МОНОПОЛЬНАЯ АНТЕННА С ЗАМКНУТЫМ СЕРДЕЧНИКОМ ДЛЯ МОБИЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ
MONOPOLE ANTENNA WITH CLOSED CORE FOR MOBILE USE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к антенной технике, в частности, к малогабаритным антеннам, предназначенным для установки внутри относительно небольших мобильных приемников, передатчиков и приемопередатчиков, таких как мобильные телефоны, портативные компьютеры и т.п., для передачи и приема радиоволн.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время все частотные диапазоны стандартов мобильной связи находятся в пределах диапазона частот приблизительно от 0,6 до 6 ГГц. С точки зрения проектирования встроенных антенн наиболее важной (критической) полосой частот является полоса 0,6-1 ГГц с длиной волны >30 см. Для уменьшения физических размеров антенн с сохранением при этом электрической длины (для поддержания хорошего уровня согласования) разработчики широко используют различные диэлектрические или ферритовые материалы для нагрузки антенны в качестве подложки или держателя.
r
r
r
r
eff
eff
eff
eff
1/2
Одним из наиболее подходящих материалов при проектировании антенн для указанной выше «критической» полосы частот является гексаферритовый сердечник с достаточно высокой исходной относительной диэлектрической проницаемостью (ε) и магнитной проницаемостью (µ) и с относительно низким коэффициентом вносимых потерь (tan δ от ε и µ). Как правило, при проектировании антенной подложки в качестве разомкнутого магнитного сердечника используется прямоугольный гексаферритовый брусок. Таким образом, для данного типа малогабаритных композитных антенн с эффективной длиной волны λ/4 коэффициент укорочения составляет 1/(µ ε), где µ - эффективная относительная магнитная проницаемость, ε - эффективная относительная диэлектрическая проницаемость.
eff
r
eff
r
Однако основной проблемой при разработке такого типа антенн является снижение электрических характеристик подложки, когда ферритовый или гексаферритовый брусок имеет размеры, сопоставимые с токопроводящей частью антенны, т.е. µ<µ и ε<ε, соответственно. В некоторых случаях проектирования эта разница может быть в несколько раз. Это обусловлено влиянием коэффициента размагничивания и коэффициента краевого эффекта. Данный аспект будет более подробно описан ниже.
Антенны на основе ферритовых или гексаферритовых материалов хорошо известны, и уже существует множество различных конструкций и их применений в мобильных устройствах. Анализ антенных решений показывает, что их можно разделить на три основных группы, которые показаны на Фиг. 1a-1c и описаны ниже.
На Фиг. 1a показана группа микрополосковых антенн, в которой вместо диэлектрика, применяемого в типичных микрополосковых антеннах, используется подложка из гексаферритового материала 1. Все остальные элементы антенны, такие как микрополосковый излучатель 3, линия 4 питания и слой 2 земли, идентичны антенне с диэлектрической подложкой, но с коррекцией на характеристики гексаферритового материала. Один практический вариант антенны такого типа описан в патенте US 5327148 А от 5 июля 1994 под названием «Ferrite Microstrip Antenna (Ферритовая микрополосковая антенна)».
r
eff
r
eff
eff
eff
1/2
Некоторый теоретический анализ таких антенн представлен в публикации «Rectangular Microstrip Antenna on a Ferrite Substrate (Прямоугольная микрополосковая антенна на ферритовой подложке)», Das С., Chowdhury S., IEEE transactions on antennas and propagation, vol. ap-30, N3, май 1982, с. 499-502. Авторы данной публикации заметили, что параметры материала изменились по сравнению с исходными параметрами: µ=14,74 снизилась до µ=5,97, а ε=15 до ε=12,19. В результате, соответственно уменьшился коэффициент укорочения 1/(µ ε).
Приведенные аналоги ферритовой антенны не очень близки к настоящему изобретению вследствие большой разницы в принципах работы антенны и характеристиках антенны, но этот тип антенн все же рассматривается здесь, так как в нем также используется наполнение ферритовым или гексаферритовым материалом для уменьшения размеров антенны с одновременным сохранением ее характеристик. Антенны данной группы имеют, как правило, довольно громоздкую и, в результате, слишком тяжелую и хрупкую конструкцию подложки, поэтому они непригодны для использования внутри мобильных устройств.
На Фиг. 1b, 1c показаны группы антенн, имеющие аналогичную конструкцию, которая содержит токопроводящую проволочную катушку или спираль над ферритовым или гексаферритовым сердечником в форме прямоугольного бруска или цилиндрического стержня.
