Двухполосная антенна

Реферат

 

Изобретение относится к антеннам и используется в мобильных системах связи. Техническим результатом является создание двухполосной антенны, в которой не требуется наличия специальной согласующей схемы между источником сигнала и антенной. Двухполосная антенна для мобильной системы связи включает в себя металлическую трубку, имеющую открытый конец; коаксиальную линию передачи, имеющую внутренние и внешние проводники, с одной частью коаксиальной линии, вставленной в металлическую трубку, плоскость основания, подсоединенную к части металлической трубки напротив открытого конца и к внешнему проводнику коаксиальной линии передачи, и сигнальную линию, подсоединенную к внутреннему проводнику и выступающую из металлической трубки на ее открытом конце. Предпочтительно размеры металлической трубки, коаксиальной линии передачи и сигнальной линии выбираются таким образом, чтобы импеданс антенны соответствовал импедансу коаксиальной линии передачи на протяжении двойной рабочей полосы частот, тем самым устраняя необходимость наличия специальной согласующей схемы. 2 с. и 14 з. п. ф-лы, 11 ил.

Область изобретения 1. Изобретение относится к антенне и, более конкретно, к двухполосной антенне, в которой не требуется существования специальной согласующей схемы между источником сигнала и антенной, тем самым она имеет простую конструкцию, удобное использование, низкую стоимость и улучшенное исполнение.

2. Описание предшествующего уровня техники В мобильной системе связи антенна служит для сохранения передаваемой мощности и эффективного использования частоты. При быстром развитии и широком распространении использования мобильной связи, существуют частые явления насыщения возможностей в традиционной системе. Таким образом, существует необходимость создания новой системы, которая хорошо работает в таком окружении, и блокировочного устройства между традиционной системой и новой системой. Например, блокировочные устройства используются между: (I) системой многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) и персональной системой связи (PCS) в Корее; (II) системой перспективной службы радиотелефонной связи с подвижными объектами (AMPS) и персональной системой связи (PCS) в США; (III) групповой специальной мобильной системой (GSM) и цифровой европейской беспроволочной телефонной системой (DECT); или (IV) групповой специальной мобильной системой (GSM) и цифровой системой связи (DCS) 1800, применяющей GSM к полосе частот 1800 МГц в Европе. Такие системы блокировки обычно называются двухполосными системами, т. е. двухполосная система блокирует две различные системы, имеющие полосы частот, отличные друг от друга.

В традиционных двухполосных системах, имеющих различные антенны для соответствующих двух полос частот, существует удвоение в стоимости материала, что делает затруднительным их миниатюризацию и снижение веса. Следовательно, была разработана двухполосная антенна, используемая на двух полосах частот.

Патент США N 4509056 описывает многочастотную антенну, использующую настроенные дроссели коаксиального экрана. Фиг. 1 представляет собой сечение, иллюстрирующее конструкцию однополюсной антенны, действующей на двойной частоте, в соответствии с вариантом реализации многочастотной антенны, использующей настроенные дроссели коаксиального экрана. Как показано на фиг. 1, внешний проводник 6 коаксиальной линии передачи 2 подсоединяется к плоскости основания 20, и удлинитель 10 внутреннего проводника 8 тянется от плоскости основания 20, проходящей через дроссель 12i к секции, связанной с излучением, размер которой обозначен через N. Дроссель загружается твердой диэлектрической вставкой 16i, и внутренняя поверхность корпуса дросселя и внешняя поверхность проводника, проходящего через дроссель, формируют четвертьволновую линию передачи (/4). При высокой частоте дроссель формирует четвертьволновую линию передачи /4, которая препятствует соединению между открытым концом корпуса 14i дросселя 12i и удлинителя 10. При низкой частоте дроссель 12i действует не как изоляционный элемент, а как однополюсная антенна, полная длина которой обозначена через P при низкой резонансной частоте.

