ПЛОСКАЯ АНТЕННА ДЛЯ МОБИЛЬНОГО РАДИОТЕЛЕФОНА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК H01Q1/38 

Заявляемая группа изобретений относится к антенно-фидерной технике и может быть использована в конструкциях антенн, предназначенных для оснащения мобильных (сотовых, спутниковых) радиотелефонов, работающих в дециметровом диапазоне радиоволн (гигагерцовом диапазоне частот).

Известно, см. , например, [1], [2], [3], применение в конструкциях мобильных радиотелефонов штыревых антенн, реализующих функции полуволновых или четвертьволновых вибраторов. Известно также применение в конструкциях мобильных радиотелефонов спиральных антенн, см., например, [4], реализующих аналогичные функции. Штыревые антенны выполняются в виде металлических стержней, в том числе телескопических, закрепляемых шарнирно или съемно на корпусах радиотелефонов. Для уменьшения своей геометрической длины штыревые антенны могут оснащаться "укорачивающими" средствами, реализованными на катушках индуктивности. Спиральные антенны обычно выполняются навитыми на жесткий или гибкий диэлектрический каркас, размещаемый внутри соответствующей жесткой или гибкой оболочки. По сравнению со штыревыми спиральные антенны имеют меньшую геометрическую длину.

Конструкции штыревых и спиральных антенн характеризуются простотой и надежностью, что обусловило их повсеместное применение в мобильных радиотелефонах [5]. Однако этим конструкциям присущ существенный недостаток, а именно отсутствие направленности у этих антенн приводит к облучению головы пользователя в режиме передачи, что является крайне нежелательным с медицинской точки зрения. (Здесь и ниже речь о ручных мобильных радиотелефонах, которые потребитель при разговоре держит в руке и прикладывает к уху). Поэтому при использовании мобильных радиотелефонов, оснащенных такими антеннами, приходится искать компромисс между уровнем облучения головы пользователя и дальностью действия линии связи пользователя с терминалом. Превышение допустимого уровня облучения головы пользователя может нанести вред здоровью последнего, в то же время уменьшение излучаемой радиотелефоном мощности приводит к снижению дальности действия радиотелефона.

Стремление уменьшить габариты антенн при сохранении их эффективности приводит, в частности, к применению квадрифилярных спиральных антенн, см., например, [6], а также малогабаритных плоских антенн, выполненных на основе полосковых устройств [7] . При этом по сравнению с квадрифилярными плоские антенны на основе полосковых устройств более технологичны при изготовлении и более удобны для размещения внутри корпусов приборов.

Типичными примерами плоских антенн являются антенны, выполненные на основе несимметричных полосковых линий, см., например, [8], [9], [10]. Эти антенны широко используются, например, при приеме сигналов спутниковых радионавигационных систем GPS и/или ГЛОНАСС (диапазон частот 1,2 - 1,7 ГГц). Основным элементом таких антенн является плоский излучатель, выполненный в виде тонкой электропроводной пластины, расположенной на верхней стороне диэлектрической пластины, нижняя сторона которой полностью металлизирована. Этот нижний металлизированный слой выполняет роль экрана, за счет которого формируется односторонняя диаграмма направленности, обеспечивающая прием сигналов в верхней полусфере. Для обеспечения нужного эффекта экранирования при формировании диаграммы направленности размеры нижнего металлизированного слоя должны превышать размеры излучателя, что неизбежно увеличивает габариты антенны. Это, а также необходимость ориентации плоскости излучателя параллельно поверхности Земли для обеспечения наилучших условий приема затрудняет применение таких антенн в мобильных радиотелефонах, эксплуатируемых по типу телефонных трубок, т.е. в условиях вертикальной ориентации корпуса при работе с радиотелефоном.

