МНОГОУРОВНЕВЫЙ И ЗАПОЛНЯЮЩИЙ ПРОСТРАНСТВО ПРОТИВОВЕС ДЛЯ МИНИАТЮРНЫХ И МНОГОПОЛОСНЫХ АНТЕНН И АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2007 года по МПК H01Q1/36 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к новому семейству противовесов для антенн уменьшенного размера и имеющих улучшенные рабочие характеристики, построенных на основе нового множества конфигураций. Такие новые конфигурации известны как многоуровневые и заполняющие пространство структуры, которые раньше использовали при разработке многополосных и миниатюрных антенн. Подробное описание таких многоуровневых или заполняющих пространство структур можно найти в публикациях «Multilevel Antennas» (патентная публикация № WO 01/22528) и «Space Filling Miniature Antennas» (патентная публикация № WO 01/54225).

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к использованию таких структур в конструкции противовесов миниатюрных и многополосных антенн.

Как известно, во многих вариантах применения, например в мобильных оконечных устройствах линий радиосвязи и в портативных устройствах, размер антенны и ее противовеса ограничен размером такого устройства, что оказывает существенное влияние на рабочие характеристики антенны в целом. Вообще говоря, общие размеры, структура и размер антенны и противовеса влияют на полосу пропускания и эффективность антенны. Отчет о влиянии размеров противовеса на полосу пропускания антенн оконечных устройств линий радиосвязи можно найти в публикации «Investigation on Integrated Antennas for GSM Mobile Phones», авторов D. Manteuffel, A. Bahr, I. Wolff, Millennium Conference on Antennas & Propagation, ESA, AP2000, Давос, Швейцария, апрель 2000 г. Большинство работ известного уровня техники по конструированию антенн, включая противовесы (например, микрополосковых антенн, планарных антенн в виде перевернутой F (ПАПФ) или антенн с несимметричным излучателем), ориентированы на разработку излучающего элемента (то есть микрополоскового излучателя, элемента планарных антенн в виде перевернутой F или несимметричного вибратора для примеров, описанных выше) с установкой противовеса, размеры и структура которого, в основном, определяются размерами, соответствующими каждому конкретному варианту применения или эстетическими критериями.

Одно из ключевых направлений настоящего изобретения состоит в рассмотрении противовеса антенны в качестве интегральной части антенны, который непосредственно влияет на ее характеристики излучения и импеданса (уровень импеданса, резонансная частота, полоса пропускания). В настоящем описании представлен новый набор структур, и применение такого набора позволяет адаптировать структуру и размер противовеса в соответствии с требованиями конкретных вариантов применения (антенны базовых станций, портативные антенны, автомобильные антенны и антенны, устанавливаемые на других моторных транспортных средствах, и так далее) и даже улучшить рабочие характеристики, например полосу пропускания, коэффициент стоячей волны по напряжению (далее КСВН (VSWR)) или многополосный режим работы антенны.

Использование многоуровневых и заполняющих пространство структур для расширения частотного диапазона работы антенны подробно описано в патентных публикациях №№ WO 01/22528 и WO 01/54225. Такое расширение диапазона получают благодаря расширению полосы пропускания антенны, путем увеличения количества полос частот или с использованием комбинации обоих эффектов. В настоящем изобретении указанные многоуровневые и заполняющие пространство структуры предпочтительно используют в противовесе антенны, обеспечивая, таким образом, либо лучший уровень потерь на отражение, либо лучшее значение КСВН, более широкую полосу пропускания, многополосное поведение или комбинацию всех этих эффектов. Эту технологию также можно рассматривать как средство уменьшения размера противовеса и, таким образом, общего размера антенны.

Первая попытка улучшить полосу пропускания микрополосковых антенн путем использования противовесов была описана авторами Т.Chiou, К.Wong в публикации «Designs of Compact Microstrip Antennas with a Slotted Ground Plane», IEEE-APS Symposium, г.Бостон, 8-12 июля, 2001 г. Специалист в данной области техники отметит, что даже при том, что авторы заявили о получении улучшенных рабочих характеристик, благодаря использованию щелей определенного типа в противовесе антенны, они непреднамеренно используют очень простой случай многоуровневой структуры для модификации резонансных свойств указанного противовеса. В частности, в данной публикации описано множество из двух прямоугольников, соединенных в трех точках контакта, и множество из четырех прямоугольников, соединенных в пяти точках контакта. Другой пример непреднамеренного использования многоуровневой структуры отражателя в противовесе антенны описан в американском патенте №US 5,703,600. Здесь используют конкретный пример противовеса, составленного из трех прямоугольников с емкостной электромагнитной связью между ними. Следует подчеркнуть, что ни в публикации авторов Chiou и Wong, ни в американском патенте US 5,703,600 не описана и не заявлена общая конфигурация заполняющих пространство или многоуровневых структур так, что авторы не пытались использовать преимущество указанных многоуровневых или заполняющих пространство структур для улучшения характеристик антенны.

