Антенны абонентских терминалов систем подвижной радиосвязи

Рис. 31 Геометрия Bluetooth-антенны YCE-5207 в системе AutoCAD

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 получится так называемая инвертированная F-антенна (PIFA), которая представляет четвертьволновый резонатор, один конец которого заземлён, а другой открыт (холостой ход). PIFA возбуждается коаксиальной линией в точке, где входное сопротивление антенны близко к 50 Ом.

Для антенны, настроенной на ту же самую частоту fr=2,5 ГГц и =34, получаем a ~=5,1 мм, что уже занимает намного меньше пространства, чем в предыдущем случае. Фактический размер антенны может быть даже меньше, благодаря эффекту краевого ближнего поля, сосредоточенного у открытого конца резонатора.

Поскольку антенны для системы Bluetooth находятся в полузамкнутом экране сложной формы, характеристики антенной системы могут значительно отличаться от характеристик, рассчитанных по теоретическим формулам. В этом случае, параметры антенны (размеры проводников и расстояние между ними по высоте) могут быть оптимизированы с помощью одного из программных пакетов, моделирующих электромагнитные структуры (рис. 32).

Рис. 32 Ближнее поле в сотовом телефоне (в поле программы HFSS)

Отметим, что преимущество малого размера антенны PIFA достигается за счёт уменьшения её излучательной способности (излучает только один край), к тому же обычно PIFA антенны узкополосные.

4.5 Численные методы проектирования планарных антенн

Современное проектирование антенн сотовых телефонов (рис. 33) основано на моделировании электромагнитных явлений на компьютере, используя в качестве начальных данных результаты, полученные на основе эскизных расчётов и эвристических соображений.

При создании модели необходимо помнить, что геометрия должна соответствовать реальному положению антенны во время работы, то есть такому, чтобы корпус находился в вертикальном положении (или под небольшим углом). В этом случае плоская антенна находится в положении "на ребре".

Керамическая антенна изготовлена на подложке с высокой диэлектрической проницаемостью. Материал с высокой проницаемостью обладает также большими потерями. Поэтому расчёт таких антенн необходимо вести с помощью программ, которые принципиально учитывают потери в керамике. Такой программой является программа HFSS.

Для того чтобы успешно установить плоскую антенну в конструкцию трубки сотового телефона, нужно провести расчётные исследования, которые показали бы зависимость характеристик антенной системы от тех или иных элементов конструкций телефона.

Отметим 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 имеют более неравномерную диаграмму излучения в азимутальной плоскости, чем спиральные и вибраторные, в силу своей несимметричности относительно вертикальной оси.

Рис. 33 Вид антенны Bluetooth в корпусе сотового телефона

Как уже отмечалось, керамическая антенна - 3D-структура, на поверхности каждой стороны которой нанесены металлические проводники определённой формы. Данная конструкция может иметь одну или несколько точек возбуждения. В эти точки на антенну подаётся возбуждающее напряжение, которое наводит в структуре токи излучения. Точки возбуждения могут быть связаны симметрирующим трансформатором.

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

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

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 20log |S11|), порядка -20 дБ, это говорит о том, что в рабочем диапазоне частот антенна будет работать с хорошим согласованием с окружающим пространством. Величина -20 дБ 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 разных направлениях. При проектировании и расчёте 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.

Одной из задач, стоящих перед разработчиками антенны Bluetooth, является обеспечение её всенаправленного характера, ибо при непроизвольном вращении могут исказиться данные, передающиеся от одного прибора к другому. Чем меньше размеры собственно антенны, тем меньше влияние корпуса на азимутальную диаграмму сотового телефона (рис. 34, 35).

Рис. 34 Угломестная ДН антенной системы Bluetooth

Влияние тела пользователя на диаграмму направленности маленькой антенны значительно меньше, чем на ДН основной антенны сотового телефона. То же можно сказать и на обратное воздействие излучаемой мощности антенны Bluetooth на тело человека [10].