Известна полосковая пакетная антенна [11], предназначенная для использования в устройствах радиосвязи, содержащая соединенные в пакет верхнюю и нижнюю электропроводные пластины, между которыми размещена диэлектрическая пластина. Верхняя и нижняя электропроводные пластины электрически соединены между собой по одной из сторон. В одном из вариантов реализации два пакета объединены в "двухэтажную" секцию, в которой пакеты развернуты друг относительно друга на 90^o. Такая "двухэтажная" антенна позволяет увеличить полосу рабочих частот и получить круговую поляризацию, что улучшает эффективность работы антенны при плохих погодных условиях, а также позволяет уменьшить излучаемую мощность. Диаграммы направленности, формируемые такой антенной, по своей форме ближе к круговым, чем к направленным, по этой причине данная антенна, как и рассмотренные выше штыревые антенны, не обеспечивает требуемую безопасность эксплуатации с медицинской точки зрения.

В качестве прототипа для заявляемых антенн для мобильного радиотелефона выбрана конструкция плоской антенны [12], в которой реализован тот же, что и в заявляемых антеннах, конструктивный принцип, получивший название "patch antenna". Антенна-прототип предназначена для работы в гигагерцовом диапазоне частот, ее конструкция универсальна, позволяет реализовать как вариант антенны для радиотелефона, так и вариант антенны для GPS приемника.

Конструктивно антенна-прототип представляет собой плоский элемент, выполненный в виде пакета из верхней и нижней электропроводных пластин прямоугольной формы, отделенных друг от друга диэлектрической пластиной, выполненной из керамики. Верхняя электропроводная пластина служит излучателем, нижняя - экраном. Нижняя электропроводная пластина по своим размерам превосходит размеры верхней электропроводной пластины. В пакете предусмотрено сквозное отверстие для подвода коаксиального кабеля, подключаемого к электропроводным пластинам, при этом внутренний проводник коаксиального кабеля подключается к верхней электропроводной пластине, наружный - к нижней электропроводной пластине. Форма боковых сторон верхней электропроводной пластины выполнена зубчатой, что облегчает процесс технологической подстройки антенны (за счет подрезания зубцов). Верхняя и нижняя электропроводные пластины выполняются на диэлектрической пластине методом толстопленочной технологии.

В антенне-прототипе формируется односторонняя диаграмма направленности, аналогичная по своему виду диаграммам направленности антенн на основе несимметричных полосковых линий. Вследствие этого антенна-прототип требует соответствующей пространственной ориентации, а именно наилучший результат достигается в том случае, когда плоскость антенны параллельна плоскости Земли. Необходимость такой пространственной ориентации является недостатком, делающим неудобным размещение антенны-прототипа внутри плоского продолговатого корпуса мобильного радиотелефона, который потребитель при разговоре держит в руке и прикладывает к уху.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является создание новых разновидностей конструкций плоских антенн для мобильного радиотелефона, адаптированных для размещения в плоском продолговатом корпусе радиотелефона и одновременно обеспечивающих защиту пользователя от радиоизлучения за счет асимметричного распределения напряженности поля в ближней зоне.

Сущность заявляемого изобретения по первому варианту состоит в том, что в плоской антенне для мобильного радиотелефона, содержащей соединенные в виде пакета верхнюю и нижнюю электропроводные пластины прямоугольной формы, отделенные друг от друга диэлектрической пластиной и выполненные с обеспечением возможности осуществления внешнего подключения, в отличие от прототипа к обеим продольным боковым сторонам нижней электропроводной пластины, расположенной на несущей диэлектрической подложке, подключены расположенные на этой же несущей диэлектрической подложке и расходящиеся в противоположных продольных направлениях две пары электропроводных полосок, образующих электрические вибраторы для подавления излучения в направлении "от нижней электропроводной пластины", которое соответствует направлению "в сторону пользователя" при продольном расположении этой антенны в плоском продолговатом корпусе мобильного радиотелефона.

