Антенные устройства систем радиосвязи

Направленность излучения электромагнитных волн имеет большое значение в технике радиосвязи. В общем случае практически любой отрезок металлического проводника, по которому протекает переменный ток, создает в окружающем пространстве электромагнитное поле. Точно гак же в любом отрезке проводника, находящемся в электромагнитном поле, индуцируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). Уровень энергии электромагнитного ноля, возникающий в проводнике, существенным образом зависит от его конфигурации, соотношения размеров проводника и длины волны электромагнитных колебаний. Поэтому для излучения и приема электромагнитных колебаний, переносящих информацию, используются специфические устройства, называемые антеннами. Направленность излучения можно обеспечить, если антенна по размерам существенно превышает длину излучаемой или принимаемой волны.

Портативные антенны мобильных телефонов.

Бурное внедрение сотовой связи потребовало уменьшения массы и габаритных размеров телефонных трубок и их приемопередающих антенн. Разработку портативных антенн мобильных телефонов определяют два основных аспекта — приемлемая широкополосность (около 10% относительно значения несущей частоты) и максимальная равномерность электромагнитного излучения по азимутальному углу с высоким коэффициентом усиления. Эти условия противоречат тому факту, что антенна подносится близко к голове пользователя, которая по электрическим параметрам близка к поглощающему диэлектрическому эллипсоиду с размером главной оси, соизмеримым с длиной волны. При телефонных переговорах голова абонента поглощает и рассеивает электромагнитную энергию, излучаемую антенной, так, что нарушается азимутальная (меридиональная) равномерность излучения.

Наиболее простой способ достижения равномерного азимутального излучения — размещение антенны выше головы пользователя. Это требует применения для антенны неизлучающего основания размером не менее 15 см. Антенна в виде полуволнового симметричного вибратора или аналогичного излучателя имеет почти такую же длину. Общий размер основания и излучателя в этом случае составит около 30 см. Такие габаритные размеры недопустимы, так как размер сотового телефона не должен превышать 10 см, что приблизительно соответствует расстоянию между ртом и ухом взрослого человека. Разборная конструкция длиной 30 см представляет серьезные проблемы в постоянно уменьшающихся объемах мобильных радиотелефонов, поэтому на рынке подвижной связи нашли применение относительно малогабаритные антенны.

Шлейфовые антенны. Работающая в диапазоне 800—900 МГц шлейфовая антенна (рис. 1.41), представляет собой расположенный вертикально симметричный полуволновый вибратор, имеющий круговую диаграмму направленности в азимутальной плоскости. Вибратор состоит из двух проводников разного диаметра. Один из них соединен с центральным проводом питающей коаксиальной линии и должен иметь длину, близкую к А,/4, чтобы достичь хорошего согласования антенны в рабочей полосе частот. Проводник с бьльшим диаметром и разомкнутым концом (шлейф) имеет вид металлического стакана. Он соединен с внешней оплеткой питающей коаксиальной линии и выполняет функции реактивного сопротивления согласующего дросселя для высокочастотных токов. Дроссель наиболее эффективен, если отрезок линии, образованный внешним проводником коаксиальной линии и внутренней поверхностью шлейфа, настроен в резонанс на несущую частоту. Резонансная длина металлического шлейфа должна быть немного меньше А./4.

Работа антенны зависит от геометрических размеров питающей коаксиальной линии и формы металлических поверхностей корпуса телефона. Полуволновый вибратор имеет неоднородности диаметра в плече шлейфа- стакана и точке питания антенны. Ухудшения в работе наблюдаются за пределами диапазона ±5% частоты резонанса, поскольку в этом случае высокочастотные токи потекут по внешней поверхности питающей линии. Протекающие по корпусу радиотелефона высокочастотные токи частично поглощаются рукой абонента, увеличивая дополнительные омические потери и снижая коэффициент усиления антенны.

Шлейфовая антенна

Рис. 1.41. Шлейфовая антенна

Цилиндрические спиральные антенны. Такие антенны широко использовались в ранних конструкциях радиотелефонов. При соответствующем выборе параметров спиральные антенны (рис. 1.42) имеют обычно приемлемые габаритные размеры и весьма эффективны но равномерности электромагнитного излучения и коэффициенту усиления. Однако их рабочая полоса частот сравнительно невелика. Цилиндрическая спиральная антенна (рис. 1.42, а) представляет собой свернутый в спираль проводник 1, который питается через коаксиальную линию 2. Внутренний провод коаксиальной линии соединяется со спиралью, а внешняя оплетка — с небольшим металлическим диском 3. На рис. 1.42, а показаны размеры спирали антенны: а — радиус; s — шаг; L — длина по ее оси.