Некоторые из структур, описанных в настоящем изобретении, были разработаны на основе конфигураций, изученных уже в 19-м столетии рядом математиков, такими как Джузеппе Пеано и Давид Гилберт. В указанных случаях проводилось изучение кривых с математической точки зрения, и их никогда не использовали в каких-либо практических инженерных вариантах применения. Использование таких математических абстракций в практической конструкции обеспечивается в виде общих заполняющих пространство кривых, описанных в настоящем изобретении. Другие структуры, называемые кривыми SZ, ZZ, HilbertZZ, Peanoinc, Peanodec или PeanoZZ, описанные в патентной публикации WO 01/54225, включены во множество заполняющих пространство кривых, используемых по-новому в настоящем изобретении. Интересно отметить, что в некоторых случаях такие заполняющие пространство кривые можно также использовать как приближение к идеальным фрактальным формам.

Для характеристики геометрических кривых и структур высокой сложности, таких как описаны в настоящем изобретении, часто используют размерность (D). Существует множество различных математических определений размерности, но в настоящем описании для характеристики семейства конструкций используют определение размерности на основе подсчета ячеек (который хорошо известен специалистам в теории математики). И снова повторим, что преимущество использования таких кривых в новой конфигурации, описанной в настоящем изобретении, в основном, состоит в обеспечении общей миниатюризации антенны при улучшении ее полосы пропускания, импеданса или многополосной характеристики.

В новой конфигурации в соответствии с объемом и сущностью настоящего изобретения также можно использовать другие хорошо известные структуры, такие как меандровая и зигзагообразная кривые, хотя они обычно не настолько эффективны, как общие заполняющие пространство кривые, описанные в настоящем изобретении. Некоторые описания использования зигзагообразных или меандровых кривых в антеннах можно найти, например, в патентной публикации WO 96/27219, но следует отметить, что в известном уровне техники такие структуры, в основном, как правило, использовали в конструкции излучающего элемента, а не в конструкции противовеса, которая представляет собой цель и основу нескольких вариантов выполнения настоящего изобретения.

Из европейского патента ЕР-688.040 известна двунаправленная антенна, включающая подложку, имеющую первую и вторую поверхности. На второй поверхности установлены соответственно заземленный проводник, сформированный одной поверхностью, полосковый проводник и микрополосковый проводник.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение, в основном, направлено на задание такой формы противовеса антенны, что совместное действие противовеса и излучающего элемента расширяет рабочие характеристики и показатели всего антенного устройства, такие как его полоса пропускания, ОНСВ, многополосное поведение, эффективность, размеры или коэффициент усиления. Вместо использования обычной сплошной структуры противовесов в изобретении, описанном в настоящем описании, вводится новый набор структур, которые определяют такое протекание токов в противовесе и такое его излучение, что улучшается поведение всей антенны.

Настоящее изобретение основано на разрыве сплошной поверхности обычного противовеса на множество электропроводных поверхностей (по меньшей мере, на две поверхности), причем между указанными поверхностями существует электромагнитная связь, обеспечиваемая либо с использованием электромагнитного или емкостного эффекта между кромками нескольких электропроводных поверхностей, или благодаря непосредственному контакту, образованному с помощью электропроводной полоски, или с использованием комбинации всех этих эффектов.

Получаемая в результате структура больше не представляет собой сплошной, обычный противовес, но является противовесом с многоуровневой или заполняющей пространство структурой, по меньшей мере, на некотором его участке.

Многоуровневая структура противовеса состоит из электропроводной структуры, включающей набор многоугольников, причем указанные многоугольники имеют одинаковое количество сторон, в которой между указанными многоугольниками обеспечена электромагнитная связь либо с использованием емкостной связи, или омического контакта, где область контакта между непосредственно соединенными многоугольниками уже, чем 50% периметра указанных многоугольников, причем, по меньшей мере, 75% указанных многоугольников образуют указанный электропроводный противовес. Такое определение многоуровневой структуры также включает круги и эллипсы, поскольку их можно рассматривать, как многоугольники с бесконечным количеством сторон.

С другой стороны, кривая, заполняющая пространство (ниже КЗП (SFC)), представляет собой кривую, которая имеет большое значение физической длины, но небольшой размер занимаемой площади, на которой может быть размещена такая кривая. Более точно, в настоящем описании используется следующее определение кривой, заполняющей пространство: кривая, состоящая, по меньшей мере, из десяти сегментов, которые соединены таким образом, что каждый сегмент образует некоторый угол с соседними сегментами, то есть ни одна из пар соседних сегментов не образует более длинный прямой сегмент, и в которой кривая также может быть периодической вдоль фиксированного прямого направления пространства, если, и только если, период определен непериодической кривой, состоящей, по меньшей мере, из десяти соединенных сегментов, причем ни одна из пар указанных соседних соединенных сегментов не образует прямой, более длинный сегмент. Кроме того, независимо от вида такой КЗП, она никогда не пересекается сама с собой ни в одной точке, за исключением исходной и конечной точки (то есть вся кривая может быть расположена как замкнутая кривая или петля, но ни одна из частей кривой не может образовывать замкнутую петлю). Кривая, заполняющая пространство, может быть расположена на плоской или изогнутой поверхности и благодаря углам между сегментами физическая длина кривой всегда больше, чем любая прямая линия, которая может быть расположена на той же площади (поверхности), что и указанная кривая, заполняющая пространство. Кроме того, для придания правильной формы противовесу в соответствии с настоящим изобретением сегменты кривых КЗП, включенные в плоскость указанного противовеса, должны быть более короткими, чем одна десятая рабочей длина волны в свободном пространстве.

