RU2601527C2 - Monopole antenna with closed core for mobile use - Google Patents
Monopole antenna with closed core for mobile use Download PDFInfo
- Publication number
- RU2601527C2 RU2601527C2 RU2014150774/28A RU2014150774A RU2601527C2 RU 2601527 C2 RU2601527 C2 RU 2601527C2 RU 2014150774/28 A RU2014150774/28 A RU 2014150774/28A RU 2014150774 A RU2014150774 A RU 2014150774A RU 2601527 C2 RU2601527 C2 RU 2601527C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- antenna
- core
- coil
- antenna according
- monopoly
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
- H01Q9/04—Resonant antennas
- H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
- H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
Landscapes
- Details Of Aerials (AREA)
- Support Of Aerials (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Настоящее изобретение относится к антенной технике, в частности, к малогабаритным антеннам, предназначенным для установки внутри относительно небольших мобильных приемников, передатчиков и приемопередатчиков, таких как мобильные телефоны, портативные компьютеры и т.п., для передачи и приема радиоволн.The present invention relates to antenna technology, in particular, to small antennas intended for installation inside relatively small mobile receivers, transmitters and transceivers, such as mobile phones, laptop computers and the like, for transmitting and receiving radio waves.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
В настоящее время все частотные диапазоны стандартов мобильной связи находятся в пределах диапазона частот приблизительно от 0,6 до 6 ГГц. С точки зрения проектирования встроенных антенн наиболее важной (критической) полосой частот является полоса 0,6-1 ГГц с длиной волны >30 см. Для уменьшения физических размеров антенн с сохранением при этом электрической длины (для поддержания хорошего уровня согласования) разработчики широко используют различные диэлектрические или ферритовые материалы для нагрузки антенны в качестве подложки или держателя.Currently, all frequency ranges of mobile communication standards are within the frequency range of approximately 0.6 to 6 GHz. From the point of view of designing integrated antennas, the most important (critical) frequency band is the 0.6-1 GHz band with a wavelength> 30 cm. To reduce the physical dimensions of the antennas while maintaining the electrical length (to maintain a good level of matching), developers widely use various dielectric or ferrite materials for loading the antenna as a substrate or holder.
Одним из наиболее подходящих материалов при проектировании антенн для указанной выше «критической» полосы частот является гексаферритовый сердечник с достаточно высокой исходной относительной диэлектрической проницаемостью (εr) и магнитной проницаемостью (µr) и с относительно низким коэффициентом вносимых потерь (tan δ от εr и µr). Как правило, при проектировании антенной подложки в качестве разомкнутого магнитного сердечника используется прямоугольный гексаферритовый брусок. Таким образом, для данного типа малогабаритных композитных антенн с эффективной длиной волны λ/4 коэффициент укорочения составляет 1/(µeff εeff)1/2, где µeff - эффективная относительная магнитная проницаемость, εeff - эффективная относительная диэлектрическая проницаемость.One of the most suitable materials when designing antennas for the above “critical” frequency band is a hexaferrite core with a sufficiently high initial relative permittivity (ε r ) and magnetic permeability (µ r ) and with a relatively low insertion loss coefficient (tan δ of ε r and μ r ). As a rule, when designing an antenna substrate, a rectangular hexaferrite block is used as an open magnetic core. Thus, for this type of small composite antenna with effective wavelength λ / 4, the shortening coefficient is 1 / (µ eff ε eff ) 1/2 , where µ eff is the effective relative magnetic permeability and ε eff is the effective relative permittivity.
Однако основной проблемой при разработке такого типа антенн является снижение электрических характеристик подложки, когда ферритовый или гексаферритовый брусок имеет размеры, сопоставимые с токопроводящей частью антенны, т.е. µeff<µr и εeff<εr, соответственно. В некоторых случаях проектирования эта разница может быть в несколько раз. Это обусловлено влиянием коэффициента размагничивания и коэффициента краевого эффекта. Данный аспект будет более подробно описан ниже.However, the main problem in the development of this type of antenna is the decrease in the electrical characteristics of the substrate when the ferrite or hexaferrite bar has dimensions comparable to the conductive part of the antenna, i.e. μ eff <μ r and ε eff <ε r , respectively. In some design cases, this difference can be several times. This is due to the influence of the demagnetization coefficient and the coefficient of the edge effect. This aspect will be described in more detail below.
Антенны на основе ферритовых или гексаферритовых материалов хорошо известны, и уже существует множество различных конструкций и их применений в мобильных устройствах. Анализ антенных решений показывает, что их можно разделить на три основных группы, которые показаны на Фиг. 1a-1c и описаны ниже.Antennas based on ferrite or hexaferrite materials are well known, and there are already many different designs and their applications in mobile devices. Analysis of the antenna solutions shows that they can be divided into three main groups, which are shown in FIG. 1a-1c and are described below.
На Фиг. 1a показана группа микрополосковых антенн, в которой вместо диэлектрика, применяемого в типичных микрополосковых антеннах, используется подложка из гексаферритового материала 1. Все остальные элементы антенны, такие как микрополосковый излучатель 3, линия 4 питания и слой 2 земли, идентичны антенне с диэлектрической подложкой, но с коррекцией на характеристики гексаферритового материала. Один практический вариант антенны такого типа описан в патенте US 5327148 А от 5 июля 1994 под названием «Ferrite Microstrip Antenna (Ферритовая микрополосковая антенна)».In FIG. 1a shows a group of microstrip antennas in which, instead of the dielectric used in typical microstrip antennas, a
Некоторый теоретический анализ таких антенн представлен в публикации «Rectangular Microstrip Antenna on a Ferrite Substrate (Прямоугольная микрополосковая антенна на ферритовой подложке)», Das С., Chowdhury S., IEEE transactions on antennas and propagation, vol. ap-30, N3, май 1982, с. 499-502. Авторы данной публикации заметили, что параметры материала изменились по сравнению с исходными параметрами: µr=14,74 снизилась до µeff=5,97, а εr=15 до εeff=12,19. В результате, соответственно уменьшился коэффициент укорочения 1/(µeff εeff)1/2.Some theoretical analysis of such antennas is presented in Rectangular Microstrip Antenna on a Ferrite Substrate, Das C., Chowdhury S., IEEE transactions on antennas and propagation, vol. ap-30, N3, May 1982, p. 499-502. The authors of this publication noted that the material parameters changed compared to the initial parameters: µ r = 14.74 decreased to µ eff = 5.97, and ε r = 15 to ε eff = 12.19. As a result, the
Приведенные аналоги ферритовой антенны не очень близки к настоящему изобретению вследствие большой разницы в принципах работы антенны и характеристиках антенны, но этот тип антенн все же рассматривается здесь, так как в нем также используется наполнение ферритовым или гексаферритовым материалом для уменьшения размеров антенны с одновременным сохранением ее характеристик. Антенны данной группы имеют, как правило, довольно громоздкую и, в результате, слишком тяжелую и хрупкую конструкцию подложки, поэтому они непригодны для использования внутри мобильных устройств.The above analogs of a ferrite antenna are not very close to the present invention due to the large difference in the operating principles of the antenna and the characteristics of the antenna, but this type of antenna is still considered here, since it also uses filling with ferrite or hexaferrite material to reduce the size of the antenna while maintaining its characteristics . Antennas of this group are, as a rule, rather bulky and, as a result, too heavy and brittle design of the substrate, so they are unsuitable for use inside mobile devices.
На Фиг. 1b, 1c показаны группы антенн, имеющие аналогичную конструкцию, которая содержит токопроводящую проволочную катушку или спираль над ферритовым или гексаферритовым сердечником в форме прямоугольного бруска или цилиндрического стержня.In FIG. 1b, 1c, groups of antennas are shown having a similar structure, which comprises a conductive wire coil or spiral over a ferrite or hexaferrite core in the form of a rectangular bar or cylindrical rod.
