ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ДИПОЛЬНАЯ АНТЕННА Российский патент 2016 года по МПК H01Q1/36 H01Q21/26 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к электромагнитной дипольной антенне и, в частности, к миниатюризированной беспроводной антенне для системы мобильной связи.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Быстрое развитие и применение технологий мобильной связи фактически способствует развитию современной связи по направлению к миниатюризации, интеграции и многофункциональности (многополосности, множественной поляризации и универсальности). Антенна является одной из наиболее важных частей в системе беспроводной связи, и размер антенны становится одним из узких мест, которые ограничивают дополнительную миниатюризацию систем связи. Вследствие этого, конструирование миниатюризированных, интегрированных и многофункциональных антенн в настоящее время стало центром исследования антенной промышленности.

[0003] Имеется много документов о миниатюризированных многополосных антеннах, опубликованных в этой стране и за рубежом, среди которых «Influence of Miniaturized Base Station Antennas», опубликованная в «Information Technology» 25 декабря 2011 г., является самой типичной статьей. Эта статья в основном представляет трехполосную антенну базовой станции, которая может применяться на 806-960 МГц, 1710-2170 МГц и 1710-2170 МГц. Размер антенны равен 1340 мм ×380 мм ×380 мм. Однако для новой системы связи с увеличивающимся требованием к миниатюризации антенны такая антенна все же является чрезмерно большой, и миниатюризированные антенны, особенно миниатюризированные антенны низкопрофильного вида, должны быть дополнительно исследованы таким образом, чтобы облегчить размещение и установку антенн.

[0004] «Dual-Polarized Magneto-Electric Dipole With Dielectric Loading» - статья, опубликованная в «IEEE TRANS ON AP», vol. 57, №3, March 2009. Структура электромагнитной дипольной антенны, упомянутой в статье, изображена на фиг.1. Фиг. 1 - схематическая диаграмма электромагнитной дипольной антенны в предшествующем уровне техники, на которой структура включает в себя традиционный электрический диполь 102 и L-образный магнитный диполь 103, 101 - металлическая «земля» и 104 - интерфейс, через который радиочастотный электрический сигнал проходит через разъем SMA.

[0005] Несмотря на то, что антенна, изображенная на фиг.1, имеет большую толщину, ее трудно обрабатывать.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют электромагнитную дипольную антенну, включающую в себя устройство излучения антенны и металлическую «землю», при этом устройство излучения антенны в основном включает в себя вертикальный электрический диполь и горизонтальный магнитный диполь, при этом вертикальный электрический диполь и горизонтальный магнитный диполь совместно формируют структуру электромагнитного соединения.

[0007] Настоящее изобретение представляет электромагнитную дипольную антенну, которая может применяться в системе беспроводной связи. Антенна является малоразмерной и низкопрофильной и может покрывать множество полос частот, а также может оптимально покрывать определенную полосу частот.

[0008] Антенна, предоставленная в настоящем изобретении, в основном включает в себя устройство излучения антенны, металлическую «землю» и структуру электромагнитного соединения, при этом структура электромагнитного соединения расположена между устройством излучения антенны и металлической «землей».

[0009] Устройство излучения антенны включает в себя группу вертикальных электрических диполей и группу горизонтальных магнитных диполей, при этом электромагнитное соединение осуществлено между вертикальным электрическим диполем и горизонтальным магнитным диполем через диэлектрик. Металлическая «земля» может иметь планарную структуру «земли» и может также иметь непланарную структуру «земли».

[0010] Группа вертикальных электрических диполей в основном включает в себя n1 Т-образных структур схем возбуждения. Каждая Т-образная структура схемы возбуждения сформирована с помощью горизонтальной проводящей структуры в виде шляпки и металлической стержневидной структуры, при этом горизонтальная проводящая структура в виде шляпки помещена наверху, а металлическая стержневидная структура вертикально электрически соединена с горизонтальной проводящей структурой в виде шляпки. В частных вариантах осуществления число n1 вертикальных электрических диполей, стержневидных структур и структур в виде шляпок могут быть оптимизированы.

