Двухдиапазонная антенна для мобильных коммуникаций

 

Изобретение относится к антеннам для мобильных средств коммуникаций. Техническим результатом является упрощение конструкции и расширение полосы частот. Двухдиапазонная антенна для мобильных коммуникаций включает излучающий элемент в форме стержня, имеющий первую часть определенной длины, соединенную с коаксиальной линией передачи, и вторую часть определенной длины, выходящую из первой части. Коаксиальная линия передачи соединена с пластиной заземления, а первая емкостная нагрузка соединена с первой частью излучающего элемента. Дроссель окружает вторую часть излучающего элемента и имеет короткозамкнутый конец, соединенный с дистальным концом второй части, и открытый конец на ближнем конце второй части. Вторая емкостная нагрузка соединена с короткозамкнутым концом дросселя. В более высоком рабочем диапазоне двойного диапазона входной импеданс дросселя является высоким, так что только первая (нижняя) часть излучающего элемента излучает. В более низком рабочем диапазоне двойного диапазона входной импеданс дросселя является более низким, чтобы допускать излучение по всей длине антенны. 3 с. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

Настоящее изобретение относится к антеннам, а более конкретно - к двухдиапазонной антенне для мобильных коммуникаций.

С быстрым прогрессом мобильных коммуникаций пропускная способность существующих систем становится насыщенной, поэтому новые системы разрабатываются на новых частотах для увеличения пропускной способности. Таким образом, взаимная зависимость между существующими и новыми системами должна быть принята во внимание при проектировании оборудования мобильных коммуникаций. Для антенн мобильных коммуникаций главным требованием при проектировании являются эффективность мощности и эффективное использование частоты.

На практике в Южной Корее желательно обеспечить взаимосвязь существующих систем МДКР (множественного доступа с кодовым разделением) с новой системой ПСС (персональной системой связи), в США обеспечить взаимосвязь существующей системы УМТО (усовершенствованного мобильного телефонного обслуживания) с системой ПСС и в Европе обеспечить взаимосвязь существующей системы GSM (глобальной системы мобильных коммуникаций) с системой ЦСС 1800 (цифровой системой связи). Обычно "двухдиапазонной системой" является система, которая допускает коммуникации внутри двух различных систем в различных частотных диапазонах, как в вышеприведенных примерах. Желательно производить оборудование коммуникаций, допускающее работу в двухдиапазонных системах.

Прежде каждый радиотелефонный терминал в двухдиапазонных системах обеспечивается двумя отдельными миниатюрными антеннами для двух различных диапазонов и в результате имеет повышенную стоимость производства. Использование двух антенн является препятствием для миниатюризации радиотелефонного терминала и имеет результатом неудобство для пользователя. По этим причинам требуется разработать двухдиапазонную антенну, которая может использоваться для обоих диапазонов.

Патент США N 4509056 раскрывает многочастотную антенну, использующую настраиваемый цилиндрический дроссель. На фиг.1 изображена указанная антенна. Эта антенна работает эффективно в системе, в которой отношение между рабочими частотами равно 1,25 или выше. Внутренний проводник 10, соединенный с коаксиальной линией передачи 2, и цилиндрический дроссель 12i действуют как излучающий элемент.

Точка линии передачи цилиндрического дросселя 12i коротко замкнута, а другой его конец открыт. Длины проводника 10 и цилиндрического дросселя конструируются так, чтобы достигать максимальной эффективности на желаемой частоте.

Дроссель 12i частично заполнен диэлектрическим материалом 16i, размеры которого задаются таким образом, что дроссель образует линию передачи в четверть длины волны и предотвращает соединение между оболочкой 14i и удлинителем 10 на открытом конце дросселя на самой высокой частоте. На некоторой более низкой частоте работы дроссель 12i становится неэффективным как изоляционный элемент и вся длина P конструкции от плоскости заземления до конца проводника становится несимметричной вибраторной антенной на более низкой резонансной частоте.

Соединение между проводником 10 и цилиндрическим дросселем 12i осуществляется на открытом конце цилиндрического дросселя 12i. Когда длина 1 = λ/4, дроссель действует как имеющий высокий импеданс, посредством чего соединение между проводником 10 и цилиндрическим дросселем 12i является минимальным. Когда λ/4 ≠ 1, дроссель действует как имеющий низкий импеданс, посредством чего соединение между проводником 10 и дросселем 12i является более высоким. Электрическая длина дросселя 12i может регулироваться изменением диэлектрической постоянной диэлектрического материала 16i.

