СИММЕТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, УСТРОЙСТВО РАДИОСВЯЗИ И СПОСОБ КОНСТРУИРОВАНИЯ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 1999 года по МПК H01P5/10 H01Q23/00 H04B7/00 

Изобретение относится в общем случае к симметрирующим устройствам и более конкретно - к устройствам симметрирования и способа их конструирования.

Обычно в системах радиочастотной связи бывает выгодно использовать симметричную антенну. Симметричная антенна снижает ток радиочастоты через корпус и другие части радиоаппаратуры, и антенна оказывается менее восприимчивой к расстройке или блокировке оператором. При соединении симметричной антенны с несимметричной радиочастотной схемой, в качестве устройства сопряжения антенны используют устройства, называемые симметрирующие устройства.

В технике изготовления схем, несимметричная система, определяется как система, в которой два проводника находятся под разными потенциалами относительно земляной шины. Один из проводников часто находится под потенциалом заземления. Электрическая емкость относительно заземления каждого из двух проводников в этом случае различная, следовательно и ток в двух проводниках может быть различным. Симметричная система представляет систему, в которой потенциал каждого из проводников, соответственно, выше и ниже потенциала, заземления на одинаковую величину. На фиг. 2 представлена упрощенная модель способа определения токов посредством симметричной и несимметричной мод. В радиочастотной передающей системе связи источником является передающее устройство, а нагрузкой антенна. Любую форму токов I_а и I_b можно выражать в виде сочетания токов общей моды (общего типа колебаний) и разностной моды (разностного типа колебаний). Токи и общей моды и разностной моды определяются токами, вырабатываемыми либо симметричным, либо несимметричным источником. Токи общей моды, показанные на фиг. 2 составляющими I_Са и I_Сb, имеют одинаковую амплитуду и одинаковую фазу. Следовательно, токи общей моды ничего не вносят в предполагаемую работу нагрузки или антенны и обычно рассеиваются в виде тепла. Токи разностной моды I_Dа и I_Db равны по амплитуде и противоположны по фазе. Следовательно, они обеспечивают энергию в предполагаемой нагрузке. Потери источником и нагрузкой общей и разностной или дифференциальной мод можно представить в виде схемы, показанной на фиг. 3. В случае симмметричных нагрузок, таких как симметричные антенны, предполагаемой или желаемой модой является разностная мода, а несимметричной или нежелательной модой является общая мода. Посредством доведения до максимума полного сопротивления нагрузки для общей моды, минимизируются токи и потери, связанные с токами общей моды.

Симметрирующее устройство позволяет осуществлять соединение между симметричной системой и несимметричной системой таким образом, что потенциалы относительно заземления и токи в двух частях симметричной структуры оказываются равными по амплитуде и противоположными по фазе. В известных решениях для выполнения функции симметрирующего устройства антенного фидера в устройстве связи, используемого в системе радиочастотной связи, использовали симметрирующие трансформаторы и линии передачи или симметрирующие устройства типа запирающего стакана. Симметрирующий трансформатор эффективно выполняет функцию симметрирования, однако в случае использования в таких устройствах, как портативные радиотелефонные аппараты, симметрирующий трансформатор имеет большой размер и поглощает энергию. Обычно при использовании симметрирующего трансформатора теряется примерно 0,7 дБ энергии, и таким образом, существенно снижается амплитуда сигнала, передаваемого между приемопередатчиком и антенной. Во-вторых, для выполнения функции симметрирования, устройство типа запирающего стакана или линии передачи требует больше двух проводников или двух проводников и коаксиально экранирующего провода вокруг этих двух проводников. Такое симметрирующее устройство типа запирающего стакана требует очень большого физического пространства для коаксиального экрана в устройстве связи.

Часто требуется, чтобы устройства связи, например портативный радиотелефон, были малогабаритными и потребляли меньше энергии, чей другие непортативные или стационарные устройства связи. Таким образом, в портативном радиотелефоне желательно иметь эффективную передачу энергии между приемопередатчиком и антенной и иметь малый физический размер. Таким образам, оказывается желательным иметь эффективное и малогабаритное симметрирующее устройство, предназначенное для передачи сигналов межу симметричной антенной и несимметричной схемой в приемопередатчике устройства связи.

