МАЛОГАБАРИТНАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ РАДИО/ТЕЛЕВИЗИОННАЯ АНТЕННА
SMALL UNIVERSAL RADIO/TV ANTENNA

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к антенным системам, а именно к фрактальным антеннам для беспроводных систем связи, и может быть использовано в автомобильной, бытовой радиоэлектронике для изготовления автомобильных или бытовых антенн для приема сигналов вещательных радио- и телевизионных станций.
В настоящее время большой интерес разработчиков вызывают малогабаритные универсальные антенны, так называемые фрактальные антенны, основанные на новой геометрии кривых, заполняющих пространство антенного поля и синтезируемых с помощью нетрадиционных методов, позволивших уменьшить их габариты и увеличить полосу пропускания.
Известен ряд изобретений, касающихся решений принципиально новых антенн, так называемых фрактальных антенн, антенное полотно которых сформировано на основе ломаных линий, синтезированных нетрадиционными методами в виде фракталов - фигур, обладающих свойством самоподобия. (Патенты США №№6410975, 7246751, 7579998 и другие).
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому техническому решению антенны является миниатюрная антенна, в которой одна из ее частей сформирована в виде заполняющей пространство кривой (КЗП), причем указанная КЗП определяется как непериодическая кривая, состоящая, по меньшей мере, из десяти соединенных прямых сегментов, длина каждого из которых меньше, чем одна десятая рабочей длины волны в свободном пространстве, и пространственно они расположены таким образом, что ни один из расположенных рядом друг с другом и соединенных сегментов не формирует другого, более длинного прямого сегмента и не пересекает другой сегмент, и в которой КЗП обладает таким свойством, что размер подсчета ее клеток больше единицы. (Патент РФ №2263378, МПК H01Q 1/36, H01Q 9/04 опубл. 27.10.2005 г.).
Известные антенны имею ряд недостатков:
1. Известное конструктивное выполнение антенн не позволяет адаптировать форму антенны для размещения в фактически имеющемся месте заданной конфигурации в малогабаритном устройстве.
2. Известные антенны не предназначены для долговременной работы во внешней среде, так как не имеют стойкой защиты от ее воздействий.
4. В известных антеннах применяются итерации Пеано-Гильберта от четвертой и выше, что не дает возможности в широких пределах выбирать нужную полосу пропускания, добротность и форму диаграммы направленности антенны.
Техническая задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, состоит в уменьшении размера антенны, в обеспечении возможности управления полосы пропускания, в обеспечении возможности адаптировать форму антенны под заданные габаритные размеры, в повышении надежности защиты полотна антенны от вредных воздействий внешней среды.
Поставленная техническая задача решается тем, что в антенне, содержащей антенное полотно, сформированное в виде непериодической кривой, заполняющей пространство полотна и состоящей из соединенных непересекающихся сегментов, согласно предложенному изобретению, сегменты антенного полотна сформированы кривыми Пеано-Гильберта первой или третьей или четвертой итерации, при этом площадь заполнения антенного полотна выполнена форме прямоугольника с соотношением сторон 4:1, размер единичного сегмента антенного полотна выполнен с длиной от 1/3 до 1/10 длины волны в зависимости от формы выполнения кривой Пеано-Гильберта в виде первой или третьей или четвертой итерации.
Кроме того, изобретение характеризуется следующими дополнительными существенными признаками:
- углы сегментов антенного полотна выполнены скругленными;
- антенное полотно размещено между слоями диэлектрического материала с относительной диэлектрической проницаемостью, значение которой больше единицы;
- антенна дополнительно снабжена рефлектором, размещенным между слоями диэлектрического материала.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где
на фиг.1 представлено антенного полотна с прямоугольной площадью заполнения;
на фиг.2 и 3 представлена иллюстрация процесса размещения антенны в диэлектрике;
на фиг.4 приведен пример антенного модуля, включающего заявляемую антенну и печатную плату.
Антенна (фиг.1) содержит антенное полотно, сформированное в виде непериодической кривой, заполняющей пространство полотна и состоящей из соединенных непересекающихся сегментов.