В настоящее время электрические антенны такого типа, как показаны на Фиг. 1b, быстро развиваются в качестве антенн для применения внутри мобильных устройств, и они широко описаны в различных публикациях, например US 2005/073466 A1, 7 апреля 2005, «Helical coil, magnetic core antenna (Антенна со спиральной катушкой и магнитным сердечником)»; US 2009/273534 A1, 5 ноября 2009, «Magnetic material antenna and ferrite sintered body (Антенна из магнитного материала и ферритовый корпус, изготовленный методом спекания)»; и «Miniaturized Broadband Ferrite T-DMB Antenna for Mobile-Phone Applications (Миниатюрная широкополосная ферритовая T-DMB антенна для применения в мобильных телефонах», Seok Bae, Yang-Ki Hong, Jae-Jin Lee, Won-Mo Seong, IEEE transactions on magnetics, vol. 46, N6, июнь 2010, с. 2361-2364. Все антенны, описанные в указанных публикациях, имеют различные варианты воплощения, но их основная конструкция абсолютно такая же, как показана на Фиг. 1b.Currently, electric antennas of the type shown in FIG. 1b are rapidly developing as antennas for use inside mobile devices, and they are widely described in various publications, for example US 2005/073466 A1, April 7, 2005, “Helical coil, magnetic core antenna”; US 2009/273534 A1, November 5, 2009, “Magnetic material antenna and ferrite sintered body (Antenna of magnetic material and a ferrite body made by sintering)”; and “Miniaturized Broadband Ferrite T-DMB Antenna for Mobile-Phone Applications (Seok Bae, Yang-Ki Hong, Jae-Jin Lee, Won-Mo Seong, IEEE transactions on magnetics, vol. 46, N6, June 2010, pp. 2361-2364. All antennas described in these publications have different embodiments, but their basic design is exactly the same as shown in Fig. 1b.
В частности, антенна на Фиг. 1b содержит сердечник 6 в форме ферритового бруска с токопроводящей катушкой 7 поверх него. Вместо катушки можно использовать любой тип спирали или извилистой токопроводящей линии. То есть, над пластиной 5 земли образован некий вид изогнутой монопольной антенны, и она запитывается через порт на PCB 8. Такие антенны, например, как на Фиг. 1b, требуют наличия плоскости земли, и ее эксплуатационные характеристики в значительной степени зависят от размера этой земли.In particular, the antenna of FIG. 1b comprises a
Принципиальное различие между группами антенн, представленных на Фиг. 1b и 1с, состоит в том, что антенны, например, показанные на Фиг. 1b, питаются от одного конца катушки, а другой конец свободен, так что над пластиной земли создается электрический монополь (обычно это антенны типа перевернутого L или F).The fundamental difference between the antenna groups shown in FIG. 1b and 1c, is that the antennas, for example, shown in FIG. 1b are fed from one end of the coil, and the other end is free, so that an electric monopole is created above the ground plate (usually these are antennas of the inverted L or F type).
При этом, тип антенн, показанный в общем на Фиг. 1c, требует дифференциального питания 11-12 катушки 9, намотанной вокруг цилиндрического ферритового сердечника 10 и соединенной с непосредственно с входом радиоустройства (приемопередатчика) 14 без использования плоскости земли. Радиоустройство 14 подсоединено к земле 13 независимо. Таким образом, образуется антенна типа магнитного диполя (или рамочная антенна), нагруженная на ферритовом или гексаферритовом сердечнике. Такой магнитный диполь или рамочная антенна представлена на Фиг. 1с.Moreover, the type of antennas shown generally in FIG. 1c, requires differential power 11-12 of
Этот тип антенн практически не требует никакой плоскости земли, что объясняет популярность таких антенн при проектировании малогабаритных мобильных устройств. Эти антенны широко описаны в специальной литературе по антеннам, например, во втором издании «ANTENNAS», John D. Kraus, 1988, с. 259-262; аналогичная теория описана в работе «Receiving Antenna Design for Miniature Receivers (Конструкция приемной антенны для миниатюрных приемников)», R.С Pettengill, H.T. Garland, J.D. Meindl, IEEE transactions on antennas and propagation, July 1977, с. 528-530. Кроме того, некоторые практические варианты раскрыты в следующих патентах: US 6919856 В2 от 19 июля 2005, US 7737905 В1 от 15 июня 2010, US 5561438 от 1 октября 1996 г. Тем не менее, полное сопротивление антенн такого типа слишком низкое, а также имеет индуктивные свойства, и это создает трудности для согласования антенны в широкой полосе частот.This type of antenna practically does not require any ground plane, which explains the popularity of such antennas in the design of small-sized mobile devices. These antennas are widely described in specialized literature on antennas, for example, in the second edition of ANTENNAS, John D. Kraus, 1988, p. 259-262; a similar theory is described in Receiving Antenna Design for Miniature Receivers, R. C. Pettengill, H.T. Garland, J.D. Meindl, IEEE transactions on antennas and propagation, July 1977, p. 528-530. In addition, some practical options are disclosed in the following patents: US 6919856 B2 of July 19, 2005, US 7737905 B1 of June 15, 2010, US 5561438 of October 1, 1996. However, the antenna impedance of this type is too low, and also has inductive properties, and this creates difficulties for matching the antenna in a wide frequency band.
Для антенн обоих типов, показанных на Фиг. 1b и 1с, коэффициент укорочения равен 1/(µeff εeff)1/2, но для антенн с разомкнутым ферритовым сердечником эффективная магнитная проницаемость ферритового стержня µeff всегда меньше, чем исходная относительная магнитная проницаемость µr. Это является результатом коэффициента размагничивания DF, который зависит от геометрии ферритового сердечника и катушки, а также от положения катушки. For both types of antennas shown in FIG. 1b and 1c, the shortening coefficient is 1 / (µ eff ε eff ) 1/2 , but for antennas with an open ferrite core, the effective magnetic permeability of the ferrite core µ eff is always less than the initial relative magnetic permeability µ r . This is the result of the demagnetization coefficient DF, which depends on the geometry of the ferrite core and coil, as well as on the position of the coil.
Следовательно, отношение между эффективной магнитной проницаемостью µeff и исходной относительной магнитной проницаемостью µr можно аппроксимировать для стержневой антенны как:Therefore, the relationship between the effective magnetic permeability μ eff and the initial relative magnetic permeability μ r can be approximated for a rod antenna as:
µeff=µr/(1+DF(µr-1)), (1)µ eff = µ r / (1 + DF (µ r -1)), (1)
где DF - коэффициент размагничивания типичной стержневой антенны (Фиг. 1b, 1с.), DF=0,37 (L/D)1.4;where DF is the demagnetization coefficient of a typical rod antenna (Fig. 1b, 1s.), DF = 0.37 (L / D) 1.4 ;
L - длина ферритового или гексаферритового сердечника;L is the length of the ferrite or hexaferrite core;
D - диаметр сердечника.D is the diameter of the core.
Для сердечника в форме прямоугольного бруска, показанного на Фиг. 1b, D можно вычислить как: For the core in the shape of the rectangular bar shown in FIG. 1b, D can be calculated as:
D=2(W+Н)/π, (2)D = 2 (W + H) / π, (2)
где W - ширина сердечника иwhere W is the core width and
Н - высота.H is the height.
На Фиг. 2 представлены графики, иллюстрирующие отношение между µeff и µr для различных отношений L/D стержневых антенн. Как видно из графиков на Фиг. 2, малогабаритные антенны с низким отношением L/D имеют значительно меньшую эффективную магнитную проницаемость µeff, и в результате, коэффициент укорочения антенны 1/(µeff εeff)1/2 также уменьшается. Это соответствующим образом отражается на полном сопротивлении антенны. Таким образом, типы антенн, показанные на Фиг. 1b и 1с, требуют максимально возможной длины ферритового или гексаферритового сердечника.In FIG. 2 is a graph illustrating the relationship between µ eff and µ r for various rod antenna antennas L / D ratios. As can be seen from the graphs in FIG. 2, small-sized antennas with a low L / D ratio have a significantly lower effective magnetic permeability μ eff , and as a result, the
Ближайшие аналоги настоящего изобретения можно найти в заявке JP 2009-177293 A и патенте SU 1663660 А1, которые проиллюстрированы на Фиг. 1d и 1e соответственно. Хотя решения, показанные на Фиг. 1d и 1е, на первый взгляд отличаются от групп магнитных нагруженных антенн, показанных на Фиг. 1a, 1b и 1с, их можно отнести к группе магнитных рамочных антенн, показанной на Фиг. 1с. В частности, в решении на Фиг. 1d магнитный сердечник выполнен в виде тороида с зазором 15 и питается дифференциально через порт 16 катушки. Кроме того, в магнитной антенне 17 с разомкнутым сердечником, показанной на Фиг. 1e, также используется замкнутый магнитный сердечник 18, однако только в качестве питающего трансформатора, и он соединен с сердечником 17 антенны с помощью дополнительной замкнутой катушки 19.The closest analogues of the present invention can be found in JP Application 2009-177293 A and SU 1663660 A1, which are illustrated in FIG. 1d and 1e, respectively. Although the solutions shown in FIG. 1d and 1e, at first glance, differ from the groups of magnetically loaded antennas shown in FIG. 1a, 1b and 1c, they can be assigned to the group of magnetic loop antennas shown in FIG. 1s In particular, in the solution of FIG. 1d, the magnetic core is made in the form of a toroid with a gap of 15 and is fed differentially through the
Все варианты магнитных антенн, показанные на Фиг. 1c, 1d и 1е, предназначены только для приема компоненты магнитного поля, и не позволяют использовать компоненту электрического поля электромагнитных волн.All variants of the magnetic antennas shown in FIG. 1c, 1d and 1e, are intended only for receiving the magnetic field component, and do not allow the use of the electric field component of electromagnetic waves.
