eng
В предыдущей статье подведены итоги 60-летних исследований в области реализации эффективных электрически малых антенн (ЭМА). Наибольшее распространение эти антенны получили в средствах мобильной связи. Но здесь по-прежнему остаются актуальными такие проблемы, как уменьшение физических размеров антенны без изменения ее электрических (волновых) размеров, ослабление зависимости изменения направленности антенны от ориентации корпуса, обеспечение максимальной безопасности пользователя мобильного телефона. На решение этих вопросов направлены усилия многих исследователей.
Спиральные ЭМА
Еще несколько лет назад в сотовых телефонах и стационарных радиосистемах широко использовались спиральные антенны поперечного (перпендикулярного оси) излучения с плотной навивкой спирали. Дело в том, что, как правило, габариты обычных несимметричных вибраторных антенн в форме прямого стержня равны четверти волны принимаемого (излучаемого) сигнала. А значит, при рабочей частоте 900 МГц высота излучателя будет равна 83 мм. Естественно, столь длинные антенны сложно встраивать в корпус мобильного телефона, поэтому разработчикам нужно было искусственно укоротить монополь до приемлемой физической длины, сохраняя при этом неизменными его электрические размеры. Наиболее эффективный способ решения этой задачи – замена прямолинейных проводников спиральными, свернутыми в винтовую линию. Известно, что скорость распространения электромагнитной волны вдоль оси проводящей спирали всегда меньше скорости света, поэтому при неизменной частоте длина волны сигнала в такой структуре будет меньше его длины волны в свободном пространстве [1]. Замедляющие свойства спиральных структур и позволяют уменьшить длину резонансной антенны в десятки раз, не изменяя ее электрические габариты (рис.1 а,б). Вот почему выбор часто падает именно на спиральный монополь. Правда, при этом конструкторам приходится мириться с определенными потерями (в том числе со снижением коэффициента полезного действия на 5–10 %), но эти потери с лихвой компенсирует комфорт в эксплуатации.
Применение спиральной антенны позволило во многом решить проблему обеспечения устойчивой связи при произвольной ориентации антенны в пространстве. В отличие от прямолинейного вибратора, в спиральной антенне можно добиться чувствительности к электромагнитным волнам эллиптичной или даже круговой поляризаций [2]. Следовательно, такая антенна может принимать сигналы при произвольном угле наклона плоскости поляризации в пределах своей диаграммы направленности (ДН). Условие круговой поляризации при однородном по значению и фазе наведенном токе вдоль спирали задано соотношением Вилера [2]:
,
где T – шаг спирали (расстояние между соседними витками провода), D – диаметр петли, l – 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.
Появление двухчастотных приемников стимулировало дальнейшее развитие спиральных несимметричных антенн. На рис.2 показан разрез типичной бисегментной двухчастотной спиральной антенны с двумя различными шагами навивки в разных ее сегментах под диапазоны частот стандартов GSM и DCM (1710 и 1880 MГц) [3]. Существуют и другие решения задачи создания двухчастотных малоразмерных антенн. Например, можно помещать спираль малого радиуса, предназначенную для работы в диапазоне 1800 МГц, внутрь спирали большего радиуса с резонансной частотой 900 МГц (рис.3а). Второй вариант – это комбинация штыревого излучателя для частоты 1800 МГц и спиральной антенны, намотанной вокруг него (рис.3б), обеспечивающей работу в диапазоне 900 МГц. Хотя рассмотренные конструкции двухдиапазонных антенн намного меньше прямого монополя, укоротить антенну, как правило, удается не более чем на 10% длины волны ее низкочастотного диапазона.
Для дальнейшего уменьшения габаритов антенны было предложено изгибать, свертывать или как-либо трансформировать двумерные монополи в трехмерные структуры. В частности, специалистами Политехнического института и государственного университета штата Виргиния была разработана спирально-винтовая антенна (рис.4) [3]. Уменьшить общую высоту антенны над плоскостью заземления мобильных коммуникаторов позволяют объемно-структурированные миниатюрные монополи [4]. Высота типичной конструкции такой антенны не превышает 15 мм, т.е. на частоте 900 МГц составляет ~4% длины волны сигнала, а у некоторых антенн – не превышает 7 мм (~2% длины волны сигнала той же частоты). Объемно-структурированные спиральные антенны, в частности их спирально-винтовые варианты, свободно размещаются в корпусе мобильного телефона.