Сегменты антенного полотна сформированы кривыми Пеано-Гильберта первой или третьей, или четвертой итерации.
Формирование антенного полотна кривой от первой итерации по Пеано-Гильберту позволяет варьировать соотношение размеров с электрическими параметрами антенны.
Применение итераций ниже четвертой хотя и увеличивает физические размеры полотна антенны, но сужает ее полосу пропускания, увеличивая тем самым отношение сигнал/шум на входе приемного устройства, к которому она подключена. Таким образом, выбирая итерацию, можно создавать либо универсальные, широкополосные антенны, либо специальные, относительно узкополосные антенны.
Антенное полотно включает от одного и до десятков связанных сегментов.
Количество связанных элементов антенного полотна определяется номером итерации. Для первой итерации - это один элемент. Заметный рост полосы пропускания антенны наблюдается при использовании от 10 связанных сегментов. Но с ростом номера итерации выше четвертого начинают сказываться емкостные связи между соседними элементами и эффект расширения полосы с ростом итерации существенно снижается.
Углы сегментов антенного полотна выполнены скругленными, что уменьшает связь между соседними элементами
Размер единичного сегмента антенного полотна выполнен с длиной от 1/3 до 1/10 длины волны в зависимости от порядкового номера итерации кривой Пеано-Гильберта.
Площадь заполнения антенного полотна выполнена произвольной формы.
При этом решается проблема адаптации геометрических размеров антенны под наличествующее место/корпус для размещения антенны при выполнении условия для площади заполнения порядка (λ/8 × λ/36).
Площадь заполнения антенного полотна может быть в частном случае выполнена в форме прямоугольника. Соотношение сторон площади заполнения антенного полотна, выполненной в форме прямоугольника, составляет 4:1 Пример выполнения приведен на фиг.1, однако он не ограничивает другие возможные формы выполнения заполняемой площади антенного полотна.
Как известно, наличие связи между близкорасположенными сегментами во фрактальной антенне приводит к уменьшению ее действующей длины, то есть к ухудшению приема сигнала на низких частотах за счет смещения резонансной частоты вверх и к сужению полосы пропускания. Известно также, что в общем случае для различных типов фракталов полоса пропускания антенны меняется несущественно при изменении конфигурации проводника вибратора по ширине в некоторых пределах.
Заявленное соотношение геометрических размеров антенного полотна, а именно уменьшение ширины антенного полотна обеспечивает минимизацию связей между сегментами полотна и тем самым расширяет полосу пропускания антенны в область низких частот ее рабочего диапазона.
Еще в большей степени расширяет полосу пропускания антенны в область низких частот рабочего диапазона заявляемой антенны выполнение углов сегментов антенного полотна скругленными.
Таким образом, достигается повышение качества и улучшение эксплуатационных характеристик антенны.
Предложенное конструктивное выполнение антенного полотна дает возможность минимизировать геометрические размеры антенны, а также адаптировать форму антенны под фактически имеющееся место внутри малогабаритных устройств, оставляя электрические характеристики антенны без существенных изменений.
o
Антенное полотно 1 (фиг.2) может быть размещено между слоями 2 диэлектрического материала с относительной диэлектрической проницаемостью, значение которой больше единицы. В этом случае геометрические размеры антенны выбираются в том числе с учетом качества примененного диэлектрика. В качестве диэлектрика может применяться, например, стекловолокно с ε около 4. Указанный пример не ограничивает выбор диэлектрического материала для предлагаемой антенны.
Размещение антенного полотна между слоями диэлектрика позволяет создать малогабаритные высокочастотные влагозащищенные варианты антенн.
Как известно, в диэлектрике длина волны меньше, чем в свободном пространстве.
o
о
Размещение антенного полотна в диэлектрике позволяет достичь соотношения сторон поля заполнения порядка (λ/(8*ε) × λ/(36*ε)), что способствует еще большему уменьшению физических размеров устройства (по сравнению с классическим полуволновым вибратором) с сохранением электрических параметров и позволяет антенне работать в высокочастотной области.
Антенна дополнительно может быть снабжена рефлектором, размещенным между слоями диэлектрического материала (не показано), для формирования односторонней диаграммы направленности приемной антенны.
