EA009969B1 - Антенна с регулируемым направлением излучения - Google Patents

Abstract

Антенна (10), которая может быть использована в мобильном телефоне или другом аналогичном устройстве связи, имеет передающий элемент (21) для передачи и приема направленного электромагнитного излучения. Передающий элемент (21) выполнен на слое или слоях (25) диэлектрика, причем ориентация диаграммы направленности принимаемого или передаваемого излучения управляется с помощью электронных средств. Передающий элемент (21) включает в себя по меньшей мере одну петлю и, как правило, имеет форму спирали. Переключатели (23, 24) в виде микроэлектромеханического переключателя или р-i-n-диода, обеспечивающего возможность короткого замыкания или размыкания цепи элемента (21), позволяют изменять ориентацию диаграммы направленности излучения. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика (25) является переменной, что также оказывает влияние на ориентацию.

Description

Настоящее изобретение относится к антенне с улучшенной возможностью захвата сигнала. Антенна может быть использована, в частности, в качестве компонента мобильного телефона или любого беспроводного устройства.

Предшествующий уровень техники

В последние годы наблюдается устойчивый и значительный рост продаж карманных устройств связи, физически не подключенных к наземной линии связи. В частности, современные мобильные телефоны обеспечивают возможность не только речевой связи, но и передачи подвижных изображений фактически в режиме реального времени.

Так как физическое подключение между устройством и наземной линией отсутствует, то связь или передача информации осуществляется посредством сигналов электромагнитного излучения. Средством передачи указанной информации обычно служит антенна, прикрепленная к устройству. Для передачи информации устройство излучает через антенну сигнал малой мощности. Сигнал принимается антенной мачтой, которая осуществляет его дальнейшую пересылку. Мачта может обеспечить повышение мощности сигнала и передачу этого сигнала на большие расстояния. Прием сигнала вторым устройством - это, по существу, процесс, обратный описанному, заключающийся в приеме сигнала, передаваемого антенной мачтой, с помощью антенны мобильного устройства и преобразовании информации, переносимой электромагнитным излучением, в выходной сигнал определенной формы, например, звук, текст, изображения и т.д.

Для любого типа передаваемой информации существует проблема сохранения контакта устройства с антенной мачтой передачи/приема. Ключевой аспект здесь заключается в обеспечении ориентации сигнала, передаваемого мобильным устройством, в направлении его возможного приема с помощью антенной мачты. Если сигнал, передаваемый мобильным устройством, не будет ориентирован в направлении антенной мачты, то независимо от мощности этого сигнала его прием с помощью антенной мачты станет невозможным.

В попытке преодолеть это ограничение были созданы устройства с множеством антенн и процессором для переключения антенн с целью предотвращения утраты указанной связи. Недостаток такого подхода состоит в том, что увеличение числа антенн приводит к повышению сложности устройства и стоимости его производства.

Цель настоящего изобретения заключается в создании одной антенны, позволяющей преодолеть вышеупомянутые недостатки и таким образом усовершенствовать устройство связи.

Сущность изобретения

Согласно первому аспекту изобретения заявлена антенна для использования в устройстве связи, имеющая передающий/принимающий элемент, причем упомянутый элемент адаптирован для передачи и приема излучения посредством диаграммы направленности и выполнен на слое диэлектрика, причем ориентация диаграммы направленности излучения, принимаемого или передаваемого элементом, управляется электронными средствами.

Антенна является более простой и более дешевой в производстве, чем обычные антенны. Поэтому необходимость в сложной электронике (типа фазовращателей с их схемами управления) для активизации и деактивизации элементов схемы, как это имеет место в случае многоэлементной антенной системы, отсутствует.

В предпочтительном варианте передающий/принимающий элемент включает в себя по меньшей мере одну петлю. Особенно предпочтительным является элемент в виде спирали прямоугольной формы. В другом варианте изобретения спираль может иметь круговую, треугольную и трапециевидную форму.

Диэлектрик, из которого сформирован слой, может иметь диэлектрическую проницаемость 2-10. Типичное значение составляет 3,4-3,9. В предпочтительном варианте слой диэлектрика имеет толщину менее чем 20 мм, и, в частности, наиболее предпочтительным является диапазон значений 10-14 мм. Слой диэлектрика может содержать два слоя диэлектриков с различной диэлектрической проницаемостью.