Фиг. 1 изображает блок-схему известного устройства;
фиг. 2 - теоретические источник и нагрузку и связанные с ними схемы;
фиг. 3 - теоретические источник и нагрузки, имеющие нагрузку общей моды и нагрузку разностной моды;
фиг. 4 - блок-схему устройства по настоящему изобретению;
фиг. 5 - блок-схему системы радиосвязи согласно изобретению;
фиг. 6 - в графическом виде периодические циклы тока общей моды для разностной нагрузки;
фиг. 7 - в графическом виде периодические циклы токов общей моды для симметричной вибраторной антенны;
фиг. 8 - круговую диаграмму полных сопротивлений, описывающую полные сопротивления и токи общей моды;
фиг. 9 - блок-схему, иллюстрирующую способ конструирования соответствующего настоящему изобретению симметрирующего устройства.

Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя устройство радиочастотной связи, в частности, радиотелефон, имеющий антенну для разнесенного приема, типа модели номер ТН541, принадлежащей фирме "Моторола, Инк. " В конкретном радиотелефонном аппарате уменьшение габаритов является важнейшей мерой, связанной, в частности, с пространством между приемопередатчиком и антенной, причем радиоприемное устройство представляет собой схему с несимметричной нагрузкой, а антенна - схему симметричного источника. Поскольку электрическое соединение между приемным устройством и антенной представляет собой соединение между несимметричным и симметричным элементами, требуется симметрирующее устройство. Описываемое существующее традиционное симметрирующее устройство оказывается непрактичным из-за физических ограничений. Таким образом, функция симметрирования выполняется посредством использования линии передачи с минимальными поперечными размерами и заранее установленным расстоянием между приемным устройством и антенной.

На фиг. 4 представлена блок-схема по настоящему изобретению. Схема 400 содержит несимметричную схему 401, линию передачи 403 длиной L и симметричную схему 405. В данном случае несимметричная схема 401 подсоединена к симметричной схеме 405 посредством линии связи 403, имевшей длину L, которая определяется в качестве части настоящего изобретения, относящейся к случаю реализации в портативном телефонном аппарате.

На фиг. 5 представлена блок-схема системы радиосвязи, в которой можно использовать настоящее изобретение. В системе удаленный приемопередатчик 513 осуществляет обмен радиочастотными сигналами с подвижными и портативными радиотелефонными аппаратами, находящимися в закрепленной географической зоне, обслуживаемой стационарным приемопередатчиком 513. Радиотелефонный аппарат 500 представляет собой аппарат, обслуживаемый неподвижной приемопередающей станцией 513.

При приеме сигналов от неподвижной приемопередающей станции 513, в радиотелефонном аппарате 500 используется основная антенна 511 и антенна для разнесенного приема, предназначенные для объединения радиочастотного сигнала и преобразования радиочастотного сигнала в электрический радиочастотный сигнал. Радиоприемник 503 принимает электрический радиочастотный сигнал для использования в радиотелефонном аппарате 500. Выходные сигналы приемного устройства 503 представляют собой сигналы символов, которые поступают на контроллер 505. Контроллер 505 форматирует сигнал символов в голосовой сигнал или информацию, поступающие на интерфейс пользователя 507. Интерфейс пользователя 507 обычно содержит микрофон, динамик и кнопочный номеронабиратель.

При передаче радиочастотных сигналов от радиотелефонного аппарата 500 на удаленный приемопередатчик 513, контроллер 505 форматирует голосовые и (или) информационные сигналы, поступающие с интерфейса пользователя 507. Форматированные сигналы поступают в передатчик 501. Передатчик 501 преобразует информацию в электрические радиочастотные сигналы. Электрические радиочастотные сигналы преобразуются в радиочастотные сигналы и передаются антенной 511. Радиочастотные сигналы принимаются удаленным приемопередатчиком 513
Как описано выше, приемник 502 представляет собой схему несимметричной нагрузки, а антенна для разнесенного приема считается симметричной схемой источника для решения настоящим изобретением поставленной задачи. Линию передачи 517 длиной L конструируют таким образом, чтобы полное сопротивление общей моды было очень высоким, а полное сопротивление разностной моды было равно полному сопротивлению схем приемника и антенны 503, 515. Требования в отношении высокоэффективной антенны состоят в том, чтобы довести до максимума полное сопротивление общей моды, и согласовать полное сопротивление разностной моды с источником и нагрузкой. Существуют два основных параметра, которые влияют на полное сопротивление общей моды, сохраняя полное сопротивление разностной моды в виде согласованного с источником, а именно: боковой размер и длина линии передачи. Боковой размер или поперечные размеры линии передачи (ширину и толщину) необходимо уменьшить до минимальной величины, делая по возможности выше эффективные индуктивное и полное сопротивления общей моды линии передачи. При правильном масштабировании боковых размеров, можно полное сопротивление разностной моды сохранять для любой группы размеров. Данный способ ограничен в том смысле, что размеры становятся нетехнологичными, и электрические потери разностной моды становятся неприемлемыми.

Второй способ увеличения полного сопротивления общей моды при сохранении полного сопротивления разностной моды состоит в таком выборе длины линии передачи, чтобы она составляла целое число половин длин волн от открытого конца. Согласно фиг. 6 ток общей моды, показанный в виде волны 601, следует периодическими циклами в продольном направлении. В конечной точке 603, точке В 605 и точке D 607 находятся минимумы тока общей моды. Аналогичным образом, в точке A 609, точке C 611 и точке E 613 находятся максимумы тока общей моды. Аналогичная картина токов общей моды получается, когда линия передачи, например, линия передачи 517, оканчивается в симметричной вибраторной антенне, типа показанной на фиг. 5 антенны для разнесенного приема 515. Рассматривая фиг. 7, отметим, что здесь показан ток общей моды для линии передачи, оканчивающейся в симметричной вибраторной антенне. И здесь минимумы находятся в точке В 701 и точке D 703. Точно также точки максимума находятся в точке А 705, точке С 707 и точке E 709. Когда к линии передачи добавляется симметричная вибраторная антенна, картина тока общей моды, как показано на фиг. 7, сдвигается таким образом, что первый минимум тока оказывается в точке, находящейся на расстоянии четверти длины волны от точки возбуждения антенны, определяя местоположение других минимумов тока. Такой результат можно также наблюдать, если эффективное полное сопротивление для общей моды изобразить в функции длины от конца линии передачи, как показано на фиг. 8. На фиг. 8 показаны точки А, С и E в виде точек коротких замыканий или очень низких полных сопротивлении непосредственно напротив точек высокого полного сопротивления В и D. Показанная на фиг. 8 круговая диаграмма полных сопротивлений представлена в виде спирали, которая обходит диаграмму несколько раз. Если линия передачи 517 выбрана таким образом, что длина ее оканчивается в точке В или D, то полное сопротивление для общей моды будет очень высоким, а энергия, поступавшая в общую моду, будет маленькой, как это требуется в случае предпочтительного варианта осуществления изобретения.

Рабочая частота и фазовая скорость определяют длину волны в линии передачи. Длина волны равна фазовой скорости, деленной на частоту. Для воздуха фазовая скорость равна скорости света. Для других сред фазовая скорость равна скорости света, деленной на корень квадратный, часто обозначаемый символом Sqrt( ), от эффективной диэлектрической проницаемости сред, часто обозначаемой символом Er, в случае общей моды фазовая скорость близка к скорости в свободном пространстве, в случае разностной моды среда представляет собой упругий материал печатной схемы с диэлектрической проницаемостью, равной 3,4. Это уменьшает фазовую скорость в 1/Sqrt(Er) или в 0,55 раз по сравнению со скоростью в свободном пространстве. Эти фазовые скорости на самом деле совершенно различны для двух случаев. Для разностной моды требуется снижать отражения в линии передачи, так что полное сопротивление по существу не зависит от длины линии передачи. Однако для общей моды полное сопротивление преднамеренно делают сильно зависящей от длины, и в этом случае длину выбирают для максимального полного сопротивления.