Главная особенность работы антенной системы Bluetooth - работа антенны в сильно металлизированном корпусе, то есть с большим противовесом. Для расчёта токов, наводимых антенной на поверхности корпуса, необходимо применение программы анализа в 3D представлении, например HFSS.

Рис. 35 Азимутальная ДН сотового телефона с антенной системы Bluetooth

В этом случае моделирование антенны вместе с другими элементами корпуса составляет существенную часть всего процесса проектирования конструкции антенны и трубки.

антенна репиент микрополосковый bluetooth

5. Фрактальные антенны

5.1 Эволюция электрически малых антенн

Фрактальные антенны относятся к классу электрически малых антенн (ЭМА), которые принципиально отличаются своей геометрией от известных решений. Традиционная эволюция антенн базировалась на евклидовой геометрии, оперирующей объектами целочисленной размерности (линия, круг, эллипс, параболоид и т. п.). Главное отличие фрактальных геометрических форм - их дробная размерность, что внешне проявляется в рекурсивном повторении в возрастающем либо уменьшаемом масштабах исходных детерминированных или случайных шаблонов [11].

Прообразом современных фрактальных технологий в антенной технике явились предложенные в середине 60-х годов прошлого века логопериодические и спиральные конструкции. Правда, в строгом математическом смысле такие конструкции на момент разработки не имели отношения к фрактальной геометрии, являясь, по сути, лишь фракталами первого рода. Фрактальные антенны позволяют получить практически тот же коэффициент усиления, что и обычные, но при меньших габаритах, что важно для мобильных приложений.

Первые публикации по электродинамике фрактальных структур относятся к 80-м годам прошлого века. Начало практическому применению фрактальных антенн в 1995 году положил, американский инженер Натан Коэн (N. Cohen). Чтобы обойти запрет бостонских властей устанавливать на домах наружные антенны, он замаскировал антенну своей радиостанции под декоративную фигуру, выполненную на основе фрактальной ломаной, описанной шведским математиком Хельге фон Кохом (Helge von Koch) в 1904 году. В настоящее время теория фрактальных антенн превратилась в самостоятельный, довольно развитый аппарат синтеза и анализа ЭМА.

5.2 Излучатели на основе фрактала Коха

Первой конструкцией фрактальной антенны с наиболее полно изученными электромагнитными и направленными свойствами стала антенна на основе префрактальной кривой Коха. При построении линии Коха исходный отрезок длиной z, именуемый инициатором фрактала, делится на три равные части. Центральный участок заменяют равносторонним треугольником со стороной z/З. В результате образуется ломаная, состоящая из четырех звеньев длиной z/З каждый (рис. 36).

Рис.36 Построение кривой Коха; а) первая, б) вторая, в) третья и г) четвертая итерации

Этот процесс повторяется для каждого отдельного сегмента ломаной линии: во второй итерации на отрезках z/З строятся треугольники со сторонами z/9, на них - треугольники со сторонами z/27 (третья итерация) и т.д. Предельная кривая и есть кривая Коха. Каждый шаг синтеза увеличивает длину результирующей кривой в соответствии с выражением:

(14)

где п - число итераций, z - высота образующего шаблона (длина исходного отрезка).

Этот эффект миниатюризации антенн является существенным лишь при пяти-шести первых итерациях фрактала.

Строго говоря, в антенных решениях используются не подлинные фракталы, а лишь несколько первых их итерационных форм, получивших в геометрии название кривых, заполняющих пространство (Space-Filling Curves, SFC) или плоскость (Plane-Filling Curves, PFC). Реже используется термин "префракталы". Все эти понятия применительно к антенным конструкциям могут употребляться как синонимы.

SFC могут применяться в качестве шаблонов для изготовления монополей и плеч диполей, формирования топологии печатных антенн, частотно-селективных поверхностей (Frequency Selection Surfaces, FSS) или обечаек зеркальных рефлекторов, построения контуров рамочных антенн и профилей апертуры рупоров, а также фрезеровки пазов в щелевых антеннах. В англоязычной литературе соответствующие антенны нередко называют "space-filling antenna" (SFA) (антенны, заполняющие пространство).

