Antenas miniatura rellenadoras de espacio.

Una antena monopolo, dicha antena monopolo comprendiendo un brazo radiante y un plano de masa (12),

dicho brazo radiante se excita mediante una línea de transmisión (11),

donde dicho brazo radiante tiene la forma de una curva rellenadora de espacio (59-60),

donde dicha curva rellenadora de espacio se compone de al menos diez segmentos conectados formando una porción no periódica de dicha curva, donde:

- cada uno de dichos segmentos es más corto que un décimo de la longitud de onda de operación de la antena en espacio libre;

- dichos segmentos están dispuestos espacialmente de modo que ninguno de dichos segmentos forma, junto con un segmento adyacente, un segmento recto más largo;

- dichos segmentos están conectados de modo que cada segmento forma un ángulo con sus vecinos;

- ninguno de dichos segmentos intersecta con otro de dichos segmentos excepto en los extremos de la curva, por la cual dicha curva rellenadora de espacio intersecta consigo misma en su principio y fin de manera que dicha curva rellenadora de espacio forma un lazo cerrado;

- cada par de segmentos adyacentes de dicha curva forma una esquina; y

- donde si dicha curva es periódica a lo largo de una determinada dirección recta del espacio, el periodo correspondiente se define por la porción no periódica compuesta por al menos diez segmentos conectados, ninguno de dichos segmentos conectados forma, junto con un segmento adyacente, un segmento recto más largo; dicha curva rellenadora de espacio es una curva que presenta una dimensión de box-counting mayor a uno;

donde dicha curva no es auto-similar.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere, en general, a una nueva familia de antenas de tamaño reducido basado en una innovadora geometría, la geometría de las curvas nombradas como Curvas rellenadoras de espacio (SFC) . Una antena se dice que es una antena pequeña (una antena en miniatura) cuando puede colocarse en un espacio pequeño en comparación con la longitud de onda de operación. De manera más precisa, la esfera radiante se toma como referencia para clasificar una antena como pequeña. La esfera radiante es una esfera imaginaria de radio igual a la longitud de onda de operación dividida por dos π; una antena se dice que es pequeña en términos de longitud de onda cuando se puede situar dentro de dicha esfera radiante.

El documento WO-A-97/06578 describe antenas fractales, resonadores y elementos cargados. El documento WOA99/27608 describe una antena cilíndrica conformada en un sustrato plano.

Una geometría innovadora, la geometría de las Curvas rellenadoras de espacio (SFC) se define en la presente invención y se utiliza para dar forma a parte de una antena. Por medio de esta novedosa técnica, el tamaño de la antena puede ser reducido con respecto al estado de la técnica anterior, o alternativamente, dado un tamaño fijo la antena puede funcionar a una frecuencia más baja con respecto a una antena convencional del mismo tamaño.

La invención es aplicable al campo de las telecomunicaciones y, más concretamente, al del diseño de antenas de tamaño reducido.

Antecedentes y Sumario de la invención

Los limites fundamentales en antenas pequeñas fueron establecidos de manera teórica por H. Wheeler y L. J. Chu a mediados de la década de los 40. Básicamente, declararon que una antena pequeña tiene un elevado factor de calidad (Q) debido a la gran energía reactiva almacenada en las proximidades de la antena en comparación con la potencia radiada. Dicho factor de calidad elevado conlleva un ancho de banda estrecho; de hecho, el fundamento que se deriva de dicha teoría impone un ancho de banda máximo dado un tamaño especifico de una antena pequeña.

En relación con este fenómeno, también se sabe que una antena pequeña presenta una elevada reactancia de entrada (ya sea capacitiva o inductiva) que generalmente tiene que ser compensada con una red externa de adaptación o un circuito de carga. Esto también significa que es difícil colocar una antena resonante en un espacio que es pequeño en términos de la longitud de onda en resonancia. Otras características de una antena pequeña son su baja resistencia de radiación y su baja eficiencia.

La búsqueda de estructuras que pueden radiar de manera eficiente desde un espacio pequeño tiene un enorme interés comercial, especialmente en el entorno de los dispositivos de comunicación móviles (telefonía móvil, buscapersonas móviles, ordenadores portátiles y manipuladores de datos, por nombrar algunos ejemplos) , en donde el tamaño y el peso de los equipos portátiles necesitan ser pequeños. De acuerdo con R. C. Hansen (R. C. Hansen, "Fundamental Limitations on Antennas", Proc. IEEE, vol. 69, no. 2, Feb. 1981) , el rendimiento de una antena pequeña depende de su capacidad para utilizar eficientemente el pequeño espacio disponible dentro de la esfera radiante imaginaria que rodea la antena.

