СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ КОМПАКТНАЯ АНТЕННА
ULTRA-WIDEBAND COMPACT ANTENNA

Изобретение относится к области телекоммуникаций, а более конкретно - к конструкции сверхширокополосных антенн (СШП), предназначенных, преимущественно, для связи между датчиками и другими устройствами на поверхности или вблизи поверхности тела человека.
Для снижения неблагоприятного воздействия микроволнового излучения на организм человека разработчики устройств связи стремятся к снижению мощности используемых вблизи тела электромагнитных устройств. Одним из перспективных направлений при этом является использование сигналов СШП малой мощности и эффекта поверхностного распространения электромагнитных волн.
В последнее время благодаря развитию беспроводных стандартов связи, таких как, например, СШП стандарт IEEE 802.15.6 (см. ) [1] появляется возможность создания новых видов беспроводных устройств, работающих в непосредственной близи от поверхности тела человека. Как правило, такие устройства имеют автономное питание, в связи с чем налагаются серьезные ограничения на потребление энергии. В такой ситуации необходимой мерой является поиск путей максимального снижения энергопотребления каждого отдельного блока устройства.
В настоящее время известны многочисленные конструкции радаров и мобильных устройств, в которых используют радиосигналы для дистанционного мониторинга состояния человека. В частности, следует упомянуть технические решения, описанные в патентной заявке США №2012059268 [2], в международной публикации WO 2012053465 [3] и в патенте РФ №2327415 [4]. Подобные решения требуют применения эффективных и компактных СШП приемопередающих антенн.
Из патентов США №7471246 [5] и №7342553 [6] известны антенны, предназначенные для приема и передачи СШП сигналов и представляющие собой излучающий элемент с отверстиями или прорезями.
Недостатки известных из [5] и [6] решений и других, использующих аналогичный подход изобретений, заключаются в следующем:
- излучающие конструкции, предложенные в изобретении, приведены без подводящих питающих полосков, кроме того, не указано расположение пластины заземления, необходимой для работы предложенных полудиполей.
- отсутствует описание варианта с ортогональным расположением элементов антенны (излучающего элемента и пластины заземления, а также верхнего горизонтального элемента), позволяющего излучать сигналы с вертикальной поляризацией при минимальной высоте антенны;
- отсутствует описание способа подводки питания к излучающему элементу антенны, что позволяло бы размещать антенну непосредственно на поверхности тела.
Ввиду указанных недостатков невозможно применять предложенные в [5] и [6] антенны в сетях связи на поверхности или вблизи тела человека и использовать эффект поверхностного распространения радиоволн.
Известны технические решения, описанные в патентах США №7298346 [7], №7183978 [8] и в патентной заявке Республики Кореи №100826879 [9], которые предназначаются для приема и передачи СШП сигналов с вертикальной поляризацией. Антенны представляют собой вертикальный излучающий элемент с вырезами внутри или по краям.
Недостатки известных из [7], [8] и [9] решений и других, использующих аналогичный подход изобретений, заключаются в следующем:
- отсутствует вариант с ортогональным расположением элементов антенны (излучающего и верхнего горизонтального элемента), позволяющий излучать сигналы с вертикальной поляризацией при минимальной высоте антенны;
- отсутствует описание способа подводки питания к излучающему элементу антенны, что позволило бы размещать антенну непосредственно на поверхности тела.
В связи с указанными недостатками невозможно применение предложенных в [7], [8] и [9] антенн в сетях связи на поверхности или вблизи тела человека и использование эффекта поверхностного распространения радиоволн.
Из патентной заявки США №2007273604 [10] и патента США №6456249 [11] известны антенны, предназначенные для приема и передачи СШП сигналов. Антенны представляют собой 3-мерные пластины сложной формы, изогнутые в виде перевернутой буквы «U». Решение [11] выбрано в качестве прототипа.
Недостатки известных из [10] и [11] решений и других, близких по сути изобретений, заключаются в следующем:
- антенна требует отдельного объема для ее размещения внутри мобильного устройства, причем размещение каких-либо элементов внутри свободного пространства антенны не предполагается;
- антенна имеет относительно крупные габариты;
- антенна, предложенная в [11], рассчитана на работу в одной или нескольких отдельных узких полосах частот, и ее использование с СШП сигналами невозможно.
