ПЕЧАТНАЯ АНТЕННА РАДИОМОДУЛЯ

Назначение и область применения
Настоящее техническое решение относится к антенным устройствам для передачи и приема различных видов информации в области беспроводной связи и может быть использовано в беспроводных сетях для доступа в Интернет, а также в беспроводных устройствах передачи данных телеметрии, работающих на частотах УКВ-диапазона, предпочтительно диапазона 868 МГц.
Предшествующий уровень техники
Беспроводные системы прочно вошли в нашу жизнь. В быту это различные мультимедийные системы, управляющие устройства, беспроводные интерфейсы, разнообразные системы мониторинга. В промышленности — системы сбора данных, автоматизированные и автоматические системы управления (от систем освещения до автоматизации зданий и их комплексов). На транспорте — отслеживание грузов, мониторинг параметров движения и т.д. Кроме того, сфера применения беспроводных устройств и систем на их основе постоянно растет как качественно (добавляются новые области), так и количественно (ширится число устройств, использующих радиоканал, увеличивается плотность узлов и сетей). Это вынуждает производителей беспроводных микросхем и разработчиков систем и программного обеспечения постоянно искать новые решения проблем взаимодействия узлов и систем, совместимости сетей, минимизировать размеры аппаратной части при обеспечении высокого уровня производительности.
В беспроводных устройствах передачи данных телеметрии, работающих на частотах УКВ-диапазона, ключевым элементом в определении размеров и производительности является антенна.
В этой связи, существует проблема создания антенн, адаптированных для размещения в компактном корпусе беспроводного устройства передачи, рабочие характеристики которых, такие как коэффициент полезного действия (КПД), уровень энергопотребления, ширина полосы пропускания, форма диаграммы направленности и пр. обеспечивали бы надежную и качественную связь.
Известны простые и надежные конструкции штыревых и спиральных антенн, которыми оснащаются, например, мобильные радиотелефоны. Существенным недостатком антенн таких конструкций являются большие габариты. Спиральные антенны выполняются навитыми на диэлектрический каркас, поэтому по сравнению со штыревыми антеннами они имеют меньшую геометрическую длину. Для уменьшения геометрической длины штыревых антенн их оснащают «укорачивающими» средствами, например, катушками индуктивности (Каменецкий М.В., Заикин В.А. Радиотелефоны / Санкт-Петербург, «Наука и техника», 2000, с.8-10).
Из предшествующего уровня техники известно модемное устройство USB с поворачивающейся (направленной) антенной и втягивающимся USB соединителем (US 7530823 В1, опубликовано 12.05.2009 г.). К числу недостатков данного технического решения можно отнести ограничения по снижению габаритных характеристик конструкции, невозможность выноса данной антенны в зону более уверенного приема радиосигнала, ограниченность расположением конечного клиентского оборудования; необходимость регулировки, настройки поворачивающейся (направленной) антенны для достижения максимально полезного результата; слабо выраженное направленное действие поворачивающейся (направленной) антенны и, как следствие, небольшое расстояние, на котором осуществляется устойчивый прием сигнала. Таким образом, указанное решение не обеспечивает решение задачи минимизации габаритных характеристик устройства при поддержании стабильно высоких  рабочих характеристик беспроводного устройства передачи данных, обеспечивающих надежную и качественную связь.
Из уровня техники известно также применение в беспроводных устройствах связи микрополосковых антенных устройств (печатных антенн). Появление микрополосковых антенных устройств (МПА) вызвано потребностью в легких, тонких, конформных и дешевых антенных устройствах, которые можно размещать на любых поверхностях с минимальной площадью. В настоящее время создано и запатентовано значительное число образцов микрополосковых одноэлементных антенн. Выявлена возможность создавать антенны с линейной и круговой поляризацией, а также возможность создания двухчастотных антенн. Любое микрополосковое антенное устройство представляет собой лист диэлектрика небольшой толщины с нанесенным с обеих сторон, как правило, тонким медным покрытием. На одной стороне изготовлены излучающий элемент, цепи питания, управления и согласования. Другая металлическая сторона антенной платы служит экраном. Широкое применение нашли печатные излучатели резонаторного типа, построенные на базе несимметричной полосковой линии. Другим типом микрополосковых антенн в печатном исполнении являются вибраторы различной конфигурации и щели, прорезанные в металлической стенке полосковой линии передачи симметричного типа. Различием этих антенн являются плоские ленточные спирали и криволинейные излучатели.