В случае проволочных антенн самопересечение SFC допускается только в начальном (или конечном) пункте. Иначе говоря, фрактальная линия может иметь вид замкнутого контура, но ни одна из ее частей не может быть замкнутым фрагментом. Отсутствие точек самоконтакта в SFC-объектах позволяет говорить о них как о "самоизбегающих" кривых. Отсюда происходит еще одно название этих ломаных линий - FASS-кривые (space-Filling self-Avoidance Simplicity Similarity - самоуклоняющиеся кривые подобных сегментов, заполняющих пространство).

Существует и другое ограничение всех типов фрактальных антенн: сегменты используемых в них SFC-линий должны быть короче одной десятой рабочей длины волны антенны в свободном пространстве. При этом общее число связанных SFC-сегментов в антенных топологиях не должно превышать 10.

Экспериментальные данные, полученные специалистами компании Cushcraft для кривой Коха, четырех итераций меандра и спиральной антенны, позволяют сопоставить электрические свойства антенны Коха с другими излучателями с периодической структурой. Все сопоставленные излучатели обладали многочастотными свойствами, что проявилось в наличии периодических резонансов на графиках импедансов. Однако для многодиапазонных приложений более всего пригоден фрактал Коха, у которого с ростом частоты пиковые значения реактивных и активных сопротивлений уменьшаются, тогда как у меандра и спирали они возрастают.

В целом следует отметить, что теоретически представить механизм взаимодействия фрактальной приемной антенны и падающих на нее электромагнитных волн сложно из-за отсутствия аналитического описания волновых процессов в проводнике со сложной топологией. В такой ситуации основные параметры фрактальных антенн целесообразно определять путем математического моделирования.

Представленная на рис. 36 антенна по фракталу Коха - лишь один из вариантов, реализуемый при использовании равностороннего инициирующего треугольника рекурсии, т.е. угол при его основании (indentation angle или "угол углубления") равен 60°. Такой вариант фрактала Коха принято называть стандартным. Вполне естественно задаться вопросом, можно ли использовать модификации фрактала с иными значениями этого угла. Утвердительный и обстоятельный ответ на данный вопрос содержится в работе ученого Пенсильванского университета КДж. Виной (K.J. Vinoy). Виной предложил рассматривать угол при основании инициирующего треугольника в качестве параметра, характеризующего антенную конструкцию. Изменяя этот угол, можно получать аналогичные рекурсивные кривые разной размерности (рис. 37).

Кривые сохраняют свойство самоподобия, однако результирующая длина линии может быть различной, что влияет на характеристики антенны. Виной первым исследовал корреляцию между свойствами антенны и размерностью обобщенного фрактала Коха D, определяемой в общем случае зависимостью

(15)

Рис. 37 Построение кривой Коха t углом а) 30° и б) 70° при основании треугольника в генераторе фрактала

Было показано, что по мере увеличения угла б размерность фрактала также увеличивается, и при 90° приближается к 2. Следует отметить, что используемое в теории фрактальных антенн понятие размерности несколько противоречит понятиям, принятым в геометрии, где эта мера применима только к бесконечно рекурсивным объектам.

С увеличением размерности нелинейно возрастает и общая длина ломаной линии, определяемая соотношением [11]:

(16)

где - длина линейного диполя, расстояние между концами которого то же, что и у ломаной Коха, n - номер итерации. Переход от =60° к ?=80° на шестой итерации позволяет увеличить общую длину префрактала более чем в четыре раза.

Между рекурсивной размерностью и такими свойствами антенны, как первичная резонансная частота, внутреннее сопротивление на резонансе и многодиапазонные характеристики, существует прямая связь. Зависимость первой резонансной частоты диполя Коха от размерности префрактала D, номера итерации n и резонансной частоты прямолинейного диполя той же высоты, что и ломаная Коха (по крайним точкам) имеет вид:

(17)

Из расчетов следует, что для реализуемых на практике параметров диполя Коха резонансную частоту можно снизить до 30% от значения резонансной частоты 10-см прямолинейного диполя.

