ДВУХДИАПАЗОННАЯ АНТЕННА Российский патент 2002 года по МПК H01Q5/01 

1. Область техники
Настоящее изобретение относится к антеннам, более конкретно к двухдиапазонной антенне для связи с мобильными объектами.

2. Описание предшествующего уровня техники
С быстрым прогрессом мобильной связи пропускная способность существующих систем становится предельной и поэтому разрабатываются новые системы, работающие на новых частотах, для увеличения пропускной способности. Соответственно, взаимосвязь между существующими и новыми системами должна быть принята в рассмотрение в конструкции аппаратуры для мобильной связи. Для антенн, предназначенных для мобильной связи, большое значение для конструкции имеют эффективность по мощности и эффективное использование частоты.

На практике необходимо в Республике Корея (Южная Корея) связать существующую систему МДКРК (Множественного доступа с кодовым разделением каналов, CDMA) с новой системой СПС (Система персональной связи, PCS), в США - связать существующую систему AMPS (Развитая мобильная телефонная служба, РМТС) с СПС и в Европе - связать существующую систему GSM (Цифровую сотовую мобильную связь) с системой ЦСС 1800 (Цифровой системой связи, DCS). Вообще, "двухдиапазонная система" является системой, которая допускает передачу данных между двумя различными системами на различных частотных диапазонах, например, так, как в вышеуказанных примерах. Необходимо создать аппаратуру связи, способную работать в двухдиапазонных системах.

В настоящее время каждый радиотелефонный терминал в двухдиапазонных системах снабжается двумя отдельными миниатюрными антеннами для двух различных диапазонов, что приводит к увеличению стоимости изготовления. Также использование с этой целью двух антенн является препятствием для миниатюризации радиотелефонного терминала и вызывает неудобство для пользователя. По этим причинам требуется разработать двухдиапазонную антенну, которая может использоваться для обоих диапазонов.

Патент США 4509056 раскрывает многочастотную антенну, использующую настроенный дроссель с коаксиальным экраном. На фиг. 1 изображена антенна, раскрытая в этом патенте. Эта антенна работает эффективно в системе, в которой отношение между рабочими частотами составляет 1,25 или выше. Внутренний проводник 10 соединен с коаксиальным антенным фидером 2, и дроссель 12i с коаксиальным экраном работает в качестве излучающего элемента. Точка питания дросселя 12i с коаксиальным экраном замкнута накоротко, и другой его конец незамкнут. Длины проводника 10 и дросселя 12i с коаксиальным экраном выбраны так, чтобы достичь максимальной эффективности на требуемой частоте.

Дроссель 12i частично заполнен диэлектрическим материалом 16i, который имеет такие размеры, чтобы дроссель сформировал четвертьволновой фидер и предотвратил связь между оболочкой 14i и выступающей частью 10 открытого конца дросселя на наивысшей частоте. На несколько более низкой частоте работы дроссель 12i становится неэффективным, так как изолирующий элемент и полная длина Р конструкции от плоскости заземления до конца проводника становятся несимметричным вибратором на более низкой резонансной частоте.

Связь между проводником 10 и дросселем 12i с коаксиальным экраном имеет место на открытом конце дросселя 12i с коаксиальным экраном. То есть, когда длина дроссель имеет высокое полное сопротивление, вследствие чего связь между проводником 10 и дросселем 12i с коаксиальным экраном минимальна. Когда дроссель имеет низкое полное сопротивление, вследствие чего связь между проводником 10 и дросселем 12i выше. Электрическая длина дросселя 12i может быть отрегулирована, изменяя диэлектрическую постоянную диэлектрического материала 16i.

Конструкция, состоящая из внутреннего и внешнего проводников 10, 14i, рассматривается как коаксиальный фидер, и его характеристический импеданс выражается следующим образом:

где ε_r является диэлектрической постоянной, D - диаметром внешнего проводника и d - диаметром внутреннего проводника. Входное полное сопротивление между внутренним и внешним проводниками 10, 14i выражается следующим уравнением:

где y = α+jβ, α - коэффициент затухания, β - постоянная распространения волны, l - длина фидера и Z_L является полным сопротивлением нагрузки.

