КОМПАКТНАЯ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА
COMPACT ULTRA-WIDEBAND ANTENNA

Изобретение относится к области телекоммуникаций, а более конкретно - к конструкции сверхширокополосных (СШП) дипольных антенн, предназначенных, преимущественно, для связи между датчиками и другими устройствами на поверхности или вблизи поверхности тела человека.
Стремительное развитие миниатюрных устройств, имеющих возможность беспроводной связи, выдвигает более жесткие требования к размеру электронных компонентов. Одним из самых больших элементов такой системы является антенна. В настоящее время появляются и становятся распространенными новые стандарты беспроводной связи, такие как IEEE 802.15.6. Они позволяет работать на достаточно высоких частотах (6-10 ГГц) и, таким образом, уменьшить физический размер антенны. Тем не менее, для ряда устройств, работающих в непосредственной близости от тела человека, ограничения на размер устройства являются существенным требованием. В этом случае необходимо принять дополнительные меры, чтобы уменьшить размеры антенн, используемых в таких устройствах. Кроме того, подобные миниатюрные устройства имеют автономное питание и серьезные ограничения по энергопотреблению. В данной ситуации необходимым шагом является поиск путей для минимизации потребления энергии каждого блока устройства.
Известно, что ткани тела человека обладают сравнительно высокой диэлектрической проницаемостью и низкой проводимостью. В этих условиях любые электромагнитные волны, распространяющиеся вблизи поверхности тела человека, подвергаются серьезному ослаблению. Однако при определенных условиях электромагнитные волны могут распространяться вокруг криволинейных поверхностей объектов. Это явление называется поверхностными волнами и является разновидностью дифракции. При таком распространении электромагнитные волны подвергаются минимальному затуханию. Условиями для возникновения такого явления являются: вертикальная поляризация волны относительно поверхности объекта, большое значение диэлектрической проницаемости материала объекта, большой размер объекта по сравнению с длиной волны.
Если антенны удовлетворяют этим условиям, то они могут передавать информацию по поверхности тела, находясь на разных сторонах тела и не имея прямого пути распространения. Это позволяет уменьшить энергопотребление приемопередающих радиомодулей устройств.
Из уровня техники известны различные подходы к решению вышеперечисленных проблем. В частности, из патента США №7973733 [1] известна конструкция антенны, разработанной для приема и передачи СШП сигналов в миниатюрных устройствах. В данной конструкции питающая линия расположена вдоль главной оси диполя, что делает две половины диполя не вполне симметричными. Это также приводит к невозможности создания изогнутых 3D симметричных структур на обоих концах половин диполя. Кроме того, в данной конструкции не предусмотрено дополнительных возможностей для уменьшения размера антенны, таких как, например, набор внутренних отверстий в излучателях и диэлектрическое покрытие верхней и нижней сторон. Эти недостатки не позволяют дополнительно снизить размер антенны и использовать эту антенну в очень маленьких устройствах.
Антенна, описанная в европейском патенте № ЕР 0301216 [2], была разработана для приема и передачи СШП сигналов. Однако эта конструкция, как и другие, основанные на таком подходе конструкции, имеет недостаточно малые размеры для ее размещения внутри миниатюрных устройств, таких, например, как слуховые аппараты. В [2] размер антенны для диапазона частот 2-18 ГГц составляет 54×44×3 мм;
- вектор поляризации сигнала излучаемого антенной расположен вдоль ее размера 54 мм, и, следовательно, такая антенна не может использоваться на поверхности тела незаметно;
- не предложены дополнительные меры, направленные на уменьшение габаритов, такие как применение зигзагообразных форм, дополнительных диэлектрических слоев и т.д.
Эти недостатки не позволяют использовать антенну, известную из [2], для возбуждения поверхностных волн и применения в беспроводных сетях вблизи поверхности тела человека.