Сам слой диэлектрика может быть выполнен на проводящем слое, который, в свою очередь, может быть выполнен на изолирующей подложке.

Использование по меньшей мере одного радиочастотного (РФ) переключателя с низкими потерями (например, микроэлектромеханического переключателя или р-1-п-диода) позволяет вводить фазовые сдвиги в сигнал, распространяющийся по передающему элементу, путем закорачивания или размыкания цепи элемента. Это обеспечивает изменение диаграммы направленности излучения антенны. Следовательно, использование множества переключателей позволяет адаптировать диаграмму направленности излучения.

В предпочтительном варианте изобретения диэлектрическая проницаемость одного или обоих слоев диэлектрика является переменной. Изменение диэлектрической проницаемости может быть осуществлено путем приложения напряжения постоянного тока, которое вызывает изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика. Так как длина волны излучения, направляемого по спиральному плечу, зависит от значения диэлектрической проницаемости, то изменение диэлектрической проницаемости вы

- 1 009969 зывает изменение угла излучаемого пучка. В предпочтительном варианте прикладываемое напряжение составляет 5-50 В, причем особо предпочтительным является диапазон значений 5-20 В. В диэлектрик может быть внедрен жидкий кристалл. Поэтому изменение величины прикладываемого напряжения вызывает изменение угла излучаемого пучка и позволяет обеспечить высокую скорость переключения без использования подвижных элементов или повторяющихся операций прерывания и восстановления цепи. При этом устройство связи получает возможность передачи излучения в требуемом направлении без затруднений и сохраняет контакт с приемником.

Согласно второму аспекту изобретения, заявлено устройство связи, содержащее антенну с передающим элементом, имеющим по меньшей мере одну петлю, а также один или более переключателей для размыкания передающего элемента. В предпочтительном варианте передающий элемент выполнен в виде спирали.

Краткое описание чертежей

Изобретение описано ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие два примера осуществления антенного элемента устройства связи. На чертежах фиг. 1 - иллюстрация электромагнитного излучения от мобильного телефона;

фиг. 2А и 2В - две проекции антенны;

фиг. ЗА и 3В - пучки излучения, передаваемого или принимаемого соответственно антенной, представленной на фиг. 2, и стандартной антенной;

фиг. 4 - плечо антенны, снабженной четырьмя переключателями с разомкнутой цепью;

фиг. 5 - таблица конфигураций переключаемого плеча антенны, изображенного на фиг. 4;

фиг. 6 - график значений осевой и радиальной составляющих передаваемого излучения 0_тах и <р_т,,,._: для конфигураций переключаемой антенны, представленных в таблице на фиг. 5.

фиг. 7 и 8 - графики значений соответственно коэффициента усиления и коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) для конфигураций переключаемой антенны, представленных на фиг. 5;

фиг. 9 - диаграммы направленности излучения для направлений пучка максимальной интенсивности при конфигурациях 4 и 13 переключаемой антенны, представленных в таблице на фиг. 5;

фиг. 10 - антенна с четырьмя закорачивающими переключателями;

фиг. 11 - график значений 0_тах и <р_т,,,._: для конфигураций переключаемой антенны, представленных в таблице на фиг. 5.

фиг. 12 и 13 - графики значений соответственно коэффициента усиления и КСВН для конфигураций переключаемой антенны, представленных в таблице на фиг. 5;

фиг. 14 - диаграмма направленности излучения для направлений пучка максимальной интенсивности при конфигурациях 4 и 13 антенны, переключаемой путем закорачивания, представленных в таблице на фиг. 5;

фиг. 15 - антенна, имеющая диэлектрический слой с переменной диэлектрической проницаемостью; и фиг. 16 - график зависимости 0_тах и <р_т,,,._: от диэлектрической проницаемости.

Подробное описание изобретения

Описываемый пример является одним из вариантов осуществления изобретения. Разумеется, существует множество других способов, не выходящих за рамки идеи изобретения.