С учетом указанных недостатков не представляется возможности использования предложенных антенн в сетях связи на поверхности или вблизи тела человека и применения их в миниатюрных устройствах.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать усовершенствованную конструкцию СШП антенны, способной эффективно работать в беспроводных каналах связи на поверхности или вблизи тела человека с малым ослаблением сигнала, что позволило бы минимизировать мощность сигнала передатчика и чувствительность приемника и, следовательно, общую мощность, потребляемую компактным (например, нательным) устройством связи.
Технический результат достигается за счет усовершенствованной конструкции компактной СШП антенны, содержащая пластину заземления и излучающий элемент, причем пластина заземления расположена непосредственно над поверхностью тела человека и ориентирована параллельно или под углом к поверхности тела человека; излучающий элемент, выполненный из проводящего материала, расположен непосредственно над пластиной заземления и ориентирован максимально близко к перпендикулярному положению относительно указанной пластины заземления; при этом излучающий элемент выполнен в форме, близкой к букве U, на боковых сторонах указанного элемента с внешней и внутренней стороны выполнены вырезы; и указанная антенна дополнительно содержит верхний горизонтальный элемент, выполненный с возможностью осуществления электрического соединения верхних концов излучающего элемента.
В устройствах связи, снабженных такой антенной, информация может передаваться вдоль поверхности тела даже при отсутствии линии прямого распространения сигнала. А за счет того, что излученный антенной сигнал имеет вертикальную поляризацию, сигнал распространяется вдоль поверхности тела с относительно малым затуханием из-за проявления эффекта поверхностных волн.
Заявленная СШП антенна имеет простую конструкцию, дешевую и технологичную в изготовлении и состоящую из двух основных элементов: пластины заземления, расположенной параллельно поверхности тела и в непосредственной близости от него, а также из вертикально расположенного излучающего элемента, имеющего сверху небольшой верхний горизонтальный проводящий элемент.
Кроме того, заявленная СШП антенна позволяет осуществлять передачу данных с применением сверхширокополосных сигналов различного вида, например, ультракоротких импульсов, сигналов с линейной частотной модуляцией, различных видов шумоподобных сигналов. При этом, несмотря на излучение волны с вертикальной поляризацией, антенна обладает малой высотой ~ (λ/10…λ/7), что уменьшает габариты устройств с такими антеннами и повышает удобство использования.
Далее существо изобретения поясняется с привлечением графических материалов.
На Фиг.1.1 представлена общая структура антенны 10 и ее расположение относительно поверхности тела. На Фиг.1.2 обозначены: 11 - поверхность тела; 12 - пластина заземления, расположенная вдоль поверхности 11 тела; 13 - промежуточный диэлектрический слой; 14 - вертикально расположенный излучающий элемент; 15 - однородный слой диэлектрического материала; 16 - верхний горизонтальный элемент из проводящего материала, 17 - зазор между пластиной 12 заземления и поверхностью 11 тела, 18 - полосковая линия, предназначенная для питания антенны, расположенная на той же стороне диэлектрического слоя 13, что и излучающий элемент 14.
На Фиг.2.1 изображена структура излучающего элемента 14 предлагаемой антенны 10, где обозначены: 21 - вырезанная верхняя часть излучающего элемента 14, 22 - форма излучающего элемента 14, сходная с буквой «U», 23 - структура из вырезов, 24 - вырезы. На Фиг.2.2 приведен пример структуры верхнего горизонтального элемента 16 (при виде сверху).
На Фиг.3 приведен пример частотной зависимости коэффициента отражения антенны (S11) при ее установке вблизи поверхности 11 тела человека. Представленный диапазон частот - 6-10 ГГц. Согласование антенны, измеренное в приведенном примере по уровню S11 < -6 дБ, находится в полосе 6,5-10 ГГц, а также в более высоком диапазоне частот.
