ПЕРЕДАЮЩИЙ АНТЕННЫЙ МОДУЛЬ
TRANSMITTING ANTENNA MODULE

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к активным антенным модулям, и может быть использовано для аналогово-цифрового преобразования информационного сигнала, формирования сигнала высокой частоты, модулирования сигнала высокой частоты и его передачи, а также в качестве базового элемента цифровых активных решеток.
В настоящее время есть много передающих модулей на различные частотные диапазоны, которые встроены в металлический корпус. Характерным примером такого модуля может служить модуль передатчика CDP-TX-02N, который представляет собой узкополосный ФМ-передатчик с синтезатором с фазовой подстройки частоты (ФАПЧ) и управляющим микроконтроллером, он характеризуется высокой стабильностью частоты и избирательностью каналов. Современная технология поверхностного монтажа позволила добиться малых размеров: CDP-TX-02N даже меньше, чем размеры спичечного коробка. В модуле используется узкополосная ФМ-модуляция, которая позволяет эффективно использовать доступный радиочастотный спектр. Модуль CDP-TX-02N может передавать любые входящие данные с уровнем 5В в указанном частотном диапазоне. Аналоговые данные могут быть оцифрованы встроенным компаратором. После подключения источника питания передатчику требуется около 80 мс (90 мс для частоты 458 МГц), чтобы петля ФАПЧ замкнулась. После этого данные могут передаваться без дополнительного управления или синхронизации [www.wireless-e.ru>articles/diapasons/2007_1_26.php]. Для передачи данных таким модулем необходима внешняя антенна, что не всегда удобно.
На настоящий момент известно несколько вариантов передающих антенных модулей, объединяющих в себе собственно передающий модуль и передающую антенну.
Например, излучающий антенный модуль сигнализации TW-7010 фирмы Tomahawk имеет внешнюю штыревую антенну, которая облачена в единый корпус с передатчиком (сайт www.ugona.net). Очевидным недостатком является то, что антенна сильно выступает за габариты передающей части модуля, что увеличивает габаритные размеры всего устройства.
Известны также недорогие передающие модули с амплитудной и фазовой модуляцией (AM и FM) для автомобильных сигнализаций, систем безопасности и контроля доступа, поставляемые фирмой Telecontrolli (сайты www.telecontrolli.com www.gamma.spb.ru - модули RT1 и RT2 с АМ-модуляцией на рабочие частоты 418 МГц и 433,92 МГц и модуль RTF2 с ФМ-модуляцией на рабочие частоты 315 МГц, 418 МГц и 433,92 МГц).
Все эти модули не имеют общего для платы передатчика и антенны корпуса и при интеграции в законченное изделие нуждаются в дополнительном внешнем герметичном корпусе.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является передающий антенный модуль, состоящий из антенного элемента, включающего диэлектрическую подложку с металлизированной внутренней поверхностью и печатный проводник, платы передатчика, включающей встроенный передатчик, микроконтроллер, аналогово-цифровой преобразователь и задающий генератор, выход встроенного передатчика электрически соединен перемычкой с печатным проводником антенного элемента [О.Пушкарев. Радиомодули компании Panasonic, ж. Новости электроники, №5, 2008 г., стр.22-25]. Известный передающий антенный модуль PAN4555 компании Panaconic Industrial GMBH построен для сети IEEE602.15.4/ZigBee на базе микросхемы МС13213 от фирмы «Freescale».
Передающая часть модуля на частоту 2.4 ГГц включает встроенную керамическую антенну, цепь согласования антенны, передатчик с трансивером, микроконтроллером и коммутатором, задающий кварцевый генератор. Питание модуля - 2,0…3.4 В, выходная мощность - 0 дБм, габаритные размеры 12.2×16.4×2.2 мм.
Модуль PAN4555 может использоваться как законченный блок в составе конечного устройства - приемного или передающего. Для переключения режимов приема и передачи в модуле предусмотрен антенный коммутатор, встроенный в микросхему МС13213.
Этот модуль не имеет общего для платы передатчика (и приемника) и керамической антенны корпуса и при интеграции в законченное изделие также нуждается в дополнительном внешнем герметичном корпусе, в котором необходимо предусматривать как минимум пятимиллиметровое свободное пространство вокруг керамической антенны, чтобы не ухудшать ее радиочастотные параметры. Это в свою очередь приводит к снижению функциональности антенного модуля, снижению технологичности изготовления и повышению себестоимости модуля.
Технической задачей заявленного изобретения является повышение функциональности, технологичности изготовления и снижение себестоимости передающего антенного модуля (ПАМ).
