СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ МАЛОГАБАРИТНАЯ АНТЕННА И УСТРОЙСТВО СВЯЗИ, СОДЕРЖАЩЕЕ ТАКУЮ АНТЕННУ
ULTRA-WIDEBAND SMALL-SIZE ANTENNA AND COMMUNICATION DEVICE HAVING SAID ANTENNA

Данное изобретение относится к области телекоммуникаций, а более конкретно - к конструкциям и применению сверхширокополосных (СШП) антенн, и, в частности, тех СШП антенн, которые предназначены для использования вблизи или непосредственно на поверхности тела человека или другого биологического объекта.
Как известно, ткани тела человека и большинства других биологических объектов обладают относительно большим значением диэлектрической проницаемости, а также заметной проводимостью, обуславливающих высокие значения коэффициента отражения падающей из свободного пространства волны и коэффициента затухания волны, прошедшей внутрь тканей. При таких условиях любая электромагнитная волна, находящаяся вблизи поверхности тела человека, претерпевает серьезное ослабление. Однако известно, что при определенных условиях электромагнитные волны могут распространяться вокруг криволинейных объектов. Для эффективной передачи и приема сигналов необходимо использовать устройства связи и антенны особой конструкции, адаптированные для работы в радиоканале по стандарту WBAN (wireless body area network). Широкое применение такие технологии нашли в медицине, спорте, мобильной связи и в других областях, что обусловило принятие еще одного стандарта (IEEE 802.15.6, http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.15.6-2012.html) [1].
Благодаря распространению стандарта IEEE 802.15.6 появляется возможность создания новых видов беспроводных устройств, работающих в непосредственной близи от поверхности тела человека. Как правило, такие устройства имеют автономное питание и серьезное ограничение по потреблению энергии. В такой ситуации необходимой мерой является поиск путей максимального снижения энергопотребления каждого отдельного блока устройства.
По сути такие технологии позволяют осуществлять передачу и прием электромагнитных сигналов вблизи поверхности тела, когда приемная и передающая антенны не находятся на линии прямой видимости, за счет эффекта поверхностных электромагнитных волн. При этом большое значение имеет проблема миниатюризации таких устройств, как системы дистанционного мониторинга здоровья и периферические устройства в системах мобильной связи.
Из уровня техники известны различные конструкции антенн и устройств связи, адаптированных для использования таких антенн и предназначенных для работы в непосредственной близости от тела человека или иного биологического объекта.
В частности, в заявке JP 2004343601 [2] описана антенна, предназначенная для работы вблизи поверхности тела человека и расположенная внутри корпуса мобильного терминала. Антенна состоит из пластины заземления и излучающего элемента, которые расположены параллельно один другому и соединены одной перемычкой. Для подведения питания к антенне используется пластина запитки, подключаемая одним концом к излучающему элементу, а другим концом - к линии питания, размещенной на печатной плате устройства. Антенна реализует режим одно- или двухчастотной работы за счет введения дополнительной щелевой прорези на одном из металлических элементов конструкции.
В качестве основных недостатков изобретения [2] с точки зрения возможности его использования для организации СШП канала связи между малогабаритными терминалами, размещенными вблизи или на поверхности тела можно назвать:
- использование антенной дополнительного объема внутри мобильного устройства, что существенно ограничивает возможность миниатюризации;
- горизонтальная поляризация излучения антенны по отношению к поверхности тела человека, что не позволяет осуществлять связь между двумя терминалами, разнесенными на разные стороны поверхности тела человека;
- отсутствие СШП согласования антенны.
Наиболее близкое к заявляемому изобретению техническое решение опубликовано как WO 2012/059302 [3], где описана принципиальная конструкция малогабаритной антенны, предназначенной для работы вблизи поверхности тела человека и обеспечивающей излучение с вертикальной поляризацией. Антенна, в первую очередь, предназначена для использования в слуховых аппаратах. Основные недостатки изобретения [3] следующие:
- излучающая конструкция представляет собой узкополосную однорезонансную систему, что затрудняет согласование  антенны в сверхширокой полосе при перестройке рабочей частоты;
- антенна не может быть использована для излучения СШП радиоимпульсов без их существенного искажения, ввиду своей принципиальной узкополосности.
Таким образом, изобретение [3] невозможно использовать для реализации СШП радиоканала по стандарту IEEE 802.15.6.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке устройств, позволяющих добиться высокого значения коэффициента передачи в радиоканале между связными терминалами, находящимися вне зоны прямой видимости на поверхности тела человека, в частности на поверхности головы.
