Расчет антенн для сотовых телефонов

Известно, что сотовые телефоны, используемые как переносные приемопередатчики, имеют совмещенную антенну, работающую как в режиме приема, так и излучения. В системах TDMA, GSM антенна работает попеременно на передачу и прием, а в системе CDMA антенна одновременно выполняет функции приемной и передающей. Антенна является пассивным линейным устройством, поэтому её характеристики на передачу и прием одинаковы.

В настоящее время наибольшее распространение в сотовых телефонах получили спиральные антенны, совмещенные с несимметричным вибратором. Однако существует несколько важных соображений, из-за которых наблюдается тенденция внедрения скрытых от пользователей микрополосковых антенн, взамен внешних спиральных антенн, которые уже стали привычным атрибутом сотового телефона.

Микрополосковая (в зарубежной литература patch- печатная) антенна представляет собой металлический проводник той или иной формы, расположенный над заземленной подложкой. Она может быть удачно совмещена с печатной платой, на которой расположены СВЧ каскады телефонной трубки. Имеются конструкции из параллельно расположенных многосторонних плат. В определенной точке к микрополосковой антенне подключается приемопередатчик. В этой точке осуществляется подвод мощности от передатчика и отвод принятого сигнала на вход приемника.

В процессе проектирования планарной антенны необходимо:

- разработать форму антенны, которая бы удачно вписывалась в корпус сотового телефона, обеспечивая при этом эффективное излучение (коэффициент усиления антенны),

-найти оптимальную точку питания (обычно со входным сопротивлением 50 Ом), к которой подключается вход приемопередающего устройства (дуплексный фильтр),

- рассчитать согласующую структуру между входом дуплексного фильтра и точкой питания микрополосоковой антенны,

- в случае внутреннего расположения антенны - оптимизировать земляную поверхность (иногда называемую противовесом), т.е. найти оптимальное заполнение внутренней поверхности корпуса телефона проводящими участками. В настоящее время это часто реализуется закраской отдельных частей корпуса проводящей краской.

Ниже в качестве примеров расчета используются две планарные антенны: антенна №1 и антенна №2 (рис.58).

Целью проектирования антенны является получение требуемой диаграммы направленности (ДН) и хорошее согласование в рабочей полосе (или нескольких полосах) частот.

В последнее время сотовые телефоны часто имеют отрывающуюся крышку. Это может быть как крышка клавиатуры, так и крышка c дисплеем LCD. Проектировщик должен обеспечить требуемую ДН телефона с закрытой крышкой (т.е. в режиме ожидания) и с открытой крышкой (в режиме разговора). Предпочтительный вид ДН – всенаправленная, поскольку в условиях эксплуатации сотового телефона в большом городе, отражения от зданий и стен не позволяют выделить направление на определенную базовую станцию. Необходимо также оценить влияние тела пользователя (головы и руки, держащей телефон), на ДН, а также оценить, насколько ухудшается реальная чувствительность телефона из-за близости человека.

С другой стороны, согласно Стандарту FCC, необходимо обеспечить требования на величину мощности, поглощаемую в голове и руке человека (усредненная величина или в самой опасной точке), с тем, чтобы гарантировать выполнение санитарных норм по облучению СВЧ мощностью.

а

 

Рисунок 58 – Пример микрополосковых антенн а - антенна №1; б – антенна №2. 1 – Плоская поверхность антенны сотового телефона; 2 – линия передачи.

б

 

 

Проектирование микрополосковой антенны следует начинать с оценки её размеров, определяемых заданным частотным диапазоном. Длину антенны можно оценить по следующей простой формуле

 

,

где - заданная резонансная частота,

e - относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки.

Эта формула не принимает во внимание влияния ширины подложки антенны и толщины подложки на резонансную частоту, но это влияние обычно незначительное. Формула отражает физическую природу печатной антенны как полуволнового резонатора, который сформирован в пространстве между верхним проводником и земляной платой антенны. Например, на частоте = 1.9 GHZ и e = 1 (воздух) имеем A 80mm. Антенна с такими размерами слишком большая для использования в современных телефонных трубках.

