Антенны абонентских терминалов систем подвижной радиосвязи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Антенны абонентских терминалов систем подвижной радиосвязи

1. Антенны мобильных телефонов

1.1 Виды и особенности антенн мобильных телефонов

Антенна - это одна из частей мобильного телефона, которая напрямую влияет на то, как аппарат выполняет свою основную функцию - обеспечение связи.

Выбирая телефон, мы редко когда обращаем внимание на характеристики установленной в нём антенны - как правило, все телефоны способны обеспечить нормальный уровень связи в обычных городских условиях. Но всё меняется, когда приходится пользоваться телефоном в условиях неуверенного приёма - например, за городом. Иногда исправить положение можно, лишь подключив к телефону внешнюю антенну.

В первом приближении антенны для сотовых телефонов можно разделить на два вида - это антенны, встроенные в сотовый телефон и подключаемые антенны. Есть ещё один класс устройств - репитеры - комплексы из нескольких антенн и усилителя.

Стационарная (подключаемая) антенна используется для улучшения качества связи в зданиях и подвальных помещениях, а также для обеспечения связью вне зоны приема в пригороде. Такая антенна устанавливается на улице.

1.2 Автомобильные антенны

Внутри автомобиля качество связи сотового телефона с собственной внутренней антенной резко снижается, что связано с экранирующим эффектом металлического корпуса. Корпус автомобиля снижает сигнал примерно на 5 дБ, причем 50% излучения остается внутри автомобиля. Радиоизлучение от антенны сотового телефона, многократно отражаясь от внутренних стенок салона автомобиля, теряет большую часть энергии, и только небольшая его часть все же доходит до антенны базовой станции.

Базовая станция, получая недостаточно сильный сигнал, посылает на аппарат команду повысить уровень, мощности, в результате чего увеличивается уровень излучения и повышается потребление электроэнергии от аккумуляторной батареи. Такой режим работы сотового телефона в некоторых случаях может отразиться на работе электронных устройств и систем самой машины.

В связи с этим автомобильные антенны служат для того, чтобы вынести источник приема и передачи сигнала за металлический корпус машины. С, одной стороны это избавляет владельца от источника электромагнитного излучения, а с другой - улучшает качество связи. Даже простая автомобильная антенна, поднятая повыше, может поправить ситуацию с неуверенной связью, так как уменьшается влияние на нее окружающих предметов.

Антенны автомобильные для сотовых телефонов различаются по способу крепления - на магните или врезные (на крышу машины), внутрисалонные с присосками на стекло или "сквозь стекло".

Врезные антенны, как правило, устанавливаются по центру крыши автомобиля, где достигается наибольшая высота подъема над землей и наибольшее усиление, т.к. крыша машины используется в качестве противовеса для антенны. Такие антенны удобны в эксплуатации, т.к. их не сдувает ветром на большой скорости. Комплектуются длинным соединительным кабелем, что позволяет без проблем установить антенну практически на любой автомобиль.

В простейшем случае в качестве антенны используется металлический штырь, длина которого равна 1/4 длины волны (около 8 см в GSM900 и 4 см и GSM1800). При этом коэффициент усиления такой антенны полагается равным 0 дБ, то есть антенна как бы не обладает усилением. Тем не менее, даже такие "неусиливающие" антенны могут улучшить работу телефона, поскольку его собственная антенна имеет, как правило, существенно меньшую длину.

Более сложные антенны называются коллинеарными и состоят из двух и более штырей, соединенных между собой фазосдвигающими катушками индуктивности. Такие антенны могут иметь коэффициент усиления (3-6 дБ) и обеспечивают более надежную связь.

Примерами более сложных и более эффективных врезных антенн могут служить автомобильные антенны Base 2000XL фирмы SMARTEQ (рис. 2 а) и двухдиапазонная врезная антенна 584 Sportflex фирмы DYNAFLEX (рис. 2 б), которая стационарно устанавливается на крышу автомобиля, работает в сетях стандартов NMT450, GSM900/1800, AMPS/PCS и 3G/Bluetooth.

а) б)

Рис. 2 Автомобильная антенна Base 2000XL фирмы SMARTEQ - а) и 584 Sportflex фирмы DYNAFLEX б)

Магнитные антенны для обеспечения максимальной эффективности желательно устанавливать по центру крыши, при этом вместо электрического контакта образуется емкостная связь между основанием антенны и крышей автомобиля. Из-за этого антенна слегка теряет в усилении, примерно 0.5 дБ. Кабель пропускают в салон сквозь уплотнительные резинки двери, лучше всего задней левой, т.к. ее реже всего открывают-закрывают и кабель, соответственно, дольше прослужит. Отличаются простотой установки и хорошим усилением, что делает их наиболее популярными на рынке. Примерами таких антенн являются AN-GSM-04, AN-GSM-03, ТНВ Magnet base и др. (рис. 3).



а) длина антенны 89 мм б) длина антенны 142 мм в) размеры 80x33 мм

Рис. 3. Автомобильные GSM антенны AN-GSM-03 а), AN-GSM-04 б) THB Magnet base

Антенны имеют следующие характеристики: диапазон частот 870-960/1710-1990 МГц; ширина полосы пропускания 90/280 МГц; коэффициент стоячей волны по напряжению (VSWR) менее 1.5; коэффициент усиления 3.5 dBi; входное сопротивление 50 Ом; максимальная подводимая мощность 60 Вт; вертикальная поляризация; кабель RG174 длиной 2,5 м; разъем FME прямой, розетка; установка на магнитное основание.

Антенны на магнитном основании могут быть установлены практически на любую часть кузова автомобиля. Недостатком этой разновидности крепления является его невысокая прочность: на большой скорости или при сильной тряске антенна может сползти.