С другой стороны, в антеннах, показанных на Фиг. 1c, 1d и 1е, не используется плоскость земли, и, как следствие, индуцированные поверхностные токи. Это значительно уменьшает апертуру антенны, и в результате, эффективность излучения.On the other hand, in the antennas shown in FIG. 1c, 1d and 1e, the earth plane is not used, and, as a result, the induced surface currents. This significantly reduces the aperture of the antenna, and as a result, the radiation efficiency.
Хорошо известно, что малогабаритные встроенные антенны с физической длиной значительно меньше 1/4 длины волны имеют очень низкое сопротивление излучения, и в результате, и эффективность излучения. Для сохранения эффективности излучения при миниатюризации разомкнутого сердечника, как правило, используются диэлектрические или магнитные материалы для нагрузки антенны и увеличения электрической длины.It is well known that small-sized integrated antennas with a physical length significantly less than 1/4 of the wavelength have a very low radiation resistance, and as a result, the radiation efficiency. To maintain radiation efficiency in miniaturization of an open core, dielectric or magnetic materials are usually used to load the antenna and increase the electric length.
В этом случае, антенна может быть короче на коэффициент 1/(µeff εeff)1/2, но для малогабаритных антенн с разомкнутым сердечником эффективная диэлектрическая и магнитная проницаемости материала сердечника существенно уменьшаются по сравнению с их исходными относительными характеристиками, т.е. µeff<µr и εeff<εr. Таким образом, эффект укорочения антенны не так велик, как ожидается изначально.In this case, the antenna may be shorter by a factor of 1 / (µ eff ε eff ) 1/2 , but for small open-core antennas, the effective dielectric and magnetic permeabilities of the core material are significantly reduced compared to their initial relative characteristics, i.e. μ eff <μ r and ε eff <ε r . Thus, the effect of shortening the antenna is not as great as originally expected.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Настоящее изобретение направлено на решение или смягчение, по меньшей мере, некоторых из вышеупомянутых фундаментальных проблем. В частности, одной из задач настоящего изобретения является уменьшение ухудшения основных эксплуатационных характеристик при сохранении минимальных размеров и объема антенны.The present invention is directed to solving or mitigating at least some of the aforementioned fundamental problems. In particular, one of the objectives of the present invention is to reduce the deterioration of the main operational characteristics while maintaining the minimum size and volume of the antenna.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложена монопольная антенна, содержащая: по существу замкнутый сердечник, образующий по существу замкнутую магнитную цепь, причем сердечник имеет форму со сквозным отверстием; плоскость земли; токопроводящую катушку, намотанную вокруг сердечника через упомянутое отверстие равномерно по периметру сердечника и имеющую по меньшей мере два витка, причем количество витков зависит от требуемой рабочей частоты; причем катушка имеет два конца, причем первый конец закреплен на сердечнике или вне его, а второй конец закреплен вне сердечника и образует первый контактный вывод для питания антенны; и порт питания, содержащий второй контактный вывод, который соединяет плоскость земли с катушкой посредством соединения с первым контактным выводом, образованным на втором конце токопроводящей катушки.According to one aspect of the present invention, there is provided a monopole antenna, comprising: a substantially closed core forming a substantially closed magnetic circuit, the core being shaped with a through hole; ground plane; a conductive coil wound around the core through said hole uniformly around the perimeter of the core and having at least two turns, the number of turns depending on the required operating frequency; moreover, the coil has two ends, with the first end mounted on the core or outside it, and the second end mounted outside the core and forms the first contact terminal for powering the antenna; and a power port containing a second contact terminal that connects the ground plane to the coil by connecting to a first contact terminal formed at the second end of the conductive coil.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения замкнутый сердечник выполнен из феррита или гексаферрита.According to an additional aspect of the present invention, the closed core is made of ferrite or hexaferrite.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения замкнутый сердечник выполнен из магнитодиэлектрика.According to an additional aspect of the present invention, the closed core is made of magnetodielectric.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения замкнутый сердечник имеет произвольную форму, например, кольца, прямоугольника, многогранника, овала и т.п.According to an additional aspect of the present invention, the closed core has an arbitrary shape, for example, a ring, a rectangle, a polyhedron, an oval, and the like.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения для обмотки катушки используется токопроводящая лента из фольги или проволока.According to a further aspect of the present invention, conductive foil or wire tape is used to coil the coil.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения первый конец катушки выполнен свободным.According to a further aspect of the present invention, the first end of the coil is free.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения первый конец катушки нагружен дополнительной нагрузкой, и дополнительная нагрузка выполнена в виде полосковой линии и/или включает в себя согласующую цепь.According to an additional aspect of the present invention, the first end of the coil is loaded with additional load, and the additional load is in the form of a strip line and / or includes a matching circuit.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения катушка содержит два или более изолированных провода, намотанных параллельно вокруг сердечника, причем все провода имеют различные длины в зависимости от требуемых рабочих частот.According to a further aspect of the present invention, the coil comprises two or more insulated wires wound in parallel around a core, all wires having different lengths depending on the required operating frequencies.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения плоскость земли выполнена как часть печатной платы (PCB).According to an additional aspect of the present invention, the ground plane is made as part of a printed circuit board (PCB).
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения антенна установлена частично внутри плоскости земли.According to an additional aspect of the present invention, the antenna is partially installed inside the ground plane.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения антенна собрана как компонент поверхностного монтажа (SMD), припаянный к PCB.According to a further aspect of the present invention, the antenna is assembled as a surface mount component (SMD) soldered to a PCB.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения, антенна собрана как отдельный компонент, механически закрепленный на PCB.According to a further aspect of the present invention, the antenna is assembled as a separate component mechanically attached to a PCB.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения сердечник содержит регулируемый зазор для регулирования частоты и снижения потерь.According to a further aspect of the present invention, the core comprises an adjustable clearance for controlling the frequency and reducing losses.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения антенна содержит два или более сердечников и соответствующее количество токопроводящих катушек, намотанных вокруг сердечников.According to a further aspect of the present invention, an antenna comprises two or more cores and a corresponding number of conductive coils wound around the cores.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения антенна предназначена для использования в мобильных устройствах.According to an additional aspect of the present invention, the antenna is intended for use in mobile devices.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения, антенна предназначена для использования в транспортных средствах.According to an additional aspect of the present invention, the antenna is intended for use in vehicles.
Настоящее изобретение предлагает техническое решение с замкнутым ферритовым или гексаферритовым сердечником, которое позволяет решить, по меньшей мере, некоторые проблемы предшествующего уровня техники, поскольку в замкнутом сердечнике µeff≈µr благодаря концентрации магнитного поля внутри сердечника. Это также позволяет увеличить электрическую длину антенны при одновременном уменьшении ее общего размера. Таким образом, по меньшей мере одним из преимуществ настоящего изобретения является минимизация необходимого объема антенны при сохранении ее эксплуатационных характеристик.The present invention provides a technical solution with a closed ferrite or hexaferrite core, which allows to solve at least some problems of the prior art, since in a closed core µ eff ≈µ r due to the concentration of the magnetic field inside the core. It also allows you to increase the electrical length of the antenna while reducing its overall size. Thus, at least one of the advantages of the present invention is to minimize the required antenna volume while maintaining its operational characteristics.
Другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения станут ясны из последующего описания и формулы изобретения при рассмотрении их совместно с прилагаемыми чертежами.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following description and claims when considered in conjunction with the accompanying drawings.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Фиг. 1a иллюстрирует микрополосковую антенну, описанную в патенте US 5327148 А и в публикации «Rectangular Microstrip Antenna on a Ferrite Substrate (Прямоугольная микрополосковая антенна на ферритовой подложке)».FIG. 1a illustrates the microstrip antenna described in US Pat. No. 5,327,148 A and in the publication "Rectangular Microstrip Antenna on a Ferrite Substrate".
Фиг. 1b иллюстрирует гексаферритовую нагруженную монопольную антенну, описанную в заявках US 2005/073466 A1, US 2009/273534 A1 и в публикации «Miniaturized Broadband Ferrite T-DMB Antenna for Mobile-Phone Applications (Миниатюрная широкополосная ферритовая T-DMB антенна для мобильных телефонов)».FIG. 1b illustrates a hexaferrite loaded monopole antenna described in US 2005/073466 A1, US 2009/273534 A1 and in the publication “Miniaturized Broadband Ferrite T-DMB Antenna for Mobile-Phone Applications (Miniature Broadband Ferrite T-DMB Antenna for Mobile Phones)" .
Фиг. 1с иллюстрирует ферритовую магнитную рамочную антенну, описанную в публикации «Receiving Antenna Design for Miniature Receivers (Конструкция приемной антенны для миниатюрных приемников)» и в патентах US 6919856 B2, US 7737905 В1, US 5561438 А.FIG. 1c illustrates a ferrite magnetic loop antenna described in the publication “Receiving Antenna Design for Miniature Receivers” and in US Pat. Nos. 6,919,856 B2, US 7,737,905 B1, US 5561438 A.
Фиг. 1d иллюстрирует ферритовую магнитную рамочную антенну, описанную в заявке JP 2009-177293 А.FIG. 1d illustrates a ferrite magnetic loop antenna described in JP 2009-177293 A.
Фиг. 1е иллюстрирует магнитную антенну, описанную в патенте SU 1663660 A1.FIG. 1e illustrates the magnetic antenna described in patent SU 1663660 A1.
Фиг. 2 иллюстрирует графики зависимости между µeff и µr при различных отношениях длина/диаметр стержневой антенны.FIG. 2 illustrates plots of the relationship between µ eff and µ r for various rod antenna length / diameter ratios.
Фиг. 3 иллюстрирует основной вариант осуществления настоящего изобретения.FIG. 3 illustrates a basic embodiment of the present invention.
Фиг. 4а иллюстрирует дополнительный вариант антенны с нагруженным первым концом катушки.FIG. 4a illustrates a further embodiment of an antenna with a loaded first end of a coil.
Фиг. 4b иллюстрирует дополнительный вариант антенны с катушкой с двойной обмоткой.FIG. 4b illustrates an additional embodiment of a dual coil antenna.
Фиг. 5a иллюстрирует поперечное сечение антенны в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения для промышленной реализации в качестве компонента поверхностного монтажа (SMD).FIG. 5a illustrates a cross section of an antenna in accordance with one embodiment of the present invention for industrial implementation as a surface mount component (SMD).
Фиг. 5b иллюстрирует поперечное сечение антенны в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения для промышленной реализации с использованием механического замка.FIG. 5b illustrates a cross section of an antenna in accordance with one embodiment of the present invention for industrial implementation using a mechanical lock.
Фиг. 6 иллюстрирует результаты моделирования антенны в соответствии с вариантом осуществления, изображенным на Фиг. 3.FIG. 6 illustrates simulation results of an antenna in accordance with the embodiment depicted in FIG. 3.
Фиг. 7 иллюстрирует результаты моделирования уровня согласования S11 антенны.FIG. 7 illustrates simulation results of an antenna matching level S11.
Фиг. 8 иллюстрирует модель эффективности излучения антенны в соответствии с настоящим изобретением.FIG. 8 illustrates an emission efficiency model of an antenna in accordance with the present invention.
Фиг. 9а иллюстрирует принцип работы классического оптимального четвертьволнового монополя с распределением тока вдоль антенны.FIG. 9a illustrates the principle of operation of the classic optimal quarter-wave monopole with current distribution along the antenna.
Фиг. 9b иллюстрирует принцип работы типичного изогнутого монополя с распределением тока вдоль антенны.FIG. 9b illustrates the principle of operation of a typical curved monopole with current distribution along the antenna.
Фиг. 9с иллюстрирует принцип работы монопольной антенны с замкнутым сердечником в соответствии с настоящим изобретением с распределением тока вдоль антенны.FIG. 9c illustrates the principle of operation of a closed-core monopole antenna in accordance with the present invention with current distribution along the antenna.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕDETAILED DESCRIPTION
Из теории и практического опыта хорошо известно, что физически малогабаритные антенны, имеющие размер намного меньше четверти длины волны, имеют низкое сопротивление излучения и, в результате, они не согласуются с наружным пространством для излучения, поэтому электромагнитные волны излучаются, в основном, плоскостью земли шасси мобильного устройства, так что такая малогабаритная антенна начинает работать, в основном, как возбудитель поверхностных токов на плоскости земли. Для успешной работы малогабаритной антенны в качестве возбудителя тока эта антенна должна иметь достаточно большую электрическую длину, близкую к 1/4 длине волны (как идеальный монополь). Для этой цели, как правило, используются изогнутые монополи или антенны в форме перевернутого F с извилистым проводником, но из-за сильной взаимосвязи эти антенны требуют относительно большого расстояния между проводником антенны и плоскостью земли.It is well known from theory and practical experience that physically small antennas having a size much smaller than a quarter of the wavelength have low radiation resistance and, as a result, they are not consistent with the external space for radiation, therefore electromagnetic waves are emitted mainly by the chassis ground plane mobile device, so that such a small-sized antenna begins to work, mainly as a causative agent of surface currents on the ground plane. For the small-sized antenna to work successfully as a current exciter, this antenna must have a sufficiently large electric length close to 1/4 wavelength (as an ideal monopole). For this purpose, as a rule, curved monopoles or antennas in the form of an inverted F with a tortuous conductor are used, but because of the strong interconnection, these antennas require a relatively large distance between the antenna conductor and the ground plane.
Эту проблему может решить с помощью диэлектрической или магнитной подложки, как показано на Фиг. 1b. С точки зрения уменьшения размеров антенны с одновременным сохранением максимальной электрической длины наиболее предпочтительными являются сердечники из магнитного материала, так как коэффициент укорочения антенны включает в себя два параметра, а именно, диэлектрическую проницаемость и магнитную проницаемость, 1/(µeff εeff)1/2. Однако, к сожалению, в случае использования разомкнутого сердечника в виде стержня или бруска с относительно небольшой длиной (L/D<10, как показано на Фиг 2), коэффициент размагничивания значительно снижает магнитную проницаемость: µeff<µr. В этой ситуации маленькая электрическая длина антенны не достаточно эффективна, и, как следствие, распределение поверхностных токов по земле не является оптимальным. Это препятствует достижению максимальной эффективности излучения мобильного устройства.This problem can be solved with a dielectric or magnetic substrate, as shown in FIG. 1b. From the point of view of reducing the size of the antenna while maintaining the maximum electrical length, cores made of magnetic material are most preferable, since the antenna shortening factor includes two parameters, namely, dielectric constant and magnetic permeability, 1 / (µ eff ε eff ) 1 / 2 . However, unfortunately, in the case of using an open core in the form of a rod or bar with a relatively short length (L / D <10, as shown in Fig. 2), the demagnetization coefficient significantly reduces the magnetic permeability: µ eff <µ r . In this situation, the small electric length of the antenna is not effective enough, and, as a result, the distribution of surface currents on the ground is not optimal. This impedes the maximum radiation efficiency of the mobile device.
Проблему, связанную с коэффициентом размагничивания DF, можно решить с помощью замкнутого магнитного сердечника, как предложено в настоящем изобретении.The problem associated with the demagnetization coefficient DF can be solved using a closed magnetic core, as proposed in the present invention.
