АНТЕННА С ПИТАНИЕМ ОТ РАСПОЛОЖЕННЫХ РЯДОМ КАТУШЕК ДЛЯ ПОРТАТИВНОГО УСТРОЙСТВА РАДИОСВЯЗИ Российский патент 2002 года по МПК H01Q5/00 

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

Описание известного уровня техники
Из патента США 4121218, выданного на имя Irwing et al., известна спиральная катушка для присоединения к антенне с выдвижным прямым проводом. В этом техническом решении размеры спиральной катушки и выдвижного прямого провода выбирают таким образом, чтобы обеспечить резонанс в определенном диапазоне частот портативного устройства радиосвязи, такого как сотовый радиотелефон.

Поскольку во всем мире получили распространение различные аналоговые и цифровые радиотелефонные системы, существуют антенны, предназначенные для каждой из этих разных 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 устройство 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 для ношения и использования. Поэтому существует потребность в многодиапазонной компактной антенной конструкции, которая бы при этом отличалась экономичностью производства. Для реализации компактного портативного прибора существует потребность в конструкции, имеющей нижнее походное положение и выдвинутое верхнее положение.

Однако проблема получения одновременно компактной и многодиапазонной антенны, которая бы обеспечивала высокий коэффициент усиления, сопоставимый с известными однополосными антеннами, достаточно сложна. Эффективность работы небольших антенн, используемых в портативных устройствах радиосвязи, определяется их способностью резонировать на рабочей частоте. Известные антенны, оптимизированные с целью получения максимального коэффициента усиления в одном диапазоне частот, в других диапазонах частот дают коэффициент усиления ниже оптимального. Такие антенны обычно собирают из резонансных элементов. Желательно, 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. Это условие легко достигается для одной частоты за счет установки одночастотной, однопозиционной антенны в портативном устройстве радиосвязи. Для более сложных конструкций и более широких требований по частоте достижение условий резонанса или множественного резонанса до сих пор было невозможным. Эту задачу решает данное изобретение, описанное в дальнейшем более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей
фиг. 1 изображает вид сбоку одного из вариантов выполнения многодиапазонной антенны,
фиг. 2 - вид сверху, в поперечном сечении устройства по фиг. 1,
фиг. 3 - вид сбоку другого варианта многодиапазонной антенны,
фиг. 4 - поперечное сечение антенны, изображенной на фиг. 3, и
фиг. 5 - многодиапазонное портативное устройство радиосвязи.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На фиг. 1 изображен вид сбоку одного из вариантов выполнения многодиапазонной антенны. Первая спиральная катушка 110, вторая катушка 120 и третья спиральная катушка 130 связаны с проводящей прямолинейной частью 140 антенного элемента и верхней катушкой 150. Каждая из первой катушки 110, второй катушки 120 и третьей катушки 130 резонирует в своей среде всей антенной конструкции на частоте, отличной от частоты других катушек.

Первая катушка 110, вторая катушка 120 и третья катушка 130 имеют, соответственно, первую, вторую и третью окружности. Каждая окружность меньше длины волны соответствующего первого, второго или третьего диапазона частот каждой из первой, второй и третьей катушек. Первая и третья спиральные катушки 110 и 130 намотаны в одинаковом направлении, а вторая спиральная катушка 120 намотана в направлении, противоположном направлению намотки первой и третьей катушек 110 и 130.

Понятие "около" можно трактовать как "коаксиально" и "рядом", при этом понятие "рядом" - это синоним "бок о бок" или "друг возле друга". В варианте, изображенном на фиг. 1, вторая катушка 120 расположена соосно проводящей прямолинейной части 140, и при этом можно также считать, что она расположена около прямолинейной части 140. Первая спиральная катушка 110 и третья спиральная катушка 130 находятся рядом с прямолинейной частью 140, но не около проводящей прямолинейной части 140 на фиг. 1. В другом варианте на фиг. 3 все спиральные катушки - первая, вторая и третья, расположены рядом с проводящей прямолинейной частью 140.

