Спиральные антенны (электрический монополь)

Ещё совсем недавно в сотовых телефонах широко применялись антенны спирального типа. Точнее сказать, что это были электрические штыри, модифицированные таким образом, чтобы их размеры были как можно более компактными. Причиной этого явилось то, что длина антенн штыревого типа равняется четверти длины рабочей волны. А это значит, что при работе на частоте 900 МГц длина такого монополя составит порядка 83 миллиметров. Естественно, встроить антенну такого размера в сотовый телефон – дело затруднительное. Наиболее эффективный метод решения этой проблемы – замена прямолинейного проводника спиралевидным. Антенны такого типа обладают одним очень важным свойством – скорость распространения волны вдоль оси такой антенны меньше скорости света. А это значит, что длина электромагнитной волны в такой структуре меньше длины волны в свободном пространстве. Замедляющие свойства таких структур и позволяют уменьшить длину излучателя в десятки раз, не изменяя его электрические габариты [11].

 

Рис. 8.1. Вид спиральной (а) и четверть волновой (б) антенн на резонансную частоту 868 МГц

 

Применение спиральной антенны позволило решить проблему произвольной ориентации приёмника в пространстве. В антеннах такого типа, в отличие от монополей, можно добиться чувствительности к волнам эллиптической поляризации, а при определённых условия и круговой. Это говорит о том, что антенна будет работать практически при любой ориентации в пространстве и принимать сигналы разного угла наклона плоскости поляризации. Всё это, конечно, имеет силу в пределах диаграммы направленности антенны. Условие круговой поляризации для однородного по значению и фазе тока вдоль спирали задаётся соотношением Вилера [1]:

,

где T – шаг спирали, D – диаметр петли, λ – длина волны.

Фактически для круговой поляризации угол наклона проводника в спирали относительно ее продольной оси должен составлять 45°. На практике такой угол не выдерживают из-за стремления добиться минимальной физической длины антенны путем увеличения числа витков спирали до максимума. Поэтому в портативных радиосистемах спиральные структуры излучают волны эллиптичной поляризации.

Использование встроенных антенн спирального типа спровоцировало дальнейшее развитие их конструкции, нацеленное на улучшение характеристик таких антенн. Основной проблемой является узкий диапазон принимаемых частот. Одним из способов расширения диапазона является применение переменного шага накрутки спирали, что обеспечивает приём на разных частотах (рис. 8.2).

 

Рис. 8.2. Разрез двухдиапазонной спиральной антенны

Существенным недостатком таких антенн, применительно к сотовым телефонам, является вид её диаграммы направленности. Спиральные антенны излучают равнозначно как в сторону пользователя сотового телефона, так и в противоположную от него. Это говорит о том, что использование таких антенн для сотовых телефонов нежелательно, в следствие неблагоприятного воздействия излучения на здоровье человека. К тому же для корректной работы такой антенны ориентация её должна быть как можно более вертикальной, из-за того, что волны, которые принимаются сотовыми телефонами, поляризованы преимущественно вертикально.

 

Inverted L-antenna

Следующим шагом в развитии встроенных антенн, используемых для сотовых телефонов, явилась inverted L-antenna (ILA). На рис. 7.3 схематично изображён вид такой антенны.

Рис. 8.3. Перевёрнутый L-образный вибратор

 

Антенна типа ILA является монополем, запаянным на конец с проволочным горизонтальным элементом, расположенным над экраном и действующим как емкостная нагрузка. Основополагающим в выборе такой конструкции является её простота изготовления и дешевизна используемых материалов. Кроме того, большинство электрических характеристик такой антенны схожи характеристикам обычного короткого монополя.