Конструкция, состоящая из внутреннего и внешнего проводников 10, 14i, рассматривается как коаксиальная передача и ее характеристический импеданс выражается следующим образом: ,(1) где ε_r- диэлектрическая постоянная, D - диаметр внешнего проводника и d - диаметр внутреннего проводника. Входной импеданс между внутренним и внешними проводниками 10, 14i выражается следующим уравнением: , (2) где γ = α+jβ, α- коэффициент ослабления, β- постоянная распространения, I - длина линии передачи и Z_L - импеданс нагрузки.

В антенне пластина 20 (фиг. 1) заземления и внешний проводник 14i конструктивно смежны друг к другу, что создает паразитную емкость, которая ухудшает эффективность антенны. Для улучшения эффективности антенны паразитная емкость может быть уменьшена. Таким образом, в этой конструкции диаметр внешнего проводника 14i должен быть уменьшен, что в конечном счете то же самое, что уменьшение характеристического импеданса дросселя 12 i в соответствии с вышеприведенным уравнением (1). Другими словами, уменьшение характеристического импеданса дросселя 12i приводит к увеличению изменения величины соединения, имеющего результатом ухудшение производительности антенны.

Для минимального влияния на величину соединения и для сохранения характеристического импеданса дросселя 12i таким же, каким он был ранее (т.е. перед тем, как изменился диаметр проводника 14i), диаметр внутреннего проводника 10 должен быть уменьшен. Это приводит к уменьшению ширины полосы частот антенны. Следовательно, когда антенна имеет указанную конструкцию, она не может удовлетворительно покрывать ширину полосы частот, требуемую для системы.

Кроме того, поскольку диэлектрический материал используется для регулирования соединения, диэлектрическая постоянная и размер диэлектрического материала должны быть точно выбраны для обеспечения правильного соединения.

Задачей настоящего изобретения является создание двухдиапазонной антенны с улучшенной производительностью и шириной полосы частот путем минимизации паразитной емкости между потенциалом заземления и ее внешним проводником.

Другой задачей изобретения является создание двухдиапазонной антенны, которая имеет простую и компактную конструкцию и высокую производительность.

Еще одной задачей изобретения является создание двухдиапазонной антенны, которая является недорогой и удобной для использования.

Согласно изобретению, двухдиапазонная антенна для мобильных коммуникаций включает излучающий элемент в форме стержня, имеющий первую часть заранее определенной длины, соединенную с коаксиальной линией передачи, и вторую часть определенной длины, выходящую из первой части. Коаксиальная линия передачи подключена к пластине заземления, а первая емкостная нагрузка подключена к первой части излучающего элемента. Дроссель окружает вторую часть излучающего элемента и имеет короткозамкнутый конец, соединенный с дистальным концом второй части, и открытый конец на проксимальном конце второй части. Вторая емкостная нагрузка подключена на короткозамкнутом конце дросселя. В более высоком рабочем диапазоне двойного диапазона входной импеданс дросселя является высоким, так что только первая (нижняя) часть излучающего элемента излучает. В более низком рабочем диапазоне двойного диапазона входной импеданс дросселя является более низким, чтобы осуществлялось излучение по всей длине антенны.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта осуществления со ссылками на чертежи, на которых: фиг. 1 изображает разрез известной несимметричной вибраторной антенны, работающей на двух частотах, использующей настраиваемые цилиндрические дроссели; фиг. 2 изображает разрез двухдиапазонной антенны согласно изобретению; фиг. 3А и 3В - электрические схемы, иллюстрирующие эквивалентные схемы антенн на фиг. 1 и 2 соответственно.

Подробное описание предпочтительного варианта воплощения изобретения Антенна, согласно изобретению, включает дроссель 35 (фиг. 2), выполненный в виде металлической трубки, причем нижний конец дросселя является открытым. Излучающий элемент 33 в форме стержня располагается внутри дросселя 35, причем верхний конец излучающего элемента 33 соединяется с верхним концом дросселя (короткозамкнутым концом). Открытый разомкнутый конец дросселя 35 находится приблизительно на расстоянии L1 от плоскости 20 заземления. Нижний конец излучающего элемента 33 соединяется с внутренним проводником 8 коаксиальной линии 2 передачи. Емкостная нагрузка 36 соединяется с частью короткозамкнутого конца дросселя 35. Другая емкостная нагрузка 37 соединяется с излучающим элементом 33 на определенном расстоянии вниз от открытого конца дросселя 35.

