ШИРОКОПОЛОСНАЯ МАЛОГАБАРИТНАЯ СЕГНЕТОКЕРАМИЧЕСКАЯ АНТЕННА
WIDEBAND SMALL-SIZE FERROELECTRIC-CERAMIC ANTENNA

Изобретение относится к приемопередающим антеннам для приема и передачи цифровых и аналоговых сигналов. Может быть использована как внутренняя антенна для монтажа на печатную плату, в первую очередь для смартфонов и мобильных телефонов, но также может использоваться и в других типах радиоаппаратуры (телевизорах, радиоприемниках, ноутбуках, планшетах и т.д.).
В современных смартфонах, планшетах необходимо обеспечить прием сигнала в диапазоне частот от 690 МГц до 2,75 ГГц (GSM, GPS, GPRS, WiFi, LTE и др.). При этом с учетом отличия стандартов в разных странах, требуется:
- практически непрерывный спектр принимаемого сигнала в диапазонах 0,69-2,2 ГГц,
- эффективность антенны при этом должна быть не ниже 40%.
Проблема заключается в том, что при малых размерах современные антенны (выполненные по микрополосковой технологии или по технологии с использованием керамических материалов LTCC), размещенные в ограниченных объемах компактных корпусов мобильных устройств, для достижения приемлемой эффективности являются высокорезонансными антеннами, что приводит к сужению ширины рабочей полосы (до 10%), а значит, к увеличению количества антенн (до 6 и более штук), необходимых для полного обеспечения всех функциональных возможностей, заложенных в мобильных устройствах в диапазоне частот 0,69-2,75 ГГц. Большое количество антенн, встроенных в мобильное устройство, приводит к увеличению необходимых площадей и объема под их размещение, что, в свою очередь, приводит к усложнению конструкции, повышению потерь в полосковых линиях передачи, возникновению проблем электромагнитной совместимости и т.д.
Известен антенный элемент на основе диэлектрической керамики (http://www.cti-int.com\products\pagsm-ceramic-pcb-mount-gam-antenna), монтируемый на печатную плату, изготовитель компания CTI (Communication, Tacking, Innovation), UK. Активный элемент из диэлектрической керамики выполнен в виде параллелепипеда размером L×W×Н, где L - длина активного элемента, W - ширина активного элемента, H - высота активного элемента, на нижнюю поверхность которого нанесен токопроводящий электрод, а на верхнюю поверхность - металлические проводники, соединенные через микрополосок, нанесенный на боковую поверхность, с токоподводящим электродом, образующие две резонансные антенны, настроенные на резонансные частоты 900 МГц и 1800 МГц.
Недостатком такой конструкции антенного элемента является узкая ширина полосы резонансных антенн, а именно 30 МГц для антенны с резонансной частотой 900 МГц и 100 МГц для антенны с резонансной частотой 1800 МГц, а также необходимость применения согласующих цепей с последующим радиочастотным трактом.
Известна сверхширокополосная сегнетокерамическая антенна интерактивного доступа, которая может быть использована для различных видов беспроводных систем связи, приемных, передающих и приемопередающих устройств, например теле- и радиоустройств, ноутбуков, планшетов, смартфонов и т.д. (RU 119173, МПК H01Q 3/00, опубл. 10.08.2012 г.). Антенна содержит излучатель в виде сегнетокерамического элемента, соединенного с платой заземления, который выполнен в форме удлиненного параллелепипеда из сегнетоэлектрического материала с высокой диэлектрической проницаемостью ε≥1000, расположенного половиной своей длины над платой заземления, которая представляет собой конструктивную плату с собранной на ней электрической схемой приемопередающего устройства, а на сегнетокерамическом элементе около торца, расположенного над платой заземления, размещена точка возбуждения, имеющая электрический контакт с металлическим штырем, соединенным с полосковой токопроводящей линией подключения ресивера приемопередающего устройства.
Недостатком известной антенны являются ее достаточно большие габаритные размеры, кроме того, антенна расположена над и вне печатной платы мобильного телефона, что приводит к увеличению размеров и толщины мобильного телефона, ухудшая тем самым его потребительские свойства.
Известно изобретение (JPH11345518, МПК Н01В 3/00, опубл. 14.12.1999 г.), в соответствии с которым диэлектрическая антенна содержит основание в форме параллелепипеда, токоподводящий электрод, излучающий электрод и земляной электрод, которые нанесены на основание. Для формирования основания используется специальный диэлектрический состав, состоящий из полистирола SPS и высокочастотной сегнетокерамики с низким тангенсом потерь. Керамика составляет от 5% до 60% объема основания. Антенна является резонансной, частота резонанса антенны определяется длиной излучающего электрода.
Недостатком такой конструкции является узкая рабочая полоса резонансных антенн.
Задачей изобретения является создание единого антенного модуля сверхвысокой частоты с широкой рабочей полосой, заменяющего собой несколько антенн, применяемых в мобильных устройствах.
Технических результатом является улучшение эксплуатационных характеристик, расширение функциональных возможностей устройства по организации дополнительных радиоканалов.