Внутрисалонные антенны крепятся на двух присосках на лобовое стекло машины и не имеют внешних частей. Очень удобны в установке и эксплуатации. Из-за простоты крепления, можно легко снять с машины и использовать их, например, на даче, прикрепив на окно. Не требует дополнительного противовеса (заземления). Примером такой антенны может служить автомобильная GSM антенна модель AN-GSM-06 (рис. 4). Антенна имеет следующие характеристики: диапазон частот 870-960/1710-1990 МГц; ширина полосы пропускания 90/280 МГц; коэффициент стоячей волны менее 1,5; коэффициент усиления 3,5 dBi; входное сопротивление 50 Ом; максимальная подводимая мощность 60 Вт; вертикальная поляризация; размеры 130х20х15 мм; установка - крепление к стеклу.



Рис. 4 Автомобильная антенна AN-GSM-06

Антенны "сквозь стекло" внутренняя и наружная части такой антенны клеятся на липкой ленте на заднем или переднем стекле машины одна напротив другой, за счет чего между ними образуется индуктивная связь. Сочетает в себе удобство эксплуатации внутрисалонной антенны и качество приема магнитной. Комплектуются длинным кабелем (5 метров), что позволяет без проблем установить практически на любую машину.

Примерами таких антенн являются плоские клеящиеся двухдиапазонные ненаправленные GSM-антенны, NaviTech GSM-01, THB Little-Flat (рис. 5) и клеевая двухдиапазонная антенна THB. Антенна THB состоит из двух частей, одна из которых устанавливается на стекле в салоне автомобиля с кабелем для подключения к комплекту громкой связи, а другая устанавливается на наружной стороне стекла, с регулируемым излучателем, Излучатель рекомендуется устанавливать с углом наклона 180 градусов относительно поверхности стекла автомобиля (рис. 5 б).

а) б) в)

Рис. 5 Автомобильные плоские клеящиеся двухдиапазонные ненаправленные GSM-антенны NaviTech GSM-01 а), Little-Flat б), THB в)

Автомобильные антенны различаются по частоте, на которую они настроены. Это 450 МГц - для телефонов стандарта NMT-450, 800 МГц - для телефонов стандартов CDMA (SONET) и DAMPS (БиЛайн-800), 900 МГц и 1800 МГц - для телефонов GSM-900 и GSM-1800 соответственно (МТС и БиЛайн-GSM). Использование внешней антенны в большинстве случаев увеличивает срок работы телефона от аккумулятора, так как в зависимости от уровня сигнала варьируется и мощность передатчика телефона, а в случае применения внешней антенны она меньше.

1.3 Стационарные направленные антенны

Особый класс устройств составляют внешние антенны для сотовых телефонов и другие устройства для улучшения качества связи.

Для телефонов используются в основном внешние штыревые антенны, логопериодические и антенны типа "волновой канал". Штыревая антенна дает усиление до 3-7 дБ, излучая волны по кругу. Антенны типа "волновой канал" и логопериодические внешне выглядят как дециметровая телевизионная антенна и дают усиление до 7-15 дБ в одном направлении.

Стационарная антенна устанавливается на кронштейне или мачте на стене или крыше здания и направляется в сторону базовой станции, сигнал которой принимается устойчиво (рис. 6).

У многоэлементных антенн типа "волновой канал" - достаточно узкий луч диаграммы направленности, поэтому на границе покрытия юстировка сравнима по сложности с настройкой спутниковой антенны. Настройка производится в том месте, где антенна будет постоянно закреплена, и на базовой станции своего оператора. При смене оператора или развитии сети может потребоваться новая юстировка антенны. Имеет большое значение высота над уровнем земли, но в разумных пределах, иначе затухание сигнала в кабеле сведет на нет все усилия.

Гораздо интереснее, нежели обычные внешние антенны, выглядят так называемые репитеры - устройства, которые состоят из внешней антенны (как правило, узконаправленной), принимающей сигнал с базовой станции и излучающей сигнал, устройства управления и усиления сигнала и одной или нескольких внутренних антенн, расположенных внутри помещения (рис. 7). С помощью репитеров можно организовать устойчивую мобильную связь в помещениях с неуверенным приёмом сигнала и даже там, где сотовые телефоны в обычных условиях не работают (например, в подвальных помещениях).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6 Внешняя антенна Yagi-10

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.7. Внутренняя антенна

Преимущества систем с репитером перед подключаемыми антеннами заключаются в том, что они не ограничивают свободы передвижений человека с сотовым, не требуя подключения к телефону кабеля. Недостаток репитеров - сравнительно высокая цена. Так, в начальном варианте (внешняя антенна, репитер, внутренняя антенна) эта конструкция по цене сопоставима с хорошим сотовым телефоном [1].

1.4 Подбор кабеля и антенных переходников

На некоторых конструкциях телефонов есть разъем для внешней антенны и антенный переходник, который подключается к указанному разъему и представляет собой короткий кусок кабеля, с одной стороны которого - специальный телефонный высокочастотный разъем, а с другой - стандартный высокочастотный разъем. При включении переходника в телефон происходит автоматическая коммутация антенного тракта телефона на внешний разъем. Обычно затухание в антенном переходнике не превышает одного децибела.

Если кабель между антенной и телефоном не больше 3 метров, то потери в нем можно не учитывать. Антенна для ее нормальной работы должна быть хорошо сделана и настроена, использование некачественной конструкции может не улучшить связь, а ухудшить. При большей длине линии связи вопрос выбора кабеля приобретает первостепенную роль. Причем имеет значение не только затухание, но и волновое сопротивление кабеля, лучше использовать 50-омные. При использовании антенны типа "волновой канал" с усилением 12 дБ и 10 метров стандартного кабеля общее усиление будет 9 дБ, а при 20 метрах - 6 дБ.

2. Электрически малые антенны

2.1 Теория электрически малых антенн

Приемопередающие модули средств мобильной связи, приемники сигналов спутниковых навигационных систем и другие приложения микроэлектроники становятся все более миниатюрными. Поэтому уменьшение габаритов антенных устройств и интеграция их в одном корпусе с системами на кристалле - актуальная задача. Решение этой задачи непосредственно связано с определением пределов минимизации габаритов антенн.