На Фиг. 3 представлен основной вариант монопольной антенны с замкнутым сердечником в соответствии с настоящим изобретением. Этот вариант можно использовать для мобильного применения (например, для установки антенны внутри мобильного устройства). На Фиг. 3 показаны основные компоненты, такие как печатная плата (PCB), закрытая токопроводящей плоскостью 22 земли, ферритовый или гексаферритовый замкнутый сердечник 23, образующий основу антенны, и проволочная катушка 24, образующая конструкцию антенны и намотанная равномерно как спираль вокруг всего сердечника (это необходимо для максимально равномерного распределения магнитного поля внутри сердечника). PCB 22 в сборе со всеми компонентами может быть установлена внутри корпуса 21 мобильного устройства.In FIG. 3 illustrates a basic embodiment of a closed-core monopole antenna in accordance with the present invention. This option can be used for mobile applications (for example, for installing an antenna inside a mobile device). In FIG. Figure 3 shows the main components, such as a printed circuit board (PCB) covered by the
Следует отметить, что двумя основными компонентами монопольной антенны с замкнутым сердечником, показанной на Фиг. 3, являются ферритовый или гексаферритовый замкнутый сердечник 23 и проволочная катушка 24, намотанная вокруг сердечника.It should be noted that the two main components of the closed-core monopole antenna shown in FIG. 3 are a ferrite or hexaferrite closed
Катушка может иметь два конца, причем первый конец закреплен на сердечнике или вне его, а второй конец закреплен вне сердечника и образует контактный вывод для питания антенны.The coil can have two ends, with the first end mounted on the core or outside it, and the second end mounted on the outside of the core and forms a contact terminal for powering the antenna.
Магнитный сердечник соединен с мобильным устройством посредством соединения порта 25 питания, содержащего по меньшей мере один контактный вывод, с контактным выводом катушки. При этом контактные выводы катушки могут называться первыми контактными выводами, а контактные выводы порта питания могут называться вторыми контактными выводами.The magnetic core is connected to the mobile device by connecting the
При необходимости, в цепи питания катушки монополя между первым и вторым контактными выводами может использоваться согласующая цепь 26, тогда как первый конец катушки может быть, соответственно, свободным.If necessary, a matching
Число проволочных витков выбирается в зависимости от требуемой рабочей частоты Fres и может регулироваться просто путем обрезки длины проволоки. Для обеспечения наилучших эксплуатационных характеристик антенны проволоку 24 следует наматывать вокруг сердечника 23 равномерно, чтобы обеспечить равномерное распределение магнитного поля, при этом минимальное оптимальное количество витков не должно быть меньше четырех, а шаг обмотки должен быть по возможности максимальным для уменьшения паразитной емкости между витками.The number of wire turns is selected depending on the required operating frequency F res and can be adjusted simply by cutting the length of the wire. To ensure the best operational characteristics of the antenna, the
Физические характеристики сердечника 23, такие как магнитная проницаемость µeff, tan δµ, диэлектрическая проницаемость εeff, tan δε, геометрия замкнутого сердечника и количество витков, оказывают сильное влияние на рабочую частоту Fres. Соответственно, оптимальный подбор характеристик магнитного замкнутого сердечника 23 основан на оптимальном количестве витков катушки.The physical characteristics of the core 23, such as the magnetic permeability µ eff , tan δµ, the dielectric constant ε eff , tan δε, the closed core geometry and the number of turns, have a strong influence on the operating frequency F res . Accordingly, the optimal selection of the characteristics of the magnetic
Для полосы частот ≥700 МГц можно использовать замкнутый сердечник из гексаферритового материала; типичные характеристики гексаферрита: µr=2,5±0,5, εr=15±4.For a frequency band of ≥700 MHz, a closed core of hexaferrite material can be used; typical characteristics of hexaferrite: µ r = 2.5 ± 0.5, ε r = 15 ± 4.
Другой важной частью монопольной антенны с замкнутым сердечником, показанной на Фиг. 3, является плоскость земли. Монопольную антенну с замкнутым сердечником можно установить над плоскостью земли или вне ее и зафиксировать на корпусе 21 шасси мобильного устройства как обычный монополь, или внутри земли PCB 22 с полностью металлизированным слоем земли за исключением относительно небольшой, специально вырезанной области размером a x b для антенны. Тот же результат можно получить с плоскостью земли, выполненной в виде рамки или полностью металлизированного шасси.Another important part of the closed-core monopole antenna shown in FIG. 3, is the plane of the earth. A closed-core monopoly antenna can be mounted above or outside the ground plane and fixed on the chassis 21 of the mobile device as a regular monopole, or inside the
В случае монтажа монопольной антенны с замкнутым сердечником на заземленной PCB эффективность антенны существенно зависит от промежутка (обозначенного на Фиг. 3 как G) между антенной и плоскостью земли.In the case of mounting a closed-core monopole antenna on an earthed PCB, the antenna efficiency substantially depends on the gap (indicated in FIG. 3 as G) between the antenna and the ground plane.
Для оптимальной работы антенны минимальное расстояние между антенной и плоскостью земли должно быть не менее 1 мм; это значительно меньше, чем у других малогабаритных антенн для мобильного применения.For optimal antenna operation, the minimum distance between the antenna and the ground plane should be at least 1 mm; this is significantly less than other small-sized antennas for mobile use.
В одном конкретном варианте осуществления гексаферритовый материал имеет следующие характеристики: µr=2,5, εr=13, tan δµ=0,05, и tan δε=0,01. В таком гексаферритовом кольцевом сердечнике оптимальная проволочная катушка имеет 5 витков для Fres=930 МГц. Узел мобильного устройства, полученный в соответствии с этим вариантом осуществления, был использован для практических измерений, и те же самые параметры использовались для программного моделирования HFSS (High Frequency Structure Simulator, системы моделирования высокочастотных структур). Окончательные результаты показали хорошее согласование между экспериментальной и математической моделями.In one particular embodiment, the hexaferrite material has the following characteristics: µ r = 2.5, ε r = 13, tan δµ = 0.05, and tan δε = 0.01. In such a hexaferrite ring core, the optimal wire coil has 5 turns for F res = 930 MHz. The mobile device assembly obtained in accordance with this embodiment was used for practical measurements, and the same parameters were used for software simulation of HFSS (High Frequency Structure Simulator). The final results showed a good agreement between the experimental and mathematical models.
