ПЛАНАРНАЯ МАЛОГАБАРИТНАЯ АНТЕННА

Заявляемая полезная модель относится к антенной технике и предназначена для использования в качестве встроенной приемно-передающей антенны мобильных и стационарных устройств, в частности, использующих стандарт GSM 900/1800 в диапазонах частот 872-960/1710-1885 МГц. Использование антенны позволяет значительно повысить уровень передаваемого и принимаемого сигнала и соответственно увеличить скорость приема-передачи данных, а также улучшить качество связи.
Обычно в качестве встроенных антенн в устройствах, использующих стандарт GSM, применяются антенны типа Inverted L-antenna (ILA) или Inverted F-antenna (IFA) [1, 2]. Эти антенны выполняются, как правило, печатным способом на керамической подложке. Недостатком таких антенн является низкая эффективность (коэффициент усиления меньше единицы), сильная зависимость входного импеданса от размеров платы, на которой установлена антенна, и неравномерность диаграммы направленности, зачастую превышающая 10 дБ.
Подобные антенны, используемые в охранных устройствах, должны удовлетворять следующим требованиям: иметь изотропную в горизонтальной плоскости диаграмму направленности (ДН) с неравномерностью не более 6 дБ; входной импеданс 50 Ом; коэффициент усиления как у полуволнового диполя ≈2 дБ в диапазоне 870-960 МГц, и 4÷5 дБ в диапазоне 1710-1885 МГц); допускать возможность ее изготовления печатным способом; максимальный размер антенны не должен превышать 0.25 максимальной рабочей длины волны, а расстояние от платы, на которой устанавливается антенна, до внешней кромки антенны должно быть не более 50 мм. Используемые в системах сотовой связи антенны не удовлетворяют в полной мере сформулированным выше требованиям, т.к. имеют или малый коэффициент усиления и сильную зависимость входного импеданса от размеров платы, на которой она установлена, или большие габариты.
Известна широкополосная планарная антенна, (пат. РФ №61950, МПК H01Q 9/00, опубл. 10. 03. 2007 г.), содержащая питающий фидер, верхнее и нижнее плечи вибратора, выполненные в виде металлических секторов на диэлектрической подложке. Такая антенна имеет коэффициент усиления 4÷5 дБ, размер не более 0.2 максимальной рабочей длины волны и коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН)≤2 в полосе частот, превышающей 2 октавы. Недостатком данного аналога является сложность конструкции и неравномерность ДН в горизонтальной плоскости, превышающая 10 дБ.
Признаки совпадающие с заявляемым объектом: малогабаритная антенна содержит плечи вибратора, выполненные в виде металлических полос на диэлектрической подложке.
Возможностью в достаточно широких пределах изменять импедансные и направленные характеристики обладают комбинированные или гибридные антенны, представляющие собой комбинацию излучателей электрического и магнитного типов, имеющих общий вход. В работе [3] показано, что комбинация электрического и магнитного излучателей позволяет минимизировать входной реактанс антенны и существенно уменьшить частотную зависимость входного резистанса, т.е. повысить эффективность антенны малых размеров.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является широкополосная антенна (пат. РФ №2111584, МПК H01Q 9/02, опубл. 20.05.1998 г.), представляющая собой комбинацию электрического и магнитного излучателей [4]. Антенна содержит несимметричный вибратор в виде пластины, противовес и средство подключения вибратора и противовеса к линии передачи. Противовес выполнен в виде прямоугольной пластины, изогнутой в плоскости, ортогональной пластине вибратора своей первой стороной, а пластина вибратора расположена между кромками второй стороны пластины противовеса копланарно плоскости, включающей эти кромки. В качестве средства подключения вибратора использована полосковая линия.
Недостатками прототипа являются - неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, превышающая 10 дБ и сложность конструкции.
Признаками, совпадающими с заявляемой полезной моделью, являются несимметричный вибратор в виде пластины, изогнутый противовес и средство для подключения вибратора к установленному на противовесе коаксиальному разъему, образующие комбинацию излучателей магнитного и электрического типов.
Основной технической задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является создание планарной малогабаритной антенны, обладающей равномерной диаграммой направленности.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в обеспечении равномерной диаграммы направленности, близкой к круговой.
Дополнительным техническим результатом является упрощение конструкции антенны.
Технический результат достигается тем, что в планарной малогабаритной антенне, содержащей несимметричный вибратор в виде пластины, изогнутый противовес и средство для подключения вибратора к установленному на противовесе коаксиальному разъему, образующие комбинацию излучателей магнитного и электрического типов, вибратор и противовес выполнены в виде металлических полос, нанесенных на лицевую сторону диэлектрической пластины прямоугольной формы, полоса противовеса размещена вдоль двух меньших и одной из длинных кромок диэлектрической пластины, полоса вибратора изогнута в виде буквы Г, длинная ее часть размещена вдоль другой длинной кромки диэлектрической пластины, короткая ее часть расположена параллельно одной из коротких частей полосы противовеса, при этом свободный от металла участок диэлектрической пластины между длинными частями вибратора и противовеса образует излучатель магнитного типа, нагруженный на емкость, образованную зазором между концом длинной части полосы вибратора и другой короткой части полосы противовеса, средство подключения вибратора к центральному проводнику коаксиального разъема выполнено в виде несимметричной копланарной линии, а излучатель электрического типа выполнен в виде щелевой линии, образованной ближними друг к другу сторонами коротких частей полосы вибратора и полосы противовеса.