Цилиндрическая спиральная антенна

Рис. 1.42. Цилиндрическая спиральная антенна:

а — спираль; 6 — двойная спираль на корпусе радиотелефона

В спиральных антеннах портативных телефонов используется режим ненаправленного излучения, который реализуется при диаметре спирали , значительно меньшем длины волны (X > 12а). При этом в плоскости, совпадающей с осью спирали, диаграмма направленности имеет форму круговой восьмерки, а в плоскости витков антенна равномерно излучает во всех направлениях. Поскольку антенна (вместе с телефоном) практически всегда расположена вертикально, то используется меридиональное излучение радиоволн. В режиме излучения электромагнитных колебаний спиральная антенна радиотелефона на резонансной частоте возбуждает значительные уровни высокочастотных токов на корпусе, который становится частью излучающей системы. Возбужденные токи корпуса радиотелефона частично поглощаются рукой абонента, и ладонь руки в этом случае необходимо рассматривать как диэлектрический материал с омическими потерями, в котором находится корпус. Часть токов проходят от корпуса в руку и рассеиваются там, создавая дополнительный механизм потерь. Снижение коэффициента усиления спиральной антенны составляет около 3 дБ для человека с сухими руками.

Радиотелефонная спиральная антенна достаточно мала и в значительной степени затеняется головой абонента, находясь от нее на расстояниях 2—4 см. Провалы в диаграмме направленности спиральной антенны по сравнению с диаграммой направленности симметричного полуволнового вибратора достигают 10—12 дБ. Поэтому единственное достоинство спиральных антенн телефонов — их небольшой размер.

Сравнительно низкоэффективные рабочие характеристики и показатели спиральных антенн в диапазонах частот 800—900 МГц заставили разработчиков прибегнуть к их усложнению. Применяемые в настоящее время цилиндрические спиральные состоят из двух спиралей (рис. 1.42, 6) — первичной, жестко установленной на корпусе (длина 2—2,5 см при четвертьволновой электрической длине), и вторичной (длина 10 см при полуволновой электрической длине). Вторичная спираль размещается внутри корпуса телефона и в выдвинутом состоянии становится основным излучателем. Она запитывается концом первичной спирали, и в ней отсутствуют потери, вызванные рукой абонента.

Низкоирофильные антенны. В последние несколько лет в большинстве мобильных станций систем подвижной электросвязи стали широко применяться нетрадиционные излучатели нового тина. Наибольшее распространение в мобильных радиотелефонах получили микрополосковые и /7-образные низкопрофильные антенны (рис. 1.43).

Низкопрофильные антенны

Рис. 1.43. Низкопрофильные антенны:

а — базовая, или проволочная; б — полосковая плоскостная

Базовая, или проволочная, модель .Р-образной иизкопрофилыюй антенны показана на рис. 1.43, а. Данный вид антенны может быть получен путем изгиба несимметричного четвертьволнового вибратора в I-образную форму с последующей установкой на проводящей плоскости корпуса. Возбуждается антенна в смещенной от основания точке, к которой подключается внутренний проводник коаксиальной питающей линии. Внешняя оплетка коаксиальной линии соединяется с проводящей плоскостью корпуса.

Согласование полных сопротивлений Р'-образной антенны и линии достигается выбором положения точки питания. Частотный диапазон функционирования Р’-образной антенны пропорционален высоте Я.

Проволочная антенна стала основой для более эффективной плоскостной Р’-образной антенны, в которой излучающий элемент выполняется в виде полоски на двусторонней диэлектрической подложке (рис. 1.43, б). Подключение коаксиальной питающей линии в данной конструкции осуществляется так же, как и в проволочной модели. Плоскостная антенна является одним из основных типов внутренних встроенных антенн для перспективных моделей радиотелефона, и она может располагаться практически в любой части его корпуса.

Интеллектуальные антенны БПС. Подобные антенны представляют собой совокупность (решетку) определенным образом расположенных в одной плоскости (в площади квадрата или прямоугольника) отдельных элементарных излучателей электромагнитных волн, питаемых параллельно через индивидуальные устройства сдвига фаз (фазовращатели) одним источником высокочастотных колебаний (рис. 1.44) или системой когерентных (сфазированных) источников энергии.

Структурная схема фазированной антенной решетки

Рис. 1.44. Структурная схема фазированной антенной решетки

Электромагнитные поля, создаваемые каждым отдельным излучателем, суммируясь в пространстве вблизи антенны, образуют единый электромагнитный фронт волны. Это поле обычно представляет собой узконаправленный луч энергии — требуемую диаграмму направленности (см. рис. 1.44).

К важнейшему свойству фазированной антенной решетки (ФАР) относится возможность электронным способом, практически мгновенно, изменять положение диаграммы направленности (сканировать, от англ, scan — поле зрения) в пространстве путем одновременного изменения с помощью электронных фазовращателей Ф определенных значений фаз элементарного излучателя (сдвиг фазы составляет от 0 до иД(р; п — число излучателей; Дер — дискретный сдвиг фазы одного фазовращателя) сверхвысокочастотных колебаний, подводимых к каждому излучателю. Излучателей может быть много (до 10 000), и они управляются с помощью компьютера. Применение ФАР для создания остронаправленных диаграмм излучения позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства и способствует увеличению количества получаемой информации о местоположении в пространстве различных объектов, таких как ракеты, самолеты, корабли и т.д. Сейчас смарт-антенны позволяют изменять и положение луча, и мощность излучения в различных секторах. Смарт-антенна автоматически находит наиболее сильный сигнал для мобильного телефона.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >