МНОГОПРОТОКОЛЬНАЯ АНТЕННА И СПОСОБ СИНТЕЗА ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ТАКОЙ АНТЕННЫ
MULTIPROTOCOL ANTENNA AND BEAM PATTERN SYNTHESIS METHOD FOR SAID ANTENNA

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к многопротокольным антеннам и к их конструкциям. Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к плоским дисплеям с интегрированными в них многопротокольными антеннами. Некоторые варианты относятся к портативным вычислительным устройствам, таким как лэптопы, ноутбуки и нетбуки с интегрированными антеннами, сконфигурированными для обеспечения связи с базовыми станциями и точками доступа беспроводных сетей, работающих по разным протоколам.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Портативные вычислительные устройства, такие как лэптопы, ноутбуки и нетбуки обычно обеспечивают возможность беспроводной связи и содержат одну или несколько внутренних антенн для связи с точками доступа или с базовыми станциями. Эти внутренние антенны обычно обеспечивают диаграмму направленности с одинаковым усилением по вертикали и горизонтали. Поскольку точки доступа и базовые станции обычно находятся больше в горизонтальном направлении, то усиление этих антенн в вертикальном направлении приводит к непроизводительному расходу энергии. Внутренняя антенна с увеличенным коэффициентом усилением в горизонтальной плоскости и пониженным коэффициентом усиления в вертикальной плоскости (то есть, форма диаграммы излучения имеет примерную форму шайбы) была бы более подходящей для использования в портативных вычислительных и связных устройствах, однако традиционные антенны, как правило, не способны обеспечить такую диаграмму направленности из-за ограничений форм-фактора антенны. Кроме того, традиционные антенны, как правило, неспособны поддерживать работу многопротокольных систем (например, WiMAX и WiFi).
[0003] Таким образом, существует насущная потребность в многопротокольных антеннах, подходящих для использования в плоских дисплеях и других плоских устройствах.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0004] Фигура 1А - вид спереди многопротокольной антенны по некоторым вариантам осуществления изобретения.
[0005] Фигура 1В - сравнительные графические данные для расчетных и измеренных обратных потерь многопротокольной антенны фигуры 1А.
[0006] Фигуры 2А, 2В, 2С - схемы поверхностных токов для многопротокольной антенны фигуры 1А на частотах, находящихся в разных частотных диапазонах.
[0007] Фигуры 3А, 3В, 3С - диаграммы направленности в вертикальной плоскости для многопротокольной антенны фигуры 1А на частотах, находящихся в разных частотных диапазонах.
[0008] Фигуры 4А, 4В, 4С - двухмерные диаграммы направленности для многопротокольной антенны фигуры 1А на частотах, находящихся в разных частотных диапазонах.
[0009] Фигура 5 - плоский дисплей с встроенными антеннами в соответствии с некоторыми вариантами.
[0010] Фигура 6 - схема устройства беспроводной связи в соответствии с некоторыми вариантами.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0011] Нижеприведенное описание и прилагаемые чертежи иллюстрируют конкретные варианты осуществления изобретения, которые дают возможность специалистам в данной области техники использовать их на практике. Другие варианты могут содержать конструктивные, логические, электрические, технологические и другие изменения. Части и признаки некоторых вариантов могут быть включены в эти другие варианты или могут заменяться. Варианты, указанные в пунктах формулы изобретения, охватывают все их возможные эквиваленты.
[0012] На фигуре 1А приведен вид спереди конструкции многопротокольной антенны по некоторым вариантам осуществления изобретения. Антенна 100 представляет собой асимметричную антенну со смещенной точкой подсоединения антенного фидера для обеспечения многопротокольной работы. Антенна 100 содержит два выступа, правый выступ 112 и левый выступ 114, суживающиеся по эллиптическим кривым, имеющим разный радиус. Антенна 100 также имеет смещенную от центра точку 110 подсоединения антенного фидера, находящуюся между правым и левым выступами.
[0013] В примере, представленном на фигуре 1А, правый выступ 112 имеет меньшую протяженность эллиптического сужения по сравнению с левым выступом 114, и точка 110 подсоединения антенного фидера смещена от центра ближе к правому выступу 112. В рассматриваемых вариантах левый и правый выступы состоят из проводящего материала, нанесенного на непроводящую плоскую подложку. Смещение от центра точки 110 подсоединения антенного фидера и различные радиусы сужений левого и правого выступов могут быть выбраны таким образом, чтобы обеспечивался резонанс в двух или более частотных диапазонах для поддержки многопротокольной работы. В некоторых вариантах в качестве непроводящей подложки используется гибкая пластина из полиэтилентерефталата.