Сущность заявляемого изобретения по второму варианту состоит в том, что в плоской антенне для мобильного радиотелефона, содержащей соединенные в виде пакета верхнюю и нижнюю электропроводные пластины прямоугольной формы, отделенные друг от друга диэлектрической пластиной и выполненные с обеспечением возможности осуществления внешнего подключения, в отличие от прототипа верхняя и нижняя электропроводные пластины соединены между собой с одной поперечной боковой стороны, к соответствующим точкам на обеих продольных боковых сторонах верхней электропроводной пластины, расположенной на диэлектрической пластине, подключены расположенные на этой же диэлектрической пластине и ориентированные в первом продольном направлении - в направлении от указанной стороны соединения между собой верхней и нижней электропроводных пластин - электропроводные полоски первой пары, к аналогично расположенным точкам на обеих продольных боковых сторонах нижней электропроводной пластины, расположенной на несущей диэлектрической подложке, подключены расположенные на этой же несущей диэлектрической подложке и ориентированные во втором продольном направлении, противоположном первому, электропроводные полоски второй пары, образующие совместно с электропроводными полосками первой пары электрические вибраторы для подавления излучения в направлении "от нижней электропроводной пластины", которое соответствует направлению "в сторону пользователя" при продольном расположении этой антенны в плоском продолговатом корпусе мобильного радиотелефона и ориентации стороны соединения верхней и нижней электропроводных пластин в сторону нижней части указанного корпуса.

Подключение электропроводных полосок к нижней электропроводной пластине в первом варианте и подключение электропроводных полосок к верхней электропроводной пластине во втором варианте осуществляется преимущественно через реактивные элементы, выполняющие функцию настроечных элементов для подстройки диаграммы направленности.

Сущность заявляемых изобретений, их основные конструктивные особенности и возможность практической реализации поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг.1 - 4.

На фиг.1 представлен схематический чертеж, поясняющий основные конструктивные особенности заявляемой антенны по первому варианту (вид сверху);
на фиг 2 - схематический чертеж, поясняющий основные конструктивные особенности заявляемой антенны по второму варианту (вид сверху);
на фиг. 3 - схематический чертеж, поясняющий подключение коаксиального кабеля (вид в разрезе, относящийся к первому варианту);
на фиг.4 - диаграмма направленности в децибелах в азимутальной плоскости (направление 180 градусов соответствует направлению в сторону головы пользователя).

Заявляемая плоская антенна для мобильного радиотелефона в обоих вариантах выполнения (фиг.1, 2, 3) содержит соединенные в виде пакета верхнюю 1 и нижнюю 2 электропроводные пластины прямоугольной формы, расположенные друг над другом на несущей диэлектрической подложке 3 и отделенные друг от друга диэлектрической пластиной 4. Верхняя 1 и нижняя 2 электропроводные пластины выполнены с обеспечением возможности осуществления внешнего подключения. В обоих вариантах возможность внешнего подключения обеспечивается выполнением в электропроводных пластинах 1 и 2, а также в несущей диэлектрической подложке 3 и диэлектрической пластине 4 общего сквозного отверстия 5.

В первом варианте (фиг. 1) к продольным боковым сторонам 6 и 7 нижней электропроводной пластины 2, расположенной на несущей диэлектрической подложке 3, подключены расположенные на этой же диэлектрической подложке 3 и расходящиеся в противоположных продольных направлениях (вдоль продольной оси 8) две пары электропроводных полосок 9, 10 и 11, 12.

Во втором варианте (фиг.2) верхняя 1 и нижняя 2 электропроводные пластины соединены между собой с поперечной боковой стороны 13. Практически это соединение может быть осуществлено, например, с помощью полоски фольги, припаиваемой со стороны 13 к электропроводным пластинам 1 и 2, или металлизации стороны 13. Кроме этого, к соответствующим точкам на продольных боковых сторонах 14 и 15 верхней электропроводной пластины 1 подключены электропроводные полоски 16 и 17, образующие первую пару электропроводных полосок. Электропроводные полоски 16 и 17 расположены на диэлектрической пластине 4 и ориентированы в первом продольном направлении, а именно в направлении от стороны 13 соединения между собой верхней 1 и нижней 2 электропроводных пластин. К аналогично расположенным точкам на продольных боковых сторонах 6 и 7 нижней электропроводной пластины 2 подключены электропроводные полоски 18 и 19, образующие вторую пару электропроводных полосок. Электропроводные полоски 18 и 19 расположены на несущей диэлектрической подложке 3 и ориентированы во втором продольном направлении, противоположном первому.