В зависимости от процедуры формирования и структуры кривой, теоретически могут быть разработаны некоторые КЗП с бесконечной длиной для получения размерности Хауссдорфа, большей, чем ее топологическая размерность. То есть с точки зрения классической эвклидовой геометрии считается, что кривая всегда представляет собой одномерный объект; однако, когда кривая имеет высокую степень извилистости и ее физическая длина очень велика, она проявляет тенденцию заполнения участков поверхности, на которой она расположена; в этом случае для такой кривой можно вычислить размерность Хауссдорфа (или, по меньшей мере, ее приблизительное значение с использованием алгоритма подсчета ячеек), в результате чего получают число, большее единицы. Кривые, представленные в фиг.2, являются некоторыми примерами таких КЗП; в частности, на рис.11, 13, 14 и 18 показаны некоторые примеры кривых КЗП, которые приближаются к идеальной бесконечной кривой, характеризующейся размерностью D=2. Как известно специалистам в данной области техники, размерность по подсчету ячеек можно рассчитать как наклон прямого участка графика с логарифмическим масштабом на обеих осях, на котором такой прямой участок, по существу, определяется как прямой сегмент. Для конкретного случая настоящего изобретения указанный прямой сегмент должен перекрывать, по меньшей мере, октаву значений шкалы по горизонтальной оси графика с логарифмическим масштабом на обеих осях.

В зависимости от варианта применения существует несколько способов построения требуемой многоуровневой и заполняющей пространство металлической структуры в соответствии с настоящим изобретением. Ввиду специальной геометрии указанных многоуровневых и заполняющих пространство структур ток распределяется по противовесу таким образом, что он улучшает рабочие характеристики и показатели антенны, что позволяет обеспечить:

(a) уменьшение размеров по сравнению с антенной с непрерывным противовесом;

(b) улучшение полосы пропускания по сравнению с антенной с непрерывным противовесом;

(c) многочастотную рабочую характеристику;

(d) лучшее значение КСВН в рабочей полосе или полосах;

(e) лучшую эффективность излучения;

(f) повышенный коэффициент усиления.

Очевидно, любой из обычных и описанных новых противовесов в соответствии с настоящим изобретением можно предпочтительно использовать с любой из конфигураций антенн известного уровня техники, в которых требуется использовать противовес, например в антеннах для портативных оконечных устройств линий радиосвязи (сотовых или беспроводных телефонов, карманных компьютеров КПК (PDA), электронных пэйджеров, электронных игр или пультов дистанционного управления), в антеннах базовых станций (например для покрытия микроячеек или пикоячеек в таких системах, как AMPS (мобильная телефонная связь - одна из технологий сотовой связи в США), GSM900 (глобальная система мобильной связи - стандарт сотовой связи в Европе, на частоте 900 МГц), GSM1800 (глобальная система мобильной связи на частоте 1800 МГц), UMTS (универсальная система мобильной связи), PCS 1900 (персональные услуги связи на частоте 1900 МГц), DCS (распределенная вычислительная система), DECT (общеевропейский стандарт усовершенствованной цифровой беспроводной связи), WLAN (стандарт построения беспроводных локальных сетей),...), автомобильных антеннах и так далее. В качестве таких антенн обычно используют антенны с микрополосковыми излучателями, щелевые антенны, планарные антенны в виде перевернутой F (ПАПФ (PIFA)), несимметричные излучатели и так далее, и во всех случаях, где для антенны требуется использовать противовес, предпочтительно можно использовать настоящее изобретение. Поэтому настоящее изобретение не ограничивается вышеуказанными антеннами. Можно использовать антенну любого другого типа, если только она содержит противовес.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания настоящего изобретения сделаем ссылку на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 представлено сравнение двух противовесов известного уровня техники и нового многоуровневого противовеса. На фиг.1 показан обычный противовес, сформированный с использованием только одной непрерывной поверхности (прямоугольник, известный уровень техники), в то время как на фиг.2 показан конкретный случай противовеса, разделенного на две поверхности 5 и 6 (прямоугольники), соединенные электропроводной полоской 7, в соответствии с общими подходами, описанными в настоящем изобретении. На фиг.3 показан противовес, в котором две электропроводные поверхности 5 и 6, разделенные зазором 4, соединены с использованием емкостной связи (известный уровень техники).

На фиг.2 показаны некоторые примеры кривых КЗП. Из исходной кривой 8 сформированы другие кривые 9, 10 и 11 (называемые кривыми Гилберта). Аналогично может быть сформирован другой набор кривых КЗП, такой как наборы 12, 13 и 14 (называемый кривыми SZ); набор 15 и 16 (известный как кривые ZZ); набор 17, 18 и 19 (называемый кривые HilbertZZ); набор 20 (кривая Peanodec) и набор 21 (основанный на кривой Джузеппе Пеано).