Для того, чтобы эти явления использовать в целях осуществления функции симметрирования в линии передачи, линию передачи необходимо конструировать для каждого конкретного применения, используя показанную на фиг. 9 блок-схему конструирования. Вначале, в соответствии с функциональным блоком 903 конструируют несимметричную схему и симметричную схему без учета каких-либо связей между ними. В предпочтительном варианте осуществления симметричная схема представляет собой симметричную вибраторную антенну, используемую в качестве показанной на фиг. 5 антенны для разнесенного приема 515. При изготовлении симметричной вибраторной антенны, ее можно конструировать без антенного фидера на требуемую для нее полосу частот. В предпочтительном варианте осуществления требуемая полоса частот для антенны составляет 810-830 МГц. Во-вторых, в соответствии с функциональным блоком 905 обеспечивают несимметричную схему. В предпочтительном варианте осуществления показанный на фиг. 5 приемник 503 считается несимметричной схемой. В-третьих, в соответствии с функциональным блоком 907 выбирают симметричную линию передачи, предназначенную для соединения симметричной схемы с несимметричной схемой. Линия передачи должна иметь полное сопротивление для разностной моды, равное полному сопротивлению источника, и очень большое полное сопротивление для общей моды. Полное сопротивление для разностной моды, часто обозначаемое символом Z₀, обычно определяют, используя уравнение:
Z₀ = 377 •толщину/(ширину • Sqrt(Er)).

Если полное сопротивление источника Z_S и полное сопротивление нагрузки равны между собой, то разностное полное сопротивление делают равным им. В случае неравных полных сопротивлений источника и нагрузки, линия передачи оказывается более сложной, что соответствует предпочтительному варианту осуществления изобретения.

Длина L прохождения сигналом расстояния между антенной и приемником имеет фазовую длину разностной моды, превышающую длину, необходимую для реализации трансформатора полных сопротивлений, обозначенную символом L_t. Эта длина равна четверти длины волны и часто обозначается символом (λ/4). Следовательно, в настоящем изобретении предложена конструкция расположенной на одной линии (последовательную) пары передачи, которые выполняют две необходимых функции, а именно:
1) подавления нагрузки общей моды, и
2) трансформацию полного сопротивления антенного источника Z_S для согласования нагрузки приемника Z_l.

Перед соединением линии передачи со схемой нагрузки, выбирают правильную длину L_r линии передачи 517, которая дает общее полное сопротивление, значительно превышающее полное сопротивление источника. В предпочтительном варианте осуществления длина L, необходимая для подавления общей моды и обозначаемая символом L_r, превышает длину, необходимую для преобразования и обозначаемую символом L_t. Следовательно, требуется дополнительная или избыточная длина, обозначаемая символом L_e. Это можно выразить следующим уравнением:
L_t + L_e = L_r.

Избыточная длина должна иметь волновое сопротивление либо источника, либо нагрузки. Следовательно, избыточную длину выбирают с учетом того, чтобы она имела волновое сопротивление, равное более высокому из полных сопротивлений Z_S или Z_l.

Трансформаторная секция линии передачи имеет длину L_t, которая определяется искомой частотой и имеющейся фазовой длиной, равной одной четверти длины волны, которую можно также выражать как 90^o, что составляет λ/4. Указанную фазовую длину можно определить, используя ранее приведенный текст. В предпочтительном варианте осуществления изобретения полное сопротивление нагрузки Z_l = 50 Ом, а симметричная вибраторная антенна имеет полное сопротивление 12 Ом. Таким образом, была выбрана линия передачи, имеющая полное сопротивление для разностной моды для L_e = 50 Ом, а трансформаторная секция L_t имела полное сопротивление 25 Ом. Указанный трансформатор согласует полное сопротивление антенного источника Z_S = 12 Ом, при полном сопротивлении нагрузки приемника Z_l = 50 Ом.

Посредством правильного выбора длины L_r линии передачи реализуется функция симметрирования. Хотя линия передачи и ограничивается заранее заданной длиной L_r отпадает необходимость в дополнительных схемах или компонентах, таких как транзисторы или дополнительные линии передачи, либо коаксиальный кабель, в результате чего удается снизить ограничения на физические размеры, требуемые для реализации функции симметрирования.

