes cuyo conjunto adopta una forma parecida a la distribución de pétalos en una flor margarita (ver figura 1).

Los hilos radiantes o pétalos de la antena margarita trabajan en resonancia, tienen geometría plana, todos tienen la misma estructura y están contenidos en un mismo plano, llamado plano de la antena. La única diferencia entre los pétalos está en la distribución relativa de los sentidos de circulación de la corriente, que determina la forma del diagrama de radiación y caracteriza el comportamiento de la antena con el objetivo de permitir al usuario un amplio rango de aplicaciones.

Antena margarita para emisión y recepción de ondas electromagnéticas polarizadas lineal y circularmente.

CAMPO DE LA INVENCiÓN La presente invención pertenece al sector de las antenas emisoras y/o receptoras, de señales electromagnéticas, y más precisamente está relacionada con los siguientes sub-sectores de la tecnología de antenas: antenas de banda ancha, dipolos eléctricos y magnéticos, sistemas radiantes de transmisión y recepción, antenas para sistemas de comunicaciones, antenas para receptores de señal de televisión, antenas de bajo coste e impacto visual, antenas para sistemas de observación y vigilancia, y antenas para sistemas inhibidores de frecuencia.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Una antena es un elemento o sistema pensado y fabricado para recibir o emitir ondas electromagnéticas (EM) . Desde un punto de vista elemental, la emisión consiste en transformar una diferencia de potencial eléctrico, variable en el tiempo, aplicado a la estructura metálica del sistema en un tren de ondas EM para que se propaguen por el espacio libre de alrededor. Lo contrario es la recepción de ondas EM. Hay diversas formas y apariencias de antenas, la más sencilla y conocida es el dipolo para captar la emisión de televisión terrestre, la más complicada puede ser cualquiera de los extensos paraboloides empleados en radio astronomía para captar señales debilísimas que llegan de los confines del universo. Los diversos diseños, y por lo tanto sus características técnicas, dependen de la aplicación concreta a la cual se van a reservar. La forma y el concepto que el técnico afronta son determinantes en los resultados operativos de la antena. En términos en exceso básicas, todo reside en comparar las dimensiones geométricas del elemento emisor o receptor y la longitud de onda a emitir o captar. De una parte, la demanda que hacen los mercados de nuevas técnicas tanto para la emisión en el dominio de las ondas de radio como, igualmente, en la TV, como también en el sector de la seguridad, viene demandando desde hace ya tiempo de nuevos diseños, cada vez más complejos, de antenas para cubrir un sin número de aplicaciones nuevas.

Las ideas básicas a desarrollar están presentadas en el libro "Antennas: Theor y and Practice", de Schelkunoff S.A. y Friis H.T., publicado por Bell Telephone Laboratories, Inc., LCCCN 52-5083, 1952, Y en el articulo "Ultrahighfrequency loop antenas", de Andrew Alford and Arming G. Kandoian, publicado en AlEE Trans., 59, 1940, pp 843

848. En el primero, están descritos con detalle los modelos de las clásicas antenas de hilo, como los dipolos, simples y doblados (folded dipols) , así como también sistemas de antenas que generan un haz omni-direccional en un plano, con el campo eléctrico polarizado en dicho plano. En el segundo merece citarse las referencias a los "Alford loops" o círculos de Alford, como primer ejemplo de sistemas complejos. Un manual con descripciones más generales sobre antenas de hilo y agrupamientos en general, sería el libro de Stutzman W.L. y Thiele G.A. "Antenna Theor y and Design", publicado por John Wiley & Sons, ISBN 0-471-0448-X, 1981.

