ПАРА LTE АНТЕНН ДЛЯ РАБОТЫ С MIMO/РАЗНЕСЕНИЕМ В LTE/GSM ДИАПАЗОНАХ
LTE ANTENNA PAIR FOR MIMO/DIVERSITY OPERATION IN LTE/GSM BANDS

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к паре рамочных антенн для приложений мобильных телефонов и, в частности, к работе в сети LTE, для которой в каждом мобильном телефоне требуется более одной антенны.
Предшествующий уровень техники
[0002] Проект долгосрочного развития (LTE) представляет собой самый последний стандарт развития технологии сетей мобильной связи. Он разработан, чтобы дать возможность провайдерам беспроводной связи в сетях GSM и 3G перейти к сетям и оборудованию четвертого поколения (4G). Технологии LTE обеспечат для потребителей ускорение выполнения существующих приложений, а также откроют возможности для новых приложений мобильных телефонов. Для обеспечения более высоких скоростей передачи информации для этих новых применений в системе LTE принята технология множества входов - множества выходов (MIMO), которая требует использования в мобильных телефонах двух антенн сотовой радиосвязи. Кроме того, LTE использует более низкие частоты, чем диапазон GSM, и антенны мобильных телефонов должны обеспечивать соответствующие характеристики работы на частотах, сниженных до 698 МГц (от частоты 824 МГц, используемой в настоящее время). Необходимость использования двух антенн и обеспечения работы на более низкой частоте создает серьезные проблемы для разработчиков антенн для мобильных устройств.
[0003] Чтобы две антенны обеспечивали хорошие характеристики разнесения или успешно работали в системе MIMO, они должны принимать сигналы, приходящие в мобильное устройство, которые распространяются по разным путям. Это означает, что антенны должны иметь разные диаграммы направленности, разные поляризации, разные фазовые характеристики или должны быть в достаточной степени физически разнесены в пространстве.
e
e
e
[0004] Показателем сходства двух антенн является коэффициент p корреляции по огибающей, который характеризует меру различия диаграмм направленности излучения двух антенн по форме, поляризации и фазе. Для работы системы MIMO очень важен низкий уровень корреляции, поскольку когда p=1, диаграммы направленности одинаковы, и невозможен режим MIMO или выигрыш за счет разнесения. Однако для p=0 достигается оптимальный выигрыш для MIMO. Важно отметить, что рабочие характеристики двух антенн должны быть сходными: хорошие характеристики в режиме MIMO не могут быть обеспечены, если одна антенна имеет высокий КПД, а вторая антенна имеет низкий КПД. Обе антенны должны иметь примерно одинаковый КПД, однако при этом одна или несколько вышеуказанных характеристик должны отличаться.
[0005] Недавно было показано, что для мобильных телефонов могут использоваться рамочные антенны, и путем переключения или электронной настройки они могут быть сконфигурированы для обеспечения работы в диапазонах LTE, а также в диапазонах GSM, например, как это описано в заявке GB 0914280.3 заявителя, одновременно рассматриваемой в Патентном ведомстве Великобритании. Недавние разработки, направленные на расширение пропускной способности, включают многомодовые рамочные антенны, сложные схемы питания и заземления, а также сложные конструктивные элементы, обеспечивающие улучшение согласования с кабелем 50 Ом. Некоторые из таких разработок подробно описаны в заявке GB 1017472.0 заявителя, одновременно рассматриваемой в Патентном ведомстве Великобритании, содержание которой включается ссылкой в настоящую заявку.
Раскрытие изобретения
[0006] В настоящем изобретении предлагается антенная система с множеством входов - множеством выходов (MIMO), содержащая первую и вторую сложенные или компактные рамочные антенны, имеющие протяженность в продольном направлении и смонтированные по существу параллельно друг к другу на диэлектрической подложке, имеющей проводящий заземляющий слой, который проходит между первой и второй антеннами, причем первая и вторая антенны установлены на участках подложки, на которых отсутствует заземляющий слой, и первая и вторая антенны при их работе формируют первую и вторую диаграммы направленности излучения, а также обеспечивают токи, протекающие в заземляющем слое между антеннами, чтобы отклонить первую и вторую диаграммы направленности излучения относительно друг друга на угол больше нуля.
