ШИРОКОПОЛОСНАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА

Полезная модель относится к антенной технике и может использоваться в системах радиосвязи.
Известна двухдиапазонная печатная дипольная антенна, имеющая малые массогабаритные характеристики. Дипольная антенна может быть использована как самостоятельная антенна в инфокоммуникационных проектах, так и в качестве базового излучающего модуля в печатных фазированных антенных решетках (ФАР) радиолокационных и радионавигационных систем [Пат. RU №2432646].
Трудности практической реализации двухдиапазонных антенн сотовых телефонов состоят в размещении антенны в корпусе телефона при сохранении требуемого усиления, формы диаграммы направленности и рабочих диапазонов частот по согласованию [2]. Современные сотовые телефоны имеют различные конструкции, поэтому антенна может размещаться, например, на откидной крышке или на боковой поверхности. Печатная антенна, размещаемая в корпусе сотового телефона должна обеспечивать устойчивый прием с любого ракурса в условиях городской застройки. Последнее требование легко реализуется при всенаправленной ДН, однако, согласно стандарту FCC [3], необходимо также обеспечить допустимую величину мощности, поглощаемой в голове и руке человека, с тем, чтобы гарантировать выполнение санитарных норм по облучению СВЧ мощностью. Для ослабления поля в направлении человека целесообразно использовать микрополосковые антенны на экране. Такие антенны удовлетворяют санитарным нормам по облучению, но не всегда имеют требуемую форму ДН.
Известны PIFA-антенны (Planar Inverted F Antenna), представляющие собой короткозамкнутые антенны с проводником, выполненным в виде плоской перевернутой буквы F [4, 5]. Известны малогабаритные широкополосные микрополосковые антенны, используемые в КПК, навигационных устройствах и ноутбуках [6-9]. Недостатком таких антенн является сложная конфигурация, которая получается путем параметрической оптимизации для одной модели сотового телефона.
Известна широкополосная микрополосковая антенна, содержащая решетку излучателей, расположенную над экраном на обеих сторонах диэлектрической подложки [Пат. RU №2122263]. Микрополосковая антенна возбуждается двухпроводной линией передачи, к одному проводнику которой на расстоянии половины соответствующей резонансной длины волны попеременно присоединены четвертьволновые вибраторы. К другому проводнику линии на обратной стороне подложки присоединены в середине полуволновые симметричные вибраторы. Причем на плечах всех или некоторых логопериодически расположенных полуволновых излучателей образованы зазоры, не превышающие по ширине толщину подложки. В таком излучателе сохраняются основные преимущества микрополосковой антенны и возрастает ширина полосы пропускания. При большой высоте над экраном, рабочая полоса достигает величины 20-25%. Однако, такая антенна имеет габаритные размеры, существенно превышающие размеры антенн, применяемых в современных сотовых телефонах, а также небольшое усилие.
Известна кольцевая секторная антенна [11], работающая в полосе частот 0,5…4,0 ГГц на круговой поляризации. Широкополосная антенна бегущей волны образована подвесной пластиной в виде кольцевого сектора и двумя наклонными пространственными переходами. Антенна может излучать и принимать поле с круговой поляризацией любого направления вращения при возбуждении одного из входов и соединении другого с согласованной нагрузкой. При одновременном возбуждении обоих входов соответствующими комплексными сигналами возможна реализация режима с любой поляризацией. Антенна возбуждается зондами 50-омных коаксиальных кабелей диаметром 2,16 мм через воздушный зазор высотой 0,75 мм. Малые площадки на пространственных переходах в точках возбуждения служат для подстройки реактивного сопротивления зондов.
Известна микрополосковая антенна с двумя ортогональными поляризациями, дизайн которой представлен в [12]. Возбуждение антенны на ортогональных модах происходит через щели связи в металлизации, которая служит экраном для антенны и микрополосковых линий. Металлический рефлектор подавляет излучение назад в область за антенной. Обе подложки изготовлены из диэлектрика FR-4 толщиной 1.5 мм.
