АНТЕННЫЙ БЛОК ДЛЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО УСТРОЙСТВА И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2018 года по МПК H01Q1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области связи, более конкретно к устройствам связи, в частности к антенному блоку для телекоммуникационного устройства и телекоммуникационному устройству, которые могут быть использованы в сетях связи 5-го поколения.

Уровень техники

Сеть связи 5 поколения (5G) представляет собой телекоммуникационный стандарт связи нового поколения. Все современные устройства, которые имеют доступ в Интернет, сейчас используют 3G и 4G (LTE). Стандарт нового поколения должен позволить пользователям тратить как можно меньше времени на то, чтобы получить искомое в сети Интернет. Стандарт пятого поколения работает на миллиметровых волнах, при этом дальность сигнала 5G значительно меньше дальности 4G.

Известно решение US 8760352 B2 (опубл. 2005-10-04), в котором описывается мобильное устройство и его антенная решетка. В решении US 8760352 B2 описывается низкопрофильная антенна, содержащая чередующиеся элементы TX/RX антенны, которые обеспечивают охват в продольном (в плоскости телефона) и поперечном (перпендикулярно плоскости телефона) направлении. Антенна используется в технологии LTCC.

Однако данное решение не может быть реализовано в мобильном устройстве с металлическим корпусом, так как электромагнитное излучение искажается металлическим корпусом.

Известно решение US 3225351 (опубл. 1965-12-21), в котором описывается полосковая антенна с вертикальной поляризацией для системы управления полетом по глиссаде. В этом решении описывается антенная решетка бегущей волны для направления самолета на взлетно-посадочную полосу.

Однако данное решение, хотя и использует аналогичный принцип, не может быть перенесено в область технологии мобильной связи, так как в нем не реализована возможность сканирования пространства, оно не может быть перенесено с возможностью функционирования в мобильное устройство с металлическим корпусом. Кроме того, размеры антенны в данном решении составляют 2-3 длины волны, что больше, чем в разработанном решении.

Известно решение US 7595765 B1 (опубл. 2009-09-29), в котором описывается встроенная антенна поверхностных волн с улучшенным функционированием в частотной полосе и улучшенными параметрами излучения.

В этом решении обеспечены встроенные антенные элементы поверхностных волн, содержащие различные диэлектрические материалы. Различные диэлектрические материалы могут быть расположены рядом с местом запитки, чтобы избежать нежелательных отражений от антенных элементов. Кроме того, или в качестве альтернативы, различные диэлектрические материалы могут быть выполнены с возможностью изменять скорость передачи энергии через антенный элемент и таким образом формировать диаграмму направленности антенны. Управление диаграммой направленности может дополнительно осуществляться посредством задания контура плоскости основы антенного элемента в области линзы антенного элемента.

Однако это решение сложно в реализации, не может осуществлять сканирования и имеет большие размеры, что является существенным недостатком в области мобильных телекоммуникационных устройств. Также оно предназначено для излучения в основном в поперечном направлении и его сложно встраивать в металлический корпус мобильного устройства.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном аспекте изобретения раскрыт антенный блок для телекоммуникационного устройства, выполненного с возможностью беспроводной связи, содержащий:

- диэлектрическую подложку,

- диэлектрическое покрытие на диэлектрической подложке,

- антенную решетку, содержащую антенные элементы, размещенные в диэлектрической подложке, и выполненную с возможностью формировать излучение и передавать излучение для создания бегущей волны, распространяющейся по диэлектрической подложке и диэлектрическому покрытию,

- по меньшей мере один элементы пространственного согласования с диэлектрическим покрытием, выполненный в диэлектрической подложке и связанный с антенным элементом, при этом указанный элемент пространственного согласования выполнен с возможностью пространственного согласования антенной решетки с диэлектрическим покрытием и уменьшения отражения излучения от диэлектрического покрытия при распространении излучения от антенной решетки.

Антенный блок может дополнительно включать в себя металлическую рамку телекоммуникационного устройства, выполненного с возможностью беспроводной связи, сконфигурированную для согласования волн, распространяющихся в диэлектрическом покрытии, с окружающим пространством.

Антенная решетка может быть образована полосковыми антенными элементами.

По меньшей мере один элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием предпочтительно выполнен так, чтобы в поперечном сечении иметь форму трапеции.

Элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием в одном из вариантов выполнения может состоять из первой, второй и третьей частей, причем

первая часть выполнена с возможностью согласования антенной решетки с диэлектрическим покрытием, обеспечивая минимальный коэффициент стоячей волны посредством плавного перехода излучения от антенной решетки в диэлектрическое покрытие,

вторая часть представляет собой диэлектрический волновод,

третья часть выполнена с возможностью обеспечения минимальных отражений от границ элемента пространственного согласования с диэлектрическим покрытием.

Диэлектрическое покрытие может быть выполнено из материала, который имеет диэлектрическую проницаемость ε₁, которая больше, чем диэлектрическая проницаемость ε₂ материала диэлектрической подложки антенны.

В другом аспекте изобретения раскрыто телекоммуникационное устройство, выполненное с возможностью беспроводной связи, содержащее:

- корпус устройства с металлической рамкой,

- диэлектрическую подложку, содержащую функциональные блоки для осуществления связи, закрепленную в корпусе устройства,

- диэлектрическое покрытие на диэлектрической подложке,

- антенную решетку, содержащую антенные элементы, размещенные в диэлектрической подложке, и выполненную с возможностью формировать излучение и передавать излучение для создания бегущей волны, распространяющейся по диэлектрической подложке и диэлектрическому покрытию,

- по меньшей мере один элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием, выполненный в диэлектрической подложке и связанный с антенным элементом, при этом указанный элемент пространственного согласования выполнен с возможностью пространственного согласования антенной решетки с диэлектрическим покрытием и уменьшения отражения излучения от диэлектрического покрытия при распространении излучения от антенной решетки.

Антенная решетка телекоммуникационного устройства может быть образована полосковыми антенными элементами.

По меньшей мере один элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием в предпочтительном варианте выполнения может иметь в поперечном сечении форму трапеции.

Элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием телекоммуникационного устройства может состоять из первой, второй и третьей частей, причем

первая часть выполнена с возможностью согласования антенной решетки с диэлектрическим покрытием, обеспечивая минимальный коэффициент стоячей волны посредством плавного перехода излучения от антенной решетки в диэлектрическое покрытие,

вторая часть представляет собой диэлектрический волновод,

третья часть выполнена с возможностью обеспечения минимальных отражений от границ элемента пространственного согласования с диэлектрическим покрытием.

Параметры третьей части элемента пространственного согласования определяются высотой металлической рамки.

Диэлектрическое покрытие может иметь диэлектрическую проницаемость ε₁, которая больше, чем диэлектрическая проницаемость ε₂ диэлектрической подложки антенны.

Диэлектрическая подложка может являться диэлектрической подложкой печатной платы телекоммуникационного устройства, при этом печатная плата содержит функциональные блоки для осуществления связи, и антенная решетка выполнена в диэлектрической подложке печатной платы.

Элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием также может быть выполнен в диэлектрической подложке печатной платы.

В одном из вариантов выполнения элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием может быть выполнен в многослойной печатной плате. Форма элемента пространственного согласования может быть обеспечена посредством межслойных металлизированных отверстий в печатной плате.

Сущность изобретения заключается в том, что в антенне возбуждаются бегущие волны, которые распространяются по диэлектрической подложке и диэлектрическому покрытию, огибают металлическую рамку корпуса устройства беспроводной связи и излучаются в направлении, которое соответствует направлению вдоль плоскости дисплея телекоммуникационного устройства (в продольном направлении) (см. фиг.1).

Технический результат, достигаемый решением, заключается в обеспечении формирования направленности излучения антенны, повышении диапазона сканирования, повышении эффективности антенны миллиметрового диапазона, уменьшении потерь сигнала, легкости использования в телекоммуникационных устройствах с металлической рамкой корпуса, улучшении связи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 показывает направления излучения от антенны телекоммуникационного устройства связи.

Фиг.2 показывает массив микрополосковых излучателей антенной решетки на виде сверху телекоммуникационного устройства.

Фиг.3 показывает боковой вид антенной решетки.

Фиг.4 показывает реализацию элемента пространственного согласования с диэлектрическим покрытием в виде пространственного преобразователя, размещенного в диэлектрической подложке.

Фиг.5 показывает эквивалентную электрическую схему излучателя и ее связь с элементами излучателя.

Фиг.6 показывает геометрические параметры элементов антенного блока.