В настоящее время электрические антенны такого типа, как показаны на Фиг. 1b, быстро развиваются в качестве антенн для применения внутри мобильных устройств, и они широко описаны в различных публикациях, например US 2005/073466 A1, 7 апреля 2005, «Helical coil, magnetic core antenna (Антенна со спиральной катушкой и магнитным сердечником)»; US 2009/273534 A1, 5 ноября 2009, «Magnetic material antenna and ferrite sintered body (Антенна из магнитного материала и ферритовый корпус, изготовленный методом спекания)»; и «Miniaturized Broadband Ferrite T-DMB Antenna for Mobile-Phone Applications (Миниатюрная широкополосная ферритовая T-DMB антенна для применения в мобильных телефонах», Seok Bae, Yang-Ki Hong, Jae-Jin Lee, Won-Mo Seong, IEEE transactions on magnetics, vol. 46, N6, июнь 2010, с. 2361-2364. Все антенны, описанные в указанных публикациях, имеют различные варианты воплощения, но их основная конструкция абсолютно такая же, как показана на Фиг. 1b.
В частности, антенна на Фиг. 1b содержит сердечник 6 в форме ферритового бруска с токопроводящей катушкой 7 поверх него. Вместо катушки можно использовать любой тип спирали или извилистой токопроводящей линии. То есть, над пластиной 5 земли образован некий вид изогнутой монопольной антенны, и она запитывается через порт на PCB 8. Такие антенны, например, как на Фиг. 1b, требуют наличия плоскости земли, и ее эксплуатационные характеристики в значительной степени зависят от размера этой земли.
Принципиальное различие между группами антенн, представленных на Фиг. 1b и 1с, состоит в том, что антенны, например, показанные на Фиг. 1b, питаются от одного конца катушки, а другой конец свободен, так что над пластиной земли создается электрический монополь (обычно это антенны типа перевернутого L или F).
При этом, тип антенн, показанный в общем на Фиг. 1c, требует дифференциального питания 11-12 катушки 9, намотанной вокруг цилиндрического ферритового сердечника 10 и соединенной с непосредственно с входом радиоустройства (приемопередатчика) 14 без использования плоскости земли. Радиоустройство 14 подсоединено к земле 13 независимо. Таким образом, образуется антенна типа магнитного диполя (или рамочная антенна), нагруженная на ферритовом или гексаферритовом сердечнике. Такой магнитный диполь или рамочная антенна представлена на Фиг. 1с.
Этот тип антенн практически не требует никакой плоскости земли, что объясняет популярность таких антенн при проектировании малогабаритных мобильных устройств. Эти антенны широко описаны в специальной литературе по антеннам, например, во втором издании «ANTENNAS», John D. Kraus, 1988, с. 259-262; аналогичная теория описана в работе «Receiving Antenna Design for Miniature Receivers (Конструкция приемной антенны для миниатюрных приемников)», R.С Pettengill, H.T. Garland, J.D. Meindl, IEEE transactions on antennas and propagation, July 1977, с. 528-530. Кроме того, некоторые практические варианты раскрыты в следующих патентах: US 6919856 В2 от 19 июля 2005, US 7737905 В1 от 15 июня 2010, US 5561438 от 1 октября 1996 г. Тем не менее, полное сопротивление антенн такого типа слишком низкое, а также имеет индуктивные свойства, и это создает трудности для согласования антенны в широкой полосе частот.
eff
eff
eff
r
1/2
Для антенн обоих типов, показанных на Фиг. 1b и 1с, коэффициент укорочения равен 1/(µ ε), но для антенн с разомкнутым ферритовым сердечником эффективная магнитная проницаемость ферритового стержня µ всегда меньше, чем исходная относительная магнитная проницаемость µ. Это является результатом коэффициента размагничивания DF, который зависит от геометрии ферритового сердечника и катушки, а также от положения катушки.
eff
r
Следовательно, отношение между эффективной магнитной проницаемостью µ и исходной относительной магнитной проницаемостью µ можно аппроксимировать для стержневой антенны как:
eff
r
r
µ=µ/(1+DF(µ-1)),    (1)
1.4
где DF - коэффициент размагничивания типичной стержневой антенны (Фиг. 1b, 1с.), DF=0,37 (L/D);
L - длина ферритового или гексаферритового сердечника;
D - диаметр сердечника.
