RU2519390C1

RU2519390C1 - Ultra-wideband compact antenna

Info

Publication number: RU2519390C1
Application number: RU2013101013/08A
Authority: RU
Inventors: Андрей Владимирович Клецов; Артем Рудольфович Виленский; Владимир Яковлевич Архипенков; Донгвук КИМ; Джонгджин КИМ
Original assignee: Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд."
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2014-06-10

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: antenna includes an earthing plate and a radiating element and is characterised by that the earthing plate is situated directly over the surface of the human body and is directed in parallel or at an angle to the surface of the human body; the radiating element, which is made of conducting material, is situated directly over the earthing plate and is directed maximally close to a perpendicular position relative to said earthing plate; wherein the radiating element is almost U-shaped, cuts are made on lateral sides of said element on the inside and outside; and said antenna further includes a top horizontal element configured for electrical connection of the top ends of the radiating element; and said radiating element is fed through a strip line.

EFFECT: efficiency of the antenna in wireless communication channels on or close to the surface of a human body with low signal attenuation, which enables to minimise transmitter signal power and receiver sensitivity and total power consumed by a compact communication device.

11 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области телекоммуникаций, а более конкретно - к конструкции сверхширокополосных антенн (СШП), предназначенных, преимущественно, для связи между датчиками и другими устройствами на поверхности или вблизи поверхности тела человека.The invention relates to the field of telecommunications, and more specifically to the design of ultra-wideband antennas (UWB), intended primarily for communication between sensors and other devices on or near the surface of the human body.

Для снижения неблагоприятного воздействия микроволнового излучения на организм человека разработчики устройств связи стремятся к снижению мощности используемых вблизи тела электромагнитных устройств. Одним из перспективных направлений при этом является использование сигналов СШП малой мощности и эффекта поверхностного распространения электромагнитных волн.To reduce the adverse effects of microwave radiation on the human body, developers of communication devices seek to reduce the power of electromagnetic devices used near the body. One of the promising areas in this case is the use of low-power UWB signals and the effect of surface propagation of electromagnetic waves.

В последнее время благодаря развитию беспроводных стандартов связи, таких как, например, СШП стандарт IEEE 802.15.6 (см. ) [1] появляется возможность создания новых видов беспроводных устройств, работающих в непосредственной близи от поверхности тела человека. Как правило, такие устройства имеют автономное питание, в связи с чем налагаются серьезные ограничения на потребление энергии. В такой ситуации необходимой мерой является поиск путей максимального снижения энергопотребления каждого отдельного блока устройства.Recently, thanks to the development of wireless communication standards, such as, for example, UWB standard IEEE 802.15.6 (see) [1], it is possible to create new types of wireless devices operating in the immediate vicinity of the surface of the human body. As a rule, such devices are self-powered, and therefore severe restrictions are placed on energy consumption. In such a situation, the necessary measure is the search for ways to minimize energy consumption of each individual unit of the device.

В настоящее время известны многочисленные конструкции радаров и мобильных устройств, в которых используют радиосигналы для дистанционного мониторинга состояния человека. В частности, следует упомянуть технические решения, описанные в патентной заявке США №2012059268 [2], в международной публикации WO 2012053465 [3] и в патенте РФ №2327415 [4]. Подобные решения требуют применения эффективных и компактных СШП приемопередающих антенн.Currently, there are numerous designs of radars and mobile devices that use radio signals for remote monitoring of human condition. In particular, technical solutions described in US patent application No. 201,059,268 [2], in international publication WO 2012053465 [3] and in RF patent No. 232321515 [4] should be mentioned. Such solutions require the use of efficient and compact UWB transceiver antennas.

Из патентов США №7471246 [5] и №7342553 [6] известны антенны, предназначенные для приема и передачи СШП сигналов и представляющие собой излучающий элемент с отверстиями или прорезями.From US patent No. 7471246 [5] and No. 7342553 [6] known antennas for receiving and transmitting UWB signals and representing a radiating element with holes or slots.