Антенна, описанная в европейском патенте № ЕР 0889543 [3], была разработана для приема и передачи СШП сигналов и имеет высокий коэффициент усиления и функцию отклонения диаграммы направленности. Недостатки известного из [3] решения и других, использующих аналогичный подход изобретений, заключаются в следующем:
- антенна имеет недостаточно малые размеры для ее размещения внутри миниатюрных устройств, таких, например, как слуховые аппараты;
- не предложены дополнительные меры, направленные на уменьшение габаритов, такие как, например, дополнительные диэлектрические слои.
Эти недостатки не позволяют использовать антенну, описанную в [3], для применения в беспроводных сетях вблизи поверхности тела человека с использованием эффекта распространения поверхностных волн.
Из патента США №8264418 [4] известна антенна, предназначенная для приема и передачи СВЧ-сигналов. Антенна [4] имеет в своей конструкции специальные управляемые ключи, необходимые для переключения рабочего диапазона частот. Недостатки известного из [4] решения и других, использующих аналогичный подход изобретений, заключаются в следующем:
- антенна имеет недостаточно малые размеры для ее размещения внутри миниатюрных устройств, таких, например, как слуховые аппараты;
- не предложены дополнительные меры, направленные на уменьшение габаритов, такие как, например, дополнительные диэлектрические слои.
Эти недостатки не позволяют использовать антенну, описанную в [4], для применения в беспроводных сетях вблизи поверхности тела человека с использованием эффекта распространения поверхностных волн.
В патентной заявке Республики Кореи № KR 20100013586 [5], которая по своим признакам наиболее близка к заявляемому изобретению, предложена антенна для приема и передачи СВЧ сигналов. Эта антенна имеет высокий коэффициент направленного действия и предназначена для связи на больших расстояниях. Недостатки известного из [5] решения и других, использующих аналогичный подход изобретений, заключаются в следующем:
- не предложены дополнительные меры, направленные на уменьшение габаритов, такие как применение зигзагообразных форм, дополнительных диэлектрических слоев.
Эти недостатки не позволяют использовать антенну, известную из [5] для применения в беспроводных сетях вблизи поверхности тела человека с использованием эффекта распространения поверхностных волн.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать усовершенствованную конструкцию СВШ-антенны с меньшими по сравнению с прототипом [5] размерами, которая позволила бы создавать беспроводные каналы связи на поверхности или вблизи тела человека с малым ослаблением сигнала и обеспечивала бы существенное снижение требуемой мощности сигнала передатчика и чувствительности приемника.
Технический результат достигается за счет создания усовершенствованной компактной сверхширокополосной антенны для организации радиоканала вблизи поверхности тела человека между устройствами, не имеющими линии прямой видимости, состоящей из двух симметричных излучающих элементов, расположенных с одной стороны диэлектрического слоя, дифференциальной полосковой линии питания, размещенной на обеих сторонах указанного диэлектрического слоя, отличающейся тем, что:
к указанному диэлектрическому слою с верхней и нижней стороны плотно прилегают соответственно дополнительные верхний и нижний диэлектрические слои, и
две соединительные пластины с межслойными соединениями, выполненные с возможностью создания электрического контакта между концами указанных излучающих элементов, размещены на внешних поверхностях указанных верхнего и нижнего диэлектрических слоев; причем
указанные симметричные излучающие элементы имеют вырезы на концах, а также вырезы внутри таким образом, что указанные излучающие элементы имеют U-образную форму, и
по внутреннему и внешнему периметру указанных излучающих элементов выполнены дополнительные вырезы.
Заявляемая СШП-антенна предназначена для осуществления радиосвязи вблизи поверхности тела человека. Она состоит из двух идентичных симметричных излучающих элементов U-образной формы, и она запитана с помощью дифференциальной полосковой линии в центре. Кроме того, каждый из излучающих элементов имеет небольшую пластину для электрического соединения на его концах. Эти пластины размещены на внешних слоях антенны и подключаются с помощью межслойных соединений. Два излучающих элемента антенны выполнены на одной стороне среднего диэлектрического слоя и имеют эллиптическую форму. В обоих излучающих элементах сделаны эллиптические отверстия в центре таким образом, что излучающие элементы имеют U-образную форму. Кроме того, отверстия сделаны на внешнем периметре излучающих элементов. Дифференциальная полосковая линия питания выполнена на обеих сторонах среднего диалектического слоя и подключена к точке запитки антенны. Помимо этого средний диэлектрический слой помещается между двумя плотно прилегающими к нему диэлектрическими слоями.