Двухполюсная антенна, действующая как четвертьволновая однополюсная антенна при высокой/низкой частотах полосы частот, имеет входной импеданс Zin, как определяется в уравнении (1), и требуется согласующая схема с сопротивлением 50 Ом в случае, когда она подсоединяется к другой схеме системы. Здесь другая схема означает фильтр или усилитель высокой частоты (RF), и когда он подсоединяется к двухполосной антенне, эффективность работы антенны уменьшается из-за импедансного рассогласования. Следовательно, должна быть подсоединена согласующая цепь на 50 Ом для того, чтобы предотвратить рассогласование, как описано выше.

Zin = 36 + j20. (1) Так как описанная выше двухполосная антенна требует специальной согласующей цепи между источником сигнала и антенной, в результате этого ее конструкция усложняется, использование становится неудобным, а стоимость является высокой.

Краткое описание изобретения Следовательно, задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание двухполосной антенны, в которой не требуется наличия специальной согласующей схемы между источником сигнала и антенной, тем самым она имеет простую конструкцию, удобное использование, низкую стоимость и улучшенное исполнение.

Для решения перечисленных выше задач обеспечивается вариант реализации настоящего изобретения, т. е. двухполосная антенна для мобильной системы связи, которая включает: металлическую трубку, имеющую открытый конец; коаксиальную линию передачи, имеющую внутренний и внешний проводники, с одной частью коаксиальной линии, вставленной в металлическую трубку. Плоскость основания подсоединяется к части металлической трубки напротив открытого конца и к внешнему проводнику коаксиальной линии передачи. Сигнальная линия с помощью электрического соединения подсоединяется к внутреннему проводнику и выступает из металлической трубки на ее открытом конце.

Предпочтительно размеры металлической трубки, сигнальной линии и коаксиальной линии выбираются так, чтобы импеданс антенны по существу соответствовал импедансу коаксиальной линии передачи по всей двойной полосе действия.

В более конкретном варианте реализации двухполосная антенна для мобильной системы связи включает металлическую трубку, коаксиальную линию передачи, имеющую одну часть, вставленную в металлическую трубку, плоскость основания, подсоединенную к первому концу металлической трубки и к внешнему проводнику коаксиальной линии передачи, и сигнальную линию. Сигнальная линия подсоединяется к внутреннему проводнику коаксиальной линии в точке соединения внутри металлической трубки. Внешний диаметр коаксиальной линии является открытым в точке соединения, таким образом создается первый высокочастотный дроссель (RF) (ВЧД). Металлическая трубка имеет второй конец, который является открытым для создания второго высокочастотного дросселя. Сигнальная линия проходит через металлическую трубку и выступает за металлической трубкой на заданную длину. Заданные значения устанавливаются для: длины коаксиальной линии от плоскости основания до точки соединения; длины сигнальной линии от точки соединения до открытого конца металлической трубки; длины выступающей сигнальной линии от открытого конца металлической трубки; внешнего диаметра внешнего проводника коаксиальной линии передачи; и диаметров металлической трубки и сигнальной линии. Эти значения выбираются так, что в рабочей полосе частот указанной антенны импеданс антенны по существу соответствовал импедансу коаксиальной линии, тем самым обеспечивается низкий коэффициент стоячей волны на коаксиальной линии и удается избежать необходимости наличия специальной согласующей схемы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ Эти и различные другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут легко понятными со ссылкой на следующее детальное описание, предпринятое в связи с сопровождающими чертежами, на которых: фиг. 1 представляет собой сечение, иллюстрирующее конструкцию однополюсной антенны предшествующего уровня техники, действующую на двойной частоте, имеющую настроенные дроссели коаксиального экрана; фиг. 2 представляет собой сечение, иллюстрирующее конструкцию двухполосной антенны в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения; фиг. 3 представляет собой чертеж, иллюстрирующий эквивалентную схему двухполосной антенны, показанной на фиг. 2; фиг. 4 представляет собой чертеж, иллюстрирующий эквивалентную схему фиг. 2, упрощенную один раз за счет комбинирования источника сигнала и импеданса ZAB; фиг. 5 представляет собой чертеж, иллюстрирующий эквивалентную схему фиг. 2, упрощенную дважды; фиг. 6 представляет собой чертеж, иллюстрирующий эквивалентную схему, упрощенную трижды за счет комбинирования импеданса Z** и импеданса ZCD для формирования импеданса ZEF, рассматриваемого из точек Е и F; фиг. 7 представляет собой чертеж, иллюстрирующий эквивалентную схему, в которой диэлектрические проницаемости d1, d2, 11, 12 и 13 имеют заданные значения, осуществляя двухполосную антенну в соответствии с вариантом реализации изобретения; фиг. 8 представляет собой чертеж, иллюстрирующий диаграмму направленности антенны, измеряемую при сравнении диаграммы стандартной дипольной антенны и двухполосной антенны в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения; фиг. 9 представляет собой чертеж, иллюстрирующий импедансную характеристику двухполосной антенны в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения; фиг. 10 представляет собой чертеж, иллюстрирующий коэффициент стоячей волны (SWR) (KCB) в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения; и фиг. 11 иллюстрирует другой вариант реализации настоящего изобретения.