Недостатки известных из [5] и [6] решений и других, использующих аналогичный подход изобретений, заключаются в следующем:The disadvantages of the solutions known from [5] and [6] and others, using the similar approach of the inventions, are as follows:

- излучающие конструкции, предложенные в изобретении, приведены без подводящих питающих полосков, кроме того, не указано расположение пластины заземления, необходимой для работы предложенных полудиполей.- the radiating structures proposed in the invention are shown without supply supply strips, in addition, the location of the ground plate necessary for the operation of the proposed half dipoles is not indicated.

- отсутствует описание варианта с ортогональным расположением элементов антенны (излучающего элемента и пластины заземления, а также верхнего горизонтального элемента), позволяющего излучать сигналы с вертикальной поляризацией при минимальной высоте антенны;- there is no description of the option with the orthogonal arrangement of the antenna elements (the radiating element and the ground plate, as well as the upper horizontal element), which allows to emit signals with vertical polarization with a minimum antenna height;

- отсутствует описание способа подводки питания к излучающему элементу антенны, что позволяло бы размещать антенну непосредственно на поверхности тела.- there is no description of the method of supplying power to the radiating element of the antenna, which would allow placing the antenna directly on the surface of the body.

Ввиду указанных недостатков невозможно применять предложенные в [5] и [6] антенны в сетях связи на поверхности или вблизи тела человека и использовать эффект поверхностного распространения радиоволн.In view of these drawbacks, it is impossible to use the antennas proposed in [5] and [6] in communication networks on the surface or near the human body and to use the effect of surface radio wave propagation.

Известны технические решения, описанные в патентах США №7298346 [7], №7183978 [8] и в патентной заявке Республики Кореи №100826879 [9], которые предназначаются для приема и передачи СШП сигналов с вертикальной поляризацией. Антенны представляют собой вертикальный излучающий элемент с вырезами внутри или по краям.Known technical solutions described in US patent No. 7298346 [7], No. 7183978 [8] and in the patent application of the Republic of Korea No. 100826879 [9], which are designed to receive and transmit UWB signals with vertical polarization. Antennas are a vertical radiating element with cutouts inside or along the edges.

Недостатки известных из [7], [8] и [9] решений и других, использующих аналогичный подход изобретений, заключаются в следующем:The disadvantages of the solutions known from [7], [8] and [9] and others using a similar approach of the inventions are as follows:

- отсутствует вариант с ортогональным расположением элементов антенны (излучающего и верхнего горизонтального элемента), позволяющий излучать сигналы с вертикальной поляризацией при минимальной высоте антенны;- there is no option with the orthogonal arrangement of the antenna elements (radiating and upper horizontal element), allowing to emit signals with vertical polarization with a minimum antenna height;

- отсутствует описание способа подводки питания к излучающему элементу антенны, что позволило бы размещать антенну непосредственно на поверхности тела.- there is no description of the method of supplying power to the radiating element of the antenna, which would allow the antenna to be placed directly on the surface of the body.

В связи с указанными недостатками невозможно применение предложенных в [7], [8] и [9] антенн в сетях связи на поверхности или вблизи тела человека и использование эффекта поверхностного распространения радиоволн.In connection with these shortcomings, it is impossible to use the antennas proposed in [7], [8] and [9] in communication networks on the surface or near the human body and to use the effect of surface propagation of radio waves.

Из патентной заявки США №2007273604 [10] и патента США №6456249 [11] известны антенны, предназначенные для приема и передачи СШП сигналов. Антенны представляют собой 3-мерные пластины сложной формы, изогнутые в виде перевернутой буквы «U». Решение [11] выбрано в качестве прототипа.From US patent application No. 2007273604 [10] and US patent No. 6456249 [11] known antennas for receiving and transmitting UWB signals. Antennas are 3-dimensional plates of complex shape, curved in the form of an inverted letter "U". Solution [11] is selected as a prototype.

Недостатки известных из [10] и [11] решений и других, близких по сути изобретений, заключаются в следующем:The disadvantages of the solutions known from [10] and [11] and other essentially related inventions are as follows:

- антенна требует отдельного объема для ее размещения внутри мобильного устройства, причем размещение каких-либо элементов внутри свободного пространства антенны не предполагается;- the antenna requires a separate volume for its placement inside the mobile device, and the placement of any elements inside the free space of the antenna is not assumed;

- антенна имеет относительно крупные габариты;- the antenna has a relatively large size;

- антенна, предложенная в [11], рассчитана на работу в одной или нескольких отдельных узких полосах частот, и ее использование с СШП сигналами невозможно.- the antenna proposed in [11] is designed to operate in one or several separate narrow frequency bands, and its use with UWB signals is impossible.