В первом варианте пары электропроводных полосок 9, 10 и 11, 12, а во втором варианте пары электропроводных полосок 16, 17 и 18, 19 образуют электрические вибраторы для подавления излучения в направлении "от нижней электропроводной пластины 2". Это направление соответствует направлению "в сторону пользователя" при продольном размещении заявляемой антенны в плоском продолговатом корпусе мобильного радиотелефона (не показано), при этом для второго варианта сторона 13 соединения верхней 1 и нижней 2 электропроводных пластин ориентируется в сторону нижней части указанного корпуса.

В обоих вариантах несущая диэлектрическая подложка 3 выполняется, например, из стеклотекстолита, а диэлектрическая пластина 4 - из радиочастотной керамики со значением диэлектрической проницаемости ε ≈ 20. Выполнение диэлектрической пластины 4 из радиочастотной керамики (ε ≈ 20) позволяет уменьшить размеры антенны до такой степени, что она свободно размещается внутри стандартного плоского прямоугольного корпуса мобильного радиотелефона, при этом, в частности, в выделенных для мобильной радиосвязи частотных диапазонах 900/1800 МГц обеспечиваются рабочие полосы соответственно 10/20 МГц.

Выполнение электропроводных пластин 1, 2 и электропроводных полосок 9 -12 (первый вариант, фиг. 1) и 16 - 19 (второй вариант, фиг.2) может быть реализовано любым из известных методов, применяемых в полосковой технике, например методами толстопленочной или тонкопленочной технологии. При этом в первом варианте на диэлектрической пластине 4 формируется верхняя электропроводная пластина 1, а на несущей диэлектрической подложке 3 - нижняя электропроводная пластина 2 и электропроводные полоски 9 - 12. Во втором варианте на диэлектрической пластине 4 формируется верхняя электропроводная пластина 1 и электропроводные полоски 16 и 17, а на несущей диэлектрической подложке 3 - нижняя электропроводная пластина 2 и электропроводные полоски 18 и 19.

Подключение электропроводных полосок 9 - 12 к нижней электропроводной пластине 2 в первом варианте и подключение электропроводных полосок 16 - 17 к верхней электропроводной пластине 1 во втором варианте осуществляется, преимущественно, через реактивные элементы 20, выполняющие функцию настроечных (подборных) элементов для подстройки диаграммы направленности. Реактивные элементы 20 представляют собой, например, малогабаритные, предназначенные для поверхностного монтажа индуктивные или емкостные электрорадиоэлементы, впаиваемые в местах подключения электропроводных полосок к электропроводным пластинам в соответствующих разрывах металлизации.

Полученные таким образом компоненты соединяются в пакет, например склеиваются.

В обоих вариантах длина и ширина верхней электропроводной пластины 1 соответствуют длине и ширине нижней электропроводной пластины 2 - в большинстве практически значимых случаев они одинаковы. (На фиг.1, 2 нижняя электропроводная пластина 2 условно изображена несколько большей, чем верхняя электропроводная пластина 1, что сделано для повышения наглядности чертежей). Конкретные размеры электропроводных пластин 1, 2 и толщина диэлектрической пластины 4 определяются для каждого из вариантов исходя из требуемого диапазона рабочих частот, при этом во втором варианте соответствующие характеристики обеспечиваются при уменьшенных (примерно вдвое) размерах электропроводных пластин 1 и 2.

Конкретные размеры электропроводных полосок 9-12 (первый вариант) и 16-19 (второй вариант), а также места их подсоединения к соответствующим электропроводным пластинам 1, 2 определяются, например, экспериментально, исходя из требуемого вида диаграммы направленности.

Конкретные номиналы индуктивности (емкости) реактивных элементов 20 подбираются в процессе настройки изготовленной антенны.