Подробное описание предпочтительного варианта реализации изобретения Здесь далее будет подробно описан предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи. На всех чертежах одни и те же числовые или буквенные обозначения будут использоваться для обозначения похожих или эквивалентных элементов, имеющих одну и ту же функцию. Кроме того, в следующем описании номера конкретных деталей, таких, как предпочтительные компоненты, составляющие схему, устанавливаются так, чтобы обеспечить более глубокое понимание настоящего изобретения. Однако, для квалифицированного специалиста будет очевидно, что настоящее изобретение может быть реализовано на практике без этих конкретных деталей. В детальном описании настоящего изобретения будем избегать известной функции и конструкции, без необходимости делающей неясным предмет настоящего изобретения.

Фиг. 2 представляет сечение, иллюстрирующее конструкцию двухполосной антенны в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, она состоит из коаксиальной линии передачи 30, дросселя 60, содержащего металлическую трубку 40 и диэлектрический материал 80, сигнальной линии 15 и пластины основания 50. Здесь обозначения A и B используются только для понимания отношения между фиг. 2 и связанными чертежами, показывающими эквивалентные схемы.

Предпочтительно один конец металлической трубки 40 подсоединяется к пластине основания 50, и другой ее конец является открытым. Физическая длина металлической трубки 40 составляет приблизительно одну четверть длины волны (11 + 12) на центральной частоте полосы высоких частот. Коаксиальная линия передачи 30 составлена из внутреннего проводника 70 и внешнего проводника 25, где одна ее часть вставляется в металлическую трубку 40. Внешний проводник 25 коаксиальной линии передачи 30 подсоединяется к плоскости основания 50. Описанная выше часть коаксиальной линии передачи 30, вставленная в металлическую трубку, тянется от плоскости основания 50 к открытому концу металлической трубки 40 на длину, обозначенную как 11. Внутренний проводник 70 подсоединяется (в точке К) к сигнальной линии 15, имеющей тот же диаметр d3, что и диаметр d1 внешнего проводника 25 коаксиальной линии передачи 30 на конце коаксиальной линии передачи 30, вставленной в металлическую трубку 40. В точке K внешний проводник 25 коаксиальной линии 30 является открытым, создавая таким образом высокочастотный (RF) ВЧ дроссель (т. е. коаксиальная линия 30 заканчивается в точке К). Противоположный конец коаксиальной линии можно присоединять к электронным устройствам (не показано), используемым в соединении с антенной, таким, как передатчик и/или приемник. Сигнальная линия 15 проходит через открытый конец металлической трубки 40, но выступает за открытым концом металлической трубки 40. Металлическая трубка 40 имеет диаметр d2 и наполняется диэлектрическим материалом 80. Так как диэлектрический материал имеет диэлектрическую проницаемость выше, чем диэлектрическая проницаемость воздуха, это дает возможность иметь более короткую длину металлической трубки 40 для данной электрической длины (по сравнению с металлической трубкой, наполненной воздухом). Открытый конец металлической трубки 40 создает второй высокочастотный (RF) Вч дроссель.

Фиг. 3 представляет собой чертеж, иллюстрирующий эквивалентную схему двухполосной антенны, показанной на фиг. 2. Действие эквивалентной схемы двухполосной антенны будет описано здесь ниже.

