МНОГОДИАПАЗОННАЯ АНТЕННА ДЛЯ ПОРТАТИВНОГО РАДИОУСТРОЙСТВА Российский патент 2001 года по МПК H01Q5/00 

Изобретение относится к антеннам, в частности к катушкам для питания многодиапазонных антенн.

2. Описание известного уровня техники
Спиральная катушка для антенны с выдвижным прямым проводом известна, например, из патента США 4121218, выданного на имя Irwing et al. В этом техническом решении размеры спиральной катушки и выдвижного прямого провода выбирают таким образом, чтобы обеспечить резонанс в определенном диапазоне частот портативного радиоустройства, такого как сотовый радиотелефон.

Поскольку во всем мире получили распространение различные аналоговые и цифровые радиотелефонные системы, существуют антенны, предназначенные для каждой из этих различных сотовых систем. Для тех пользователей абонентских сотовых радиотелефонов, которые перемещаются между разными системами или используют сотовый радиотелефон на территории, обслуживаемой несколькими системами, было бы целесообразно иметь один сотовый радиотелефон, который можно было бы использовать более чем в одной системе. Поэтому желательно, чтобы одно и то же радиоустройство могло осуществлять связь в разных диапазонах частот. Поскольку один сотовый радиотелефон, снабженный антеннами для разных диапазонов частот, вряд ли мог бы быть удобным для пользователя, существует потребность в единой антенной конструкции, способной работать более чем в одном диапазоне частот.

Разрабатываются новые конструкции сотовых радиотелефонов, направленные на то, чтобы создать еще больше удобств для пользователей. Большинство пользователей привлекают компактные приборы, удобные в ношении и использовании. Поэтому существует потребность в многодиапазонной компактной антенной конструкции, которая бы при этом отличалась экономичностью ее изготовления.

Однако проблема получения одновременно компактной и многодиапазонной антенной конструкции, которая бы обеспечивала высокий коэффициент усиления, сопоставимый с известными однополосными антеннами, достаточно сложна. Известные антенные конструкции, оптимизированные с целью получения максимального коэффициента усиления в одном диапазоне частот, в других диапазонах частот дают коэффициент усиления ниже оптимального. Задача изобретения состоит в том, чтобы в одной компактной антенной конструкции во всех диапазонах были обеспечены такие же, как у известных однополосных антенн, или даже более высокие характеристики коэффициента усиления антенны. Эту задачу, которая не была решена до настоящего времени, решает данное изобретение, описанное в дальнейшем более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 изображает боковой вид в разрезе одного из вариантов выполнения антенны, в верхнем положении,
фиг. 2 - боковой вид в разрезе одного из вариантов выполнения антенны, показанной на фиг. 1, в нижнем положении,
фиг. 3 - увеличенный вид в разрезе только двух спиральных катушек,
фиг. 4 - вид в разрезе другого варианта антенны в верхнем положении, и
фиг. 5 - многодиапазонный радиотелефон.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Согласно изобретению предложена единая компактная антенна, способная обеспечивать резонанс в более чем одном диапазоне частот. Первая катушка, соответствующая первому диапазону частот, и вторая катушка, соответствующая второму диапазону частот, расположены близко к прямолинейной части антенного элемента в конфигурации, обеспечивающей резонанс в соответствующих первом и втором диапазонах частот. За счет размещения первой и второй катушек соосно с прямолинейной частью антенного элемента достигается более компактная конструкция.

Было обнаружено, что более эффективные характеристики коэффициента усиления в определенном диапазоне частот можно получить за счет уменьшения взаимодействия между катушками. Для уменьшения помех от взаимодействия предпочтительно, чтобы намотки двух коаксиальных катушек имели противоположные направления. Кроме того, помехи от взаимодействия снизятся еще больше, если одну коаксиальную катушку сделать большего диаметра, чем другая, и поместить, снаружи катушку с более короткой линейной длиной.

На чертеже изображены первая катушка 110 и вторая катушка 120, расположенные соосно вокруг антенного элемента 130, имеющего прямолинейную часть 140. Первая катушка 110 и вторая катушка 120 предпочтительно являются спиральными катушками. Антенный элемент 130 предпочтительно содержит на своем верхнем конце верхнюю катушку 150 и заключен в диэлектрик. Первая катушка 110 и вторая катушка 120 предпочтительно удерживаются в базе 160, выполненной из диэлектрика.