Диаграмма направленности (ДН) L-вибратора практически идентична ДН короткого монополя. Как известно, ДН монополя имеет максимум в направлении перпендикулярном его оси, являясь, к тому же, всенаправленной. Что касается L-вибратора, то ненулевой потенциал в его горизонтальном плече несколько изменяет ДН этой антенны, тем самым искажая её всенаправленность. Входной импеданс такой антенны сравним со входным импедансом всё того же короткого монополя: низкое активное и высокое реактивное сопротивления. Активное (R_ILA) и реактивное (X_ILA) сопротивления согласно [6] определяются выражениями:

,

,

где L – длина горизонтальной части, h – её высота над экраном, a – радиус проводника, k – волновое число, L_a = L + a, T = 1 – a/h.

На рис. 7.4 представлены зависимости R_ILA и X_ILA от L_v/L, L_v – варьируемая длина горизонтальной части антенны. Помимо проволочных ILA возможен альтернативный вариант их исполнения на основе микрополосковых линий. Антенны такого вида используются преимущественно в ноутбуках. В таблице 8.3 представлены значения коэффициентов усиления некоторых конструкций такого вида.

Таблица 8.3

Коэффициент усиления печатных диполей

Рис. 8.4 Зависимости активного и реактивного сопротивления от длины горизонтальной части L-вибратора

 

Как видно из рис. 8.4, наличие низкого активного и высокого реактивного сопротивлений чаще всего делают использование ILA неоправданным. Для улучшения параметров согласования такой антенны нужна некоторая модификация в её конструкции. Модифицированными ILA-антеннами являются перевёрнутые F-образные вибраторы.

Inverted F-antenna

Внешний вид F-образного вибратора схематично изображён на рис. 8.5. Inverted F-antenna (IFA) является вариацией антенн типа ILA, изменённой для того, чтобы вещественная часть входного импеданса была больше, чем у ILA. Этим обеспечивается уменьшение потерь рассогласования.

IFA представляет собой, по сути, два соосных L-вибратора разной длины. При этом внешняя вертикальная стойка F-образной антенны нагружена на корпус, тогда как сигнал подается через "внутреннюю" вертикальную секцию. Введение дополнительного L-сегмента обеспечило гибкое управление значением входного сопротивления антенны и существенно упростило ее согласование. Изменяя расстояния S между вертикальными секциями, можно добиться приемлемого значения реактивного сопротивления антенны. Значение S не влияет на резонансную частоту такого излучателя, и за счет улучшенного согласования антенны на резонансной частоте коэффициент стоячей волны по напряжению КСВН (VSWR) может быть менее 2.

 

Рис. 8.5. Перевёрнутый F-образный вибратор

 

На рис. 8.6 изображен КСВН IFA, имеющая габариты: h = 2,28 см, L = = 7,2 см, радиус проводника 0,15 см, S = 0,68 см. Ширина рабочей полосы частот этой антенны составляет 1,5%.

 

Рис. 8.6. КСВН F-антенны для заданных размеров

 

Несмотря на относительную простоту изготовления IFA, оптимальный дизайн такой антенны не единственен. Варьируя высоту излучателя и длину горизонтальной части можно изменять электрические характеристики IFA, в том числе и ширину полосы согласования. В заключении нужно сказать о двух важных вещах, касающихся F-образных антенн: во-первых, ширина рабочей полосы частот у антенн такого типа составляет около 2%, что значительно больше, нежели у L-вибраторов, во-вторых, такая полоса частот всё же не достаточна для качественного приёма информации беспроводным путём. Расширение полосы рабочих частот, требует некоторой модификации антенны. Следующим шагом развития таких антенн послужили планарные перевёрнутые F-образные вибраторы.

Planar inverted F-antenna

Конструктивное исполнение планарных перевёрнутых F-образных вибраторов (PIFA) значительно сложнее, чем у видов антенн, рассмотренных выше. На рисунке 12 изображён чертёж такой антенны.