На фиг.3А показан вид в перспективе обычной планарной антенны (известного уровня техники) в виде перевернутой F или ПАПФ (22), сформированной с использованием излучающего антенного элемента 25, обычного противовеса 26 в виде непрерывной поверхности, точки 24 питания, подключенной в определенном месте к микрополосковому излучателю 25, в зависимости от требуемого входного импеданса, и цепи 23 короткого замыкания 23, соединяющей микрополосковый излучающий элемент 25 с противовесом 26. На фиг.3В показана новая конфигурация (27) антенны ПАПФ, сформированной из антенного элемента 30, точки 29 питания, цепи 28 короткого замыкания, и конкретный пример новой структуры 31 противовеса, сформированного с одновременным использованием многоуровневой структуры и структуры заполняющей пространство.

На фиг.4А представлен вид в перспективе обычной конфигурации (известный уровень техники) несимметричного излучателя 33 над противовесом 34 с непрерывной поверхностью. На фиг.4В показана улучшенная конфигурация 35 антенны типа несимметричного излучателя, в которой противовес 37 состоит из многоуровневой и заполняющей пространство структуры.

На фиг.5А показан вид в перспективе системы 38 антенны с микрополосковым излучателем (известный уровень техники), сформированной в виде прямоугольного излучающего микрополоскового элемента 39 и обычного противовеса 40. На фиг.5В показана улучшенная антенная система, построенная на основе микрополоскового излучателя, состоящего из излучающего элемента 42 и многоуровневого и заполняющего пространство противовеса 43.

На фиг.6 показано несколько примеров различной формы контура многоуровневых противовесов, таких как прямоугольные (44, 45 и 46) и круглые (47, 48 и 49). В этом случае круги и эллипсы рассматривают как многоугольники с бесконечным количеством сторон.

На фиг.7 показана последовательность многоуровневых структур одинаковой ширины (в данном случае прямоугольников), в которых электропроводные поверхности соединены с помощью электропроводных полосок (одной или двух), как выровненных, так и не выровненных вдоль прямой оси.

На фиг.8 показано, что через электропроводные полоски могут быть соединены не только структуры с одинаковой шириной. Для взаимного соединения прямоугольных многоугольников можно использовать более чем одну электропроводную полоску, как показано на рисунках 59 и 61. Также представлены некоторые примеры использования с такими поверхностями электропроводной полоски различной ширины и длины в пределах сущности настоящего изобретения.

На фиг.9 показаны альтернативные схемы многоуровневых противовесов. Схемы, показанные на чертеже (68-76), сформированы на основе прямоугольных структур, кроме того, можно использовать любые другие формы.

На фиг.10 показаны примеры (77 и 78) двух электропроводных поверхностей (5 и 6), соединенных одной (10) или двумя (9 и 10) соединительными полосками на основе кривых КЗП.

На фиг.11 показаны примеры, в которых, по меньшей мере, участок зазора между, по меньшей мере, двумя электропроводными поверхностями сформирован в виде соединительной полоски КЗП.

На фиг.12 показана последовательность противовесов, в которых, по меньшей мере, один из участков указанных противовесов сформирован как КЗП. В частности, зазоры (84, 85) между электропроводными поверхностями в некоторых случаях сформированы как КЗП.

На фиг.13 показан другой набор примеров, в котором участки противовесов, такие как промежутки между электропроводными элементами, сформированы как КЗП.

На фиг.14 показаны другие схемы противовесов (91 и 92) с кривыми КЗП различной ширины (93 и 94). В зависимости от варианта применения конфигурацию 91 можно использовать для минимизации размера антенны, в то время как конфигурация 92 предпочтительна для улучшения полосы пропускания антенны с уменьшенным размером при уменьшении уровня обратного излучения.

На фиг.15 показана последовательность электропроводных поверхностей с различной шириной, соединенных с помощью электропроводных полосок КЗП, как с использованием непосредственного контакта (95, 96, 97, 98), так и с использованием емкостной связи (центральная полоска на рисунке 98).

На фиг.16 показаны примеры многоуровневых противовесов (в данном случае сформированных в виде прямоугольников).

На фиг.17 представлен другой набор примеров многоуровневых противовесов.

На фиг.18 показаны примеры многоуровневых противовесов, в которых, по меньшей мере, две электропроводные поверхности соединены с помощью меандровых кривых с различной длиной или структурой. Некоторые из указанных меандровых линий могут быть заменены кривыми КЗП, если требуется обеспечить дальнейшее уменьшение размеров или другую частотную характеристику.

На фиг.19 показаны примеры антенн, в которых излучающий элемент имеет, по существу, ту же форму, что и противовес, благодаря чему получают симметричную или квазисимметричную конфигурацию, и в которых указанный противовес расположен параллельно (рисунок 127) или ортогонально (рисунок 128) по отношению к указанному противовесу.

Подробное описание изобретения

Для построения антенного устройства в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения требуется использовать соответствующую конструкцию антенны. Существует множество возможных конфигураций, и выбор конструкции антенны на практике зависит, например, от рабочей частоты и полосы пропускания, помимо других параметров антенны. Некоторые возможные примеры вариантов выполнения описаны ниже. При этом с учетом приведенного выше описания для специалистов в данной области техники будет очевидно, что в пределах объема настоящего изобретения могут быть выполнены различные модификации. В частности, могут быть выбраны различные материалы и процессы изготовления при производстве антенной системы, которые позволят обеспечить требуемые параметры. Кроме того, очевидно, что в пределах сущности настоящего изобретения можно использовать другие многоуровневые и заполняющие пространство конфигурации.