[0007] Первая и вторая антенны могут быть установлены относительно друг друга аналогично паре катушек Гельмгольца, хотя это не существенно и даже не обязательно, чтобы антенны находились относительно друг друга на расстоянии порядка поперечного размера каждой рамки. Однако в предпочтительных вариантах рамки первой и второй рамочных антенн по существу коаксиальны. Чем больше расстояние между первой и второй антеннами, тем больше разнесение.
[0008] Каждая из двух вышеуказанных рамочных антенн может быть сконфигурирована, как описано в заявке GB 1017472.0, а именно каждая рамочная антенна может быть выполнена как компактная рамка из проводящей дорожки, нанесенной на диэлектрической подложке путем перегибания рамки через край подложки для формирования первого и второго участков (патчей). В других вариантах первый и второй участок могут быть соединены между собой гальванически с помощью сквозных перемычек в пластинке, в результате чего обеспечивается компактная рамка. В других вариантах компактная рамка может быть сформирована в одной плоскости проводящей дорожкой в форме меандра или складыванием иным образом. Во всех вариантах выражение "сложенная или компактная рамочная антенна" относится к рамочной антенне, сформированной проводящей дорожкой в топологически рамочной конфигурации, которая охватывает меньшую площадь, чем площадь, охватываемая проводящей дорожкой, если бы она проходила по круговой траектории. В большинстве вариантов охватываемая траектория меньше площади, охватываемой проводящей дорожкой, если бы она проходила по квадратной или прямоугольной траектории. Это объясняется тем, что компактная или сложенная рамка, как правило, содержит по меньшей мере одну возвращающуюся часть, когда петля рамки переходит с одной стороны подложки на другую.
[0009] В различных вариантах осуществления изобретения используются две рамки, расположенные в мобильном телефоне, в USB аппаратном ключе (адаптере) и в других небольших устройствах для обеспечения работы в режиме MIMO или с разнесением.
[0010] Первая и вторая антенны могут иметь одинаковые конструкции и/или характеристики, или же они могут быть разными. Обе рамки могут быть установлены вертикально относительно горизонтальной подложки с заземляющим слоем и параллельно друг другу. В конкретных предпочтительных вариантах антенная система выполнена так, что каждая рамка может быть легко установлена вертикально на основной печатной плате USB аппаратного ключа.
[0011] Один конец каждой из первой и второй рамочных антенн соединен с радиочастотным (RF) фидером для соответствующего сигнала. Другой конец каждой рамочной антенны может быть соединен непосредственно с "землей" (например, путем присоединения к заземляющему слою), однако в предпочтительных вариантах другой конец рамочных антенн соединен с "землей" по меньшей мере через один индуктивный компонент для регулировки эффективной длины рамки. В наиболее предпочтительных вариантах другой конец одной или каждой рамочной антенны снабжен коммутатором, обеспечивающим выборочное включение двух или более разных индуктивных компонентов между другим концом и "землей", в результате чего обеспечивается возможность регулирования электрической длины рамки.
[0012] Поскольку рамочные антенны параллельны друг другу и расположены друг от друга на небольшом расстоянии, можно подумать, что на такой небольшой площадке, как аппаратный ключ, будет трудно обеспечить малую величину корреляции по огибающей. Однако исследования токов, протекающих в проводящем слое аппаратного ключа, показывают, что две диаграммы направленности излучения могут быть наклонены таким образом, чтобы между ними был некоторый угол. В предпочтительных вариантах угол между диаграммами направленности излучения составляет по меньшей мере 20°, более предпочтительно по меньшей мере 35° и наиболее предпочтительно - примерно 50° или по меньшей мере 50°. Для угла порядка 50° коэффициент корреляции может быть порядка 0,4, что считается приемлемым для приложений MIMO и с разнесением.
[0013] В типичном применении такого аппаратного ключа может требоваться, чтобы "основная" антенна перекрывала диапазоны LTE и GSM, и вторая антенна обеспечивала LTE MIMO или разнесение. Это означает, что две антенны необязательно должны иметь одинаковые конструкции или одинаковые характеристики. Альтернативно или в дополнение к этому, не требуется, чтобы они коммутировались или согласовывались одинаковым образом.
e
[0014] В одном из вариантов обе антенны могут быть одинаковыми, однако их электрические коммутирующие схемы могут использоваться одинаковым или разным образом. В некоторых вариантах обеспечиваются три положения коммутации, однако возможны конфигурации с двумя, четырьмя и другими количествами положений коммутации. Измерения взаимной корреляции между антеннами показали, что p≤0,5 во всем диапазоне, используемом по протоколу LTE.