Технический результат достигается тем, что в передающем антенном модуле, состоящем из антенного элемента, включающего диэлектрическую подложку с металлизированной внутренней поверхностью и печатный проводник, платы передатчика, включающей микросборку передатчика, микроконтроллер, аналогово-цифровой преобразователь и задающий генератор, выход микросборки передатчика электрически соединен перемычкой с печатным проводником антенного элемента, диэлектрическая подложка выполнена из полимерного материала с относительной диэлектрической проницаемостью менее 6,0 в виде перевернутого стакана с уступом на торцевой поверхности стенки и снабжена крышкой, закрепленной в уступе и имеющей средства крепления к металлическому экрану, печатный проводник расположен на внешней стороне дна стакана подложки, покрыт защитным радиопрозрачным слоем и выполнен в виде структуры метаматериала, плата передатчика расположена на металлизированной поверхности подложки и снабжена присоединенным к ее выходу кабелем, имеющим на конце соединитель в виде USB-разъема и выполненным многопроводным, модуль имеет металлизированное отверстие для вывода кабеля, последний пропущен через тонкостенную металлическую трубку, укрепленную одним концом в металлизированном отверстии модуля и другим концом механически его обжимающую, и герметизирован на выходе из металлической трубки клеевой термоусадочной трубкой.
Целесообразно крышку выполнить из магнитопласта с металлизированной верхней поверхностью и закрыть снизу защитной пленкой, при этом экран выполнить магнитопроводящим, или крышку выполнить из металла и покрыть снизу клеевым составом для крепления модуля к экрану.
Целесообразно металлизированное отверстие модуля выполнить в стенке стакана подложки или в крышке, при этом крышку выполнить металлической и чтобы она имела не менее одного цилиндрического выступа с резьбой для крепления к экрану с помощью контргайки.
Предпочтительно, чтобы печатный проводник представлял собой структуру произвольной формы, состоящую из не менее двух секторных элементов, разделенных радиальными щелями и имеющих не менее шести дугообразных щелей, и сквозного проводящего стержня симметричной формы, который установлен в центре диска и электрически соединен с секторными элементами и металлизированной поверхностью подложки.
При этом конфигурация внешней формы печатного проводника может быть произвольной, например прямоугольной, квадратной, многоугольной, эллипсоидной и т.п.
Целесообразно для создания поля круговой поляризации форму печатного проводника выбрать осесимметричной, количество секторных элементов печатного проводника выбрать кратным четырем, а сектор, смежный с сектором, имеющим контакт с перемычкой, со стороны контакта наполовину металлизировать.
Кроме того, для создания правой поляризации поля излучения металлизацию сектора необходимо расположить слева от сектора с контактом перемычки, а для левой поляризации поля излучения металлизацию сектора - справа от сектора с контактом перемычки.
Целесообразно подложку антенного элемента выполнить из высокопрочной керамики или керамосодержащего композита.
На фиг.1 представлен общий вид ПАМ с USB-вводом сбоку.
На фиг.2 - функциональная схема платы передатчика.
На фиг.3 - общий вид ПАМ с USB-вводом снизу.
На фиг.4 - вариант метаматериалоподобного печатного проводника антенного элемента с линейной поляризацией поля излучения.
На фиг.5 - вариант метаматериалоподобного печатного проводника антенного элемента с круговой поляризацией поля излучения.
Передающий антенный модуль состоит из антенного элемента, включающего печатный проводник 1 и диэлектрическую подложку 2 с металлизацией нижней поверхности 3, платы передатчика 4, многопроводного кабеля 5 с USB-соединителем 6 на конце, крышки 7, защитного радиопрозрачного слоя 8, перемычки 9, защитной пленки 10, тонкостенной металлической трубки 11, клеевой термоусадочной трубки 12, экрана 13.
Диэлектрическая подложка 2 антенного элемента выполнена в виде стаканообразного корпуса с уступом с экранной металлизированной внутренней поверхностью 3 и металлизированным отверстием в боковой стенке (фиг.1), на вершине которой расположен печатный проводник 1 произвольной формы. Подложка 2 антенного элемента может быть выполнена из высокопрочной керамики, керамосодержащего композита, а также из диэлектрического полимерного вещества. Третий вариант исполнения подложки 2 наиболее дешевый, поскольку антенный элемент в виде корпуса-антенны может быть выполнен методом литья.
Плата передатчика 4 закреплена на металлизированной нижней поверхности 3 диэлектрической подложки 2 во внутренней полости стаканообразного корпуса.
Плата передатчика 4 включает микросборку передатчика 14 (фиг.2) с встроенными передатчиком 15, микроконтроллером 16 и аналого-цифровым преобразователем 17, и задающий генератор 18.