Первая, вторая и третья спиральные катушки 110, 120 и 130 удалены друг от друга на межкатушечное расстояние, чтобы исключить радиопомехи от взаимодействия. Радиопомехи от взаимодействия между катушками снижают коэффициент усиления антенны, так как энергия, которая должна взаимодействовать между проводящей прямолинейной частью и заданной катушкой, вместо этого взаимодействует с другой катушкой. Когда с антенны передается энергия, предпочтительно, чтобы она вся излучалась с проводящей прямолинейной части. Например, если антенна используется в устройстве радиосвязи для передачи энергии излучения в первом диапазоне частот первой катушкой 110, желательно, чтобы вся энергия излучения излучалась с прямолинейной части 140 антенного элемента. 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 и третью катушку 130, в результате поглощаясь радиосхемами, подсоединенными ко второй катушке 120 и к третьей катушке 130. Энергия, излученная катушкой 110 и поглощенная дополнительными катушками 120 и 130, рассеивает мощность, снижая рабочую эффективность антенны.

Проводящая прямолинейная часть 140 расположена соосно со второй спиральной катушкой 120. Первая спиральная катушка 110 и третья спиральная катушка 130 расположены рядом со второй спиральной катушкой 120. Межкатушечное расстояние между первой спиральной катушкой 110 и второй спиральной катушкой 120 и межкатушечное расстояние между третьей спиральной катушкой 130 и второй спиральной катушкой 120 выбирается таким образом, чтобы исключить помехи от взаимодействия между спиральными катушками, как будет описано ниже.

Взаимодействие, реализующееся по электрическому полю, вернее назвать емкостной связью, а взаимодействие по магнитному полю вернее назвать индуктивной связью. Эти связи по электрическому и магнитному полю определяются векторными величинами и часто возникают одновременно. Следовательно, их векторные величины могут суммироваться или вычитаться, и при этом они могут усиливать или компенсировать друг друга. Было обнаружено, что за счет геометрического расположения нескольких спиральных катушек рядом друг с другом можно добиться того, чтобы электрические и магнитные (емкостные и индуктивные) векторные величины суммировались 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. Первая спиральная катушка 110 и вторая спиральная катушка 120 удалены на мачтовое расстояние от антенного элемента 140 и на межкатушечное расстояние друг от друга для уменьшения электромагнитного взаимодействия с соответствующей другой спиральной катушкой и усиления электромагнитного взаимодействия с проводящей прямолинейной частью 140.

Межкатушечное расстояние, разделяющее спиральные катушки, выбирается таким образом, чтобы уравнять величину электрической и магнитной связи.

Направление витков спиральных катушек относительно друг друга предпочтительно выбирается таким образом, чтобы обеспечить вычитание векторных величин и тем самым минимизировать взаимодействие. За счет противоположного направления витков магнитное поле одной катушки будет отрицательным по отношению к магнитному полю другой катушки. Следовательно, катушки с противоположной намоткой обусловливают не суммирование, а вычитание составляющих магнитного поля, но при этом эффективно взаимодействуют с проводящей прямолинейной частью 140 антенного элемента.

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 катушки предпочтительно удалены друг от друга так, чтобы величина связи по электрическому и магнитному полям была равной.

Нижний конец проводящей прямолинейной части 140 расположен близко к верхним концам катушек. В варианте на фиг. 1 и 2 нижний конец проводящей прямолинейной части 140 находится близко к верхнему концу центральной, второй спиральной катушки 120, а в варианте на фиг. 3 и 4 нижний конец проводящей прямолинейной части 140 находится близко к верхним концам каждой из спиральных катушек 210, 220 и 230. Мачтовое расстояние разнесения между нижним концом проводящей прямолинейной части и верхними концами спиральных катушек определяет величину связи по электрическому полю. Чем больше это разнесение, тем меньше связь по электрическому полю. Такую конструкцию антенны предпочтительно сначала получают приблизительно путем электромагнитного моделирования на ЭВМ с помощью таких программ, 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 в функции частоты. Оптимальные условия взаимодействия имеют место, когда появляется незначительная точка заострения в нормальной круговой диаграмме импедансов по мере изменения мачтового расстояния между проводящей прямолинейной частью 140 и катушками 110, 120 и 130. 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.