Из предшествующего уровня техники известны также печатные антенны на основе несимметричных полосковых проводников, которые также нашли применение в конструкциях беспроводных устройствах передачи данных. Основным элементом таких антенн является плоский излучатель, расположенный на одной стороне диэлектрической пластины, другая, полностью металлизированная сторона которой выполняет функцию экрана, что позволяет сформировать одностороннюю диаграмму направленности (патент США №5323168, кл. H01Q 1/38, опубл. 1994). Недостаток печатных антенн подобной конструкции обусловлен зависимостью их КПД от толщины диэлектрической пластины: КПД антенны повышается с увеличением толщины диэлектрика, что приводит к увеличению веса и габаритов антенны, и, следовательно, устройства передачи данных.
Также из предшествующего уровня техники известны примеры встроенных антенн, печать которых осуществляется на диэлектрических подложках  совместно с электронными компонентами. Интеграция радиочастотных элементов и компонентов цифровой электроники с приемо-передающими антеннами в единый модуль уменьшает количество проводов и разъемов, что снижает стоимость устройства. Тем не менее, такие конструкции имеют значительный недостаток, а именно паразитные выбросы от электронных компонентов (осцилляторов), расположенных на печатной плате, что может заметно уменьшить диапазон связи.
Внешняя дипольная антенна не имеет такого недостатка, поскольку она изолирована от элементов управляющей электроники. Однако такие антенны для диапазона 868 МГц имеют длину около 15см, что существенно ограничивает область их применения.
Современные устройства телеметрии имеют множество различных электронных компонент. Паразитные излучения этих компонент вблизи пути прохождения радиочастотного кабеля уменьшают динамический диапазон системы связи. Фактически измерения электромагнитной совместимости показывают, что такие помехи могут превышать уровень шума в системе связи более, чем на 20 дБ.
Как правило, влияние паразитных компонентов на кабель можно свести к минимуму за счет использования специального пассивного электронного устройства, такого как балансный трансформатор (балун), для балансировки импедансов между антенной и ВЧ-цепью. Тем не менее, такой балун с печатной платой имеет линейный размер, равный четверти длины волны, и поэтому, как правило, он слишком велик для большинства устройств телеметрии, работающих на 868 МГц. Поэтому разработчики вынуждены использовать антенны без балуна. (А. Калачев «Построение беспроводного канала на базе компонентов Texas Instruments, Компоненты и технологии,  № 4, 2012)
Вышеописанная проблема учтена в конструкции антенны, решение которой раскрыто в публикации патента США US 8,063,845, описывающем решение антенны содержащей диэлектрическую панель, включающую плоскость заземления и расположенный на другой ее плоскости полосковый проводник в форме меандра. образующий симметричную дипольную антенну, в частности, предназначенную для ее применения в полосе частот 315МГц в автомобильных приложениях, таких, например, как системы бесключевого доступа. Согласно раскрытому в патенте решению, антенна имеет первичную и вторичную антенные трассировочные линии, выполненные в виде дорожек полоскового проводника на печатной плате и соединены с модулем управления через соединитель. Обе трассировочные линии выполнены на одной стороне печатной платы. При этом, симметричная печатная меандровая дипольная антенна может дополнительно включать в себя индуктивность, расположенную между первичной и вторичной линиями трассировки антенны, а дополнительная нарезка линий трасс по краям антенны предназначена для обеспечения возможности дополнительной настройки импеданса антенны. В свою очередь, для обеспечения дополнительной настройки полосы частот антенна может также содержать  резистор. Как  следует из представленного в публикации патента описания, первичная и вторичная линии трассировки антенны могут включать в себя 16 вертикальных трасс, имеющих длину, приблизительно равную 70 мм и ширину, приблизительно равную 33 мм. Расстояние между линиями трассировки составляет примерно 5 мм. Ширина трассировочных линий, совместно с дополнительной нарезкой по краям, составляет 54 мм. Все трассировочные линии выполнены из проводящего материала, такого, например, как медь. В качестве материала диэлектрической подложки предпочтительно использован стеклотекстолит марки FR4. К числу  недостатков данной антенны следует отнести избыточно большие габариты антенны, ограничивающие возможность ее применения для передачи данных телеметрических устройств, тем более, применительно к полосе частот 868МГц, и встраивания ее в объемлющие устройства. Необходимость симметрирования меандрового участка существенно усложняет, как конструкцию антенны, так и технологию ее изготовления, фактически удваивая при этом объем материала, необходимого для изготовления антенны. Дополнительно усложняют конструкцию как антенны, так и конечного устройства наличие соединителя, подстроечного резистора и индуктивности, которые должны быть прецизионными для точной подстройки, что дополнительно повышает риск некорректной настройки антенны, снижая тем самым эксплуатационные характеристики устройства, и усложняет технологический процесс изготовления антенны и устройства, ее включающего, увеличивая его по времени. Показатели направленности и согласованности антенны с выходом передатчика не являются недостижимыми, и могут быть даже превзойдены. Вместе с тем, данное решение, по совокупности существенных признаков, принято за прототип.