Фиг.7а показывает график зависимости усиления антенны от направления излучения для случая без согласования антенны с окружающим пространством.

Фиг.7б показывает график зависимости усиления антенны от направления излучения для случая с предложенным согласованием антенны с окружающим пространством.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью заявленного решения является создание антенного блока, который может быть размещен в корпусе телекоммуникационного устройства, в том числе в корпусе с металлической рамкой, обеспечивающего работу по стандарту 5G, 60GHz, WiGig и др. и при этом обеспечивающего охват требуемых направлений распространения сигнала антенной решетки телекоммуникационного устройства. Поперечное направление - это направление, перпендикулярное плоскости дисплея телекоммуникационного устройства, а продольное направление - это направление, которое параллельно плоскости дисплея телекоммуникационного устройства.

Наиболее важными элементами, обеспечивающими достижение заявленной цели, являются антенна бегущей волны, имеющая множество антенных элементов и множество элементов, которые служат элементами пространственного согласования антенны с диэлектрическим покрытием, которые размещены на краю антенны бегущей волны и связаны с антенными элементами. Элемент пространственного согласования принимает, без отражений, излучение от антенны, преобразует и перенаправляет это излучение в свободное пространство в заданном направлении. Антенный элемент примыкает к элементу согласования, в частности может быть соединен с антенным элементом для получения контакта с ним. Антенный элемент и элемент пространственного согласования, который представляет собой волноведущую область, необходимую для формирования излучения антенны в заданном направлении, могут быть выполнены в подложке в одном процессе изготовления, например могут быть выполнены в печатной плате телекоммуникационного устройства в одном процессе изготовления печатной платы.

Элементы пространственного согласования могут быть объединены, так что стенки между ними отсутствуют, и образуется один большой элемент пространственного согласования на все излучатели, связанный со всеми антенными элементами.

Антенна размещена в диэлектрической подложке и покрыта диэлектрическим материалом, который является замедляющей структурой для возбужденных волн, при этом покрытие из диэлектрического материала может представлять собой дисплей телекоммуникационного устройства, например мобильного устройства связи.

Поскольку материал диэлектрического покрытия имеет большую диэлектрическую проницаемость, чем материал диэлектрической подложки, в которой размещены антенные элементы и элементы пространственного согласования (пространственные преобразователи), он является замедляющей структурой для электромагнитных волн, возбужденных антенной решеткой. Поэтому, так как для покрытия соблюдаются условия, определяющие его как диэлектрический волновод (в основном параметры диэлектрической проницаемости и высоты покрытия), удается направить электромагнитные волны в продольном направлении в структуре диэлектрического покрытия и уменьшить излучение в поперечном направлении.

Разработанное решение обеспечивает возможность эффективного использования антенны миллиметрового диапазона, встроенной в телекоммуникационные устройства и другие устройства связи с металлическим корпусом или металлической рамкой корпуса.

Телекоммуникационное устройство, выполненное с возможностью беспроводной связи, имеющее заявленный антенный блок, может представлять собой любое устройство мобильной связи, например мобильный телефон, планшетный компьютер с возможностью осуществления беспроводной связи, ноутбук, ультрабук, КПК, устройство отображения, выполненное с возможностью беспроводной связи, или любое иное устройство, имеющее дисплей и возможность размещения антенной решетки в корпусе телекоммуникационного устройства.

Антенный блок может быть встроен в блок связи телекоммуникационного устройства. Функционально блок связи телекоммуникационного устройства содержит источник излучения, блок питания, блок предоставления информации, блок пользовательского ввода и иные блоки, необходимые для реализации его назначения. Источник излучения осуществляет передачу и прием сигналов пользовательского ввода, состоит из преобразователей информации, получаемой от пользователя, в сигналы, пригодные для передачи на соответствующие устройства приема. Блок предоставления информации, может, в частности, содержать дисплей, отображающий пользователю необходимую для осуществления связи информацию, и громкоговоритель. Блок пользовательского ввода может включать в себя микрофон, клавиатуру, дисплей и любой другой блок, подходящий для приема информации от пользователя и направления ее в блок связи. Блок питания осуществляет подачу энергии для работы вышеупомянутых блоков.

Благодаря использованию антенны бегущей волны согласно изобретению происходит огибание волной металлического корпуса телекоммуникационного устройства, что обеспечивает возможность излучения в продольном направлении. При этом нет необходимости делать в металлическом корпусе какие-либо окна или разрывы, нарушающие цельность корпуса.