Следует отметить, что на Фиг. 3 показано круглое кольцо 23, однако сердечник может иметь различные формы (например, прямоугольника, многогранника, овала, или другие геометрические формы, содержащие по меньшей мере одно внутреннее сквозное отверстие), при условии, что эти формы удовлетворяют ключевой концепции настоящего изобретения, которая заключается в том, что магнитный или магнитодиэлектрический сердечник должен быть, по существу, замкнутым. Термин «по существу, замкнутый сердечник» означает, что сердечник геометрически абсолютно замкнут или содержит по меньшей мере один зазор между концами магнитного сердечника, но при этом все же имеет упомянутые выше и далее положительные свойства и преимущества абсолютно замкнутого сердечника. Зазор может быть регулируемым и может использоваться, например, для обеспечения контроля частоты и снижения потерь.It should be noted that in FIG. 3 shows a
Как отмечалось выше, антенна может питаться от порта 25 питания через согласующую цепь 26, только если это необходимо. Это объясняется тем, что моделирование и практические измерения показали, что антенна в соответствии с настоящим изобретением с плоскостью земли ≥100×50 мм сама по себе имеет хорошее согласование.As noted above, the antenna can be powered from the
В антенне с замкнутым сердечником, показанной на Фиг. 3, магнитное поле спиральной антенной катушки 24 сосредоточено внутри сердечника 23. Это уменьшает связь с плоскостью земли 22 и увеличивает электрическую длину антенны. В этом случае, монопольная антенна с замкнутым сердечником требует минимального расстояния до плоскости земли ≥1 мм. Принимая во внимание, что магнитная проницаемость закрытого магнитного сердечника практически не изменяется, µeff≈µr, коэффициент укорочения антенны 1/(µeff εeff)1/2 может быть максимальным, и это позволяет создавать монопольные антенны минимального размера с оптимальным распределением поверхностных токов в порту 25 питания антенны.In the closed-core antenna shown in FIG. 3, the magnetic field of the
На Фиг. 4a показан дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения. Использование дополнительной нагрузки 28, подключенной к первому концу катушки 27 монополя, может дополнительно минимизировать размер монопольной антенны с замкнутым сердечником. Дополнительная нагрузка 28 может быть реализована в виде полосковой линии, напечатанной на PCB 22, как дополнительная согласующая цепь 29, или в виде их комбинации (она также может называться как удлинение проводника). В этом варианте коэффициент укорочения антенны может регулироваться, и антенну можно настроить путем подстройки длины полосы 28 или с помощью согласующей цепи.In FIG. 4a shows an additional embodiment of the present invention. Using an
Еще один вариант осуществления настоящего изобретения показан на Фиг. 4b. Основной идеей данного варианта является использование сдвоенной катушки с двумя параллельными обмотками 31, 32, имеющими различные электрические длины и параллельное питание от контактного вывода 30. Такая конструкция сдвоенной катушки позволяет возбудить два резонанса в одном порту антенны и может использоваться для многополосных антенн и для увеличения ширины полосы.Another embodiment of the present invention is shown in FIG. 4b. The main idea of this option is to use a dual coil with two
Следует отметить, что монопольная антенна с замкнутым сердечником может содержать один или более по существу замкнутых сердечников, образующих, соответственно, одну или несколько по существу замкнутых магнитных цепей. Сердечники в антенне с несколькими сердечниками могут располагаться рядом друг с другом без зазора или с небольшим зазором. Использование нескольких сердечников в монопольной антенне с замкнутым сердечником позволяет формировать множество антенн, имеющих отдельные и/или объединенные входы и выходы (например, для применений MIMO (множественный вход - множественный выход)) очень компактным образом, фактически, как один элемент, что, в свою очередь, обеспечивает экономию места.It should be noted that a closed-core monopole antenna may comprise one or more substantially closed cores forming, respectively, one or more substantially closed magnetic circuits. The cores in an antenna with several cores can be located next to each other without a gap or with a small gap. The use of several cores in a monopole antenna with a closed core allows the formation of many antennas having separate and / or combined inputs and outputs (for example, for MIMO applications (multiple input - multiple output)) in a very compact way, in fact, as a single element, which, in in turn, saves space.
При массовом производстве монопольную антенну с замкнутым сердечником в соответствии с настоящим изобретением можно собирать в виде компонента поверхностного монтажа (SMD), как показано на Фиг. 5а, или в виде механически устанавливаемого компонента, как показано на Фиг. 5b. В обоих случаях предпочтительна сборка антенны в формованном корпусе 34 с выходными контактными выводами (то есть, первыми контактными выводами) для установки и питания антенны. Например, при осуществлении поверхностного монтажа, показанного на Фиг. 5а, антенну 35 можно разместить в формованном корпусе 34 с выходными контактными выводами 36 и соединить с линиями питания PCB 33 посредством пайки. В случае механической установки, показанной на Фиг. 5b, формованная антенна 38 устанавливается на предварительно подготовленную PCB 37, например, с помощью замка 39, и контакт с линиями питания PCB обеспечивается через контактный вывод 20 или контактную пружину (не показана) посредством пайки или механического крепления, соответственно.In mass production, a closed-core monopole antenna according to the present invention can be assembled as a surface mount component (SMD), as shown in FIG. 5a, or as a mechanically mounted component, as shown in FIG. 5b. In both cases, it is preferable to assemble the antenna in a molded
При разработке настоящего изобретения было создано множество моделей с помощью HFSS, а также проведены практические эксперименты для некоторых определенных антенн с гексаферритовыми сердечниками. Все практические измерения и математические модели продемонстрировали хорошее соответствие друг с другом.In developing the present invention, many models have been created using HFSS, and practical experiments have been carried out for some specific hexaferrite core antennas. All practical measurements and mathematical models have shown good agreement with each other.
На графике на Фиг. 6 показано отношение между резонансной частотой Fres антенны в соответствии с настоящим изобретением и исходной магнитной проницаемостью µr гексаферритового замкнутого сердечника для уровня согласования S11<-10 дБ на частоте Fres. Модель антенны по Фиг. 3 имеет следующие параметры:In the graph of FIG. 6 shows the relationship between the resonant frequency F res of an antenna according to the present invention and the original magnetic permeability μ r of a hexaferrite closed core for a matching level S11 <-10 dB at a frequency F res . The antenna model of FIG. 3 has the following parameters:
Для PCB:For PCB:
A=100 ммA = 100 mm
В=50 ммB = 50 mm
b=B.b = B.
Для антенны:For antenna:
εr=13ε r = 13
tan δµ=0,02tan δµ = 0.02
tan δε=0,01tan δε = 0.01
наружный диаметр D=8 ммouter diameter D = 8 mm
внутренний диаметр d=3 ммinner diameter d = 3 mm
высота H=3 ммheight H = 3 mm
количество витков катушки =4.number of coil turns = 4.
На графике видно, что использование материала с µr=3 и другими перечисленными выше характеристиками позволяет уменьшить физические размеры антенны на 69% по сравнению с состоянием без сердечника с µr=1, сохранив при этом такие же эксплуатационные характеристики антенны. Это видно из разности между резонансными частотами Fres для µr=1 и 3.The graph shows that the use of a material with μ r = 3 and the other characteristics listed above can reduce the physical dimensions of the antenna by 69% compared with the state without a core with μ r = 1, while maintaining the same operational characteristics of the antenna. This can be seen from the difference between the resonant frequencies F res for µ r = 1 and 3.
Другим критическим аспектом разработки малогабаритных антенн является высокая зависимость согласования антенны и эффективности излучения от размера плоскости земли.Another critical aspect of the development of small antennas is the high dependence of antenna matching and radiation efficiency on the size of the ground plane.
Фиг. 7 иллюстрирует результат моделирования уровня согласования S11 антенны по Фиг. 3 в зависимости от геометрии плоскости земли, где:FIG. 7 illustrates the result of modeling the matching level S11 of the antenna of FIG. 3 depending on the geometry of the plane of the earth, where:
b=Bb = B
А изменяется от 40 до 130 ммA varies from 40 to 130 mm
В=1/2АB = 1 / 2A
µr=2,5µ r = 2.5
εr=13ε r = 13
tan δµ=0,02tan δµ = 0.02
tan δε=0,01tan δε = 0.01
внешний D=8 ммexternal D = 8 mm
внутренний d=3 ммinner d = 3 mm
высота H=3 ммheight H = 3 mm
катушка с 4 витками4-coil
Fres=950 МГцF res = 950 MHz
количество витков катушки =4.number of coil turns = 4.
Следует отметить, что Fres антенны с замкнутым сердечником в соответствии с настоящим изобретением практически не зависит от размеров земли и существенно зависит только от параметров сердечника и количества витков. Такой эффект очень полезен для малогабаритных мобильных устройств.It should be noted that the F res of the closed-core antenna in accordance with the present invention is practically independent of the size of the earth and substantially depends only on the parameters of the core and the number of turns. This effect is very useful for small-sized mobile devices.
Для такого же состояния антенны, как на Фиг. 7, была вычислена эффективность излучения для различных тангенсов угла потерь tan δµ в материале сердечника антенны в зависимости от геометрии земли. Результирующая смоделированная эффективность излучения показана на Фиг. 8, где:For the same antenna condition as in FIG. 7, radiation efficiency was calculated for various loss tangents tan δµ in the core material of the antenna, depending on the geometry of the earth. The resulting simulated radiation efficiency is shown in FIG. 8, where:
b=Bb = B
А изменяется от 40 до 130 ммA varies from 40 to 130 mm
B=1/2AB = 1 / 2A
µr=2,5µ r = 2.5
εr=13ε r = 13
tan δε=0,01tan δε = 0.01
внешний D=8 ммexternal D = 8 mm
внутренний d=3 ммinner d = 3 mm
высота H=3 ммheight H = 3 mm
Fres=950 МГцF res = 950 MHz
Количество витков катушки =4.The number of turns of the coil = 4.
Графики на Фиг. 8 ясно показывают, что эффективность излучения антенны в соответствии с настоящим изобретением сильно зависит от потерь в материале сердечника, обусловленных концентрацией магнитного поля внутри замкнутого сердечника.The graphs in FIG. 8 clearly show that the radiation efficiency of the antenna in accordance with the present invention is highly dependent on losses in the core material due to the concentration of the magnetic field inside the closed core.
