RU2322734C1 - Антенна для мобильного радиотелефона - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к линейно-поляризованным печатным антеннам для мобильных радиотелефонов, работающих в дециметровом диапазоне радиоволн. Технический результат заключается в обеспечении высокого КПД в широкой полосе пропускания. Сущность изобретения состоит в том, что в антенне для мобильного радиотелефона, содержащей расположенные на одной стороне диэлектрической пластины и соединенные с фидером вибратор и противовес, каждый из которых имеет первый и второй плоские проводники, вибратор дополнительно содержит третий проводник, выполненный в виде плоской спирали, который одним концом соединен с первым проводником вибратора и имеет расширение на свободном конце, и не менее двух плоских одновитковых катушек индуктивности, которые расположены параллельно друг другу по разные стороны от третьего проводника вибратора и соединены с первым и вторым проводниками вибратора. Противовес также содержит не менее двух плоских одновитковых катушек индуктивности, которые расположены параллельно друг другу и соединены с первым и вторым проводниками противовеса. Вторые проводники вибратора и противовеса расположены в средней части диэлектрической пластины и соединены с фидером. В корпусе мобильного радиотелефона третий проводник вибратора целесообразно разместить вблизи звуковоспроизводящего средства, а противовес - между монтажной платой и аккумуляторной батареей радиотелефона параллельно им. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к антенно-фидерной технике, в частности к линейно-поляризованным печатным антеннам, и может быть использовано для оснащения мобильных радиотелефонов, работающих в дециметровом диапазоне радиоволн.

Существует проблема создания антенн, адаптированных для размещения в плоском продолговатом корпусе радиотелефона, рабочие характеристики которых, такие как коэффициент полезного действия (КПД), уровень энергопотребления, ширина полосы пропускания, форма диаграммы направленности и пр. обеспечивали бы надежную и качественную радиосвязь, создавая при этом низкий уровень радиоизлучения в ближней зоне антенны.

Известны простые и надежные конструкции штыревых и спиральных антенн, которыми оснащаются мобильные радиотелефоны. Существенным недостатком антенн таких конструкций являются большие габариты. Спиральные антенны выполняются навитыми на диэлектрический каркас, поэтому по сравнению со штыревыми антеннами они имеют меньшую геометрическую длину. Для уменьшения геометрической длины штыревых антенн их оснащают «укорачивающими» средствами, например, катушками индуктивности (Каменецкий М.В., Заикин В.А. Радиотелефоны / Санкт-Петербург, «Наука и техника», 2000, с.8-10).

Известны также печатные антенны на основе несимметричных полосковых линий, которые нашли применение в конструкциях мобильных радиотелефонов. Основным элементом таких антенн является плоский излучатель, расположенный на одной стороне диэлектрической пластины, другая, полностью металлизированная сторона которой выполняет функцию экрана, что позволяет сформировать одностороннюю диаграмму направленности (патент США №5323168, кл. H01Q 1/38, опубл. 1994). Однако для обеспечения эффекта экранирования при формировании диаграммы направленности размеры экрана должны превышать размеры излучателя, что приводит к увеличению габаритов антенны. Другой недостаток печатных антенн подобной конструкции обусловлен зависимостью их КПД от толщины диэлектрической пластины: КПД антенны повышается с увеличением толщины диэлектрика, что приводит к увеличению веса и габаритов антенны, и, следовательно, радиотелефона.

В качестве прототипа заявляемой антенны выбрана антенна для мобильного радиотелефона, содержащая излучатель в виде нагруженного несимметричного вибратора и заземленный излучатель, образующий противовес, которые размещены на одной поверхности диэлектрической пластины и соединены с печатной платой радиотелефона посредством фидера - коаксиального кабеля (патент Российской Федерации №2178604, кл. H01Q 1/24, опубл. 2002). Вибратор антенны образован двумя проводниками заданной длины, один из которых ориентирован горизонтально, а второй, имеющий форму меандра, - вертикально. Верхний конец второго проводника нагружен на первый проводник, а нижний конец соединен с центральным проводником фидера. Противовес антенны выполнен из двух проводников, имеющих форму меандра, которые расположены симметрично относительно вертикально ориентированного проводника вибратора и соединены с оболочкой коаксиального кабеля. В рабочем положении антенная система располагается вертикально, например, в откидной крышке корпуса радиотелефона.

Уменьшение геометрических размеров антенны-прототипа достигается за счет использования меандровых проводниковых линий, однако приводит к нежелательному сужению полосы пропускания вследствие увеличения индуктивности антенны. Кроме того, ортогональность проводников вибратора, как и ортогональное размещение вибратора относительно противовеса в антенне данной конструкции отрицательно сказывается на КПД антенны, поскольку приводит к снижению сопротивления излучения.

Таким образом, стремление минимизировать массогабаритные характеристики печатных антенн неизбежно приводит к ухудшению их рабочих характеристик - КПД и ширины полосы пропускания, которые оказывают существенное влияние на надежность и качество мобильной радиосвязи.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание малогабаритной антенны для мобильного радиотелефона, в которой за счет нового выполнения вибратора и противовеса обеспечивается высокий КПД в широкой полосе пропускания.