Недостаток ДН спиральных монополей, впрочем, как и обычных вибраторов, – необходимость вертикальной ориентации для обеспечения наилучшего режима излучения (приема) антенны. Однако это условие, как правило, не всегда выполняется. К тому же, излучение рассмотренных вибраторных антенн одинаково как в свободное пространство, так и по направлению к пользователю. Поэтому интерес представляют антенны, у которых характер изменения ДН наиболее безопасен для владельца телефона и слабо зависит от ориентации корпуса аппарата в пространстве. Популярным вариантом подобных низкопрофильных всенаправленных излучателей стало семейство планарных инверсных L- и F-образных антенн.
Антенны инверсного типа ILA, IFA и DIFA
Первым образцом таких антенн можно считать простейший L-образный вибратор, располагаемый в перевернутом виде (отсюда термин "инверсный") над плоским экраном (рис.5) [5]. Такой согнутый монополь использовался еще Дж. Маркони. Сейчас его применение – следствие естественного стремления спрятать антенный излучатель внутрь мобильных телефонов, разместив его вдоль длинной стороны корпуса. В отечественной литературе вибратор этого вида известен как Г-образный [6].
На вертикальный сегмент перевернутого L-вибратора подается питание. Свободный его конец через воздух либо диэлектрик оказывается нагруженным на эквивалентную емкость, образуемую воздушным промежутком или диэлектриком, расположенным между горизонтальным сегментом и экраном. Перевернутая L-антенна (Inverted-L Antenna, ILA) достаточно проста в изготовлении. По многим электрическим характеристикам она подобна короткой монопольной антенне. Так, ее диаграмма направленности почти идентична ДН короткого монополя, который является всенаправленным в плоскости, перпендикулярной его оси, и не излучает в соосном направлении. Однако вследствие дополнительного излучения, обусловленного геометрией перевернутого L-вибратора, его ДН несимметрично деформирована в плоскости, где у обычного вибратора ДН круговая. Резонансная длина волны L-вибратора определяется его геометрическими размерами согласно выражению [5]:
lr = 4 (H + L), (1)
где H – высота вибратора над заземленным экраном, L – длина его горизонтального сегмента.
Как и у обычного монополя, активное сопротивление перевернутой L-антенны мало (не более 4 Ом), а реактивность составляет сотни ом, что затрудняет согласование с питающей линией.
Граничное соотношение для предельной добротности электрически малой ILA вывел Вен Джиэй (Wen Geyi) [7]:
,(2)
где а – радиус проводника, из которого изготовлена ILA, h – высота горизонтального плеча над экраном, b – длина горизонтального плеча, k – волновое число.
На самом деле в этом выражении содержится опечатка, которую несложно обнаружить, если подставить в левую часть формулы добротности антенны (2) полученные Джиэй приближенные значения излучаемой мощности P » 5h2k2 |I0|2 и запасенной энергии
,
где h = 120 p, |I0| – модуль амплитуды тока антенны. В результате такой подстановки получим выражение
, (3)
которое после преобразований примет окончательный вид:
(4)
При b = 0 это уточненное выражение, а не (2), приведенное в [7], сводится к формуле добротности линейного монополя. Согласно утверждению Джиэй, в случае h = b соотношение (2) может быть упрощено [7]:
. (5)
Однако такой результат следует лишь из скорректированной формулы (4):
.
Как видно, значение добротности, получаемое из выражения (5), примерно в два раза меньше значения добротности прямолинейной антенны. Это соответствует физической картине реальных электромагнитных процессов. Поэтому полоса пропускания ILA теоретически в два раза превышает аналогичный показатель линейного монополя.
Внутреннее сопротивление ILA, согласно Андрю Гобийну (Andrew T. Gobien) [8], может быть рассчитано по приближенной формуле:
. (6)
Правда, ряд специалистов [5] отдают приоритет в выводе формулы (6) Вэншу (Wunsch), автору публикации [9]. А. Гобийн же получил это соотношение на основе комплексной теоремы Пойтинга в предположении линейного изменения тока в антенне [8]. В ходе выкладок он пренебрег значениями четвертого порядка малости. Такое допущение приемлемо в случае малой длины сегментов ILA. Формула (6) более удобна для расчетов по сравнению с методикой, изложенной в [6], которая опирается на синусоидальное распределение тока с учетом действующей (эффективной) высоты L-образного вибратора.
Реактивная составляющая внутреннего сопротивления приемной ILA определяется, в соответствии с [8], более сложной зависимостью:
, (7)
где a0 – диаметр провода, L = La + a0, T = 1 - a0/h.