Первой работой, в которой были обоснованы фундаментальные пределы параметров так называемых электрически малых антенн (ЭМА) считают публикацию [2], в которой впервые установлена связь между определением электрически малой приемной антенны с ее максимальным размером. Под ЭМА предложено понимать антенны, размеры которых меньше половины длины волны принимаемых электромагнитных колебаний, т.е. для ЭМА выполняется условие

, (1)

где

- волновое число,

- длина волны, а - радиус условной сферы, охватывающей максимальный размер антенны-диполя, либо радиус соответствующей полусферы для монополя (рис.8).

Поверхность сферы, описанной вокруг ЭМА ("радианной сферы") можно трактовать как условную границу между ближним и дальним полем, формируемым передающей ЭМА.

Многоэтапное становления теории ЭМА для исследования предельных параметров основывалось на использовании аппроксимации антенн эквивалентными RLC-цепями, на методике аналитического расчета суммарной энергии реактивной компоненты и мощности излученного электромагнитного поля, на методике описания электродинамики антенн во временной области с использованием мощной вычислительной техники.

Связь добротности с полосой пропускания антенн стала основой для развития теории ЭМА в направлении исследования их предельной добротности. Выражение:

(2)

для определения фундаментального предела добротности свободно расположенной в пространстве ЭМА благодаря простоте нередко используются при практическом конструировании ЭМА и в настоящее время. Установлено, что чем меньше размеры ЭМА, тем больше ее добротность и тем сложнее обеспечить широкополосный прием сигналов.

Рис. 8 К определению понятия ЭМА.

С развертыванием мобильной телефонии в 90-е годы прошлого века интерес к ЭМА существенно возрос, что послужило толчком к ревизии существовавших на тот момент теоретических представлений. Необходимость еще более точной оценки предельных возможностей ЭМА стимулировала дальнейшие работы с использованием мощной вычислительной техники. Прогресс в численном моделировании антенн позволил теоретикам применить новый мощный аппарат для исследования свойств ЭМА. Компьютерный расчет пиковой энергии для одномодового режима излучения произвольной поляризации позволил переформулировать фундаментальный предел [3]:

(3)

2.2 Современное состояние конструирования ЭМА

Большинство значений пределов добротности ЭМА получено в результате чисто теоретических расчетов. При малейших отклонениях от принятых при их выводе допущений они не выполняются. Особенность современного этапа в развитии теории ЭМА заключается в поиске таких реализуемых на практике пределов, максимально учитывающих в антенных решениях все физические эффекты. Установлено, что для повышения точности расчета достижимых значений добротности следует тщательно учитывать все нюансы распределения токов в антенне конкретного типа. Фактически для каждого закона распределения существует свой предел добротности, при этом полоса пропускания максимальна у ЭМА с равномерным токовым профилем [4]. Отмечается необходимость адаптации формы граничной поверхности ЭМА под ее конкретную конструкцию. При этом возможны два подхода. В первом окаймляющую границу следует максимально подогнать под геометрическую форму антенны, повторяя ее очертания на заданном удалении от поверхности ЭМА. Этот вариант крайне сложен для аналитического решения, за исключением немногочисленных простейших конфигураций ЭМА. Второй подход основан на компьютерном моделировании, которое открывает широкие перспективы для дальнейшего совершенствования расчета параметров электромагнитного поля ЭМА с различными геометриями окаймляющих ее граничных поверхностей. Этот подход позволит получить расчетные соотношения, пригодные для практического синтеза ЭМА самых причудливых конфигураций [5].

Рассмотренные особенности ЭМА породили ряд серьезных проблем их конструирования, вызванных тем, что с уменьшением размеров антенной системы быстро падает ее КПД, и возникают трудности согласования ЭМА в нерезонансных режимах с источниками (приемниками) сигналов [6].

4. Микрополосковые антенны сотовых телефонов

4.1 Особенности конструкции полосковой антенны

В настоящее время наибольшее распространение в сотовых телефонах получили спиральные антенны, совмещенные с несимметричным вибратором. Однако существует несколько важных соображений, из-за которых наблюдается тенденция внедрения скрытых от пользователей микрополосковых антенн, взамен внешних спиральных антенн.

Микрополосковая (в зарубежной литература patch- печатная) антенна представляет собой металлический проводник той или иной формы, расположенный над заземленной подложкой. Она может быть удачно совмещена с печатной платой, на которой расположены СВЧ каскады телефонной трубки. Имеются конструкции из параллельно расположенных многосторонних плат. В определенной точке к микрополосковой антенне подключается приемопередатчик. В этой точке осуществляется подвод мощности от передатчика и отвод принятого сигнала на вход приемника (рис 23).

В процессе проектирования планарной антенны необходимо:

- разработать форму антенны, которая бы удачно вписывалась в корпус сотового телефона, обеспечивая при этом эффективное излучение (коэффициент усиления антенны),

-найти оптимальную точку питания (обычно со входным сопротивлением 50 Ом), к которой подключается вход приемопередающего устройства (дуплексный фильтр),

- рассчитать согласующую структуру между входом дуплексного фильтра и точкой питания микрополосковой антенны,

- в случае внутреннего расположения антенны - оптимизировать земляную поверхность (иногда называемую противовесом), т.е. найти оптимальное заполнение внутренней поверхности корпуса телефона проводящими участками. В настоящее время это часто реализуется закраской отдельных частей корпуса проводящей краской.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 23 Вариант конструкции полосковой антенны

Целью проектирования антенны является получение требуемой диаграммы направленности (ДН) и хорошее согласование в рабочей полосе (или нескольких полосах) частот.

В последнее время сотовые телефоны часто имеют отрывающуюся крышку. Это может быть как крышка клавиатуры, так и крышка c дисплеем LCD. Проектировщик должен обеспечить требуемую ДН телефона с закрытой крышкой (т.е. в режиме ожидания) и с открытой крышкой (в режиме разговора). Предпочтительный вид ДН - всенаправленная, поскольку в условиях эксплуатации сотового телефона в большом городе, отражения от зданий и стен не позволяют выделить направление на определенную базовую станцию. Необходимо также оценить влияние тела пользователя (головы и руки, держащей телефон), на ДН, а также оценить, насколько ухудшается реальная чувствительность телефона из-за близости человека.