Технический результат достигается за счет разработки усовершенствованной конструкции сверхширокополосной малогабаритной антенны, которая имеет в своем составе элемент заземления, излучающий элемент, закорачивающий элемент, проводящий элемент питания, и отличается от прототипа тем, что:
- элемент заземления помещен в непосредственной близости от поверхности тела человека;
- излучающий элемент, внешние размеры которого близки к внешним размерам элемента заземления, удален от элемента заземления в направлении примерно перпендикулярном поверхности тела на расстояние от 0,2 до 0,5 средней длины волны рабочего диапазона частот; и
- закорачивающий элемент установлен, по меньшей мере, в двух экземплярах и выполнен с возможностью соединения элемента заземления с излучающим элементом в таких точках, чтобы его положение оказывалось примерно перпендикулярным поверхности тела;
- проводящий элемент питания, подключенный к элементу заземления и излучающему элементу в произвольных точках, размещен в положении, примерно перпендикулярном поверхности тела, и имеет разрыв в произвольной области размером не более 0,125 наименьшей длины волны рабочего диапазона для подключения устройства питания антенны, причем указанные элемент заземления и излучающий элемент ориентированы параллельно поверхности тела человека, и на элементе заземления и/или излучающем элементе выполнены, по меньшей мере, три щелевых выреза произвольной формы.
Такую антенну предполагается использовать в портативных устройствах связи, конструкция которых обусловлена особенностями антенны. В качестве варианта реализации заявляется портативное связное устройство, выполненное с возможностью работы в сверхширокой полосе частот при размещении в непосредственной близости от поверхности тела человека, содержащее диэлектрический корпус и помещенную в него сверхширокополосную малогабаритную антенну, отличающееся тем, что содержит:
- элемент заземления антенны, помещенный в непосредственной близости от поверхности тела человека, геометрическая форма поверхности которого близка к геометрической форме внутренней поверхности корпуса устройства;
- излучающий элемент антенны, внешние размеры которого близки к внешним размерам элемента заземления, удаленный от элемента заземления в направлении примерно перпендикулярном поверхности тела на расстояние от 0,2 до 0,5 средней длины волны рабочего диапазона частот; и
- закорачивающий элемент антенны, установленный, по меньшей мере, в двух экземплярах и соединяющий элемент заземления с излучающим элементом таких точках, чтобы его положение оказывалось примерно перпендикулярным поверхности тела;
- проводящий элемент питания антенны, подключенный к элементу заземления и излучающему элементу в произвольных точках, причем проводящий элемент питания размещен примерно перпендикулярно поверхности тела и имеет разрыв в произвольной области размером не более 0,125 наименьшей длины волны рабочего диапазона, для подключения устройства питания антенны, и
- элемент заземления и/или излучающий элемент снабжены, по меньшей мере, тремя щелевыми вырезами произвольной формы;
причем элемент заземления и излучающий элемент установлены на внутреннюю поверхность диэлектрического корпуса устройства и ориентированы максимально параллельно поверхности тела человека.
Заявляемые решения дают возможность при требуемом значении сигнал/шум на входе приемника уменьшить мощность передатчика и/или использовать менее чувствительный приемник, что совокупно приводит к понижению энергопотребления портативным устройством.
С другой стороны, за счет смешанной поляризации излучения обеспечивается возможность устойчивой связи с внешними устройствами.
Важной особенностью изобретения является минимизация размеров излучателя и возможность изготовления всех элементов антенны в виде низкопрофильных конформных корпусу устройства конструкций.
Антенны, излучающие волны, соответствующие перечисленным правилам, могут передавать информацию вдоль поверхности тела, находясь на разных сторонах объекта, не имея линии прямой видимости через свободное пространство. При этом волна будет претерпевать малое ослабление при распространении в сравнении с распространением луча напрямую, через внутренние слои объекта. Это позволит снизить энергопотребление приемопередающих модулей устройств.
Кроме того, заявленная антенна позволяет осуществлять передачу данных с применением сверхширокополосных сигналов различного вида, например ультракоротких импульсов, сигналов с линейной частотной модуляцией, различных видов шумоподобных сигналов (хаотических и т.д.). При этом антенна обладает малой высотой (порядка десятой доли средней длины волны рабочего диапазона), что уменьшает габариты устройств и повышает удобство использования.