Известны классические планарные микрополосковые антенны [13]. Однако они обладают серьезным недостатком - в силу резонансного характера планарные микрополосковые антенны и решетки из них узкополосны, относительная полоса рабочих частот таких антенн составляет доли и единицы процентов.
Если требуется более широкая рабочая полоса частот (20% и выше), то на смену классическим поперечным излучателям приходят широкополосные и сверхширокополосные печатные антенны продольного излучения, а так же комбинированные варианты конструкции продольного и поперечного излучателей [14]. Рабочая полоса и коэффициент усиления таких антенн зависят от длины, поэтому их сложно использовать в качестве антенн сотовых телефонов.
Известны широкополосные антенны на основе взаимодополняющих структур [15-17]. Они имеют различную форму, но практическое применение получила структура «бабочка» или "bow-tie". Антенна типа «бабочка» обеспечивает допустимое согласование в широкой полосе частот, но не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к характеристикам направленности сотовых телефонов. Размещение «бабочки» над экраном приводит к сужению рабочей полосы частот. Для расширения рабочей полосы частот приходится усложнять структуру печатной антенны и использовать многослойные печатные антенны. В этом случае возникает необходимость разработки широкополосных возбудителей и оптимизации их характеристик с целью получения допустимого согласования антенны в рабочей полосе частот.
Наиболее близким аналогом является антенная [17], общий вид которой приведен на фиг. 11-4 с. 249. Однако она не обеспечивает возможность работы в нескольких частотных диапазонах, имеет всенаправленную диаграмму в азимутальной плоскости и большие габаритные размеры. Поэтому такая антенна не может быть встроена в корпус и не удовлетворяет требованиям по безопасности использования сотового телефона.
Технической задачей заявляемой полезной модели является расширение рабочей полосы антенны и уменьшение габаритных размеров.
Поставленная задача достигается тем, что в известной широкополосной микрополосковой антенне, с излучающими элементами типа «бабочка», согласно заявляемой полезной модели, излучающие элементы расположены над экраном в два слоя, излучающий элемент первого слоя, размещенный над экраном работает в диапазоне GSM1900, излучающий элемент второго слоя, размещенный над первым излучающим элементом, работает в диапазоне WiMAX, при этом, к излучающим элементам двух слоев подключена коаксиальная линия.
В частном случае выполнения на излучающих элементах могут быть выполнены согласующие щели.
Расширение рабочей полосы антенны и уменьшение габаритов обеспечивается многослойной структурой размещения излучающих элементов, за счет совмещения двух диапазонов в одной многослойной излучающей структуре, а также использования согласующих элементов в виде щелей различной формы.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведен общий вид прототипа; на фиг. 2 приведен общий вид одного слоя широкополосной микрополосковой антенны без согласующих щелей, работающей в полосе GSM 1900 (1850-1990 МГц). На фиг. 2 обозначены следующие позиции: 1 - экран; 2 - диэлектрик; 3 - бабочка; 4 - коаксиальное питание. На фиг. 3 приведен общий вид одного слоя широкополосной микрополосковой антенны с согласующими щелями круглой формы, работающей в полосе GSM 1900 (1850-1990 МГц). На фиг. 3 обозначены следующие позиции: 1 - экран; 2 - диэлектрик; 3 - бабочка; 4 - коаксиальное питание, 5 - согласующая щель. На фиг. 4 приведен общий вид одного слоя широкополосной микрополосковой антенны с согласующими щелями в виде секторов, работающей в полосе GSM 1900 (1850-1990 МГц). На фиг. 4 обозначены следующие позиции: 1 - экран; 2 - диэлектрик; 3 - бабочка; 4 - коаксиальное питание, 5 - согласующая щель. На фиг. 5 приведен общий вид одного слоя широкополосной микрополосковой антенны с согласующими щелями треугольной формы, работающей в полосе GSM 1900 (1850-1990 МГц). На фиг. 5 обозначены следующие позиции: 1 - экран; 2 - диэлектрик; 3 - бабочка; 4 - коаксиальное питание, 5 - согласующая щель.