[0011] Группа горизонтальных магнитных диполей включает в себя несколько горизонтальных замкнутых плоских металлических кольцевых структур, или крестообразную проводящую полосковую структуру, соединенную с кольцевыми структурами, описанными выше, при этом каждый горизонтальный магнитный диполь в основном включает в себя один или более слоев металлических проводящих полосок, и каждый слой металлической проводящей полоски может быть сформирован с помощью замкнутого плоского металлического кольца, диэлектрический заполняющий материал может быть заложен между слоями металлических проводящих полосок, и металлические проводящие полоски могут электрически соединяться через металлическое переходное отверстие.

[0012] Процесс работы антенны является следующим: р1 источников возбуждения осуществляют электрическое возбуждение в электрическом диполе через пространственную структуру, помещенную между нижним слоем и основанием Т-образной структуры, часть шляпки Т-образных структур схем возбуждения осуществляет электромагнитное соединение с горизонтальными магнитными диполями через диэлектрик, и при совместном действии вышеупомянутых источников возбуждения и части шляпки осуществляется излучение электромагнитной энергии.

[0013] Логическая схематическая диаграмма миниатюризированной электромагнитной дипольной антенны, содержащейся в настоящем изобретении, изображена на фиг.10.

[0014] Низкопрофильный механизм антенны, предоставленной в настоящем изобретении, является следующим: в соответствии с принципом дуализма электромагнитного поля, отраженный магнитный ток горизонтального магнитного диполя над пластиной хорошего проводника проходит в том же направлении, что и магнитный ток (магнитный ток источника для краткости) горизонтального магнитного диполя, вследствие этого, электромагнитные поля, которые создаются в половине пространства, где расположены источники возбуждения, могут изображаться с помощью 2-х элементной решетки, сформированной с помощью магнитного тока источника и отраженного магнитного тока горизонтального магнитного диполя. Когда интервал 2-х элементной решетки меньше, чем половина длины волны, то есть интервал между магнитным диполем и хорошим проводником меньше четверти длины волны, электромагнитные поля, создаваемые с помощью решетки, описанной выше, усиливаются посредством суперпозиции. Вследствие этого, при использовании горизонтального магнитного диполя над хорошим проводником может быть осуществлена низкопрофильность.

[0015] Широкополосный механизм антенны, предоставленной в настоящем изобретении, является следующим: горизонтальный магнитный диполь, сформированный с помощью нескольких горизонтальных замкнутых плоских металлических колец или крестообразной проводящей полоски, соединенной с кольцевыми структурами, описанными выше, является многорежимным излучателем, и каждый режим излучения многорежимного излучателя соответствует одной резонансной частоте, при этом половина длины окружности одного металлического кольца горизонтального магнитного диполя соответствует минимальной резонансной частоте излучателя, а половина длины крестообразной проводящей полоски, соединенной с кольцевыми структурами, описанными выше, соответствует максимальной резонансной частоте излучателя. Вследствие этого, с одной стороны, горизонтальный магнитный диполь, предоставленный в настоящем изобретении, может осуществлять электромагнитное излучение в широком диапазоне частот, а с другой стороны, вертикальный электрический диполь может рассматриваться как несимметричная антенна с верхней частью, подлежащей электромагнитной нагрузке, и используемая для передачи и излучения электромагнитных волн. Поскольку эффект нагрузки является очевидным, электромагнитное соединение между вертикальным электрическим диполем и горизонтальным магнитным диполем является главным фактором передачи энергии в антенне. Электромагнитное соединение также имеет эффект изменений импеданса между вертикальным электрическим диполем и горизонтальным магнитным диполем, таким образом, расширяя ширину полосы импеданса антенны.

[0016] Механизм +-45-градусной двойной поляризации антенны, предоставленной в настоящем изобретении, является следующим: в настоящем изобретении применяются четырехпортовые структуры схем возбуждения, которые используют геометрически центральную точку как центр симметрии, и последовательно принимают угловую разность, равную 90 градусов, в горизонтальном направлении, и применяется режим возбуждения, в котором диагональные порты являются парами портов дифференциального возбуждения, таким образом, обеспечивая излучение электромагнитных волн +-45-градусной двойной поляризации.