На фиг.3А показана известная в данной области техники планарная антенна в виде перевернутой F (ПАПФ) (22). Антенна (ниже антенна ПАПФ), которая состоит из излучающего элемента 25 антенны, обычного противовеса 26, выполненного в виде непрерывной поверхности, точки 24 подключения питания, расположенной в некотором месте микрополоскового излучающего элемента 25, в зависимости от требуемого входного импеданса, и цепи 23 короткого замыкания, соединяющей микрополосковый излучающий элемент 25 с противовесом 26. Точка 24 подключения питания может быть сформирована различными способами, например с использованием коаксиального кабеля, оболочка которого соединена с противовесом и внутренний проводник 24 которого соединен с излучающим электропроводным элементом 25. Излучающий электропроводный элемент 25 обычно имеет форму, близкую к четырехугольной, но в других патентах или научных статьях можно найти ряд других форм. Форма и размеры излучающего элемента 25 определяют рабочую частоту всей антенной системы. Хотя размеры и структуру противовеса обычно не рассматривают как часть конструкции, она также влияет на определение рабочей частоты и полосы пропускания указанного ПАПФ. Антенны типа ПАПФ стали часто описывать в последних публикациях, благодаря тому что их форма может быть интегрирована в существующие корпуса портативных устройств.

В отличие от противовесов антенн типа ПАПФ известного уровня техники, показанных на фиг.3А, новый противовес 31, представленный на фиг.3В, состоит из многоуровневой и заполняющей пространство структур, благодаря которым обеспечиваются лучшее значение обратных потерь или ОНСВ, большая полоса пропускания и улучшенное многополосное поведение, при одновременном уменьшении размеров антенны (включая противовес). В конкретном варианте выполнения антенна типа ПАПФ 27 состоит из излучающего элемента 30 антенны, многоуровневого и заполняющего пространство противовеса 31, точки 29 подключения питания, расположенной в определенном месте микрополоскового излучающего элемента 30, и цепи 28 короткого замыкания, соединяющей микрополосковый излучающий элемент 30 с противовесом 31. Для простоты изображения, но без отхода от общих принципов на чертеже показан конкретный случай многоуровневого противовеса 31, в котором несколько четырехугольных поверхностей соединены с электромагнитной связью с использованием непосредственного контакта, обеспечиваемого с помощью электропроводных полосок, при этом указанные многоугольники соединены между собой линией КЗП и меандровой линией. Более точно, многоуровневая структура сформирована из 5 прямоугольников, причем указанная многоуровневая структура соединена с прямоугольной поверхностью с помощью линии КЗП (8) и меандровой линии с двумя периодами. Для специалистов в данной области техники очевидно, что такие поверхности могут представлять собой любые другие многоугольники любого размера, соединенные любым другим способом, например с помощью любой другой кривой КЗП или даже с использованием емкостной связи. Для упрощения представлены поверхности, образующие указанный противовес, расположенные на общей плоской поверхности, но также можно использовать другие конформные конфигурации на криволинейных или изогнутых поверхностях.

В таком предпочтительном варианте выполнения кромки между соединенными прямоугольниками расположены параллельно или ортогонально, но это не обязательно. Кроме того, для обеспечения омического контакта между многоугольниками можно использовать несколько электропроводных полосок в соответствии с настоящим изобретением. Указанные полоски, соединяющие несколько многоугольников, могут быть расположены в центре зазоров, как показано на фиг.6 и на рисунках 2, 50, 51, 56, 57, 62, 65, или они могут быть расположены в нескольких положениях, как показано в других случаях, например на рисунках 52 или 58.

В некоторых предпочтительных вариантах выполнения более крупные прямоугольники имеют одинаковую ширину (например, фиг.1 и фиг.7), но в других предпочтительных вариантах выполнения это не так (см., например, рисунки 64-67 на фиг.8). Многоугольники и/или полоски в некоторых вариантах выполнения расположены линейно по отношению к прямой оси (см., например, рисунки 56 и 57), в то время как в других вариантах выполнения они расположены не по центру относительно указанной оси. Указанные полоски также могут быть расположены на кромках всего противовеса, как, например, показано на рисунке 55, и они могут даже быть расположены в виде зигзагообразной или меандровой структуры, как показано на рисунке 58, где полоски поочередно и последовательно расположены на двух более длинных кромках всего противовеса.

Некоторые варианты выполнения, такие, как показаны на рисунках 59 и 61, в которых несколько электропроводных поверхностей соединены с помощью нескольких полосок или электропроводных многоугольников, являются предпочтительными, когда требуется улучшить многополосное или широкополосное поведение антенны. Указанная компоновка из множества полосок позволяет получить множество резонансных частот, которые можно использовать как отдельные полосы или как широкую полосу, если они должным образом состыкованы вместе. Кроме того, указанное многополосное или широкополосное поведение может быть обеспечено путем подбора формы указанных полосок с различной длиной в пределах одного зазора.