ZAB представляет импеданс дросселя 60, который содержит металлическую трубку 40, ширина которой определяется между точками от A до B, коаксиальную линию передачи 30 и диэлектрический материал 80, наполняющий металлическую трубку 40. ZAB представляется уравнением (2), так как теоретически импеданс действует как короткая линия.

= +jk, Исключая коэффициент затухания из уравнения (2), получим уравнение (3) где - элемент затухания, K - постоянная распространения, Z0 - характеристический импеданс короткой линии, 11 - длина от плоскости основания до открытого конца коаксиальной линии передачи, d1 - внешний диаметр внешнего проводника коаксиальной линии передачи, d2 - внутренний диаметр металлической трубки, : длина волны, и R: относительная диалектрическя проницаемость диэлектрического материала.

Эквивалентный импеданс ZCD вычисляется с помощью приведенных выше уравнений 2 и 3 и, если диаметр d1 внешнего проводника 25 коаксиальной линии передачи 30 равен диаметру d3 сигнальной линии 15, импеданс ZCD может быть рассчитан при изменении длины (11+12). Импеданс ZCD определяется уравнением Фиг. 4 представляет собой чертеж, иллюстрирующий эквивалентную схему, упрощенную один раз за счет комбинирования источника сигнала и импеданса ZAB. Импеданс Z* представляется уравнением (5): Фиг. 5 представляет собой чертеж, иллюстрирующий эквивалентную схему, упрощенную дважды с упрощенной эквивалентной схемой, показанной на фиг. 4. Со ссылкой на фиг. 2, так как длина 12 от верхнего конца коаксиальной линии передачи 30 до открытого конца металлической трубки 40 подобрана таким образом и действует как одна часть сигнальной линии 15 и металлической трубки 40, если она комбинируется с импедансом Z*, может быть получена эквивалентная схема, как показано на фиг. 4. В соответствии с эквивалентной схемой фиг. 4 может быть получен импеданс Z**, как показано в уравнении (6) Фиг. 6 представляет собой чертеж, иллюстрирующий импеданс ZEF рассматриваемый из точек Е и F в эквивалентной схеме, в которой комбинируются импеданс Z** и импеданс ZCD. Импеданс ZEF может быть получен, как показано с помощью уравнения (7): - Соответственно импеданс ZEF вычисляется при изменении переменных, таких, как частота, диэлектрическая проницаемость, d1, d2, 11, 12 и 13.

Фиг. 7 представляет собой чертеж, иллюстрирующий эквивалентную схему, в которой диэлектрическая проницаемость d1, d2, 11, 12 и 13 имеет заданные значения, реализуя двухполосную антенну в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Так как импеданс ZEF источника сигнала изменяется с изменением рабочей частоты, он будет обозначен как ZEF(f). На фиг. 6 показан импеданс ZEF(f), имеющий антенну в качестве нагрузки. Так как импеданс антенны ZANT также изменяется с изменением частоты, он будет обозначен как ZANT(f). Соответственно импеданс источника сигнала ZEF(f), имеющий интегральную изменяемую согласующую схему, таким образом равен импедансу антенны ZANT(f). Следовательно, в этом варианте реализации настоящего изобретения коэффициенты диэлектрических переменных d1, d2, 11, 12 и 13 изменяются при подборе импеданса ZEF(f) таким образом, что импеданс ZEF(f) и импеданс ZANT(f) могут быть реализованы так, чтобы они были равны друг другу. Таким образом, условие согласования между источником сигнала и антенной может быть достигнуто точно, и могут быть улучшены характеристики двухполосной антенны.