En el diseño de estos elementos o dispositivos, el parámetro a tener en cuenta es el diagrama de radiación, esto es, la representación en una gráfica, en función de la dirección, de la intensidad del campo EM. Otros parámetros a tener en consideración son: el ancho de banda, que es el rango de frecuencia en el cual se cumplen determinadas características sobre la directividad o la ganancia. Igualmente, son a considerar la anchura del haz de radiación y la polarización de la señal emitida o captada (P, H, Smith, "Cloverleaf Antenna for F.M. broadcasting", IRE Proc. 35, december 1947, 1556-1563, aunque esta ultima esta ilustrada y explicada en el libro de Schelkunoff, en la página 504 y siguientes) . En esta referencia, se presenta una antena plana formada por 4 espiras que generan un haz omni-direccional con el campo eléctrico linealmente polarizado en el plano de la antena, pensada expresamente para una aplicación específica que era novedosa por las ventajas que ofrecía a finales de los años 40. En dicho artículo se menciona que la "Cloverleaf Antenna" (Antena Trébol) puede resolver de una manera rápida y natural la influencia perversa del medio ambiental, en especial la nieve y las heladas.

En el libro de FH. Jasik, "Antenna Engineering Handbook", Me Graw Hill, l' edición de 1961 (y no en las posteriores) , se habla del "Tri polo Radiador" formado por un array plano de 3 dipolos que también presenta un haz omni-direccional similar al de la "Cloverleaf Antenna". En la comunicación de J. Vassal'lo, "Radiador de bajo perfil con polarización horizontal sobre el horizonte", presentada en el X Symposium Nacional URSI 95, Valladolid 1995, pp 743-746, se presenta el mismo radiador de 3 dipolos en circular realizados realizado por técnicas de fotograbado.

En estas referencias se mencionan por tanto, diferentes tecnologías sobre agrupamientos circulares de 3 dipolos eléctricos, así como también de 4 espiras para conseguir un mismo objetivo: un diagrama omni-direccional con el campo eléctrico linealmente polarizado y contenido en el plano de la antena. En ninguna de esas referencias se cita nada sobre que otra distribución plana de corrientes podría generar otro tipo de diagramas, tanto en el caso de los dipolos como en el de las espiras.

Las aplicaciones, cada vez más exclusivas a demanda de los mercados técnicos, han hecho pasar de la antena más simple, como el dipolo o la espira, a otras más complejas. En el artículo "Satellite communication with moving vehicles on Herat: two prototype circular array antenas", publicado en la revista Microwaves and Optical Technology Letters, vol 39, n1, pp14 -16, 5 oclober 2003, los autores F. Ares, G. Franceschetti, J. Mosig, S.Vaccaro, J. Vassal'lo and E. Moreno, presentan un agrupamiento plano y circular de 8 radiadores microstrip que genera un haz cónico en polarización circular para su uso en comunicaciones entre móviles vía satélite. Este agrupamiento proporciona la posibilidad de apuntamiento para elevaciones entre 35° y 55° sobre el plano de la antena.

En este caso, además de que la polarización debe ser circular, el diagrama de radiación requerido necesita que su carácter omni-direccional esté definido según la traza definida por la generatriz de un cono, de forma que para un móvil, situado en una posición de latitud determinada sobre la superficie terrestre, se pueda asegurar la conexión con un satélite geoestacionario independientemente de la orientación que tenga el móvil. Para esos 35° y 55° de elevación mencionados, se aseguraría de esa forma la conexión para un móvil que se desplace en la zona sur y central de Europa.

El diagrama en polarización circular se obtiene como resultado de la suma de los diagramas en polarización circular de cada uno de los 8 radiadores microstrip. Es decir, que los propios radiadores microstrip, de forma individual, trabajan en polarización circular. Amplia información sobre radiadores microstrip y agrupamientos de este tipo de radiadores puede encontrarse en los libros: "Microstrip Antennas" de 1. Bhal y P. Bhartia, publicado por Artech House en 1980, y "Microstrip Antenna Design Handbook", de R. Garg, P. Bhartia, 1. Bahl y A Ittipiboon, publicado por Artech House en 2001, ISBN 0-89006-513-6.