В антенне, изображенной на фиг. 1, заземленная плоскость 20 и внешний проводник 14i являются конструктивно смежными друг другу, таким образом создавая паразитную емкость, которая ухудшает эффективность антенны. Чтобы улучшить эффективность антенны, паразитная емкость может быть уменьшена. Соответственно, с этой целью в конструкции на фиг. 1 диаметр внешнего проводника 14i должен быть уменьшен, что является в конечном счете тем же, что и уменьшение характеристического импеданса дросселя 12i согласно вышеуказанному уравнению (1). То есть, такое уменьшение характеристического импеданса дросселя 12i приводит к изменению в степени связи, приводя к ухудшению эффективности антенны.

Таким образом, для минимального воздействия на степень связи и сохранения характеристического импеданса дросселя 12i по существу тем, каким он был предварительно (то есть, до изменения диаметра проводника 14i), диаметр внутреннего проводника 10 должен быть уменьшен. Это приводит к уменьшению диапазона рабочих частот антенны. Поэтому, когда антенна изготовлена таким способом, она одинаково не может удовлетворительно охватывать полосу частот, заданную для системы.

Далее, так как диэлектрический материал используется, чтобы регулировать степень связи, диэлектрическая постоянная и размеры диэлектрического материала должны быть точно выбраны для правильной связи.

Краткое описание изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание двухдиапазонной антенны с улучшенными эффективностью и полосой пропускания посредством минимизации паразитной емкости между "землей" и ее внешним проводником.

Другой задачей настоящего изобретения является создание двухдиапазонной антенны, которая имеет простую и компактную структуру и высокую эффективность.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание двухдиапазонной антенны, которая является недорогой и удобной для использования.

В наилучшем варианте осуществления настоящего изобретения двухдиапазонная антенна включает в себя катушку индуктивности, первый и второй стержнеобразные излучающие элементы, подсоединенные к противоположным концам катушки индуктивности, и диэлектрический материал, окружающий и катушку индуктивности и соединяющие части первого и второго излучающих элементов на соответствующих концах катушки индуктивности. Проводящий поддерживающий корпус, например, цилиндрический металлический корпус, окружает диэлектрик и удерживает катушку индуктивности и соединяющие части первого и второго излучающих элементов. Корпус и диэлектрик создают емкость, такую, что формируется резонансный контур LC вместе с катушкой индуктивности. Контур LC разработан так, что только один излучающий элемент излучает в более высокой полосе частот двухполосного рабочего диапазона, в то время как оба излучающих элемента излучают в более низкой полосе частот.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 является сечением несимметричного вибратора, работающего на двух частотах, согласно известному варианту осуществления многочастотной антенны, использующей настроенные дроссели с коаксиальным экраном;
фиг.2 является сечением, иллюстрирующим конструкцию двухдиапазонной антенны, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 3 является диаграммой, иллюстрирующей схему замещения антенны, показанной на фиг.1 и 2;
фиг. 4 является графиком, иллюстрирующим коэффициент стоячей волны (КСВ) экспериментальной двухдиапазонной антенны в соответствии с вариантом осуществления изобретения; и
фиг. 5 является круговой диаграммой полных сопротивлений, иллюстрирующей результаты измерения для двухдиапазонной антенны в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления
Настоящее изобретение более подробно описано со ссылками на чертежи, приложенные только в качестве примера. Следует заметить, что аналогичные цифровые и буквенные ссылки, использованные в сопроводительных чертежах, относятся к аналогичным составляющим элементам.

На фиг.2 изображено поперечное сечение наилучшей двухдиапазонной антенны в соответствии с изобретением. Антенна включает в себя катушку индуктивности 40, первый и второй стержнеобразные излучающие элементы 32а, 32b, причем каждый соединен с соответствующим концом катушки индуктивности 40, с диэлектрическим материалом 35, окружающим всю катушку индуктивности и присоединенные части первого и второго излучающих элементов 32а, 32b на соответствующих концах, соединенных с катушкой индуктивности 40. Проводящий цилиндрический поддерживающий корпус 42, например, цилиндрический металлический корпус, фиксирует катушку индуктивности 40 на месте и поддерживает ее, поддерживая также соответствующие присоединенные части первого и второго излучающих элементов 32а, 32b. Поддерживающий корпус 42 и диэлектрик 35 вместе образуют емкостную структуру, посредством чего вместе с катушкой индуктивности 40 создается резонансный контур LC.