[0015] Этот результат вместе с хорошей пропускной способностью и КПД антенн означает, что они удовлетворяют требованиям системы LTE.
Краткое описание чертежей
[0016] Варианты осуществления изобретения описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - первая известная конфигурация USB аппаратного ключа для LTE;
Фиг.2 - вторая конфигурация USB аппаратного ключа для LTE;
Фиг.3 и 4 - вариант осуществления настоящего изобретения;
Фиг.5-8 иллюстрирует теоретические принципы, лежащие в основе вариантов осуществления изобретения;
Фиг.9 - примерная схема соединений варианта осуществления настоящего изобретения;
Фиг.10 - график, показывающий согласование входа и развязку для варианта осуществления изобретения в отдельности;
Фиг.11 - график, показывающий согласование входа и развязку для варианта осуществления изобретения при вставке в ноутбук;
Фиг.12 - график КПД антенны для варианта осуществления изобретения в отдельности;
Фиг.13 - график КПД антенны для варианта осуществления изобретения при вставке в ноутбук;
Фиг.14 - график изотропного 3D распространения, показывающий значения коэффициента корреляции и коэффициента мощности на кросс-поляризации в разных частотных диапазонах варианта осуществления настоящего изобретения в отдельности;
Фиг.15 - график изотропного 3D распространения, показывающий значения коэффициента корреляции и коэффициента мощности кросс-поляризации в разных частотных диапазонах варианта осуществления настоящего изобретения при вставке в ноутбук.
Подробное описание изобретения
[0017] На фиг.1 показан схематично первый вариант известного MIMO USB аппаратного ключа 1 с удаленным кожухом. Аппаратный ключ 1 содержит соединительный разъем 2 USB, подложку 3 печатной платы, основную антенну 4 и вспомогательную антенну 5, расположенную перпендикулярно к основной антенне. Альтернативный вариант представлен на фиг.2, где вспомогательная антенна 5′ поднята над подложкой 3 печатной платы и может поворачиваться относительно ножки 6, на которой она установлена. Для наглядности показаны только некоторые элементы аппаратного ключа, хотя следует понимать, что на подложке 3 печатной платы расположены и другие компоненты, такие как схемы запоминающего устройства и процессора. MIMO USB аппаратные ключи такого типа обычно предназначены для использования в качестве USB-модемов, которые можно вставить в ноутбук или другой компьютер для обеспечения обмена данными с использованием сети LTE мобильной связи. Основная антенна 4 предназначена для приема и передачи сигналов LTE, GSM и HSPA, а вспомогательная антенна 5, 5′ обеспечивает пространственное разнесение для сигналов LTE. Однако вспомогательная антенна 5, 5′ имеет более низкие характеристики по сравнению с основной антенной 4, и поэтому USB аппаратный ключ 1 в целом не обеспечивает оптимальных характеристик при работе в режиме MIMO, и скорость передачи данных будет невысокой.
[0018] На фиг.3 и 5 представлен вариант осуществления настоящего изобретения (также в схематичной форме). MIMO USB аппаратный ключ 10 содержит соединительный разъем 2 USB, подложку 3 печатной платы в форме диэлектрической платы, такой как FR4, проводящий слой 11 заземления, а также две компактные рамочные антенны 12, 12′, расположенные параллельно напротив друг друга на длинных кромках пластины 3. Как можно видеть, рамочные антенны 2, 12′ установлены вертикально относительно плоскости пластины 3 в тех ее местах, где отсутствует заземляющий слой 11. Однако заземляющий слой 11 проходит между антеннами 12, 12′.