Заявляемая конструкция СШП антенны 10 для радиосвязи вблизи поверхности 11 тела человека (Фиг.1.2) относится к типу сверхширокополосных полудиполей. Упомянутая СШП антенна 10 состоит из пластины 12 заземления, находящейся непосредственно над поверхностью 11 тела человека параллельно или под небольшим углом к поверхности 11. Пластина 12 заземления не обязательно должна иметь электрический контакт с поверхностью 11 тела и может отстоять от поверхности 11 на небольшое по сравнению с длиной волны расстояние. Пластина 12 заземления может иметь форму простой геометрической фигуры, например, прямоугольник, круг, треугольник, либо, в случае если эта пластина 12 заземления выполнена на фрагменте поверхности корпуса устройства, может совпадать по форме с отдельными фрагментами корпуса устройства. С верхней стороны к пластине 12 заземления вплотную прилегает промежуточный диэлектрический слой 13, разделяющий пластину 12 заземления и излучающий элемент 14.
Излучающий элемент 14 расположен ортогонально или близко к ортогональному положению относительно пластины 12 заземления и соответственно поверхности 11 тела человека. Излучающий элемент 14 имеет либо форму круга с отверстием в центре, либо усеченного эллипса с эллиптическим отверстием в центре. Кроме того, верхняя часть 21 такого излучающего элемента 14 отсечена таким образом, что излучающий элемент 14 не имеет соединения в верхнем своем конце (в вертикальной плоскости) и образует форму, сходную с латинской буквой «U» (22).
Кроме того, на вертикальных сторонах U-образного излучающего элемента 14 выполнены вырезы 24, образующие зигзагообразную структуру 23, для дополнительного снижения нижней рабочей частоты при сохранении внешних габаритных размеров излучающего элемента 14 (см. Фиг.2.1). Структура 23 из вырезов 24 может иметь как прямоугольную форму, приведенную на Фиг.2.1, так и форму других простейших фигур, таких, например, как круг, треугольник. Структура 23 располагается как с внешнего, так и с внутреннего края каждой стороны U-образного излучающего элемента, обеспечивая сторонам излучающего элемента 14 зигзагообразную форму.
Количество вырезов 24 на каждой стороне U-образного излучающего элемента может варьироваться от двух и более. В примере реализации на Фиг.2.1 таких вырезов выполнено по три на каждой половине. Излучающий элемент 14, описанный выше, целесообразно покрывать однородным слоем 15 диэлектрического материала малой толщины, как с одной, так и с обеих сторон. Сверху вертикальный излучающий элемент 14 имеет электрическое соединение с верхним горизонтальным элементом 16. Таким образом, указанный верхний горизонтальный элемент 16 осуществляет электрическое соединение верхних концов U-образного излучающего элемента 14. Пример внешнего вида верхнего горизонтального элемента 16 приведен на Фиг.2.2. Верхний горизонтальный элемент 16 в предпочтительном варианте имеет зигзагообразную форму, однако он может иметь и любую другую форму. Питание излучающего элемента 14 осуществляется с помощью полосковой линии 18 расположенной на той же стороне диэлектрического слоя 13, что и излучающий элемент 14. Линия 18 соединена одной стороной с нижней частью излучающего элемента, а другой стороной она может быть соединена непосредственно с приемопередающей микросхемой. При таком способе питания антенны 10 нет необходимости делать какие-либо подводящие провода либо питающие микросхемы с обратной стороны диэлектрического слоя 13 (со стороны пластины 12 заземления). Таким образом, антенну можно устанавливать вплотную к поверхности 11 тела пластиной 12 заземления, либо при установке в корпусе - вплотную к внутренней поверхности корпуса.
Заявляемая конструкция антенны может быть использована для осуществления беспроводной связи между устройствами находящимися вблизи тела человека. Причем наличие прямого луча распространения радиосигнала не обязательно, потому что благодаря вертикальной поляризации излучаемого антеннами радиосигнала он может распространяться вдоль криволинейной поверхности тела с малым по сравнению со свободным пространством ослаблением. Благодаря малым размерам антенна может использоваться в диапазоне частот, требуемом стандартом IEEE 802.15.6 для WBAN сетей. Благодаря небольшой высоте антенны (в направлении нормали к поверхности тела) она подходит для небольших незаметных носимых устройств, таких например как слуховые аппараты, датчики пульса, МП3 плееры и т.д.