En esta invención, se presenta un novedoso conjunto de geometrías denominadas Curvas rellenadoras de espacio (de ahora en adelante SFC) para el diseño y construcción de antenas monopolo pequeñas que mejoran el funcionamiento de otras antenas clásicas descritas en el estado de la técnica anterior (tales como los monopolos lineales, dipolos y espiras circulares o rectangulares) .

La invención se describe en las reivindicaciones independientes. Algunas realizaciones se describen en las reivindicaciones dependientes.

Algunas de las geometrías descritas en la presente invención se inspiran en las geometrías ya estudiadas en el siglo XIX por varios matemáticos tales como Giusepe Peana y David Hilbert. En dichos casos, las curvas fueron estudiadas desde el punto de vista matemático, pero nunca fueron utilizadas en alguna aplicación práctica de ingeniería.

La dimensión (D) a menudo se utiliza para caracterizar curvas y estructuras geométricas altamente complejas tales como aquellas que se describen en la presente invención. Existen muchas definiciones matemáticas diferentes de dimensión, pero en el presente documento, se usa la dimensión box-counting (que es bien conocida por aquellos que son expertos en teoría matemática) para caracterizar una familia de diseños. La dimensión box-counting se calcula como la pendiente de la porción recta de una gráfica log-log. Dicha porción recta se define, sustancialmente, como un segmento recto sobre, como mínimo, un octavo de las escalas en el eje horizontal de la gráfica log-log. Los expertos en teoría matemática se darán cuenta de que, opcionalmente, un algoritmo de Sistema de Función Iterada (IFS) , un algoritmo de Máquina Copiadora de Reducción Múltiple (MRCM) o un algoritmo de Máquina Copiadora de Reducción Múltiple en Red (NMRCM) se pueden utilizar para construir algunas curvas rellenadoras de espacio como las descritas en el presente documento; sin embargo las curvas construidas usando un IFS o un MRCM no se incluyen en el ámbito de protección de las reivindicaciones.

El punto clave de la presente invención es dar forma a una parte de la antena (por ejemplo los brazos de un dipolo, el brazo de un monopolo, el perímetro del parche en una antena de parche, la ranura en una antena de ranura, el perímetro de la espira en una antena de espira, la sección transversal de la bocina en una antena de bocina, o el perímetro del reflector en una antena de reflector) como una curva rellenadora de espacio, esto es, una curva que es grande en términos de longitud física pero pequeña en términos del área en la que puede incluirse la curva. De manera más precisa, la siguiente definición es la que se considera en este documento para una curva rellenadora de espacio: una curva compuesta por al menos diez segmentos que están conectados de tal manera que cada segmento forma un ángulo con sus vecinos, esto es, ningún par de segmentos adyacentes define un segmento recto más largo; y donde la curva puede ser, opcionalmente, periódica a lo largo de una determinada dirección recta del espacio si y solo si el periodo está definido por una curva no periódica compuesta por al menos diez segmentos conectados y ningún par de dichos segmentos conectados y adyacentes define un segmento recto más largo. Además, cualquiera que sea el diseño de dicho SFC, nunca puede intersectar consigo mismo en ningún punto excepto en el punto inicial y en el punto final (es decir, toda la curva puede estar dispuesta como una curva cerrada o lazo cerrado, pero ninguna de las partes de la curva puede ser un lazo cerrado) . Una curva rellenadora de espacio puede disponerse sobre una superficie plana o curva, y debido a los ángulos entre los segmentos, la longitud de la curva siempre es mayor que la de cualquier línea recta que pueda ser colocada en la misma área (superficie) que dicha curva rellenadora de espacio. Además, para dar forma correctamente a la estructura de una antena en miniatura de acuerdo con la presente invención, los segmentos de las curvas SFC tienen que ser menores que un décimo de la longitud de onda de operación en espacio libre.

Dependiendo del procedimiento para dar forma a la antena y de la geometría de la curva, se pueden diseñar de manera teórica algunas curvas SFC de longitud infinita para caracterizar una dimensión Haussdorf mayor que su dimensión topológica. Es decir, en términos de la geometría euclídea clásica, normalmente se entiende que una curva siempre es un objeto de una sola dimensión; sin embargo, cuando la curva es muy compleja y su longitud física es muy grande, la curva tiende a llenar partes de la superficie en la que está dispuesta; en ese caso, se puede calcular la dimensión Haussdorf sobre la curva (o, al menos, una aproximación de la misma por medio del algoritmo de box-counting) lo que resulta en un número mayor que la unidad. Tales curvas teóricas infinitas no se pueden construir físicamente, pero se pueden aproximar con diseños SFC. Las curvas 8 y 17 descritas en la figura 2 y figura 5 son algunos ejemplos de tales curvas SFC, las cuales se aproximan a una curva infinita ideal de dimensión D = 2.

La ventaja de utilizar curvas SFC para dar forma física a la antena es doble:

(a) Dada una frecuencia o longitud de onda de operación particular, dicha antena SFC puede ser reducida en tamaño con respecto al estado de la técnica anterior.