Первый и второй излучающие элементы 32а, 32b каждый снабжены пазами 39, которые заполняют диэлектрическим материалом 35. Таким образом формируют несущую конструкцию излучающих элементов 32а, 32b, так как однородная горизонтальная сила прикладывается от цилиндрического металлического корпуса 42 к диэлектрическому материалу 35. Другой конец второго излучающего элемента 32b соединен с внутренним проводником 8 коаксиального фидера 2. Внешний проводник 6 коаксиального фидера 2 соединен с заземляющей пластиной 20. Обозначения 37а и 37b указывают соединяющие части между катушкой индуктивности 40 и первым и вторым излучающими элементами 32а, 32b. Например, эти соединения могут быть соединениями пайкой.

Фиг. 3 изображает схему, иллюстрирующую эквивалентную схему замещения с сосредоточенными элементами (параметрами) антенны, изображенной на фиг.1 или 2. В схеме замещения связь между первым и вторым излучающими элементами 32а, 32b обозначена емкостью С и катушкой индуктивности L.

В варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на фиг.2 и 3, степень связи между первым и вторым излучающими элементами 32а, 32b может управляться посредством катушки индуктивности 40, диэлектрического материала 35 и цилиндрического металлического корпуса 42. Общая длина антенны определяется на основе первого и второго излучающих элементов 32а, 32b, катушки индуктивности 40 и рабочей полосы частот. Более конкретно, полная длина антенны L1 определяется как функция длины волны в более низкой полосе рабочих частот. В более низкой полосе частот излучают электромагнитную энергию и первый и второй излучающие элементы 32а, 32b. Физическую длину L1 предпочтительно выбирают такой, что электрическая длина полной антенны, охватывающая L1, равна, например, λ/4 или 5λ/8 на резонансной частоте полосы более низких частот.

Для полосы более высоких частот вследствие резонанса резонансного контура LC излучает только нижний излучающий элемент 32b. Следовательно, длину L2 излучающего элемента 32b предпочтительно выбирают так, что электрическая длина элемента 32b равна, например, λ/4 или 5λ/8 на резонансной частоте полосы более высоких частот. В качестве примера, полоса более низких частот может быть назначена для диапазона приблизительно 824 - 894 МГц, а полоса более высоких частот может быть назначена для диапазона приблизительно 1750 - 1870 МГц.

Катушка индуктивности 40, диэлектрический материал 35 и цилиндрический металлический корпус 42, соединенные, как показано на фиг.2, для формирования резонансного контура LC, изображенного на фиг.3, предназначены для получения резонанса на более высокой полосе частот, чтобы таким образом обеспечить высокое полное сопротивление. Следовательно, на полосе более высоких частот связь между первым и вторым излучающими элементами 32а, 32b не имеет места, и излучает только нижний излучающий элемент 32b. Для полосы более низких частот конструкция из катушки индуктивности 40, диэлектрика 35 и корпуса 42 является такой, что резонансный контур LC имеет относительно более низкое значение полного сопротивления и, соответственно, второй излучающий элемент 32b соединен с первым излучающим элементом 32а, таким образом являясь электрически связанными друг с другом, чтобы сформировать низкочастотную антенну.

Фиг. 4 является графиком, иллюстрирующим коэффициент стоячей волны (КСВ) наилучшей двухдиапазонной антенны в соответствии с настоящим изобретением. График представляет экспериментальные значения, полученные для карманных телефонных терминалов (Модель SCH-100) системы МДКРК, изготовленных компанией Samsung Electronics Co. Ltd. В экспериментальной точке Δ1 коэффициент стоячей волны равен 1,1732 на 0,8240 ГГц. В экспериментальной точке Δ2 коэффициент стоячей волны равен 1,2542 на 0,8940 ГГц. Раз так, то очевидно, что варианты осуществления настоящего изобретения могут достигать хорошей характеристики КСВ в диапазоне 849 - 894 МГц для передачи/приема в системе МДКРК.