Фиг. 8 представляет собой чертеж, иллюстрирующий диаграмму направленности антенны, измеряемую в сравнении диаграммы направленности стандартной дипольной антенны и двухполосной антенны в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Фиг. 9 представляет собой чертеж, иллюстрирующий импедансную характеристику двухполосной антенны в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, и фиг. 10 представляет собой чертеж, иллюстрирующий коэффициент стоячей волны (SWR) (KCB) в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. В настоящее время частота двухполосной антенны системы многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) (KPK) и персональной системы связи (PCS) (ПСС) в Корее является следующей: частота системы многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (КРК) составляет 824-849 МГц при передаче и 869-894 МГц при приеме; частота персональной системы связи в Корее составляет 1750-1780 МГц при передаче и 1840-1870 МГц при приеме. Так как двухполосная антенна может применяться к системам GSM/DECT, GSM/DCS 1800, AMPS и CDMA/PCS, она может быть легко выполнена при изменении первой длины 11 и второй длины 12 дросселя 60, разделенного в точке (точка K), в которой внутренний проводник 70 коаксиальной линии передачи 30 и сигнальная линия 15 подсоединяются друг к другу, как показано на фиг. 2. Если длина 11+12 дросселя 60 изменяется, резонансная точка полосы высоких частот сдвигается, однако, как отмечено на фиг. 10 с помощью пунктирной линии 81, резонансная точка полосы низких частот сдвигается чуть-чуть, как показано на фиг. 10. Со ссылкой на сплошную жирную линию, отмеченную на фиг. 9, интервал от стартовой точки до точки 3, охватывающий точки 1 и 2, показывает характеристику полосы низких частот (824-849 МГц). Интервал, который возвращается к стартовой точке, охватывающий точки 3 и 4, обозначенный как , показывает характеристику полосы высоких частот (1750-1870 МГц). Интервалы между точками 1 и 2, между точками 3 и 4 являются такими же, как интервалы, показанные на фиг. 10.

Фиг. 11 показывает альтернативный вариант реализации настоящего изобретения. Этот вариант реализации является аналогичным варианту, описанному в связи с фиг. 2, за исключением того, что сигнальная линия 15 заменяется сигнальной линией 15'. Сигнальная линия 15' состоит из первой линейной части 15а длины 12 и спиральной части 15b длины 13. Диаметр обеих частей 15а и 15b равен d3, хотя диаметр спиральной части 15b может выбираться отличным от диаметра линий части 15а.

Варианты реализации настоящего изобретения, описанные выше, имеют преимущества, состоящие в том, что создается изменяемая согласующая схема, таким образом, не требуется специальная схема между источником сигнала и антеной, тем самым имеется простая конструкция, удобное использование, низкая стоимость и улучшенное исполнение.

В то время, как то, что было иллюстрировано и описано, рассматривается как предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения, квалифицированным специалистам в этой области техники будет понятно, что могут быть сделаны различные изменения и модификации, и элементы могут быть заменены их эквивалентами без выхода за пределы объема настоящего изобретения.

Формула изобретения

1. Двухполосная антенна для мобильной системы связи, содержащая металлическую трубку, имеющую открытый конец; коаксиальную линию передачи, имеющую внутренний и внешний проводники, плоскость основания, подсоединенную к части указанной металлической трубки напротив указанного открытого конца и к указанному внешнему проводнику коаксиальной линии передачи, и сигнальную линию, подсоединенную к внутреннему проводнику и выступающую из указанной металлической трубки на ее открытом конце, отличающаяся тем, что внутренний проводник подсоединяется в точке К, как это изображено на чертеже (фиг. 2), к сигнальной линии на конце коаксиальной линии передачи, вставленной в металлическую трубку, которая наполняется диэлектрическим материалом.

2. Двухполосная антенна для мобильной системы связи по п. 1, отличающаяся тем, что длина указанной металлической трубки больше длины указанной коаксиальной линии передачи, вставленной в металлическую трубку, от плоскости основания.

3. Двухполосная антенна для мобильной системы связи по п. 1, отличающаяся тем, что часть указанной металлической трубки наполняется диэлектрическим материалом для уменьшения электрической длины указанной металлической трубки.

4. Двухполосная антенна для мобильной системы связи по п. 1, отличающаяся тем, что внешние диаметры указанной коаксиальной линии передачи и указанной сигнальной линии равны друг другу.

5. Двухполосная антенна для мобильной системы связи по п. 1, отличающаяся тем, что указанная часть указанной сигнальной линии, которая выступает из указанной металлической трубки, сформирована в виде прямой линии.