Дифференциальная полосковая линия питания подходит к точке запитки антенны перпендикулярно к главной плоскости симметрии антенны. Ширина линии может варьироваться или может иметь переменную ширину для лучшего согласования антенны.
Заявляемая антенна способна передавать данные с использованием СШП-сигналов различных типов, таких, например, как ультракороткие импульсы, сигналы с линейной частотной модуляцией, различные типы шумоподобных сигналов. Кроме того, она может работать как на поверхности тела, так и в свободном пространстве. Это позволяет использовать единственную антенну для передачи по телу и от тела одновременно.
Заявляемая антенна относится к типу СШП-диполей. В процессе практической реализации изобретения были сделаны некоторые дополнительные доработки, направленные на уменьшение размеров антенны. Прежде всего, антенна имеет два симметричных излучающих элемента, выполненных в форме буквы U. Кроме того, несколько полукруговых вырезов было сделано на внутреннем и внешнем периметрах этих U-образных излучающих элементов, чтобы дополнительно увеличить пути токов и уменьшить размеры. Также для электрического соединения концов каждого излучающего элемента антенны были применены специальные соединительные пластины. Эти пластины были размещены на некотором расстоянии от излучающих элементов антенны, чтобы дополнительно увеличить пути токов. Кроме среднего диэлектрического слоя с размещенными на нем излучающими элементами, антенна была покрыта дополнительными диэлектрическими слоями с верхней и нижней стороны. Благодаря таким усовершенствованиям размеры антенны удалось значительно уменьшить. Обычно самый большой размер антенны - диагональ - составляет около λ/3 … λ/4, где λ - длина волны. Размеры заявляемой антенны могут быть дополнительно уменьшены путем подбора большого значения диэлектрической проницаемости дополнительных диэлектрических слоев. Такие компактные антенны могут быть применены в беспроводной связи между миниатюрными устройствами. Например, при наименьшей рабочей частоте антенны 6,8 ГГц размер может быть уменьшен до 7,1×10,1×1,1 мм.
Так как антенны имеют дипольную конструкцию, они не нуждаются в дополнительных металлических элементах для нормального функционирования, таких как, например, металлические заземления от других плат и т.д. Это одно из основных преимуществ заявляемой антенны по сравнению с антеннами типа монополь.
Для лучшего понимания заявляемого изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.
На Фиг.1 показана конструкция заявляемой антенны 100. На Фиг.1 помечены: 101 - два излучающих элемента антенны, 102 - верхняя соединительная пластина, 103 - нижняя соединительная пластина, 105 - микрополосковая дифференциальная линия питания, 106 - внутренние отверстия в излучающих элементах антенны, 107 - внешние отверстия в излучающих элементах антенны, 109 - нижний слой диэлектрика, 108 -средний слой диэлектрика, 110 - верхний слой диэлектрика, 104 - межслойные соединители между соединительными пластинами и излучающими элементами антенны.
На Фиг.2 показаны боковые проекции заявляемой антенны 100.
На Фиг. 2, вид 2.1, показан разрез в плоскости ZX; на Фиг.2, вид 2.2, - в плоскости XY, на Фиг.2, вид 2.3, - в плоскости YZ. На Фиг.2, вид 3, помечена точка 111 запитки антенны 100.
На Фиг.3 показана частотная зависимость коэффициента отражения S11 антенны при установке вблизи поверхности тела. Данные приведены в диапазоне частот 5-10 ГГц. Согласование антенны, измеренное по уровню S11<-6 дБ, находится в диапазоне 6,8-10 ГГц, а также на более высоких частотах.