При итерациях большего порядка из-за взаимного влияния близко расположенных сегментов фрактала могут возникнуть паразитные электродинамические эффекты, сужающие область применения выражения (17).

Одна из серьезных проблем, ограничивающая практическое использование стандартного диполя Коха, - уменьшение его внутреннего сопротивления с увеличением числа итераций. Этот недостаток можно преодолеть, варьируя значение угла . В общем случае для внутреннего сопротивления диполя Коха на первой резонансной частоте справедливо приближенное соотношение [11]:

(18)

где - внутреннее сопротивление линейного диполя (D=1), которое в рассматриваемом случае равно 72 Ом.

Выражения (17) и (18) можно использовать для определения геометрических параметров антенны с требуемыми значениями резонансной частоты и внутреннего сопротивления.

Перспективное применение антенн с топологией Коха MIMO-системы связи (системы связи со многими входами и выходами). Для миниатюризации антенных решеток абонентских терминалов в таких средствах коммуникации специалисты Лаборатории электромагнетизма Университета Патраса (Греция) предложили фрактальное подобие перевернутой L-антенны (ILA). Суть идеи сводится к изгибу вибратора Коха на 90° в точке, делящей его на сегменты с соотношением длин 2:1. Для мобильных средств связи с частотой несущей 2,4 ГГц габариты такой антенны в печатном исполнении составляют 12,33Ч10,16 мм (л/10Чл/12), полоса пропускания - 20% и КПД - 93%.

Диаграмма направленности по азимуту почти равномерна, коэффициент усиления в пересчете ко входу фидера составляет 3,4 дБ. Правда, работа таких печатных элементов в составе решетки (рис. 37) сопровождается снижением их КПД по сравнению с единичным элементом. На частоте 2,4 ГГц КПД согнутого на 90° монополя Коха снижается с 93 до 72%, а на частоте 5,2 ГГц - с 90 до 80%. Несколько лучше обстоит дело с взаимным влиянием антенн высокочастотной полосы: на частоте 5,25 ГГц развязка между элементами, образующими центральную пару антенн, составляет 10 дБ. Что касается взаимного влияния в паре соседних разнодиапазонных элементов, то в зависимости от частоты сигнала развязка изменяется от 11 дБ (на 2,45 ГГц) до 15 дБ (на частоте 5,25 ГГц). Причина ухудшения эффективности работы антенн - взаимное влияние печатных элементов.

На рис. 37. представлен пример двухдиапазонной (2,45 и 5,25 ГГц) антенной решетки сущей -2,4 ГГц габариты такой антенны в печатном исполнении составляют 12,33x10,16 мм (~А/10хА/12), полоса пропускания - -20% и КПД - 93%.

Рис. 37 Пример двухдиапазонной (2,45 и 5,25 ГГц) антенной решетки сущей -2,4 ГГц габариты такой антенны в печатном исполнении составляют 12,33x10,16 мм (~А/10хА/12), полоса пропускания - 20% и КПД - 93%.

Возможность выбора множества разнообразных параметров антенной системы на основе ломаной Коха позволяет при проектировании удовлетворять различные требования, предъявляемые к значению внутреннего сопротивления и распределению резонансных частот. Однако, поскольку взаимозависимость рекурсивной размерности и характеристик антенны может быть получена только для определенной геометрии, справедливость рассмотренных свойств для других рекурсивных конфигураций нуждается в дополнительном исследовании.

5.3 Диполи на основе фракталов Минковского

Большой интерес вызывают фрактальные антенны на основе ломаных линий, синтезируемых с помощью нетрадиционных методов, позволивших уменьшить их габариты и увеличить полосу пропускания. И хотя пока интенсивные исследования фрактальных антенн продолжаются, они уже появляются на рынке.

Весьма близок по своим свойствам к антенне на основе фрактала Коха - диполь, сформированный по закону ломаной Германа Минковского. При построении этой антенны вместо системы треугольников на прямой формируются меандры убывающих размеров. Модификация ломаной Минковского, основанная не на квадратном, а на прямоугольном шаблоне названа фрактальной прямоугольной ломаной (Fractal Rectangular Curve, FRC) (рис. 38).