Прямолинейный провод 140 может выдвигаться в верхнее положение и убираться в нижнее положение. Нижнее положение как таковое не показано на чертежах. Верхняя спиральная катушка 150 способствует работе в нижнем положении, хотя и не является необходимой.

Прямой провод 140 антенного элемента образует диполь. Когда прямой провод 140 находится в верхнем положении, близко к спиральным катушкам, 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 показано поперечное сечение вида, изображенного на фиг. 1, иллюстрирующее конфигурацию первой, второй и третьей катушек 110, 120 и 130 по отношению к проводящей прямолинейной части 140. Для компактности при использовании в плоском приборе три спиральные катушки предпочтительно расположены на одной прямой, но они могут также иметь Г-образную или иную компоновку. На описываемой ниже фиг. 3 спиральные катушки расположены в виде треугольника вокруг проводящей прямолинейной части антенного элемента.

На фиг. 3 показан вид сбоку другого варианта антенны, а фиг. 4 иллюстрирует его поперечное сечение. На фиг. 3 и 4 первая спиральная катушка 210, вторая спиральная катушка 220 и третья спиральная катушка 230 расположены на равном расстоянии от проводящей прямолинейной части 240 антенного элемента. Проводящая прямолинейная часть 240 в варианте на фиг. 3 и 4 не имеет верхней спиральной катушки, хотя при желании ее можно использовать. Кроме того, можно при желании исключить верхнюю спиральную катушку 150 и в варианте, изображенном на фиг. 1 и 2. Использование верхней катушки улучшает характеристики диаграммы направленности подвижного антенного элемента, когда он находится в нижнем положении.

Проводящая прямолинейная часть 140, изображенная на фиг. 1 и 2, и проводящая прямолинейная часть 240, изображенная на фиг. 3 и 4, перемещаются по вертикали в верхнее и нижнее положения.

В качестве альтернативы трем спиральным катушкам в трехдиапазонной антенне можно использовать четыре спиральные катушки для получения четырехдиапазонной антенны или большее число спиральных катушек. Аналогично, можно использовать две спиральные катушки для двухдиапазонной антенны.

На фиг. 5 показан многодиапазонный портативный радиотелефон, способный работать в нескольких диапазонах частот. Многодиапазонная антенна смонтирована на верхней части портативного радиотелефона 391, при этом антенный элемент 330 скользящим образом входит в нее. Многодиапазонный радиотелефон 391 содержит несколько передатчиков 393, 395 и 397, по одному для каждого диапазона. Активный вывод первого передатчика 393 подсоединен к первой спиральной катушке 310. Заземляющий вывод первого передатчика 393 предпочтительно подсоединен к пластине заземления радиотелефона 391. Активные выводы второго передатчика 395 и третьего передатчика 397 предпочтительно соответственно подсоединены ко второй спиральной 320 и третьей спиральной катушке 330. Заземляющие выводы передатчиков 395 и 397 предпочтительно также подсоединены к соответствующему заземлению. Таким образом, каждой катушке антенны соответствует другая частота передатчика. При этом понятно, что передатчикам 393, 395 и 397 могут альтернативно соответствовать приемники и/или приемопередатчики. Кроме того, можно использовать схему устройства радиосвязи, выполненную с возможностью работы в нескольких диапазонах частот, и при этом не будет необходимости в отдельных передатчиках 393, 395 и 397.

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 сущности и объема изобретения. Например, можно использовать другие конфигурации верхних катушек в зависимости от требований, предъявляемых к внешнему оформлению. В частности, можно сослаться на заявку США на изобретение "Многодиапазонная антенна для портативного устройства радиосвязи" от 19.02.96.

