ES2238128A1 - Antena parabolica transparente. - Google Patents

Abstract

Antena parabólica transparente. Para evitar la degradación estética que provocan las antenas parabólicas, el autor propone la realización una nueva antena con un reflector cóncavo o parabólico (1) totalmente transparente. La principal dificultad de esta invención reside en realizar un reflector (1) transparente. Para ello es necesario encontrar un material que sea transparente a la luz visible y que refleje las señales de radiofrecuencia que utiliza la antena concentrándolas en el foco donde está situado el cabezal RF (2). Esta propiedad la posee una familia de materiales denominada "conductores transparentes". La antena tiene un reflector cóncavo o parabólico (1) transparente a la luz visible y realizado en su totalidad o con al menos una capa de uno o varios conductores transparentes. La capa de conductor transparente está destinada a reflejar las ondas electromagnéticas pertenecientes a la banda de frecuencia útil.

Description

Antena parabólica transparente.

Campo de la invención

La presente invención hace referencia al dominio de las telecomunicaciones, más concretamente al campo de las radiocomunicaciones y se refiere particularmente a la realización de un reflector cóncavo o parabólico transparente para una antena destinada a la recepción y/o transmisión de señales de radiofrecuencia como por ejemplo la televisión, la radio, etc.

Objetivo de la invención

Con la llegada de la televisión por satélite, las antenas parabólicas se han ido multiplicando por los tejados, fachadas, muros, terrazas, balcones, etc. de los pueblos y ciudades llegando en muchos casos a degradar su estética. Es indiscutible que una parabólica de 50 cm a 120 cm de diámetro como las que actualmente se utilizan para este tipo de aplicación, es muy difícil de disimular y por tanto tiene un impacto visual elevado. Algunas comunidades de vecinos han llegado a prohibir su instalación privando a sus residentes de los avances de la técnica en beneficio de la estética de los inmuebles.

En edificios públicos, como por ejemplo las embajadas, consulados o ministerios, antenas parabólicas de hasta 7 u 8 metros de diámetro son a veces necesarias para garantizar una vía de comunicación alternativa. No hace falta decir que muchos de estos edificios pertenecen al patrimonio histórico de las ciudades y que estas antenas estropean su belleza arquitectónica.

Para evitar la degradación estética que provocan las antenas parabólicas, el autor propone la realización de una nueva antena con un reflector cóncavo o parabólico (1) totalmente transparente.

Antecedentes de la invención

Una antena del tipo parabólico es una antena de alta ganancia en una dirección concreta del espacio. Sus aplicaciones son diversas: radares, sistemas de microondas, comunicación por satélite, radioastronomía, etc. Una antena parabólica como las que actualmente utilizamos para la recepción de televisión por satélite consiste en dos partes diferenciadas: el cabezal de radiofrecuencia (2) situado en el foco de la parábola cuya función es la de recibir y/o transmitir señales de RF (radiofrecuencia) y el reflector parabólico (1), comúnmente llamado parabólica, que simplemente se encarga de reflejar pasivamente dichas señales. La parabólica es utilizada para enfocar en una dirección del espacio la energía electromagnética del cabezal RF en el caso de la transmisión y para concentrar las ondas electromagnéticas en un solo punto o foco en el caso de la recepción.

La función principal del reflector parabólico puede explicarse con ayuda de las propiedades geométricas que presenta la curva parabólica (Figura 2). En el sistema de coordenadas cartesianas x-y una curva parabólica puede expresarse como:

y^{2} = 4fx,

en donde f es la distancia desde el vértice al foco de la parábola. Según las propiedades intrínsecas de este tipo de curvas, podemos afirmar que la suma de las distancias desde cualquier punto (como A, B y C) de la parábola al foco F y a los puntos de la línea y_{1}-y_{2} paralelos a la directriz es una constante, es decir:

FA +AA' = FB + BB' = FC + CC' = Constante,

Un reflector parabólico es la superficie curvada que resulta de girar una curva parabólica según el eje x. A esta superficie se le llama paraboloide. A parte del campo de las antenas, los paraboloides son comúnmente utilizados en las linternas y en los faros de los coches para enfocar la luz en una dirección del espacio.

Para que una onda electromagnética se refleje totalmente o casi en su totalidad en una superficie, ésta tiene que estar hecha con materiales conductores. Así pues, todos los metales son unos excelentes candidatos para ser utilizados como superficies reflectoras. Las antenas parabólicas conocidas por el autor no son una excepción: o bien están hechas totalmente de metal, o bien son de un material no conductor pero contienen una capa metálica.