Раиопомехи от взаимодействия между катушками снижают коэффициент усиления антенны, так как энергия, которая должна взаимодействовать между прямолинейной частью и заданной катушкой, вместо этого взаимодействует с другой катушкой. Когда с антенны передается энергия, предпочтительно, чтобы она вся излучалась с прямолинейной части. Например, если антенна используется в радиоустройстве для передачи энергии излучения в первом диапазоне частот первой катушкой 110, желательно, чтобы вся энергия излучения излучалась с прямолинейной части 140 антенного элемента 130. Тем не менее, часть этой энергии будет излучаться с первой катушки 110 как таковой и будет также передаваться с первой катушки 110 на вторую катушку 120, в результате поглощаясь радиосхемами, подсоединенными ко второй катушке 120. Энергия, излученная катушкой 110 и поглощенная дополнительной катушкой 120, рассеивает мощность, снижая рабочую эффективность антенны. Если выполнить первую катушку 110 с большей окружностью и за счет этого расположить ее снаружи второй катушки 120, помехи от взаимодействия снизятся. Кроме того, если снаружи разместить катушку, имеющую меньшую осевую длину, эти помехи снизятся еще больше. Под линейной длиной подразумевается общая длина катушки в размотанном и растянутом в линейном направлении виде. Под осевой длиной подразумевается длина, проходящая соосно линии, образованной прямолинейной частью 140 антенного элемента 130. Таким образом, показанная на фиг. 1 первая катушка 110 имеет осевую длину почти вдвое меньше осевой длины второй катушки 120, но приблизительно такую же линейную длину, как вторая катушка. Однако в растянутом виде линейная длина первой катушки 110 предпочтительно меньше линейной длины второй катушки 120, поскольку первая катушка предпочтительно резонирует в первом или в высшем диапазоне частот, а вторая катушка резонирует во втором или низшем диапазоне частот.

Было обнаружено, что за счет намотки первой и второй катушек 110 и 120 в противоположных направлениях, их взаимодействие дополнительно снижается, если они расположены соосно друг другу, как показано на фиг. 1. Направление витков спиральных катушек относительно друг друга предпочтительно должно быть противоположным, чтобы обеспечить вычитание векторов электрических и магнитных полей и тем самым минимизировать взаимодействие. За счет противоположного направления витков магнитное поле одной катушки будет отрицательным по отношению к магнитному полю другой катушки.

Осевая длина первой катушки 110 составляет около 3,5 мм (приблизительно 0,138 дюйма), а линейная длина - около 22,5 мм (приблизительно 0,866 дюймов). Эти предпочтительные размеры первой катушки 110 согласованы с размерами антенного элемента 130, общая длина которого составляет около 76 мм (приблизительно 2,99 дюйма), а проводящая прямолинейная часть 140 - около 48,5 мм (приблизительно 1,91 дюйма), и с размерами верхней катушки 150, осевая длина которой составляет около 27,5 мм (приблизительно 1,08 дюйма), окружность около 14,2 мм (приблизительно 0,559 дюйма), а линейная длина около 163 мм (приблизительно 6,42 дюйма). При этом первая катушка 110 в работе с антенным элементом 130 резонирует на частоте приблизительно 1800 МГц.

Осевая длина второй катушки 120 предпочтительно составляет около 6,0 мм (приблизительно 0,236 дюймов), окружность около 23 мм (приблизительно 0,906 дюймов) и линейная длина около 66 мм (около 2,6 дюйма). Вторая катушка 120 при взаимодействии с вышеупомянутым антенным элементом 130 резонирует в полосе частот приблизительно 920 МГц. Нижний конец проводящей прямолинейной части 140 антенного элемента 130 предпочтительно расположен на расстоянии около 1,0 мм (приблизительно 0,039 дюймов) от верхнего конца второй катушки 120, когда антенный элемент 130 находится в верхнем положении, как показано на фиг. 1.

Первая катушка 110 подсоединена к приемопередатчику радиоустройства фидером 115, а вторая катушка 160 - фидером 125. Относительная диэлектрическая проницаемость базы 160 предпочтительно составляет 2,3, а относительная диэлектрическая проницаемость антенного элемента 130 в предпочтительном варианте должна быть приблизительно равной ей.