Схематично структура предложенного антенного блока поясняется на фиг.2, на которой показан вид сверху на антенный блок телекоммуникационного устройства, содержащего металлический корпус 2. Антенный блок имеет решетку антенных элементов - микрополосковых излучателей 3, которые покрыты диэлектриком, и элементы 4 пространственного согласования антенны с диэлектрическим покрытием, в данном случае - с дисплеем. В качестве варианта выполнения, не показанного на фигурах, элементы 4 пространственного согласования антенны могут быть объединены в единую область согласования. Элементы пространственного согласования могут примыкать друг к другу. Таким образом, формируется единая, общая область, где излучение от антенны перенаправляется в заданном направлении без искажений. Как уже указывалось, в другом варианте выполнения элементы пространственного согласования могут быть объединены, так что стенки между ними отсутствуют, и образуется один большой элемент пространственного согласования на все излучатели.

Диэлектрический материал покрытия может представлять собой дисплей телекоммуникационного устройства и выполнять функцию диэлектрического волновода, покрывающего антенную решетку, представляющую собой совокупность излучателей 3 бегущей волны.

Элемент 4 пространственного согласования антенны с дисплеем и свободным пространством представляет собой пространственный преобразователь электромагнитных волн, который соединен с антенным элементом и принимает излучение от излучателя 3, без отражений, преобразует и перенаправляет это излучение в свободное пространство в заданном направлении. Одна из его возможных форм показана на фиг.3. Предпочтительно для наилучшего согласования микрополоскового излучателя с диэлектрическим покрытием 1, в данном случае - с дисплеем и металлическим корпусом, форма элемента 4 пространственного согласования с дисплеем должна быть трапецеидальной в поперечном сечении, хотя допускается и выполнение элемента пространственного согласования, имеющего и другую геометрическую форму, например в виде плавно расширяющегося элемента. Эта форма может быть получена посредством, например, фрезеровки диэлектрической подложки 6, литья диэлектрической подложки или других производственных технологий для получения в подложке выемки или полости, образующей элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием, впоследствии заполняемой диэлектрическим материалом. В одном из возможных вариантов выполнения выемка, образующая элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием, снабжается слоем металлизации и заполняется диэлектриком, образующим диэлектрическую подложку антенны. Элемент пространственного согласования может быть получен также путем выполнения выемки или полости в подложке печатной платы, свободной от металла, и металлизации ее поверхности.

На фиг.3 показан элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием, который представляет собой выемку, имеющую металлизационное покрытие на ее поверхности, заполненную диэлектриком. Элемент в поперечном сечении имеет форму трапеции и состоит из трех основных частей, причем первая часть (А) выполнена с возможностью согласования антенной решетки с трактом передачи бегущей волны, обеспечивая минимальный коэффициент стоячей волны посредством плавного перехода излучения от антенной решетки в диэлектрическое покрытие за счет плавной трансформации одного типа линии в другой, вторая часть (В) представляет собой диэлектрический волновод, третья часть (С) выполнена с возможностью обеспечения минимальных отражений от границ элемента пространственного согласования с диэлектрическим покрытием.

Металлизация поверхности выемки или полости, образующей элемент пространственного согласования, не является обязательной, и другой возможный вариант выполнения элемента пространственного согласования показан на фиг.4. Антенная решетка и элемент 4 пространственного согласования с дисплеем в данном варианте выполнения реализованы в многослойной печатной плате телекоммуникационного устройства путем последовательного нанесения множества слоев диэлектрика 6, имеющих металлическое покрытие 5, согласно обычной технологии изготовления печатных плат. В многослойной печатной плате посредством задания размеров и конфигурации металлического покрытия 5 слоев 6 диэлектрика печатной платы формируется трапецеидальный элемент, выполняющий функции элемента пространственного согласования с дисплеем, по профилю которого располагают межслойные металлизированные отверстия 7 (VIA) между смежными слоями металлического покрытия 5 для блокирования прохождения волн между слоями печатной платы.

Заявленная конструкция антенного блока и телекоммуникационного устройства, содержащего такой блок, обеспечивает следующие преимущества:

- антенну с большим усилением;

- улучшенное сканирование в продольном направлении в диапазоне +/-50 градусов, при этом расширение сектора сканирования связано с замедляющими свойствами диэлектрического покрытия для волн, возбужденных антенным излучателем.