Длина антенны может быть уменьшена по крайней мере в два раза (при работе на той же частоте), если один её конец заземлить. В этом случае получатся так называемая инвертированная F-антенна (PIFA) (рис. 59), которая представляет из себя четвертьволновый резонатор, один конец которого заземлен, а другой открыт (холостой ход). PIFA возбуждается коаксиальным кабелем в точке, где входное сопротивление антенны близко к 50 Ом.

 

Рисунок 59 - Плоская перевернутая F-антенна (PIFA)

 

Таким образом, длина PIFA может быть приблизительно оценена как

Для антенны, настроенной на ту же самую частоту = 1.9 GHZ и e = 1, как в вышеупомянутом примере, мы получаем a 40mm, что является подходящим для телефонных трубок. Нужно также отметить, что фактический размер антенны может быть даже меньше благодаря эффекту краевого ближнего поля, сосредоточенного у открытого конца резонатора.

Ширина плоской антенны b - менее важный параметр, чем длина, и может быть выбрана из конструктивных или эстетических соображений совместимости с размером телефонной трубки.

Высоту h положения PIFA антенны над земляной плоскостью рекомендуется выбирать по формуле
h = 0.04l.

 

Для расширения рабочего диапазона частот приходится идти на усложнение конструкции, например использовать многослойные печатные структуры. В этом случае, параметры антенны (размеры проводников и расстояние между ними по высоте) могут быть оптимизированы с помощью одного из программный пакетов, моделирующих электромагнитные структуры.

Отметим, что преимущество малого размера антенны PIFA достигается за счёт уменьшения её излучательной способности (излучает только один край), к тому же обычно PIFA антенны узкополосны. Для сохранения эффективности излучения микрополосковой антенны при уменьшении её размеров в микрополосковом проводнике прорезается щелевая линия. Эта линия формирует характеристики антенны на собственной частоте, но и изменяет характеристики на смежной частоте. Анализ ближнего поля в такой антенне показывает, что в щели происходит концентрация электромагнитной энергии, а путь тока, протекающего по проводнику, увеличивается, что ведет к снижению частоты по сравнению с антенной без щели. Наличие щели играет большую роль в формировании диаграммы направленности и частотной характеристики антенны. С известным приближением можно считать эту щель несимметричной щелевой линией, концентрирующей продольный магнитный ток. Известно, что замедление основной волны в щелевой линии определяется формулой

 

,

где l - длина волны в свободном пространстве,

m, e - относительная магнитная и диэлектрическая проницаемость среды или части среды.

Эта формула позволяет оценить резонансную длину щели в общем случае магнито-диэлектрической подложки микрополосковой антенны с учетом замедления волны в эквивалентной щелевой линии.

Исходя из соображений безопасности здоровью, необходимо уменьшать долю СВЧ энергии, поглощаемой в теле человека, пользующегося телефоном (или уменьшение параметра SAR– Specific Absorption Rate). Для этого необходимо перераспределить ближнее поле антенны так, чтобы вывести голову и руку пользователя из области его наибольшей концентрации. Как показывают расчеты, сочетание печатной антенны со щелевой линией позволяет решить эту задачу. Такую комбинацию проводника и щели можно трактовать как одну из реализаций элемента Гюйгенса – комбинацию взаимно-перпендикулярных электрического и магнитного диполей, - создающего излучение преимущественно в одну полусферу.

Конкретно в телефонных трубках, излучающий элемент Гюйгенса может быть выполнен в планарной форме как излучающая плата, в котором имеется щелевой паз или апертура паза (эквивалентный магнитный диполь) и сдвиг в проводнике платы (электрический диполь). Однако эти способы реализации должны быть далее обсуждены и проверены.