В других предпочтительных вариантах выполнения электропроводные поверхности соединены с помощью полосок, выполненных в виде КЗП, как в примерах, показанных на фиг.3, 4, 5, 10, 11, 14 или 15. В указанных конфигурациях кривые КЗП могут занимать даже более 50% площади, занимаемой указанным противовесом, как, например, в случаях, представленных на фиг.14. В других случаях зазор между самими электропроводными поверхностями сформован в виде кривой КЗП, как показано на фиг.12 или 13. В некоторых вариантах выполнения кривые КЗП имеют размерность, определенную путем подсчета ячеек, больше единицы (по меньшей мере, в пределах одной октавы по оси абсцисс на графике с логарифмическим масштабом на обеих осях, который используют в алгоритме подсчета ячеек) и могут приближаться к так называемым кривым Гилберта или Пеано или даже к некоторым идеальным бесконечным кривым, известным как фрактальные кривые.

В другом предпочтительном варианте выполнения многоуровневого и заполняющего пространство противовеса используют конфигурацию несимметричного излучателя, которая показана на фиг.4. На фиг.4А представлена антенная система 32 известного уровня техники, состоящая из несимметричного излучающего элемента 33, расположенного над обычным противовесом 34 с непрерывной поверхностью. В патентах и научных публикациях известного уровня техники можно найти несколько различных видов непрерывных поверхностей, причем чаще всего используют круглые и прямоугольные. Однако в новой конфигурации противовеса в соответствии с настоящим изобретением можно использовать многоуровневые и заполняющие пространство структуры для улучшения уровня потерь на отражение или эффективности излучения или для повышения коэффициента усиления антенны или всех вышеуказанных характеристик в комбинации при одновременном уменьшении размеров антенны по сравнению с антеннами с непрерывным противовесом. На фиг.4В показана антенная система 35, построенная на основе несимметричного излучателя, состоящая из излучающего элемента 36 и многоуровневого и заполняющего пространство противовеса 37. Здесь плечо несимметричного излучателя 33 представлено в виде цилиндра, но очевидно, что вместо него можно использовать любую другую структуру (даже спиральную, зигзагообразную, меандровую, фрактальную или конфигурации в виде кривой КЗП и другие).

Для иллюстрации того, что на основе одного и того же принципа и сущности настоящего изобретения могут быть построены несколько модификаций антенны, на фиг.5 показан другой пример предпочтительного варианта выполнения, основанный на схеме микрополоскового излучателя. На фиг.5А показана антенная система 38, которая состоит из обычной антенны на основе микрополоскового излучателя с многоугольным микрополосковым излучателем 39 (квадратным, треугольным, пятиугольным, шестиугольным, прямоугольным или даже круглым, многоуровневым или фрактальным и так далее), и непрерывный противовес 40 обычного типа, выполненный в виде одной детали. На фиг.5В показана антенная система 41 на основе микрополоскового излучателя, которая состоит из излучающего элемента 42 (который может иметь любую форму или размер) и многоуровневого и заполняющего пространство противовеса 43. Противовес 43, показанный на чертеже, представляет собой только один из примеров применения многоуровневых и заполняющих пространство структур в противовесе. Предпочтительно антенна, противовес или оба эти элемента расположены на диэлектрической подложке. Такая конструкция может быть сформирована, например, с использованием технологии травления, которую применяют при производстве печатных плат, или путем печати антенны и противовеса на подложке с использованием электропроводных чернил. Подложка из диэлектрика с низким коэффициентом потерь (например, подложка из стекловолокна, тефлона, такого как Cuclad®, или из других коммерчески доступных материалов, таких как Rogers® 4003, хорошо известных в данной области техники) может быть установлена между указанным микрополосковым излучателем и противовесом. Вместо указанных выше могут быть использованы другие диэлектрические материалы с аналогичными свойствами, без отхода от целей настоящего изобретения. Вместо способа травления антенны и противовеса из меди или любого другого металла в качестве альтернативы также возможно изготовление антенной системы путем печати ее с использованием электропроводных чернил. Схема питания антенны может быть подключена в соответствии с любой из хорошо известных схем, также используемых в микрополосковых антеннах известного уровня техники, например с использованием коаксиального кабеля, внешний проводник которого соединен с противовесом и внутренний проводник соединен с микрополосковым излучающим элементом в точке, обеспечивающей требуемое входное сопротивление; микрополосковой линии передачи, для которой используется общий с антенной противовес, в которой полоска соединена с использованием емкостной связи с микрополосковым излучающим элементом и расположена на некотором расстоянии ниже микрополоскового излучающего элемента, или с использованием другого варианта выполнения, в котором полоска расположена ниже противовеса и связана с микрополосковым излучателем через щель, и даже с использованием микрополосковой линии передачи, которая проходит копланарно по отношению к микрополосковому излучателю. Все эти механизмы хорошо известны из известного уровня техники и не составляют существенную часть настоящего изобретения. Существенная часть настоящего изобретения направлена на форму противовеса (многоуровневого и/или заполняющего пространство), которая способствует уменьшению размеров по сравнению с конфигурациями известного уровня техники, а также расширению полосы пропускания антенны, улучшению показателя КСВН и эффективности излучения.