Прямой провод 140 антенного элемента образует диполь. Когда прямой провод 140 находится рядом со спиральными катушками в верхнем положении, антенный элемент одновременно резонирует при целом кратном 1/2 длины волны в низшем из диапазонов частот и при таком же или большем целом кратном 1/2 длины волны в высшем из диапазонов частот. Когда верхняя катушка находится в нижнем положении близко к спиральным катушкам, верхняя катушка антенного элемента одновременно резонирует при целом кратном 1/4 длины волны в низшем из диапазонов частот и при целом кратном 1/4 длины волны в высшем из диапазонов частот.

На фиг. 2 показан вид сбоку в разрезе антенны, показанной на фиг. 1, в нижнем положении. Когда верхняя катушка 150 находится в нижнем положении, изображенном на фиг. 2, она располагается соосно между первой и второй катушками 110 и 120. Благодаря наличию верхней катушки 150, осевую длину первой и второй катушек 110 и 120 можно уменьшить, чтобы повысить эффективность работы в нижнем положении. Если эффективность работы в нижнем положении не имеет значения, можно уменьшить верхнюю катушку 150. Если же требуется повысить эффективность работы в нижнем положении, верхнюю катушку 150 можно исключить совсем, увеличив длину первой и второй катушек 110 и 120 для компенсации потерь излучения с верхней катушки 150. Следовательно, наличие верхней катушки является факультативным а в некоторых обстоятельствах предпочтительным.

На фиг. 3 показано поперечное сечение двух спиральных катушек в увеличенном виде. Первая катушка 110 и вторая катушка 120 намотаны в базе 160. Катушки 110 и 120 предпочтительно не погружены в толстый пластиковый корпус из диэлектрического материала базы 160. Напротив, предпочтительнее, чтобы диэлектрический материал базы 160 был настолько тонким, насколько это возможно, и при этом сохранял структурную целостность базы и катушек. Излишнее количество диэлектрика рядом с катушками влияет на эксплуатационные характеристики антенны. Кроме того, это увеличивает вес и размер антенной структуры. База 160 содержит кольцевой фланец 170 в нижней части. Этот кольцевой фланец 170 служит для закрепления антенны в верхней части корпуса портативного радиоустройства, например радиотелефона. Первый фидер 115 и второй фидер 125 подсоединены внутри радиотелефона к разным передатчикам, по одному для каждого диапазона.

На фиг. 4 показан вид в разрезе другого варианта выполнения антенны, в верхнем положении. Третья катушка 280 расположена рядом с первой катушкой 210 и второй катушкой 220. Антенный элемент 230, имеющий прямолинейную проводящую часть 240 и верхнюю спираль 250, расположен соосно с первой и второй катушками 210 и 220. Первая, вторая и третья катушки 210, 220 и 280 обеспечивают резонанс в разных - первом, втором и третьем - диапазонах частот. Третью катушку 280 предпочтительно расположить рядом, а не соосно по отношению к первой и второй катушкам 210 и 220, чтобы снизить помехи от взаимодействия между ними. Было обнаружено, что расстояние между третьей катушкой 280 и катушками 210 и 220 влияет на степень помех от взаимодействия между ними. Третья катушка 280 удалена от катушек 210 и 220 на некоторое расстояние, чтобы исключить помехи от взаимодействия. Третья катушка 280 предпочтительно находится рядом с первой и второй катушками 210 и 220, будучи удаленной от них на расстояние, достаточное для уменьшения взаимодействия с первой и второй катушками 210 и 220, но так, чтобы сохранить необходимое взаимодействие с проводящей прямолинейной частью 240 антенного элемента 230.

База 260 предпочтительно содержит минимальное количество диэлектрического материала, чтобы снизить его воздействие на первую, вторую и третью катушки 210, 220 и 280. При этом предпочтительно иметь воздушный зазор между катушкой 280 и первой и второй катушками 210 и 220. В предпочтительном варианте, изображенном на фиг. 4, база 260 имеет отдельные кольцевые выемки 270 и 271 для монтажа на верхней части портативного радиоустройства и отверстия для соответствующих первого, второго и третьего фидеров 215, 225 и 285.

Взаимодействие, реализующееся по электрическому полю, вернее назвать емкостной связью, а взаимодействие по магнитному полю вернее назвать индуктивной связью. Эти связи по электрическому и магнитному полям являются векторными величинами и часто возникают одновременно. Следовательно, их векторные величины могут слагаться или вычитаться, и при этом они могут усиливать или подавлять друг друга. Было обнаружено, что за счет геометрического расположения нескольких спиральных катушек близко друг к другу можно добиться того, чтобы электрические и магнитные (емкостные и индуктивные) векторные величины слагались или вычитались, для уменьшения электромагнитного взаимодействия с другими спиральными катушками и усиления электромагнитного взаимодействия с проводящей прямолинейной частью. Совокупность электрического и магнитного полей является электромагнитным полем. Каждая катушка удалена на мачтовое расстояние от нижнего конца прямолинейной части 240.