Основная часть процесса проектирования антенн сотовых телефонов соснована на моделировании электромагнитных явлений на компьютере, используя в качестве начальных данных результаты, полученные на основе эскизных расчетов и соображений.

При создании модели необходимо помнить, что геометрия должна соответствовать реальному положению антенны во время работы, т.е. так, чтобы корпус находился в вертикальном положении (или под небольшим углом). В этом случае микрополосковая антенна находится в положении “на ребре”. Такое положение отличается от наиболее часто используемого при моделировании расположения антенны в горизонтальной плоскости XY, реализованной в программе “HP Momentum” и IE3D (фирма Zeland).

Рассмотрим методы численного электродинамического анализа микрополосковых антенн и современные программы, реализующие эти методы.

1. Метод моментов предполагает описание конструкции антенны в виде многослойной планарной конструкции. Слои, там где это необходимо, соединяются с помощью металлических перемычек VIA. Считается, что токи в этих перемычках имеют только вертикальную составляющую по оси Z. Используя известные функции Грина для элементарных металлических форм,на которую разбивается вся металлическая форма плоской антенны, программа решает систему уравнений, составленную на основании непрерывности полей на границах слоев.

Приведем пример расчета методом моментов в программе Microwave Office (MWO) микрополосковой patch антенны №2.

На рисунке 60 – 61 приведены полученные результаты расчета.

Рисунок 60 - Распределение поля в плоскости параллельной path-антенны

 

Рисунок 61 - Результаты анализа параметра |S11| Patch антенны с

помощью программы Microwave Office (MWO)

 

Популярная программа MWO проста в использовании, но имеет, к сожалению, ограниченные возможности для проектирования сотового телефона в корпусе. Другим примером коммерческой программы, реализующей метод моментов, является часть пакета HP ADS, программа HP Momentum.

Метод моментов также реализован в программе IE3D, и в этой программе имеются более широкие возможности, по сравнению с Momentum и MWO, для моделирования сотового телефона. Например, в программе IE3D имеется возможность создания корпуса антенны с вертикально расположенной спиральной антенной. Спиральная антенна разбивается на последовательность отрезков элементов, лежащих на своих плоскостях, и соединенные перемычками. В программе IE3D моделирование производится в частотной области.

2. Метод конечных элементов. В этом методе (Finite Element Method, FEM) все анализируемое пространство разбивается на конечные элементы, в соответствии с ожидаемой скоростью изменения поля. Формируется набор неизвестных (значения поля) на гранях конечных элементов, составляется система уравнений, которая решается в частотной области.

Одной из программ, которая рассчитывает СВЧ конструкции в трехмерном представлении, является программа HFSS. Эта программа совмещена с AutoCAD, поэтому рисование конструкции в ней аналогично черчению объектов в среде AutoCAD.

На рисунке 62 приведена микрополосковая антенна запитанная коаксиальным кабелем, идущим со стороны земляной плоскости. Вертикальное положение печатной антенны соответствует её реальному положению в сотовом телефоне. На рисунке 63 приведена частотная характеристика микрополосковой антенны № 2 (вне корпуса), полученная с помощью программы HFSS.

 

 

Рисунок 62 - Микрополосковая антенна №2,

запитанная коаксиальным кабелем

 

Рисунок 63 – Частотная характеристика микрополосковой антенны №2

 

Недостатком HFSS для решения задачи излучения в сотовом телефоне является то, что она требует задания бесконечной земляной платы, поэтому для корпусных трубок диаграмма направленности имеет идеализированную форму (только верхняя полусфера).

Поэтому некоторые современные программы в ущерб такой универсальности, какой обладает HFSS, имеют частные опции, созданные для решения довольно узких задач. Так, для решения задачи поглощения электромагнитной энергии в теле пользователя (задача SAR) специально была разработана программа FIDELITY (фирма Zeland). Эта программа использует прямое интегрирование уравнений Максвелла во временной области, используя импедансные эквиваленты электромагнитного поля (элементы Yee). Для исследуемой структуры рассчитывается переходной процесс, возникающий при подаче на её вход импульса Дирака. После сходимости переходного процесса выполняется обратное преобразование Фурье и получается частотная характеристика антенны.