Другим выводом является зависимость от размера земли мобильного устройства. Как показано на Фиг. 8, начиная от размера земли >1/4 длины волны, эффективность излучения (а также характеристики согласования антенны) становится достаточно стабильной и не настолько чувствительной к длине земли. Это очень пригодно для антенн, предназначенных для установки внутри мобильных устройств.Another conclusion is the dependence on the size of the land of the mobile device. As shown in FIG. 8, starting from the size of the earth> 1/4 of the wavelength, the radiation efficiency (as well as the antenna matching characteristics) becomes quite stable and not so sensitive to the length of the earth. This is very suitable for antennas intended for installation inside mobile devices.
На Фиг. 9а-9с представлено теоретическое объяснение принципа передачи или приема радиоволн антенной в соответствии с настоящим изобретением в сравнении с известными антеннами.In FIG. 9a-9c provide a theoretical explanation of the principle of transmitting or receiving radio waves by an antenna in accordance with the present invention in comparison with known antennas.
Фиг. 9А иллюстрирует известную классическую монопольную антенну с оптимальным распределением тока IO вдоль токопроводящих поверхностей. Антенна, показанная на Фиг. 9а, имеет симметричное синусоидальное распределение тока IO в монополе 40 и в суммарной проекции в поверхности земли 42, порожденного источником 41 возбуждения. Максимум тока на Фиг. 9 находится в области 41 питания антенны.FIG. 9A illustrates a known classic monopole antenna with an optimal distribution of current I O along conductive surfaces. The antenna shown in FIG. 9a has a symmetric sinusoidal current distribution I O in
На Фиг. 9b показан типичный изогнутый монополь как пример малогабаритной антенны. Следует отметить, что поверхностные токи на монополе 43 и на его проекции 44 имеют противоположные направления, и между свободным концом такого монополя и плоскостью земли возникает паразитная емкость Cp. Конечно, этот эффект зависит от конкретной формы антенны, но он существенно снижает эффективность излучения.In FIG. 9b shows a typical curved monopole as an example of a small antenna. It should be noted that the surface currents on
Проблемы антенн, показанных на Фиг. 9а и Фиг. 9b, можно решить с помощью малогабаритной антенны в соответствии с настоящим изобретением, показанной на Фиг. 9с.The problems of the antennas shown in FIG. 9a and FIG. 9b can be solved with the small antenna in accordance with the present invention shown in FIG. 9s
Как показали математические модели HFSS монопольной антенны 45 по Фиг. 9с, все магнитное поле монополя 45 сосредоточено внутри замкнутого сердечника и возбуждается генератором 46, при этом электрическое поле сосредоточено вокруг сердечника с распределением тока вдоль проволочной катушки, подобно типичному монополю 40 по Фиг. 9а, с максимальным значением тока в области генератора 46. Тем не менее, физический максимум монопольной антенны с замкнутым сердечником по Фиг. 9с гораздо ниже, чем у монополя по Фиг. 9а.As the mathematical models of the
В результате такого распределения тока в антенне 45, показанной на Фиг. 9с, суммарное распределение токов по плоскости 47 земли аналогично оптимальному классическому монополю 40 по Фиг. 9а. Этот факт позволяет получить оптимальное распределение токов по плоскости земли мобильного устройства для хорошей передачи/приема радиосигналов и хорошей характеристики согласования антенны.As a result of such a current distribution in the
Настоящее изобретение ориентировано на встраивание в малогабаритные мобильные или другие устройства, использующие каналы радиосвязи для обмена данными, такие как, без ограничения:The present invention is focused on embedding in small-sized mobile or other devices using radio channels for data exchange, such as, without limitation:
1) Мобильные телефоны1) Mobile phones
2) Мобильные планшетные ПК2) Mobile Tablet PCs
3) Мобильные беспроводные модемы (USB, LAN, HDMI и т.д.)3) Mobile wireless modems (USB, LAN, HDMI, etc.)
4) Мобильные телевизионные приемники4) Mobile television receivers
5) Фотокамеры, снабженные беспроводными модемами.5) Cameras equipped with wireless modems.
Настоящее изобретение может быть также использовано в транспортных средствах.The present invention can also be used in vehicles.
Все компоненты антенны, описанной в настоящем изобретении, имеют простую форму и конструкцию, и могут быть реализованы с помощью любых известных токопроводящих, магнитных и диэлектрических материалов. Этот факт позволяет реализовать простой и дешевый процесс массового производства.All components of the antenna described in the present invention have a simple shape and design, and can be implemented using any known conductive, magnetic and dielectric materials. This fact allows you to implement a simple and cheap process of mass production.
Следует отметить, что приведенное выше описание включает в себя только некоторые из возможных вариантов осуществления настоящего изобретения. Невозможно описать каждую мыслимую комбинацию компонентов по настоящему изобретению или способов соединения компонентов, однако специалист в данной области техники поймет, что возможны многие комбинации и различные варианты осуществления. Все такие варианты и модификации должны попадать в рамки сущности и объема настоящего изобретения, которые определены в прилагаемой формуле изобретения.It should be noted that the above description includes only some of the possible embodiments of the present invention. It is not possible to describe every conceivable combination of components of the present invention or methods for combining components, however, one skilled in the art will understand that many combinations and various embodiments are possible. All such variations and modifications should fall within the spirit and scope of the present invention, which are defined in the attached claims.
ОБОЗНАЧЕНИЯ НА ЧЕРТЕЖАХDESIGNATIONS ON DRAWINGS
1 - Подложка микрополосковой патч-антенны1 - Microstrip patch antenna substrate
2 - Плоскость земли2 - The plane of the earth
3 - Микрополосковая патч-антенна3 - Microstrip patch antenna
4 - Микрополосковая линия питания4 - Microstrip power line
5 - PCB мобильного устройства5 - PCB mobile device
6 - Сердечник типа гексаферритового бруска6 - Core type hexaferrite bar
7 - Токопроводящая катушка7 - Conductive coil
8 - Порт питания8 - Power Port
9 - Токопроводящая катушка9 - conductive coil
10 - Сердечник типа ферритового стержня10 - Ferrite core type core
11, 12 - Соединение приемопередатчика (дифференциальный ВЧ порт (0/180 градусов))11, 12 - Transceiver connection (differential RF port (0/180 degrees))
13 - Земля приемопередатчика13 - Transceiver Ground
14 - Приемопередатчик14 - Transceiver
15 - Зазор между концами магнитного сердечника15 - The gap between the ends of the magnetic core
16 - Порт питания16 - Power Port
17 - Сердечник типа ферритового стержня17 - Ferrite core type core
18 - Кольцевой трансформатор18 - Ring transformer
19 - Замкнутый контур катушки19 - Closed loop coil
20 - Механический или паяный контактный вывод20 - Mechanical or soldered contact terminal
21 - Граница корпуса мобильного устройства21 - The boundary of the housing of the mobile device
22 - Монтажная плата мобильного устройства с металлизированной плоскостью земли22 - Circuit board of a mobile device with a metallic plane of the earth
23 - Замкнутый сердечник23 - Closed core
24 - Токопроводящая катушка24 - conductive coil
25 - Порт питания25 - Power Port
26 - Согласующая цепь26 - Matching chain
А - Вертикальный край PCBA - Vertical edge of the PCB
В - Горизонтальный край PCBB - Horizontal edge of the PCB
a x b - Область PCB без проводникаa x b - PCB area without conductor
27 - Токопроводящая катушка с нагруженным первым концом27 - Conductive coil with a loaded first end
28 - Дополнительная полосковая линия28 - Additional strip line
29 - Дополнительная согласующая цепь29 - Additional matching circuit
30 - Точка питания30 - Power Point
31 - Первый конец (более длинный)31 - First end (longer)
32 - Третий конец (более короткий)32 - Third end (shorter)
33 - PCB мобильного устройства33 - PCB mobile device
34 - Формованный корпус34 - Molded body
35 - Монопольная антенна с замкнутым сердечником с выводами катушки, подключенными к контактным выводам35 - Monopole closed-core antenna with coil leads connected to contact leads
