ВСТРОЕННАЯ ПЕЧАТНАЯ J-ОБРАЗНАЯ АНТЕННА

Настоящее техническое решение относится к антенной технике.
Антенна может использоваться в качестве антенны для носимого радиоустройства, которое входит в систему определения местоположения и обеспечения голосовой связи для горнодобывающей промышленности (шахт).
Из существующего уровня техники известна конструкция проволочной J-образной антенны, питание в которой осуществляется при помощи коаксиального кабеля. Антенна представляет собой полуволновый вибратор, запитанный с конца через согласующее устройство, выполненное в виде четвертьволновой открытой линии, замкнутой на нижнем конце. Известен патент [1], который описывает простой проволочный вариант J-образной антенны с подключением линии питания к короткому плечу антенны. Недостатками данного технического решения является то, что антенна имеет большие размеры и не подходит для реализации внутри корпуса малогабаритного носимого радиоустройства с размерами менее 200×80×60 мм. К недостаткам стоит отнести также питание антенны с помощью коаксиального кабеля, что неудобно при размещении антенны на печатной плате радиоустройства.
Известен патент [2], описывающий проволочный вариант J-образной антенны с шунтируемым сегментом, выступающим от плоскости J-образной антенны. Это позволяет соединить шунтируемый сегмент с коннектором и позволяет уменьшить размеры антенны и коннектора. Шунтируемый сегмент делает антенну короче, сохраняя ту же самую выгоду и импеданс, как и у обычной J-образной антенны. Недостатками данного технического решения является то, что данное решение не позволяет значительно снизить размеры J-образной антенны и, соответственно, также не подходит для реализации внутри корпуса малогабаритного носимого радиоустройства с размерами менее 200×80×60 мм.
Известен патент [3], где проведена попытка уменьшить габариты J-образной антенны по длине за счет изгиба излучателей. Для устройства типа радиостанция это не актуально, так как излучающая часть должна быть вынесена за пределы основной части корпуса.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является решение, описанное в патенте [4]. Это решение и выбрано в качестве прототипа. Данное техническое решение представляет печатный вариант J-образной антенны. Антенна представляет собой отдельную печатную плату с питанием посредством коаксиального кабеля, однако данное решение не позволяет применить его непосредственно на печатной плате радиоустройства, так как требуется дополнительная печатная плата и коаксиальный кабель, что усложняет устройство, добавляются дополнительные операции при сборке устройства, а также увеличивает его габариты.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является: улучшение качества и дальности связи за счет выноса излучающей части антенны и ее эргономичного расположения; уменьшение габаритов корпуса за счет применения единой печатной платы для радиоустройства и антенны; упрощение конструкции корпуса носимого радиоустройства и его стоимости, упрощения работ по достижению высоких защитных свойств по пыле- и влагозащищенности, а также взрывобезопасности. Упрощается также настройка частотных характеристик антенны за счет того, что настройка осуществляется путем изменения геометрии подводящего проводника линии питания и длины параллельных плеч антенны.
Достигается технический результат за счет того, что в качестве проводника соединяющего параллельные плечи антенны используется общий полигон земли печатной платы радиоустройства, площадь которого больше суммы площадей параллельных проводников, а соединение антенны с приемопередатчиком, расположенным на печатной плате радиоустройства, выполнено в виде проводника в нижнем слое печатной платы радиоустройства, который соединяется через переходное металлизированное отверстие с излучателем большей длины, причем этот проводник расположен под плечом антенны меньшего размера и переходит под большее плечо антенны около переходного металлизированного отверстия.
Перечень фигур. На фиг. 1 изображен вид сверху на антенну, расположенную на печатной плате радиоустройства. На фиг. 2 изображен вид снизу на антенну, расположенную на печатной плате радиоустройства. На фиг. 3 изображен график возвратных потерь (Return Loss) для полуволнового варианта антенны. На фиг. 4 изображена расчетная диаграмма направленности для полуволнового варианта антенны. На фиг. 5 изображена форма подводящего проводника 4 для антенны с вибратором ¾ длины волны. На фиг. 6 изображена диаграмма направленности для антенны с вибратором ¾ длины волны. На фиг. 7 изображен результат измерения на векторном анализаторе цепей уровня возвратных потерь для антенны с вибратором ¾ длины волны.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в размещении эффективной планарной антенны на печатной плате носимого радиоустройства, работающего в диапазоне частот 2.40-2.48 ГГц. Для обеспечения максимальной мощности излучения от устройства, которое при использовании (разговоре) удерживается в руке, излучающие элементы антенны должны быть расположены в вертикальном выступе печатной платы радиоустройства. Габариты, отведенные в пластиковом корпусе устройства под антенну, составляют не более 125×15×1.5 мм. Соединение антенны с приемопередатчиком, расположенным на печатной плате радиоустройства и имеющим несимметричный выход с импедансом 50 Ом, осуществляется при помощи проводников печатной платы радиоустройства. Одним из главных критериев качества антенны является устойчивость ее характеристик при различных условиях эксплуатации.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется фиг. 1 и фиг. 2, на которых изображен общий вид предлагаемой антенны, расположенной на печатной плате радиоустройства. Антенна располагается на печатной плате радиоустройства в виде комбинации проводников 1, 2, 4, 8 и переходного металлизированного отверстия 3. Антенна предназначена для приема и передачи радиоволн в частотном диапазоне 2.4-2.48 ГГц. Антенна подключается к микросхеме приемопередатчика 6, расположенного на печатной плате радиоустройства, с несимметричным выходом 5, имеющим импеданс 50 Ом. Масштаб антенны может изменяться в зависимости от типа диэлектрика 7 печатной платы радиоустройства.