Hay otro tipo de reflector parabólico que está realizado a base de una rejilla metálica muy fina insertada en un material que le da forma a la vez que rigidez. Para que una superficie de este tipo refleje las ondas electromagnéticas, los orificios de la rejilla tienen que ser relativamente menores que la longitud de onda mínima en la que trabaja la antena. De otro modo, la parábola no cumpliría su papel de superficie reflectora y no concentraría en su foco las señales de radiofrecuencia. Cuando el material empleado para dar forma y rigidez a la rejilla metálica es trasparente, estas antenas vistas desde lejos son translúcidas y por lo tanto su impacto visual es menor. Sin embargo presentan el gran inconveniente de que su translucidez depende de la frecuencia de trabajo. Así pues, en los sistemas en banda Ka donde la frecuencia de trabajo es muy alta y la longitud de onda es del orden del centímetro, la rejilla metálica que deberían emplear tendría unos agujeros tan pequeños que la antena sería prácticamente opaca.

Referencias bibliográficas

i)

Hung-Piu Ip and Yahya Ramat-Samii, Analysis and Characterization of Multilayered Reflector Antenna: Rain/Snow Accumulation and Deployable Membrane, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 46, pp. 1593-1605, November 1998.

ii)

Roy G. Gordon, Criteria for Choosing Transparent Conductors, Materials Research Society Bulletin pp. 52-57, August 2000.

iii)

Ángel Cardama Aznar, Lluís Jofre Roca, Juan Manual Rius Casals, Jordi Romeu Robert y Sebastián Blanch Boris, Antenas, segunda edición, Edicions UPC, Barcelona 1994.

US 6184840 B1 (Lin Hsin-Loug, Lee Ta-Lun) Parabolic Reflector Antenna.

Descripción de la invención

La principal dificultad de esta invención reside en encontrar un material que sea transparente a la luz visible y que refleje las señales de radiofrecuencia que utiliza la antena concentrándolas en el foco donde esta situado el cabezal RF (2). Es decir, es necesario encontrar un tipo de material que actúe de filtro de las ondas electromagnéticas en función de la frecuencia. Este tipo de material se caracteriza por una frontera a partir de la cual todas las ondas electromagnéticas cuya frecuencia es menor que la de la frontera son reflejadas y que sin embargo, todas las ondas electromagnéticas con frecuencia mayor atraviesan el material. Esta frecuencia fronteriza es conocida en Electromagnetismo como la frecuencia de resonancia del plasma o simplemente frecuencia del plasma (Ref. iii).

Como hemos mencionado antes, los materiales utilizados comúnmente para la construcción de reflectores parabólicos son los metales. La mayoría de metales tiene una frecuencia del plasma mucho más alta que las frecuencias de la luz visible. Estas parabólicas reflejan la luz y por consiguiente no son transparentes.

El tipo de material que estamos buscando debe tener una frecuencia del plasma mayor que la banda de frecuencia útil (por ejemplo, alrededor de 12 GHz en banda Ku o alrededor de 30 GHz en banda Ka). Al mismo tiempo, esta frecuencia tiene que ser lo suficientemente baja para que la banda de frecuencia de la luz visible (de 400 THz para el color rojo a 750 THz para el violeta) lo atraviese en un porcentaje adecuado de forma que el material sea transparente a simple vista. Esta propiedad la posee una familia de materiales denominada "conductores transparentes" cuya utilización esta ya muy extendida en pantallas planas, pantallas táctiles, puertas para hornos, circuitos de seguridad invisibles, cristales para coches y edificios, células solares y un largo etcétera. A partir de ahora llamaremos "conductor transparente" a todo material conductor que tenga una frecuencia de resonancia del plasma lo suficientemente baja para que la luz visible lo atraviese en un porcentaje adecuado de forma que el material sea transparente a simple vista y lo suficientemente alta para que la banda de frecuencia útil se refleje.

La presente invención está compuesta de una antena con un reflector cóncavo o parabólico transparente a la luz visible y realizado en su totalidad o con al menos una capa de uno o varios conductores transparentes. La capa (o capas) de conductor transparente está destinada a reflejar las ondas electromagnéticas pertenecientes a la banda de frecuencia útil. La capa (o capas) de conductor transparente puede recubrir totalmente la superficie del reflector o puede tener cualquier forma como por ejemplo forma de rejilla o un espesor no constante.