На фиг. 1 изображена антенна 10, передающая сигнал в форме пучка электромагнитного излучения. Пучок может переносить информацию, достаточную для воспроизведения звука, текста или видимых изображений с помощью декодера. Пучки 11А, В, С наклонены под различными углами относительно друг друга. Угол пучка является переменным и, таким образом, пучки 11 А, В, С используются лишь в качестве иллюстративных примеров. Этот признак обеспечивает для элемента максимальные возможности как при передаче информации на антенную мачту, так и при приеме информации от антенной мачты.

Определение угла используемого пучка осуществляется с помощью датчика 12 интенсивности сигнала. При принятии решения о необходимости передачи информации с использованием другого пучка 11 датчик 12 посылает сигнал на схему 13, которая управляет направлением пучка 11.

В случае необходимости схема 13 обеспечивает переключение угла пучка 11 и его ориентацию в направлении сигнала наибольшей интенсивности. Этот способ гарантирует поддержание и сохранение надежного контакта с антенной мачтой передачи.

Пример осуществления антенны, которая может быть использована для передачи пучков направленного излучения, изображенных на фиг. 1, представлен на фиг. 2А. Согласно фиг. 2А, антенна 20 имеет медный передающий элемент 21, выполненный в виде одноплечевой прямоугольной спирали. Ширина передающего элемента 21 составляет приблизительно 1,4 мм, а общая длина - приблизительно 290 мм. Подложка 25 для передающего элемента 21 изготовлена из диэлектрика марки Кодег Ко-4350В, диэлектрическая проницаемость которого равна приблизительно 3,7. Для формирования качественного сигнала толщина антенны составляет приблизительно 12 мм. В практических целях диэлектрику придана форма квадрата с длиной стороны, составляющей приблизительно 51,3 мм.

Сам диэлектрик выполнен на проводящей поверхности, что облегчает возможность монтажа антен

- 2 009969 ны внутри устройства. Проводящая поверхность сама может быть выполнена на дополнительном слое, сформированном из электроизоляционного материала.

Одна из функций передающего элемента 21 состоит в передаче пучка электромагнитного излучения, переносящего информацию, при возбуждении электрическим током. Точка 22 является точкой питания антенны 10. Закорачивающие РЧ переключатели 23 и переключатель 24 с разомкнутой цепью используются для введения фазового сдвига в сигнал, распространяющийся по плечу антенны. Фазовый сдвиг вызывает угловое перемещение пучка, излучаемого антенной. Использование множества переключателей позволяет получать любое требуемое изменение угла излучаемого пучка и, таким образом, адаптировать диаграмму направленности антенны в целом.

Диэлектрическая проницаемость диэлектрика, из которого изготовлена подложка 25, как правило, составляет 2-10. Было установлено, что работоспособная эффективная антенна обеспечивается с использованием диэлектрика с диэлектрической проницаемостью в диапазоне значений 3,4-3,9. Следовательно, в качестве подходящих для использования может быть предложено множество материалов, известных специалистам в данной области техники.

Толщина изготавливаемой антенны 20 зависит от множества факторов, таких как рабочая частота, используемый диэлектрик, импедана точки питания и размеры модуля, в который встраивается антенна. Например, подложка из материала, имеющего более высокую диэлектрическую проницаемость, позволяет использовать антенну меньшем толщины. Антенна, рассматриваемая в настоящем изобретении, имеет толщину менее 20 мм. Более типичное значение толщины антенны может составлять 10-14 мм.

Формы передающего элемента при сохранении, по меньшей мере, одного изгиба практически на 360° могут быть различными. Хотя использование прямоугольной спирали обеспечивает возможность более простого числового анализа сигнала, однако также может быть использован передающий элемент в виде спирали круговой, трапециевидной или треугольной формы.

Для обеспечения функции переключения требуется переключатель с высоким быстродействием, отличающийся надежностью. На практике такими характеристиками обладают микроэлектромеханический переключатель (МЕМ8), ρ-ί-и-диод или любой радиочастотный (РЧ) переключатель. В конкретном случае выбирается переключатель, соответствующий конкретным размерам антенны.