36 - Контактные выводы36 - Contact conclusions
37 - PCB для механической установки антенны37 - PCB for mechanical installation of the antenna
38 - Антенна в формованном корпусе с выводами катушки, подключенными к контактам38 - Antenna in a molded case with coil leads connected to the contacts
39 - Механический замок для фиксации антенны на PCB39 - Mechanical lock for fixing the antenna to the PCB
40 - Монопольная антенна40 - Monopole antenna
41 - Генератор41 - Generator
42 - Суммарная проекция монополя 40 в плоскости земли42 - The total projection of the
43 - Изогнутая монопольная антенна43 - Curved monopole antenna
44 - Суммарная проекция монополя 43 в плоскости земли44 - The total projection of
45 - Монопольная антенна в сборе45 - Monopoly antenna assembly
46 - Генератор46 - Generator
47 - Суммарная проекция монополя 45 в плоскости земли.47 - The total projection of
Claims (15)
по существу, замкнутый сердечник, образующий, по существу, замкнутую магнитную цепь, причем сердечник имеет форму со сквозным отверстием;
плоскость земли;
токопроводящую катушку, намотанную вокруг сердечника через упомянутое отверстие равномерно по периметру сердечника и имеющую, по меньшей мере, два витка, причем количество витков зависит от требуемой рабочей частоты; причем катушка имеет по меньшей мере два конца, причем первый конец закреплен на сердечнике или вне его, а второй конец закреплен вне сердечника и образует по меньшей мере один первый контактный вывод для питания антенны; и
порт питания, содержащий по меньшей мере один второй контактный вывод, выполненный с возможностью соединения плоскости земли с катушкой путем соединения с упомянутым по меньшей мере одним первым контактным выводом,
причем антенна установлена частично внутри плоскости земли.1. Monopoly antenna containing:
a substantially closed core forming a substantially closed magnetic circuit, the core being shaped with a through hole;
ground plane;
a conductive coil wound around the core through said hole uniformly around the perimeter of the core and having at least two turns, the number of turns depending on the required operating frequency; moreover, the coil has at least two ends, and the first end is fixed to the core or outside it, and the second end is fixed outside the core and forms at least one first contact terminal for powering the antenna; and
a power port comprising at least one second contact terminal configured to connect the ground plane to the coil by connecting to said at least one first contact terminal,
moreover, the antenna is partially installed inside the plane of the earth.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014150774/28A RU2601527C2 (en) | 2014-12-15 | 2014-12-15 | Monopole antenna with closed core for mobile use |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014150774/28A RU2601527C2 (en) | 2014-12-15 | 2014-12-15 | Monopole antenna with closed core for mobile use |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014150774A RU2014150774A (en) | 2016-07-10 |
| RU2601527C2 true RU2601527C2 (en) | 2016-11-10 |
Family
ID=56372488
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014150774/28A RU2601527C2 (en) | 2014-12-15 | 2014-12-15 | Monopole antenna with closed core for mobile use |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2601527C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2823985C1 (en) * | 2023-11-21 | 2024-07-31 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет) | Magnetic system for orientation of nano- and microsatellites |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3315264A (en) * | 1965-07-08 | 1967-04-18 | Brueckmann Helmut | Monopole antenna including electrical switching means for varying the length of the outer coaxial conductor with respect to the center conductor |
| SU976408A1 (en) * | 1981-04-23 | 1982-11-23 | Курский Политехнический Институт | Induction magnetic receiver |
| US4751515A (en) * | 1980-07-09 | 1988-06-14 | Corum James F | Electromagnetic structure and method |
| RU2054765C1 (en) * | 1991-12-25 | 1996-02-20 | Картелев Анатолий Яковлевич | Wide-band loop aerial |
| WO1996041398A1 (en) * | 1995-06-07 | 1996-12-19 | West Virginia University | Toroidal antenna |
| JPH0993027A (en) * | 1995-09-25 | 1997-04-04 | Soudai:Kk | Helical/loop type surface radiation antenna and radio |
| US5633648A (en) * | 1995-07-28 | 1997-05-27 | Fischer Custom Communications, Inc. | RF current-sensing coupled antenna device |
| US5734353A (en) * | 1995-08-14 | 1998-03-31 | Vortekx P.C. | Contrawound toroidal helical antenna |
| US5751253A (en) * | 1995-09-11 | 1998-05-12 | Wells; Donald Horace | Antenna coupling system |
| US6437751B1 (en) * | 2000-08-15 | 2002-08-20 | West Virginia University | Contrawound antenna |
| US7446724B2 (en) * | 2005-08-31 | 2008-11-04 | Tdk Corporation | Monopole antenna |
-
2014
- 2014-12-15 RU RU2014150774/28A patent/RU2601527C2/en active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3315264A (en) * | 1965-07-08 | 1967-04-18 | Brueckmann Helmut | Monopole antenna including electrical switching means for varying the length of the outer coaxial conductor with respect to the center conductor |
| US4751515A (en) * | 1980-07-09 | 1988-06-14 | Corum James F | Electromagnetic structure and method |
| SU976408A1 (en) * | 1981-04-23 | 1982-11-23 | Курский Политехнический Институт | Induction magnetic receiver |
| RU2054765C1 (en) * | 1991-12-25 | 1996-02-20 | Картелев Анатолий Яковлевич | Wide-band loop aerial |
| WO1996041398A1 (en) * | 1995-06-07 | 1996-12-19 | West Virginia University | Toroidal antenna |
| US5633648A (en) * | 1995-07-28 | 1997-05-27 | Fischer Custom Communications, Inc. | RF current-sensing coupled antenna device |
| US5734353A (en) * | 1995-08-14 | 1998-03-31 | Vortekx P.C. | Contrawound toroidal helical antenna |
| US5751253A (en) * | 1995-09-11 | 1998-05-12 | Wells; Donald Horace | Antenna coupling system |
| JPH0993027A (en) * | 1995-09-25 | 1997-04-04 | Soudai:Kk | Helical/loop type surface radiation antenna and radio |
| US6437751B1 (en) * | 2000-08-15 | 2002-08-20 | West Virginia University | Contrawound antenna |
| US7446724B2 (en) * | 2005-08-31 | 2008-11-04 | Tdk Corporation | Monopole antenna |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Seok Bae. Miniaturized Broadband Ferrite T-DMB Antenna for Mobile-Phone Applications // Magnetics, IEEE Transactions on (Volume:46, Issue: 6 ), 06.2010. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2823985C1 (en) * | 2023-11-21 | 2024-07-31 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет) | Magnetic system for orientation of nano- and microsatellites |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014150774A (en) | 2016-07-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100756810B1 (en) | Slotted cylinder antenna | |
| Tang et al. | Compact hyper-band printed slot antenna with stable radiation properties | |
| TW527754B (en) | Dual-band planar antenna | |
| KR101226867B1 (en) | Half-loop chip antenna and associated methods | |
| US20150303576A1 (en) | Miniaturized Patch Antenna | |
| JP2005210680A (en) | Antenna device | |
| JP5726983B2 (en) | Chip antenna device and transmission / reception communication circuit board | |
| JPWO2018101284A1 (en) | Antenna device and electronic device | |
| JP2007081712A (en) | Walkie talkie and antenna assembly | |
| JP2004088218A (en) | Planar antenna | |
| US20070057849A1 (en) | Antenna for dual band operation | |
| TWI566474B (en) | Multi-band antenna | |
| JP2014053885A (en) | Multi-band antenna | |
| JP7074637B2 (en) | Broadband antenna system | |
| WO2004025781A1 (en) | Loop antenna | |
| WO2016186091A1 (en) | Antenna device and electronic apparatus | |
| JP6233319B2 (en) | Multiband antenna and radio apparatus | |
| RU2601527C2 (en) | Monopole antenna with closed core for mobile use | |
| WO2016186092A1 (en) | Antenna device and electronic apparatus | |
| WO2014203967A1 (en) | Antenna device and wireless device provided therewith | |
| JP2010130100A (en) | Multiband antenna apparatus | |
| Ding et al. | A novel loop-like monopole antenna with dual-band circular polarization | |
| KR101096461B1 (en) | Monopole Chip Antenna using Ground Path in 2.4GHz | |
| JP2003069329A (en) | Antenna | |
| KR102003955B1 (en) | Compact Broadband Dipole Antenna |