Для сердечника в форме прямоугольного бруска, показанного на Фиг. 1b, D можно вычислить как:
D=2(W+Н)/π,    (2)
где W - ширина сердечника и
Н - высота.
eff
r
eff
eff
eff
1/2
На Фиг. 2 представлены графики, иллюстрирующие отношение между µ и µ для различных отношений L/D стержневых антенн. Как видно из графиков на Фиг. 2, малогабаритные антенны с низким отношением L/D имеют значительно меньшую эффективную магнитную проницаемость µ, и в результате, коэффициент укорочения антенны 1/(µ ε) также уменьшается. Это соответствующим образом отражается на полном сопротивлении антенны. Таким образом, типы антенн, показанные на Фиг. 1b и 1с, требуют максимально возможной длины ферритового или гексаферритового сердечника.
Ближайшие аналоги настоящего изобретения можно найти в заявке JP 2009-177293 A и патенте SU 1663660 А1, которые проиллюстрированы на Фиг. 1d и 1e соответственно. Хотя решения, показанные на Фиг. 1d и 1е, на первый взгляд отличаются от групп магнитных нагруженных антенн, показанных на Фиг. 1a, 1b и 1с, их можно отнести к группе магнитных рамочных антенн, показанной на Фиг. 1с. В частности, в решении на Фиг. 1d магнитный сердечник выполнен в виде тороида с зазором 15 и питается дифференциально через порт 16 катушки. Кроме того, в магнитной антенне 17 с разомкнутым сердечником, показанной на Фиг. 1e, также используется замкнутый магнитный сердечник 18, однако только в качестве питающего трансформатора, и он соединен с сердечником 17 антенны с помощью дополнительной замкнутой катушки 19.
Все варианты магнитных антенн, показанные на Фиг. 1c, 1d и 1е, предназначены только для приема компоненты магнитного поля, и не позволяют использовать компоненту электрического поля электромагнитных волн.
С другой стороны, в антеннах, показанных на Фиг. 1c, 1d и 1е, не используется плоскость земли, и, как следствие, индуцированные поверхностные токи. Это значительно уменьшает апертуру антенны, и в результате, эффективность излучения.
Хорошо известно, что малогабаритные встроенные антенны с физической длиной значительно меньше 1/4 длины волны имеют очень низкое сопротивление излучения, и в результате, и эффективность излучения. Для сохранения эффективности излучения при миниатюризации разомкнутого сердечника, как правило, используются диэлектрические или магнитные материалы для нагрузки антенны и увеличения электрической длины.
eff
eff
eff
r
eff
r
1/2
В этом случае, антенна может быть короче на коэффициент 1/(µ ε), но для малогабаритных антенн с разомкнутым сердечником эффективная диэлектрическая и магнитная проницаемости материала сердечника существенно уменьшаются по сравнению с их исходными относительными характеристиками, т.е. µ<µ и ε<ε. Таким образом, эффект укорочения антенны не так велик, как ожидается изначально.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение направлено на решение или смягчение, по меньшей мере, некоторых из вышеупомянутых фундаментальных проблем. В частности, одной из задач настоящего изобретения является уменьшение ухудшения основных эксплуатационных характеристик при сохранении минимальных размеров и объема антенны.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложена монопольная антенна, содержащая: по существу замкнутый сердечник, образующий по существу замкнутую магнитную цепь, причем сердечник имеет форму со сквозным отверстием; плоскость земли; токопроводящую катушку, намотанную вокруг сердечника через упомянутое отверстие равномерно по периметру сердечника и имеющую по меньшей мере два витка, причем количество витков зависит от требуемой рабочей частоты; причем катушка имеет два конца, причем первый конец закреплен на сердечнике или вне его, а второй конец закреплен вне сердечника и образует первый контактный вывод для питания антенны; и порт питания, содержащий второй контактный вывод, который соединяет плоскость земли с катушкой посредством соединения с первым контактным выводом, образованным на втором конце токопроводящей катушки.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения замкнутый сердечник выполнен из феррита или гексаферрита.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения замкнутый сердечник выполнен из магнитодиэлектрика.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения замкнутый сердечник имеет произвольную форму, например, кольца, прямоугольника, многогранника, овала и т.п.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения для обмотки катушки используется токопроводящая лента из фольги или проволока.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения первый конец катушки выполнен свободным.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения первый конец катушки нагружен дополнительной нагрузкой, и дополнительная нагрузка выполнена в виде полосковой линии и/или включает в себя согласующую цепь.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения катушка содержит два или более изолированных провода, намотанных параллельно вокруг сердечника, причем все провода имеют различные длины в зависимости от требуемых рабочих частот.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения плоскость земли выполнена как часть печатной платы (PCB).