Выло установлено, что шаг изменения угла излучаемого пучка должен быть небольшим. В одном примере осуществления, иллюстрируемом на фиг. 2А, это достигается путем создания множества размыканий в цепи спирального плеча передающего элемента. Такие размыкания обеспечиваются с помощью переключателей. Как показано на чертеже, схема может быть сделана короче или длиннее на ряд конечных шагов путем активизации или деактивизации переключателей. Управление размыканием и замыканием различных переключателей позволяет, таким образом, изменять угол излучения пучка, как это необходимо. Очевидно, что с увеличением числа переключателей в плече антенны величина шагов между различными эффективными длинами антенны уменьшается. Поэтому увеличение числа переключателей может обеспечить более плавное изменение углов передачи излучения.

Иллюстрацией примера изменения диаграммы направленности передаваемого пучка являются фиг. 3 А, 3В, на которых стрелками показано направление передачи излучения максимальной интенсивности. На фиг. 3В передаваемое излучение имеет преимущественно осевое направление, которое ориентировано по вектору оси спирали. При применении переключателей вектор вращается так, что его направление начинает отклоняться от указанного вектора оси.

При использовании описанной выше переключаемой антенны была установлено, что коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН), который представляет собой отношение мощности прямой волны к мощности отраженной волны, как правило, остается ниже 2, что указывает на отсутствие значительного влияния переключения на требуемую мощность для передачи сигнала. Для ограниченного числа конфигураций переключения с увеличением значения КСВН до уровня, превышающего 2, обеспечение стабильности сигнала может потребовать ввода в сигналы дополнительной мощности. Коэффициент усиления для различных конфигураций является относительно постоянным в пределах 7,5±1,5 дБ.

На фиг. 4 изображена антенна 40, снабженная рядом переключателей с разомкнутой цепью, обозначенных позициями 1, 2, 3 и 4. Ширина переключателей составляет приблизительно 1 мм, а их функция заключается в уменьшении или увеличении эффективной длины плеча антенны 41.

Результаты активизации переключателей представлены на фиг. 5-9. В используемом в качестве иллюстрации примере имеется 4 переключателя, каждый из которых может находиться во включенном или выключенном положении, что обеспечивает, по существу, 16 различных комбинаций или конфигураций переключений и, следовательно, 16 возможных эффективных длин антенны. Эти 16 конфигураций переключений представлены в таблице на фиг. 5. На фиг. 6 изображен график значений 0_тах и р_тах, полученных для различных конфигураций переключений, представленных в таблице на фиг. 5. Как показано на чертеже, наибольшее изменение претерпевает р_тах, в то время как изменения 0_тах являются относительно небольшими. Вторыми линиями показаны результаты, полученные путем теоретического прогнозирования значений <р_т,,,._: и 0_тах, демонстрирующие относительно хорошую корреляцию между теорией и экспериментом.

- 3 009969

На фиг. 7 изображен график значений коэффициента усиления (в дБ) для различных конфигураций переключений. На фиг. 8 изображен график значений КСВН, показывающий, что для большинства конфигураций КСВН не превышает 2. Наконец, на фиг. 9(а), 9(Ь) представлены диаграммы направленности излучения в направлениях пучка максимальной интенсивности, соответственно, для конфигураций 4 и 13 переключений.

Фиг. 10-14 иллюстрируют результаты переключения в режиме закорачивания. Конфигурации переключений соответствуют представленным в таблице на фиг. 5.

В другом варианте осуществления антенны изменение направления передаваемого пучка обеспечивается путем приложения напряжения постоянного тока к подложке от передающего элемента к проводящей поверхности. Типичное прикладываемое напряжение составляет 5-50 В, причем предпочтительным является диапазон значений 5-20 В. Под действием прикладываемого напряжения меняется диэлектрическая проницаемость материала подложки, что обеспечивает изменение угла передаваемого пучка. Особенностью этого варианта осуществления является внедрение жидкого кристалла непосредственно в материал подложки. Изменение напряжения, прикладываемого к жидкому кристаллу, также обеспечивает изменение диэлектрической проницаемости.

Пример такого устройства показан на фиг. 15. Антенна 150 имеет передающий элемент 151, который, как и ранее, имеет вид прямоугольной одноплечевой спирали. Диэлектрическая подложка, на которой выполнен элемент 151, содержит два слоя 152А, 152В, имеющие различную диэлектрическую проницаемость ε и ε_Γ соответственно. Как правило, слой 152А формируется из синтетического/сегнетоэлектрического материала. Поэтому прикладываемое к антенне напряжение V вызывает изменение диэлектрической проницаемости ε материала на слое 152А. Результирующая диэлектрическая проницаемость ε_η6ί комбинации диэлектрических слоев является функцией ε₈ и ε_Γ. Поэтому изменение ε₈ приводит к изменению ε_η6ί и вызывает изменение эффективной длины λ₆ направленной волны в элементе 151 и, следовательно, угла передачи излучения от антенны.