Это выражение здесь скорректировано с целью устранения опечатки, которая содержится в формуле, приведенной в [8]. Речь идет о знаке перед слагаемым 5(kh)2/8 уравнения (7). В работе [8] перед ним одновременно присутствуют знаки "+" и "-". Сделать правильный выбор из этой альтернативы позволяет выражение для реактивности ILA, предложенное Вэншом в [9], которое дает более точные результаты по сравнению с (7) при малых значениях kL, а именно:
(8)
Это выражение, согласно [8], должно практически совпадать с формулой (7) при kL > 0,15 и а0/h < 0,1, что и было учтено при корректировке окончательного вида (7).
В случае электрически малых ILA, для которых выполняются условия kh < 0,5 и kL < 0,5, при расчете активной составляющей внутреннего сопротивления также следует учитывать диаметр провода, из которого изготовлена антенна. Как отмечено в [8], применительно к такой задаче существует более строгая оценка активной составляющей внутреннего сопротивления ILA, полученная в [9]:
(9)
Разница в значениях сопротивлений, рассчитанных по формулам (9) и (6), достигает 20%.
Помимо проволочных ILA возможен альтернативный вариант их выполнения на основе микрополосковых линий. Так, для ноутбуков предложено использовать печатный вариант двухдиапазонной антенны, в которой ILA выполнена в виде щели (рис.6а) [10]. Габариты антенны – 5 x 34 мм2. Она рассчитана на работу в диапазонах частот WLAN-сетей (2,4/5,2 ГГц). При этом ширина полосы пропускания в первом диапазоне, согласно полученным результатам экспериментальных измерений, превышает 7%, а во втором – 10% [10]. Как и всякое многодиапазонное решение, такая антенна проигрывает в направленных свойствах полуволновым вибраторам, рассчитанным на конкретный диапазон. Место указанной антенны в ряду других альтернативных решений показано на рис.7 (вариант 5). Как видно, плата за компактность в данном случае незначительна и не превышает 3,1 дБи по сравнению с печатным диполем (рис. 7, вариант 6), коэффициент усиления которого в диапазоне 2,4 ГГц равен 5,8 дБ по отношению к изотропной антенне, т. е. 5,8 дБи. Для частот в районе 5,2 ГГц эта разница составляет всего 0,2 дБи. Следует иметь в виду, что для многих приложений предпочтительна минимальная направленность антенны.
Перевернутая F-образная антенна (Inverted-F antenna, IFA) стала следующим шагом в развитии конструкции L-вибратора. Антенна этого типа представляет собой, по сути, два соосных L-вибратора разной длины (рис.8) [5]. 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 VSWR может быть менее 2 (рис.9). Однако при этом ширина рабочей полосы частот составляет всего 1,5 % (полоса типичных проводных F-образных антенн не превышает 2% [5]), что слишком мало для средств мобильной связи.
F-образная антенна – достаточно старый тип антенны. Изначально она предназначалась для военной авиационной и ракетной техники. Ее появление связывают с изобретением в 50-е годы прошлого столетия сотрудником корпорации Northrop доктором Джозефом Бойером (Joseph M. Boyer) так называемого непосредственно управляемого кольцевого излучателя (Directly Driven Ring Radiator, DDRR) [11]. Внешне DDRR напоминает свернутую в кольцо IFA в плоскости, перпендикулярной фидеру. При этом на свободном конце кольцевой линии в DDRR использовался перестраиваемый конденсатор, что позволяло управлять резонансной частотой и согласованием антенны (рис.10). Позже F-образные антенны нашли применение и в радиолюбительских устройствах.
Подобно ILA, известны также и печатные варианты F-образных антенн (рис.11) [12].
Для расширения рабочего диапазона частот нередко используется гибридная конструкция, состоящая из двух параллельно расположенных над металлическим экраном L- и F-образных вибраторных антенн. Это – так называемая двойная перевернутая F-антенна (DIFA) [5]. В таком варианте конструкции L-антенна – пассивный элемент. Ее длина равна или почти равна протяженности перевернутой F-антенны (рис.12) [5]. Подобное решение позволило вдвое расширить предельную полосу пропускания, доведя ее до 4% от номинала резонансной несущей частоты. Впрочем, даже такой полосы недостаточно для средств мобильной связи, учитывая разнос частот передающего и приемного каналов (например, в диапазоне частот стандарта DAMPS 824–894 МГц с центральной частотой 859 МГц полоса рабочих частот должна составлять 8,1% номинала резонансной). Кроме того, габариты DIFA чрезвычайно велики – 0,6х8,6 см.
