ДВУХДИАПАЗОННАЯ АНТЕННА Российский патент 2001 года по МПК H01Q5/00 

Настоящее изобретение относится к области радиосвязи. В частности, настоящее изобретение относится к новой усовершенствованной двухдиапазонной антенне для радиотелефона.

Описание предшествующего уровня техники
Беспроводные формы связи быстро становятся распространенным средством связи. Примерами развития технических средств, позволяющих пользователям оставаться в пределах досягаемости в любом месте, могут служить домашние бесшнуровые телефоны, портативные компьютеры с беспроводными модемами, спутниковые и сотовые радиотелефоны.

Пользователи радиотелефонов испытывают потребность в более компактных и легких устройствах, которые бы отвечали их все более мобильному образу жизни. Для удовлетворения этой потребности используется объединение множества функций связи в одном блоке. Примером такого средства связи может служить радиотелефон, позволяющий осуществлять связь в нескольких диапазонах частот.

В настоящее время используется целый спектр различных радиотелефонных систем, которые включают в себя сотовые системы, такие как усовершенствованная система мобильной радиотелефонной связи, известная как система стандарта AMPS, система многостанционного доступа с временным разделением каналов (МДВР) и система многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР). Кроме того, быстро развиваются системы персональной связи (СПС) на базе двух цифровых стандартов - МДВР и МДКР, позволяющие использовать радиотелефон в качестве бесшнурового телефона дома и в учреждении и переключать его на режим сотовой связи, находясь вне пределов действия домашней/учрежденческой станции.

Системы СПС и сотовые системы связи работают в разных диапазонах частот и поэтому для обеспечения максимальной эффективности передачи необходимо использовать разные антенны. Сотовые системы связи обычно работают в диапазоне частот 800 МГц, а современные СПС ориентированы на работу в диапазоне 1900 МГц. Следовательно, существует потребность в более легкой и экономичной двухдиапазонной антенной системе, позволяющей одному и тому же устройству связи работать в нескольких диапазонах частот.

Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению предлагается новое усовершенствованное двухдиапазонное антенное устройство. Это антенное устройство передает первый набор сигналов в первом высокочастотном диапазоне и второй набор сигналов во втором высокочастотном диапазоне. Устройство состоит из внутреннего антенного элемента, окруженного наружным антенным элементом.

В первом варианте изобретения внутренний антенный элемент излучает и принимает высокочастотные (ВЧ) сигналы в первом ВЧ диапазоне, а наружный антенный элемент излучает и принимает ВЧ сигналы во втором ВЧ диапазоне. При этом в первом варианте изобретения внутренняя антенна имеет длину сигнала, равную половине длины волны в первом ВЧ диапазоне, а наружная антенна имеет длину сигнала, равную половине длины волны во втором ВЧ диапазоне. Факультативно, внутренняя и наружная антенны могут соединяться при работе в первом ВЧ диапазоне в целях улучшения диаграммы направленности двухдиапазонной антенны.

Во втором варианте изобретения внутренний антенный элемент излучает и принимает ВЧ сигналы как в первом, так и во втором ВЧ диапазонах. При этом во втором варианте изобретения внутренняя антенна имеет длину сигнала, равную половине длины волны первого ВЧ диапазона при работе в первом ВЧ диапазоне, и также имеет длину сигнала, равную половине длины волны второго ВЧ диапазона при работе во втором ВЧ диапазоне. При работе во втором ВЧ диапазоне наружный антенный элемент заземляется, при этом длина сигнала внутреннего антенного элемента изменяется, чтобы он резонировал во втором ВЧ диапазоне. Как и в первом варианте, внутренняя и наружная антенны факультативно могут соединяться при работе в первом ВЧ диапазоне в целях улучшения диаграммы направленности двухдиапазонной антенны.

Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием примеров его воплощения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых
фиг. 1 изображает первый вариант двухдиапазонной антенны согласно изобретению,
фиг. 2 изображает структурную схему первого варианта двухдиапазонной антенны согласно изобретению,
фиг. 3 изображает структурную схему второго варианта двухдиапазонной антенны согласно изобретению,
фиг. 4 изображает второй вариант двухдиапазонной антенны согласно изобретению, и
фиг. 5 изображает второй вариант двухдиапазонной антенны согласно изобретению, сопряженной с портативным радиотелефоном, пригодным для использования изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения
В предпочтительном варианте изобретения двухдиапазонная антенна выполнена с возможностью работы в двух диапазонах частот - в сотовом диапазоне 800 МГц и диапазоне СПС 1,9 ГГц. Однако следует отметить, что принципы изобретения в равной мере применимы и для других диапазонов частот и других применений. Например, сотовые системы в многих странах работают в диапазоне 900 МГц, вместо 800 МГц. Аналогично системы СПС в некоторых странах работают в диапазоне 1,8 ГГц вместо 1,9 ГГц. В целях иллюстрации будет достаточно описать двухдиапазонную антенну, выполненную с возможностью работы в диапазонах 800 МГц и 1,9 ГГц.