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения антенна установлена частично внутри плоскости земли.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения антенна собрана как компонент поверхностного монтажа (SMD), припаянный к PCB.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения, антенна собрана как отдельный компонент, механически закрепленный на PCB.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения сердечник содержит регулируемый зазор для регулирования частоты и снижения потерь.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения антенна содержит два или более сердечников и соответствующее количество токопроводящих катушек, намотанных вокруг сердечников.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения антенна предназначена для использования в мобильных устройствах.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения, антенна предназначена для использования в транспортных средствах.
eff
r
Настоящее изобретение предлагает техническое решение с замкнутым ферритовым или гексаферритовым сердечником, которое позволяет решить, по меньшей мере, некоторые проблемы предшествующего уровня техники, поскольку в замкнутом сердечнике µ≈µ благодаря концентрации магнитного поля внутри сердечника. Это также позволяет увеличить электрическую длину антенны при одновременном уменьшении ее общего размера. Таким образом, по меньшей мере одним из преимуществ настоящего изобретения является минимизация необходимого объема антенны при сохранении ее эксплуатационных характеристик.
Другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения станут ясны из последующего описания и формулы изобретения при рассмотрении их совместно с прилагаемыми чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1a иллюстрирует микрополосковую антенну, описанную в патенте US 5327148 А и в публикации «Rectangular Microstrip Antenna on a Ferrite Substrate (Прямоугольная микрополосковая антенна на ферритовой подложке)».
Фиг. 1b иллюстрирует гексаферритовую нагруженную монопольную антенну, описанную в заявках US 2005/073466 A1, US 2009/273534 A1 и в публикации «Miniaturized Broadband Ferrite T-DMB Antenna for Mobile-Phone Applications (Миниатюрная широкополосная ферритовая T-DMB антенна для мобильных телефонов)».
Фиг. 1с иллюстрирует ферритовую магнитную рамочную антенну, описанную в публикации «Receiving Antenna Design for Miniature Receivers (Конструкция приемной антенны для миниатюрных приемников)» и в патентах US 6919856 B2, US 7737905 В1, US 5561438 А.
Фиг. 1d иллюстрирует ферритовую магнитную рамочную антенну, описанную в заявке JP 2009-177293 А.
Фиг. 1е иллюстрирует магнитную антенну, описанную в патенте SU 1663660 A1.
eff
r
Фиг. 2 иллюстрирует графики зависимости между µ и µ при различных отношениях длина/диаметр стержневой антенны.
Фиг. 3 иллюстрирует основной вариант осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4а иллюстрирует дополнительный вариант антенны с нагруженным первым концом катушки.
Фиг. 4b иллюстрирует дополнительный вариант антенны с катушкой с двойной обмоткой.
Фиг. 5a иллюстрирует поперечное сечение антенны в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения для промышленной реализации в качестве компонента поверхностного монтажа (SMD).
Фиг. 5b иллюстрирует поперечное сечение антенны в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения для промышленной реализации с использованием механического замка.
Фиг. 6 иллюстрирует результаты моделирования антенны в соответствии с вариантом осуществления, изображенным на Фиг. 3.
Фиг. 7 иллюстрирует результаты моделирования уровня согласования S11 антенны.
Фиг. 8 иллюстрирует модель эффективности излучения антенны в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 9а иллюстрирует принцип работы классического оптимального четвертьволнового монополя с распределением тока вдоль антенны.
Фиг. 9b иллюстрирует принцип работы типичного изогнутого монополя с распределением тока вдоль антенны.
Фиг. 9с иллюстрирует принцип работы монопольной антенны с замкнутым сердечником в соответствии с настоящим изобретением с распределением тока вдоль антенны.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Из теории и практического опыта хорошо известно, что физически малогабаритные антенны, имеющие размер намного меньше четверти длины волны, имеют низкое сопротивление излучения и, в результате, они не согласуются с наружным пространством для излучения, поэтому электромагнитные волны излучаются, в основном, плоскостью земли шасси мобильного устройства, так что такая малогабаритная антенна начинает работать, в основном, как возбудитель поверхностных токов на плоскости земли. Для успешной работы малогабаритной антенны в качестве возбудителя тока эта антенна должна иметь достаточно большую электрическую длину, близкую к 1/4 длине волны (как идеальный монополь). Для этой цели, как правило, используются изогнутые монополи или антенны в форме перевернутого F с извилистым проводником, но из-за сильной взаимосвязи эти антенны требуют относительно большого расстояния между проводником антенны и плоскостью земли.