Связь по электрическому полю уменьшается обратно пропорционально увеличению расстояния между катушками. Связь по магнитному полю также уменьшается при увеличении расстояния между катушками. Но связь по магнитному полю уменьшается значительно быстрее, чем связь по электрическому полю, по отношению к расстоянию между катушками. Магнитное поле уменьшается в зависимости от квадрата расстояния между катушками, если допустить, что математические приближения остаются в силе при малых расстояниях, используемых в портативных устройствах. Поэтому катушка 280 предпочтительно удалена от катушек 210 и 220, чтобы величина связи по электрическому и магнитному полям была равной.

Нижний конец проводящей прямолинейной части 140 расположен близко к верхним концам катушек. Мачтовое расстояние раздела между нижним концом проводящей прямолинейной части и верхними концами спиральных катушек определяет величину связи по электрическому полю. Чем больше этот раздел, тем меньше связь по электрическому полю. Такую конструкцию антенны предпочтительно сначала получают приблизительно путем электромагнитного моделирования на ЭВМ с помощью такого программного обеспечения, как Цифровой электромагнитный код (NEC.4.0), а затем совершенствуют путем тонкой настройки физической модели в лаборатории. О корректном взаимодействии свидетельствует как коэффициент усиления антенны, так и входной импеданс антенны, измеренный как функция частоты. Оптимальные условия взаимодействия имеют место, когда появляется незначительная точка заострения в нормальной круговой диаграмме полных сопротивлений в процессе изменения мачтового расстояния между проводящей прямолинейной частью 240 и катушками. Это мачтовое расстояние можно определить, перемещая нижний конец проводящей прямолинейной части по направлению к верху спиральной катушки до тех пор, пока не появится незначительная точка заострения.

На фиг. 5 показан многодиапазонный радиотелефон 391, способный работать в нескольких диапазонах частот. База 360 смонтирована на верхней части портативного радиотелефона 391. Антенный элемент 330 скользяще вводится в базу 360. Многодиапазонный радиотелефон 391 содержит несколько радиопередатчиков 393 и 395, по одному для каждого диапазона. Активный вывод первого радиопередатчика 393 подсоединен к первой катушке в базе 360. Заземляющий вывод первого радиопередатчика 393 предпочтительно подсоединен к пластине 397 заземления радиотелефона 391. Активный вывод второго радиопередатчика 395 предпочтительно подсоединен ко второй катушке в базе 360. Заземляющий вывод второго радиопередатчика 395 предпочтительно также подсоединен к другой или той же самой пластине 397 заземления радиотелефона 391. Таким образом, каждая катушка антенны соответствует другой частоте передатчика. При этом понятно, что радиопередатчики 393 и 395 могут быть альтернативно радиоприемниками и/или приемопередатчиками. Кроме того, можно использовать одну радиосхему, выполненную с возможностью работы в нескольких диапазонах частот, и при этом не будет необходимости в отдельных радиопередатчиках 393 и 395.

Несмотря на то, что изобретение было описано и проиллюстрировано в представленном выше описании и на чертежах, это было сделано только в целях примера, и специалисты смогут внести многочисленные модификации и изменения, не выходя за рамки идеи и объема изобретения. Например, можно использовать другие конфигурации верхних катушек в зависимости от требований, предъявляемых к компоновке. В частности, можно сослаться на заявку США на изобретение "Антенна с питанием от расположенных рядом катушек для портативного радиоустройства", авторы Philips et al., с датой подачи 19.02.96 (дело патентного поверенного CE01938R).