Сущность заявленной полезной модели.
Технической задачей полезной модели, на решение которой направлено заявляемое решение является предложение простой, компактной конструкции печатной антенны, обеспечивающей высокие эксплуатационные характеристики.
Технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в расширении арсенала известных технических средств, за счет оптимизации конфигурации печатной антенны, действующей в полосе частот 868МГц, обеспечивающей компактность антенны и ее высокие эксплуатационных характеристики.
Указанный технический результат достигается применением печатной антенны радиомодуля, содержащей диэлектрическую панель, включающую плоскость заземления и расположенный на другой ее плоскости полосковый проводник в форме меандра, образующий дипольную антенну, отличающейся от прототипа тем, что антенна выполнена ассиметричной и одноэлементной, с полосковым проводником в виде единой периодической микрополосковой трассировочной линии в форме меандровой структуры, с чередующимися с равным шагом витками, образующими пакет витков, при этом, общая длина трассировочной линии близка к половине длины волны центральной рабочей частоты рабочей полосы излучения антенны.
В предпочтительном варианте осуществления заявленной полезной модели, трассировочная линия полоскового проводника выполнена в виде чередующихся в форме меандра, с равным шагом не более 1,7мм, П-образных витков, состоящих из горизонтальных и вертикальных участков, где длина антенны вдоль пакета витков  составляет 0,038λ, а длина каждого вертикального участка витка - 0,026λ, где λ – длина волны на центральной рабочей частоте 868 МГц.  При этом, ширина полоскового проводника, предпочтительно, не менее 0,3 мм и не более 0,4 мм.
В одном из вариантов осуществления, один из боковых вертикальных участков полоскового проводника выполнен укороченным и сопряжен с горизонтальным участком, открытым с наружной стороны, для сопряжения с  согласующим контуром усилительного каскада радиомодуля.
Согласно заявленной полезной модели, диэлектрическая подложка, предпочтительно, выполнена из стеклотекстолита, например, марки FR4, а  полосковый проводник выполнен из меди.
Краткое описание чертежей
Заявленное техническое решение поясняется чертежами, где:
фиг.1 -  антенна радиомодуля;
фиг. 2 - расположение антенны на плате радиомодуля;
фиг.3 - диаграмма направленности антенны радиомодуля: а) прототип; б) заявленное решение;
фиг.4 - объемная диаграмма направленности антенны, согласно заявленному решению;
фиг.5 - диаграмма Вольперта-Смита: а) прототип; б) заявленное решение.
Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только один  из наиболее предпочтительных вариантов выполнения полезной модели и не могут рассматриваться в качестве ограничений ее содержания, которое может включать другие возможные варианты осуществления.
Пример осуществимости полезной модели
Как следует из представленных на чертежах фиг. 1 и 2 графических представлений заявленного решения, печатная антенна радиомодуля включает подложку в виде диэлектрической панели 1, выполненной, предпочтительно из стеклотекстолита, например, марки FR4, предпочтительно, толщиной 0,8мм, на одной из сторон которой размещен полосковый проводник 2, выполненный, предпочтительно, из меди, в виде печатной дорожки толщиной 0,035 мм, образующей единую периодическую микрополосковую трассировочную линию в форме меандровой структуры, содержащей, согласно представленному примеру осуществления, набор (пакет)  из зигзагообразно расположенных, однотипных П-образных витков 3. Каждый виток содержит вертикальные 4 и горизонтальные 5 участки. При этом, витки расположены эквидистантно, с равным шагом H. В совокупности, согласно представленному примеру осуществления, горизонтальные и вертикальные участки образуют 7,5 витков, с шагом H=1,7 мм.
Согласно заявленной полезной модели, антенна  имеет габаритные размеры в долях длины волны λ на центральной рабочей частоте составляющие: L= 0,038λ,  где L-длина антенны вдоль пакета витков, и W=0,026 λ, где W - длина каждого вертикального участка витка, а – длина волны. В представленном примере осуществления, антенна радиомодуля настроена на рабочую частоту 868 МГц, таким образом, габаритные размеры печатной антенны согласно представленному примеру осуществления составят (LxW) - 13х9 мм. Очевидно, даже по отношению к длине волны предлагаемая антенна имеет более оптимальную конструкцию по сравнению с прототипом (соотношение LxW прототипа  в долях длины волны - 0,074 λх0,057 λ). При этом, длина каждого из горизонтальных участков витков микрополосковой трассировочной линии заявленного решения  составляет 1,25 мм, а вертикальных, за исключением одного из боковых, выполненного укороченным, составляет  – 9 мм, ширина полоскового проводника, предпочтительно, выбирается не менее 0,3 мм и не более 0,4 мм. Оптимальная длина укороченного бокового вертикального участка антенны, в частности, зависит от геометрии слоя заземления и рабочей частоты антенны, уменьшаясь с ее увеличением. Очевидным образом, заявленное решение может быть применено не только в отношении представленной в примере осуществления рабочей полосы частот 868 МГц, но и других частот, используемых в беспроводных устройствах приема передачи телеметрических данных.  В представленном примере осуществления ширина дорожки полоскового проводника составляет – 0,4 мм. Таким образом, в совокупности длина трассировочной линии составляет приблизительно половину длины волны, на рабочей частоте 868 МГц. Это делает излучение антенны эквивалентным излучению полуволновой асимметричной дипольной антенны.