С учетом указанных недостатков не представляется возможности использования предложенных антенн в сетях связи на поверхности или вблизи тела человека и применения их в миниатюрных устройствах.Given these shortcomings, it does not seem possible to use the proposed antennas in communication networks on the surface or near the human body and to use them in miniature devices.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать усовершенствованную конструкцию СШП антенны, способной эффективно работать в беспроводных каналах связи на поверхности или вблизи тела человека с малым ослаблением сигнала, что позволило бы минимизировать мощность сигнала передатчика и чувствительность приемника и, следовательно, общую мощность, потребляемую компактным (например, нательным) устройством связи.The problem to which the claimed invention is directed, is to develop an improved design of UWB antennas that can efficiently operate in wireless communication channels on the surface or near the human body with a small signal attenuation, which would minimize the transmitter signal power and receiver sensitivity and, therefore, the total power consumed by a compact (e.g., body) communication device.

Технический результат достигается за счет усовершенствованной конструкции компактной СШП антенны, содержащая пластину заземления и излучающий элемент, причем пластина заземления расположена непосредственно над поверхностью тела человека и ориентирована параллельно или под углом к поверхности тела человека; излучающий элемент, выполненный из проводящего материала, расположен непосредственно над пластиной заземления и ориентирован максимально близко к перпендикулярному положению относительно указанной пластины заземления; при этом излучающий элемент выполнен в форме, близкой к букве U, на боковых сторонах указанного элемента с внешней и внутренней стороны выполнены вырезы; и указанная антенна дополнительно содержит верхний горизонтальный элемент, выполненный с возможностью осуществления электрического соединения верхних концов излучающего элемента.The technical result is achieved due to the improved design of a compact UWB antenna, comprising a ground plate and a radiating element, the ground plate being located directly above the surface of the human body and oriented parallel or at an angle to the surface of the human body; a radiating element made of a conductive material located directly above the ground plate and oriented as close as possible to the perpendicular position relative to the specified ground plate; while the radiating element is made in a form close to the letter U, cutouts are made on the sides of the specified element from the outer and inner sides; and said antenna further comprises an upper horizontal element configured to electrically connect the upper ends of the radiating element.

В устройствах связи, снабженных такой антенной, информация может передаваться вдоль поверхности тела даже при отсутствии линии прямого распространения сигнала. А за счет того, что излученный антенной сигнал имеет вертикальную поляризацию, сигнал распространяется вдоль поверхности тела с относительно малым затуханием из-за проявления эффекта поверхностных волн.In communication devices equipped with such an antenna, information can be transmitted along the surface of the body even in the absence of a direct signal propagation line. And due to the fact that the signal emitted by the antenna has vertical polarization, the signal propagates along the surface of the body with a relatively small attenuation due to the manifestation of the effect of surface waves.

Заявленная СШП антенна имеет простую конструкцию, дешевую и технологичную в изготовлении и состоящую из двух основных элементов: пластины заземления, расположенной параллельно поверхности тела и в непосредственной близости от него, а также из вертикально расположенного излучающего элемента, имеющего сверху небольшой верхний горизонтальный проводящий элемент.The inventive UWB antenna has a simple design, cheap and technologically advanced to manufacture, and consists of two main elements: a ground plate located parallel to the surface of the body and in close proximity to it, as well as a vertically located emitting element with a small upper horizontal conductive element on top.

Кроме того, заявленная СШП антенна позволяет осуществлять передачу данных с применением сверхширокополосных сигналов различного вида, например, ультракоротких импульсов, сигналов с линейной частотной модуляцией, различных видов шумоподобных сигналов. При этом, несмотря на излучение волны с вертикальной поляризацией, антенна обладает малой высотой ~ (λ/10…λ/7), что уменьшает габариты устройств с такими антеннами и повышает удобство использования.In addition, the claimed UWB antenna allows data transmission using ultra-wideband signals of various types, for example, ultrashort pulses, signals with linear frequency modulation, various types of noise-like signals. Moreover, despite the emission of a wave with vertical polarization, the antenna has a small height ~ (λ / 10 ... λ / 7), which reduces the dimensions of devices with such antennas and increases usability.