Рис. 38 Формирование фрактальной прямоугольной ломаной антенны: исходный вибратор (а) и первые три итерации монополя -FRC-1 (б), FRC-2 (в), FRC-3 (г)

Антенны на основе FRC-ломаной имеют ряд преимуществ перед вибраторами Коха и Минковского. Например, при печатном исполнении монополь в виде FRC-3 на резонансную частоту 2,45 ГГц занимает область, ограниченную прямоугольником площадью 53,72 со сторонами 15,8 и 3,4 мм (~А/8хА/36). Для той же частоты высота обычного линейного вибратора равна 23,5 мм. Габариты монополя Коха вписываются в прямоугольник площадью 125 , а монополя Минковского - 64 . При этом полоса пропускания FRC- 3-антенны составляет 770 МГц, а вибраторов Коха и Минковского - 490 и 280 МГц, соответственно. Другое преимущество FRC-3-антенны в печатном исполнении - увеличенное (до 84 Ом) внутреннее сопротивление против 50 Ом для печатных монополей Коха и Минковского. КПД монополя с геометрией FRC-3 равен ~94%. Перечисленные факторы, делают FRC-3-антенны привлекательными для реализации на их основе приемных решеток MIMO-терминалов в ноутбуках и карманных компьютерах.

Еще одна модификация заключается в отходе от строгих правил построения фракталов в пользу комбинации "биполярных скачков" Минковского и модулированного ими меандра. В работе [21] на основе антенн такой комбинированной геометрии предложено реализовать на PCMCIA-карте четырехэлементную антенную решетку поперечного приема для работы в системе MIMO на частотах ~2,4 ГГц (рис. 39).

Рис.39 Четырехэлементная антенная решетка MIMO-терминала [21]

При таком конструктивном решении взаимное влияние антенн на некоторых частотах больше, чем у варианта на основе элементов перевернутой F-антенны (IFA), размещенных на четырех сторонах PCMCIA-модуля (рис.40).

Но в сравнении с IFA-решеткой высота антенных элементов в виде модифицированных "биполярных скачков" Минковского меньше. К тому же они более широкополосны. Существуют и варианты совместного применения в одной PCMCIA- карте IFA и антенн Минковского. Пристальное внимание, уделяемое вибраторам Минковского, свидетельствует о том, что этот тип антенн, возможно, вскоре можно будет отнести к разряду наиболее исследованных.

Рис. 40. Четырехэлементная IFA-решетка MIMO-терминала

5.4 Диполи на основе фракталов Гильберта

По форме образующего элемента достаточно похожа на фрактал Минковского ломаная Гильберта. Впервые миниатюрная антенна, основанная на такой рекурсивной геометрии, была представлена учеными Политехнического университета Каталонии. Особенность простейшего варианта ее построения состоит в том, что исходный квадрат на первой итерации разбивается на четыре симметричных подквадрата, центры которых соединяются П-образной ломаной линией. Процесс декомпозиции подквадратов на новые квадранты повторяется, и П-сегменты, образованные при объединении центров квадрантов кривой, соединяются. Размеры квадранта на n-ой итерации, при условии единичной длины сторон исходной фигуры, определяются как 2^-nx2^-n, а длина L-монополя Гильберта увеличивается с каждой итерацией n согласно уравнению [11]

(19)

где h - полная высота монополя (длина стороны описанного вокруг него квадрата), d - протяженность минимального прямолинейного сегмента.