Изобретение относится к антеннам, в частности к катушкам для питания многодиапазонных антенн. Техническим результатом является то, чтобы в одной компактной антенной конструкции во всех диапазонах были обеспечены такие же, как у известных однополосных антенн, или даже более высокие характеристики коэффициента усиления антенны. Этот технический результат достигается тем, что первая катушка (110), резонирующая при первой частоте, и вторая катушка (120), резонирующая при второй частоте, связаны с проводящей прямолинейной частью (140) антенного элемента (130) для получения многодиапазонной антенны. Первая и вторая катушки (110) и (120) предпочтительно имеют разную осевую длину и окружности, намотаны в противоположных направлениях и расположены соосно по отношению к антенному элементу (130). Можно ввести дополнительные катушки, чтобы обеспечить возможность использования дополнительных диапазонов частот, и верхние катушки (150) для получения многопозиционной конструкции. 19 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Многодиапазонная антенна, отличающаяся тем, что содержит первую катушку (110), выполненную с возможностью резонанса в первом диапазоне частот за счет использования первого количества витков, имеющих первую окружность, причем первая окружность меньше длины волны первого диапазона частот, вторую катушку (120), выполненную с возможностью резонанса во втором диапазоне частот, отличном от первого диапазона частот, за счет использования второго количества витков, имеющих вторую окружность, причем вторая окружность меньше длины волны второго диапазона частот, и антенный элемент, имеющий прямолинейную часть (140), расположенную рядом с первой и второй катушками, для электромагнитного взаимодействия как с первой, так и со второй катушками. 2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что первая катушка (110) и вторая катушка (120) соосны друг другу. 3. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что первая окружность первой катушки (110) больше второй окружности второй катушки (120). 4. Антенна по одному из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что осевая длина первой катушки (110) меньше осевой длины второй катушки (120). 5. Антенна по п.4, отличающаяся тем, что линейная длина первой катушки (110) меньше линейной длины второй катушки (120). 6. Антенна по п.4, отличающаяся тем, что линейная длина первой катушки (110) равна или больше линейной длины второй катушки (120). 7. Антенна по любому из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что первая катушка (110) и вторая катушка (120) имеют разное количество витков. 8. Антенна по любому из пп.1 - 7, отличающаяся тем, что витки первой катушки (110) и витки второй катушки (120) намотаны в противоположных направлениях по отношению друг к другу. 9. Антенна по любому из пп.1 - 8, отличающаяся тем, что первая катушка (110) и вторая катушка (120) имеют разное количество витков. 10. Антенна по любому из пп.1 - 9, отличающаяся тем, что первая катушка (110) и вторая катушка (120) имеют разную линейную длину. 11. Антенна по любому из пп.1 - 10, отличающаяся тем, что имеет третью катушку (280), выполненную с возможностью резонанса в третьем диапазоне частот, отличном от первого и второго диапазонов, за счет использования витков проволоки, имеющих окружность меньше, чем длина волны третьего диапазона частот, причем третья катушка (280) располагается рядом с антенным элементом, имеющим прямолинейную часть (240), и удалена от первой и второй катушек (210, 220) для уменьшения электромагнитного взаимодействия с первой и второй катушками (210, 220). 12. Антенна по п.11, отличающаяся тем, что первая катушка (210) и вторая катушка (220) соосны друг другу. 13. Антенна по любому из пп.1 - 12, отличающаяся тем, что прямолинейная часть (140) антенного элемента содержит прямой провод, находящийся в электромагнитном взаимодействии с первой катушкой (110) и второй катушкой (120). 14. Антенна по п.13, отличающаяся тем, что когда прямой провод (140) расположен близко к первой катушке (110) и второй катушке (120), находясь в верхнем положении, антенный элемент одновременно резонирует при целом кратком 1/2 длины волны в низшем из диапазонов частот, и при таком же или большем целом кратном 1/2 длины волны в высшем из диапазонов частот. 15. Антенна по п.13, отличающаяся тем, что антенный элемент содержит верхнюю спиральную катушку (150), функционально связанную с прямым проводом в верхнем конце. 16. Антенна по п. 15, отличающаяся тем, что когда верхняя спиральная катушка (150) расположена близко к первой катушке (110) и второй катушке (120), находясь в нижнем положении, верхняя катушка (150) антенного элемента одновременно резонирует при целом кратном 1/4 длины волны в низшем из диапазонов частот и целом кратном 1/4 длины волны в высшем из диапазонов частот. 17. Антенна по п. 15 или 16, отличающаяся тем, что в нижнем положении верхняя спиральная катушка (150) располагается соосно внутри как первой катушки (110), так и второй катушки (120). 18. Антенна по п.13, отличающаяся тем, что в верхнем положении прямой провод (140) предпочтительно находится близко к верхней части первой и второй катушек (110, 120). 19. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что предусмотрена радиосхема (393, 395), функционально связанная с первой катушкой (110) и второй катушкой (120), для усиления соответствующих радиочастотных сигналов в первом и втором диапазонах частот.