Благодаря особенностям заявленной антенны обеспечено улучшение свойств направленности антенны бегущей волны в продольном направлении посредством поддержки поверхностных волн, обеспечено улучшение сканирования лучом диаграммы направленности в продольной плоскости без потерь сканирования из-за распространения электромагнитной волны в диэлектрическом покрытии.

Металлическая рамка корпуса телекоммуникационного устройства используется для согласования антенного блока с окружающим пространством. Использование бегущей волны позволяет излучению огибать металлическую рамку и эффективно распространяться в продольном направлении.

Фазы на элементах антенной решетки рассчитываются исходя из соображений формирования максимума диаграммы направленности и плоского фазового фронта в нужном направлении излучения. Направленность антенны обеспечивается соблюдением необходимых фазовых соотношений между элементами антенного блока и условиями создания поверхностной волны.

На фиг.5 показана эквивалентная электрическая схема излучателя и ее связь с элементами излучателя, а на фиг.6 не в масштабе показаны геометрические параметры элементов антенного блока.

На фиг.7а показан график зависимости усиления антенны от направления излучения для случая без согласования антенны с окружающим пространством, а на фиг.7б показан график зависимости усиления антенны от направления излучения для случая с использованием заявленных средств согласования антенны с окружающим пространством.

На фиг.7а и 7б направление 0 градусов соответствует продольному направлению излучения, а направление +90 градусов соответствует поперечному направлению. Из графиков на фиг.7а и 7б видно, что в случае использования заявленного решения достигается повышение усиления излучения в продольном направлении (около 8 дБ) по сравнению с традиционными технологиями (около 4,5 дБ). Также видно, что в заявленном решении обеспечивается диапазон сканирования около +/-50 градусов.

Как видно из фиг.7а и 7б, в заявленном решении излучение в направлении 90 градусов минимально, в то время как в известном из уровня техники решении излучение в направлении 90 градусов максимально.

Варианты осуществления изобретения не ограничиваются лишь приведенными выше вариантами.

Как работает предложенный антенный блок

Как пояснялось выше, предложенный антенный блок содержит диэлектрическую подложку, например печатную плату, в которой сформирован массив микрополосковых антенных элементов бегущей волны, возбуждаемых полосковой линией, выполненной в печатной плате.

Каждый полосковый элемент антенной решетки возбуждает бегущие волны, которые распространяются в элементе 4 пространственного согласования, который может быть также назван пространственным преобразователем, в диэлектрической подложке и в диэлектрическом покрытии 1, в частности в дисплее 1, затем излучение, огибая металлическую рамку корпуса, излучается в направлении базовой станции.

Пространственный преобразователь обычно состоит из трех частей: первая часть (часть А на фиг.3) служит для согласования полосковой антенны с трактом передачи, состоящим из диэлектрического покрытия и диэлектрической подложки, вторая часть (часть B на фиг.3) является постоянной частью преобразователя и представляет собой диэлектрический волновод, третья часть (часть С на фиг.3) согласует антенну с диэлектрическим покрытием и окружающим пространством.

Все параметры первой части (А) элемента пространственного согласования определяются из соображений обеспечения минимального коэффициента стоячей волны (КСВ) конкретных элементарных излучателей, используемых в антенной решетке. Как показано на фиг. 6, высота первой части (H_tr) элемента пространственного согласования в общем случае определяется стандартными соотношениями высоты расположения микрополосковых излучателей и лежит в пределах λ1/4 - λ1/2.

Вторая часть (В) соответствует регулярному участку волноведущей структуры элемента пространственного согласования, и в общем случае ее длина составляет около или более четверти длины волны (λ1/4). Причем чем длиннее участок, тем направленнее антенна.

Параметры третьей части (С) определяются из эквивалентной схемы на фиг.5, с целью обеспечения минимальных отражений на границе волноведущих структур. Форма третьей части обеспечивает плавность выхода электромагнитных волн.

Практически во всех современных устройствах рамка телекоммуникационного устройства выполняется из металла, и в случае, если в направлении излучения антенны находится металлическое препятствие, например металлическая рамка корпуса устройства, то параметры третьей части (С) пространственного преобразователя рассчитываются исходя из эквивалентной схемы, показанной на фиг.5.