Интересно отметить, что преимущество структуры противовеса можно использовать при формировании излучающего элемента, по существу, аналогичным способом. При использовании этого способа получают симметричную или квазисимметричную конфигурацию, в которой комбинированный эффект резонансов противовеса и излучающего элемента используют для улучшения характеристик антенны. Конкретный пример микрополосковой (127) антенны и антенны с несимметричным излучателем (128) с использованием указанной конфигурации и конструкции, представленной на рисунке 61, изображен на фиг.19, но для специалистов в данной области техники будет очевидно, что вместо них можно использовать многие другие структуры (кроме показанной на рисунке 61) в пределах той же сущности настоящего изобретения. На рисунке 127 показана конкретная конфигурация с короткозамкнутым микрополосковым излучателем (129), который содержит замыкающий стержень, стержень 132 питания и указанный противовес 61, но другие конфигурации без использования замыкающего стержня, шпильки или полоски также входят в это семейство конструкций. В конкретной конструкции несимметричного излучателя (128) стержень питания обозначен номером 133.

Изобретение относится к новому семейству противовесов для антенн уменьшенного размера. Технический результат заключается в возможности регулирования уровня потерь на отражение, полосы пропускания, коэффициента усиления, эффективности излучения и частотных рабочих характеристик. Сущность изобретения состоит в том, что антенная система включает один или несколько электропроводных элементов, действующих в качестве излучающих элементов, и многоуровневый или заполняющий пространство противовес. Противовес имеет определенную структуру, которая влияет на рабочие характеристики антенны. Противовес может быть выполнен с уменьшенными размерами по сравнению с отражательными элементами антенн. 3 н. и 39 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Применение противовеса антенного устройства, содержащего две электропроводные поверхности, электромагнитно связанные между собой путем непосредственного соединения посредством по меньшей мере одной электропроводной полоски, или три, или более электропроводные поверхности, по меньшей мере две из которых электромагнитно связаны между собой путем непосредственного соединения посредством по меньшей мере одной электропроводной полоски, причем каждая из электропроводных поверхностей, не соединенных посредством электропроводных полосок, имеет емкостную связь по меньшей мере с одной электропроводной поверхностью, при этом емкостная связь образуется между кромками электропроводных поверхностей; каждая из электропроводных полосок выполнена более узкой по ширине, чем ширина любой из двух электропроводных поверхностей, соединенных этой полоской; для получения многополосного режима работы антенного устройства.2. Применение по п.1, при этом электропроводные поверхности расположены на общей плоской или криволинейной поверхности.3. Применение по п.1, при этом две кромки по меньшей мере двух из электропроводных поверхностей расположены, по существу, параллельно друг другу, а полоска, соединяющая две поверхности, расположена, по существу, в центре зазора, образованного двумя, по существу, параллельными кромками.4. Применение по п.1, при этом по меньшей мере две смежные электропроводные поверхности соединены с помощью по меньшей мере одной электропроводной полоски, а остальные пары смежных электропроводных поверхностей связаны емкостной связью.5. Применение по п.4, при этом полоски, по существу, выровнены вдоль общей прямой линии.6. Применение по п.4, при этом полоски не выровнены вдоль общей прямой.7. Применение по п.1, при этом противовес содержит по меньшей мере две электропроводных полоски, причем обе полоски соединяют по меньшей мере две из электропроводных поверхностей по меньшей мере в двух точках, расположенных на соответствующих кромках электропроводных поверхностей.8. Применение по п.1, при этом по меньшей мере одна из полосок расположена вдоль одной из кромок, образующих внешнюю границу противовеса.9. Применение по п.1, при этом каждая пара смежных электропроводных поверхностей соединена с использованием по меньшей мере одной электропроводной полоски.10. Применение по п.1, при этом все электропроводные поверхности имеют, по существу, прямоугольную форму, причем указанные прямоугольные формы последовательно расположены вдоль общей прямой линии, в каждой паре образован зазор между прямоугольными формами, и по меньшей мере одна пара противоположных кромок по меньшей мере одного из зазоров соединена с помощью по меньшей мере одной электропроводной полоски.11. Применение по п.1, при этом все электропроводные поверхности имеют одинаковую ширину по горизонтали и последовательно расположены вдоль прямой вертикальной оси, каждая пара расположенных рядом друг с другом электропроводных поверхностей имеет зазор между этими поверхностями, через который они соединены посредством электропроводной полоски, электропроводная полоска расположена вдоль кромки внешней границы противовеса, причем указанную кромку поочередно и последовательно выбирают с правой и левой стороны по отношению к вертикальной оси, пересекающей центр противовеса.12. Применение по п.1, при этом по меньшей мере одна из полосок, соединяющих две электропроводные поверхности, имеет зигзагообразную или меандровую форму.13. Применение по п.1, при этом по меньшей мере одна из электропроводных поверхностей и/или по меньшей мере одна из электропроводных полосок образована проводником в виде кривой, заполняющей пространство, причем указанная кривая, заполняющая пространство, представляет собой кривую, составленную по меньшей мере из десяти соединенных прямых сегментов, формирующих непериодический участок указанной кривой, причем