Фиг. 5 является круговой диаграммой полных сопротивлений, иллюстрирующей измеренное входное полное сопротивление для экспериментальной двухдиапазонной антенны, изготовленной согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Хотя принципы настоящего изобретения были описаны подробно со ссылкой на специфический вариант его осуществления, это никоим образом не должно рассматриваться как ограничение самого изобретения, и очевидно, что может быть осуществлено много изменений и модификаций без отрыва от сущности настоящего изобретения. Прилагаемая формула изобретения охватывает все такие изменения и модификации, которые находятся в пределах объема и формы настоящего изобретения.

Как описано выше, вышеуказанная антенна по изобретению может быть применена к двухдиапазонным антеннам, таким как системы GSM/DECT (Европейский стандарт на цифровую беспроводную связь), GSM/ЦСС 1800, РМТС или МДКРК (824 - 894 МГц)/СПС. Далее, если разделение по частоте между двумя требуемыми рабочими полосами не является целым кратным 1/4 длины волны, антенна в соответствии с изобретением может быть, тем не менее, легко изготовлена посредством изменения индуктивности катушки индуктивности и/или размеров или постоянных диэлектрического материала. Также, для относительно более длинной длины антенны от 5λ/8, указанной выше, диаграмма направленности излучения антенны все еще изотропна по азимуту, в то время как коэффициент усиления антенны увеличивается. Поэтому вышеуказанная антенна согласно изобретению может быть с выгодой применена в системах связи с мобильными объектами, таких, как мобильных телефонах, установленных на транспортном средстве. Кроме того, настоящее изобретение выгодно тем, что паразитная емкость между "землей" и внешним проводником может быть минимизирована, чтобы улучшить эффективность антенны. Кроме того, конструкция допускает уменьшение веса и размера антенны.