Представленный на фиг.3 пример иллюстрирует наиболее значимый для практики случай осуществления внешнего подключения антенны с помощью коаксиального кабеля 21, подводимого к электропроводным пластинам 1 и 2 через сквозное отверстие 5. При этом верхняя электропроводная пластина 1 подключается к внутреннему проводнику 22 коаксиального кабеля 20, а нижняя электропроводная пластина 2 - к его наружному проводнику 23. Выбор оптимального места для сквозного отверстия 5, а также выбор оптимального уровня возбуждения антенны может быть осуществлен, например, экспериментально.

В качестве примера формируемых заявляемыми антеннами диаграмм направленности на фиг.4 и 5 представлены диаграммы направленности в азимутальной и угломестной плоскостях, полученные на макете антенны по первому варианту при работе на частоте 900 МГц. Диаграмма направленности в азимутальной плоскости (фиг. 4) имеет явно выраженный минимум в направлении "от нижней электропроводной пластины 2" (в направлении головы пользователя при работе с радиотелефоном) и максимум в противоположном направлении, т.е. в направлении "от верхней электропроводной пластины 1". Аналогичные диаграммы направленности имеет антенна по второму варианту, при этом ее размеры, как отмечалось выше, могут быть уменьшены вдвое Тем самым, в заявляемых антеннах формируется область со слабым излучением в направлении головы пользователя и сильным излучением в противоположном направлении. Такое асимметричное распределение напряженности поля в ближней зоне - в зоне головы пользователя - в заявляемых антеннах получено за счет наложения полей, создаваемых комбинацией излучателей, реализованных на электропроводных пластинах и электропроводных полосках, а не за счет экранирования, как в антенне-прототипе. За счет этого, заявляемые антенны, по сравнению с антенной-прототипом, могут быть реализованы с существенно меньшими размерами по ширине (длина при этом определяется продольными электропроводными полосками), что делает заявляемые антенны удобными для размещения в плоском продолговатом корпусе радиотелефона.

Таким образом, заявляемые антенны обеспечивают требуемое снижение интенсивности излучения в направлении головы пользователя и увеличение интенсивности излучения (приема) в противоположном направлении, при этом конструкция антенн адаптирована для размещения в плоском продолговатом корпусе радиотелефона.

Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение в обоих рассмотренных вариантах осуществимо, промышленно применимо и решает поставленную задачу создания новых разновидностей конструкций плоских антенн для мобильного радиотелефона, адаптированных для размещения в плоском прямоугольном корпусе радиотелефона и одновременно обеспечивающих защиту пользователя от радиоизлучения.

Источники информации
1. Патент США (US) 5170173, кл. Н 01 Q 1/24, опубл. 08.12.1992.

2. Патент США (US) 5218370, кл. Н 01 Q 1/24, опубл. 08.06.1993.

3. Патент США (US) 5214434, кл. H 01 Q 1/24, опубл. 25.05,1993.

4. Заявка РСТ (WO) 94/14207, кл. Н 01 Q 1/22, 1/36, опубл. 23.06.1994.

5. Каменецкий М. В., Заикин В.А. Радиотелефоны /Санкт-Петербург, из-во "Наука и техника", 2000, с. 8-10.

6. Патент США (US) 5349365, кл. H 01 Q 11/08, 1/36, опубл. 20.09.1994.

7. Полосковые платы и узлы. Проектирование и изготовление. / Е.П.Котов, В. Д Каплун, А. А. Тер-Маркарян, В.П.Лисицын, Ю П.Фаянс. - М., Сов. Радио, 1979, с. 96-99.

8. Патент США (US) 3972049, кл. H 01 Q 1/38, опубл. 27.07.1976.

9. Патент США (US) 5323168, кл. H 01 Q 1/38, опубл. 21.06.1994.

10. Патент РФ (RU) 2067341, кл, H 01 Q 1/38, 9/04, опубл. 27.09.1996.

11. Патент США (US) 5945950, кл. Н 01 Q 1/38, опубл. 31.08.1999.

12. Патент США (US) 5245745, кл. Н 01 Р 11/00, опубл. 21.09.1993.