Далее существо изобретения поясняется с привлечением графических материалов.Further, the invention is illustrated with the use of graphic materials.

На Фиг.1.1 представлена общая структура антенны 10 и ее расположение относительно поверхности тела. На Фиг.1.2 обозначены: 11 - поверхность тела; 12 - пластина заземления, расположенная вдоль поверхности 11 тела; 13 - промежуточный диэлектрический слой; 14 - вертикально расположенный излучающий элемент; 15 - однородный слой диэлектрического материала; 16 - верхний горизонтальный элемент из проводящего материала, 17 - зазор между пластиной 12 заземления и поверхностью 11 тела, 18 - полосковая линия, предназначенная для питания антенны, расположенная на той же стороне диэлектрического слоя 13, что и излучающий элемент 14.Figure 1.1 shows the general structure of the antenna 10 and its location relative to the surface of the body. Figure 1.2 marked: 11 - the surface of the body; 12 - ground plate located along the surface 11 of the body; 13 - an intermediate dielectric layer; 14 - vertically located emitting element; 15 - a uniform layer of dielectric material; 16 is an upper horizontal element of conductive material, 17 is the gap between the ground plate 12 and the body surface 11, 18 is a strip line designed to power the antenna, located on the same side of the dielectric layer 13 as the radiating element 14.

На Фиг.2.1 изображена структура излучающего элемента 14 предлагаемой антенны 10, где обозначены: 21 - вырезанная верхняя часть излучающего элемента 14, 22 - форма излучающего элемента 14, сходная с буквой «U», 23 - структура из вырезов, 24 - вырезы. На Фиг.2.2 приведен пример структуры верхнего горизонтального элемента 16 (при виде сверху).Figure 2.1 shows the structure of the radiating element 14 of the proposed antenna 10, where are indicated: 21 - cut out the upper part of the radiating element 14, 22 - the shape of the radiating element 14, similar to the letter "U", 23 - structure of cutouts, 24 - cutouts. Figure 2.2 shows an example of the structure of the upper horizontal element 16 (when viewed from above).

На Фиг.3 приведен пример частотной зависимости коэффициента отражения антенны (S11) при ее установке вблизи поверхности 11 тела человека. Представленный диапазон частот - 6-10 ГГц. Согласование антенны, измеренное в приведенном примере по уровню S11 < -6 дБ, находится в полосе 6,5-10 ГГц, а также в более высоком диапазоне частот.Figure 3 shows an example of the frequency dependence of the reflection coefficient of the antenna (S11) when it is installed near the surface 11 of the human body. The presented frequency range is 6-10 GHz. Antenna matching, measured in the above example at the level of S11 <-6 dB, is in the band of 6.5-10 GHz, as well as in a higher frequency range.

Заявляемая конструкция СШП антенны 10 для радиосвязи вблизи поверхности 11 тела человека (Фиг.1.2) относится к типу сверхширокополосных полудиполей. Упомянутая СШП антенна 10 состоит из пластины 12 заземления, находящейся непосредственно над поверхностью 11 тела человека параллельно или под небольшим углом к поверхности 11. Пластина 12 заземления не обязательно должна иметь электрический контакт с поверхностью 11 тела и может отстоять от поверхности 11 на небольшое по сравнению с длиной волны расстояние. Пластина 12 заземления может иметь форму простой геометрической фигуры, например, прямоугольник, круг, треугольник, либо, в случае если эта пластина 12 заземления выполнена на фрагменте поверхности корпуса устройства, может совпадать по форме с отдельными фрагментами корпуса устройства. С верхней стороны к пластине 12 заземления вплотную прилегает промежуточный диэлектрический слой 13, разделяющий пластину 12 заземления и излучающий элемент 14.The inventive design of the UWB antenna 10 for radio communication near the surface 11 of the human body (Figure 1.2) refers to the type of ultra-wideband half-dipole. The UWB antenna 10 consists of a grounding plate 12 located directly above the surface 11 of the human body in parallel or at a slight angle to the surface 11. The grounding plate 12 does not have to have electrical contact with the surface 11 of the body and can be slightly farther from the surface 11 wavelength distance. The grounding plate 12 may be in the form of a simple geometric figure, for example, a rectangle, circle, triangle, or, if this grounding plate 12 is made on a fragment of the surface of the device’s casing, may coincide in shape with individual fragments of the device’s casing. On the upper side, an intermediate dielectric layer 13 adjacent to the ground plate 12 is adjacent adjacent to the ground plate 12 and the radiating element 14.