Настоящее изобретение относится к антеннам, более конкретно к двухдиапазонной антенне для связи с мобильными объектами. Техническим результатом изобретения является создание двухдиапазонной антенны, которая имеет простую и компактную структуру, а также улучшенную эффективность и полосу пропускания. Двухдиапазонная антенна с простой и компактной структурой включает в себя катушку индуктивности, первый и второй стержнеобразные излучающие элементы, соединенные с противоположными концами катушки индуктивности, с диэлектрическим материалом, окружающим и катушку индуктивности и присоединяющие части первого и второго излучающих элементов на соответствующих концах катушки индуктивности. Проводящий поддерживающий корпус окружает диэлектрик и поддерживает катушку индуктивности и присоединяющие части первого и второго излучающих элементов. Корпус и диэлектрик создает емкость так, чтобы был сформирован резонансный контур LC вместе с катушкой индуктивности. Схема LC разработана так, что только один излучающий элемент излучает в диапазоне более высоких частот двухполосного рабочего диапазона частот, в то время как оба излучающих элемента излучают в диапазоне более низких частот. 2 с. и 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Двухдиапазонная антенна, содержащая катушку индуктивности, первый и второй стержнеобразные излучающие элементы, подсоединенные к противоположным концам указанной катушки индуктивности, диэлектрический материал, окружающий указанную катушку индуктивности, часть указанного первого излучающего элемента, соединенного с одним концом указанной катушки индуктивности, и часть указанного второго излучающего элемента, соединенного с другим концом указанной катушки индуктивности, проводящий поддерживающий корпус, окружающий указанный диэлектрический материал и удерживающий указанную катушку индуктивности и части указанных первого и второго излучающих элементов, соединенные с ее соответствующими концами, таким образом формируя емкость вместе с указанным диэлектрическим материалом. 2. Антенна по п. 1, в которой проводящий поддерживающий корпус содержит цилиндрический металлический корпус. 3. Антенна по п. 1, в которой другой конец указанного второго излучающего элемента соединен с внутренним проводником коаксиального фидера, имеющего внешний проводник, соединенный с заземляющей пластиной. 4. Антенна по п. 1, в которой указанные первый и второй излучающие элементы каждый снабжены пазами, которые заполнены указанным диэлектрическим материалом, чтобы сформировать несущую конструкцию указанных первого и второго излучающих элементов посредством указанного проводящего корпуса. 5. Антенна по п. 4, в которой другой конец указанного второго излучающего элемента соединен с внутренним проводником коаксиального фидера, имеющего внешний проводник, соединенный с заземляющей пластиной. 6. Антенна по п. 1, в которой проводящий поддерживающий корпус и указанный диэлектрический материал формируют емкость, указанная катушка индуктивности и указанная емкость формируют резонансный контур LC, который обеспечивает высокое полное сопротивление в пределах высокочастотной полосы двойного диапазона и низкое полное сопротивление в пределах низкочастотной полосы двойного диапазона, посредством чего только один из указанных излучающих элементов излучает в более высокой полосе частот, и оба указанных излучающих элемента излучают в более низкой полосе частот. 7. Антенна по п. 6, в которой полоса низких частот является стандартным диапазоном МДКРК, а полоса высоких частот является стандартным диапазоном СПС. 8. Антенна по п. 1, в которой указанные противоположные концы указанной катушки индуктивности каждый припаяны к соответствующей указанной соединительной части указанного первого или второго излучающего элемента. 9. Двухдиапазонная антенна, содержащая катушку индуктивности, первый и второй стержнеобразные излучающие элементы, соединенные с первым и вторым концами соответственно указанной катушки индуктивности, диэлектрический материал, окружающий часть указанного первого излучающего элемента, подсоединенного к первому концу указанной катушки индуктивности, указанную всю катушку индуктивности и часть указанного второго излучающего элемента, соединенного со вторым концом указанной катушки индуктивности, и проводящий поддерживающий корпус для фиксации указанной катушки индуктивности на месте и удерживающий указанную катушку индуктивности и соответствующие части указанных первого и второго излучающих элементов вместе с указанным диэлектрическим материалом, таким образом формируя емкость с указанным диэлектрическим материалом так, что формируется резонансный контур LC. 10. Антенна по п. 9, в которой указанная антенна работает в определенной полосе частот как антенна, имеющая такую длину, как у указанного второго излучающего элемента и в полосе относительно более низких частот как антенна, имеющая длину, объединяющую оба указанные первый и второй излучающие элементы. 11. Антенна по п. 9, в которой указанные первый и второй излучающие элементы каждый снабжены пазами, которые заполняются диэлектрическим материалом, с возможностью формирования несущей конструкции первого и второго излучающих элементов, так как однородная горизонтальная сила прикладывается от проводящего поддерживающего корпуса к диэлектрическому материалу, при этом имеются соединяющие части между катушкой индуктивности и первым и вторым излучающими элементами. 12. Антенна по п. 11, в которой указанная антенна работает в определенной полосе частот как антенна, имеющая такую длину, как у указанного второго излучающего элемента, и в полосе относительно более низких частот как антенна, имеющая длину, объединяющую указанные первый и второй излучающие элементы. 13. Антенна по п. 12, в которой указанная полоса более низких частот является диапазоном 824-894 МГц и указанная полоса относительно более высоких частот является диапазоном 1750-1870 МГц. 14. Антенна по п. 12, в которой указанная антенна имеет длину 1/4 длины волны на резонансной частоте соответствующей полосы частот. 15. Антенна по п. 12, в которой другой конец указанного второго излучающего элемента соединен с внутренним проводником коаксиального фидера, имеющего внешний проводник, соединенный с заземляющей пластиной. 16. Антенна по п. 12, в которой указанная антенна имеет длину 5/8 от длины волны на резонансной частоте соответствующей полосы частот. 17. Антенна по п. 16, в которой указанная полоса более низких частот является диапазоном 824-894 МГц и указанная полоса относительно более высоких частот является диапазоном 1750-1870 МГц.