eff
eff
eff
r
1/2
Эту проблему может решить с помощью диэлектрической или магнитной подложки, как показано на Фиг. 1b. С точки зрения уменьшения размеров антенны с одновременным сохранением максимальной электрической длины наиболее предпочтительными являются сердечники из магнитного материала, так как коэффициент укорочения антенны включает в себя два параметра, а именно, диэлектрическую проницаемость и магнитную проницаемость, 1/(µ ε). Однако, к сожалению, в случае использования разомкнутого сердечника в виде стержня или бруска с относительно небольшой длиной (L/D<10, как показано на Фиг 2), коэффициент размагничивания значительно снижает магнитную проницаемость: µ<µ. В этой ситуации маленькая электрическая длина антенны не достаточно эффективна, и, как следствие, распределение поверхностных токов по земле не является оптимальным. Это препятствует достижению максимальной эффективности излучения мобильного устройства.
Проблему, связанную с коэффициентом размагничивания DF, можно решить с помощью замкнутого магнитного сердечника, как предложено в настоящем изобретении.
На Фиг. 3 представлен основной вариант монопольной антенны с замкнутым сердечником в соответствии с настоящим изобретением. Этот вариант можно использовать для мобильного применения (например, для установки антенны внутри мобильного устройства). На Фиг. 3 показаны основные компоненты, такие как печатная плата (PCB), закрытая токопроводящей плоскостью 22 земли, ферритовый или гексаферритовый замкнутый сердечник 23, образующий основу антенны, и проволочная катушка 24, образующая конструкцию антенны и намотанная равномерно как спираль вокруг всего сердечника (это необходимо для максимально равномерного распределения магнитного поля внутри сердечника). PCB 22 в сборе со всеми компонентами может быть установлена внутри корпуса 21 мобильного устройства.
Следует отметить, что двумя основными компонентами монопольной антенны с замкнутым сердечником, показанной на Фиг. 3, являются ферритовый или гексаферритовый замкнутый сердечник 23 и проволочная катушка 24, намотанная вокруг сердечника.
Катушка может иметь два конца, причем первый конец закреплен на сердечнике или вне его, а второй конец закреплен вне сердечника и образует контактный вывод для питания антенны.
Магнитный сердечник соединен с мобильным устройством посредством соединения порта 25 питания, содержащего по меньшей мере один контактный вывод, с контактным выводом катушки. При этом контактные выводы катушки могут называться первыми контактными выводами, а контактные выводы порта питания могут называться вторыми контактными выводами.
При необходимости, в цепи питания катушки монополя между первым и вторым контактными выводами может использоваться согласующая цепь 26, тогда как первый конец катушки может быть, соответственно, свободным.
res
Число проволочных витков выбирается в зависимости от требуемой рабочей частоты F и может регулироваться просто путем обрезки длины проволоки. Для обеспечения наилучших эксплуатационных характеристик антенны проволоку 24 следует наматывать вокруг сердечника 23 равномерно, чтобы обеспечить равномерное распределение магнитного поля, при этом минимальное оптимальное количество витков не должно быть меньше четырех, а шаг обмотки должен быть по возможности максимальным для уменьшения паразитной емкости между витками.
eff
eff
res
Физические характеристики сердечника 23, такие как магнитная проницаемость µ, tan δµ, диэлектрическая проницаемость ε, tan δε, геометрия замкнутого сердечника и количество витков, оказывают сильное влияние на рабочую частоту F. Соответственно, оптимальный подбор характеристик магнитного замкнутого сердечника 23 основан на оптимальном количестве витков катушки.
r
r
Для полосы частот ≥700 МГц можно использовать замкнутый сердечник из гексаферритового материала; типичные характеристики гексаферрита: µ=2,5±0,5, ε=15±4.
Другой важной частью монопольной антенны с замкнутым сердечником, показанной на Фиг. 3, является плоскость земли. Монопольную антенну с замкнутым сердечником можно установить над плоскостью земли или вне ее и зафиксировать на корпусе 21 шасси мобильного устройства как обычный монополь, или внутри земли PCB 22 с полностью металлизированным слоем земли за исключением относительно небольшой, специально вырезанной области размером a x b для антенны. Тот же результат можно получить с плоскостью земли, выполненной в виде рамки или полностью металлизированного шасси.
В случае монтажа монопольной антенны с замкнутым сердечником на заземленной PCB эффективность антенны существенно зависит от промежутка (обозначенного на Фиг. 3 как G) между антенной и плоскостью земли.