Программа FIDELITY использует метод FDTD и рассчитывает переходной процесс в реальной трехмерной конструкции. Программа требует предельных компьютерных возможностей. Так, для решения полной задачи SAR с использованием RAM 600 MB время счета составляло 60 часов.

На рисунке 64 приведена микрополосковая антенна в поле программы FIDELITY. На рисунках 65-67 приведены результаты расчета антенны №2 в программе FIDELITY.

 

 

Рисунок 64 - Микрополосковая антенна в поле программы FIDELITY

Рисунок 65 - Частотная характеристика антенны №2, рассчитанная FIDELITY

 

 

Рисунок 66 - Переходной процесс в методе FDTD программа FIDELITY (10000 шагов, 5 часов счета).

 

 

 

Рисунок 67 - Распределение ближнего поля по оси Z.

 

Для того чтобы успешно выполнить перевод трубок сотовых телефонов на использование внутренних плоских микрополосковых антенн, нужно решить ряд задач, которые показали бы преимущества этих антенн перед спиральными антеннами.

В литературе часто упоминаются следующие особенности микрополосковых антенн:

- микрополосковые антенны более узкополосные по сравнению со спиральными;

- микрополосковые антенны легко реализуют круговую поляризацию, по сравнению с преимущественно вертикальной поляризацией у спиральных антенн;

- микрополосковые антенны могут обеспечить меньший SAR(удельное поглощение мощности) в голове, но обеспечивают больший SAR в руке пользователя;

- микрополосковые антенны имеют более направленную диаграмму излучения в азимутальной плоскости, чем спиральные и вибраторные, в силу своей несимметричности относительно оси Z.

Часть этих особенностей микрополосковых антенн можно рассматривать как недостатки, часть - как достоинства. Например, микрополосковая антенна, в отличие от спиральной, может реализовать любой вид поляризации, причем эта поляризация может эффективно переключаться. В любом случае, эти особенности нужно учитывать при проектировании микрополосковых антенн.

Как уже отмечалось выше, печатная антенна - в общем случае многослойная структура, на поверхности каждого из слоев которой нанесены металлические проводники определенной формы. Данная конструкция может иметь одну или несколько точек возбуждения. В эти точки на антенну подается возбуждающее напряжение, которое наводит в структуре токи излучения.

Кроме точек возбуждения, на печатной антенне могут быть точки заземления (присоединения к заземляющей плоскости). Токи, наведенные в этой сложной конструкции формируют диаграмму направленности и руализуют другие характеристики антенны, необходимые для установления связи с базовой станцией.

Поскольку в результате электродинамического расчета удается определить распределение токов в системе, то их анализ может послужить основой для модернизации антенны.

В антеннах, показанных на рис.58 имеется внутренний вырез, назначение которого обсуждалось выше. Такая конструкция позволяет получить меньший SAR. Геометрию такой сложной формы можно получить, только моделируя и оптимизируя её на современных мощных программах, типа IE3D, используя т.н. алгоритм генетической оптимизации. В этом алгоритме переменными оптимизации являются координаты точек конструкции, и они меняют свое положение, позволяя получить требуемые характеристики. Однако такая оптимизации требует достаточно больших вычислительных ресурсов.

В процессе проектирования антенны необходимо, прежде всего, получить входное сопротивление, близкое к 50 Ом, поскольку в этом случае можно будет с меньшими потерями согласовать антенну с малошумящим входным усилителем и усилителем мощности передающего тракта.

Например, если величина возвратных потерь антенны (параметр 20 log |S11|), порядка –20 dB, это говорит о том, что в рабочем диапазоне частот антенна будет работать с хорошим согласованием с окружающим пространством. Такая величина, как – 20 dB показывает, что мощность генератора будет почти без отражения поглощаться антенной, которая в свою очередь нагружена свободным пространством. Антенна есть трансформатор между выходом усилителя мощности (или входом малошумящего усилителя) и свободным пространством, волновое сопротивление которого для плоской волны в дальней зоне можно считать равным 377 Ом.