Для пятой итерации L(5)=33h. Отсюда напрашивается вывод, что резонансная частота такого монополя Гильберта может быть в 33 раза меньше основной резонансной частоты прямолинейного вибратора высотой h. Однако на самом деле такое снижение номинала резонансных частот на практике невозможно из-за наличия взаимного влияния близко расположенных сегментов фрактальной антенны, приводящего к укорачиванию ее электрической длины. Особенно сильное взаимодействие возникает между изломами проводника, в результате которого путь распространения электромагнитных волн от одного конца монополя к другому становится более коротким. Тем не менее, даже с учетом эффекта взаимного влияния резонансная частота может снижаться на порядок и более. В последние годы антенны на основе кривой Гильберта, благодаря их простоте и технологичности, лидируют по числу посвященных им публикаций, потеснив довольно долго

Антенны на базе ломаной Гильберта рекомендуется использовать при создании системы на кристалле (SoC). В этом случае антенный модуль и радиотехнические устройства могут быть размещены в одном корпусе, а большая физическая длина линии позволяет диполям работать на длинах волн, несоизмеримо больших, чем габариты SoC.

На основе этой и других SFC-кривых могут быть выполнены плоские спиральные антенны для устройств радиочастотной идентификации (RFID-метки). Это позволяет существенно уменьшить габариты RFID-меток (рис.41).

Рис. 41 Вариант выполнения фрактальной антенны в составе системы на кристалле (SoC)

Достаточно интересной для антенных приложений является SFC-конструкция Осгуда. Линии Осгуда мало известны широкому кругу исследователей, поэтому анализ электродинамических свойств соответствующих им антенн еще не проводился.

Среди известных примеров серийных моделей фрактальных антенн следует упомянуть продукцию испанской компании Fractus. Ей принадлежит более 140 национальных и международных патентов в этой области. Среди последних разработок компании - фрактальная антенна Micro Reach Xtend™ на диапазон 2,4 ГГц (для систем стандартов Wi-Fi, Bluetooth и Zigbee). Ее габариты составляют всего 3,7x2 мм, что соответствует размерам рисового зерна. Другое направление разработок Fractus - технология создания "антенны в корпусе", получившая созвучное название AiP (Antenna-in-Package).

6. Эффективность встроенных антенн

Дискуссии о качестве работы сотовых телефонов с различными типами антенн регулярно появляются в форумах, посвящённых мобильной связи. Это связано с одной стороны популярностью сотовых телефонов с незаметной (внутренней антенной), а с другой стороны тем, что теория малогабаритных антенн сложна и до сих пор не до конца изучена. Попытаться прийти к какому-либо выводу, не имея хотя бы поверхностного представления о фундаментальных проблемах их проектирования, совершенно нереально. Поэтому представляют интерес основные аспекты использования и различные технологии антенн для абонентского оборудования сотовой связи.

6.2 Технологии встроенных антенн

Первые классические работы по дизайну малогабаритных антенн датированы концом пятидесятых годов прошлого века. Тем не менее, встроенные антенны для гигагерцевого диапазона - это очень молодое направление практических инженерных разработок. Резкое увеличение популярности таких антенн связано не столько с сотовой связью, сколько с беспроводными компьютерными технологиями. Встраивание Bluetooth и различных модификаций радиоэзернета в ноутбуки и PDA инициировало начало активной разработки маленьких антенн. Помимо внутренних технологических групп крупных корпораций (Motorola, Siemens, различные разработчики Wi-Fi оборудования), которые имеют большие финансовые возможности для R&D и разрабатывают технологии в основном для использования в собственных продуктах, за последние несколько лет появились несколько независимых компаний, занимающихся аутсорсинговыми разработками встраиваемых антенн, в частности Centurion Wireless Technologies (http://www.centurion.com), SkyCross (http://www.skycross.com) и Ethertronics (http://www.ethertronics.com).

Сейчас в сотовых аппаратах используются всего несколько типов встроенных антенн. Наиболее простые из них имеют эффективность (отношение между излучаемой и подводимой мощностью) около 30-40%. Наиболее совершенные - так называемые PIFA (Planar Inverted-F Antenna) - около 65% (для сравнения - обычная антенна часто имеет эффективность более 90%). Имеется в виду эффективность в свободном пространстве (часто называемая FS - Free Space, т.е. в идеальных условиях, без человека, держащего трубку в руках). Антенны класса PIFA при этом применять в малогабаритных телефонах довольно проблематично, поскольку конструктив имеет достаточно большую толщину и площадь. В реальных условиях (TP - Talk Position, когда человек держит телефон рукой) характеристики антенн могут ухудшиться в несколько раз.