При внимательном рассмотрении структуры DIFA возникает вопрос об эффективности использования нескольких L-антенн совместно с F-вибратором. Поиски ответа на него стимулировали переход к качественно новой конструкции – планарной F-образной антенне (Planar Inverted-F Antenna, PIFA) [4, 5, 13, 14]. Именно антенну этого типа большинство специалистов считают приемлемой альтернативой спиральным вибраторам. Типичная однодиапазонная PIFA показана на рис.13.
Вырожденным случаем PIFA являются планарные модификации инверсной L-антенны – PILA. Так, специалистами Университета Пизы предложена конструкция антенны с круглым планарным излучателем, рабочая полоса частот которой в диапазоне 2,5–3,5 ГГц составляет 45% (!) при VSWR = 2 и 30% при VSWR = 1,5 [15]. Правда, при столь широкой полосе ДН антенны на краях рабочего диапазона заметно деформируется.
Следует отметить, что поиск в патентной базе США (www.delphion.com) описаний планарных модификаций инверсной F-антенны по ключевым словам "Planar Inverted-F" выявил более 105 патентов, посвященных усовершенствованию конструкции PIFA, из которых 95 зарегистрированы в последние пять лет. Это свидетельствует о настоящем буме в развитии данного типа антенн и их большой востребованности в современной технике мобильной связи. О том, чем вызван такой повышенный интерес и о достоинствах PIFA, речь пойдет в следующей публикации автора.
Литература
1. Курушин А. Спиральные антенны в сотовых телефонах – ChipNews., 2001, № 10. – http://www.chip-news.ru/ archive/chipnews/200110/3.html.
2. Wheeler H. A. A Helical Antenna for Circular Polarization.– Proceedings of the IRE, Dec. 1947, p.1484–1488.
3. Ghoreishian I. The Spiro-Helical Antenna. – Thesis for the Degree of Master of Science in Electrical Engineering. – Virginia Polytechnic Institute and State University.
Blacksburg, Virginia Tech. Aug., 1999. –
http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-120899-112725/unrestricted/etdig.pdf.
4. Wong Kin-Lu. Planar Antennas for Wireless Communications. – New York, Wiley-Interscience, 2003.
5. Cummings N.P. Low Profile Integrated GPS and Cellular Antenna. – Master Thesis. – Blacksburg, Virginia Polytechnic Institute. Oct. 31, 2001. –
http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-11132001-145613/unrestricted/etd.pdf.
6. Корбанский И.Н. Антенны. – М.: Энергия, 1973.
7. Geyi Wen. A Method for the Evaluation of Small Antenna Q. -IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Aug. 2003, v.51, N8. – http://www.hep.princeton.edu/~mcdonald/examples/EM/geyi_ieeetap_51_2124_03.pdf.
8. Gobien A.T. Investigation of Low Profile Antenna Designs for Use in Hand-Held Radios.– Master Thesis of Science in Electrical Engineering. – Virginia Polytechnic Institute and State University. Aug. 1, 1997. – http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-7697-21043.
9. Wunsch D.A. A Closed-Form Expression for the Driving Point Impedance of the Small Inverted-L Antenna.–
IEEE Transactions on Antennas and Propagation,
Feb. 1996, v.44, N2.
10. Su C.M., Chen H.T. and Wong K.L. Inverted-L slot antenna for WLAN operation. – Microwave Optical Techn. Lett., June 5, 2003, v.37, p.315–316.
11. Пат. 3247515. CI. 343-742 США. Low Profile Antenna./Joseph M. Boyer. – Patented Apr. 19,
1966. – Filed Mar. 4, 1963.
12. Chen Yen-Yu. Novel Antenna Designs for a PCMCIA Card.– Master of Science Degree Thesis. –
National Sun Yat-Sen University. Taiwan. May 24, 2003. – http://etd.lib.nsysu.edu.tw/ETD-db/ETD-search/
getfile?URN=etd-0620103-170116&filename=td-0620103-170116.pdf.
13. Ciais P., Luxey C., Diallo A., Staraj R., Kossiavas G. Design of Internal Multiband Antennas for Mobile Phone and WLAN Standards. – Joint COST 273/284 Workshop on Antennas and Related System Aspects in Wireless Com-munications, June 7–10, 2004. – Chalmers University of Technology Gothenburg, Sweden. – http://www.s2.chalmers.se/costworkshop/workshop_papers/126.pdf.
14. Serra A. Antenne Per Terminali Mobili.–Universita Degli Studi Di Pisa.-http://www2.ing.unipi.it/~o1443499/Files_Appunti/Antenne_per_terminali_mobili.pdf.