Breve descripción de los dibujos

Para ayudar a la comprensión de la invención descrita en la presente memoria, se acompañan unos dibujos en los que, tan sólo a título de ejemplo y en ningún caso limitativos, se representan casos prácticos de realización de la antena parabólica transparente.

En dichos dibujos, la figura 1 es una vista en perspectiva de la antena para diferenciar sus partes: reflector parabólico (1), cabezal RF (2), soporte del cabezal (3) y soporte de la antena (4). La figura 2 es una curva parabólica en ejes cartesianos que existe en el estado de la técnica (US 6184840 B1) y que ha sido anexada con el fin de explicar con mayor facilidad las propiedades de este tipo de curvas y por consiguiente las de un reflector parabólico. Las figuras 3 a 5 son cortes transversales del reflector cóncavo o parabólico transparente mostrando posibles realizaciones: Substrato con una capa de conductor transparente (figura 3), Substrato con una capa de conductor transparente y una capa protectora (figura 4) y conductor transparente entre dos capas de substrato (figura 5). Finalmente, la figura 6 es una gráfica que calcula el porcentaje de aumento que hay que aplicarle al diámetro de la antena para recuperar las pérdidas en dB provocadas por la capa de conductor transparente.

Descripción de una realización preferida

En este apartado de la presente memoria, a título de ejemplo y en ningún caso limitativo, se describe la realización de una antena parabólica transparente utilizada para la recepción de televisión por satélite. También puede ser utilizada para servicios multimedia de banda ancha o cualquier otro tipo de aplicación en la que se necesite una antena parabólica ya sea para la transmisión, la recepción o ambas a la vez. El reflector será asimétrico (offset) aunque cualquier tipo de reflector cóncavo o parabólico puede ser empleado como por ejemplo el simétrico, el cassegrain, el gregoriano, etc. El offset ha sido escogido porque es éste el tipo de reflector que actualmente se utiliza para este tipo de aplicación.

El reflector estará constituido de diversas capas como las que se representan en los cortes de las figuras 3 a 5. No hay una configuración que sea en general mejor que otra, esto depende de los materiales que se utilicen en la capa de conductor trasparente o en la capa del substrato. Si el conductor transparente no es resistente a la intemperie, como es el caso de la plata, se preferirá una distribución de capas como la de las figuras 4 ó 5. Si el sustrato tiene pérdidas en la banda de frecuencia útil de la antena se preferirá una distribución como la de las figuras 3 ó 4. Como se ha ilustrado, la distribución de capas depende de la elección de los materiales a utilizar.

La capa de conductor transparente tiene por objetivo el reflejar la banda de frecuencia útil. Para llevar a cabo lo mejor posible esta misión, hay que tener en cuenta dos parámetros que son fundamentales: la anchura de la capa y la conductividad (\sigma) del conductor transparente escogido. En la Ref. i, encontramos un estudio de la ganancia máxima de una antena parabólica a la frecuencia de 1.4 GHz en función de la anchura de la capa metálica y de la conductividad del metal. Una capa de aluminio con un espesor de 1000 \ring{A} (100 nm) no presenta pérdidas de ganancia máxima apreciables a la frecuencia de 1.4 GHz la comparamos con una capa de conductor eléctrico perfecto (\sigma = \infty S/m). La misma capa con un espesor de 10 nm, a pesar de que es mucho menor que la profundidad pelicular del conductor, tan sólo presenta unas pérdidas en la ganancia máxima de 0.1 dB. Sin embargo, la conductividad es un parámetro muy crítico: una capa de 100 nm de mercurio (alrededor de \sigma = 10^{6} S/m) sólo presenta unas pérdidas de 0.45 dB pero el grafito (alrededor de \sigma = 10^{5} S/m) reduciría a menos de la mitad la ganancia máxima de la antena (3.7 dB de pérdidas).