La polarización circular se puede obtener a partir de elementos radiantes que trabajan en polarización lineal, mediante lo que llama "rotación secuencial". Esto consiste en distribuir los elementos de forma secuencial (cada 3600 /n para n elementos) , sobre una circunferencia, girados y desfasados esa misma cantidad, tal como se puede ver en "3. Improvement of the co-cross polarisation ratio" de J. Barbero y J. Vassal'lo, en el capítulo sobre la "Contribution Irom Spain" del "Final Report 01 the COST 223 -Antennas in the 1990s, Active Array Antennas Future Satellite and Terrestrial Communications", editado por la European Comission, Directorate General XIII: Telecommunications, Information Market and Exploitation of Research, Brussels, 1995. Esta técnica para generar polarización circular es suficientemente conocida y válida, pero solo es aplicable cuando la dirección de apuntamiento coincide con el cenit de la antena, es decir, que es perpendicular al plano definido por el agrupamiento circular. En ningún caso se menciona la posibilidad de obtener un haz cónico en polarización circular, a partir de una rotación secuencial de elementos radiantes en polarización lineal.

Diagramas no omni-direccionales en un plano sino con un máximo de radiación en una dirección determinas, pueden obtenerse también con antenas de hilos, como es el caso de la antena definida por...

Antena margarita para emisión y/o recepción de ondas electromagnéticas linealmente polarizadas, caracterizada por ser el agrupamiento circular de un número par de hilos radiantes, cuyo conjunto adopta una forma parecida a la distribución de pétalos en una flor margarita, y en la que los hilos radiantes o pétalos trabajan en resonancia, tienen la misma estructura, están contenidos en mismo plano llamado plano de la antena, y la corriente que circula por los pétalos se dispone de forma simétrica respecto a un diámetro predefinido del agrupamiento circular, que coincide con la dirección de polarización lineal del campo eléctrico radiado. Esta distribución de las corrientes determina y caracteriza el funcionamiento de la antena margarita.

Antena margarita para emisión y/o recepción de ondas electromagnéticas linealmente polarizadas, según la reivindicación 1, caracterizada porque se compone de los siguientes elementos, distribuidos en 3 capas (ver figura 3) : una línea de alimentación (1) situada en el centro y conectada a las capas superior e inferior de la antena, los hilos o elementos radiantes también llamados pétalos (2) situados en la capa central de la antena, y el circuito de distribución (3) en las capas superior e inferior, y que a su vez está formado por la adaptación de la antena o balun, el divisor para distribuir la señal entre los pétalos.

Antena margarita para emisión y/o recepción de ondas electromagnéticas linealmente polarizadas, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada por la presencia de líneas bi-filares para llevar la señal desde el divisor a los pétalos, o viceversa en el caso de recepción, presencia que es necesaria cuando por motivo del tamaño de los pétalos o por requisitos del diseño, los pétalos se sitúan lejos del divisor. Estas líneas bi-filares son iguales en número al de pétalos, y deben ser todas exactamente iguales para que no introduzcan diferencia alguna en amplitud o fase en las señales que transmiten.

Antena margarita para emisión y/o recepción de ondas electromagnéticas linealmente polarizadas, según las reivindicaciones 1, 2 Y 3, caracterizada por emitir o captar señales en la dirección perpendicular al plano de la antena.

Antena margarita para emisión y/o recepción de ondas electromagnéticas linealmente polarizadas, según las reivindicaciones 1, 2, 3 Y 4, caracterizada por presentar en el diagrama de radiación un máximo de potencia en la dirección perpendicular al plano de la antena.

Antena margarita para emisión y/o recepción de ondas electromagnéticas linealmente polarizadas, según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, Y 5, caracterizada porque puede usarse para generar polarización circular intercalando dos antenas margarita en un mismo plano, cuyos pétalos coinciden en forma y número, giradas entre si, con el mismo centro, y compartiendo el mismo circuito de distribución, y con la única diferencia entre ambas antenas margarita de que las líneas bi-filares mencionadas en la reivindicación 3, tienen diferente longitud en cada antena con el objeto de proporcionar la diferencia de fase necesaria para compensar el giro entre antenas, y generar así la polarización circular buscada.

Antena margarita para emisión y/o recepción de ondas electromagnéticas lineal o circularmente polarizadas según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5 Y 6, caracterizada por emitir o captar radiación electromagnética en el rango de las microondas y la banda milimétrica del espectro electromagnético.