На фиг. 1 изображен первый вариант выполнения двухдиапазонной антенны. Это воплощение содержит внутреннюю гибкую штыревую антенну 102, окруженную проводящей трубчатой антенной 104. Трубчатая антенна 104 подсоединена к точке 106 возбуждения, обеспечивающей сигналы диапазона СПС. Внутренняя гибкая штыревая антенна 102 подсоединена к точке 110 возбуждения, обеспечивающей сигналы сотового диапазона. Точки 106 и 110 возбуждения предпочтительно разделены изолятором 108. Физические размеры трубчатой антенны 104 выбираются таким образом, чтобы антенна 104 действовала как эффективный ВЧ резонатор в диапазоне 1,9 ГГц, в то время как гибкая штыревая антенна 102 действует как эффективный ВЧ резонатор в диапазоне 800 МГц.

Выбор физических размеров каждой антенны 102 и 104 частично зависит от ВЧ характеристик аппаратуры, находящейся в непосредственной близости от двухдиапазонной антенны 100. Например, когда двухдиапазонная антенна используется в портативном радиотелефоне 500, изображенном на фиг. 5, корпус и структура самого радиотелефона 500 принимают и излучают измеримое количество ВЧ энергии, действуя как некий вид дополнительной антенны. Поэтому в данной области при выборе длины сигнала антенны принято учитывать ВЧ характеристики окружающей структуры. Обычно длина сигнала антенн портативных радиотелефонов составляет 3/8 и 5/8 длины волны на рабочей частоте. Однако в целях иллюстрации изобретение будет описано со ссылкой на гибкую штыревую антенну 102, длина сигнала которой равна половине длины волны при частоте 800 МГц, и трубчатую антенну 104, длина сигнала которой равна половине длины волны при частоте 1,9 ГГц.

Следует отметить, что трубчатая антенна 104 может иметь разные конструктивные решения, известные специалистам. Например, она может быть сплошной, спиральной или в виде оплетки. Она также может быть жесткой или гибкой и может быть дополнительно заключена в диэлектрик типа пластика (не показан). Аналогично следует отметить, что гибкая штыревая антенна 102 тоже может иметь разные конструктивные решения, известные специалистам. Например, она может быть выполнена в виде гибкого штыря ("хлыста") фиксированной длины, телескопического гибкого штыря, в виде рамочной антенной решетки или в виде спирали. Понятно, что можно предусмотреть множество различных конструкций как для трубчатой антенны 104, так и для гибкой штыревой антенны 102, при условии что антенна 104 по существу окружает антенну 102. Факультативно можно также ввести диэлектрический изолятор (не показан) между гибкой штыревой антенной 102 и трубчатой антенной 104.

Электрическое соединение в первом варианте изобретения представлено в виде структурной схемы на фиг. 2. Приемопередатчик 206 диапазона 1,9 ГГц подсоединен к трубчатой антенне 104 через схему 204 согласования полного сопротивления. Приемопередатчик 206 диапазона 1,9 ГГц вырабатывает ВЧ сигналы, которые излучаются трубчатой антенной 104, а также принимает и демодулирует ВЧ сигналы, захваченные этой антенной 104. Аналогично приемопередатчик 208 диапазона 800 МГц показан подсоединенным к гибкой штыревой антенне 102 через схему 202 согласования полного сопротивления. При этом приемопередатчик 208 диапазона 800 МГц вырабатывает ВЧ сигналы, которые излучаются гибкой штыревой антенной 102, а также принимает и демодулирует ВЧ сигналы, захваченные этой антенной 102.

Когда радиоустройство, в котором используется вариант двухдиапазонной антенны, изображенный на фиг. 1 и 2, работает в диапазоне частот 1,9 ГГц, только трубчатая антенна 104 излучает и принимает ВЧ энергию. Но когда это радиоустройство работает в диапазоне частот 800 МГц, сигналы, излучаемые гибкой штыревой антенной 102, также подаются и на трубчатую антенну 104, что обеспечивает более равномерную диаграмму направленности антенны, чем та, которая была бы достигнута при использовании только гибкой штыревой антенны 102. Нули, которые бы нормально присутствовали в диаграмме направленности гибкой штыревой антенны 102, частично заполняются за счет подачи ВЧ энергии в трубчатую антенну 104.