Следующее требование – характеристики излучения, которые определяют способность антенны излучать в разные направления. При проектировании и расчете антенны обычно интересуются сечениями диаграммы направленности в двух взаимноперпендикулярных проскостях: азимутальной и угломестной. Азимутальная ДН определяет способность антенны излучать в горизонтальной плоскости, угломепстная ДН – в вертикальной. И та и другая ДН важны для сотового телефона, но первая определяет всенаправленность, и она более характерна для оценки излучения в условиях эксплуатации. Параметры направленности печатной антенны или её модификаций, должны быть не хуже, чем у существующих спирально-штыревых антенн.

Одной из задач, стоящих перед разработчиками антенн, является создание широкополосных антенн, работающих в нескольких диапазонах частот, поскольку большое распространение получили трубки многорежимного действия, работающие в системах AMPS, CDMA, GSM, в том числе одновременно в нескольких частотных диапазонах. Например часто нужно, чтобы антенна работала в полосе 0.8... 0.9 ГГц и в полосе 1.8... 1.9 ГГц.

Надо отметить, что в антеннах сравнительно простой геометрии входной импеданс антенны, в основном зависит от координаты точки питания, а диаграмма направленности и другие антенные характеристики зависят, в основном, от размеров и геометрии. В антеннах с более сложной геометрии, таких, например, как анализируемые здесь, это может быть и не так.

Рассмотрим расчет антенны №1 в программе IE3D. На рисунке 68 приведена геометрия антенны в поле программы IE3D. Процесс расчета и моделирования включает поиск точки питания, в которой частотные характеристики соответствуют экспериментальным. Эта точка с координатами (x=31, y=4) mm.

 

Рисунок 68 - Геометрия антенны №1 в поле программы IE3D

 

Первоначальная оптимизация проводится по критерию согласования антенны в заданных частотных диапазонах. Для этого разработчик, кроме формы антенны и точки питания антенны, может варьировать диэлектрической проницаемостью подложки, высотой расположения подложки, и самое эффективное – формой экрана, т.е. заземленной частью корпуса. Антенна №1 была согласована на частотах 0.9 и 1.9 ГГц в полосе 200 МГц (по уровню 3 дБ) при характеристиках подложки e_r = 2, толщине подложке 6 мм. Толщина корпуса телефона (над антенной) 2 мм, его диэлектрическая проницаемость 4.7.

На рис. 69 приведены результаты расчета на IE3D конструкции, которая показана на рис. 68, а на рис. 70 – экспериментальные данные, полученные на анализаторе цепей Agilent 8753ES. Из расчета и экспериментальных данных получено, что антенна действительно работает в двух диапазонах. В этом случае можно только говорить об относительном сравнении результатов расчета и экспериметра, и объясняется это сложностью формы корпуса телефона.

 

Рисунок 69 - Рассчитанные по программе IE3D частотные характеристики антенны №1 в районе диапазона 1.8 … 2 ГГц

Рисунок 70 - Экспериментальные результаты измерения параметра

20 log |S11| антенны №1 в корпусе

Наибольший интерес представляет собой анализ характеристик антенны, вмонтированной в корпус, поскольку известно, что излучающая антенна наводит токи в корпусе, которые также влияют на характеристики согласования и на диаграмму направленности.

Поскольку в корпусе протекают токи, то это приводит к тому, что эти токи создают резонансы на определенных частотах, которые можно выявить, если использовать формулу для расчета длины антенны рассмотренную выше, но в качестве “ A ” взять габариты металлического корпуса (длину, ширину, высоту).

Если при анализе частотной характеристики получились полосы согласования в нерабочем диапазоне частот, в районе 1... 1.6 ГГц, то это признак того, что на этих частотах на корпусе телефона наводятся большие токи. В этом случае на частотные характеристики сильно влияет положение руки пользователя.