(b) Dado el tamaño físico... [Seguir leyendo]

1. Una antena monopolo, dicha antena monopolo comprendiendo un brazo radiante y un plano de masa (12) , dicho brazo radiante se excita mediante una línea de transmisión (11) ,

donde dicho brazo radiante tiene la forma de una curva rellenadora de espacio (59-60) ,

donde dicha curva rellenadora de espacio se compone de al menos diez segmentos conectados formando una porción no periódica de dicha curva, donde:

- cada uno de dichos segmentos es más corto que un décimo de la longitud de onda de operación de la antena en espacio libre;

- dichos segmentos están dispuestos espacialmente de modo que ninguno de dichos segmentos forma, junto con un segmento adyacente, un segmento recto más largo;

- dichos segmentos están conectados de modo que cada segmento forma un ángulo con sus vecinos;

- ninguno de dichos segmentos intersecta con otro de dichos segmentos excepto en los extremos de la curva, por la cual dicha curva rellenadora de espacio intersecta consigo misma en su principio y fin de manera que dicha curva rellenadora de espacio forma un lazo cerrado;

- cada par de segmentos adyacentes de dicha curva forma una esquina; y

- donde si dicha curva es periódica a lo largo de una determinada dirección recta del espacio, el periodo correspondiente se define por la porción no periódica compuesta por al menos diez segmentos conectados, ninguno de dichos segmentos conectados forma, junto con un segmento adyacente, un segmento recto más largo;

dicha curva rellenadora de espacio es una curva que presenta una dimensión de box-counting mayor a uno;

donde dicha curva no es auto-similar.

2. Una antena de acuerdo con la reivindicación 1, dicha antena tiene un tamaño de tal forma que dicha antena cabe dentro de una esfera de radio igual a la longitud de onda de operación de la antena dividida por 2π.

3. Una antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dichos al menos diez segmentos que componen la curva rellenadora de espacio (25) son segmentos rectos.

4. Una antena de acuerdo con la reivindicación 1, donde dichas esquinas son curvadas.

5. Una antena de acuerdo con la reivindicación 1, donde dichas esquinas son redondeadas o si no suavizadas.

6. Una antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha curva rellenadora de espacio está impresa sobre un sustrato dieléctrico.

7. Una antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la curva rellenadora de espacio tiene forma de curva de Hilbert.

8. Una antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, donde la curva rellenadora de espacio tiene forma de curva de HilbertZZ (61, 62, 63, 64) .

9. Una antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, donde la curva rellenadora de espacio tiene forma de curva de Peano.

10. Una antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha curva rellenadora de espacio (25) está dispuesta sobre una superficie curvada.

11. Una antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-9, donde dicha curva rellenadora de espacio

(25) está dispuesta sobre una superficie plana.

12. Una antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la antena está dispuesta de manera que cubra al menos uno de los siguientes servicios de telecomunicaciones: GSM900, GSM1800, UMTS.

13. Una antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene la longitud de onda de operación correspondiente a la longitud de onda de operación de un sistema de telefonía celular.

14. Una antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, dicha antena comprende un plano de masa el cual es una estructura metálica dentro de un teléfono móvil.

15. Una antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, dicha antena está dentro de un dispositivo para comunicación móvil.

16. Una antena de acuerdo con la reivindicación 15, donde dicha antena está montada en un teléfono móvil.

17. Una antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha curva rellenadora de espacio no es periódica a lo largo de una línea recta.

18. Una antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye una red entre un elemento radiante y un conector de entrada de la antena, dicha red es una red de adaptación, una red transformadora de impedancia, o una red balun.

19. Una antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, dicha antena está configurada para operación multi-banda.

20. Un conjunto de antenas que comprenden una pluralidad de antenas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la mayoría de dichas antenas se disponen para ser alimentadas con una señal a una frecuencia determinada, formando una agrupación de antenas, donde al menos dos antenas de dicha pluralidad de antenas están dispuestas para operar a frecuencias diferentes para proporcionar cobertura en diferentes servicios de comunicaciones; y donde dichas antenas están dispuestas para ser alimentadas simultáneamente por medio de una red de distribución o red diplexora.

21. Un dispositivo para comunicación móvil, provisto de una antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-19, o con un conjunto de antenas de acuerdo con la reivindicación 20.

22. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 21, dicho dispositivo es un teléfono móvil.

23. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 21, donde una carcasa de dicho teléfono móvil funciona como el plano de masa de la antena.

24. Un método para producir un dispositivo de comunicación móvil de tamaño reducido, donde el método comprende la incorporación, como una antena para el dispositivo, de una antena de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-19 o de un conjunto de antenas de acuerdo con la reivindicación 20.