3.2 Анализ обобщенной структуры полосковой антенны

Проектирование микрополосковой антенны следует начинать с оценки её размеров, определяемых заданным частотным диапазоном. Длину антенны можно оценить по следующей простой формуле [8]:

, (8)

где - заданная резонансная частота, - относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки. Эта формула не принимает во внимание влияния ширины подложки антенны и толщины подложки на резонансную частоту, но это влияние обычно незначительное. Формула (8) отражает физическую природу печатной антенны как полуволнового резонатора, который сформирован в пространстве между верхним проводником и земляной платой антенны. Например, на частоте =1.9 GHZ и =1 (воздух) из (8) имеем A80 mm. Антенна с такими размерами слишком большая для использования в современных телефонных трубках.

Длина антенны может быть уменьшена по крайней мере в два раза (при работе на той же частоте), если один её конец заземлить. В этом случае получатся так называемая инвертированная F-антенна (PIFA), которая представляет из себя четвертьволновый резонатор, один конец которого заземлен, а другой открыт (холостой ход). PIFA возбуждается коаксиальным кабелем в точке, где входное сопротивление антенны близко к 50 Ом. Таким образом, длина PIFA может быть приблизительно оценена как

(9)

Для антенны, настроенной на ту же самую частоту =1,9 GHZ и =1, как в вышеупомянутом примере, мы получаем a40 mm, что является подходящим для телефонных трубок. Нужно также отметить, что фактический размер антенны может быть даже меньше благодаря эффекту краевого ближнего поля, сосредоточенного у открытого конца резонатора.

Ширина плоской антенны b - менее важный параметр, чем длина, и может быть выбрана из конструктивных или эстетических соображений совместимости с размером телефонной трубки.

Высоту h положения PIFA антенны над земляной плоскостью рекомендуется выбирать по формуле [8].

h = 0,04. (10)

Для расширения рабочего диапазона частот приходится идти на усложнение конструкции, например использовать многослойные печатные структуры. В этом случае, параметры антенны (размеры проводников и расстояние между ними по высоте) могут быть оптимизированы с помощью одного из программный пакетов, моделирующих электромагнитные структуры.

Рис. 24. Плоская перевернутая F-антенна (PIFA)

Отметим, что преимущество малого размера антенны PIFA достигается за счёт уменьшения её излучательной способности (излучает только один край), к тому же обычно PIFA антенны узкополосны. Для сохранения эффективности излучения микрополосковой антенны при уменьшении её размеров в микрополосковом проводнике прорезается щелевая линия. Эта линия формирует характеристики антенны на собственной частоте, но и изменяет характеристики на смежной частоте. Анализ ближнего поля в такой антенне показывает, что в щели происходит концентрация электромагнитной энергии, а путь тока, протекающего по проводнику, увеличивается, что ведет к снижению частоты по сравнению с антенной без щели. Наличие щели играет большую роль в формировании диаграммы направленности и частотной характеристики антенны. С известным приближением можно считать эту щель несимметричной щелевой линией, концентрирующей продольный магнитный ток. Известно, что замедление основной волны в щелевой линии определяется формулой

, (11)

где - длина волны в свободном пространстве, , - относительная магнитная и диэлектрическая проницаемость среды или части среды. Эта формула позволяет оценить резонансную длину щели в общем случае магнито-диэлектрической подложки микрополосковой антенны с учетом замедления волны в эквивалентной щелевой линии.

Исходя из соображений безопасности здоровью, необходимо уменьшать долю СВЧ энергии, поглощаемой в теле человека, пользующегося сотовым телефоном (или уменьшение параметра SAR- Specific Absorption Rate). Для этого необходимо перераспределить ближнее поле антенны так, вывести голову и руку пользователя из области его наибольшей концентрации. Как показывают расчеты, сочетание печатной антенны со щелевой линией позволяет решить эту задачу. Такую комбинацию проводника и щели можно трактовать как одну из реализаций элемента Гюйгенса - комбинацию взаимно-перпендикулярных электрического и магнитного диполей, - создающего излучение преимущественно в одну полусферу.

3.3 Методы проектирования микрополосковых антенн

Основная часть процесса проектирования антенн сотовых телефонов основана на моделировании электромагнитных явлений на компьютере, используя в качестве начальных данных результаты, полученные на основе эскизных расчетов и соображений.

Для проектирования микрополосковых антенн в настоящее время используются несколько методов численного электродинамического анализа и современные программы, реализующие эти методы.

1. Метод моментов предполагает описание конструкции антенны в виде многослойной планарной конструкции. Слои, там где это необходимо, соединяются с помощью металлических перемычек VIA. Считается, что токи в этих перемычках имеют только вертикальную составляющую по оси Z. Используя известные функции Грина для элементарных металлических форм, на которую разбивается вся металлическая форма плоской антенны, программа решает систему уравнений, составленную на основании непрерывности полей на границах слоев.

Расчет микрополосковой patch антенны методом моментов может быть выполнен в программе Microwave Office (MWO). Программа MWO проста в использовании, но имеет ограниченные возможности для проектирования сотового телефона в корпусе.

Другим примером коммерческой программы, реализующей метод моментов, является часть пакета HP ADS, программа HP Momentum. Метод моментов также реализован в программе IE3D. В этой программе имеются более широкие возможности, по сравнению с Momentum и MWO, для моделирования сотового телефона.

2. Метод конечных элементов. В этом методе (Finite Element Method, FEM) все анализируемое пространство разбивается на конечные элементы, в соответствии с ожидаемой скоростью изменения поля. Формируется набор неизвестных (значения поля) на гранях конечных элементов, составляется система уравнений, которая решается в частотной области.

Одной из программ, которая рассчитывает СВЧ конструкции в трехмерном представлении, является программа HFSS. Эта программа совмещена с AutoCAD, поэтому рисование конструкции в ней аналогично черчению объектов в среде AutoCAD (рис. 25).