Ширина параллельных проводников 1 и 2 составляет от 0.04 до 0.1 длины волны в диэлектрике (далее - λд). Для печатной платы радиоустройства с диэлектриком марки FR-4 данное значение может варьироваться от 3 до 6 мм.
Зазор между проводниками может быть равен от 0.5 до 5 мм.
Длина проводника 2 составляет от 0.25 до 0.4 λд. Для печатной платы радиоустройства с диэлектриком марки FR-4 данное значение может варьироваться от 18 до 26 мм.
Толщина печатной платы радиоустройства может быть от 0.8 до 2 мм.
Для реализации полуволнового вибратора длина проводника 1 должна быть от 3 до 4 раз больше проводника 2.
Параллельные проводники 1, 2 соединяются у своего основания с общим полигоном «земли» 8 печатной платы радиоустройства. На фиг. 1 размер полигона земли и его форма показаны условно, на нем могут быть пустоты для установки компонентов, иных проводников печатной платы, переходных и технологических отверстий и прочее. Также условно показан размер и расположение приемопередатчика 4.
Переходное металлизированное отверстие 3, соединяющее подводящий проводник линии питания 4 с проводником 1, находится от основания проводника 1 на расстоянии 0.4-0.6 длины проводника 2.
Принцип действия предлагаемого устройства основан на принципе действия общеизвестной J-образной антенны, когда согласование высокого входного сопротивления полуволнового излучателя с относительно низким волновым сопротивлением питающей линии осуществляется с помощью четвертьволнового резонатора. Однако для питания используется микрополосковая линия (МПЛ), импеданс которой можно менять, изменяя подводящего проводника 4 линии питания. Таким образом, становится легче настроить антенну на требуемый диапазон частот, отпадает необходимость перемещать точки соединения антенны с подводящей линией. За счет МПЛ осуществляется возбуждение четвертьволнового плеча антенны без дополнительных соединений, так как плечо выступает в качестве подложки.
Согласование антенны осуществляется изменением ширины и геометрии подводящего проводника 4 линии питания (реактивная составляющая импеданса антенны) и высоты проводника 2 (активная составляющая импеданса антенны).печ
Уровень возвратных потерь для антенны, настроенной на диапазон частот 2.4-2.48 ГГц составляет менее - 13 дБ (фиг. 3), что соответствует потерям мощности на отражение не более 5%.
Стоит отметить, что в верхней боковой части диаграммы направленности (фиг. 4) присутствует минимум излучения.
Чтобы добиться в верхней области более равномерного распределения излучения можно использовать вибратор с длиной равной ¾ длины волны. Тогда длину проводника 1 требуется увеличить в среднем на длину проводника 2. Для настройки требуется изменить длину проводника 2, а также геометрию подводящего проводника 4, как показано на фиг. 5.
Для варианта с вибратором в ¾ длины волны диаграмма направленности в центре имеет минимум излучения (фиг. 5), но это не является недостатком, так как в данном месте будет находиться рука, удерживающая устройство. При удержании устройства в руке характеристика возвратных потерь антенны практически не меняется, так как полоса пропускания имеет необходимый запас по ширине (фиг. 7).
Разработанное техническое решение, при использовании в большинстве пластиковых корпусов не требует проверки степени согласования на векторном анализаторе цепей, так как антенна имеет широкую полосу резонанса, большую, чем требуемый диапазон (фиг. 7). При изменении конфигурации печатной платы радиоустройства также предполагается, что антенна значительно не изменит своих характеристик, так как ее характеристики слабо зависят от размеров полигона земли.
Расчетная эффективность излучения (Radiation Efficiency) для данной антенны на частоте 2.44 ГГц составляет около 87% (при использовании диэлектрика FR-4). Направленность антенны составляет 3.37 дБ, усиление антенны (при использовании диэлектрика FR-4) около 3 дБ. Антенна в вертикальном (рабочем) положении имеет линейную вертикальную поляризацию.
ПетрГУ были организованы испытания данной антенны в составе носимого устройства голосовой связи и определения местоположения на шахте «Полысаевская» (г. Полысаево Кемеровская область). Результаты испытаний показали, что применение данного технического решения позволяет обеспечить стабильно высокую дальность связи для носимых радиоустройств в тоннелях шахт.
Список литературы
1. Antenna system: патент US №2124424 А: МПК H01Q 9/30, H01Q 9/04, H01P 5/01. Mcconnell Leeds Laurance; заявитель и патентообладатель Gen Electric. - заявл. 03.01.1936; опубл. 19.07.1938
2. J-pole antenna: патент US №7859477 B2: МПК H01Q 9/38. Thomas Birnbaum, Brad Gilbert, Thomas Mabry; заявитель и патентообладатель Silver Spring Networks, Inc. - заявл. 30.03.2007; опубл. 28.12.2010
3. Wire antenna: патент US №8797215 B2: МПК H01Q 1/24, H01Q 5/01. Saou-Wen Su, Jui-Hung Chou; заявитель и патентообладатель Lite-On Electronics (Guangzhou) Limited, Lite-On Technology Corporation. - заявл. 22.01.2009; опубл. 05.08.2014
4. Combined J-pole and transmission line antenna: патент US №5451971 А: МПК H01Q 9/42, H01Q 21/24. Ovadia Grossman, Avi Tooba; заявитель и патентообладатель Motorola, Inc. - заявл. 13.07.1993; опубл. 19.09.1995