Изобретение относится к антенно-фидерной технике и может быть использовано в конструкциях антенн, предназначенных для оснащения мобильных радиотелефонов. В обоих вариантах предлагаемые антенны содержат соединенные в виде пакета верхнюю и нижнюю электропроводные пластины прямоугольной формы, отделенные друг от друга диэлектрической пластиной и выполненные с обеспечением возможности внешнего подключения. В первом варианте к продольным боковым сторонам нижней электропроводной пластины, расположенной на несущей диэлектрической подложке, подключены расположенные на этой же подложке и расходящиеся в противоположных продольных направлениях две пары электропроводных полосок. Во втором варианте верхняя и нижняя электропроводные пластины соединены между собой с одной поперечной боковой стороны, при этом к соответствующим точкам на продольных боковых сторонах верхней электропроводной пластины, расположенной на диэлектрической пластине, подключены расположенные на этой же пластине и ориентированные в первом продольном направлении - в направлении от указанного соединения электропроводных пластин - электропроводные полоски первой пары, а к аналогично расположенным точкам на продольных боковых сторонах нижней электропроводной пластины, расположенной на несущей диэлектрической подложке, подключены расположенные на этой же подложке и ориентированные во втором продольном направлении, противоположном первому, электропроводные полоски второй пары. Техническим результатом является подавление излучения в направлении головы пользователя при работе с радиотелефонами, оснащенными такими антеннами. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Плоская антенна для мобильного радиотелефона, содержащая соединенные в виде пакета верхнюю и нижнюю электропроводные пластины прямоугольной формы, отделенные друг от друга диэлектрической пластиной и выполненные с обеспечением возможности внешнего подключения, отличающаяся тем, что к обеим продольным боковым сторонам нижней электропроводной пластины, расположенной на несущей диэлектрической подложке, подключены расположенные на этой же несущей диэлектрической подложке и расходящиеся в противоположных продольных направлениях две пары электропроводных полосок, образующих электрические вибраторы для подавления излучения в направлении от нижней электропроводной пластины, которое соответствует направлению в сторону пользователя при продольном расположении этой антенны в плоском продолговатом корпусе мобильного радиотелефона. 2. Плоская антенна для мобильного радиотелефона по п.1, отличающаяся тем, что подключение электропроводных полосок к нижней электропроводной пластине осуществляется преимущественно через реактивные элементы, выполняющие функцию настроечных элементов для подстройки диаграммы направленности. 3. Плоская антенна для мобильного радиотелефона, содержащая соединенные в виде пакета верхнюю и нижнюю электропроводные пластины прямоугольной формы, отделенные друг от друга диэлектрической пластиной и выполненные с обеспечением возможности внешнего подключения, отличающаяся тем, что верхняя и нижняя электропроводные пластины соединены между собой с одной поперечной боковой стороны, к соответствующим точкам на обеих продольных боковых сторонах верхней электропроводной пластины, расположенной на диэлектрической пластине, подключены расположенные на этой же диэлектрической пластине и ориентированные в первом продольном направлении - в направлении от указанной стороны соединения между собой верхней и нижней электропроводных пластин - электропроводные полоски первой пары, к аналогично расположенным точкам на обеих продольных боковых сторонах нижней электропроводной пластины, расположенной на несущей диэлектрической подложке, подключены расположенные на этой же несущей диэлектрической подложке и ориентированные во втором продольном направлении, противоположном первому, электропроводные полоски второй пары, образующие совместно с электропроводными полосками первой пары электрические вибраторы для подавления излучения в направлении от нижней электропроводной пластины, которое соответствует направлению в сторону пользователя при продольном расположении этой антенны в плоском продолговатом корпусе мобильного радиотелефона и ориентации стороны соединения верхней и нижней электропроводных пластин в сторону нижней части указанного корпуса. 4. Плоская антенна для мобильного радиотелефона по п.3, отличающаяся тем, что подключение электропроводных полосок к верхней электропроводной пластине осуществляется преимущественно через реактивные элементы, выполняющие функцию настроечных элементов для подстройки диаграммы направленности.