Рис. 25. Микрополосковая антенна (рис. 23), запитанная кабелем со стороны земляной плоскости. Вертикальное положение печатной антенны соответствует её реальному положению в сотовом телефоне.

Недостатком HFSS для решения задачи излучения в сотовом телефоне является то, что она требует задания бесконечной земляной платы, поэтому для корпусных трубок диаграмма направленности имеет идеализированную форму (только верхняя полусфера). Поэтому некоторые современные программы в ущерб такой универсальности, какой обладает HFSS, имеют частные опции, созданные для решения довольно узких задач.

Так, для решения задачи поглощения электромагнитной энергии в теле пользователя (задача SAR) специально была разработана программа FIDELITY (фирма Zeland). Эта программа использует прямое интегрирование уравнений Максвелла во временной области, используя импедансные эквиваленты электромагнитного поля (элементы Yee). Для исследуемой структуры рассчитывается переходной процесс, возникающий при подаче на её вход импульса Дирака.



Рис. 26 Частотная характеристика микрополосковой антенны (рис. 23), полученная с помощью программы HFSS.

После сходимости переходного процесса выполняется обратное преобразование Фурье и получается частотная характеристика антенны. Микрополосковая антенна (рис. 23) в поле программы FIDELITY показана на рис. 27.

Рис. 27 Микрополосковая антенна в поле программы FIDELITY

Результаты, опубликованные в литературе показывают, что микрополосковые антенны дают величину SAR, равную и большую, чем другие типы антенн, в частности спиральная. Однако сейчас находят новые технические решения, когда микрополосковая антенна конструируется в нижней части сотового телефона, что дает результаты одного порядка, и даже ниже, чем у остальных антенн.

3.4 Особенности проектирования микрополосковых антенн

Для того чтобы успешно выполнить перевод трубок сотовых телефонов на использование внутренних плоских микрополосковых антенн, нужно решить ряд задач, которые показали бы преимущества этих антенн перед спиральными антеннами.

В литературе часто упоминаются следующие особенности микрополосковых антенн:

- микрополосковые антенны более узкополосные по сравнению со спиральными,

- микрополосковые антенны легко реализуют круговую поляризацию, по сравнению с преимущественно вертикальной поляризацией у спиральных антенн,

- микрополосковые антенны могут обеспечить меньший SAR (удельное поглощение мощности) в голове, но обеспечивают больший SAR в руке пользователя,

- микрополосковые антенны имеют более направленную диаграмму излучения в азимутальной плоскости, чем спиральные и вибраторные, в силу своей несимметричности относительно оси Z.

Часть этих особенностей микрополосковых антенн можно рассматривать как недостатки, часть - как достоинства. Например, микрополосковая антенна, в отличие от спиральной, может реализовать любой вид поляризации, причем эта поляризация может эффективно переключаться. В любом случае, эти особенности нужно учитывать при проектировании микрополосковых антенн.

Как уже отмечалось выше, печатная антенна - в общем случае многослойная структура, на поверхности каждого из слоев которой нанесены металлические проводники определенной формы. Данная конструкция может иметь одну или несколько точек возбуждения. В эти точки на антенну подается возбуждающее напряжение, которое наводит в структуре токи излучения.

Кроме точек возбуждения, на печатной антенне могут быть точки заземления (присоединения к заземляющей плоскости). Токи, наведенные в этой сложной конструкции формируют диаграмму направленности и реализуют другие характеристики антенны, необходимые для установления связи с базовой станцией.

Поскольку в результате электродинамического расчета удается определить распределение токов в системе, то их анализ может послужить основой для модернизации антенны.

Полосковые антенны имеют геометрию сложной формы. Такую геометрию можно получить, только моделируя и оптимизируя её на современных мощных программах, типа IE3D, используя т.н. алгоритм генетической оптимизации. В этом алгоритме переменными оптимизации являются координаты точек конструкции, и они меняют свое положение, позволяя получить требуемые характеристики. Однако такая оптимизации требует достаточно больших вычислительных ресурсов.

В процессе проектирования антенны необходимо, прежде всего, получить входное сопротивление, близкое к 50 Ом, поскольку в этом случае можно будет с меньшими потерями согласовать антенну с малошумящим входным усилителем и усилителем мощности передающего тракта. Например, если величина возвратных потерь антенны (параметр 20 log |S11|), порядка -20 dB, это говорит о том, что в рабочем диапазоне частот антенна будет работать с хорошим согласованием с окружающим пространством. Такая величина, как - 20 dB показывает, что мощность генератора будет почти без отражения поглощаться антенной, которая в свою очередь нагружена свободным пространством. Антенна есть трансформатор между выходом усилителя мощности (или входом малошумящего усилителя) и свободным пространством, волновое сопротивление которого для плоской волны в дальней зоне можно считать равным 377 Ом.

Следующее требование - характеристики излучения, которые определяют способность антенны излучать в разные направления. При проектировании и расчете антенны обычно интересуются сечениями диаграммы направленности в двух взаимноперпендикулярных плоскостях: азимутальной и угломестной. Азимутальная ДН определяет способность антенны излучать в горизонтальной плоскости, угломестная ДН - в вертикальной. И та и другая ДН важны для сотового телефона, но первая определяет всенаправленность, и она более характерна для оценки излучения в условиях эксплуатации. Параметры направленности печатной антенны или её модификаций, должны быть не хуже, чем у существующих спирально-штыревых антенн.

3.5 Расчет микрополосковых антенн

Одной из задач, стоящих перед разработчиками антенн, является создание широкополосных антенн, работающих в нескольких диапазонах частот, поскольку большое распространение получили трубки многорежимного действия, работающие в системах AMPS, CDMA, GSM, в том числе одновременно в нескольких частотных диапазонах. Например, часто нужно, чтобы антенна работала в полосе 0.8 ... 0.9 ГГц и в полосе 1.8 ... 1.9 ГГц.