[0014] На фигуре 1В представлены графики обратных потерь многопротокольной антенны 100, которые показывают, что результаты расчетов хорошо согласуются с полученными результатами измерений для реальной антенны. Многопротокольная антенна 100 имеет низкий профиль и поэтому может быть встроена во многие ноутбуки и нетбуки.
[0015] В некоторых вариантах смещение от центра точки 110 подсоединения антенного фидера и различные радиусы сужений правого и левого выступов выбираются таким образом, чтобы обеспечивались примерно одинаковые поверхностные токи на обоих выступах для формирования диаграммы направленности, близкой к горизонтальной, в дальней зоне для диапазона более низких частот, как показано на фигуре 2А. Смещение от центра точки 110 подсоединения антенного фидера и различные радиусы сужений правого и левого выступов могут выбираться таким образом, чтобы величины поверхностных токов на левом выступе 114 были больше чем на правом выступе 112 для формирования асимметричной диаграммы направленности в дальней зоне в диапазоне средних частот, как показано на фигуре 2В. Далее, смещение от центра точки 110 подсоединения антенного фидера и различные радиусы сужений правого и левого выступов могут выбираться таким образом, чтобы величины поверхностных токов на правом выступе 112 были больше чем на левом выступе 114 для формирования диаграммы направленности в дальней зоне с большей горизонтальной компонентой в диапазоне более высоких частот, как показано на фигуре 2С.
[0016] Два эллиптически суживающихся выступа (а именно, правый выступ 112 и левый выступ 114) составляют часть верхнего излучающего элемента 102. Нижний излучающий элемент 104, действующий в качестве "земляной" шины, содержит соответствующие эллиптически суживающиеся части, расположенные напротив эллиптически суживающихся правого и левого выступов верхнего излучающего элемента 102. Смещенная от центра точка 100 подсоединения антенного фидера может быть расположена между верхним и нижним излучающими элементами, как показано на фигуре 1А.
[0017] Различные варианты многопротокольной антенны 100 обеспечивают работу в системах связи по нескольким протоколам. Многопротокольная антенна 100 может использоваться, например, для обеспечения связи в системах WiMAX и WiFi, хотя ее применение не ограничивается указанным примером. Многопротокольная антенна 100 обеспечивает работу в нескольких частотных диапазонах с оптимизированной диаграммой направленности для каждого частотного диапазона путем синтеза распределения токов на поверхности плоской антенны. Распределение поверхностных токов на разных частотах иллюстрируется на фигурах 2А, 2В и 2С. Варианты осуществления изобретения могут использоваться для других беспроводных применений, включая сочетания беспроводной глобальной сети (WWAN), широкополосной системы (WiMAX), LTE, сверхширокополосной системы (UWB) и беспроводных локальных сетей (WiFi). Многопротокольная антенна 100, показанная на фигуре 1А, может подходить для частотных диапазонов WiMAX и WiFi (2,3-2,7 ГГц, 3,3-3,8 ГГц и 5,15-5,825 ГГц) с одним антенным фидером. Многопротокольная антенна 100 может обеспечивать почти горизонтальную диаграмму направленности в двух диапазонах WiMAX 2,3-2,7 ГГц и 3,3-3,8 ГГц, а также может обеспечивать диаграммы направленности, совместимые с WiFi, в диапазоне более высоких частот 5,15-5,825 ГГц, как это иллюстрируется на фигурах 3А, 3В и 3С. Почти горизонтальная диаграмма направленности в диапазоне более низких частот WiFi (2,4-2,5 ГГц) минимизирует воздействие на эффективность работы WiFi. На границах диапазона WiFi почти горизонтальная диаграмма направленности повышает пропускную способность по сравнению с пропускной способностью, обеспечиваемой традиционными WiFi-антеннами.
