Малогабаритная антенна для портативного устройства радиосвязи
Изобретение предназначено для использования в портативном устройстве радиосвязи, таком, как пейджер двунаправленного действия. Техническим результатом является малые габариты и высокое усиление. В возможном варианте осуществления антенна содержит излучатель в виде нагруженного несимметричного вибратора и заземленный излучатель. Излучатель в виде нагруженного несимметричного вибратора включает в себя первый и второй проводники на подложке платы печатной схемы, причем первый проводник имеет заданную длину и ориентирован в горизонтальном направлении. Второй проводник имеет форму меандровой линии и ориентирован в вертикальном направлении. Заземленный излучатель включает в себя отдельные первое и второе заземления в нижней части подложки платы печатной схемы, причем первое и второе заземления симметричны относительно второго проводника. 2 с. и 12 з. п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к антеннам, более конкретно к малогабаритной антенне, в особенности пригодной для использования в портативном устройстве радиосвязи, имеющей излучатель в форме меандровой линии.
В последнее время портативные устройства радиосвязи стали миниатюрными и имеют малый вес, в связи с чем осуществляются интенсивные разработки малогабаритных антенн, пригодных для использования в таких устройствах. Такие малогабаритные антенны должны быть удобными и простыми для эксплуатации пользователем, а также должны иметь всенаправленную диаграмму направленности по азимуту и иметь относительно высокий раскрыв по углу места. Кроме того, в условиях, когда портативное устройство радиосвязи располагается вблизи тела пользователя, последнее должно в минимальной степени влиять на основные характеристики антенны, т. е. на входной импеданс и колебания величины усиления. Одно из решений, направленных на удовлетворение вышеуказанных требований, описано в патенте США N 4700194 от 13 октября 1987 г. . В соответствии с этим решением, когда ток антенны протекает в заземленной схеме и в корпусе оконечного устройства, ток, протекающий в антенне, изменяется, если корпус оконечного устройства размещается вблизи тела пользователя, так что входной импеданс и усиление антенны могут изменяться в значительной степени. В результате даже без использования четвертьволновой схемы режекции или симметрирующего трансформатора, как в известных вертикальных антеннах в виде полуволнового вибратора с коаксиальным экраном в нижней части, хорошо электрическая развязка может быть обеспечена между антенной и схемой заземления коаксиальной линии передачи или электрической схемы. На фиг. 1 представлена диаграмма, иллюстрирующая конструкцию известной четвертьволновой микрополосковой антенны (ЧМПА), которая описана в вышеупомянутом патенте США N 4700194. В соответствии с фиг. 1 центрированная относительно диэлектрика 61 антенна включает в себя излучающий элемент на одной поверхности диэлектрика и элемент заземления на другой поверхности. Первый излучающий элемент 62 (первое фидерное средство) электрически соединен с сигнальным проводником линии передачи. Второй излучающий элемент конструктивно выполнен на элементе заземления таким образом, что электрически соединяет проводник заземления линии передачи и элемент заземления и расположен в положении, где напряжение стоячей волны, индуцированное в элементе заземления, принимает минимальное значение. В обычной микрополосковой антенне заземляющий экран не действует в качестве заземления, если размер заземляющего экрана мал по сравнению длиной волны на рабочей частоте. В таком случае синусоидальное изменение распределения напряжения или напряжение стоячей волны индуцируется в заземляющем экране. В результате паразитный ток индуцируется во внешнем проводнике коаксиальной линии передачи. В антенне по фиг. 1 для снижения вероятности генерирования такого паразитного тока до минимума внешний проводник линии передачи соединяется с элементом заземления во второй точке возбуждения, где напряжение стоячей волны, индуцированное в элементе заземления, становится минимальным. При использовании такой конструкции паразитный ток в линии передачи может быть уменьшен или исключен без применения какой-либо четвертьволновой схемы режекции, которая используется в обычных конструкциях вертикальных антенн в виде полуволнового вибратора с коаксиальным экраном в нижней части. Соответственно отклонения в характеристиках антенны могут быть существенно снижены в случаях, когда антенна располагается в непосредственной близости от тела пользователя или некоторой электрической схемы. На фиг. 2 и 4 представлены диаграммы, иллюстрирующие изменение характеристики усиления в дБ в зависимости от длины L известной четвертьволновой микрополосковой антенны, а на фиг. 3 представлена диаграмма, иллюстрирующая изменение характеристики усиления в зависимости от ширины W известной четвертьволновой микрополосковой антенны. Недостатком известной четвертьволновой микрополосковой антенны является то, что изменение характеристики эффективности антенны существенно зависит от толщины подложки платы печатной схемы (ППС). Большая толщина ППС приводит к более высокому усилению, но увеличивает размеры и вес антенны, вызывая неудобства для пользователя портативного устройства связи, которое становится более громоздким. В противоположность этому, если ППС имеет малую толщину, то, хотя такое устройство удобно использовать в качестве переносного, однако усиление антенны может соответственно снизиться. Задачей изобретения является создание антенны, имеющей малые размеры и вес и обеспечивающей высокое усиление и эффективное применение в портативном устройстве связи. Желательно минимизировать изменения антенных характеристик, когда антенна располагается вблизи тела пользователя. В возможном варианте осуществления настоящего изобретения малогабаритная антенна для портативного устройства радиосвязи содержит излучатель, выполненный в виде нагруженного несимметричного вибратора, и заземленный излучатель. Излучатель, выполненный