[0017] Механизм способности сохранения формы антенны, предоставленной в настоящем изобретении, является следующим: для того чтобы дополнительно увеличить ширину полосы частот диаграммы направленности излучения устройства излучения, то есть увеличить способность сохранения формы диаграммы направленности излучения устройства излучения, применяется восьмиугольный металлический патч-излучатель с центральным круглым отверстием, который добавляется на верхнем слое восьмиугольного металлического кольца, таким образом, что путь тока, первоначально ограниченный поверхностью восьмиугольного металлического кольца, увеличивается до пути тока на поверхности восьмиугольного металлического кольца и пути тока на восьмиугольном металлическом патч-излучателе, таким образом, увеличивая число путей тока на поверхности устройства излучения, и способствуя увеличению способности сохранения формы диаграммы направленности излучения на разных частотах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0018] Чтобы описать технические решения в вариантах осуществления настоящего изобретения более понятно, последующее кратко представляет сопровождающие чертежи, необходимые для описания вариантов осуществления или предшествующего уровня техники. Очевидно, сопровождающие чертежи в следующем описании изображают только некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, и специалист в данной области техники может, тем не менее, получить аналогичные решения из этих сопровождающих чертежей без творческих усилий.

[0019] Фиг. 1 - схематическая диаграмма электромагнитной дипольной антенны в предшествующем уровне техники.

[0020] Фиг. 2 - физическая схематическая диаграмма электромагнитной дипольной антенны в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0021] Фиг. 3 - схематическая диаграмма вертикальных электрических диполей в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0022] Фиг. 4 - схематическая структурная диаграмма горизонтального магнитного диполя с удаленной верхней металлической проводящей полоской в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0023] Фиг. 5 - схематическая диаграмма верхней металлической проводящей полоски на одном горизонтальном магнитном диполе в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0024] Фиг. 6 - кривая коэффициента стоячей волны электромагнитной дипольной антенны в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0025] Фиг. 7 - диаграмма направленности электромагнитной дипольной антенны на 1,8 ГГц в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0026] Фиг. 8 - диаграмма направленности электромагнитной дипольной антенны на 2,1 ГГц в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0027] Фиг. 9 - диаграмма направленности электромагнитной дипольной антенны на 2,4 ГГц в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0028] Фиг. 10 - схематическая диаграмма принципов работы электромагнитной дипольной антенны.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0029] Последующее понятно и полностью описывает технические решения в вариантах осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи в вариантах осуществления настоящего изобретения. Очевидно, описанные варианты осуществления являются только частью, а не всеми из вариантов осуществления настоящего изобретения. Все другие варианты осуществления, полученные специалистом в данной области техники на основе вариантов осуществления настоящего изобретения без творческих усилий, находятся в рамках объема охраны настоящего изобретения.

[0030] Настоящее изобретение представляет электромагнитную дипольную антенну, которая может применяться в системе беспроводной связи, такой как базовая станция. Размер антенны может быть уменьшен до 65 мм ×65 мм ×23 мм, и антенна может покрывать множество полос частот, таких как 1,8 ГГц, 2,1 ГГц и 2,4 ГГц.

[0031] Фиг. 2 - физическая схематическая диаграмма электромагнитной дипольной антенны в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Как изображено на фиг. 2, электромагнитная дипольная антенна в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения включает в себя устройство 210 излучения антенны и металлическую «землю» 220. Устройство 210 излучения антенны включает в себя группу 230 вертикальных электрических диполей и группу 240 горизонтальных магнитных диполей. Группа 230 вертикальных электрических диполей и группа 240 горизонтальных магнитных диполей 250 формируют структуру 250 электромагнитного соединения.

[0032] Металлическая «земля» 220 имеет квадратную плоскую структуру и может быть 150 мм ×150 мм ×1 мм по размеру.