На фиг. 6 показана таблица с параметрами моделей антенны, приведенных на фиг. 2-5. На фиг. 7 приведены зависимости коэффициента стоячей волны (КСВ) от частоты для четырех вариантов микрополосковых антенн, представленных на фиг. 2-5, работающих в полосе GSM 1900. На фиг. 7 обозначены следующие зависимости КСВ от частоты: 1 - соответствует варианту антенны, показанной на фиг. 2; 2 - соответствует варианту антенны, показанной на фиг. 3; 3 - соответствует варианту антенны, показанной на фиг. 4; 4 - соответствует варианту антенны, показанной на фиг. 5. На фиг. 8 показаны диаграммы направленности (ДН) антенны, приведенной на фиг. 2, в плоскости E. На фиг. 8 обозначены ДН в плоскости E микрополосковой антенны, представленной на фиг. 2, на трех частотах: 1 - 1.89 ГГц; 2 - 1.91 ГГц; 3 - 1.93 ГГц. На фиг. 9 приведены ДН в плоскости H для микрополосковой антенны, представленной на фиг. 2. На фиг. 9 обозначены ДН в плоскости Η для микрополосковой антенны, представленной на фиг. 2, на трех частотах: 7 - 1.89 ГГц; 2 - 1.91 ГГц; 3 - 1.93 ГГц.
На фиг. 10 показаны ДН антенны, приведенной на фиг. 3, в плоскости E. На фиг. 10 обозначены ДН в плоскости E микрополосковой антенны, представленной на фиг. 3, на трех частотах: 1 - 1.89 ГГц; 2 - 1.91 ГГц; 3 - 1.93 ГГц. На фиг. 11 приведены ДН в плоскости Η для микрополосковой антенны, представленной на фиг.3. На фиг.11 обозначены ДН в плоскости H микрополосковой антенны, представленной на фиг.3, на трех частотах: 7 - 1.89 ГГц; 2 - 1.91 ГГц; 3 - 1.93 ГГц.
На фиг. 12 показаны ДН антенны, приведенной на фиг. 4, в плоскости E. На фиг. 12 обозначены ДН в плоскости E микрополосковой антенны, представленной на фиг. 4, на трех частотах: 7 - 1.89 ГГц; 2 - 1.91 ГГц; 3 - 1.93 ГГц. На фиг. 13 приведены ДН в плоскости H для микрополосковой антенны, представленной на фиг. 4. На фиг. 13 обозначены ДН в плоскости H микрополосковой антенны, представленной на фиг. 4, на трех частотах: 7 - 1.89 ГГц; 2 - 1.91 ГГц; 5 - 1.93 ГГц.
На фиг. 14 показаны ДН антенны, приведенной на фиг. 5, в плоскости E. На фиг. 14 обозначены ДН в плоскости E микрополосковой антенны, представленной на фиг. 5, на трех частотах: 1 - 1.89 ГГц; 2 - 1.91 ГГц; 5 - 1.93 ГГц. На фиг. 15 приведены ДН в плоскости H для микрополосковой антенны, представленной на фиг. 5. На фиг. 15 обозначены ДН в плоскости Η микрополосковой антенны, представленной на фиг. 5, на трех частотах: 7 - 1.89 ГГц; 2 - 1.91 ГГц; 5 - 1.93 ГГц.
На фиг. 16 приведен общий вид двухслойной микрополосковой антенны без согласующих щелей, построенной из излучающих элементов рассмотренной выше однослойной антенны, изображенной на фиг. 2. На фиг.17 приведен общий вид двухслойной микрополосковой антенны с согласующими щелями круглой формы, построенной из излучающих элементов рассмотренной выше однослойной антенны, изображенной на фиг. 3. Детализация конструкции двухслойной микрополосковой антенны с согласующими щелями круглой формы показана на фиг. 18. На фиг. 18 обозначены следующие позиции: 1 - экран; 2 - диэлектрик; 3 - бабочка; 4 - коаксиальное питание, 5 - согласующая щель, 6 - диэлектрик подложки второго слоя, 7 - бабочка второго слоя, 8 - согласующая щель, прорезанная в бабочке второго слоя.