В антеннах сравнительно простой геометрии входной импеданс антенны, в основном зависит от координаты точки питания, а диаграмма направленности и другие антенные характеристики зависят, в основном, от размеров и геометрии. В антеннах с более сложной геометрии эта зависимость нарушается. Первоначальная оптимизация проводится по критерию согласования антенны в заданных частотных диапазонах. Для этого разработчик, кроме формы антенны и точки питания антенны, может варьировать диэлектрической проницаемостью подложки, высотой расположения подложки, и самое эффективное - формой экрана, т.е. заземленной частью корпуса.

Результаты моделирования полосковых антенн обычно проверяются экспериментальными измерениями. На рис. 27 показана измеренная частотная характеристика антенна №2 (рис.23) в корпусе на анализаторе цепей Agilent 8753ES. Из расчета и экспериментальных данных получено, что антенна действительно работает в двух диапазонах. В этом случае можно только говорить об относительном сравнении результатов расчета и эксперимента, и объясняется это сложностью формы корпуса телефона.

Рис. 27 Измеренная частотная характеристика антенна №2 в корпусе

Наибольший интерес представляет собой анализ характеристик антенны, вмонтированной в корпус, поскольку известно, что излучающая антенна наводит токи в корпусе, которые также влияют на характеристики согласования и на диаграмму направленности. Поскольку в корпусе протекают токи, то это приводит к тому, что эти токи создают резонансы на определенных частотах, которые можно выявить, если использовать формулу (8), но в качестве "A" взять габариты металлического корпуса A, B, C (рис. 24). Если при анализе частотной характеристики получились полосы согласования в нерабочем диапазоне частот, в районе 1...1.6 ГГц, то это признак того, что на этих частотах на корпусе телефона наводятся большие токи. В этом случае на частотные характеристики сильно влияет положение руки пользователя.

Диаграммы направленности, рассчитанные с учетом корпуса, и токов, которые наводятся на корпусе часто сильно отличаются от диаграммы направленности антенны, предоставляемой фирмой разработчиком антенны. Это является существенной причиной, по которой разработчик телефонной трубки должен модернизировать антенну вместе с конкретным корпусом. И это же является полезным для подстройки диаграммы направленности и чувствительности приемника, которые зависят от металлического покрытия внутри корпуса.

Программы моделирования СВЧ устройств, основанные на электродинамических методах расчета позволяют увидеть в различных режимах распределение токов и ближнего поля вблизи антенны. Это исключительная важность этих программ. Можно сказать, что без изучения ближнего поля и распределения токов на поверхности трубки сотового телефона сейчас невозможно выполнить её полноценное и оптимальное проектирование.

3.6 Тенденции развития микрополосковых антенн

Плоская микрополосковая антенна имеет несколько степеней свободы в своей конструкции (две координаты, а если добавить многослойность, то и 3 координаты). Это отличает её от спиральной и вибраторной антенн, которые можно считать антеннами с одной степенью свободы, т.е. с их длиной вдоль координаты Z. Поэтому можно предполагать, что микрополосковая антенна имеет большие возможности, чем спиральная или спирально-штыревая антенн, и проектирование её обещает большие перспективы, в плане достижения тех же характеристик, но антенной с меньшими размерами. Можно предположить, что в формировании частотных характеристик печатная антенна принципиально использует высшие типы волн, в отличие от регулярного несимметричного и симметричного вибраторов. Обычно такая особенность уменьшает размеры, но требует точное проектирование устройств.

1. В тенденции скрыть антенну внутри корпуса можно усмотреть и эстетический смысл (красивее корпус, не делается акцент на выдвигаемую антенну), и психологический, когда пользователь не думает, откуда излучается СВЧ мощность. В техническом плане сокрытие антенны увеличивает надежность прибора, т.к. имеется статистика о том, что 50% поломок сотового телефона связано с поломкой антенны. К тому же исключаются ситуации самого напряженного сценария работы усилителя мощности, когда сотовый телефон находится в зарядном устройстве (напряжение около 5 V), и при получении звонка с одновременной поломкой антенны напряжение на коллекторе мощного транзистора может превысить 15 вольт и более. Это приводит к выходу из строя выходного транзистора усилителя мощности. Поэтому желательно исключить выворачивание и обламывание антенны. Самый радикальный способ для этого - спрятать антенну в корпус.

2. В будущем возможно внедрение технологии адаптивных антенн в сотовые телефоны, поскольку такая идея сулит улучшение общей чувствительности телефона на величину до 10 dB. Это означает, что не только базовая станция будет следить за месторасположением пользователя телефона, но и телефон пользователя будет привязываться к какой либо базовой станции на время нахождения в определенной зоне. Антенны базовой станции и сотового телефона как бы будут следить друг за другом. Но этот режим должен блокироваться в условиях города с высокими зданиями, поскольку в этих условиях, из-за многих переотражений сигнала направление на базовую станцию определить не удастся.

3. Микрополосковая печатная антенна как нельзя лучше подходит для реализации идеи адаптивной антенны в сотовых телефонах, поскольку позволяет быстро и эффективно перестраивать диаграмму направленности электронным способом. В настоящее время уже используются антенна, составленная из двух разнесенных примерно на четверть длины волны излучателей-антенн (называемая в зарубежной литературе Space Diversity Antenna). Этот режим приема с разнесенными антеннами, однако, достигается за счет дополнительных потерь сигнала при электронном переключении антенн.

4. Внедрение идеи автоматического слежения (т.е. сохранение диаграммы направленности строго направленной на базовую станцию, при любом изменении положения пользователя в пространстве), позволит получить выигрыш и от использования поляризационно развязанных каналов приема и передачи. При этом можно улучшить развязку каналов не только по частоте (в дуплексном фильтре), но и используя поляризационные фильтры. Это решение дает улучшение параметров системы в целом.

5. Перспективной является также идея стабилизацию диаграммы направленности по отношении к вертикали. Эта идея основана на том, что антенны базовых станций имеют преимущественно вертикальную поляризацию. Поэтому можно осуществить стабилизацию диаграммы направленности антенны сотового телефона электронным или даже механическим (по принципу отвеса, используя земное притяжение) способом. В этом случае, когда пользователь наклоняет телефон, т.е. меняет его ориентацию в пространстве, ориентация диаграммы направленности остается неизменной и согласованной по поляризации с антенной базовой станции.