[0019] Каждая антенна 12, 12′ содержит рамку, сформированную проводящей дорожкой 16, 16′, напечатанной или иным образом сформированной на диэлектрической подложке 13, 13′. В частности, каждая рамочная антенна 12 может содержать диэлектрическую подложку 13, имеющую первую 14 и вторую 15 противолежащие поверхности, а также проводящую дорожку 16, сформированную на пластинке 13, на которой обеспечивается точка 17 питания и точка 18 заземления, находящиеся рядом друг с другом на первой поверхности 14 подложки 13, причем проводящая дорожка 16 отходит от точки 17 питания и от точки 18 заземления в противоположных направлениях, доходит до кромки диэлектрической подложки 13, после чего переходит на вторую поверхность 15 диэлектрической подложки 13 и затем проходит по второй поверхности 15 по траектории, соответствующей траектории этой дорожки на первой поверхности 14, после чего соединяется с соответствующими сторонами проводящей схемы, сформированной на второй поверхности 15, которая проходит в центральную часть рамки, сформированной проводящей дорожкой 16 на второй поверхности 15, причем проводящая схема содержит индуктивные и емкостные элементы. Вместо проводящей схемы, содержащей индуктивные и емкостные элементы, два конца проводящей дорожки 16 на второй поверхности 15 могут соединяться гальванически простой проводящей нагрузочной пластинкой, или же проводящая дорожка 16 может формировать на второй поверхности 15 непрерывную рамку. В другом варианте вместо точки 17 питания и точки 18 заземления антенна 12 может иметь две точки 18 заземления, и возбуждение может осуществляться с помощью отдельной рамки или несимметричной антенны (не показана) с непосредственным возбуждением, которая связана с антенной 12 с помощью индуктивной или емкостной связи.
[0020] Как показано на фиг.3, диэлектрические подложки 13, 13′ имеют центральные вырезы 19, 19′, расположенные в тех местах, в которых напряженность электрического поля во время работы будет максимальной. Это помогает повысить КПД антенны.
[0021] В зоне 20 подложки 3 печатной платы и заземляющего слоя 11 между антеннами 12, 12′ и соединительным разъемом 2 USB могут быть расположены другие компоненты схемы (не показаны). Вообще говоря, эти другие компоненты схемы могут быть расположены и между антеннами 12, 12′, если они не создают слишком больших помех антеннам 12, 12′.
[0022] Как можно видеть, конструкция вариантов осуществления настоящего изобретения, в отличие от вышеописанных известных конструкций, симметрична относительно плоскости симметрии, проходящей по центральной линии USB аппаратного ключа.
[0023] На фиг.5-8 иллюстрируются теоретические принципы, лежащие в основе вариантов осуществления настоящего изобретения. Поскольку рамочные антенны 12, 12′ параллельны друг другу и расположены друг от друга на небольшом расстоянии, можно подумать, что на такой небольшой площадке, как аппаратный ключ 10, будет трудно обеспечить малую величину корреляции по огибающей. Однако исследования токов 30, протекающих в заземляющем слое 11 аппаратного ключа 10, показывают, что две диаграммы 21, 22 направленности излучения могут быть наклонены таким образом, чтобы между ними был угол 50°. При такой величине угла может быть получен коэффициент корреляции, равный 0,4, который считается приемлемым для приложений MIMO и с разнесением. В частности, следует отметить, что расположение антенн 12, 12′ на диагонально противолежащих углах подложки 3 печатной платы аппаратного ключа 10 приводит к тому, что эти антенны работают в одном режиме, что влечет за собой высокую величину корреляции и потерю разнесения. Чтобы получить среднюю или низкую величину корреляции и, соответственно, приемлемое разнесение, необходимо располагать антенны 12, 12′ на одной кромке или на одном краю подложки 3 печатной платы.
[0024] На фиг.8 показана первая 31 и вторая 32 диаграммы направленности излучения, формируемые антенной системой, из которых видно, что они наклонены друг к другу под углом 50°, в результате чего обеспечивается приемлемое разнесение.
[0025] В типичном применении такого аппаратного ключа "основная" антенна 12 должна покрывать диапазоны LTE и GSM, и вторая антенна 12′ должна обеспечивать LTE MIMO или разнесение. Это означает, что две антенны 12, 12′ необязательно должны иметь одинаковую конструкцию или характеристики, и они не должны одинаковым образом коммутироваться или согласовываться. В рассматриваемых вариантах обе антенны 12, 12′ имеют одинаковую конструкцию, однако их электрические коммутирующие схемы могут использоваться одинаково или по-разному, как показано на фиг.9.