На фиг. 19 приведен общий вид двухслойной микрополосковой антенны с согласующими щелями в виде секторов, построенной из излучающих элементов рассмотренной выше однослойной антенны, изображенной на фиг. 4. Детализация конструкции двухслойной микрополосковой антенны с согласующими щелями показана на фиг. 20. На фиг. 20 обозначены следующие позиции: 1 - экран; 2 - диэлектрик; 3 - бабочка; 4 - коаксиальное питание, 5 - согласующая щель, 6 - диэлектрик подложки второго слоя, 7 - бабочка второго слоя, 8 - согласующая щель, прорезанная в бабочке второго слоя.
На фиг. 21 приведен общий вид двухслойной микрополосковой антенны с согласующими щелями треугольной формы, построенной из излучающих элементов рассмотренной выше однослойной антенны, изображенной на фиг. 5. Детализация конструкции двухслойной микрополосковой антенны с согласующими щелями показана на фиг. 22. На фиг.22 обозначены следующие позиции: 1 - экран; 2 - диэлектрик; 3 - бабочка; 4 - коаксиальное питание, 5 - согласующая щель, 6 - диэлектрик подложки второго слоя, 7 - бабочка второго слоя, 8 - согласующая щель, прорезанная в бабочке второго слоя.
В таблице, показанной на фиг. 23, даны параметры двухслойных микрополосковых антенн фиг. 16, 17, 19 и 21. На фиг. 24 приведены зависимости КСВ от частоты для четырех вариантов микрополосковых антенн фиг. 16, 17, 19 и 21, работающих в диапазоне частот GSM 1900: 1 - зависимость КСВ от частоты для антенны, изображенной на фиг. 16, 2 - зависимость КСВ от частоты для антенны, изображенной на фиг. 17, 3 - зависимость КСВ от частоты для антенны, изображенной на фиг. 19, 4 - зависимость КСВ от частоты для антенны, изображенной на фиг. 21. На фиг. 25 приведены зависимости КСВ от частоты для четырех вариантов микрополосковых антенн фиг. 16, 17, 19 и 21, работающих в диапазоне частот WiMAX 2.5-2.69 ГГц: 1 - зависимость КСВ от частоты для антенны, изображенной на фиг. 16, 2 - зависимость КСВ от частоты для антенны, изображенной на фиг. 17, 3 - зависимость КСВ от частоты для антенны, изображенной на фиг. 19, 4 - зависимость КСВ от частоты для антенны, изображенной на фиг. 21.
На фиг. 26 показаны ДН в плоскости Е, построенные для антенны, приведенной на фиг. 16: 7-1.91 ГГц; 2 - 2.60 ГГц. На фиг. 27 показаны ДН в плоскости H, построенные для антенны, приведенной на фиг. 16: 7-1.91 ГГц; 2-2.60 ГГц. На фиг. 28 показаны ДН в плоскости E, построенные для антенны, приведенной на фиг. 17: 7-1.91 ГГц; 2-2.60 ГГц. На фиг. 29 показаны ДН в плоскости H, построенные для антенны, приведенной на фиг. 17: 7 - 1.91 ГГц; 2 - 2.60 ГГц. На фиг. 30 показаны ДН в плоскости Е, построенные для антенны, приведенной на фиг.19: 7 - 1.91 ГГц; 2 - 2.60 ГГц. На фиг. 31 показаны ДН в плоскости Н, построенные для антенны, приведенной на фиг. 19: 7-1.91 ГГц; 2 - 2.60 ГГц. На фиг. 32 показаны ДН в плоскости E, построенные для антенны, приведенной на фиг. 21: 7-1.91 ГГц; 2 - 2.60 ГГц. На фиг. 33 показаны ДН в плоскости H, построенные для антенны, приведенной на фиг. 21: 7 - 1.91 ГГц; 2 - 2.60 ГГц.
