Многоуровневая антенна
Изобретение относится к области антенн. Техническим результатом является работа антенны одновременно на нескольких частотах и значительное уменьшение размера. Сущность изобретения заключается в том, что соответствующий излучающий элемент содержит по меньшей мере одну многоуровневую структуру, образованную набором подобных геометрических элементов (многоугольников или многогранников), электромагнитно связанных друг с другом и сгруппированных так, что в структуре антенны можно идентифицировать каждый из основных составляющих элементов. 35 з.п. ф-лы, 13 ил.
Данное изобретение относится к области антенн и более точно касается антенн, образованных наборами подобных геометрических элементов (многоугольников, многогранников), связанных электромагнитно и сгруппированных так, что в структуре антенны можно различать каждый из основных элементов, образующих ее.
Изобретение относится к специальной геометрической конструкции, с помощью которой обеспечиваются два основных преимущества: антенна может работать одновременно на нескольких частотах и/или можно значительно сократить ее размеры.
Настоящее изобретение применяется в основном в области телекоммуникаций, в частности, в радиосвязи.
Антенны были впервые разработаны в конце девятнадцатого столетия, после того, как Джеймс К. Максвелл в 1864 году сформулировал основные законы электромагнетизма. Генрих Герц изобрел первую антенну в 1886 году, с помощью которой была продемонстрирована передача электромагнитных волн. В 1940-х годах были показаны основные ограничения антенн относительно уменьшения их размеров относительно длины волны, а в начале 1960-х годов появились первые не зависящие от частоты антенны. В это время в качестве конструкций широкополосных антенн были предложены спирали, логопериодические группы, конуса и структуры, заданные только углами.
В 1995 г. стал известен фрактальный или мультифрактальный тип антенн (патент Испании ES-A-9501019), которые за счет их геометрической формы имели многочастотные характеристики и в определенных случаях также небольшие размеры. Позднее были предложены мультитреугольные антенны (патент Испании ES-A-9800954), которые могли одновременно работать в диапазонах GSM 900 и GSM 1800.
Антенны, предложенные в данном изобретении, в качестве предшествующего уровня техники имеют антенны фрактального и мультитреугольного типа, однако за счет своих существенных признаков позволяют решать многие проблемы практического характера, которые ограничивали характеристики антенн из уровня техники и уменьшали возможности их практического применения.
С научной точки зрения выполнение идеально фрактальных антенн невозможно, поскольку фрактальные объекты являются математической абстракцией, которая включает бесконечное число элементов. Можно создать антенны с формой, основанной на указанных фрактальных объектах, включающей конечное число итераций. Свойства таких антенн ограничены специфичной геометрической формой каждой из них. Например, значение диапазонов частот и их относительное расположение связаны с геометрией фракталов, поэтому не всегда возможно сконструировать практичные и экономичные антенны, сохраняющие свой фрактальный тип и в то же время имеющие рабочие диапазоны частот в требуемых зонах радиоэлектрического спектра. Например, разветвление представляет собой наглядный пример ограничений, возникающих при использовании реальной антенны фрактального типа, которая приближается к теоретическим характеристикам идеальной фрактальной антенны. Указанный эффект переводит характеристики идеальной фрактальной структуры на более низкий диапазон частот, смещая его из теоретически рассчитанной области в область других диапазонов, и приводит к тому, что для практического применения необходима антенна слишком большого размера, что является существенным ограничением.
Дополнительно к этим практическим ограничениям не всегда возможно изменить известную из уровня техники фрактальную структуру для обеспечения полного сопротивления и диаграммы излучения, которые бы отвечали требованиям различного вида применения этих антенн. Из-за названных причин часто приходится отходить от фрактальной геометрии и обращаться к другим типам геометрии, которые обеспечивают большую гибкость в отношении положения диапазонов частот антенн, уровней согласования полных сопротивлений, диаграмм поляризации и излучения.
Были предложены мультитреугольные структуры (патент Испании ES-A-9800954), которые были примером не фрактальных структур с геометрией, выполненной так, что антенны можно использовать в базовых станциях сотовой телефонной связи стандартов GSM и DCS. Антенны, раскрытые в указанном патенте, состоят из трех треугольников, соединенных только в их вершинах, с размерами, соответствующими требованиям, предъявляемым для использования в диапазонах 890-960 МГц и 1710-1880 МГц. Это было узко специализированное решение для конкретных условий применения, и оно же обеспечивало гибкость и универсальность, необходимые для конструкций антенн для других условий применения.