6. Двухполосная антенна для мобильной системы связи по п. 1, отличающаяся тем, что указанная часть указанной сигнальной линии, которая выступает из указанной металлической трубки, сформирована в виде спиральной линии.

7. Двухполосная антенна для мобильной системы связи по п. 1, отличающаяся тем, что физическая длина указанной металлической трубки составляет приблизительно четверть длины волны на центральной частоте полосы высоких частот.

8. Двухполосная антенна для мобильной системы связи по п. 2, отличающаяся тем, что указанная металлическая трубка наполняется диэлектрическим материалом для уменьшения электрической длины указанной металлической трубки.

9. Двухполосная антенна для мобильной системы связи по п. 2, отличающаяся тем, что внешние диаметры указанной коаксиальной линии передачи и указанной сигнальной линии равны друг другу.

10. Двухполосная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что размеры указанной металлической трубки, размеры указанной сигнальной линии и указанной коаксиальной линии и диэлектрическая проницаемость диэлектрика внутри указанной металлической трубки выбираются так, что импеданс указанной антенны по существу соответствует импедансу указанной коаксиальной линии передачи на всем протяжении указанной двойной полосы.

11. Антенна по п. 10, отличающаяся тем, что указанная двойная полоса содержит полосу более низких частот и полосу более высоких частот, где по существу удваивается указанная полоса низких частот.

12. Антенна по п. 11, отличающаяся тем, что частоты указанной полосы более низких частот изменяются приблизительно в диапазоне 824-894 МГц и частоты указанной полосы более высоких частот изменяются в диапазоне 1750-1870 МГц.

13. Двухполосная антенна для мобильной системы связи, содержащая металлическую трубку, имеющую открытый конец, коаксиальную линию передачи, имеющую внутренний и внешний проводники, плоскость основания, подсоединенную к части указанной металлической трубки напротив указанного открытого конца и к указанному внешнему проводнику коаксиальной линии передачи, и сигнальную линию, подсоединенную к внутреннему проводнику и выступающую из указанной металлической трубки на ее открытом конце, отличающаяся тем, что внутренний проводник подсоединяется в точке К, как это изображено на чертеже (фиг. 2), к сигнальной линии на конце коаксиальной линии передачи, вставленной в металлическую трубку, при этом в точке К внешний проводник коаксиальной линии передачи является открытым с возможностью создания первого высокочастотного (ВЧ) дросселя, при этом открытый конец металлической трубки выполнен с возможностью создания второго высокочастотного (ВЧ) дросселя, а вышеуказанная сигнальная линия, проходящая через металлическую трубку, выступает за вышеуказанную металлическую трубку на заданную длину; и длина указанной коаксиальной линии передачи, измеряемая от указанной плоскости основания до указанной точки соединения, длина указанной сигнальной линии, измеряемая от указанной точки соединения до указанного открытого конца указанной металлической трубки, длина указанной сигнальной линии, которая выступает из указанного открытого конца указанной металлической трубки, внешний диаметр указанного внешнего проводника указанной коаксиальной линии передачи и диаметры указанной металлической трубки и указанной сигнальной линии имеют соответствующие заданные значения, тем самым в рабочей полосе частот указанной антенны импеданс указанной антенны по существу соответствует импедансу указанной коаксиальной линии, тем самым обеспечивается низкое значение коэффициента стоячей волны на указанной коаксиальной линии.

14. Антенна по п. 13, отличающаяся тем, что по крайней мере часть указанной металлической трубки наполняется диэлектриком и диэлектрическая проницаемость указанного диэлектрика выбирается так, чтобы обеспечить указанное низкое значение коэффициента стоячей волны на указанной коаксиальной линии.

15. Антенна по п. 13, отличающаяся тем, что указанная рабочая полоса частот содержит двойную полосу, включающую полосу более низких частот и полосу более высоких частот, где по существу удваивается полоса более низких частот.

16. Антенна по п. 13, отличающаяся тем, что указанная полоса более низких частот имеет диапазон приблизительно 824-894 МГц и указанная полоса более высоких частот имеет диапазон приблизительно 1750-1870 МГц.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11