[0033] Фиг. 3 - схематическая диаграмма вертикальных электрических диполей в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Группа вертикальных электрических диполей, сформированная с помощью четырех электрических диполей, изображена на фиг. 3. Каждый вертикальный электрический диполь является Т-образной структурой 330, и Т-образная структура 330 сформирована с помощью горизонтальной проводящей структуры 331 в виде шляпки, помещенной наверху, и металлической стержневидной структуры 332, электрически соединенной с горизонтальной проводящей структурой 331 в виде шляпки. В варианте осуществления металлическая стержневидная структура 332 может быть цилиндрической с радиусом 1,29 мм, и 17,6 мм. Горизонтальная проводящая структура 331 в виде шляпки может быть диском с радиусом 5,3 мм и толщиной 0,5 мм.

[0034] Фиг. 4 - схематическая структурная диаграмма горизонтального магнитного диполя с удаленной верхней металлической проводящей полоской в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Как изображено на фиг. 4, горизонтальный магнитный диполь является горизонтальной замкнутой плоской металлической кольцевой структурой. Фиг. 4 изображает только восьмиугольное металлическое кольцо 441 и нижнюю металлическую проводящую полоску 442 горизонтального магнитного диполя. Нижняя металлическая проводящая полоска 442 является крестообразной. Металлическое кольцо 441 равно 27,4 мм по внешнему диаметру и 3,64 мм в ширину.

[0035] Фиг. 5 - схематическая диаграмма верхней металлической проводящей полоски на одном горизонтальном магнитном диполе в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Как изображено на фиг. 5, верхняя металлическая проводящая полоска 543 на горизонтальном магнитном диполе также является крестообразной проводящей полоской. Переходное отверстие 544 расположено на хвостовом конце верхней металлической проводящей полоски 544, и верхняя металлическая проводящая полоска 543 электрически соединена с металлическим кольцом 441 через переходное отверстие 544. Ссылаясь на фиг. 2, диэлектрический материал с диэлектрической постоянной 2,55 заложен между двумя слоями металлических проводящих полосок.

[0036] Коэффициент стоячей волны электромагнитной дипольной антенны в соответствии с вариантом осуществления: кривая параметра S11 изображена на фиг. 6. Фиг. 6 - кривая коэффициента стоячей волны электромагнитной дипольной антенны в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, на которой параметр меньше -10 дБ на базовых частотах, таких как 1,8 ГГц, 2,1 ГГц и 2,4 ГГц. Параметр может регулироваться, чтобы быть меньше -14, через цепь обратной связи, таким образом, чтобы удовлетворять требованиям антенны базовой станции макросоты.

[0037] Фиг. 7, фиг. 8 и фиг. 9 - диаграммы направленности электромагнитной дипольной антенны на 1,8 ГГц, 2,1 ГГц и 2,4 ГГц в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, при этом Фиг. 7 - диаграмма направленности электромагнитной дипольной антенны на 1,8 ГГц в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, фиг. 8 - диаграмма направленности электромагнитной дипольной антенны на 2,1 ГГц в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения и фиг. 9 - диаграмма направленности электромагнитной дипольной антенны на 2,4 ГГц в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0038] Фиг. 10 - схематическая диаграмма принципов работы электромагнитной дипольной антенны. Фиг. 10 - схематическая диаграмма принципов работы электромагнитной дипольной антенны в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Группа 1030 вертикальных электрических диполей включает в себя n1 Т-образных структур. В частном варианте осуществления число n1 вертикальных электрических диполей может регулироваться соответствующим образом. Формы металлической стержневидной структуры и горизонтальной проводящей структуры в виде шляпки могут регулироваться соответствующим образом.

[0039] Группа 1040 горизонтальных магнитных диполей может включать в себя металлическое кольцо и металлическую проводящую полоску, при этом металлическая проводящая полоска является крестообразной. Металлическое кольцо может быть сформировано с помощью слоя металла, а может быть также сформировано с помощью множества слоев металлов, и диэлектрический заполняющий материал может быть заложен между слоями металлов. Одна металлическая проводящая полоска может включать в себя только слой металла, а может также включать в себя два слоя металлов или даже множество слоев металлов, и диэлектрический заполняющий материал может быть заложен между слоями металлов проводящей полоски. Металлическая проводящая полоска и металлическое кольцо электрически соединены через переходные отверстия.