Антенна бегущей волны с распространением волны в диэлектрике имеет большую реактивную составляющую выходного сопротивления и должна быть согласована с окружающим пространством.

Металлические элементы, например, такие как металлическая рамка корпуса устройства, на конце диэлектрика используются для эффективной компенсации этой реактивной составляющей выходного сопротивления и для обеспечения направленного излучения в окружающее пространство. В общем случае само наличие «ступеньки» металлического объекта будет являться введением согласующей реактивности. При значениях больше λ(в воздухе)/8 толщина рамки металлического корпуса перестает оказывать сильное влияние. Однако при меньших значениях, в случае, если этот параметр может варьироваться производителем, он также может учитываться при оптимизационном анализе.

Для определения параметров этих металлических элементов может быть использована эквивалентная схема антенны бегущей волны, представленная на фиг.5, где микрополосковый излучатель представлен источником сигнала 401, вторая постоянная часть пространственного преобразователя представлена волноводом 402, третья согласующая часть пространственного преобразователя представлена трансформатором 403, а металлический элемент корпуса представлен выходным согласующим сопротивлением 404. На фиг.5 сопротивление Z₀ представляет собой сопротивление окружающей среды.

Используя параметры будущей системы, указанные на фиг. 6, такие как

h₂ - высота диэлектрического покрытия,

h_tr - высота элемента пространственного согласования с диэлектрическим покрытием,

h_m - высота металлической рамки телекоммуникационного устройства относительно плоскости, в которой расположен антенный элемент (которая, как правило, соответствует поверхности диэлектрической подложки антенны),

определяют реактивность (jB), и, опираясь на приближенные значения параметров элемента пространственного согласования, таких как L_tr - длина третьей части (С) элемента пространственного согласования, d_tr - расстояние от третьей части (С) элемента пространственного согласования с диэлектрическим покрытием до металлической рамки телекоммуникационного устройства, получают конкретные параметры L_tr и d_tr, используемые в дальнейшем для оптимизации параметров всего антенного блока. Результатом процесса оптимизации параметров элементов антенного блока будет минимизация коэффициента отражения антенных элементов и максимизация коэффициента усиления всей антенной решетки. Алгоритмы оптимизации известны из уровня техники и не являются предметом настоящего изобретения.

Высота h_m металлической рамки, которая служит для согласования антенны с окружающим пространством, относительно плоскости, в которой расположен антенный элемент, может совпадать с толщиной диэлектрического покрытия, в данном случае с толщиной дисплея, но может быть как меньше этой толщины, так и больше этой толщины, но не более λ₁/10.

Диэлектрические материалы покрытия и подложки могут обладать различным соотношением характеристик диэлектрической проницаемости, например, если диэлектрическая проницаемость покрытия равна ε₁, а диэлектрическая проницаемость диэлектрика подложки равна ε₂, то могут быть их различные соотношения: ε₁ > ε₂, ε₁< ε₂ или ε₁= ε₂.

В заявленном изобретении диэлектрическое покрытие, которое может представлять собой как стекло, так и любой другой диэлектрический материал, должно иметь диэлектрическую проницаемость ε₁, которая больше диэлектрической проницаемости ε₂ диэлектрика подложки, в которой выполнена антенна и диэлектрика, заполняющего элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием, если они являются одинаковыми. При таком соотношении в заявленном изобретении реализуется замедляющий эффект диэлектрического покрытия, который позволяет удерживать электромагнитные волны в толще диэлектрического покрытия и уменьшить срывание волн в поперечном (бродсайд) направлении.

Для оптимального направления поверхностной волны в диэлектрическом покрытии высота h_tr элемента пространственного согласования с диэлектрическим покрытием должна составлять примерно четверть длины волны - λ₂/4, а L_tr+ d_tr должны быть примерно равны эффективной длине волны λ_эфф. При этом длина волны λ₂ - это длина волны в диэлектрике, заполняющем элемент пространственного согласования антенного элемента с диэлектрическим покрытием (пространственный преобразователь), с диэлектрической проницаемостью ε₂, λ_эфф - длина волны в объеме диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε_эфф.