На рисунке 71 – 72 приведены результаты расчета вмонтированной антенны №2 в корпус.

 

Рисунок 71 - Рассчитанная частотная характеристика

антенны №2 в корпусе

Рисунок 72 - Измеренная частотная характеристика антенны №2 в корпусе

 

На рисунках 73 - 74 приведены результаты расчета диаграммы направленности в вертикальной и азимутальной плоскости.

 

 

Рисунок 73 - Диаграмма направленности в вертикальной плоскости

(по углу подъема)

Рисунок 74 - Диаграмма направленности в азимутальной плоскости

(Вид сверху на вертикально расположенный сотовый телефон)

Диаграммы направленности, рассчитанные с учетом корпуса, и токов, которые наводятся на корпусе часто сильно отличаются от диаграммы направленности антенны, предоставляемой фирмой разработчиком антенны. Это является существенной причиной, по которой разработчик телефонной трубки должен модернизировать антенну вместе с конкретным корпусом. И это же является полезным для подстройки диаграммы направленности и чувствительности приемника, которые зависят от металлического покрытия внутри корпуса.

Программы моделирования СВЧ устройств, основанные на электродинамических методах расчета позволяют увидеть в различных режимах распределение токов и ближнего поля вблизи антенны. Это исключительная важность этих программ. Можно сказать, что без изучения ближнего поля и распределения токов на поверхности трубки сотового телефона сейчас невозможно выполнить её полноценное и оптимальное проектирование.

Плоская микрополосковая антенна имеет несколько степеней свободы в своей конструкции (две координаты, а если добавить многослойность, то и 3 координаты). Это отличает её от спиральной и вибраторной антенн, которые можно считать антеннами с одной степенью свободы, т.е. с их длиной вдоль координаты Z. Поэтому можно предполагать, что микрополосковая антенна имеет большие возможности, чем спиральная или спирально-штыревая антенн, и проектирование её обещает большие перспективы, в плане достижения тех же характеристик, но антенной с меньшими размерами. Можно предположить, что в формировании частотных характеристик печатная антенна принципиальноиспользует высшие типы волн, в отличие от регулярного несимметричного и симметричного вибраторов. Обычно такая особенность уменьшает размеры, но требует точное проектирование устройств.

В тенденции скрыть антенну внутри корпуса можно усмотреть и эстетический смысл (красивее корпус, не делается акцент на выдвигаемую антенну), и психологический, когда пользователь не думает, откуда излучается СВЧ мощность. В техническом плане сокрытие антенны увеличивает надежность прибора, т.к. имеется статистика о том, что 50% поломок сотового телефона связано с поломкой антенны. К тому же исключаются ситуации самого напряженного сценария работы усилителя мощности, когда сотовый телефон находится в зарядном устройстве (напряжение около 5 V), и при получении звонка с одновременной поломкой антенны напряжение на коллекторе мощного транзистора может превысить 15 вольт и более. Это приводит к выходу из строя выходного транзистора усилителя мощности. Поэтому желательно исключить выворачивание и обламывание антенны. Самый радикальный способ для этого – спрятать антенну в корпус.

В будущем возможно внедрение технологии адаптивных антенн в сотовые телефоны, поскольку такая идея сулит улучшение общей чувствительности телефона на величину до 10 dB. Это означает, что не только базовая станция будет следить за месторасположением пользователя телефона, но и телефон пользователя будет привязываться к какой либо базовой станции на время нахождения в определенной зоне. Антенны базовой станции и сотового телефона как бы будут следить друг за другом. Но этот режим должен блокироваться в условиях города с высокими зданиями, поскольку в этих условиях, из-за многих переотражений сигнала направление на базовую станцию определить не удастся.