Двухдиапазонная антенна для сотового телефона с согласующими щелями круглой формы работает следующим образом. Сигнал подается через коаксиальный кабель 4 на излучатель первого слоя, обозначенный позицией 3 на фиг. 18, и излучатель второго слоя, обозначенный позицией 7. Для практической реализации подложек двух слоев антенны могут быть использованы фольгированные диэлектрики, а также воздушные линии. Подложка первого слоя обозначена позицией 2. Подложка второго слоя обозначена позицией 6. Для обеспечения безопасности использования сотового телефона абонентом в конструкции антенны предусмотрен защитный экран, который обозначен позицией 1 на фиг. 18. Расширение рабочей полосы по критерию оптимального согласования в антенне осуществляется в помощью щелей прорезанных в излучателях типа «бабочка» на верхнем и нижнем слоях. Согласующая щель, прорезанная в нижнем слое, обозначена позицией 5. Согласующая щель, прорезанная в верхнем слое, обозначена позицией 8. Аналогичным образом работают антенны со щелями других форм и без щелей. Отличием антенны без согласующих щелей является более узкая рабочая полоса частот, что проиллюстрировано позицией 1 фиг. 24 и фиг. 25.
Таким образом, разработана двухдиапазонная микрополосковая антенна, обеспечивающая работу в полосе, соответствующей диапазонам GSM 1900 и WiMAX, а также требуемую форму ДН.
Источники информации:
1. Пат. RU №2432646
2. Воскресенский Д.И., Овчинникова Е.В., Буй Као Нинь. Широкополосные антенны сотовых телефонов. «Антенны», №2, 2014 г.
3. L. W. Li, M. S. Leong, P. S. Kooi, and T. S. Yeo. Specific Absorbtion Rates in Human Head Due to Handset Antennas: A Comporative Study Using FDTD Method. Journal of Electromagnetic Waves and Applications. V. 14. 2000. P. 987-1000.
4. Minh-Chau T. Huynh. A Numerical and Experimental Investigation of Planar Inverted-F Antennas for Wireless Communication Applications. - In: Master Thesis of Science in Electrical Engineering. - Virginia Polytechnic Institute and State University. - Blacksburg, Virginia. - Oct. 19, 2000. - 123 p.
5. Kin-Lu Wong. Planar Antennas for Wireless Communications. - New York, Wiley-Interscience. 2003, 301 p.
6. Ciais P., Luxey C., Diallo Α., Staraj R.,. Kossiavas G. Design of Internal Multiband Antennas for Mobile Phone and WLAN Standards. - In: Joint COST 273/284 Workshop on Antennas and Related System Aspects in Wireless Communications, June 7-10, 2004. - Chalmers University of Technology Gothenburg, Sweden.
7. Fujimoto K. and James J.R. (editors). Mobile Antenna Systems Handbook. 2nd edition. Artech House. 2001. 710 p.
8. Кессених В., Иванов Ε., Кондрашов З. Bluetooth: Принципы построения и функционирования // Chip News. 2001. №7. С. 54-56.
9. Калиничев В., Курушин А. Микрополосковые антенны для сотовых телефонов // Chip News. 2001. №7. С. 6-12.
10. Пат. RU №2122263
11. Котов Ю.В., Камачо Р. Широкополосная антенна сотовой связи // Тез. докл. 14 Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», г. Севастополь, 12-17 сентября, 2004.
12. Α.Α. Бабаскин, В.И. Калиничев. Моделирование Кольцевой антенной решетки с цикличным фазовым распределением на элементах. // Журнал Радиоэлектроники, 2014.
13. Мушников В.В., Печатная ФАР с продольными излучателями, VIII Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», Тезисы докладов, 2006 г., с. 40.
14. Касьянов А.О., Обуховец В.Α., Мушников В.В., Результаты численного и экспериментального исследований широкополосных печатных излучателей антенных решеток. Антенны, 2007 г. №5 (120), с. 9-15.
15. Рамзей В. Частотно-независимые антенны. - М.: Мир, 1968.
16. Clarke R. A High Efficiency Bow-tie Antenna//Microwave Journal. - 2001. - №8. - P. 94-105.
17. Ротхаммель К. Антенны. - M.: Энергия, 1979.