Заявляемая СШП-антенна 100 (Фиг.1) может быть использована в составе миниатюрных устройств для передачи и приема СШП- радиосигналов, в сетях связи работающих в непосредственной близости от поверхности тела. Для повышения производительности в таких сетях поляризация излучаемого сигнала должна быть ортогональной к поверхности тела. По этой причине наилучшим положением антенны является вертикальное, с осью Z, расположенной ортогонально поверхности тела. Заявляемая антенна 100 может быть изготовлена из любого материала для многослойных печатных плат, таких как FR-4 и др.
Поскольку СШП-антенна 100 выполнена в виде плоского диполя, то для правильной работы эта антенна не требует никакого дополнительного слоя металлизации от других плат и т.д. Антенна 100 имеет два идентичных излучающих элемента 101, расположенных зеркально друг к другу. Оба излучающих элемента 101 имеют внешний и внутренний периметры эллиптической формы. Форма периметра излучающих элементов 101 также может иметь другую простую геометрическую форму, такую как многоугольник или круг. Кроме того, концы излучающих элементов 101 вырезаются так, что принимают U-образную форму.
Концы каждого излучающего элемента 101 электрически связаны с внешними соединительными пластинами 102 и 103 при помощи межслойных металлизированных отверстий 104. Эти соединительные пластины 102 и 103 могут иметь форму прямоугольника. Кроме того, они могут иметь другую простую геометрическую форму, такую как многоугольник или эллипс.
Антенна 100 питается через дифференциальную полосковую линию 105, проложенную от границы антенны 100 к точке подачи сигнала к ней. Линия 105 питания перпендикулярна к главной плоскости симметрии YZ антенны 100 и проходит вдоль оси Х к геометрическому центру антенны 100. Ширину линии 105 питания можно менять, чтобы согласовывать антенный вход на сопротивление 50 Ом.
По внутреннему и внешнему периметрам излучающих элементов 101 выполнены полукруглые вырезы 106 и 107, соответственно. Данные вырезы 106 и 107 являются частями круга, но также они могут иметь другую простую геометрическую форму, такую как многоугольник или эллипс. Число вырезов 106 выбирается произвольно, при условии, что оно ≥2. Число вырезов 107 также составляет не менее двух (≥2).
Излучающие элементы 101 размещены на одной стороне среднего диэлектрического слоя 108. Кроме того, по обе стороны указанного среднего диэлектрического слоя 108 размещается линия 105 питания. Каждая из сторон среднего диэлектрического слоя 108 плотно прилегает к дополнительным диэлектрическим слоям 109 и 110. На внешних сторонах этих дополнительных слоев 109 и 110 расположены соединительные пластины 103 и 102. Толщина всех слоев диэлектрика 108, 109, 110 может быть выбрана различной для подстройки антенны 100. Антенна 100 может быть размещена в свободном пространстве внутри корпуса устройства или она может быть вынесена за пределы корпуса.
На Фиг.2 (вид 2.3) показана точка запитки 111 антенны 100. Фиг.3 иллюстрирует рабочий диапазон частот заявляемой антенны на примере частотной зависимости коэффициента отражения. На нем рабочая полоса частот может быть оценена в области, где параметр S11<-6 дБ. В этом случае полоса частот на Фиг.3 будет 6,8-10 ГГц. В представленной зависимости наилучшее согласование на частоте ~7,7 ГГц.
Предложенная антенна может быть использована для беспроводной связи между устройствами, расположенными рядом с телом, а также между устройствами, находящимися на теле и вне тела. Наличие прямого пути распространения сигнала вдоль тела не требуется, поскольку благодаря вертикальной поляризации радиосигнала, излучаемого антенной, он может распространяться вдоль изогнутой поверхности тела с малым затуханием по сравнению с распространением внутри тела. Из-за небольшого размера антенны она может быть использована в диапазоне частот, требуемом стандартом IEEE 802.15.6 для беспроводных сетей, работающих вблизи поверхности тела. Устройство, содержащее предложенную антенну, может быть небольшого размера, например, слуховой аппарат, телефон, МР3-плеер и т.д.