указанные сегменты меньше, чем одна десятая рабочей длины волны в свободном пространстве, сегменты пространственно расположены так, что ни одна пара расположенных рядом друг с другом сегментов не образует прямой, более длинный сегмент, ни один из сегментов не пересекается с другим сегментом или пересекаются сегменты на концах кривой, для кривой, являющейся периодической вдоль фиксированного направления в пространстве, соответствующий период определен непериодическим участком, составленным по меньшей мере из десяти соединенных сегментов, причем ни одна пара расположенных рядом друг с другом соединенных сегментов не образует прямой, более длинный сегмент.14. Применение по п.13, при этом углы, сформированные каждой парой соседних сегментов, выполнены закругленными или сглаженными другим образом.15. Применение по п.13, при этом по меньшей мере один из участков противовеса образован проводником в виде кривой, заполняющей пространство, причем кривая, заполняющая пространство, имеет размерность, определяемую путем подсчета ячеек, больше единицы, а размерность, определяемую путем подсчета ячеек, вычисляют как наклон прямого участка графика с логарифмическим масштабом на обеих осях, причем такой прямой участок, по существу, определен как прямой участок в пределах по меньшей мере одной октавы шкалы горизонтальной оси графика с логарифмическим масштабом на обеих осях.16. Применение по п.13, при этом по меньшей мере один из участков противовеса образован проводником в виде кривой, заполняющей пространство, которая является одной из кривых Гилберта, Пеано, SZ, ZZ, HilbertZZ, Peanoinc, Peanodec или PeanoZZ.17. Применение по п.13, при этом по меньшей мере одна из полосок, соединяющих две электропроводные поверхности, образована проводником в виде кривой, заполняющей пространство.18. Применение по п.1, при этом по меньшей мере один из зазоров между по меньшей мере двумя электропроводными поверхностями содержит по меньшей мере две электропроводные полоски разной длины.19. Применение по п.13, при этом по меньшей мере часть зазора между по меньшей мере двумя электропроводными поверхностями, образована кривой, заполняющей пространство.20. Применение по п.13, при этом по меньшей мере 50% поверхности противовеса занимает полоска, причем полоска образована проводником в виде кривой, заполняющей пространство.21. Применение по п.1, при этом по меньшей мере часть противовеса имеет многоуровневую структуру, причем многоуровневая структура включает набор электропроводных многоугольников, имеющих одинаковое количество сторон, многоугольники электромагнитно связаны либо посредством емкостной связи либо путем непосредственного соединения, при этом область непосредственного соединения между соединенными многоугольниками составляет меньше 50% внешней границы указанных многоугольников по меньшей мере для 75% многоугольников, образующих противовес.22. Применение по п.1, при этом форма внешней границы противовеса, форма по меньшей мере одной из электропроводных поверхностей или форма обоих видов элементов, включенных в противовес, является квадратом, прямоугольником, треугольником, кругом, полукругом, эллипсом или полуэллипсом.23. Применение по п.1 в портативном беспроводном устройстве связи.24. Применение по п.1 в микрополосковой антенне.25. Применение по п.1 в планарной антенне в виде перевернутой F.26. Применение по п.25 в портативном терминале, содержащем планарную антенну в виде перевернутой F.27. Применение по п.25 или 26, при этом антенна содержит точку (29) питания, соединенную с антенным элементом (30), образующим излучающий элемент антенны, и цепь (28) короткого замыкания, соединяющую антенный элемент (30) с противовесом (31).28. Применение по п.1, в несимметричной антенне.29. Применение по п.1 в антенне, которая меньше, чем половина рабочей длины волны в свободном пространстве.30. Применение по п.1, при котором обеспечивается работа антенны в многополосном режиме.31. Применение по п.1 в антенне, которая выполнена для обеспечения перекрытия зоны обслуживания по меньшей мере в одной из сотовых систем AMPS, GSM900, PCS1900, UMTS, CDMA или по меньшей мере в одной системе WLAN, такой как IEEE 802.11, Bluetooth, или их комбинации.32. Применение по п.1 в антенне, которая установлена внутри зеркала заднего вида транспортного средства для обеспечения перекрытия зоны обслуживания по меньшей мере в одной из сотовых систем AMPS, GSM900, PCS1900, UMTS, CDMA или по меньшей мере в одной системе WLAN, такой как IEEE 802.11, Bluetooth, или их комбинации.33. Применение по п.1 в антенне, которая установлена внутри рабочего устройства дверного замка, открываемого без ключа.34. Применение по п.1 в антенном устройстве, содержащем излучающий элемент, который имеет, по существу, такую же форму, что и противовес, причем излучающий элемент расположен параллельно или ортогонально по отношению к противовесу.35. Применение по п.1, при этом противовес расположен или напечатан на печатной плате.36. Применение по п.35, при этом печатная плата изготовлена из диэлектрической подложки из стекловолокна.37. Применение по п.1, при этом дополнительно обеспечивается расширение полосы пропускания антенны.38. Применение по п.1, при этом дополнительно обеспечивается улучшение у антенны коэффициента стоячей волны по напряжению.39. Применение по п.1, при этом дополнительно обеспечивается уменьшение размеров антенны.40. Антенное устройство, содержащее противовес, применяемый по любому из пп.1-39.41. Портативное беспроводное устройство связи, содержащее антенное устройство по п.40.42. Портативное беспроводное устройство связи по п.41, которое представляет собой устройство, выбранное из следующей группы устройств: сотовые телефоны, радиотелефоны, КПК, электронные пейджеры, электронные игры, пульты дистанционного управления.