На чертеже фиг. 2 показано расположение антенны на плате радиомодуля. Как следует из представленного примера осуществления,  для передачи сигнала в антенну не требуется дополнительных разъемов и соединителей. Согласование радиочастнотного сигнала с антенной обеспечивается согласующим контуром, выполненным на реактивных элементах, компенсирующих реактивные составляющие входного сопротивления антенны. Поскольку полное входное сопротивление данной антенны примерно согласовано с сопротивлением 50 Ом, внешние согласующие элементы не требуются. На величину полного входного сопротивления антенны влияет геометрия слоя заземления платы. Поэтому длину антенны настраивают в соответствии с размером и формой слоя заземления, например, подключением последовательных и шунтирующих элементов в точке питания антенны.  Их можно использовать для компенсации рассогласования, вызванного пластмассовым корпусом и наличием других объектов вблизи антенны.
Результаты измерения рабочих характеристик антенны, представленной в качестве примера осуществления, показали, что компактность габаритных размеров антенны не ухудшило ее рабочих характеристик.
Как показано на диаграмме Вольперта-Смита (фиг. 5б)) антенна обеспечивает значение КСВР в пределах 2 (коэффициент отражение антенны не превышает -10 дБ) в диапазоне 862,8 ... 879,3 МГц. Значение КСВР на основной рабочей частоте составляет 1,4, что свидетельствует о более высокой степени согласования с передатчиком импедансом 50 Ом, чем у антенны прототипа (фиг. 5а)).  Коэффициент отражения менее -10 дБ, или КСВР менее 2, гарантирует, что более 90% доступной мощности подается на антенну.
Представленная на графике фиг.4 объемная диаграмма направленности антенны радиомодуля, согласно представленному примеру осуществления, показывает близкую к сферической форму, что достигается как конфигурацией антенны, выполненной таким образом, что распределение фазы тока в антенном тракте близко к линейному, и отсутствуют элементы, вносящие фазовый сдвиг, обуславливающие в итоге к отсутствие боковых лепестков в диаграмме направленности, и более равномерное распределение напряженности поля антенны. Ориентация печатной антенны радиомодуля  при проведении измерений указана на графике фиг.4.
Приведенные на графиках фиг.3а) и 3б) сравнительные характеристики диаграммы направленности в горизонтальной плоскости прототипа и заявленного решения подтверждают вышеприведенные выводы. В сопоставлении с прототипом, диаграмма направленности заявленного решения близка к сферической и характеризуется низким уровнем неравномерности характеристики в рабочей полосе частот, не превышающей 6,1 дБ.
Печатная антенна согласно заявленной полезной модели может быть выполнена любым известным из уровня данной области техники способом и с использованием широкого известного технологического оборудования и материалов для изготовления печатных плат.
Таким образом, представленный пример осуществимости заявленного решения полезной модели, показывает, что предложенная конфигурация печатной антенны позволяет существенно снизить габаритные размеры конструкции, при улучшении показателей направленности и согласованности предлагаемой антенны по сравнению с известными в уровне техники, что позволяет использовать данное решение в миниатюрных беспроводных устройствах, с передачей данных на существенно большие расстояния. При этом, предложенная конфигурация антенны позволяет исключить дополнительные элементы, такие, как соединители, резисторы и индуктивности, обеспечивающие в решении прототипа симметрирование частей антенны и ее дополнительную настройку.
Кроме того, эффективность выбора формы представления антенны печатным способом позволяет обеспечить:
- повторяемость рабочих характеристик при крупносерийном производстве;
- отсутствие необходимости использования внешней антенны;
- уменьшение номенклатуры составных частей изделия.
В результате интеграции всех узлов радиоприемо-передающего устройства с антенной в единый модуль обеспечивается  синергетический эффект заключающийся в  существенно повышенной физической целостности и устойчивости устройства, а используемая конфигурация антенного тракта приводит к уменьшению потерь мощности выходного радиосигнала, при сохранении качества связи.