Для оптимальной работы антенны минимальное расстояние между антенной и плоскостью земли должно быть не менее 1 мм; это значительно меньше, чем у других малогабаритных антенн для мобильного применения.
r
r
res
В одном конкретном варианте осуществления гексаферритовый материал имеет следующие характеристики: µ=2,5, ε=13, tan δµ=0,05, и tan δε=0,01. В таком гексаферритовом кольцевом сердечнике оптимальная проволочная катушка имеет 5 витков для F=930 МГц. Узел мобильного устройства, полученный в соответствии с этим вариантом осуществления, был использован для практических измерений, и те же самые параметры использовались для программного моделирования HFSS (High Frequency Structure Simulator, системы моделирования высокочастотных структур). Окончательные результаты показали хорошее согласование между экспериментальной и математической моделями.
Следует отметить, что на Фиг. 3 показано круглое кольцо 23, однако сердечник может иметь различные формы (например, прямоугольника, многогранника, овала, или другие геометрические формы, содержащие по меньшей мере одно внутреннее сквозное отверстие), при условии, что эти формы удовлетворяют ключевой концепции настоящего изобретения, которая заключается в том, что магнитный или магнитодиэлектрический сердечник должен быть, по существу, замкнутым. Термин «по существу, замкнутый сердечник» означает, что сердечник геометрически абсолютно замкнут или содержит по меньшей мере один зазор между концами магнитного сердечника, но при этом все же имеет упомянутые выше и далее положительные свойства и преимущества абсолютно замкнутого сердечника. Зазор может быть регулируемым и может использоваться, например, для обеспечения контроля частоты и снижения потерь.
Как отмечалось выше, антенна может питаться от порта 25 питания через согласующую цепь 26, только если это необходимо. Это объясняется тем, что моделирование и практические измерения показали, что антенна в соответствии с настоящим изобретением с плоскостью земли ≥100×50 мм сама по себе имеет хорошее согласование.
eff
r
eff
eff
1/2
В антенне с замкнутым сердечником, показанной на Фиг. 3, магнитное поле спиральной антенной катушки 24 сосредоточено внутри сердечника 23. Это уменьшает связь с плоскостью земли 22 и увеличивает электрическую длину антенны. В этом случае, монопольная антенна с замкнутым сердечником требует минимального расстояния до плоскости земли ≥1 мм. Принимая во внимание, что магнитная проницаемость закрытого магнитного сердечника практически не изменяется, µ≈µ, коэффициент укорочения антенны 1/(µ ε)может быть максимальным, и это позволяет создавать монопольные антенны минимального размера с оптимальным распределением поверхностных токов в порту 25 питания антенны.
На Фиг. 4a показан дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения. Использование дополнительной нагрузки 28, подключенной к первому концу катушки 27 монополя, может дополнительно минимизировать размер монопольной антенны с замкнутым сердечником. Дополнительная нагрузка 28 может быть реализована в виде полосковой линии, напечатанной на PCB 22, как дополнительная согласующая цепь 29, или в виде их комбинации (она также может называться как удлинение проводника). В этом варианте коэффициент укорочения антенны может регулироваться, и антенну можно настроить путем подстройки длины полосы 28 или с помощью согласующей цепи.
Еще один вариант осуществления настоящего изобретения показан на Фиг. 4b. Основной идеей данного варианта является использование сдвоенной катушки с двумя параллельными обмотками 31, 32, имеющими различные электрические длины и параллельное питание от контактного вывода 30. Такая конструкция сдвоенной катушки позволяет возбудить два резонанса в одном порту антенны и может использоваться для многополосных антенн и для увеличения ширины полосы.
Следует отметить, что монопольная антенна с замкнутым сердечником может содержать один или более по существу замкнутых сердечников, образующих, соответственно, одну или несколько по существу замкнутых магнитных цепей. Сердечники в антенне с несколькими сердечниками могут располагаться рядом друг с другом без зазора или с небольшим зазором. Использование нескольких сердечников в монопольной антенне с замкнутым сердечником позволяет формировать множество антенн, имеющих отдельные и/или объединенные входы и выходы (например, для применений MIMO (множественный вход - множественный выход)) очень компактным образом, фактически, как один элемент, что, в свою очередь, обеспечивает экономию места.