Для решения поставленной задачи в антенне для мобильного радиотелефона, содержащей расположенные на одной стороне диэлектрической пластины и соединенные с фидером вибратор и противовес, каждый из которых имеет первый и второй плоские проводники, согласно изобретению вибратор дополнительно содержит третий проводник, выполненный в виде плоской спирали, который одним концом соединен с первым проводником вибратора и имеет расширение на свободном конце, и не менее двух плоских одновитковых катушек индуктивности, которые расположены параллельно друг другу по разные стороны от третьего проводника вибратора и соединены с первым и вторым проводниками вибратора. Противовес также содержит не менее двух плоских одновитковых катушек индуктивности, которые расположены параллельно друг другу и соединены с первым и вторым проводниками противовеса. Вторые проводники вибратора и противовеса расположены в средней части диэлектрической пластины и соединены с фидером.

Диэлектрическую пластину целесообразно установить в корпусе мобильного радиотелефона с возможностью размещения третьего проводника вибратора вблизи звуковоспроизводящего средства мобильного радиотелефона.

Диэлектрическая пластина может быть выполнена изогнутой с возможностью размещения противовеса между монтажной платой и аккумуляторной батареей радиотелефона параллельно им.

В антенне для радиотелефона заявляемой конструкции, благодаря введению новых элементов - параллельно включенных катушек индуктивности и проводника в виде плоской спирали, которые выполняют функцию шлейфов, увеличено сопротивление излучения, что способствует повышению излучаемой мощности и положительно влияет на КПД антенны. Это иллюстрируется приведенной ниже формулой, отражающей зависимость сопротивления излучения от количества шлейфов антенны (К.Ротхаммель. Антенны. М.: Энергия, 1979, с.15-17).

где Р - мощность, излучаемая антенной;

I - ток в шлейфах антенны;

R_И - сопротивление излучения антенны;

n - количество шлейфов.

Таким образом, при использовании двух катушек индуктивности сопротивление излучения антенны увеличивается в 4 раза; трех - в 5,2 раза и т.д. При этом сопротивление потерь возрастает при использовании двух катушек индуктивности в два раза, трех - в три раза и т.д.

Кроме того, использование в антенне заявляемой конструкции параллельно включенных катушек индуктивности способствует повышению КПД антенны, поскольку увеличение входного сопротивления антенны облегчает ее согласование с фидером, уменьшая мощности потерь.

Включение катушек индуктивности вибратора и противовеса антенны таким образом, что направления тока в них совпадают, позволило увеличить сопротивление излучения антенны и снизить ее индуктивность, благодаря чему повышается КПД и расширяется полоса пропускания антенны.

Конструктивное выполнение антенны на одной поверхности диэлектрической пластины с расположением вибратора на одном ее конце, противовеса - на противоположном, а вторых проводников вибратора и противовеса - в средней части диэлектрической пластины рационально с точки зрения размещения элементов антенны в плоском продолговатом корпусе радиотелефона.

Размещение вибратора с проводником в виде плоской спирали с расширением на свободном конце в непосредственной близости от звуковоспроизводящего устройства радиотелефона обеспечивает повышение мощности излучения антенны.

Выполнение диэлектрической пластины изогнутой позволяет разместить противовес антенны между монтажной платой и аккумуляторной батареей радиотелефона параллельно и с зазором относительно этих элементов. Такое расположение антенны внутри корпуса радиотелефона создает дополнительную емкостную нагрузку, уменьшая тем самым волновое сопротивление антенны, за счет чего повышается КПД антенной системы в широкой полосе пропускания.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

Фиг.1 - схематический чертеж антенны.

Фиг.2 - схема, иллюстрирующая направления тока в плоских одновитковых катушках антенны.

Фиг.3 - пример расположения антенны в корпусе мобильного радиотелефона.

В предпочтительном примере осуществления изобретения антенна для мобильного радиотелефона (см. фиг.1) содержит вибратор 1, противовес 2 и фидер 3. Вибратор 1 и противовес 2 размещены на одной стороне диэлектрической пластины 4 на противоположных ее концах и соединены с фидером 3.

Вибратор 1 содержит первый, второй и третий плоские проводники 5-7 соответственно и, например, четыре плоских одновитковых катушки 8 индуктивности. Первый проводник 5 выполнен в виде пластины. Второй проводник 6, выполненный в виде плоского ленточного проводника, размещен в средней части диэлектрической пластины 4 и соединен с фидером 3. Третий проводник 7 выполнен в виде плоской спирали, одним концом соединен с первым проводником 5 вибратора и имеет расширение 9 на свободном конце. Плоские одновитковые катушки 8 индуктивности расположены параллельно друг другу по разные стороны от третьего проводника 7 (по две катушки с каждой стороны) и соединены с первым и вторым проводниками 5 и 6 вибратора 1.