Предпочтительно выполнить диэлектрическую пластину прямоугольной формы с соотношением сторон 2:1.
В заявляемой планарной малогабаритной антенне противовес может быть нанесен на тыльную сторону диэлектрической пластины.
Целесообразно в планарной малогабаритной антенне щелевую линию выполнить неоднородной с увеличением ширины щели по направлению к внешней кромке длинной части полосы вибратора.
Предпочтительно в планарной малогабаритной антенне короткую часть полосы вибратора выполнить с переменной шириной, уменьшающейся по направлению к началу вибратора.
Рекомендуется в планарной малогабаритной антенне ближнюю к входу вибратора короткую часть полосы противовеса выполнить с шириной в три раза большей ширины длинной части полосы противовеса.
Дополнительный технический результат - упрощение конструкции антенны достигается выполнением вибратора и противовеса плоскими, расположенными в одной плоскости или в параллельных близких друг к другу плоскостях, что позволяет использовать печатные технологии при серийном производстве антенны.
Полезная модель поясняется рисунками, где на Фиг. 1 представлено конструктивное исполнение планарной малогабаритной антенны, на Фиг. 2 приведен вид печатной платы с двух сторон, на Фиг. 3 показаны зависимость коэффициента передачи (КП) и (КСВН) от частоты, на Фиг.4 приведены диаграммы направленности на средних частотах рабочих диапазонов в горизонтальной плоскости (плоскости H), на Фиг. 5 показаны диаграммы направленности на средних частотах рабочих диапазонов в вертикальной плоскости (плоскости E).
Планарная малогабаритная антенна содержит (Фиг. 1, 2) несимметричный вибратор 1, изогнутый противовес 2 и средство для подключения вибратора 6 к установленному на противовесе коаксиальному разъему 7 (фиг. 1). Вибратор 1 и противовес 2 выполнены в виде металлических полос, нанесенных на лицевую сторону диэлектрической пластины прямоугольной формы с соотношением сторон в оптимальном соотношении 2:1, полоса противовеса размещена вдоль двух меньших и одной из длинных кромок диэлектрической пластины, а полоса вибратора изогнута в виде буквы Г, длинная ее часть размещена вдоль другой длинной кромки диэлектрической пластины, а короткая ее часть расположена параллельно одной из коротких частей полосы противовеса 2. Свободный от металла участок 3 диэлектрической пластины между длинными частями вибратора 1 и противовеса 2 образует излучатель магнитного типа, нагруженный на емкость, образованную зазором 4 между концом длинной части полосы вибратора 1 и другой короткой части полосы противовеса 2.
Излучатель электрического типа возбуждается посредством щелевой линии 5, образованной ближними друг к другу сторонами коротких частей полосы вибратора 1 и полосы противовеса 2. Средство подключения вибратора к центральному проводнику коаксиального разъема выполнено в виде несимметричной копланарной линии 6. В предпочтительном исполнении щелевая линия 5 выполнена неоднородной с увеличением ширины щели по направлению к внешней кромке длинной части полосы вибратора 1. Ширина ближней к входу вибратора 1 короткой части полосы противовеса 2 в три раза больше ширины длинной части полосы противовеса 2. Короткая часть полосы вибратора 1 имеет переменную ширину, уменьшающуюся по направлению к началу вибратора 1, а противовес 2 нанесен на тыльную сторону диэлектрической пластины.
По отношению к прототипу предлагаемая антенна отличается тем, что вибратор 1 и противовес 2 выполнены плоскими, и расположены в одной плоскости или в параллельных близких друг к другу плоскостях, что позволяет использовать печатные технологии при тиражировании антенны.
Заявляемая антенна работает следующим образом.
e
m
Предложенная конструкция представляет собой комбинацию электрического и магнитного излучателей. Электрическим излучателем является длинная часть полосы вибратора 1 и ближняя к входу вибратора 1 короткая часть полосы противовеса 2. Электрический излучатель возбуждается щелевой линией 5. Свободный от металла участок 3 между длинными частями вибратора и противовеса образует излучатель магнитного типа, нагруженный на емкость, образованную зазором 4 между концом длинной части полосы вибратора 1 и короткой части полосы противовеса 2. Магнитный излучатель характеризуется тем, что на частотах ниже частоты первого резонанса его импеданс имеет индуктивный характер, а запас магнитной энергии превышает запас электрической энергии. Упомянутый выше электрический излучатель характеризуется тем, что на частотах ниже частоты первого резонанса его импеданс имеет емкостный характер, то есть в его ближней зоне преобладает запас электрической энергии. При подаче сигнала на вход антенны одна часть сигнала возбуждает магнитный излучатель, другая часть через копланарную линию 6 и щелевую линию 5 возбуждает излучатель электрического типа. Через отрезок щелевой линии 5 на внешних кромках антенны возбуждается электрический ток I, который создает электромагнитное поле, такое же, как вертикальный диполь (излучатель электрического типа). Свободный от металла участок диэлектрической пластины 3 представляет собой излучатель магнитного типа, вдоль которого течет магнитный ток I. Этот излучатель на конце нагружен емкостью зазора 4. Вибратор подключен к коаксиальному разъему 7, установленному на противовесе 2 посредством несимметричной копланарной линии 6.