e
[0026] На фиг.9 показана подложка 3 с заземляющим слоем 11 и с двумя участками 23, 23′ на противолежащих кромках, на которых заземляющий слой 11 отсутствует. Антенны 12, 12′ имеют точки 17, 17′ возбуждения, соответственно, которые соединены, соответственно, со входами 24, 24′ ВЧ-сигнала и со схемами 25, 25′ согласования антенн. Антенны 12, 12′ также имеют точки 18, 18′ заземления, соответственно, которые соединены с "землей" с помощью коммутаторов 26, 26′, обеспечивающих переключение между тремя разными заземляющими соединениями 27, 27′ с разными индуктивностями. Управление коммутаторами 26, 26′ осуществляется по линиям 28, 28′ управления. В рассматриваемом варианте показаны три положения коммутации, однако возможны конфигурации с двумя, четырьмя и другими количествами положений коммутации. Измерения взаимной корреляции между антеннами 2, 12′ показали, что p≤0,5 во всем диапазоне, который используется в протоколе LTE. Этот результат вместе с хорошей пропускной способностью и КПД антенн 12, 12′ означает, что они удовлетворяют требованиям системы LTE.
[0027] На фиг.10 показан график, иллюстрирующий согласование входа и развязку в двух разных положениях (то есть с разными индуктивностями, подключенными между антеннами и землей) в четырех диапазонах, а именно в диапазоне LTE 746-798 МГц, в диапазоне GSM, в диапазоне WCDMA и в диапазоне LTE 2500 2690 МГц для варианта осуществления настоящего изобретения в отдельности.
[0028] На фиг.11 представлен график, соответствующий графику фиг.10, но с вставкой аппаратного ключа 10 в ноутбук.
[0029] На фиг.12 представлен график КПД антенны для варианта осуществления настоящего изобретения в четырех диапазонах: 740-800 МГц, 820-960 МГц, 1710-2170 МГц и 2500-2690 МГц.
[0028] На фиг.13 представлен график, соответствующий графику фиг.12, но с вставкой аппаратного ключа 10 в ноутбук.
e
[0031] На фиг.14 представлен график изотропного 3D распространения, на котором показаны кривые изменения величин коэффициента корреляции и коэффициента мощности кросс-поляризации в разных частотных диапазонах (740-800 МГц, 820-960 МГц и 1710-2170 МГц) для варианта осуществления настоящего изобретения; причем коэффициент мощности кросс-поляризации находится в диапазоне от -15 дБ до +15 дБ. Как можно видеть измеренный коэффициент корреляции p≤0,5 или меньше во всех диапазонах и ниже 0,4 в большей части частотного спектра.
[0032] На фиг.15 представлен график, соответствующий графику фиг.12, но с вставкой аппаратного ключа 10 в ноутбук. Хотя в этом случае коэффициент корреляции выше на более низких частотах по сравнению со случаем отдельного аппаратного ключа 10, однако он достаточно низкий для обеспечения удовлетворительной работы в режиме MIMO и с использованием разнесения во всем частотном спектре.
[0033] По всему тексту описания и формулы изобретения настоящей заявки слова "содержат" и "включают", а также их производные означают "включение без ограничения", то есть они не исключают содержания (включения) других частей, добавлений, компонентов и целых чисел или этапов. По всему тексту описания и формулы изобретения настоящей заявки указание каких-либо признаков в единственном числе охватывает и несколько таких признаков, если из контекста не следует иное. В частности, если в тексте используется форма единственного числа, то ее следует понимать как указание "один или несколько", если из контекста не следует иное.
Признаки, целые числа, характеристики, компаунды, химические компоненты или группы, описанные в связи с конкретным аспектом, вариантом осуществления или примером изобретения должны пониматься как применимые к любому другому аспекту, варианту осуществления или примеру, описанным здесь, если только не являются несовместимыми. Все признаки, раскрытые в данной спецификации (включая формулу изобретения, реферат и чертежи), и/или все этапы любого способа или процесса, раскрытого таким образом, могут комбинироваться в любой комбинации, за исключением комбинаций, где по меньшей мере некоторые из таких признаков и/или этапов являются взаимно исключающими. Изобретение не ограничивается деталями любого из вышеуказанных вариантов осуществления. Изобретение распространяется на любой новый признак или комбинацию признаков, раскрытых в данной спецификации (включая формулу изобретения, реферат и чертежи), или на новый один или любую комбинацию этапов любого способа или процесса, раскрытого таким образом.
Внимание читающего обращается на все документы, поданные одновременно или раньше этой спецификации в связи с этой заявкой, и которые открыты для публичного ознакомления с этой спецификацией, и содержание всех таких документов включено настоящим в данный документ посредством ссылки.