Емкостная нагрузка 36 может быть либо коаксиальным цилиндром или параллельным проводом или проводами. В описываемом варианте емкостная нагрузка 36 является симметричной по отношению к излучающему элементу 33. Альтернативно она может быть асимметричной по отношению к излучающему элементу в другом варианте воплощения. Наличие емкостных нагрузок 36, 37 позволяет общей длине антенны быть короче, чем физическая длина хорошо известной четвертьволновой несимметричной вибраторной антенны.

Поскольку импеданс дросселя 35 (вместе с излучающим элементом 33, вставленным в него) изменяется как функция частоты, это характеристика может быть выгодно использована для того, чтобы дать возможность антенне работать одновременно на двух различных частотных диапазонах. Например, дроссель 35 может быть сконструирован длиной λ/4 на центральной частоте высокочастотного диапазона, например, 1700 - 1990 Мгц, так что только первая часть излучающего элемента 33 излучает в высоком диапазоне. На достаточно низкой частоте излучает вся антенна длины L2.

Входной импеданс Zin на входном контакте дросселя 35 в высоком частотном диапазоне определяется в соответствии с вышеприведенным уравнением (2). Zin может также быть выражен уравнением (3), т. к. импеданс Z_L нагрузки является короткозамкнутой цепью: Zin = jZ_ctanh γ • l(3)
Если коэффициент ослабления игнорируется (т.е. α = 0), Zin выражается следующим уравнением (4):
Zin = jZ_ctanhβ•1, (4)
где β - постоянная распространения 2π/λ.

При использовании уравнения (4) входной импеданс Zin, когда l = λ/4, может быть выражен следующим уравнением (5):
Zin = jZ_C∞ (5)
Как показывает вышеприведенный результат вычисления, входной импеданс дросселя 35 в более высоком частотном диапазоне становится почти бесконечным, посредством чего только нижняя часть (далее упоминаемая как "первая часть") излучающего элемента 33 ниже открытого конца дросселя 33 излучает. Остальная часть излучающего элемента 33, т.е. часть, вставленная в дроссель 35 (далее упоминаемая как "вторая часть" излучающего элемента), не излучает, когда входной импеданс дросселя является очень высоким, что, предпочтительно, случается в пределах более высокого частотного диапазона. В результате в высокочастотном диапазоне антенна работает как λ/4 несимметричная вибраторная антенна, имеющая длину L1 (предполагая, что длина L1 выбирается, чтобы соответствовать приблизительно λ/4 на частоте в пределах более высокого частотного диапазона). В более низком частотном диапазоне двойного диапазона входной импеданс дросселя 35 является более низким, при этом дроссель 35 и излучающий элемент 33 электрически связаны.

Таким образом, в более низком диапазоне антенна работает как несимметричная вибраторная антенна в 1/4 длины волны, имеющая длину L2 (предполагая, что длина L2 выбирается, чтобы соответствовать приблизительно λ/4 на частоте в пределах более низкого частотного диапазона). Как упомянуто выше, емкостная нагрузка нагрузок 36 и 37 будет влиять на точные длины, выбираемые для L1 и L2.

Ниже приведены примеры, иллюстрирующие изменение как функцию частоты входного импеданса дросселя 35 внутри антенны для конкретных частот. В качестве первого примера изменение импеданса в пределах частотного диапазона ПСС корейской системы Телеком выражается следующим уравнением (6):
Fh_min = 1,750 Мгц ---> Zin = jZ_c • 14
Fh_max = 1,870 Мгц ---> Zin = jZ_c • 14,
где Fh_min и Fh_max являются минимальной и максимальной частотами соответственно в пределах диапазона.