в виде нагруженного несимметричного вибратора, содержит первый и второй проводники на подложке платы печатной схемы, причем первый проводник имеет заданную длину и ориентирован в горизонтальном направлении, а второй проводник имеет форму меандровой линии и ориентирован в вертикальном направлении. Заземленный излучатель включает в себя первый заземленный излучатель и второй заземленный излучатель на нижней части подложки платы печатной схемы, причем первый и второй заземленные излучатели симметричны относительно второго проводника. Изобретение поясняется более подробно в нижеследующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее: фиг. 1 - диаграмма, иллюстрирующая конструкцию четвертьволновой микрополосковой антенны, известной из предшествующего уровня техники; фиг. 2 - диаграмма, иллюстрирующая изменение характеристики усиления в зависимости от общей длины антенны по фиг. 1: фиг. 3 - диаграмма, иллюстрирующая изменение характеристики усиления в зависимости от ширины антенны по фиг. 1; фиг. 4 - диаграмма, иллюстрирующая изменение характеристики усиления в зависимости от длины Gz неметаллизированной части антенны по фиг. 1; фиг. 5 - диаграмма, иллюстрирующая конструкцию антенны в виде несимметричного вибратора, соответствующей возможному варианту осуществления изобретения; фиг. 6 - детальная схема антенны по фиг. 5; фиг. 7 - диаграмма, иллюстрирующая распределение тока нагруженного несимметричного вибратора и эквивалентного несимметричного вибратора; фиг. 8 - график зависимости усиления от длины антенны в виде симметричного вибратора; фиг. 9 - график зависимости усиления от ширины антенны в виде симметричного вибратора. На фиг. 5 схематично представлена антенна в виде несимметричного вибратора, выполненная в соответствии с возможным вариантом осуществления настоящего изобретения. Антенна показана для использования во взаимосвязи с пейджером 10 двунаправленного действия, однако изобретение может иметь и другое применение. Согласно фиг. 5, антенная система 20 содержит излучатель 12 из проводника, выполненного по форме нагруженного несимметричного вибратора, заземленный излучатель 13, выполненный по форме меандровой линии, и коаксиальную линию передачи (коаксиальный кабель) 27 для соединения излучателя 12 из проводника и заземленного излучателя 13 с ППС 11, снабженной радиочастотным усилителем мощности. Более конкретно коаксиальный кабель 27 содержит сигнальный проводник (не показан), одним концом соединенный с излучателем 12, и заземленный проводник, соединенный с заземленным излучателем 13. При этом сигнальный проводник коаксиального кабеля 27 другим своим концом соединен с сигнальным проводником портативного устройства радиосвязи (на чертеже не показано), а заземленный проводник коаксиального кабеля соединен с заземленной частью портативного устройства радиосвязи. Излучатель 12 из проводника и заземленный излучатель 13 размещены на одной основной поверхности ППС 21, которая может быть размещена в корпусе 28 антенны в форме откидной крышки. Корпус 28 в форме откидной крышки перемещается вместе с антенной системой 20 относительно корпуса пейджера 10. Т. е. антенная система 20 перемещается из положения оси Y в положение оси Z, причем корпус пейджера центрирован относительно оси X. В рабочем положении антенная система 20 находится в вертикальном положении (ориентирована в направлении Z, как показано на фиг. 5). На фиг. 6 показана детальная схема антенны по фиг. 5, более конкретно показывающая ППС 21 антенной системы 20. Излучатель 12 из проводника, выполненный по форме нагруженного несимметричного вибратора, состоит из ориентированного в первом, например, в горизонтальном направлении первого проводника 23 и ориентированного во втором, например, в вертикальном направлении второго проводника 22, имеющего форму меандровой линии. Верхний конец проводника 22, ориентированного в вертикальном направлении, нагружен на проводник 23, ориентированный в горизонтальном направлении. В данном примере электрическая длина проводника 22 равна 0,49 длины волны, а электрическая длина проводника 23 равна 0,3 длины волны. Эта конструкция основана на учете того факта, что длина антенны, имеющей наивысшее усиление из эквивалентных антенн в виде вертикального несимметрического вибратора, равна 0,625 длины волны. Кроме того, в целом антенная система 20, которая использует нагрузку и форму меандровой линии и вышеуказанные длины для максимизации усиления, в особенности пригодна для использования совместно с корпусом 28 в форме прямоугольной или квадратной откидной крышки. Заземленный излучатель 13 размещен в нижней части ППС 21 антенной системы 20 параллельно проводнику 23, ориентированному в горизонтальном направлении. В представленной конфигурации заземленный излучатель 13 разделен на две части, симметричные относительно вертикальной части излучателя 12, а именно на первый и второй излучатели 24 и 25, симметричные относительно вертикального проводника 22 и соединенные с заземлением коаксиальной линии 27 передачи в точке 26 заземления фидера. Более конкретно первый заземленный излучатель 24 размещен с первой стороны от проводника 22, а второй заземленный излучатель 25 размещен со второй стороны от проводника 22, причем первый и второй заземленные излучатели 24, 25 соединены друг с другом. Для повышения эффективности заземленного излучателя 13 каждый из заземленных излучателей 24, 25 предпочтительно имеет электрическую длину, равную половине длины волны. Качество ППС 21 антенной системы 20, соответствующей предпочтительному варианту осуществления изобретения, может соответствовать FR-4 при толщине, например, 0,25 мм. ППС 21 может быть размещена в корпусе 28 в виде откидной крышки из поликарбоната. Конденсатор 34 и индуктивность 35 используются для согласования импедансов. Антенна, соответствующая предпочтительному варианту осуществления изобретения, работает следующим образом. Эффективность антенны определяется эффективностью излучения, которая может быть определена с использованием следующего выражения:
где