Antena margarita para emisión y/o recepción de ondas electromagnéticas lineal o circularmente polarizadas según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6 Y 7, caracterizada porque con el fin de realizar el diseño de los pétalos se dispone de expresiones matemáticas analíticas de su geometría, que permiten determinarlos explícitamente a partir de los parámetros de diseño: su longitud perimetral y su ángulo de abertura teniendo como vértice el centro de la antena. Se facilita así la utilización de medios informáticos para otros y diferentes propósitos, tales como el análisis del comportamiento electromagnético de la antena, la elaboración de planos de fabricación, o su uso en procesos de fabricación y montaje.

Antena margarita para emisión y/o recepción de ondas electromagnéticas lineal o circularmente polarizadas según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Y 8, caracterizada porque los pétalos se diseñan utilizando las expresiones:

- ' 2

X (t, m, L) := _., t 16

- 2 ' 2 ' 2 2 2 ~

Y (t m L) := _. t -1 . t ., m~+ m -1, ' + S·m + 1 -S·m m 2 + 1 ·L

" 8' , ~

siendo: L la longitud del perimetro del pétalo a el doble del ángulo de abertura del pétalo m la tangente de a t un número perteneciente al intervalo (-1, 1)

10. Antena margarita para emisión y/o recepción de ondas electromagnéticas lineal o circularmente polarizadas según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 Y 9, caracterizada porque los pétalos se diseñan utilizando las expresiones para el caso en que el ángulo de abertura del pétalo es n/3:

[-.[3 2 ' J , ] [-1 ' .,

'2 ]

x' t, L, e, DI := -4-·L1, t -1, + DJCOS' el --¡-.Lt., t -1, 'SID, el

, ,

2

Yt, L, e, DI := [-.[3 .LI t-1: + Dtinl e] + [-1 .Lt.: t-1, cos' e']

J' 4 " ,

siendo:

L la longitud del perimetro del pétalo D la distancia del vértice del pétalo al eje de coordenadas t un número perteneciente al intelValo (-1, 1)

el ángulo que forma el eje de simetría de cada pétalo con el eje de abscisas.

11. Antena margarita para emisión y/o recepción de ondas electromagnéticas lineal o circularmente polarizadas según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Y 10, caracterizada porque los pétalos se diseñan utilizando una circunferencia y las dos rectas tangentes trazadas desde el vértice del pétalo, siendo:

- --+3-L

el radio de la circunferencia de valor:

~1555;

el centro está situado en el punto de abscisa: 41·{3.l

y las rectas tangentes tienen una pendiente de valor: ±n{42 252

12. Antena margarita para emisión y/o recepción de ondas electromagnéticas lineal o circularmente polarizadas según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 Y 11, caracterizada porque los pétalos se fabrican por métodos de fotograbado, serigrafiado o procesos electroquímicos sobre sustrato dieléctrico, o por cualquier otro método que surja en los mercados por el desarrollo o progreso normal de la tecnología.

13. Antena margarita para emisión y/o recepción de ondas electromagnéticas lineal o circularmente polarizadas según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 Y 12, caracterizada porque la directividad de la antena margarita diseñada para obtener un máximo de radiación en la dirección perpendicular al plano de la antena, tanto en polarización lineal como en circular, puede aumentarse en un máximo de 3 dB, colocando un plano de masa paralelo al plano de la antena, a una distancia igual a un cuarto de la longitud de onda de la frecuencia de funcionamiento de la antena, consiguiendo así sumar en fase, en la dirección deseada, la señal de la antena con la reflejada por el plano de masa.

14. Antena margarita para emisión y/o recepción de ondas electromagnéticas lineal o circularmente polarizadas según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Y 13, caracterizada por su empleo en sistemas de recepción de televisión terrestre, sistemas de comunicaciones entre sistemas fijos o móviles, con enlace a través de estaciones terrestres o vía satélite, en sistemas de observación y de seguridad, así como también en sistemas dedicados a la investigación científica y técnica.