[0018] В соответствии с некоторыми вариантами обеспечивается несколько режимов излучения на нескольких разных рабочих частотах для работы в нескольких диапазонах, причем в диапазоне WiMAX формируется шайбообразная, почти горизонтальная диаграмма направленности с высоким КПД антенны. Обычно антенны, используемые в ноутбуках и нетбуках, не имеют такой шайбообразной формы диаграммы направленности, что обусловливается, среди прочего, ограничениями формы (форм-фактора) антенны. Многопротокольная антенна 100 включает физические и электрические признаки, связанные с применением в ноутбуках и нетбуках.
[0019] Многопротокольная антенна 100, напечатанная на плоской подложке, имеет компактную конструкцию с низким профилем и содержит верхнюю излучающую часть и нижнюю "земляную" шину. В некоторых вариантах антенна 100 может иметь размеры 29 мм (шир.) × 40 мм (вые.) × 0,25 мм (толщ.). Нижняя земляная шина способствует согласованию импедансов. В некоторых вариантах осуществления изобретения земляная шина может быть расположена позади ЖК-дисплея вышеуказанных устройств. Такие варианты описаны ниже более подробно.
[0020] Эллиптические сужения левого и правого выступов, имеющие разные радиусы, может обеспечивать множество резонансов на разных частотах для многопротокольной работы. Положение точки подсоединения антенного фидера, которое может быть смещено в сторону меньшего эллиптического сужения правого выступа 112, также способствует обеспечению работы по нескольким протоколам. Размер, форма и расположение эллиптического сужения могут быть изменены в зависимости от используемых частотных диапазонов и их ширины.
[0021] В некоторых вариантах в диапазоне более низких частот (например, 2,3-2,7 ГГц) поверхностные токи распределяются по обоим выступам. Токи на каждом выступе имеют одинаковые величины, однако их фазы противоположны, и поэтому эквивалентный ток может быть изображен как короткий вертикальный компонент, как показано на фигуре 2А. Это обеспечивает почти горизонтальную диаграмму направленности в дальней зоне, как показано на фигуре 3А. В диапазоне средних частот (например, 3,3-3,8 ГГц) по левому выступу 114, имеющему большее эллиптическое сужение, проходит поверхностный ток большей величины, чем по правому выступу 112. Вектор эквивалентного тока наклонен в сторону левого выступа 114, как показано на фигуре 2В, в результате чего обеспечивается асимметричная диаграмма направленности в дальней зоне, как показано на фигуре 3В. На более высоких частотах (например, 5,15-5,825 ГГц) ток большей величины проходит по правому выступу 112, имеющему меньшее эллиптическое сужение. Эквивалентный ток, имеющий большую горизонтальную компоненту, показан на фигуре 2с, и диаграмма направленности в дальней зоне показана на фигуре 3С. Распределения поверхностных токов показывают, что синтез тока на поверхности антенны, который зависит от размера, формы и расположения сужений, определяет ее диаграмму направленности в дальней зоне.
[0022] Поскольку антенна 100 имеет асимметричную конструкцию со смещенной точкой подсоединения антенного фидера, то не всегда происходит идеальное взаимная компенсация токов между двумя выступами верхнего излучающего элемента 102. На более низких частотах большая часть токов концентрируется по вертикали относительно точки подсоединения антенного фидера, и векторная сумма поверхностных токов представляет собой сравнительной короткий вертикальный вектор. Короткая вертикальная компонента тока обеспечивает формирование почти горизонтальной диаграммы направленности, имеющей шайбообразную форму, как показано на фигуре 3А. Антенна 100 обеспечивает очень хорошую эффективность излучения в диапазонах частот, представляющих практический интерес. С увеличением частоты векторная сумма распределенных токов уже не представляет собой короткую вертикальную компоненту тока, а наклоняется с увеличивающейся величиной горизонтальной компоненты. Диаграмма направленности приобретает более случайный характер на более высоких частотах (например, 5,15-5,825 ГГц), однако это приемлемо для систем связи WiFi. На средних частотах диаграммы направленности нельзя назвать почти горизонтальными, однако они приемлемы для систем связи W1MAX. Диаграммы направленности могут улучшаться, когда антенна встроена, например, в нетбук за счет конструктивного соединения с металлическими частями, особенно в диапазонах средних и более высоких частот. На фигурах 4А-4С представлены двухмерные диаграммы направленности антенны 100, форма которых улучшается, особенности в диапазонах средних и более высоких частот, после установки антенны в нетбуке.