Выход платы передатчика электрически соединен с помощью перемычки 9 с печатным проводником 1 антенного элемента, обеспечивая кондуктивный тип связи. При этом точка соединения перемычки с печатным проводником 1 выбирается из условия оптимального согласования его с выходом передатчика 4 по импедансу.
Многопроводный кабель 5 служит для соединения входа платы передатчика 4 с внешним устройством формирования информационного сигнала. По этому кабелю осуществляется также подача напряжения питания в плату передатчика 4 и обмен служебной информацией между платой передатчика 4 (управляющим микроконтроллером 16) и внешним устройством формирования информационного сигнала. Один конец кабеля 5 пропущен через тонкостенную металлическую трубку 11, которая одним концом закреплена в боковом отверстии диэлектрической подложки 2 (фиг.1), распаян к входу платы передатчика 4, обжат механически на выходе из трубки 11, а на другой его конец установлен USB-соединитель 6. Выход кабеля 5 из трубки 11 герметизирован с помощью клеевой термоусадочной трубки 12.
Крышка 7 выполнена из магнитопласта с металлизированной верхней поверхностью, закреплена в уступе диэлектрической подложки 2 таким образом, чтобы она имела электрический контакт с ее металлизированной внутренней поверхностью 3, и закрыта снизу защитной пленкой 10. Крышка 7 служит также для крепления передающего антенного модуля к магнитопроводящему экрану 13, образуя с ним так называемый магнитный замок.
В ином варианте крышка 7 выполнена из металла, снизу покрыта клеевым составом, который в свою очередь закрыт защитной пленкой 10. Крепление передающего антенного модуля в этом случае производится к экрану 13 путем его приклеивания после предварительного снятия защитной пленки 10.
Проводящий экран 13 служит для создания преимущественно однонаправленного излучения антенного элемента. При этом форма диаграммы направленности формируется антенным элементом и экраном 13.
Снаружи антенный элемент покрыт защитным радиопрозрачным слоем 8.
Плата передатчика 4 расположена внутри замкнутого объема, образованного металлизированной внутренней полостью диэлектрической подложки 2 и металлизированной (металлической) поверхностью крышки 7, и таким образом выходной сигнал не может излучаться иначе, кроме как через антенный элемент.
В антенном элементе возможно возбуждение множества типов колебаний (мод), но только самая низшая из них формирует осевую ДН, высшие типы колебаний дают тороидальные ДН с провалом в осевом направлении. Низшими типами колебаний для простейших видов печатных проводников 1 являются: мода ТМ10 для прямоугольного, мода ТМ11 для круглого и кольцевого печатного проводника 1.
В передающем антенном модуле входной сигнал преобразовывается аналого- цифровым преобразователем (АЦП) 17 в цифровой сигнал, который является модулирующим сигналом для высокочастотного сигнала, формируемого в модуле передатчика 15 с помощью задающего генератора 18. Процесс модуляции осуществляется под управлением микроконтроллера 16. Выходной промодулированный сигнал платы передатчика 4 поступает через перемычку 9 на печатный проводник 1, который возбуждает высокочастотные колебания (моды) в антенном элементе, излучаемые им в свободное пространство, образуя диаграмму направленности, заданную геометрией печатного проводника 1, типом колебания и формой диэлектрической подложки 2.
На фиг.3 изображен другой, стационарный, вариант конструктивного исполнения заявляемого ПАМ с вводом сигнала снизу, со стороны крышки 7. В этом случае в передающем антенном модуле отсутствует боковое отверстие в диэлектрической подложке 2, но имеется соответствующее отверстие в крышке 7, в которое вмонтирована одним концом тонкостенная металлическая трубка 11, внутри трубки пропущен кабель 5 и обжат механически на другом ее конце, место выхода кабеля 5 из трубки 11 герметизировано клеевой термоусадочной трубкой 12, а сама крышка 7 выполнена металлической и имеет не менее одного цилиндрического выступа с резьбой 19 для крепления передающего антенного модуля к экрану 13 с помощью контргайки 20.
В настоящее время микросборки передатчика 14 могут быть выполнены достаточно миниатюрными за счет применения нанотехнологий. Поэтому габариты передающего антенного модуля в основном определяются размером подложки 2, которая выполнена из диэлектрического материала.
Малые габариты подложки 2, следовательно, и всего передающего антенного модуля могут быть достигнуты за счет применения керамики или керамокомпозита с высоким (более 10) значением относительной диэлектрической проницаемости. Снизить значение относительной диэлектрической проницаемости без увеличения габаритов антенны позволяет применение метаматериала [С.Caloz and Т.Itoh, Electromagnetic Metamaterials, Transmission Line Theory and Microwave Applications, Piscataway, John Wiley/IEEE Press, 2005].