Факультативно, можно ввести диод 210 между схемами 202 и 204 согласования полного сопротивления, чтобы ВЧ сигналы прямо поступали из приемопередатчика 208 диапазона 800 МГц как в гибкую штыревую антенну 102, так и в трубчатую антенну 104. При такой конфигурации диаграмма направленности антенны на частоте 800 МГц дополнительно улучшается за счет прямой подачи сигнала в антенну 104 вместо использования индуктивной или емкостной связи. Однако диод 210 блокирует подачу ВЧ сигналов в гибкую штыревую антенну 102, когда телефон работает в диапазоне 1,9 ГГц, чтобы исключить нежелательную потерю эффективности. Следует отметить, что диод 210 можно заменить переключателем, который соединяет трубчатую антенну 104 со схемой 202 согласования при работе в диапазоне 800 МГц и разъединяет их при работе в диапазоне 1,9 ГГц.

На фиг. 4 показан второй вариант изобретения. Здесь трубчатая антенна 404 изображена как спиральная антенна, практически окружающая гибкую штыревую антенну 402. Часть гибкой штыревой антенны 402, выступающая над верхним концом трубчатой антенны 404, имеет длину сигнала, равную половине длины волны при частоте 1,9 ГГц. Работа второго варианта изобретения проиллюстрирована на структурной схеме на фиг. 3. Во втором варианте изобретения приемопередатчик 306 диапазона 1,9 ГГц и приемопередатчик 308 диапазона 800 МГц соединены через свои соответствующие схемы 304 и 302 согласования полного сопротивления с двумя переключателями 310 и 312. Трубчатая антенна 404 подсоединена к одному полюсу переключателя 312, а гибкая штыревая антенна 402 подсоединена к одному полюсу переключателя 310. Когда радиотелефон, в котором используется второй вариант изобретения, работает в диапазоне 800 МГц, переключатель 310 соединяется с контактом 318, а переключатель 312 не соединяется с контактом заземления 314, в результате чего ВЧ сигналы с частотой 800 МГц идут на гибкую штыревую антенну 402. Как уже было отмечено выше в отношении первого варианта, диаграмма направленности гибкой штыревой антенны 402 улучшается за счет наличия окружающей трубчатой антенны 404. Факультативно, когда радиотелефон, в котором используется второй вариант изобретения, работает в диапазоне 800 МГц, переключатель 312 можно соединить с факультативным контактом 316, чтобы дополнительно улучшить диаграмму направленности антенны благодаря прямой подаче сигнала на трубчатую антенну 404 без использования индуктивной или емкостной связи.

В отличие от первого варианта, когда радиотелефон, в котором использован второй вариант изобретения, работает в диапазоне 1,9 ГГц, ВЧ сигналы не излучаются и не принимаются трубчатой антенной 404. Вместо этого, сигналы 1,9 ГГц излучаются и принимаются гибкой штыревой антенной 402 за счет соединения переключателя 310 с контактом 320, при этом трубчатая антенна 404 заземляется за счет соединения переключателя 312 с контактом заземления 314. Следует отметить, что несмотря на то, что переключатели 310 и 312 изображены на фиг. 3 в виде двух отдельных переключателей, их можно также реализовать в виде одного двухполюсного двухпозиционного переключателя.

Как видно на фиг. 4, трубчатая антенна 404 (изображенная как спиральная антенна) окружает гибкую штыревую антенну 402. Следовательно, поскольку трубчатая антенна 404 заземляется при работе в диапазоне 1,9 ГГц, эффективная точка возбуждения для 1,9 ГГц сигналов, подаваемых в гибкую штыревую антенну 402, смещается от точки 410 возбуждения к верху трубчатой антенны 404, так как антенна 404 экранирует любую часть гибкой штыревой антенны 402, которую она окружает. Таким образом, в отличие от первого варианта изобретения, в котором физическая длина антенны 404 выбрана таким образом, что ее длина сигнала равна половине длины волны при частоте 1,9 ГГц, физическая длина трубчатой антенны 404 во втором варианте выбирается таким образом, чтобы длина сигнала той части гибкой штыревой антенны 402, которая выступает над верхней частью антенны 404, была равна половине длины волны при частоте 1,9 ГГц.

Как уже было отмечено ранее в отношении фиг. 1, трубчатая антенна 404 может иметь различные конструктивные решения, известные специалистам. Например, она может быть сплошной, в виде спирали или в виде оплетки. Она также может быть жесткой или гибкой и может быть заключена в диэлектрик 412, такой как пластик. Понятно, что можно предусмотреть множество разных конструкций для обоих антенн 404 и 402, при условии что трубчатая антенна 404 практически окружает гибкую штыревую антенну 102.