Диэлектрическая проницаемость ε_эфф определяется следующим образом:

и характеризует значение диэлектрической проницаемости, которое имеет место для излучения, движущегося через два диэлектрика, имеющих диэлектрическую проницаемость ε₁ и ε₂, и форму, показанную на фиг.6, где первый диэлектрик - это диэлектрическое покрытие дисплея, а второй диэлектрик - это диэлектрический материал, которым заполнена полость элемента пространственного согласования с диэлектрическим покрытием (дисплеем), который может представлять собой тот же материал, что и диэлектрический материал подложки.

Через ε_эфф определяется эффективная длина волны λ_эфф., через нее определяется расстояние d_tr до металлической рамки корпуса.

Так как диэлектрическое покрытие имеет диэлектрическую проницаемость ε₁, которая больше, чем диэлектрическая проницаемость ε₂ диэлектрической подложки антенны, диэлектрическое покрытие формирует слой задержки, который удерживает электромагнитные поверхностные волны в диэлектрике и препятствует преждевременному излучению в поперченном направлении.

Поверхностная волна в диэлектрическом покрытии складывается с электромагнитной волной в элементе пространственного согласования с диэлектрическим покрытием и излучается от края диэлектрического покрытия.

Элемент пространственного согласования антенны с диэлектрическим покрытием, интегрированный в диэлектрическую подложку, обеспечивает лучшее распространение волн без излишних потерь распространения.

Комбинация диэлектрического покрытия и элемента пространственного согласования антенны формирует высокую направленность элементов предлагаемой полосковой антенны в продольном направлении, увеличивает усиление антенны и обеспечивает более широкий диапазон сканирования диаграммы направленности в азимутальной плоскости без потерь, которые имеют место особенно для антенных решеток с малым количеством элементов (например, с четырьмя элементами), т.е. формирование направленности излучения.

В одном из вариантов осуществления используемое устройство связи имеет корпус формы «Edge», то есть содержит скругленный по краям дисплей. Такой вариант осуществления также обеспечивает функционирование заявленного устройства так, как было описано выше, и обеспечивает достижение тех же полезных эффектов, которые по отдельности и в совокупности обеспечивают лучшую связь устройства связи с базовой станцией.

Если телекоммуникационное устройство не имеет металлической рамки, или металлическая рамка находится значительно ниже уровня расположения антенных элементов и нижней поверхности дисплея (>λ/4-λ/2), то согласующую со свободным пространством реактивность можно вводить другими способами, например, используя согласующие шлейфы и т.п. В вариантах без металлической рамки корпуса устройства, согласования со свободным пространством удавалось достичь и за счет формы третьей части элемента пространственного согласования с диэлектрическим покрытием (пространственного преобразователя).

Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, и специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.

Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.

Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.

В заявке не указано конкретное программное и аппаратное обеспечение для реализации блоков на чертежах, но специалисту в данной области техники должно быть понятно, что сущность изобретения не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления изобретения могут быть использованы любые программные и аппаратные средства, известные в уровне техники. Так аппаратные средства могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютерах либо комбинации вышеозначенного.

Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также варианты реализации, раскрытые в различных частях описания, могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.

Любые числовые значения, указанные в материалах настоящего описания или на фигурах, предназначены для включения всех значений от нижнего значения до верхнего значения указанных диапазонов.

Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.

Изобретение относится к области связи, более конкретно к устройствам связи, в частности к антенному блоку для телекоммуникационного устройства и телекоммуникационному устройству, которые могут быть использованы в сетях связи 5-го поколения. Антенный блок, выполненный с возможностью беспроводной связи, содержащий диэлектрическую подложку, диэлектрическое покрытие на диэлектрической подложке, антенную решетку, содержащую антенные элементы, размещенные в диэлектрической подложке, и выполненную с возможностью формировать излучение и передавать излучение для создания бегущей волны, распространяющейся по диэлектрической подложке и диэлектрическому покрытию, элементы пространственного согласования с диэлектрическим покрытием, выполненные в диэлектрической подложке и связанные с антенными элементами, при этом указанные элементы пространственного согласования выполнены с возможностью пространственного согласования антенной решетки с диэлектрическим покрытием и уменьшения отражения излучения от диэлектрического покрытия при распространении излучения от антенной решетки. Технический результат заключается в обеспечении формирования направленности излучения антенны, повышении диапазона сканирования, повышении эффективности антенны миллиметрового диапазона, уменьшении потерь сигнала. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Антенный блок для телекоммуникационного устройства, выполненного с возможностью беспроводной связи, содержащий:

- диэлектрическую подложку,

- диэлектрическое покрытие на диэлектрической подложке,

- антенную решетку, содержащую антенные элементы, размещенные в диэлектрической подложке, и выполненную с возможностью формировать излучение и передавать излучение для создания бегущей волны, распространяющейся по диэлектрической подложке и диэлектрическому покрытию,

- по меньшей мере один элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием, выполненный в диэлектрической подложке и связанный с антенным элементом, при этом указанный элемент пространственного согласования выполнен с возможностью пространственного согласования антенной решетки с диэлектрическим покрытием и уменьшения отражения излучения от диэлектрического покрытия при распространении излучения от антенной решетки.