Электрическое соединение между симметричной схемой типа радиоприемника и несимметричной схемой типа антенны требует наличия симметрирующего устройства. В маломощных электрических устройствах, таких как радиотелефонный аппарат, традиционное симметрирующее устройство непрактично ввиду физических ограничений. Функция симметрирования выполняется посредством использовании линии передачи с минимальными поперечными размерами и заранее заданной длиной между приемником и антенной. Техническим результатом является создание эффективного и малогабаритного симметрирующего устройства, предназначенного для передачи сигналов между симметричной антенной и несимметричной схемой в приемопередатчике устройства связи. 3 с. и 5 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Симметрирующее устройство, подсоединяемое непосредственно между симметричной и несимметричной схемами, работающими с общей и разностной модами, содержащее первый проводник первой длины, второй проводник второй длины, равной первой длине, причем второй проводник расположен параллельно первому проводнику и отделен от первого проводника первым расстоянием, причем первый и второй проводники служат для формирования первой линии передачи, причем первая линия передачи подключена непосредственно между несимметричной и симметричной схемами, первая часть первой линии передачи содержит трансформатор полных сопротивлений, имеющий длину, которая равна длине преобразования L_t первой линии передачи, причем длина преобразования составляет четверть длины волны сигнала искомой частоты или нескольких частот, отличающееся тем, что первая линия передачи имеет первое полное сопротивление при работе с разностной модой и второе полное сопротивление при работе с общей модой. 2. Симметрирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что используют плоские металлические полоски в качестве первого и второго проводников. 3. Симметрирующее устройство по п.2, отличающееся тем, что используют гибкий пластичный материал для отделения первого проводника от второго. 4. Симметрирующее устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что первая линия передачи имеет первую фазовую скорость при работе с разностной модой и вторую фазовую скорость при работе с общей модой. 5. Устройство радиосвязи, отличающееся тем, что содержит симметричную антенну, имеющую первое полное сопротивление источника общей моды и первое полное сопротивление источника разностной моды, несимметричный радиоприемник, имеющий полное сопротивление разностной нагрузки, и двухпроводную линию передачи заданной длины, непосредственно подсоединенную между клеммой симметричной антенны и клеммой несимметричного радиоприемника и имеющую второе полное сопротивление общей моды и второе полное сопротивление разностной моды, при этом первое и второе полные сопротивления общей моды образуют входное полное сопротивление общей моды, а первое и второе полные сопротивления разностной моды образуют входное полное сопротивление разностной моды, причем входное полное сопротивление общей моды, по существу, больше полного сопротивления источника общей моды, а входное полное сопротивление разностной моды, по существу, согласовано с полным сопротивлением источника, при этом первая часть двухпроводной линии передачи дополнительно содержит трансформатор полных сопротивлений, имеющий длину, которая равна длине преобразования L_t двухпроводной линии передачи, причем длина преобразования составляет четверть длины волны сигнала искомой частоты или нескольких частот. 6. Устройство радиосвязи по п.5, отличающееся тем, что двухпроводная линия передачи содержит первую и вторую плоские металлические полоски, формирующие соответственно первый и второй проводники, причем второй проводник параллелен первому проводнику и отделен от него. 7. Устройство радиосвязи по п.5 или 6, отличающееся тем, что используют гибкий пластичный материал для обеспечения первого расстояния между первым и вторым проводниками. 8. Способ конструирования антенной системы, отличающийся тем, что формируют антенну, имеющую первое полное сопротивление общей моды и первое полное сопротивление разностной моды, формируют несимметричную схему, имеющую первое полное сопротивление источника, и производят выбор симметричной линии передачи, предназначенной для осуществления соединения между антенной и несимметричной схемой, причем симметричная линия передачи имеет первую длину, второе полное сопротивление общей моды и второе полное сопротивление разностной моды, так что суммарное значение первого и второго полных сопротивлений общей моды превышает полное сопротивление источника, а первое и второе полные сопротивления разностной моды, взятые вместе, по существу, согласуются с полным сопротивлением источника.