[0023] В некоторых вариантах многопротокольная антенна 100 обеспечивает возможности работы в нескольких частотных диапазонах с почти горизонтальными диаграммами направленности, имеющими такие же площади покрытия, которые обеспечиваются однодиапазонными антеннами. Предлагаемая в изобретении антенна имеет такой же форм-фактор и стоимость, что и однодиапазонная антенна, однако обеспечивает многопротокольную работу.
[0024] В некоторых вариантах требуемая диаграмма направленности в дальней зоне может быть получена путем синтеза распределения токов за счет модификации формы суживающейся части. Такие варианты обеспечивают способ синтеза диаграммы направленности многопротокольной антенны. Способ включает: обеспечение примерно равных поверхностных токов на обоих выступах конструкции антенны для формирования почти горизонтальной диаграммы направленности в дальней зоне в диапазоне более низких частот; обеспечение большей величины поверхностных токов на правом выступе 112 для формирования диаграммы направленности в дальней зоне с большой величиной горизонтальной компоненты в диапазоне более высоких частот; и обеспечение большей величины поверхностных токов на левом выступе 114 для формирования асимметричной диаграммы направленности в дальней зоне в диапазоне средних частот.
[0025] На фигуре 5 показан плоский дисплей с встроенными антеннами в соответствии с некоторыми вариантами. Плоский дисплей 500 имеет корпус 502, плоскую зону 506 отображения информации и одну или несколько антенн 504, установленных внутри корпуса 502. В качестве антенн 504 может использоваться антенная конструкция 100 (см. фигуру 1А). В некоторых вариантах по меньшей мере часть земляных шин антенн 504 расположена позади плоской зоны 506 отображения информации. Когда плоская зона 506 отображения информации расположена вертикально, верхний излучающий элемент 102 находится выше зоны 506. Плоскость зоны 506 отображения информации и плоская поверхность 106 антенны примерно параллельны, и земляные шины антенн 504 могут быть изолированы электрически от земляной шины зоны 506. В некоторых вариантах для электрической изоляции земляной шины антенн 504 и земляной шины зоны 506 отображения информации может использоваться тонкий лист изоляционного материала.
[0026] В некоторых вариантах плоский дисплей 500 может содержать две или более антенн 504, предназначенных для работы в соответствии с технологией MIMO (система со многими входами и многими выходами). В альтернативных вариантах две или более антенн 504 могут быть сконфигурированы или расположены таким образом, чтобы работать в качестве фазированной антенной решетки или в режиме разнесения, хотя объем изобретения не ограничивается только такими вариантами.
[0027] В некоторых вариантах плоский дисплей 500 может быть автономным дисплеем. В таких вариантах плоский дисплей 500 может использоваться в качестве средства отображения информации для настольного компьютера или телевизора. В других вариантах плоский дисплей 500 может быть частью портативного устройства связи (например, ноутбука или нетбука, а также устройства беспроводной связи). В некоторых вариантах плоская зона 506 отображения информации может содержать жидко-кристаллический дисплей, хотя могут использоваться и другие типы плоской зоны отображения информации.
[0028] В некоторых вариантах обеспечивается ноутбук со встроенными антеннами 504. Такой ноутбук может содержать плоский дисплей 500, имеющий корпус 502, плоскую зону 506 отображения информации и одну или несколько антенн 504, установленных внутри корпуса 502. Ноутбук может также содержать приемопередатчик системы беспроводной связи, подсоединенный к одной или нескольким антеннам 504. В некоторых вариантах ноутбук может быть устройством беспроводной связи, таким как нетбук, предназначенный преимущественно для работы в беспроводных сетях и использующий приложения, доступные в сети, хотя объем этих вариантов не ограничивается только такими применениями. Такие варианты описаны ниже более подробно.
[0029] На фигуре 6 приведена схема устройства беспроводной связи в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения. Устройство 600 беспроводной связи может содержать приемопередатчик 604, одну или несколько антенн 504 и плоский дисплей 500. Устройство 600 беспроводное может быть практически любым устройством, предназначенным для обеспечения беспроводной связи, таким как карманный компьютер (КПК), лаптоп или портативный компьютер, содержащий средства беспроводной связи, ноутбук или нетбук, Интернет-планшет, сотовый телефон, беспроводные наушники, пейджер, устройство мгновенного обмена сообщениями, цифровая камера, точка доступа, телевизор, медицинские приборы (например, измеритель пульса, измеритель кровяного давления и т.п.) или другое устройство, которое может передавать и/или принимать информацию по линиям беспроводной связи.