H
LW
H
LW
2
Указанный технический результат достигается широкополосной малогабаритной антенной, содержащей активный элемент, соединенный с платой заземления, выполненный в виде параллелепипеда размером L×W×Н, где L - длина, W - ширина, H - высота, из сегнетокерамического материала с высоким значением диэлектрической проницаемости ε≥1000 в рабочем диапазоне частот и имеющего анизотропные значения величин частотной дисперсии диэлектрической проницаемости в теле активного элемента: по его высоте - ε(ω) и по основанию - ε(ω) с соотношением ε(ω)/ε(ω)<0,7, а также остаточную поляризацию σ≥2 мкКл/см на границе раздела активного сегнетокерамического элемента с воздухом, а в тело активного элемента встроен возбудитель в виде токопроводящего стержня, расположенного перпендикулярно основанию, причем электродинамическая длина возбудителя равна  а к возбудителю проведен токоподвод в виде микрополоска, расположенного непрерывно на верхней, боковой и нижней поверхностях активного элемента и имеющего электродинамическую длину до возбудителя, равную  где l - суммарная длина микрополоска на верхней и нижней поверхностях активного элемента, причем активный элемент расположен в плоскости печатной платы приемопередающего устройства (мобильного телефона) в зоне, в которой отсутствуют токопроводящие элементы печатной платы, и на расстоянии не менее (0,7-1)Н между длинной стороной активного элемента и земляным проводником печатной платы.
Технический результат достигается благодаря следующему.
Активный (приемопередающий) элемент антенны совмещает свойства многорезонансной доменной структуры с высоким коэффициентом преломления и направленной зарядовой биполярной системы. За счет увеличения плотности связанной энергии, на основе которой формируется поток излучаемой энергии, и, следовательно, интенсивности излучения антенны удается ослабить зависимость активной составляющей входного сопротивления антенны от частоты. При таком подходе удается достичь уменьшения габаритов и улучшения параметров на 50% и более.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид активного элемента, на фиг. 2 - пример конкретного выполнения активного элемента, на фиг. 3 - расположение антенны на печатной плате мобильного телефона, на фиг. 4 - фотография печатной платы с расположенной на ней антенной, на фиг. 5 показана зависимость коэффициента возвратных потерь антенны от частоты, на фиг. 6 показана зависимость коэффициента стоячей волны от частоты, на фиг. 7 показана зависимость коэффициента усиления антенны от частоты.
Активный элемент (фиг. 1) выполнен в виде параллелепипеда размером L×W×Н, где L - длина активного элемента, W - его ширина, H - его высота.
Активный элемент, являющийся приемопередающим элементом, выполнен из сегнетокерамического материала с высоким значением диэлектрической проницаемости в рабочем диапазоне частот и подвергнут поляризации в направлении, перпендикулярном основанию элемента (L×W).
Пример конкретного выполнения
В качестве материала для активного элемента используется сегнетокерамика на основе титанита бария, цирконата бария и станната бария в соотношении массовых процентов: 90:5:5 (или соотношении 91,8:4,3:3,9 их молярных процентов) со следующими основными электрофизическими параметрами:
Тангенс потерь tan δ(ω)=0,036÷0,0081;
LW
Диэлектрическая проницаемость ε(ω)=1500÷2200;
H
Диэлектрическая проницаемость ε(ω)=1000÷2000.
2
Поляризация керамики проводилась приложением высокого напряжения к электродам, нанесенным на верхнюю и нижнюю поверхности активного элемента с последующим удалением электродов. Остаточная поляризация керамики σ составила 2 мкКл/см.
В теле активного элемента просверлено отверстие, в которое с помощью низкотемпературного припоя впаян токопроводящий стержень (возбудитель) 2. Токоподвод к возбудителю выполнен в виде микрополоска 3, расположенного на верхней, боковой и нижней поверхностях активного элемента. Геометрические размеры микрополоска и его расположение на поверхностях активного элемента детализировано на фиг. 2.
Активный элемент располагается на печатной плате с размерами 50×100 мм в верхнем правом углу платы (фиг. 3) Полоса фольги на плате шириной 10 мм под активным элементом антенны удалена.
Радиофизические параметры антенны измерялись с помощью анализатора сигналов Signal Analyzer Agilent ЕХА # 90-10A фирмы Agilent, США. На фиг. 4 приведено фото антенны, расположенной на макете печатной платы мобильного телефона. Результаты измерений приведены на фиг. 5 и фиг. 6.
На фиг. 5 показана зависимость коэффициента возвратных потерь антенны от частоты. Во всем диапазоне частот от 960 МГц до 3 ГГц значение коэффициента возвратных потерь менее -5 дБ, что является приемлемым результатом даже для резонансных антенн, а на наиболее интересных частотах, отмеченных на фиг. 5 стрелочками, может достигать значений -25 дБ.
На фиг. 6 показана зависимость коэффициента стоячей волны от частоты. Значение коэффициента менее 2 является типичным для хороших резонансных антенн. Для предложенной реализации изобретения коэффициента стоячей волны меньше двух практически во всем диапазоне частот от 1 ГГц до 3 ГГц.
Коэффициент усиления антенны (фиг. 7) больше 0 dbm в диапазоне частот от 960 МГц до 2,7 ГГц и около 2 dbm в диапазоне частот от 1,1 ГГц до 2,4 ГГц.
Таким образом, полученные в результате эксперимента данные подтверждают возможность получения указанного в изобретении технического результата, состоящего в создании единого антенного модуля СВЧ с рабочей полосой порядка 2 ГГц в диапазоне 0,7-2,75 ГГц, заменяющего собой несколько антенн, применяемых в настоящее время в мобильных устройствах, и расширение функциональных возможностей антенны.