 

Рис. 8.7. Планарная F-образная антенна

 

Электрические характеристики PIFA зависят от размеров верхней излучающей пластины, соотношения длин ее сторон, высоты этой пластины над экраном, размеров и положения вертикальной заземляющей стенки, точки запитки антенны. Ширина полосы пропускания PIFA напрямую зависит от ширины D вертикальной закорачивающей пластины. Наибольшая полоса соответствует случаю совпадения ширины вертикальной пластины D и длины контактирующей с ней стороны горизонтального излучателя W. При этом для соотношения длин сторон горизонтальной пластины W/L = 2 и высоте ее над экраном h = 0,053λ достигается 10%-ная полоса рабочих частот. При уменьшении соотношения D/W до уровня 0,1 и менее диапазон рабочих частот сужается до 1 %. На рисунке 13 изображено направление силовых линий поверхностных токов в горизонтальной пластине PIFA для различных соотношений её габаритов.

Наиболее точно величину резонансной частоты рассчитал Minh-Chau T Huynh [2]. Рассмотрев все частные случаи зависимости резонансных частот от геометрии PIFA, им были получены следующие выражения:

 

 

Таблица 8.2

Условие	Расчётная формула
D = 0
D = W
,
,

 

Рис. 8.8. Силовые линии поверхностных токов в горизонтальной пластине PIFA

 

Кроме того, ширина D вертикальной секции влияет также на поляризацию излучения. Лучшие значения КСВН (VSWR) такая антенна имеет при соотношении D/W = 1 (рис. 8.9). Габариты антенны составляли: W = 14,32 см, h = 1,57 см, L = = 7,16 см.

Рис. 8.9. Вид КСВН антенны типа PIFA

 

Помимо использования диэлектрических свойств воздушной среды, в конструкции PIFA пространство под горизонтальной пластиной может быть заполнено диэлектрическим материалом. Такой вариант был предложен специалистами компании Ericsson Microwave Systems для реализации связи по каналу Bluetooth в диапазоне частот 2,40–2,48 ГГц (λ ≈ 12 см) [3]. Измеренная полоса пропускания такой PIFA с диэлектрической прослойкой на резонансной частоте 2,46 ГГц составила 102 МГц.

В антеннах такого типа отсутствуют чёткие соотношения, учитывающих влияние местоположения фидерной линии. Это вынуждает исследователей применять численные методы оптимизации, позволяющие использовать "фидерный эффект" для достижения требуемых параметров PIFA. В частности, одно из направлений совершенствования технологии проектирования PIFA – оптимизация расположения фидерного контакта в совокупности с подбором других геометрических параметров антенны с помощью, так называемых, «генетических алгоритмов».

Для определения импеданса антенны типа PIFA ученые Хельсинкского технологического университета предложили воспользоваться ее эквивалентной схемой, изображённой на рис. 7.10.

Как видно из этой схемы, второму этажу соответствует последовательно включенный емкостной элемент, что обусловлено отсутствием фидерного контакта. Если определять полосу пропускания PIFA через среднеквадратическое значение радиальной частоты

и условие КСВН < S, где S – некоторое фиксированное значение КСВН антенны, то, согласно [4] учёных, можно найти максимальное значение δF:

Рис. 8.10. Эквивалентная электрическая схема антенны типа PIFA

 

,

где

 и  -

добротности сегментов антенны.

Очевидный недостаток рассмотренных "двухэтажных" PIFA – относительно большие габариты. Поэтому пока более широкое распространение получил метод расширения полосы пропускания рассматриваемого типа антенн за счет фрезеровки в горизонтально расположенной пластине прорезей различной геометрии (рис. 7.11). Разрезы к тому же увеличивают электрическую длину антенны, что позволяет еще уменьшить ее габариты, а при определенных геометрических соотношениях PIFA ей можно придать многодиапазонные свойства.