Микрополосковая печатная антенна как нельзя лучше подходит для реализации идеи адаптивной антенны в сотовых телефонах, поскольку позволяет быстро и эффективно перестраивать диаграмму направленности электронным способом. В настоящее время уже используются антенна, составленная из двух разнесенных примерно на четверть длины волны излучателей-антенн (называемая в зарубежной литературе Space Diversity Antenna). Этот режим приема с разнесенными антеннами, однако, достигается за счет дополнительных потерь сигнала при электронном переключении антенн.

Внедрение идеи автоматического слежения (т.е. сохранение диаграммы направленности строго направленной на базовую станцию, при любом изменении положения пользователя в пространстве), позволит получить выигрыш и от использования поляризационно развязанных каналов приема и передачи. При этом можно улучшить развязку каналов не только по частоте (в дуплексном фильтре), но и используя поляризационные фильтры. Это решение дает улучшение параметров системы в целом.

Перспективной является также идея стабилизацию диаграммы направленности по отношении к вертикали. Эта идея основана на том, что антенны базовых станций имеют перимущественно вертикальную поляризацию. Поэтому можно осуществить стабилизацию диаграммы направленности антенны сотового телефона электронным или даже механическим (по принципу отвеса, используя земное притяжение) способом. В этом случае, когда пользователь наклоняет телефон, т.е. меняет его ориентацию в пространстве, ориентация диаграммы направленности остается неизменной и согласованной по поляризации с антеной базовой станции.

Таким образом, недостатком внутренних микрополосковых антенн, к сожалению, является необходимость разработки отдельной антенны для каждого типа сотового телефона, что замедляет модернизацию и разработку новых аппаратов.

Спиральные антенны (рис. 75) сейчас являются самыми распространёнными антеннами в сотовых телефонах. Спиральные антенны универсальны, разрабатываются как отдельный автономный элемент, обычно на входное сопротивление 50 Ом, и это позволяет конструктору выбрать подходящую антенну из широкого набора разработанных спиральных антенн только по частотным характеристикам.

Однако, при выборе готовой антенны возможны потери в характеристиках излучения всей антенной системы из-за того, что корпуса телефонов значительно отличаются друг от друга. Корпус современного телефона имеет размер, соизмеримый с половиной длины волны и поэтому влияющий на характеристики антенны. Известно, что внешний вид корпуса является важной характеристикой сотового телефона и поэтому способствует разработке и поставке на рынок всё большего количества новых модификаций.

При выборе спиральной антенны конструктору важно выяснить, как она будет работать в новом корпусе. Это особенно важно для двухдиапазонной спиральной антенны, так как влияние корпуса на её характеристики происходит в обоих диапазонах.

 

 

Рисунок 75 - Спиральные антенны со штырем

 

Для проектирования антенной системы с учётом корпуса желательно представлять методику расчёта самой спиральной антенны. Соображения, положенные в основу разработки геометрии двухдиапазонной антенны, важны, поскольку корпус существенно изменяет её свойства. Составление электрической эквивалентной схемы позволяет провести эскизный расчёт антенной системы. Такая эквивалентная схема может состоять из параллельно соединённых спирали (двух последовательных её фрагментов) и штыря.

Рассматриваемые антенны имеют два положения штыря: внизу и вверху. Выдвижение штыря увеличивает эффективность излучения антенны на несколько дБ. Но это выдвижение также изменяет согласование и сопротивление излучения.

Спиральная антенна со штырем и без штыря. Эта классическая комбинация антенн объединяет преимущества несимметричного вибратора и спиральной антенны нормального режима (с излучением перпендикулярно оси) (рис.76).

Эта широко распространённая комбинация оптимально сочетает характеристики в режиме выдвинутого штыря и в нижнем его положении. При этом важно, что спиральная антенна нормального режима более широкополосна, чем несимметричный вибратор. Верх штыря делается неметаллическим, поэтому при нижнем положении штыря антенна становится просто спиральной в нормальном режиме, то есть с излучением перпендикулярно оси. Чувствительность сотового телефона в этом случае на 1–2 дБ выше, чем при задвинутом штыре.