Главная особенность, моделирования микрополосковых антенн, предназначенных для использования в сотовых телефонах - необходимость учета корпуса трубки и элементов конструкции типа откидной крышки, что в свою очередь обусловливает необходимость использования мощных современных программ для моделирования электромагнитных структур, таких как HP Momentum, HFSS, IE3D, FIDELITY. Моделирование антенны вместе с другими элементами корпуса составляет существенную часть всего процесса проектирования конструкции антенны и трубки.

Вопросы влияния головы и руки человека на режим работы антенны также являются существенным фактором, поскольку влияют на ближнее поле антенны.

4. Планарные антенные системы BlueTooth

4.1 Система BlueTooth

Увеличение скорости обмена информацией способствовало развитию беспроводных систем связи на "домашнем" уровне. Персональные компьютеры и ноутбуки, сотовые телефоны, CD- и МР3-плееры, цифровые фото- и видеокамеры и масса других цифровых устройств, часто подсоединяемых друг к другу и к стационарным компьютерам, создали проблему их связи.

Кабель стал неудобен - подключаться надо часто, размеры самого кабеля с разъёмами едва не больше собственно подключаемого устройства и так далее. На этом фоне резко возросла актуальность беспроводных локальных технологий WLAN (Wireless Local Area Networking), обеспечивающих бесконтактное подключение устройства к диску ведущего компьютера [9].

В результате была предложена и стала быстро развиваться система беспроводной связи Bluetooth. В спектре радиочастот ей отведено 79 каналов в полосе 37 МГц (примерно 2 МГц каждый) в диапазоне 2,4465-2,4835 ГГц.

Суть стандарта Bluetooth в оснащении электронных устройств приёмопередатчиками, работающими на частоте 2,45 ГГц, имеющими радиус действия до 10 м и скорость передачи информации до 1 Мбит/с. Возможности применения данных устройств: беспроводные наушники, мышки, клавиатуры, соединение мобильных телефонов и ноутбуков, обмен информацией между карманными компьютерами и т.д.

Система Bluetooth работает в разрешённой полосе 2,45 ГГц (полоса промышленного, научного и медицинского применения ISM - Industry, Science, Medicine), что позволяет свободно использовать устройства Bluetooth во всём мире. Потребление мощности устройств Bluetooth должно быть в пределах 0,1 Вт. Каждое устройство имеет уникальный 48-бит сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802.

Ключ к успеху Bluetooth-технологии - радиоприёмопередатчик. Низкая цена и малая мощность были первичными соображениями как при реализации технических требований интерфейса (короткая воздушная радиолиния), так и при проектировании приёмопередатчика. Технология Bluetooth позволяет создать однокристальный приёмопередатчик, объединяя ВЧ-схему и схему обработки цифровых потоков на одном кремниевом кристалле.

4.2 Приемопередатчик Bluetooth

Приёмопередатчик Bluetooth включает в себя три функциональных блока: радиоблок, который содержит преобразователи вверх и вниз по ВЧ, ПЧ с полосой модулирующих частот; фильтр канала; модулятор/демодулятор и синтезатор частот.

Радиоблок выполняет преобразование FM-сигнала на частоте 2,45 ГГц в битовый поток и наоборот. Антенна - очень важный элемент системы. Антенна должна быть всенаправленной и иметь усиление 0 dBi, присутствие пользователя не должно влиять на распространение сигнала. Из-за маленькой длины волны на частоте 2,45 ГГц размер антенны ограничен несколькими сантиметрами. В настоящее время чаще всего применяются плоские или PIFA антенны, однако предложены ещё более миниатюрные конструкции E-типа на керамической подложке. Антенна дополняется полосовым фильтром, выделяющим частоту 2,45 ГГц из полосы ISM [10].

Чтобы перекрыть расстояние 10 м с выходной мощностью 0 дБм, достаточна чувствительность приёмника Pмин = -70 дБм. С учётом уровня шума на входе приёмника -114 дБм (в шумовой полосе 1 МГц) и требования на выходе приёмного тракта Km=21 дБ, для обеспечения максимального коэффициента ошибок передачи информации BER=0,1% получаем, что коэффициент шума равен 13 дБ. Эта величина рассчитывается из формулы для чувствительности

Pмин = -174 дБм+NF+10lgB+a+Km, (12)

где -174 дБм - мощность теплового (kTB) шума в полосе 1 Гц в нормальной температуре; NF - коэффициент шума, дБ; B - полоса частот перед демодулятором, 1 МГц; a - порог срабатывания, a=3 дБ; Km - коэффициент, зависящий от вида модуляции.

Верхнюю границу динамического диапазона приемника Bluetooth можно оценить по уровню продукта интермодуляционных искажений 3-го порядка, если считать, что на входе действуют 2 сигнала с частотами двух соседних каналов. Свободный от искажений динамический диапазон определяется из условия, что искажения линейного и нелинейного происхождения одинаково влияют на искажения в демодуляторе и одинаково ухудшают обнаружение собственного сигнала. Свободный от искажений динамический диапазон (SFDR) приёмника Bluetooth должен быть равен 50 дБ. Мощность передатчика Bluetooth около 0 дБм (допускается использовать максимальную мощность до 20 дБм).

Максимальную дальность радиосвязи - rm, при условии, что антенны направлены друг на друга, можно определить зная излучаемую передатчиком мощность - Р; максимальный коэффициент усиления передающей антенны - Gm; мощность радиосигнала в точке приёма - Pn: максимальную эффективную площадь приёмной антенны (пропорциональную геометрической площади антенны) - Aэфф.м; функцию диаграммы направленности передающей антенны - F(,); функцию диаграммы направленности приёмной антенны - F'(','); чувствительность приёмника - Pn.min. Например, при P=10-3 Вт, Gm=0,5, Aэфф.м =25 10-6 (5 на 5 мм), Pn.min=10-10 Вт (-70 дБм) максимальная дальность радиосвязи rm=3 м. Это значение приблизительно соответствует требованиям системы Bluetooth, и может служить отправной точкой расчёта геометрии антенны, поскольку остальные характеристики определяются стандартом на микросхему приёмопередатчика [10].