При массовом производстве монопольную антенну с замкнутым сердечником в соответствии с настоящим изобретением можно собирать в виде компонента поверхностного монтажа (SMD), как показано на Фиг. 5а, или в виде механически устанавливаемого компонента, как показано на Фиг. 5b. В обоих случаях предпочтительна сборка антенны в формованном корпусе 34 с выходными контактными выводами (то есть, первыми контактными выводами) для установки и питания антенны. Например, при осуществлении поверхностного монтажа, показанного на Фиг. 5а, антенну 35 можно разместить в формованном корпусе 34 с выходными контактными выводами 36 и соединить с линиями питания PCB 33 посредством пайки. В случае механической установки, показанной на Фиг. 5b, формованная антенна 38 устанавливается на предварительно подготовленную PCB 37, например, с помощью замка 39, и контакт с линиями питания PCB обеспечивается через контактный вывод 20 или контактную пружину (не показана) посредством пайки или механического крепления, соответственно.
При разработке настоящего изобретения было создано множество моделей с помощью HFSS, а также проведены практические эксперименты для некоторых определенных антенн с гексаферритовыми сердечниками. Все практические измерения и математические модели продемонстрировали хорошее соответствие друг с другом.
res
r
res
На графике на Фиг. 6 показано отношение между резонансной частотой F антенны в соответствии с настоящим изобретением и исходной магнитной проницаемостью µ гексаферритового замкнутого сердечника для уровня согласования S11<-10 дБ на частоте F. Модель антенны по Фиг. 3 имеет следующие параметры:
Для PCB:
A=100 мм
В=50 мм
b=B.
Для антенны:
r
ε=13
tan δµ=0,02
tan δε=0,01
наружный диаметр D=8 мм
внутренний диаметр d=3 мм
высота H=3 мм
количество витков катушки =4.
r
r
res
r
На графике видно, что использование материала с µ=3 и другими перечисленными выше характеристиками позволяет уменьшить физические размеры антенны на 69% по сравнению с состоянием без сердечника с µ=1, сохранив при этом такие же эксплуатационные характеристики антенны. Это видно из разности между резонансными частотами F для µ=1 и 3.
Другим критическим аспектом разработки малогабаритных антенн является высокая зависимость согласования антенны и эффективности излучения от размера плоскости земли.
Фиг. 7 иллюстрирует результат моделирования уровня согласования S11 антенны по Фиг. 3 в зависимости от геометрии плоскости земли, где:
b=B
А изменяется от 40 до 130 мм
В=1/2А
r
µ=2,5
r
ε=13
tan δµ=0,02
tan δε=0,01
внешний D=8 мм
внутренний d=3 мм
высота H=3 мм
катушка с 4 витками
res
F=950 МГц
количество витков катушки =4.
res
Следует отметить, что F антенны с замкнутым сердечником в соответствии с настоящим изобретением практически не зависит от размеров земли и существенно зависит только от параметров сердечника и количества витков. Такой эффект очень полезен для малогабаритных мобильных устройств.
Для такого же состояния антенны, как на Фиг. 7, была вычислена эффективность излучения для различных тангенсов угла потерь tanδµ в материале сердечника антенны в зависимости от геометрии земли. Результирующая смоделированная эффективность излучения показана на Фиг. 8, где:
b=B
А изменяется от 40 до 130 мм
B=1/2A
r
µ=2,5
r
ε=13
tan δε=0,01
внешний D=8 мм
внутренний d=3 мм
высота H=3 мм
res
F=950 МГц
Количество витков катушки =4.
Графики на Фиг. 8 ясно показывают, что эффективность излучения антенны в соответствии с настоящим изобретением сильно зависит от потерь в материале сердечника, обусловленных концентрацией магнитного поля внутри замкнутого сердечника.
Другим выводом является зависимость от размера земли мобильного устройства. Как показано на Фиг. 8, начиная от размера земли >1/4 длины волны, эффективность излучения (а также характеристики согласования антенны) становится достаточно стабильной и не настолько чувствительной к длине земли. Это очень пригодно для антенн, предназначенных для установки внутри мобильных устройств.
На Фиг. 9а-9с представлено теоретическое объяснение принципа передачи или приема радиоволн антенной в соответствии с настоящим изобретением в сравнении с известными антеннами.
O
O
Фиг. 9А иллюстрирует известную классическую монопольную антенну с оптимальным распределением тока I вдоль токопроводящих поверхностей. Антенна, показанная на Фиг. 9а, имеет симметричное синусоидальное распределение тока I в монополе 40 и в суммарной проекции в поверхности земли 42, порожденного источником 41 возбуждения. Максимум тока на Фиг. 9 находится в области 41 питания антенны.
p
На Фиг. 9b показан типичный изогнутый монополь как пример малогабаритной антенны. Следует отметить, что поверхностные токи на монополе 43 и на его проекции 44 имеют противоположные направления, и между свободным концом такого монополя и плоскостью земли возникает паразитная емкость C. Конечно, этот эффект зависит от конкретной формы антенны, но он существенно снижает эффективность излучения.