На фиг. 5 изображен портативный радиотелефон 500, в котором использована предлагаемая двухдиапазонная антенна 100. В предпочтительном варианте трубчатая антенна 104 расположена снаружи корпуса радиотелефона 500, а гибкая штыревая антенна 102 может выдвигаться в открытое положение или убираться в положение хранения в корпус радиотелефона 500. При работе в любом из диапазонов частот гибкую штыревую антенну 102 предпочтительно выдвигают в открытое положение для обеспечения оптимальной рабочей характеристики. Но пользователю портативного радиотелефона 500 не надо перенастраивать двухдиапазонную антенну 100 при переключении с режима работы в диапазоне 800 МГц на режим работы в диапазоне 1,9 ГГц или наоборот. Кроме того, когда антенна 102 убрана в положение хранения, двухдиапазонная антенна приобретает компактность и прочность. Альтернативно весь узел двухдиапазонной антенны 100 может быть выполнен с возможностью убираться в корпус радиотелефона 500.

Представленное выше описание предпочтительных вариантов позволит любому специалисту в данной области осуществить или использовать изобретение. Для специалистов также будут очевидны разные модификации этих вариантов, а общие принципы изобретения можно применить для создания других вариантов без использования творческих усилий. Таким образом, настоящее изобретение не ограничено описанными вариантами, а имеет самый широкий объем в соответствии с раскрытыми принципами и существенными признаками.

Изобретение относится к радиосвязи. Техническим результатом является получение более легкой и экономичной двухдиапазонной антенной системы, позволяющей одному и тому же устройству связи работать в нескольких диапазонах частот. Новая усовершенствованная двухдиапазонная антенная система содержит внутренний антенный элемент, окруженный наружным антенным элементом. В первом варианте изобретения внутренний антенный элемент излучает и принимает ВЧ сигналы в первом ВЧ диапазоне, а наружный антенный элемент излучает и принимает ВЧ сигналы во втором ВЧ диапазоне. Факультативно, при работе в первом ВЧ диапазоне внутренняя и внешняя антенны могут соединяться для улучшения диаграммы направленности двухдиапазонной антенны. Во втором варианте изобретения внутренний антенный элемент излучает и принимает ВЧ сигналы как в первом, так и во втором ВЧ диапазонах. При работе второго варианта двухдиапазонной антенной системы во втором ВЧ диапазоне наружный антенный элемент заземляется, изменяя при этом длину сигнала внутреннего антенного элемента для резонирования во втором ВЧ диапазоне. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двухдиапазонная антенная система, (а) внутренний антенный элемент, имеющий точку возбуждения для приема первого высокочастотного (ВЧ) сигнала в первом диапазоне частот и второго ВЧ сигнала во втором диапазоне частот, причем внутренний антенный элемент предназначен для передачи первого и второго ВЧ сигналов (б) внешний антенный элемент, по существу окружающий внутренний антенный элемент, для изменения электрической длины внутреннего антенного элемента, когда внутренний антенный элемент передает второй ВЧ сигнал, отличающаяся тем, что содержит (в) первый переключатель для соединения внутреннего антенного элемента с первым ВЧ сигналом, когда внутренний антенный элемент передает первый ВЧ сигнал, и для соединения внутреннего антенного элемента со вторым ВЧ сигналом, когда внутренний антенный элемент передает второй ВЧ сигнал, и (г) второй переключатель для соединения внешнего антенного элемента с землей, когда внутренний антенный элемент передает второй ВЧ сигнал. 2. Двухдиапазонная антенная система по п.1, дополнительно отличающаяся тем, что (а) внутренний антенный элемент имеет длину сигнала, равную половине длины волны в первом диапазоне частот, когда внешний антенный элемент не соединен с землей, а (б) внешний антенный элемент имеет длину сигнала, равную половине длины волны во втором диапазоне частот, когда внешний антенный элемент соединен с землей. 3. Двухдиапазонная антенная система по п.2, дополнительно отличающаяся тем, что внутренним антенным элементом является гибкая штыревая антенна, а внешним антенным элементом является трубчатая антенна. 4. Двухдиапазонная антенная система по п.3, дополнительно отличающаяся тем, что второй переключатель соединяет внешний антенный элемент с первым ВЧ сигналом, когда внутренний антенный элемент передает первый ВЧ сигнал. 5. Двухдиапазонная антенная система по п.4, дополнительно отличающаяся тем, что дополнительно включает в себя изолятор для электрической изоляции внутреннего антенного элемента от внешнего антенного элемента. 6. Двухдиапазонная антенная система по п.1, дополнительно отличающаяся тем, что дополнительно включает в себя (а) первый приемопередатчик для выработки первого ВЧ сигнала, (б) первую схему согласования, подсоединенную к первому приемопередатчику и внутреннему антенному элементу, для согласования полного сопротивления внутреннего антенного элемента в первом диапазоне частот, (в) второй приемопередатчик для выработки второго ВЧ сигнала, (г) вторую схему согласования, подсоединенную ко второму приемопередатчику и внутреннему антенному элементу, для согласования полного сопротивления внутреннего антенного элемента во втором диапазоне частот.