Los espesores típicos de las capas de conductores transparentes en productos comerciales oscilan entre 150 nm y 0.2 mm y las conductividades de los conductores transparentes más usuales están anotadas en la siguiente tabla extraída de la ref. ii:

Conductor	Conductividad
Transparente
Ag	62.5 \cdot 10^{6} S/m
TiN	5 \cdot 10^{6} S/m
In_{2}O_{3}:Sn	1 \cdot 10^{6} S/m
Cd_{2}SnO_{4}	0.77 \cdot 10^{6} S/m
ZnO:Al	0.66 \cdot 10^{6} S/m
SnO_{2}:F	0.5 \cdot 10^{6} S/m
ZnO:F	0.25 \cdot 10^{6} S/m

Si para la construcción del reflector parabólico transparente empleamos una capa con un espesor de 100 nm de uno de los tres primeros conductores transparentes de la tabla: la plata (Ag), el TiN o el ITO (In_{2}O_{3}:Sn), como tienen una conductividad mayor o igual que la del mercurio (alrededor de \sigma = 10^{6} S/m), podemos afirmar que las pérdidas de ganancia máxima de la antena serán muy pequeñas (\leq0.45 dB). Si por el contrario la capa es de uno de los cuatro últimos, las pérdidas serán más importantes pero nunca superiores a las del grafito (alrededor de \sigma = 10^{5} S/m) ya que los cuatro materiales tienen una conductividad mayor.

Para compensar esta pérdida de ganancia máxima, una de las soluciones posibles es la de aumentar el diámetro de la antena. Si aproximamos la proyección del reflector parabólico por un círculo, en la figura 6 podemos encontrar el porcentaje de aumento que hay que aplicarle al diámetro de la antena en función de las pérdidas provocadas por la capa de conductor transparente. Podemos observar que si las pérdidas son menores de 0.8 dB, el diámetro necesitaría un aumento de menos del 10% para recuperar las pérdidas y obtener un reflector equivalente al de aluminio.

Volviendo al reflector offset, podemos fabricarlo utilizando una configuración de capas como la de la figura 4, empleando por ejemplo acrílico, policarbonato, poliéster, o cristal transparente como substrato lo suficientemente espeso para que el reflector sea rígido. Al substrato se le aplicará una capa de 10 nm de plata (\sigma = 62.5.10^{6} S/m) y una película para proteger a la plata de la intemperie. Un reflector de estas características presenta unas pérdidas de solo 0.1 dB a 1.4 GHz. Según la figura 6 esto representa un aumento de diámetro de un 1%.

Otra posibilidad entre muchas sería la de utilizar una configuración como la de la figura 3, empleando el mismo substrato que hemos descrito antes al que se le aplicaría una capa de 100 nm de ITO (In_{2}O_{3}:Sn) (alrededor de \sigma = 10^{6} S/m). Este reflector presentaría unas pérdidas aproximadas de 0.45 dB a 1.4 GHz es decir un aumento de diámetro de un 5%.

Al reflector cóncavo o parabólico (1) le añadiremos un soporte de la antena (4) y un soporte del cabezal (3) preferiblemente realizados con un material transparente, por ejemplo metacrilato, lo suficientemente rígido para que cumplan con su función. El cabezal RF (2) será la única parte no transparente de la antena junto con los tornillos que utilizaremos para unir las distintas partes aunque limitaremos su utilización a lo estrictamente necesario.

Claims (9)

1. Antena con un reflector cóncavo o parabólico (1) transparente a la luz visible y realizado en su totalidad o con al menos una capa de uno o varios conductores transparentes. La capa (o capas) de conductor transparente está destinada a reflejar las ondas electromagnéticas pertenecientes a la banda de frecuencia útil.

Entendiendo por "conductor transparente" a todo material conductor que tenga una frecuencia de resonancia del plasma lo suficientemente baja para que la luz visible lo atraviese en un porcentaje adecuado de forma que el material sea transparente a simple vista y lo suficientemente alta para que la banda de frecuencia útil se refleje.

2. Antena según la reivindicación 1, caracterizada por tener la capa (o capas) de conductor transparente del reflector recubriendo parcialmente su superficie.

3. Antena según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada por tener la capa (o capas) de conductor transparente del reflector con un espesor variable.

4. Antena según alguna de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por ser de tipo simétrico, offset, cassegrain o gregoriano.

5. Antena según alguna de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por tener un soporte de la antena (4) transparente.

6. Antena según alguna de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por tener un soporte del cabezal (3) transparente.

7. Antena según alguna de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por tener un reflector con un substrato transparente que da rigidez a la capa de conductor transparente y al reflector.

8. Antena según alguna de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por tener un reflector con una capa transparente que protege al conductor transparente de la intemperie.

9. Antena según alguna de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada por tener un reflector con una capa de conductor transparente entre dos capas de substrato transparente.