Поскольку характеристический импеданс Z_c дросселя 35 управляется вышеприведенным уравнением (1), характеристический импеданс вычисляется подстановкой фактического значения в уравнение (1), приводя к следующему уравнению (7):

Следовательно, величина изменения входного импеданса на частотах в вышеупомянутом частотном диапазоне ПСС может быть выражена следующим уравнением (8):
Fh_min = 1,750 Мгц ---> Zin = j65.86 • 14 = j922.06 Ом
Fh_max = 1,870 Мгц ---> Zin = -j65.86 • 14 = -j922.06 Ом
Как указано выше, т.к. входной импеданс Zin является высоким, дроссель 35 не работает как излучающий элемент в более высоком частотном диапазоне.

Далее, входной импеданс Zin на входном контакте дросселя 35 в частотном диапазоне МДКР (800 Мгц) вычисляется согласно уравнению (9):
Fl_min = 824 МГц ---> Zin = j65.86 • 0.85 = j55.98 Ом
Fl_max = 894 МГц ---> Z_in = -j65.86 • 0.97 = -j64.3 Ом
где Fl_min и Fl_max являются самой низкой и самой высокой частотами соответственно в пределах диапазона.

В результате в более низком частотном диапазоне дроссель 35 и излучающий элемент 33 электрически связаны, так что полная длина L2 антенны излучает. Таким образом, если L2 выбирается, чтобы соответствовать четверти длины волны на частоте в пределах более низкого частотного диапазона, антенна действует как несимметричная вибраторная антенна в четверть длины волны.

Как показано на фиг.2, поскольку дроссель 35 отделяется от коаксиальной линии 2 передачи и пластины 20 заземления на значительное расстояние, например на расстояние, приблизительно соответствующее λ/4 в центре более высокого частотного диапазона, действие паразитной емкости уменьшается. Также диаметр d1 излучающего элемента 33 может быть сделан большим, чем диаметр d антенны на фиг.1, посредством чего допуская более широкую рабочую полосу частот по сравнению с полосой частот известной антенны.

На фиг. 3А и 3В изображены эквивалентные схемы с сосредоточенными элементами для известной и заявленной антенн (фиг.1 и 2) соответственно. Соединение между излучающим элементом 33 и дросселем 35 является функцией емкости и индуктивности, а излучающий элемент 33 разделен на первую и вторую части с параллельной резонансной схемой LC между.

Поскольку вышеописанная антенна настоящего изобретения имеет широкую полосу частот, одна и та же единственная антенна может быть использована в двухдиапазонной системе, как, например, системе ГСМК/ЦБТС (цифровая беспроводная телефонная связь), ГСМК/ЦСС1800, УМТО или МДКР (824 МГц -894 МГц/ПСС). Кроме того, вышеописанная антенна может быть использована для двойных диапазонов, в которых разделение между верхним и нижним частотными диапазонами не является целым кратным 1/4 длины волны. Для этого случая антенна может быть сконструирована путем соответствующего выбора длин для первой и второй частей излучающего элемента, а настройка может быть выполнена с использованием подходящих верхней и нижней емкостных нагрузок.

Понятно, что антенна, изготовленная в соответствии с настоящим изобретением, имеет простую и компактную конструкцию и высокую производительность, одновременно являясь простой в изготовлении, недорогой и удобной для использования.

Формула изобретения

1. Двухдиапазонная антенна для мобильных коммуникаций, содержащая излучающий элемент в форме стержня, имеющий первую часть определенной длины, соединенную с коаксиальной линией передачи, и вторую часть определенной длины, выходящую из первой части, пластину заземления, соединенную с коаксиальной линией передачи, первую емкостную нагрузку, соединенную с первой частью излучающего элемента, дроссель, окружающий вторую часть излучающего элемента, имеющий короткозамкнутый конец, соединенный с периферийным концом второй части, и открытый конец на ближайшем конце второй части, и вторую емкостную нагрузку, подсоединенную на короткозамкнутом конце дросселя.

2. Двухдиапазонная антенна по п.1, в которой каждая первая и вторая емкостные нагрузки содержат горизонтальную плоскую часть и кольцеобразную вертикальную часть, сформированную по окружности горизонтальной плоской части.

3. Двухдиапазонная антенна по п.2, в которой горизонтальная плоская часть второй емкостной нагрузки кольцеобразно соединена с короткозамкнутым концом дросселя, а кольцеобразная вертикальная часть первой емкостной нагрузки вытянута вниз на заданное расстояние по направлению к первой части излучающего элемента.