 

 

Рисунок 76 - Спиральная антенна в задвинутом состоянии и

с выдвинутым штырем

 

Штырь имеет металлический конец внизу и соединяется с нижним патроном спиральной антенны, когда штырь выдвигается в верхнее положение. Электрически штырь подсоединяется параллельно спиральной антенне. Часть штыря-вибратора, проходящая через спиральную антенну, подключена так, что запитывается параллельно спирали. В таком состоянии антенна подстраивается для получения реального входного импеданса в обоих режимах: выдвинутом и вдвинутом.

Эффективность излучающей способности антенны характеризуется, как известно, сопротивлением излучения. А оно зависит от внешней физической длины спиральной антенны и только в небольшой степени от диаметра спирали. Обычно длина спиральной антенны равна 20–40 мм для частоты 900 МГц, а минимальная длина ограничивается полосой (равной 8–10%). Из-за того, что корпус телефона является частью излучающей структуры, подстройка четвертьволнового шлейфа будет зависеть от размера и формы телефона. Длина несимметричного вибратора (штыря) - 40...45 мм.

Согласующая цепь СТЦ (рис.77), находящаяся на плате сотового телефона, должна быть разработана так, чтобы обеспечивать минимальный КСВ и для режима вынутого штыря и для режима вставленного. Требуемый КСВ обычно равен 1:2 в диапазонах, в которых антенна используется.

С практической точки зрения, имеются два варианта работы телефона: в свободном пространстве (FS - free space) и вблизи человека (TP - Talk Position). Согласующая цепь рассчитывается на выполнение согласования в худшей ситуации из 4 комбинаций: FS/TP и выдвинута/вдвинута. Добавим к этому то, что большинство современных телефонов должны работать в двух и более диапазонах. Таким образом, проектировщик должен получить серию диаграмм направленности на частотах 900 и 1,800 МГц.

Рисунок 77 - Эквивалентная схема спиральной антенны со штырем

 

Спиральная антенна сотового телефона - это антенна с поперечным излучением, Normal-mode helical antenna (NMHA), что отличает её от спиральной антенны с осевым излучением, используемой в радиолокации. Поскольку максимум излучения NMHA перпендикулярен продольной оси z, по своим характеристикам излучения антенна близка к обычному несимметричному вибратору. Когда окружность спиральной антенны равна приблизительно длине волны, доминирует излучение осевого типа волны, но когда окружность намного меньше длины волны, преобладает боковая волна.

В симметричном и несимметричном диполях ток течёт вертикально вдоль оси z, а в спирали (в петле) - горизонтально. В этом смысле спиральная антенна - антипод дипольной. Электрический диполь в дальней зоне имеет вертикальную поляризацию, петля - горизонтальную. Петля является физической реализацией магнитного диполя.

Если размеры спиральной антенны малы (nL < 1), максимум излучения сосредоточен в плоскости xy, а излучение по оси z отсутствует.

Когда угол подъёма спирали приближается к 0, она превращается в петлю. Когда угол достигает 90 градусов - в вибратор

Дальнее поле спиральной антенны можно считать состоящим из двух компонентов электрического поля E , E (рис.78). Пусть спиральная антенна состоит из определённого числа маленьких петель и коротких диполей, соединяющих их последовательно (рис.79). Диаметр петель D равен диаметру спиральной антенны, а длина каждого диполя S равна расстоянию между витками спиральной антенны. Предположим, что токи текут равномерно по величине и фазе по всей длине спиральной антенны. Если спиральная антенна мала, дальнее поле не зависит от числа витков. Таким образом, для расчёта дальнего поля достаточно расчёта одной маленькой петли и одного короткого диполя.

 

Рисунок 78 - Векторы электрического поля в дальней зоне

 

 

 

Рисунок 79 – Модель спирали

 

Дальнее поле маленькой петли имеет только компоненту E

 

,

 

с площадью петли A = D²/4.

Дальнее поле короткого диполя имеет только компоненту E