2. Антенный блок по п. 1, который дополнительно включает в себя металлическую рамку телекоммуникационного устройства, выполненного с возможностью беспроводной связи, сконфигурированную для согласования волн, распространяющихся в диэлектрическом покрытии, с окружающим пространством.

3. Антенный блок по п. 1, в котором антенная решетка образована полосковыми антенными элементами.

4. Антенный блок по п. 1, в котором по меньшей мере один элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием в поперечном сечении имеет форму трапеции.

5. Антенный блок по п. 1, в котором по меньшей мере один элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием состоит из первой, второй и третьей частей, причем

первая часть выполнена с возможностью согласования антенной решетки с диэлектрическим покрытием, обеспечивая минимальный коэффициент стоячей волны посредством плавного перехода излучения от антенной решетки в диэлектрическое покрытие,

вторая часть представляет собой диэлектрический волновод,

третья часть выполнена с возможностью обеспечения минимальных отражений от границ элемента пространственного согласования с диэлектрическим покрытием.

6. Антенный блок по п. 1, в котором диэлектрическое покрытие имеет диэлектрическую проницаемость ε₁, которая больше, чем диэлектрическая проницаемость ε₂ диэлектрической подложки антенны.

7. Телекоммуникационное устройство, выполненное с возможностью беспроводной связи, содержащее:

- корпус устройства с металлической рамкой,

- диэлектрическую подложку, содержащую функциональные блоки для осуществления связи, закрепленную в корпусе устройства,

- диэлектрическое покрытие на диэлектрической подложке,

- антенную решетку, содержащую антенные элементы, размещенные в диэлектрической подложке, и выполненную с возможностью формировать излучение и передавать излучение для создания бегущей волны, распространяющейся по диэлектрической подложке и диэлектрическому покрытию,

- по меньшей мере один элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием, выполненный в диэлектрической подложке и связанный с антенным элементом, при этом указанный элемент пространственного согласования выполнен с возможностью пространственного согласования антенной решетки с диэлектрическим покрытием и уменьшения отражения излучения от диэлектрического покрытия при распространении излучения от антенной решетки.

8. Устройство по п. 7, в котором антенная решетка образована полосковыми антенными элементами.

9. Устройство по п. 7, в котором по меньшей мере один элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием в поперечном сечении имеет форму трапеции.

10. Устройство по п. 7, в котором по меньшей мере один элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием состоит из первой, второй и третьей частей, причем

первая часть выполнена с возможностью согласования антенной решетки с диэлектрическим покрытием, обеспечивая минимальный коэффициент стоячей волны посредством плавного перехода излучения от антенной решетки в диэлектрическое покрытие,

вторая часть представляет собой диэлектрический волновод,

третья часть выполнена с возможностью обеспечения минимальных отражений от границ элемента пространственного согласования с диэлектрическим покрытием.

11. Устройство по п. 7, в котором диэлектрическое покрытие имеет диэлектрическую проницаемость ε₁, которая больше, чем диэлектрическая проницаемость ε₂ диэлектрической подложки антенны.

12. Устройство по п. 7, в котором диэлектрическая подложка является печатной платой, содержащей функциональные блоки для осуществления связи, и антенная решетка выполнена в печатной плате.

13. Устройство по п. 12, в котором по меньшей мере один элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием выполнен в печатной плате.

14. Устройство по п. 12, в котором по меньшей мере один элемент пространственного согласования с диэлектрическим покрытием выполнен в многослойной печатной плате, а форма элемента пространственного согласования обеспечена посредством межслойных металлизированных отверстий в печатной плате.

15. Устройство по п. 10, в котором параметры третьей части элемента пространственного согласования определяются высотой металлической рамки.