За счет выполнения печатного проводника 1 антенного элемента из метаматериала (метаматериалоподобным) подложка 2 может быть изготовлена из диэлектрического материала с малым значением относительной диэлектрической проницаемости (от 3,0 до 6,0) методом литья. Это повышает технологичность изготовления передающего антенного модуля и снижает его себестоимость.
На фиг.4 приведен вариант круглой топологии печатного проводника 1 антенного элемента с метаматериалом (метаматериалоподобной топологией), реализующий поле излучения линейной поляризации. Конфигурация внешней формы печатного проводника может быть произвольной, например прямоугольной, квадратной, многоугольной, эллипсоидной и т.п.
Печатный проводник 1 антенного элемента представляет собой метаматериалоподобную структуру, расположенную на внешней стороне дна стакана подложки 2 и выполненную в форме диска с секторными элементами 21 в количестве не менее двух, разделенными радиальными щелями 22. В каждом секторном элементе 21 имеются дугообразные щели 23 в количестве не менее шести. В центре диска имеется сквозной проводящий стержень 24 симметричной формы, имеющий электрический контакт с секторными элементами 21 и металлизированной внутренней поверхности 3 подложки 2. В результате антенный элемент образует планарную секторно-щелевую замедляющую систему.
С другой стороны, антенный элемент образован емкостями С радиальных щелей 22 и индуктивностями L секторных элементов 21 печатного проводника 1, замкнутыми на земляную металлизированную внутреннюю поверхность 3 антенного элемента. Таким образом, предложенная структура печатного проводника 1 может быть представлена в виде эквивалентной CL-цепочки, характерной для метаматериалоподобных структур.
Точка питания антенного элемента (точка подключения перемычки 9 к печатному проводнику 1) находится по центру одного из секторных элементов 21 на определенном расстоянии от центра диска и контактирует с металлизированной частью сектора. Для согласования антенного элемента с выходом платы передатчика 4 точку подключения перемычки 9 к печатному проводнику 1 необходимо совместить с точкой на печатном проводнике 1, в которой входное сопротивление антенного элемента равно 50 Ом на центральной частоте рабочего диапазона. Вне центральной частоты рабочего диапазона частот входное сопротивление становится комплексным, а диапазон согласования по заданному значению КСВн тем шире, чем толще диэлектрическая подложка 2 антенного элемента.
На фиг.5 приведен вариант круглой топологии печатного проводника 1 антенного элемента с метаматериалом (метаматериалоподобной топологией), реализующий поле излучения круговой поляризации.
Для создания поля круговой поляризации конфигурация внешней формы печатного проводника должна быть осесимметричной, а количество секторных элементов 21 кратно четырем, причем один из секторов 21, смежный с сектором с точкой питания (точкой подключения перемычки 9), наполовину металлизирован со стороны точки питания (25).
Частичная металлизация смежного сектора 25 обеспечивает возбуждение колебаний с одинаковой амплитудой и сдвигом фаз ±90°. В этом случае волны двух ортогональных линейных поляризаций формируют в свободном пространстве волну с круговой (левой или правой) поляризацией.
Правая поляризация поля излучения имеет место, если металлизация сектора 25 находится слева от сектора с точкой питания (вид сверху), а левая поляризация поля излучения имеет место, если металлизация сектора 25 находится справа от сектора с точкой питания.
Применение антенного элемента с метаматериалоподобным печатным проводником 1 в виде секторно-щелевой замедляющей системы позволяет использовать подложку 2 с меньшим значением диэлектрической проницаемости, чем в традиционной микрополосковой антенне, что, в свою очередь, позволяет уменьшить габариты антенны, увеличить эффективность излучения и снизить себестоимость изделия.
r
Так, проведенные расчеты антенного элемента для диэлектрического материала с ε=4,8 (полиамида-610) с топологией, изображенной на фиг.4, для частоты 2,4 ГГц дали размеры подложки 2 антенны, которые для предложенной конструкции задают размеры всего ПАМ, равные 26,4 мм × 24,4 мм × 7,2 мм.
11
r
Расчеты проводились для размеров печатного проводника 1 и конфигурации топологии, обеспечивающих работу антенного элемента в режиме низшей моды - квази-Е. Точно такие же размеры ПАМ для частоты 2,4 ГГц достигаются для простой (не метаматериалоподобной) формы печатного проводника 1 (прямоугольной, круглой, треугольной, эллиптической) при изготовлении подложки 2 из корундовой керамики с ε=9,5.
Таким образом, предлагаемый передающий антенный модуль позволяет повысить функциональность, технологичность изготовления и снизить себестоимость передающего антенного модуля.