4. Двухдиапазонная антенна по п.1, в которой, по меньшей мере, одна из первой и второй емкостных нагрузок имеет форму коаксиального цилиндра.

5. Двухдиапазонная антенна по п.1, в которой первая емкостная нагрузка содержит параллельные провода.

6. Двухдиапазонная антенна по п.1, в которой вторая емкостная нагрузка содержит параллельные провода.

7. Двухдиапазонная антенна по п.1, в которой вторая емкостная нагрузка выполнена так, что соединена с внешней поверхностью дросселя и окружает внешнюю часть дросселя на определенную длину.

8. Двухдиапазонная антенна по п.1, в которой в высокочастотной части диапазона антенна имеет длину, равную длине первой части излучающего элемента, а в низкочастотной части диапазона антенна имеет длину, равную длине первой и второй частей излучающего элемента.

9. Двухдиапазонная антенна по п.8, в которой низкочастотная часть диапазона составляет приблизительно 824 МГц - 960 МГц, а высокочастотная часть диапазона составляет приблизительно 1700 МГц - 1900 МГц.

10. Двухдиапазонная антенна по п.1, в которой первая часть имеет длину приблизительно в четверть длины волны на центральной частоте высокочастотной части диапазона, а первая и вторая части имеют объединенную длину приблизительно в четверть длины волны на центральной частоте низкочастотной части диапазона.

11. Двухдиапазонная антенна для мобильных коммуникаций, содержащая металлический дроссель, имеющий форму полой трубки, один конец которой является открытым, излучающий элемент, имеющий первый конец, соединенный с внутренним проводником коаксиальной линии передачи, и второй конец, расположенный внутри дросселя и соединенный с короткозамкнутым концом дросселя, плоскость заземления, соединенную с внешним проводником коаксиальной линии передачи, первую емкостную нагрузку, соединенную с короткозамкнутым концом дросселя, и вторую емкостную нагрузку, соединенную с излучающим элементом на определенном расстоянии от открытого конца дросселя.

12. Двухдиапазонная антенна по п.11, в которой в высокочастотной части диапазона только часть излучающего элемента ниже открытого конца дросселя работает как антенна, а в низкочастотной части диапазона излучающий элемент и дроссель соединены, посредством чего излучение происходит по всей длине антенны.

13. Двухдиапазонная антенна по п. 12, в которой низкочастотная часть диапазона составляет приблизительно 824 МГц - 894 МГц, а высокочастотная часть диапазона составляет приблизительно 1710 МГц - 1990 МГц.

14. Антенна, содержащая излучающий элемент, имеющий первую часть с ближним концом, соединенным с линией передачи, полый цилиндрический дроссель, окружающий вторую часть излучающего элемента и имеющий первый конец, электрически соединенный с периферийным концом излучающего элемента, и второй конец, который открыт, при этом в заранее определенной высокочастотной части диапазона дроссель имеет высокий входной импеданс, так что только первая часть излучающего элемента излучает, а в низкочастотной части диапазона дроссель проявляет более низкий входной импеданс, так что излучение происходит по всей длине антенны, включающей длину первой и второй частей излучающего элемента.

15. Антенна по п.14, которая дополнительно содержит первую емкостную нагрузку, подключенную к короткозамкнутому концу дросселя, и вторую емкостную нагрузку, соединенную с нижней частью излучающего элемента.

16. Антенна по п.15, в которой линия передачи содержит коаксиальную линию передачи.

17. Антенна по п.16, которая дополнительно содержит плоскость заземления, соединенную с внешним проводником коаксиальной линии передачи.

18. Антенна по п.14, в которой излучающий элемент имеет форму стержня.

19. Антенна по п.15, в которой вторая емкостная нагрузка имеет обычно цилиндрическую внешнюю вертикальную часть и плоскую горизонтальную часть, при этом вертикальная часть кольцеобразно соединена с периферией горизонтальной частью, а внутренняя поверхность горизонтальной части соединена с излучающим элементом.

20. Антенна по п.15, в которой первая емкостная нагрузка имеет цилиндрическую внешнюю вертикальную часть и плоскую горизонтальную часть, при этом вертикальная часть кольцеобразно соединена с периферией горизонтальной части, а внутренняя поверхность горизонтальной части соединена с внешней поверхностью короткозамкнутого конца дросселя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3