L v eqv = lv +

где



где 1H - длина "плеча", ориентированного в горизонтальном направлении проводника нагруженного несимметричного вибратора (т. е. примерно половина полной горизонтальной длины всего проводника 23), a ZOH - собственный импеданс ориентированного в горизонтальном направлении проводника нагруженного несимметричного вибратора;

где ZOV- собственный импеданс ориентированного в вертикальном направлении проводника нагруженного несимметричного вибратора. Кроме того, если два входных реактивных импеданса XA и XB равны друг другу, то


В результате, lv eqv равно сумме lv и











b =

Gz = L - b = 8,7 мм. С учетом фиг. 2 и 4, для случая, когда L= 47.3 мм и Gz = 8,7 мм, усиление, как показано на этих фигурах, примерно равно - 12,5 dBd (-10,35 dBi). Антенна, используемая в рассматриваемом варианте осуществления, имеет электрическую длину 0,625




F= c/




F = 1,2/327,5= 0,003664. Как показано на фиг. 9, если F = d/



G = -12,5 dBd - 10 log11 = -22,9 dBd (10). Из приведенного выше выражения (10), что усиление снижается примерно на 10 дБ по сравнению со случаем, когда d = 1,2 мм. Кроме того, усиление снижается примерно на 25 дБ по сравнению с усилением антенны в виде симметричного вибратора. Поскольку антенная система, соответствующая настоящему изобретению, может быть реализована с использованием ППС малой толщины, то она будет иметь малый вес, будет удобной в применении ввиду простоты установки на верхней поверхности пользовательского оконечного устройства (например, пейджера). Кроме того, поскольку вертикальный излучатель, размещенный на ППС, выполнен в форме меандровой линии, то физическая длина уменьшена, что позволяет получить наилучшие электрические характеристики для ограниченных размеров антенны. Кроме того, поскольку на верхнем конце ориентированного в вертикальном направлении излучателя использован другой ориентированный в горизонтальном направлении излучатель, и ориентированный в вертикальном направлении излучатель эквивалентным образом увеличен, то это приводит к увеличению усиления антенны. К тому же, поскольку ориентированные в вертикальном и горизонтальном направлении излучатели и заземленный излучатель выполнены на одной ППС малой толщины, это упрощает изготовление антенны. Заземленный излучатель препятствует протеканию антенного тока в заземление оконечного устройства. Изменения характеристик антенны могут быть минимизированы в зависимости от изменения состояния заземления оконечного устройства, например, как результат контакта с телом пользователя. Следовательно, изобретение обеспечивает создание антенн с устойчивыми высокими характеристиками.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9