15. Chen Z. N. and Chia M. Y. W. A Circular planar inverted-L antenna with vertical ground plane. – Microwave and Optical Technology Letters, Nov., 2002, v.35, N4,
p.315–317. http://www1.i2r.a-star.edu.sg/~chenzn/MOTL-1102.pdf.
Еще несколько лет назад в сотовых телефонах и стационарных радиосистемах широко использовались спиральные антенны поперечного (перпендикулярного оси) излучения с плотной навивкой спирали. Дело в том, что, как правило, габариты обычных несимметричных вибраторных антенн в форме прямого стержня равны четверти волны принимаемого (излучаемого) сигнала. А значит, при рабочей частоте 900 МГц высота излучателя будет равна 83 мм. Естественно, столь длинные антенны сложно встраивать в корпус мобильного телефона, поэтому разработчикам нужно было искусственно укоротить монополь до приемлемой физической длины, сохраняя при этом неизменными его электрические размеры. Наиболее эффективный способ решения этой задачи – замена прямолинейных проводников спиральными, свернутыми в винтовую линию. Известно, что скорость распространения электромагнитной волны вдоль оси проводящей спирали всегда меньше скорости света, поэтому при неизменной частоте длина волны сигнала в такой структуре будет меньше его длины волны в свободном пространстве [1]. Замедляющие свойства спиральных структур и позволяют уменьшить длину резонансной антенны в десятки раз, не изменяя ее электрические габариты (рис.1 а,б). Вот почему выбор часто падает именно на спиральный монополь. Правда, при этом конструкторам приходится мириться с определенными потерями (в том числе со снижением коэффициента полезного действия на 5–10 %), но эти потери с лихвой компенсирует комфорт в эксплуатации.
Применение спиральной антенны позволило во многом решить проблему обеспечения устойчивой связи при произвольной ориентации антенны в пространстве. В отличие от прямолинейного вибратора, в спиральной антенне можно добиться чувствительности к электромагнитным волнам эллиптичной или даже круговой поляризаций [2]. Следовательно, такая антенна может принимать сигналы при произвольном угле наклона плоскости поляризации в пределах своей диаграммы направленности (ДН). Условие круговой поляризации при однородном по значению и фазе наведенном токе вдоль спирали задано соотношением Вилера [2]:
,
где T – шаг спирали (расстояние между соседними витками провода), D – диаметр петли, l – 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.
Появление двухчастотных приемников стимулировало дальнейшее развитие спиральных несимметричных антенн. На рис.2 показан разрез типичной бисегментной двухчастотной спиральной антенны с двумя различными шагами навивки в разных ее сегментах под диапазоны частот стандартов GSM и DCM (1710 и 1880 MГц) [3]. Существуют и другие решения задачи создания двухчастотных малоразмерных антенн. Например, можно помещать спираль малого радиуса, предназначенную для работы в диапазоне 1800 МГц, внутрь спирали большего радиуса с резонансной частотой 900 МГц (рис.3а). Второй вариант – это комбинация штыревого излучателя для частоты 1800 МГц и спиральной антенны, намотанной вокруг него (рис.3б), обеспечивающей работу в диапазоне 900 МГц. Хотя рассмотренные конструкции двухдиапазонных антенн намного меньше прямого монополя, укоротить антенну, как правило, удается не более чем на 10% длины волны ее низкочастотного диапазона.
Для дальнейшего уменьшения габаритов антенны было предложено изгибать, свертывать или как-либо трансформировать двумерные монополи в трехмерные структуры. В частности, специалистами Политехнического института и государственного университета штата Виргиния была разработана спирально-винтовая антенна (рис.4) [3]. Уменьшить общую высоту антенны над плоскостью заземления мобильных коммуникаторов позволяют объемно-структурированные миниатюрные монополи [4]. Высота типичной конструкции такой антенны не превышает 15 мм, т.е. на частоте 900 МГц составляет ~4% длины волны сигнала, а у некоторых антенн – не превышает 7 мм (~2% длины волны сигнала той же частоты). Объемно-структурированные спиральные антенны, в частности их спирально-винтовые варианты, свободно размещаются в корпусе мобильного телефона.
Недостаток ДН спиральных монополей, впрочем, как и обычных вибраторов, – необходимость вертикальной ориентации для обеспечения наилучшего режима излучения (приема) антенны. Однако это условие, как правило, не всегда выполняется. К тому же, излучение рассмотренных вибраторных антенн одинаково как в свободное пространство, так и по направлению к пользователю. Поэтому интерес представляют антенны, у которых характер изменения ДН наиболее безопасен для владельца телефона и слабо зависит от ориентации корпуса аппарата в пространстве. Популярным вариантом подобных низкопрофильных всенаправленных излучателей стало семейство планарных инверсных L- и F-образных антенн.