[0040] Группа горизонтальных магнитных диполей может быть сформирована с помощью множества горизонтальных замкнутых плоских металлических кольцевых структур.

[0041] Электромагнитное соединение между вертикальным электрическим диполем и горизонтальным магнитным диполем осуществлено через диэлектрик. Металлическая «земля» может иметь планарную структуру, а может также иметь непланарную структуру.

[0042] Процесс работы антенны является следующим: p1 источников возбуждения осуществляют электромагнитное возбуждение в электрических диполях, помещенных на металлическую землю 1020 и T-образную структуру, горизонтальные проводящие структуры в виде шляпок T-образной структуры осуществляют электромагнитное соединение с горизонтальными магнитными диполями через диэлектрик, и при совместном действии вышеупомянутых источников возбуждения и горизонтальных проводящих структур в виде шляпок осуществляется излучение электромагнитной энергии электромагнитного диполя.

[0043] Специалист в данной области техники может понять, что структуры, раскрытые в настоящей заявке, являются только иллюстративными. Помимо содержания, перечисленного выше, структуры могут быть изменены соответствующим образом в соответствии с потребностями частных применений. Специалист в данной области техники может использовать разные структуры для каждого частного применения, но не следует считать, что осуществления проходят за пределами рамок объема настоящего изобретения.

[0044] Несмотря на то, что описаны некоторые варианты настоящего изобретения, специалист в данной области техники должен понять, что различные модификации могут быть сделаны в эти варианты осуществления, не отступая от принципов и сущности настоящего изобретения, и все модификации будут находиться в рамках объема настоящего изобретения.

Изобретение относится к антенной технике. Технический результат - преимущества малого размера и низкопрофильности, способствующие простоте обработки антенны. Для этого электромагнитная дипольная антенна включает в себя устройство излучения антенны и металлическую «землю», причем устройство излучения антенны в целом включает в себя вертикальный электрический диполь и горизонтальный магнитный диполь, причем вертикальный электрический диполь и горизонтальный магнитный диполь совместно формируют структуру электромагнитного соединения. 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Электромагнитная дипольная антенна, содержащая устройство излучения антенны и металлическую «землю», причем устройство излучения антенны содержит четыре вертикальные Т-образные структуры и горизонтальную структуру, причем упомянутые четыре вертикальные Т-образные структуры и горизонтальная структура совместно формируют структуру электромагнитного соединения;
причем горизонтальная структура содержит горизонтальную замкнутую плоскую металлическую кольцевую структуру и металлическую проводящую полоску, электрически соединенную с горизонтальной замкнутой плоской металлической кольцевой структурой;
причем металлическая проводящая полоска содержит верхнюю металлическую проводящую полоску и нижнюю металлическую проводящую полоску, которые обе являются крестообразными, причем нижняя металлическая проводящая полоска электрически соединена с горизонтальной замкнутой плоской металлической кольцевой структурой, а верхняя металлическая проводящая полоска электрически соединена с горизонтальной замкнутой плоской металлической кольцевой структурой через четыре переходных отверстия.

2. Антенна по п. 1, в которой Т-образная структура сформирована с помощью горизонтальной проводящей структуры в виде шляпки и металлической стержневидной структуры, и причем металлическая стержневидная структура вертикально электрически соединена с горизонтальной проводящей структурой в виде шляпки.

3. Антенна по п. 2, в которой между горизонтальной проводящей структурой в виде шляпки и горизонтальной замкнутой плоской металлической кольцевой структурой заложен первый диэлектрик.

4. Антенна по п. 1, в которой горизонтальная замкнутая плоская металлическая кольцевая структура содержит, по меньшей мере, два слоя металлов и между этими слоями металлов заложен второй диэлектрик.

5. Антенна по п. 4, в которой металлическая проводящая полоска содержит, по меньшей мере, два слоя металлов и между этими слоями металлов заложен третий диэлектрик.

6. Антенна по п. 1, в которой электромагнитное соединение осуществлено между вертикальными Т-образными структурами и горизонтальной структурой через диэлектрик.