4.3 Антенны для Bluetooth

Несколько фирм, такие как Hitachi Metals, Murata, Yocowo, Antek Wireless, Centurion и другие, уже производят широкий набор антенн, которые применяются в сотовой телефонии и специально предназначены для систем Bluetooth, используя керамические материалы с хорошими высокочастотными свойствами.

Фирма Hitachi Metals выпустила антенны типа "E-Type Electrode Configuration" (рис. 28), хорошо подходящие для приложений Bluetooth. Место, требуемое для новой антенны, очень маленькое (15x3x2 мм), она не чувствительна к расположению периферийных частей, может быть выполнена в виде высокоэффективной антенны-кристалла для Bluetooth, проста в использовании.

Рис. 28 Вид антенны Hitachi Metals для Bluetooth

Фирма Antek Wireless Inc. разработала новую 2,4-ГГц антенну оригинальной конструкции, которая обеспечивает эффективность, превышающую фактически любые технические требования проекта, миниатюрна, и может быть установлена почти в любое устройство. Антенна применима для различных приложений типа беспроволочной передачи видеосигнала, аудиооборудования, головных телефонов, модемов, мобильных компьютеров, портативных телефонов и других переносных карманных устройств, использующих протоколы Bluetooth, IEEE 802.11 и HomeRF.

Компания Centurion International разработала внутреннюю антенну PIFA или разновидности плоской антенны для использования в переносных компьютерах, использующих технологию Bluetooth. Новая антенна даёт возможность компьютерным фирмам - изготовителям разработать переносные устройства, которые легко связываются с портативными телефонами и системами обмена сообщениями, соединяются с Интернетом на высоких скоростях передачи данных.

Murata Manufacturing Co. начала производство и продажу встроенных диэлектрических антенн для ноутбуков, использующих технологию Bluetooth (рис. 29). Размеры модуля новой серии G2 - 15x5,8x7,0 мм.

Рис. 29 Chip-антенна ANCG22G41 Murata

Компания Miyazaki Matsushita Electric Industrial Co. Ltd. Выпускает сверхкомпактную антенну для Bluetooth-устройств (30). Антенна выполнена на керамической основе и имеет размеры 5x1,2x1,2 мм. Это самая маленькая антенна в индустрии Bluetooth. Характеристики антенны следующие: рабочая частота 2,4 ГГц, коэффициент усиления -2 dBi, коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) 2,0.

TDK Corp. выпускает две полуволновые антенны небольшого размера (7 на 7 мм) для использования в изделиях на основе технологии Bluetooth. Антенна CANPB0715 имеет коэффициент усиления -5 dBi, а антенна CANPB0716 - 3 dBi. Большинство других малых антенн являются четвертьволновыми. Их использование возможно только в более крупных мобильных устройствах, таких как ноутбуки, где осуществляется заземление на корпус устройства.

Ранее антенны имели две основных конфигурации: обратную несимметричную антенну F-типа и плоскую антенну. Перевёрнутая F-антенна имеет одну сторону открытую, а другую - заземлённую, что сделано для сокращения размера, но открытая сторона подчинена влиянию заземляющего электрода.

Рис. 30 Керамическая антенна в корпусе сотового телефона

Поэтому требуется большая область, чтобы реализовать антенные свойства в заданном пространстве, и необходима осторожность при проектировании расположения периферийных компонентов. Кроме того, плоская антенна высоко чувствительна (высокое усиление) и имеет сильные направленные свойства, делая её неподходящей для приложений Bluetooth, где необходима всенаправленность.

Тип антенны, разработанный Hitachi Metals, имеет уникальные достоинства обратной антенны F-типа, но включает заземляющие электроды с обеих сторон и добавляется центральный, конусообразный электрод. Другими словами, новая конфигурация E-Type Electrode, изобретённая в Hitachi Metals, может быть ещё более миниатюризирована, и существенно не воздействует на близлежащие заземляющие электроды. Чем меньше антенна, тем меньше корпус влияет на её параметры.

Анализ всех конструкций антенн для системы Bluetooth, приведённых выше, позволяет выделить основные антенные параметры, входящие в спецификацию антенны, на основании чего можно выбирать метод проектирования сотового телефона с такой антенной.

Технические требования на антенну системы Bluetooth:

- рабочая полоса частот: 2400…2500 МГц;

- среднее усиление: -3 dBi;

- входное сопротивление: 50 Ом;

- VSWR: 3 или меньше.

В процессе проектирования антенной системы необходимо:

- рассчитать согласующую структуру между входом фильтра и точкой питания полосковой антенны;

- оптимизировать земляную поверхность (иногда называемую противовесом), то есть найти оптимальное заполнение внутренней поверхности корпуса телефона проводящими участками. В настоящее время это часто реализуется закраской отдельных частей корпуса проводящей краской.

Целью проектирования антенны является получение требуемой диаграммы направленности (ДН) и хорошее согласование в рабочей полосе частот.

4.4 Анализ обобщенной структуры планарной антенны

Из обзора существующих антенн для системы Bluetooth видно, что они имеют металлические формы сложной конфигурации, напылённые на одной или нескольких сторонах трёхмерной подложки, чаще всего керамической с большой проницаемостью (рис. 29). Поэтому можно сказать, что каждая из этих форм является резонатором. Известно, что размеры антенны связаны с рабочей частотой. Если считать, что антенна резонирует по более длинной стороне, то длину антенны можно оценить по следующей простой формуле [10]:

, (13)

где fr - заданная резонансная частота; - относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки.

Формула (13) отражает физическую природу печатной антенны (рис. 30) как полуволнового резонатора, который сформирован в пространстве между верхним проводником и земляной платой антенны. Например, на частоте fr=2,5 ГГц и =34 (керамика) из (13) имеем A=10,29 мм.

...