Излучающий элемент 14 расположен ортогонально или близко к ортогональному положению относительно пластины 12 заземления и соответственно поверхности 11 тела человека. Излучающий элемент 14 имеет либо форму круга с отверстием в центре, либо усеченного эллипса с эллиптическим отверстием в центре. Кроме того, верхняя часть 21 такого излучающего элемента 14 отсечена таким образом, что излучающий элемент 14 не имеет соединения в верхнем своем конце (в вертикальной плоскости) и образует форму, сходную с латинской буквой «U» (22).The radiating element 14 is located orthogonally or close to the orthogonal position relative to the ground plate 12 and, accordingly, the surface 11 of the human body. The radiating element 14 has either a circle shape with a hole in the center, or a truncated ellipse with an elliptical hole in the center. In addition, the upper part 21 of such a radiating element 14 is cut off so that the radiating element 14 is not connected at its upper end (in the vertical plane) and forms a shape similar to the Latin letter “U” (22).

Кроме того, на вертикальных сторонах U-образного излучающего элемента 14 выполнены вырезы 24, образующие зигзагообразную структуру 23, для дополнительного снижения нижней рабочей частоты при сохранении внешних габаритных размеров излучающего элемента 14 (см. Фиг.2.1). Структура 23 из вырезов 24 может иметь как прямоугольную форму, приведенную на Фиг.2.1, так и форму других простейших фигур, таких, например, как круг, треугольник. Структура 23 располагается как с внешнего, так и с внутреннего края каждой стороны U-образного излучающего элемента, обеспечивая сторонам излучающего элемента 14 зигзагообразную форму.In addition, cutouts 24 are formed on the vertical sides of the U-shaped radiating element 14, forming a zigzag structure 23, to further reduce the lower operating frequency while maintaining the external overall dimensions of the radiating element 14 (see Figure 2.1). The structure 23 of the cutouts 24 can have both the rectangular shape shown in FIG. 2.1 and the shape of other simple shapes, such as, for example, a circle, a triangle. The structure 23 is located both from the outer and inner edges of each side of the U-shaped radiating element, providing the sides of the radiating element 14 with a zigzag shape.

Количество вырезов 24 на каждой стороне U-образного излучающего элемента может варьироваться от двух и более. В примере реализации на Фиг.2.1 таких вырезов выполнено по три на каждой половине. Излучающий элемент 14, описанный выше, целесообразно покрывать однородным слоем 15 диэлектрического материала малой толщины, как с одной, так и с обеих сторон. Сверху вертикальный излучающий элемент 14 имеет электрическое соединение с верхним горизонтальным элементом 16. Таким образом, указанный верхний горизонтальный элемент 16 осуществляет электрическое соединение верхних концов U-образного излучающего элемента 14. Пример внешнего вида верхнего горизонтального элемента 16 приведен на Фиг.2.2. Верхний горизонтальный элемент 16 в предпочтительном варианте имеет зигзагообразную форму, однако он может иметь и любую другую форму. Питание излучающего элемента 14 осуществляется с помощью полосковой линии 18 расположенной на той же стороне диэлектрического слоя 13, что и излучающий элемент 14. Линия 18 соединена одной стороной с нижней частью излучающего элемента, а другой стороной она может быть соединена непосредственно с приемопередающей микросхемой. При таком способе питания антенны 10 нет необходимости делать какие-либо подводящие провода либо питающие микросхемы с обратной стороны диэлектрического слоя 13 (со стороны пластины 12 заземления). Таким образом, антенну можно устанавливать вплотную к поверхности 11 тела пластиной 12 заземления, либо при установке в корпусе - вплотную к внутренней поверхности корпуса.The number of cutouts 24 on each side of the U-shaped radiating element may vary from two or more. In the example implementation of FIG. 2.1, such cuts are made in three on each half. The radiating element 14 described above, it is advisable to cover a uniform layer 15 of a dielectric material of small thickness, both on one and on both sides. From above, the vertical radiating element 14 is electrically connected to the upper horizontal element 16. Thus, the specified upper horizontal element 16 electrically connects the upper ends of the U-shaped radiating element 14. An example of the appearance of the upper horizontal element 16 is shown in Fig.2.2. The upper horizontal element 16 preferably has a zigzag shape, but it can also have any other shape. The radiating element 14 is powered by a strip line 18 located on the same side of the dielectric layer 13 as the radiating element 14. The line 18 is connected on one side to the bottom of the radiating element, and on the other side it can be connected directly to the transceiver microcircuit. With this method of supplying the antenna 10, there is no need to make any supply wires or supply microcircuits on the reverse side of the dielectric layer 13 (from the side of the ground plate 12). Thus, the antenna can be installed close to the surface 11 of the body with a grounding plate 12, or when installed in the housing, close to the inner surface of the housing.