Проблемы антенн, показанных на Фиг. 9а и Фиг. 9b, можно решить с помощью малогабаритной антенны в соответствии с настоящим изобретением, показанной на Фиг. 9с.
Как показали математические модели HFSS монопольной антенны 45 по Фиг. 9с, все магнитное поле монополя 45 сосредоточено внутри замкнутого сердечника и возбуждается генератором 46, при этом электрическое поле сосредоточено вокруг сердечника с распределением тока вдоль проволочной катушки, подобно типичному монополю 40 по Фиг. 9а, с максимальным значением тока в области генератора 46. Тем не менее, физический максимум монопольной антенны с замкнутым сердечником по Фиг. 9с гораздо ниже, чем у монополя по Фиг. 9а.
В результате такого распределения тока в антенне 45, показанной на Фиг. 9с, суммарное распределение токов по плоскости 47 земли аналогично оптимальному классическому монополю 40 по Фиг. 9а. Этот факт позволяет получить оптимальное распределение токов по плоскости земли мобильного устройства для хорошей передачи/приема радиосигналов и хорошей характеристики согласования антенны.
Настоящее изобретение ориентировано на встраивание в малогабаритные мобильные или другие устройства, использующие каналы радиосвязи для обмена данными, такие как, без ограничения:
1) Мобильные телефоны
2) Мобильные планшетные ПК
3) Мобильные беспроводные модемы (USB, LAN, HDMI и т.д.)
4) Мобильные телевизионные приемники
5) Фотокамеры, снабженные беспроводными модемами.
Настоящее изобретение может быть также использовано в транспортных средствах.
Все компоненты антенны, описанной в настоящем изобретении, имеют простую форму и конструкцию, и могут быть реализованы с помощью любых известных токопроводящих, магнитных и диэлектрических материалов. Этот факт позволяет реализовать простой и дешевый процесс массового производства.
Следует отметить, что приведенное выше описание включает в себя только некоторые из возможных вариантов осуществления настоящего изобретения. Невозможно описать каждую мыслимую комбинацию компонентов по настоящему изобретению или способов соединения компонентов, однако специалист в данной области техники поймет, что возможны многие комбинации и различные варианты осуществления. Все такие варианты и модификации должны попадать в рамки сущности и объема настоящего изобретения, которые определены в прилагаемой формуле изобретения.
ОБОЗНАЧЕНИЯ НА ЧЕРТЕЖАХ
1 - Подложка микрополосковой патч-антенны
2 - Плоскость земли
3 - Микрополосковая патч-антенна
4 - Микрополосковая линия питания
5 - PCB мобильного устройства
6 - Сердечник типа гексаферритового бруска
7 - Токопроводящая катушка
8 - Порт питания
9 - Токопроводящая катушка
10 - Сердечник типа ферритового стержня
11, 12 - Соединение приемопередатчика (дифференциальный ВЧ порт (0/180 градусов))
13 - Земля приемопередатчика
14 - Приемопередатчик
15 - Зазор между концами магнитного сердечника
16 - Порт питания
17 - Сердечник типа ферритового стержня
18 - Кольцевой трансформатор
19 - Замкнутый контур катушки
20 - Механический или паяный контактный вывод
21 - Граница корпуса мобильного устройства
22 - Монтажная плата мобильного устройства с металлизированной плоскостью земли
23 - Замкнутый сердечник
24 - Токопроводящая катушка
25 - Порт питания
26 - Согласующая цепь
А - Вертикальный край PCB
В - Горизонтальный край PCB
a x b - Область PCB без проводника
27 - Токопроводящая катушка с нагруженным первым концом
28 - Дополнительная полосковая линия
29 - Дополнительная согласующая цепь
30 - Точка питания
31 - Первый конец (более длинный)
32 - Третий конец (более короткий)
33 - PCB мобильного устройства
34 - Формованный корпус
35 - Монопольная антенна с замкнутым сердечником с выводами катушки, подключенными к контактным выводам
36 - Контактные выводы
37 - PCB для механической установки антенны
38 - Антенна в формованном корпусе с выводами катушки, подключенными к контактам
39 - Механический замок для фиксации антенны на PCB
40 - Монопольная антенна
41 - Генератор
42 - Суммарная проекция монополя 40 в плоскости земли
43 - Изогнутая монопольная антенна
44 - Суммарная проекция монополя 43 в плоскости земли
45 - Монопольная антенна в сборе
46 - Генератор
47 - Суммарная проекция монополя 45 в плоскости земли.