Антенны инверсного типа ILA, IFA и DIFA
Первым образцом таких антенн можно считать простейший L-образный вибратор, располагаемый в перевернутом виде (отсюда термин "инверсный") над плоским экраном (рис.5) [5]. Такой согнутый монополь использовался еще Дж. Маркони. Сейчас его применение – следствие естественного стремления спрятать антенный излучатель внутрь мобильных телефонов, разместив его вдоль длинной стороны корпуса. В отечественной литературе вибратор этого вида известен как Г-образный [6].
На вертикальный сегмент перевернутого L-вибратора подается питание. Свободный его конец через воздух либо диэлектрик оказывается нагруженным на эквивалентную емкость, образуемую воздушным промежутком или диэлектриком, расположенным между горизонтальным сегментом и экраном. Перевернутая L-антенна (Inverted-L Antenna, ILA) достаточно проста в изготовлении. По многим электрическим характеристикам она подобна короткой монопольной антенне. Так, ее диаграмма направленности почти идентична ДН короткого монополя, который является всенаправленным в плоскости, перпендикулярной его оси, и не излучает в соосном направлении. Однако вследствие дополнительного излучения, обусловленного геометрией перевернутого L-вибратора, его ДН несимметрично деформирована в плоскости, где у обычного вибратора ДН круговая. Резонансная длина волны L-вибратора определяется его геометрическими размерами согласно выражению [5]:
lr = 4 (H + L), (1)
где H – высота вибратора над заземленным экраном, L – длина его горизонтального сегмента.
Как и у обычного монополя, активное сопротивление перевернутой L-антенны мало (не более 4 Ом), а реактивность составляет сотни ом, что затрудняет согласование с питающей линией.
Граничное соотношение для предельной добротности электрически малой ILA вывел Вен Джиэй (Wen Geyi) [7]:
,(2)
где а – радиус проводника, из которого изготовлена ILA, h – высота горизонтального плеча над экраном, b – длина горизонтального плеча, k – волновое число.
На самом деле в этом выражении содержится опечатка, которую несложно обнаружить, если подставить в левую часть формулы добротности антенны (2) полученные Джиэй приближенные значения излучаемой мощности P » 5h2k2 |I0|2 и запасенной энергии
,
где h = 120 p, |I0| – модуль амплитуды тока антенны. В результате такой подстановки получим выражение
, (3)
которое после преобразований примет окончательный вид:
(4)
При b = 0 это уточненное выражение, а не (2), приведенное в [7], сводится к формуле добротности линейного монополя. Согласно утверждению Джиэй, в случае h = b соотношение (2) может быть упрощено [7]:
. (5)
Однако такой результат следует лишь из скорректированной формулы (4):
.
Как видно, значение добротности, получаемое из выражения (5), примерно в два раза меньше значения добротности прямолинейной антенны. Это соответствует физической картине реальных электромагнитных процессов. Поэтому полоса пропускания ILA теоретически в два раза превышает аналогичный показатель линейного монополя.
Внутреннее сопротивление ILA, согласно Андрю Гобийну (Andrew T. Gobien) [8], может быть рассчитано по приближенной формуле:
. (6)
Правда, ряд специалистов [5] отдают приоритет в выводе формулы (6) Вэншу (Wunsch), автору публикации [9]. А. Гобийн же получил это соотношение на основе комплексной теоремы Пойтинга в предположении линейного изменения тока в антенне [8]. В ходе выкладок он пренебрег значениями четвертого порядка малости. Такое допущение приемлемо в случае малой длины сегментов ILA. Формула (6) более удобна для расчетов по сравнению с методикой, изложенной в [6], которая опирается на синусоидальное распределение тока с учетом действующей (эффективной) высоты L-образного вибратора.
Реактивная составляющая внутреннего сопротивления приемной ILA определяется, в соответствии с [8], более сложной зависимостью:
, (7)
где a0 – диаметр провода, L = La + a0, T = 1 - a0/h.
Это выражение здесь скорректировано с целью устранения опечатки, которая содержится в формуле, приведенной в [8]. Речь идет о знаке перед слагаемым 5(kh)2/8 уравнения (7). В работе [8] перед ним одновременно присутствуют знаки "+" и "-". Сделать правильный выбор из этой альтернативы позволяет выражение для реактивности ILA, предложенное Вэншом в [9], которое дает более точные результаты по сравнению с (7) при малых значениях kL, а именно:
(8)
Это выражение, согласно [8], должно практически совпадать с формулой (7) при kL > 0,15 и а0/h < 0,1, что и было учтено при корректировке окончательного вида (7).