Фиг. 16 иллюстрирует влияние изменений диэлектрической проницаемости на угол передачи. На фиг. 16 отдельно представлены осевая и радиальная составляющие передаваемого излучения (для передающего элемента в виде спирали), определяемые, соответственно, 0_тах и <р_тах. Следует отметить, что при изменении ε_η6ί углы 0_тах и <р_тах также изменяются. В границах рассматриваемых значений ε_η6ί изменение 0_тах составляет 19°, а изменение 0_тах и φ,,,.,,· - 237°. Для иллюстрированного ранее способа переключения эти значения составляют соответственно 39° и 174°. Таким образом, способ переключения позволяет варьировать в более широком диапазоне значения 0_тах, а изменение диэлектрической проницаемости - значения <р_тах. Можно предположить, что использование способа переключения и способа изменения диэлектрической проницаемости в комбинации обеспечит получение самого широкого диапазона значений как 6, так и φ в одном устройстве.

Разумеется, изобретение не ограничивается конкретными деталями, описание которых приводится исключительно в качестве примера, и в него могут быть внесены различные изменения в пределах объема притязаний прилагаемой формулы.

Claims (17)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Антенна (10) для использования в устройстве связи, содержащая передающий/принимающий элемент (21), выполненный с возможностью передачи и приема излучения посредством диаграммы направленности, причем передающий/принимающий элемент (21) выполнен в виде спирали с множеством витков и размещен на диэлектрическом слое (25), и один или более радиочастотных переключателей (23) с низкими потерями для закорачивания или размыкания цепи упомянутого элемента (21) и обеспечения при этом изменения ориентации диаграммы направленности излучения, принимаемого или передаваемого упомянутым элементом (21).
2. 2. Антенна по п.1, в которой передающий/принимающий элемент выполнен в виде прямоугольной спирали.
3. 3. Антенна по п.2, в которой спираль имеет круговую, треугольную, трапециевидную форму.
4. 4. Антенна по любому из предыдущих пунктов, в которой диэлектрический слой (25) имеет диэлектрическую проницаемость в пределах от 2 до 10.
5. 5. Антенна по п.4, в которой значение диэлектрической проницаемости находится в пределах от 3,4 до 3,9.
6. 6. Антенна по любому из предыдущих пунктов, в которой толщина диэлектрического слоя (25) составляет менее 20 мм.
7. 7. Антенна по п.6, в которой толщина диэлектрического слоя (25) находится в пределах от 10 до 14 мм.
8. 8. Антенна по любому из предыдущих пунктов, в которой упомянутый один или каждый переключатель представляет собой микроэлектромеханический переключатель или р-1-п-диод.
9. 9. Антенна по любому из предыдущих пунктов, в которой диэлектрический слой содержит два или более слоев диэлектрических материалов с различной диэлектрической проницаемостью.

   - 4 009969
10. 10. Антенна по любому из предыдущих пунктов, в которой один или каждый слой диэлектрика выполнен на проводящем слое.
11. 11. Антенна по п.10, в которой один или каждый проводящий слой выполнен на изолирующей подложке.
12. 12. Антенна по любому из предыдущих пунктов, в которой диэлектрическая проницаемость диэлектрика является переменной.
13. 13. Антенна по любому из предыдущих пунктов, в которой к диэлектрику прикладывается напряжение постоянного тока, обеспечивающее изменение диэлектрической проницаемости указанного материала.
14. 14. Антенна по п.13, в которой прикладываемое напряжение находится в пределах от 5 до 50 В.
15. 15. Антенна по п.14, в которой прикладываемое напряжение находится в пределах от 5 до 20 В.
16. 16. Антенна по любому из предыдущих пунктов, в которой в диэлектрик внедрен жидкий кристалл.
17. 17. Устройство связи, содержащее антенну по любому из пп.1-16.