Конструкция заявляемой антенны основана на общих принципах формирования излучения типовых антеннах типа PIFA (Planar Inverted F antenna). Теоретические принципы проектирования таких антенн можно найти на сайте http://www.antenna-theory.com/antennas/patches/pifa.php [4]. В общем случае такие антенны имеют проводящий планарный элемент, условно называемый “ground” (земля), “radiating” (излучающий) элемент, выполненный в виде полоски или ленты, размещенный над землей и соединяемый с ней посредством элемента закоротки (shorting wall или shorting PIN) и элементом запитки, который связывает антенну с другими элементами СВЧ тракта устройства. Классические PIFA антенны являются узкополосными квазивсенаправленными антеннами с эллиптической поляризацией. Данная особенность диаграмм направленности PIFA антенн обуславливает возможность их эффективного применения в мобильных устройствах связи, где конкретное позиционирование объекта относительно базовой станции не оговаривается. Другой особенностью PIFA служит возможность минимизация ее размеров при обеспечении требуемого согласования на заданной нижней частоте диапазона. Данный эффект проявляется за счет возникновения первого резонанса на внутреннем токовом контуре, размер которого оказывается примерно равным четверти рабочей длины волны. Указанные предпосылки позволяют предложить конструкцию излучателя, ранее не известную, реализующую общие принципы антенн типа PIFA, но при этом обладающую сверхширокополосными характеристиками при работе на поверхности тела человека или другого биологического объекта.
На Фиг.1 представлен общий вид заявляемой антенны. На рисунке обозначены следующие элементы:
1 - пластина заземления;
2 - излучающая пластина;
3 - набор закорачивающих штырей;
4 - штырь запитки;
5 - набор щелевых элементов.
На Фиг.2 представлена частотная зависимость коэффициента стоячей волны (КСВН) на входе антенны, реализующей принципы предлагаемого класса устройств, в диапазоне 7-10 ГГц при установке излучателя на поверхности головы человека за ушной раковиной.
Общий вид заявляемой антенны показан на Фиг.1. Важной особенностью заявляемой антенны является возможность уменьшения размеров элемента 1 заземления антенны, представляющего собой пластину заземления, до размеров пластины излучающего элемента 2, что позволяет эффективно адаптировать антенну под конструкцию, по большей части, симметричного корпуса устройства с одной стороны, при понижении экранирующих свойства элемента заземления, тем самым увеличивая широкополосность антенны. Другой важной особенностью заявляемой конструкции является используемый подход к выполнению излучающего элемента 2 и расположению закорачивающих элементов, выполненных в виде штырей 3. Внешний контур излучающего элемента 2 повторяет контур пластины 1 заземления, однако для обеспечения сверхширокополосных характеристик согласования и направленности излучающий элемент 2 профилируется с помощью трех или более щелевых прорезей 5, которые приводят к образованию набора различных токовых контуров, а следовательно, возможности осуществления многорезонансной работы антенны при примерно фиксированном положении фазового центра, что обуславливает малые искажения при излучении сверхширокополосных радиоимпульсов. В антенне на Фиг.1 использованы два закорачивающих штыря 3 и один элемент 4 запитки, выполненный также в виде штыря. Положение штырей подбирается так, чтобы сгенерировать синфазные вертикальные токи в рабочей полосе частот, и, как следствие, высокое значение коэффициента усиления по вертикальной поляризации, наличие которой является непременным условием организации связи между разнесенными на разные стороны тела объекта устройствами. Данную антенну предлагается использовать при расположении токонесущих элементов 1-4 на внутренней поверхности пластикового корпуса портативного устройства. За счет обеспечиваемой таким образом конформности конструкции появляется возможность экономно использовать внутренний объем устройства. При установке на поверхность тела в качестве контактной стороны устройства должна быть та его сторона, на которой установлена пластина заземления, что позволяет значительно уменьшить потери мощности в биологических тканях.
Сверхширокополосность и смешанная поляризация такой антенны делают ее характеристики согласования и направленности слабо чувствительными к незначительным изменениям базовой формы отдельных элементов, наличию и расположению внутренних элементов устройства (микросхем, батареек и пр.). При этом обеспечивается возможность формирования устойчивого радиоканала как для «on-body to on-body» (на теле - на теле), так и для «on-body to off-body» (на теле - вне тела) каналов передачи информации. Внешние габариты антенны подбираются под указанные диапазон рабочих частот и размеры корпуса устройства. В целом следует считать, что
lam/4=2*h+Lm,
где lam - низшая рабочая длина волны в диапазоне,
h - расстояние между пластиной заземления и излучающей пластиной,
Lm - средний периметр токового контура на поверхности, профилированной щелями излучающей пластины (величина зависит от конкретной выбранной конфигурации щелей).
3
Пример измеренного коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) антенны, разработанной в соответствии с указанными принципами и вписанной в объем 23×6×5,5 мм, проиллюстрирован на Фиг.2.
Сверхширокополосная малогабаритная антенна, предлагаемая в данном изобретении, может быть использована для установки в портативные связные устройства при обеспечении работы в сверхширокой полосе частот. В частности, антенна может быть успешно применена при организации связных систем на основе стандарта IEEE 802.15.6. При этом за счет смешанной поляризации излучения обеспечивается возможность осуществления связи между терминалами, находящимися на поверхности тела объекта, где необходимым условием является присутствие вертикальной поляризации, а также между нательным терминалом и удаленным внешним устройством.