 

Рис. 8.11. Варианты расширения полосы пропускания PIFA за счет создания различных прорезей: U-образной (а), меандр (б), L-образной (в)

 

На рис. 8.11 изображены лишь некоторые виды многодиапазонных PIFA. Улучшение характеристик антенн за счёт таких прорезей послужило толчком к появлению нового направления конструирования PIFA, базирующегося на различных конфигурациях прорезей. Первоначально речь шла о разрезах простых геометрических форм. Такие формы в ряде случаев допускали аналитический расчет резонансных частот. Например, для двухчастотной PIFA c U-образной прорезью (см. рис. 8.11(а)) нижняя резонансная частота определяется габаритами горизонтальной пластины. Она может быть рассчитана по соотношениям Minh Chau T. Huynh [2] для резонансной длины волны PIFA. Верхняя резонансная частота, соответствующая U-прорези, приближенно рассчитывается по формуле

,

где с – скорость света, α = 0,9.

Для конструкции, приведенной на рис. 6.11(а), L = 21 мм, W = 16 мм, L₂ = 10 мм и W₂ = 6 мм. Это позволяет получить две рабочие области частот: 2,45–2,48 ГГц и 5,25–5,32 ГГц.

В ходе экспериментов выяснилось, что наличие нескольких одинаковых прорезей у антенн типа «меандр» позволяет уменьшить габариты PIFA до 1/8 длины волны, не изменяя полосу пропускания (около 10%). Для снижения высоты горизонтального сегмента над экраном и обеспечения широкополосных свойств вместо вертикальной закорачивающей секции в PIFA с пластиной типа "меандр" может использоваться низкоомный резистор. Значение его сопротивления определяет рабочую частоту и полосу пропускания антенны (см. таблицу). Нетрудно заметить, что с увеличением номинала резистора полоса рабочих частот расширяется, достигая 11,2% (сопротивление резистора 6,8 Ом). Однако следует иметь в виду, что включение резистора приводит к потерям в усилении антенны, оцениваемом в 6 дБ уже при номинале 5,6 Ом [5].

Зависимость характеристик антенны (табл. 8.3) от сопротивления резистора при различных положениях точки подключения фидера (Ключевые геометрические размеры элементов антенны: L = 40 мм; W = 25 мм; I = 20 мм; h = 3,2 мм; S = 2 мм)

Таблица 8.3

Сопротивление, Ом	Резонансная частота, МГц	Отношение отрезков d/|AB|	Полоса пропускания, %
3,3	861	0,35	4,7
5,6	857	0,6	8,6
6,8	857	0,7	11,2
(обычная PIFA)	1298	0,6	0,9

 

Слишком малое расстояние от экрана, составляющее в рассмотренном примере 0,01 длины волны излучения, приводит к заметному влиянию размеров экрана на электрические свойства PIFA. В частности, относительная ширина полосы рабочих частот увеличивается с увеличением размеров заземленной подложки. Ее большие габариты позволяют частично компенсировать потери усиления антенны, вызванные резистивной нагрузкой. При размерах экрана ~0,9l можно добиться увеличения усиления антенны до 5 дБ. Кроме того, протяженный экран служит и надежной преградой на пути распространения радиоволн в сторону тела пользователя.

Таким образом, антенны PIFA многодиапазонных мобильных средств связи в ходе эволюции превратились, по сути, в сложнейший антенный комплекс, состоящий из нескольких взаимосвязанных активных и пассивных элементов. Фактически комбинация различных по конструкции сегментов в едином многополосном антенном модуле стала основным методом в арсенале разработчиков широкополосных радиотехнических средств. Наиболее распространёнными конструкциями являются многообразные PIFA-конструкции, в том числе с интегрированными микрополосковыми и диэлектрическими резонансными антеннами.

 

3. Лабораторный практикум

Основные положения

Лабораторный практикум по дисциплинам «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства» и «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в СМС» разработан в соответствии с требованиями ГОС ВПО направления «Телекоммуникации» и ФГОС ВПО направления 210700.62 «Инфокоммуникационные технологии и система связи».

В методической разработке содержатся указания к выполнению лабораторных работ, по исследованию проволочных антенн, выполняемых в программе MMANA и исследованию апертурных антенн, выполняемых в программе SABOR.