Изобретение относится к антеннам, в частности к катушкам для питания многодиапазонных антенн. Техническим результатом изобретения является достижение множественного резонанса в портативном устройстве радиосвязи. Этот результат достигается тем, что несколько спиральных катушек (110, 120, 130) расположены рядом и связаны с проводящей прямолинейной частью (140) антенны для получения многодиапазонной антенны. Спиральные катушки (110, 120, 130) в достаточной степени удалены друг от друга, чтобы по существу исключить помехи от взаимодействия между ними. Это позволяет, используя одну компактную антенну, получить портативное устройство радиосвязи, способное работать в нескольких разных диапазонах частот. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Многодиапазонная антенна, отличающаяся тем, что содержит антенный элемент с проводящей прямолинейной частью (140), первую спиральную катушку (110), выполненную с возможностью резонанса в первом диапазоне частот за счет использования первого количества витков, имеющих первую длину окружности, и расположенную рядом с антенным элементом для электромагнитного взаимодействия с проводящей прямолинейной частью (140), и вторую спиральную катушку (120), выполненную с возможностью резонанса во втором диапазоне частот, отличном от первого диапазона частот, за счет использования второго количества витков, имеющих вторую длину окружности, и расположенную около антенного элемента для электромагнитного взаимодействия с проводящей прямолинейной частью (140), причем, по меньшей мере, первая и вторая спиральные катушки (110, 120) удалены на мачтовое расстояние от нижнего конца проводящей прямолинейной части (140) антенного элемента и на межкатушечное расстояние от соответствующей второй спиральной катушки (120) и первой спиральной катушки (110) для уменьшения электромагнитного взаимодействия с соответствующей другой спиральной катушкой и усиления электромагнитного взаимодействия с проводящей прямолинейной частью (140). 2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что межкатушечное расстояние представляет собой расстояние между катушками (110, 120), при котором величина связи по электрическому полю и величина связи по магнитному полю приблизительно равны. 3. Антенна по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что содержит третью спиральную катушку (130), выполненную с возможностью резонанса в третьем диапазоне частот, отличном от первого и второго диапазона частот, за счет использования третьего количества витков, имеющих третью длину окружности, и расположенную рядом с антенным элементом для электромагнитного взаимодействия с проводящей прямолинейной частью (140), причем третья спиральная катушка (130) удалена на межкатушечное расстояние от, по меньшей мере, второй спиральной катушки (120) для уменьшения электромагнитного взаимодействия с первой и второй спиральными катушками (110, 120) и удалена на мачтовое расстояние от нижнего конца проводящей прямолинейной части (140) для усиления электромагнитного взаимодействия с проводящей прямолинейной частью (140). 4. Антенна по п. 3, отличающаяся тем, что первая и третья спиральные катушки (110, 130) намотаны в одинаковом направлении, а вторая спиральная катушка (120) намотана в направлении, противоположном направлению намотки первой и третьей спиральных катушек (110, 130). 5. Антенна по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что когда проводящая прямолинейная часть (140) располагается близко к спиральным катушкам, находясь 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. 6. Антенна по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что антенный элемент содержит верхнюю катушку (150), подсоединенную к проводящей прямолинейной части (140) в верхнем конце. 7. Многодиапазонная антенна по п. 6, отличающаяся тем, что при размещении верхней катушки (150) близко к спиральным катушкам, 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. 8. Антенна по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, вторая спиральная катушка (120) расположена соосно антенному элементу, имеющему проводящую прямолинейную часть (140). 9. Антенна по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, вторая спиральная катушка (120) расположена рядом с антенным элементом, имеющим проводящую прямолинейную часть (140). 10. Антенна по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что содержит схему радиосвязи (393, 394 или 395), функционально связанную с первой спиральной катушкой (110) и второй спиральной катушкой (120), для усиления соответствующих радиочастотных сигналов в первом и втором диапазоне частот.