В случае электрически малых ILA, для которых выполняются условия kh < 0,5 и kL < 0,5, при расчете активной составляющей внутреннего сопротивления также следует учитывать диаметр провода, из которого изготовлена антенна. Как отмечено в [8], применительно к такой задаче существует более строгая оценка активной составляющей внутреннего сопротивления ILA, полученная в [9]:
(9)
Разница в значениях сопротивлений, рассчитанных по формулам (9) и (6), достигает 20%.
Помимо проволочных ILA возможен альтернативный вариант их выполнения на основе микрополосковых линий. Так, для ноутбуков предложено использовать печатный вариант двухдиапазонной антенны, в которой ILA выполнена в виде щели (рис.6а) [10]. Габариты антенны – 5 x 34 мм2. Она рассчитана на работу в диапазонах частот WLAN-сетей (2,4/5,2 ГГц). При этом ширина полосы пропускания в первом диапазоне, согласно полученным результатам экспериментальных измерений, превышает 7%, а во втором – 10% [10]. Как и всякое многодиапазонное решение, такая антенна проигрывает в направленных свойствах полуволновым вибраторам, рассчитанным на конкретный диапазон. Место указанной антенны в ряду других альтернативных решений показано на рис.7 (вариант 5). Как видно, плата за компактность в данном случае незначительна и не превышает 3,1 дБи по сравнению с печатным диполем (рис. 7, вариант 6), коэффициент усиления которого в диапазоне 2,4 ГГц равен 5,8 дБ по отношению к изотропной антенне, т. е. 5,8 дБи. Для частот в районе 5,2 ГГц эта разница составляет всего 0,2 дБи. Следует иметь в виду, что для многих приложений предпочтительна минимальная направленность антенны.
Перевернутая F-образная антенна (Inverted-F antenna, IFA) стала следующим шагом в развитии конструкции L-вибратора. Антенна этого типа представляет собой, по сути, два соосных L-вибратора разной длины (рис.8) [5]. 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 VSWR может быть менее 2 (рис.9). Однако при этом ширина рабочей полосы частот составляет всего 1,5 % (полоса типичных проводных F-образных антенн не превышает 2% [5]), что слишком мало для средств мобильной связи.
F-образная антенна – достаточно старый тип антенны. Изначально она предназначалась для военной авиационной и ракетной техники. Ее появление связывают с изобретением в 50-е годы прошлого столетия сотрудником корпорации Northrop доктором Джозефом Бойером (Joseph M. Boyer) так называемого непосредственно управляемого кольцевого излучателя (Directly Driven Ring Radiator, DDRR) [11]. Внешне DDRR напоминает свернутую в кольцо IFA в плоскости, перпендикулярной фидеру. При этом на свободном конце кольцевой линии в DDRR использовался перестраиваемый конденсатор, что позволяло управлять резонансной частотой и согласованием антенны (рис.10). Позже F-образные антенны нашли применение и в радиолюбительских устройствах.
Подобно ILA, известны также и печатные варианты F-образных антенн (рис.11) [12].
Для расширения рабочего диапазона частот нередко используется гибридная конструкция, состоящая из двух параллельно расположенных над металлическим экраном L- и F-образных вибраторных антенн. Это – так называемая двойная перевернутая F-антенна (DIFA) [5]. В таком варианте конструкции L-антенна – пассивный элемент. Ее длина равна или почти равна протяженности перевернутой F-антенны (рис.12) [5]. Подобное решение позволило вдвое расширить предельную полосу пропускания, доведя ее до 4% от номинала резонансной несущей частоты. Впрочем, даже такой полосы недостаточно для средств мобильной связи, учитывая разнос частот передающего и приемного каналов (например, в диапазоне частот стандарта DAMPS 824–894 МГц с центральной частотой 859 МГц полоса рабочих частот должна составлять 8,1% номинала резонансной). Кроме того, габариты DIFA чрезвычайно велики – 0,6х8,6 см.
При внимательном рассмотрении структуры DIFA возникает вопрос об эффективности использования нескольких L-антенн совместно с F-вибратором. Поиски ответа на него стимулировали переход к качественно новой конструкции – планарной F-образной антенне (Planar Inverted-F Antenna, PIFA) [4, 5, 13, 14]. Именно антенну этого типа большинство специалистов считают приемлемой альтернативой спиральным вибраторам. Типичная однодиапазонная PIFA показана на рис.13.