Выбранные размеры обеспечивают такое соотношение электрического и магнитного моментов в антенне, при котором разность запасов электрической и магнитной энергий в ближней зоне антенны близка к нулю на частотах ниже частоты первого резонанса, на которой размер вибратора 1 составляет примерно 1/4 длины волны. Это обеспечивает минимизацию мнимой составляющей импеданса антенны и увеличивает вещественную составляющую, так как с уменьшением частоты увеличивается плотность энергии в ближней зоне антенны, вследствие чего повышается доля излученной мощности.
e
m
Изменяя амплитудно-фазовые соотношения между токами I и I путем изменения ширины монополя 1, ширины щели 3, ширины зазора 4 и волнового сопротивления щелевой линии 5, можно в достаточно широких пределах изменять форму диаграммы направленности и частотную зависимость входного импеданса антенны.
Частотная зависимость входного импеданса регулируется соотношением площадей магнитного и электрического излучателей и шириной зазора 4. Для согласования антенны с 50-омной линией передачи предпочтительно короткую часть полосы вибратора 1 выполнять сужающейся ко входу, а щелевую линию - расширяющейся в направлении внешней кромки. При этом ширина самой узкой части щели может составлять доли миллиметра и должна выдерживаться с точностью до 50 мкм. Это снижает электрическую прочность антенны и требует применения специальных технологий. В этой связи предпочтительно перенести полосу противовеса на тыльную сторону диэлектрической пластины, что повышает в несколько раз электрическую прочность и увеличивает допуск на размеры до 100 мкм.
Промышленная применимость и преимущества полезной модели по сравнению с прототипом подтверждены испытаниями предлагаемой антенны, изготовленной печатным способом на пластине двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Размером 40 × 85 мм. Чертеж обеих сторон платы антенны приведен на Фиг. 2.
Зависимость коэффициента передачи (КП) и коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) от частоты показаны на Фиг. 3.
При измерении КСВН антенна устанавливалась над металлической пластиной таких же размеров, как плата контроллера. Измерения производились с помощью прибора Р2М-4 фирмы «Микран». Результаты измерения КСВН и коэффициента передачи (КП) приведены на Фиг. 3. Как видно из Фиг. 3 КСВН в диапазоне 900 МГц не превышает 2, а в диапазоне 1800 МГц не превышает 2,1. Неравномерность коэффициента передачи в диапазонах 900 МГц и 1800 МГц не более 2,5 дБ.
При измерении КП использовалась сверхширокополосная антенна с коэффициентом усиления 5 дБ, установленная на расстоянии 1 м от испытуемой.
Измерение коэффициента усиления производилось методом двух идентичных антенн. Зависимость коэффициента усиления от направления (диаграмма направленности) на средних частотах рабочих диапазонов в горизонтальной плоскости (плоскости H) и в вертикальной плоскости (плоскости E) показаны на Фиг. 4, 5 соответственно. При измерении диаграмм направленности антенна также размещалась над металлической пластиной, моделирующей место ее установки. Из Фиг. 4 и 5 видно, что неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости на частоте 900 МГц не превышает 5 дБ, а на частоте 1800 МГц не превышает 7,5 дБ. Из Фиг. 5 видно, что неравномерность диаграммы направленности в вертикальной плоскости на частоте 900 МГц не превышает 7,5 дБ, а на частоте 1800 МГц не превышает 15 дБ.
Предлагаемая полезная модель может найти широкое применение в разработке и создании планарной малогабаритной антенны, обладающей равномерной диаграммой направленности, близкой к круговой, и упрощенной конструкцией.
Источники информации, использованные при составлении описания.
1. Б.К. Нинь. Антенны сотовых телефонов // Антенны. №9. 2013. с. 56-64.
2. Z. Zhang. Antenna design for mobile devices. / IEEE PRESS. John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd. 2011.278 p.
3. Беличенко В.П., Буянов Ю.И., Кошелев В.И., Плиско В.В. О возможности расширения полосы пропускания малогабаритных излучателей // Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44, №2. С. 178-184.
4. Бульбин Ю.В., Буянов Ю.И., Дирин В.Н., Сушко В.П., Чуйков В.Д.
5. Патент 2111584 (РФ). Широкополосная антенна. Опубл. 20.05.1998, Бюл. №14.