Противовес 2 содержит первый и второй плоские проводники 10 и 11 соответственно и, например, четыре плоских одновитковых катушки 12 индуктивности. Первый проводник 10 противовеса 2 выполнен, например, в виде прямоугольной пластины с прямоугольным вырезом в удаленном от плоских одновитковых катушек 12 индуктивности углу. Второй проводник 11, выполненный в виде плоского ленточного проводника, размещен в средней части диэлектрической пластины 4 и соединен с фидером 3. Плоские одновитковые катушки 12 индуктивности параллельны друг другу и соединены с первым и вторым проводниками 10 и 11 противовеса 2.

Фидер 3 выполнен, например, в виде коаксиального кабеля 13, центральный проводник которого соединен с проводником 6 вибратора 1, а оболочка - с проводником 11 противовеса 2.

В примере осуществления изобретения, показанном на фиг.3, диэлектрическая пластина 4 выполнена изогнутой, что дает возможность разместить противовес 2 между монтажной платой 14 радиотелефона и аккумуляторной батареей 15 параллельно и с зазором относительно них. Величина зазора выбирается исходя из условия минимального влияния размещенных на монтажной плате 14 компонентов на параметры антенны. При этом катушки 12 индуктивности целесообразно сместить к центру антенны, оставляя по бокам пространство для, например, контактных площадок аккумуляторной батареи 15 радиотелефона. Вырез в нижней части проводника 11 может быть использован для, например, контактных выводов индивидуальной карты пользователя. Свободный конец третьего проводника 7 с расширением 9 целесообразно разместить вблизи звуковоспроизводящего устройства 17 радиотелефона.

Конструктивно антенна может быть выполнена методом печатного монтажа на одной поверхности диэлектрической пластины 4.

Антенна для мобильного радиотелефона работает следующим образом.

Под действием принятого сигнала в режиме приема или под действием сигнала, который поступает от монтажной платы 14 через фидер 3 в режиме передачи, в вибраторе 1, противовесе 2 и в катушках 8 и 12 протекают синфазные электрические токи (см. фиг.2), которые выделяют на сопротивлении излучения принимаемую или излучаемую мощность, а на сопротивлении потерь - тепловую мощность. Параметры заявляемой антенны выбраны таким образом, что четыре параллельно включенных катушки индуктивности обеспечивают шестикратное увеличение сопротивления излучения и четырехкратное увеличение сопротивления тепловых потерь. Таким образом, сопротивление излучения антенны значительно превышает сопротивление тепловых потерь, благодаря чему КПД антенны поддерживается на высоком уровне.

Параллельное соединение катушек 8 и 12 индуктивности при увеличении ширины вибратора 1 и противовеса 2 за счет выполнения их проводников 5 и 10 в виде пластин позволяет уменьшить индуктивность и увеличить емкость антенны, что оказывает положительное влияние на ширину полосы пропускания заявляемой антенны.

Расположение проводника 7 вибратора 1 таким образом, чтобы его свободный конец с расширением 9 был размещен вблизи звуковоспроизводящего устройства 17 радиотелефона, способствует увеличению излучаемой мощности заявляемой антенны.

Расположение противовеса 2 между монтажной платой 14 и аккумуляторной батареей 15 радиотелефона параллельно относительно них создает дополнительную емкостную нагрузку антенны и уменьшает ее волновое сопротивление, вследствие чего расширяется полоса пропускания и повышается КПД антенны.

Таким образом, антенна заявляемой конструкции оптимально приспособлена для взаимодействия с остальными размещенными в корпусе радиотелефона элементами, которые прямо или косвенно влияют на излучающую способность антенны, что позволяет получить достаточно простую и эффективную антенную систему радиотелефона, обеспечивающую высокие рабочие характеристики.

Claims (3)

1. Антенна для мобильного радиотелефона, содержащая расположенные на одной стороне диэлектрической пластины и соединенные с фидером вибратор и противовес, каждый из которых имеет первый и второй плоские проводники, отличающаяся тем, что вибратор дополнительно содержит третий проводник, выполненный в виде плоской спирали, который одним концом соединен с первым проводником вибратора и имеет расширение на свободном конце, и не менее двух плоских одновитковых катушек индуктивности, которые расположены параллельно друг другу по разные стороны от третьего проводника вибратора и соединены с первым и вторым проводниками вибратора, противовес содержит не менее двух плоских одновитковых катушек индуктивности, которые расположены параллельно друг другу и соединены с первым и вторым проводниками противовеса, причем вторые проводники вибратора и противовеса расположены в средней части диэлектрической пластины и соединены с фидером.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрическая пластина установлена в корпусе мобильного радиотелефона с возможностью размещения третьего проводника вибратора вблизи звуковоспроизводящего средства мобильного радиотелефона.

3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрическая пластина выполнена изогнутой с возможностью размещения противовеса между монтажной платой и аккумуляторной батареей радиотелефона параллельно им.

Images