Это конструктивное решение значительно расширяет область применения данного семейства антенн, обеспечивает уменьшение геометрических размеров, дает возможность работать на более высоких частотах.
Кроме того, такое решение дает новые возможности по применению данного семейства антенн в неблагоприятной внешней среде.
Антенное полотно изготавливается известным способом на подложке, например на стеклотекстолите. Принцип построения рисунка полотна антенны состоит в следующем.
Кривую Гильберта как самоподобную кривую можно создать разбиением большой кривой на меньшие части. В квадрате со стороной 1/2 удаляется одна из его сторон, и он помещается точно в середину единичного квадрата. Таким образом, получается Гильбертова кривая первого порядка. Кривая второго порядка получается путем соединения прямыми линиями четырех кривых первого порядка. Затем для построения высших итераций необходимо использовать эту же кривую с соответствующим размером (каждый раз - уменьшенный вдвое) и углом вращения (для заполнения поля заданной формы - в данном случае). Полученные части допускается разбивать на более мелкие фрагменты до тех пор, пока процессом не будет достигнута нужная глубина рекурсии. Порядок кривой определяется как максимальная глубина рекурсии, которой достигает процедура.
Выбор доступного диэлектрического материала позволяет определить коэффициент уменьшения физического размера полотна антенны как корень квадратный из относительной диэлектрической проницаемости имеющегося диэлектрического материала.
Известно, что для эффективного уменьшения физического размера антенны достаточно иметь толщину диэлектрика около 4% от длины волны. Учитывая это, можно выбрать толщину диэлектрических слоев, между которыми будет помещено приемное антенное полотно.
Практическими исследованиями определено, что при итерации в построении кривой Гильберта от четвертого порядка оказывается, что резонансная частота созданного монополя Гильберта может быть в несколько десятков раз меньше основной резонансной частоты прямолинейного вибратора.
Однако на самом деле такое снижение резонансных частот на практике не происходит из-за наличия взаимного влияния близко расположенных сегментов фрактальной антенны, приводящего к укорачиванию ее электрической длины. Особенно сильное взаимодействие возникает между изломами проводника, в результате которого путь распространения электромагнитных волн от одного конца монополя к другому становится более коротким. Тем не менее, даже с учетом эффекта взаимного влияния резонансная частота может снижаться на порядок и более. Для варианта площади заполнения по Гильберту на 4 итерации резонансная частота может снижаться ориентировочно от 15 до 20 раз.
Антенна изготавливается на стеклотекстолите или другой подложке совместно с печатной платой усилителя, преобразователя и модуля стабилизации напряжения, а также другими компонентами электронной схемы. В результате антенна представляет собой законченный антенный модуль. Вариант платы такого модуля представлен на фиг.4.
Заявляемая малогабаритная универсальная радио/телевизионная антенна преобразует энергии свободного электромагнитного поля в электрический сигнал с последующей его передачей на устройство усиления и обработки.
Источником электромагнитного поля могут быть:
- центральные широковещательные или сотовые телевизионные передающие станции метрового и дециметрового диапазонов, использующие как аналоговый, так и цифровой вид модуляции (манипуляции) несущей частоты (несущих частот);
- центральные широковещательные передающие радиостанции метрового и дециметрового диапазонов, использующие как аналоговый, так и цифровой вид модуляции (манипуляции) несущей частоты (несущих частот);
- передающие радиостанции точек доступа к цифровым информационным сетям;
- передающие станции другого назначения.
Преимуществом заявляемой конструкции перед известным в настоящее время в бытовой и специальной технике укороченным диполем является отсутствие необходимости в компенсации реактивности, меньший размер.
Преимуществом антенн, размещенных в диэлектрике, перед другими антеннами, использующими фрактальное построение полотна, являются существенно меньшие габариты при сохранении высокой эффективности и значительно большая защита от воздействий внешней среды.
Предложенная конструкция антенны добавляет новое семейство антенн в перечень миниатюрных универсальных антенн для использования в области радиоэлектроники, телекоммуникаций, телевидения и радиовещания.