[0030] В некоторых вариантах приемопередатчик 604 беспроводной связи может быть выполнен с возможностью передачи/приема сигналов с мультиплексированием с ортогональным частотным разделением (OFDM), передаваемых по каналу связи со многими несущими частотами. Сигналы OFDM могут содержать множество ортогональных поднесущих частот. В некоторых таких вариантах с использованием многих несущих частот приемопередатчик 604 беспроводной связи может быть частью станции связи беспроводной локальной сети, такой как точка беспроводного доступа, базовая станция или мобильное устройство, содержащее средство беспроводного Интернета. В некоторых вариантах с использованием широкополосного доступа со многими несущими приемопередатчик 604 беспроводной связи может быть частью станции связи беспроводного широкополосного доступа (BWA), такой как станция широкополосной связи WiMAX. В некоторых других вариантах с использованием широкополосного доступа со многими несущими приемопередатчик 604 беспроводной связи может быть станцией универсальной наземной сети радиосвязи (UTRAN) проекта партнерства 3-го поколения (3GPP) или станцией связи по стандарту долгосрочной эволюции (LTE), хотя объем этих вариантов не ограничивается только такими применениями. В таких вариантах с использованием широкополосного доступа со многими несущими приемопередатчик 604 беспроводной связи может быть выполнен таким образом, чтобы он осуществлял связь по технологии многостанционного доступа с ортогональным частотным разделением (OFDMA).
[0031] В некоторых вариантах приемопередатчик 604 беспроводной связи может быть выполнен с возможностью приема сигналов в соответствии с определенными стандартами связи, такими как стандарты Института инженеров по электротехнике и электронике, включая стандарты IEEE 802.11-2007 и/или 802.1 1(n) и/или предложенных спецификаций для WLAN, хотя объем этих вариантов не ограничивается только такими применениями, поскольку они также могут быть пригодны для осуществления связи в соответствии с другими технологиями и стандартами. В некоторых вариантах приемопередатчик 604 беспроводной связи может быть выполнен с возможностью осуществления связи в соответствии со стандартами IEEE 802.16-2004 и IEEE 802.16(e) для беспроводных городских сетей (WMAN), включая их варианты и развивающие документы, хотя объем этих вариантов не ограничивается только такими применениями, поскольку они также могут быть пригодны для осуществления связи в соответствии с другими технологиями и стандартами. Для получения дополнительной информации по стандартам IEEE 802.11 и IEEE 802.16 можно обратиться к документу "Стандарты IEEE для информационных технологий, связи и обмена информации между системами". Локальные сети, специальные требования. Часть 11 "Уровень управления доступом к среде (MAC) и физический уровень (PHY) беспроводных сетей, ISO/IEC 8802-11: 1999", и Городские сети, специальные требования, Часть 16: "Радиоинтерфейс для стационарных систем широкополосного беспроводного доступа", май 2005 г., а также к соответствующим изменениям/версиям. Для получения дополнительной информацию по стандартам UTRAN LTE можно также обратиться к стандартам Проекта партнерства 3-го поколения (3GPP) для UTRAN-LTE, версия 8, март 2008 г., включая их варианты и развивающие документы.
[0032] В некоторых вариантах приемопередатчик 604 беспроводной связи может быть выполнен с возможностью приема сигналов, передаваемых с использованием одной или нескольких других схем модуляции, таких как модуляция шумоподобным сигналом (например, многостанционный доступ с кодовым разделением каналов с использованием прямой последовательности (DS-CDMA) и/или многостанционный доступ с кодовым разделением каналов со скачкообразной перестройкой частоты (FH-CDMA)), мультиплексирование с разделением времени (TDM) и/или мультиплексирование с разделением частоты (FDM), хотя объем этих вариантов не ограничивается только такими применениями.
[0033] Реферат составлен в соответствии с нормативным актом 37 C.F.R., Раздел 1.72(b), в котором требуется, чтобы реферат давал читателю возможность понять характер и техническую сущность изобретения. Реферат, представленный в заявке, не должен использоваться для ограничения или истолкования объема или смысла формулы изобретения. Ниже прилагается формула изобретения, каждый пункт которой представляет отдельный вариант осуществления заявленного изобретения.