Заявляемая конструкция антенны может быть использована для осуществления беспроводной связи между устройствами находящимися вблизи тела человека. Причем наличие прямого луча распространения радиосигнала не обязательно, потому что благодаря вертикальной поляризации излучаемого антеннами радиосигнала он может распространяться вдоль криволинейной поверхности тела с малым по сравнению со свободным пространством ослаблением. Благодаря малым размерам антенна может использоваться в диапазоне частот, требуемом стандартом IEEE 802.15.6 для WBAN сетей. Благодаря небольшой высоте антенны (в направлении нормали к поверхности тела) она подходит для небольших незаметных носимых устройств, таких например как слуховые аппараты, датчики пульса, МП3 плееры и т.д.The inventive antenna design can be used for wireless communication between devices located near the human body. Moreover, the presence of a direct beam of the propagation of the radio signal is not necessary, because due to the vertical polarization of the radio signal emitted by the antennas, it can propagate along the curved surface of the body with a small attenuation compared with free space. Due to its small size, the antenna can be used in the frequency range required by the IEEE 802.15.6 standard for WBAN networks. Due to the small height of the antenna (in the direction normal to the surface of the body), it is suitable for small inconspicuous wearable devices, such as hearing aids, heart rate sensors, MP3 players, etc.

Claims

1. Ultrawide compact antenna in the radio channel between devices located near the surface of the human body outside the line of sight, containing a ground plate and a radiating element, characterized in that
the ground plate is located directly above the surface of the human body and is oriented parallel or at an angle to the surface of the human body;
- a radiating element made of a conductive material is located directly above the ground plate and is oriented as close as possible to the perpendicular position relative to the specified ground plate; wherein
- the radiating element is made in a form close to the letter U, cutouts are made on the sides of the specified element from the outer and inner sides; and
said antenna further comprises an upper horizontal element configured to electrically connect the upper ends of the radiating element; and
- power is supplied to the specified radiating element through a strip line.

2. The antenna according to claim 1, characterized in that said upper horizontal element has at least two cutouts from opposite sides, giving it, thus, a shape close to the letter S.

3. The antenna according to claim 1, characterized in that the upper horizontal element is located in a plane parallel to the plane of the ground plate.

4. The antenna according to claim 1, characterized in that said ground plate has the form of a simple geometric figure, such as a circle or ellipse.

5. The antenna according to claim 1, characterized in that said ground plate has a shape close to the shape of the device housing, on the surface of which it is located.

6. The antenna according to claim 1, characterized in that a gap is formed between the ground plate and the radiating element due to the fact that the ground plate is covered with a thin layer of dielectric on the upper side.

7. The antenna according to claim 1, characterized in that said strip line is made on the same side of said thin dielectric layer with which said radiating element is located.

8. The antenna according to claim 1, characterized in that said ground plate is spaced from the surface of the body at a distance of 0 to 1 wavelength.

9. The antenna according to claim 1, characterized in that said cutouts made at the ends of said radiating element have a rectangular, round, elliptical or triangular shape.

10. The antenna according to claim 1, characterized in that the number of said cutouts at each end of said radiating element is at least two.

11. The antenna according to claim 1, characterized in that said radiating element is coated with a uniform layer of dielectric material of small thickness on one or both sides.