Вырожденным случаем PIFA являются планарные модификации инверсной L-антенны – PILA. Так, специалистами Университета Пизы предложена конструкция антенны с круглым планарным излучателем, рабочая полоса частот которой в диапазоне 2,5–3,5 ГГц составляет 45% (!) при VSWR = 2 и 30% при VSWR = 1,5 [15]. Правда, при столь широкой полосе ДН антенны на краях рабочего диапазона заметно деформируется.
Следует отметить, что поиск в патентной базе США (www.delphion.com) описаний планарных модификаций инверсной F-антенны по ключевым словам "Planar Inverted-F" выявил более 105 патентов, посвященных усовершенствованию конструкции PIFA, из которых 95 зарегистрированы в последние пять лет. Это свидетельствует о настоящем буме в развитии данного типа антенн и их большой востребованности в современной технике мобильной связи. О том, чем вызван такой повышенный интерес и о достоинствах PIFA, речь пойдет в следующей публикации автора.
Литература
1. Курушин А. Спиральные антенны в сотовых телефонах – ChipNews., 2001, № 10. – http://www.chip-news.ru/ archive/chipnews/200110/3.html.
2. Wheeler H. A. A Helical Antenna for Circular Polarization.– Proceedings of the IRE, Dec. 1947, p.1484–1488.
3. Ghoreishian I. The Spiro-Helical Antenna. – Thesis for the Degree of Master of Science in Electrical Engineering. – Virginia Polytechnic Institute and State University.
Blacksburg, Virginia Tech. Aug., 1999. –
http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-120899-112725/unrestricted/etdig.pdf.
4. Wong Kin-Lu. Planar Antennas for Wireless Communications. – New York, Wiley-Interscience, 2003.
5. Cummings N.P. Low Profile Integrated GPS and Cellular Antenna. – Master Thesis. – Blacksburg, Virginia Polytechnic Institute. Oct. 31, 2001. –
http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-11132001-145613/unrestricted/etd.pdf.
6. Корбанский И.Н. Антенны. – М.: Энергия, 1973.
7. Geyi Wen. A Method for the Evaluation of Small Antenna Q. -IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Aug. 2003, v.51, N8. – http://www.hep.princeton.edu/~mcdonald/examples/EM/geyi_ieeetap_51_2124_03.pdf.
8. Gobien A.T. Investigation of Low Profile Antenna Designs for Use in Hand-Held Radios.– Master Thesis of Science in Electrical Engineering. – Virginia Polytechnic Institute and State University. Aug. 1, 1997. – http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-7697-21043.
9. Wunsch D.A. A Closed-Form Expression for the Driving Point Impedance of the Small Inverted-L Antenna.–
IEEE Transactions on Antennas and Propagation,
Feb. 1996, v.44, N2.
10. Su C.M., Chen H.T. and Wong K.L. Inverted-L slot antenna for WLAN operation. – Microwave Optical Techn. Lett., June 5, 2003, v.37, p.315–316.
11. Пат. 3247515. CI. 343-742 США. Low Profile Antenna./Joseph M. Boyer. – Patented Apr. 19,
1966. – Filed Mar. 4, 1963.
12. Chen Yen-Yu. Novel Antenna Designs for a PCMCIA Card.– Master of Science Degree Thesis. –
National Sun Yat-Sen University. Taiwan. May 24, 2003. – http://etd.lib.nsysu.edu.tw/ETD-db/ETD-search/
getfile?URN=etd-0620103-170116&filename=td-0620103-170116.pdf.
13. Ciais P., Luxey C., Diallo A., Staraj R., Kossiavas G. Design of Internal Multiband Antennas for Mobile Phone and WLAN Standards. – Joint COST 273/284 Workshop on Antennas and Related System Aspects in Wireless Com-munications, June 7–10, 2004. – Chalmers University of Technology Gothenburg, Sweden. – http://www.s2.chalmers.se/costworkshop/workshop_papers/126.pdf.
14. Serra A. Antenne Per Terminali Mobili.–Universita Degli Studi Di Pisa.-http://www2.ing.unipi.it/~o1443499/Files_Appunti/Antenne_per_terminali_mobili.pdf.
15. Chen Z. N. and Chia M. Y. W. A Circular planar inverted-L antenna with vertical ground plane. – Microwave and Optical Technology Letters, Nov., 2002, v.35, N4,
p.315–317. http://www1.i2r.a-star.edu.sg/~chenzn/MOTL-1102.pdf.
Отзывы читателей