Любые встроенные антенны имеют несколько фундаментальных проблем, которые для обычных спиральных не столь актуальны, и которые вынуждены решать все разработчики в равной мере. Прежде всего, это - сложность моделирования под конкретный корпус и внутренний конструктив телефона. Влияние внутренней компоновки на встроенную антенну может быть очень значительным, не говоря уж о том, что часто телефон держат при разговоре почти в кулаке, закрывая рукой всю его заднюю часть. Вторая проблема - это использование специальных диэлектрических материалов для регулировки коэффициента укорочения (при плотном контакте проводника с диэлектриком длина волны в нём меняется в зависимости от коэффициента диэлектрической проницаемости последнего - этот эффект используется для уменьшения физических размеров резонатора). Подобная методика приводит к появлению паразитных утечек (в спиральных антеннах эта проблема гораздо менее критична - там излучающая часть находится почти в свободном пространстве). Все встроенные антенны имеют проблемы с ёмкостью и индуктивностью излучателя - согласование с выходом усилителя является непростой задачей и также неизбежно ведёт к потерям мощности.

Крайне сложной является проблема эффективности при работе в нескольких частотных полосах. Не вдаваясь в подробности, отметим, что на данный момент развития технологии встроенных антенн приходится делать несколько антенн на разные диапазоны, а не одну, если аппарату необходимо работать с приемлемой эффективностью более, чем в двух диапазонах.

Ещё одной проблемой встроенных антенн является их направленность. С одной стороны это хорошо - максимум излучения всегда направлено от головы разговаривающего, если он говорит не по гарнитуре. С другой стороны, при не очень хорошем покрытии и при неодинаковом качестве связи с базовыми станциями во всех направлениях (в городах таких мест достаточно много) это часто приводит к выпадению голоса. Несмотря на всё вышесказанное, у встроенных антенн есть одно большое достоинство - они нравятся покупателям, поскольку удобны в пользовании.

Список литературы

1. Заика А., Мобильные антенны Mobiset.ru Дата публикации - 5 мая 2009 г. http://www.mobiset.ru/articles/text/?id=3233

2. Wheeler, H.A. Fundamental limitations of small antennas. - Proceedings of the IRE, Dec. 1947, pp. 1479-1488.

3. Caswell E.D., Davis W.A., Stutzman W.L. Fundamental Limits on Antenna Size.- Submitted to IEEE Trans. Ant. Prop., April 2000.

4. Thiele, G.A.; Delweiler, P.L; Penno, R.P. On the lower bound of the radiation Q for electrically small antennas. - IEEE Transactions on Antennas and Propagation. June 2003, v.51, N6, p.1263-1269.

5. Adams R.C., Hansen P.M. Evaluation of "Q" in an Electrically Small Antenna in Prolate Spheroidal Coordinates. Technical Document 3188. - Space and Naval Warfare Systems Center U.S. Navy. San Diego. Sept. 2004, 32 p. - www. spawar.navy.mil/sti/publications/ pubs/td/3188/td3188cond.pdf.

6. Слюсар В. 60 лет теории электрически малых антенн / ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 7/2006. С.10-19.

7. Курушин А. Спиральные антенны в сотовых телефонах. http:// www. chipinfo.ru /literature/chipnews/200110/3.html

8. Калиничев В., Курушин А. Микрополосковые антенны сотовых телефонов // Chip News. 2001. № 7. С. 6-12. http://ipso.ioso.ru/distance/Pach_antenna.htm

9. Калиничев В., Курушин А., Недера В. Планарные антенные системы BlueTooth в сотовых телефонах / http: //www. chipinfo.ru /literature /chipnews/ 200302/7.html

10. Кессених В., Иванов Е., Кондрашов З. Bluetooth: Принципы построения и функционирования // Chip News. 2001. № 7. С. 54-56.

11. Слюсар В.И. Фрактальные антенны. - Широкополосные беспроводные сети передачи информации. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. - М.: Техносфера. 2005, c.529-542.

Размещено на Allbest.ru