Предложенные в рамках настоящего изобретения многоуровневые антенны устраняют указанные ограничения по условиям применения, присущие фрактальным и мультитреугольным системам. Их геометрия является более гибкой и разнообразной, обеспечивающей работу антенны в двух и более диапазонах. Предложенная геометрия обеспечивает большую гибкость в отношении диаграмм, расположения диапазонов и уровней полного сопротивления, а также дает ряд других преимуществ. Хотя многоуровневые антенны не являются фрактальными, они характеризуются тем, что содержат множество элементов, которые можно различать в общей структуре. За счет того, что они четко показывают несколько уровней детализации (детализации всей структуры и детализации отдельных элементов, которые ее составляют), многоуровневые антенны обеспечивают многодиапазонные характеристики и/или небольшие размеры. Их наименование также отражает указанное свойство.
Данное изобретение состоит из антенны, излучающий элемент которой характеризуется своей геометрической формой, которая содержит в основном многоугольники или многогранники одного и того же типа. То есть, он содержит, например, треугольники, квадраты, пятиугольники, шестиугольники или даже круги и эллипсы в качестве предельного случая многоугольников с большим числом сторон, а также четырехгранники, шестигранники, призмы, двенадцатигранники и т.д., соединенные друг с другом электрически или электромагнитно (по меньшей мере через одну точку контакта или через небольшой разрыв, обеспечивающий емкостную связь) и сгруппированные в структуры более высокого уровня, так что в теле антенны можно идентифицировать многоугольные или многогранные элементы, которые его составляют. В свою очередь, структуры, созданные таким образом, могут быть сгруппированы в структуры еще более высокого порядка, аналогично основным элементам, и так далее до достижения такого числа уровней, которое желательно для конструктора антенны.
Обозначение предложенной антенны, как многоуровневой антенной обусловлено как раз тем фактом, что в теле антенны можно идентифицировать по меньшей мере два уровня детализации: детализации всей структуры и детализации большинства составляющих ее элементов (многоугольников или многогранников). Это достигается за счет обеспечения того, что зона контакта или пересечения (если она существует) между большинством образующих антенну элементов является только некоторой частью периметра или окружающей зоны указанных многоугольников или многогранников.
Особенным свойством многоуровневой антенны является то, что ее радиоэлектрические характеристики могут быть аналогичными в нескольких частотных диапазонах. Входные параметры антенны (полное сопротивление и диаграмма направленности) остаются аналогичными в нескольких частотных диапазонах (то есть, антенна имеет одинаковый уровень согласования или коэффициента стоячей волны в каждом отдельном диапазоне). В большом числе случаев предложенная антенна имеет почти идентичную диаграмму излучения при разных частотах. Это обеспечивается многоуровневой структурой антенны, то есть тем фактом, что в антенне сохраняется возможность идентификации в ней большинства составляющих ее основных элементов (многоугольников или многогранников одного типа). Число частотных диапазонов пропорционально числу масштабов или размеров многоугольных элементов или подобных наборов, в которые они сгруппированы, содержащихся в геометрии основного излучающего элемента.
Дополнительно к их многодиапазонным характеристикам, предложенные антенны с многоуровневой структурой обычно имеют меньшие размеры по сравнению с другими антеннами с более простыми структурами (такими, как состоящими из одного многоугольника или одного многогранника). Это обусловлено тем, что путь прохождения электрического тока в многоуровневых структурах является более длинным и имеет больше витков, чем при простой геометрии из-за пустых пространств между различными многоугольными или многогранными элементами. Эти пустые пространства принудительно задают путь для тока (который должен обходить указанные пространства), который проходит большее расстояние и поэтому резонирует на более низкой частоте. Дополнительно к этому, ее насыщенная многочисленными кромками и разрывами структура упрощает процесс излучения, за счет увеличения сопротивления излучения антенны и уменьшения добротности Q, т.е. увеличения ширины ее полосы пропускания.
Таким образом, основными признаками предложенной многоуровневой антенны являются:
- многоуровневая геометрия, содержащая многоугольники или многогранники одного и того же класса, электромагнитно связанные и сгруппированные с образованием большой структуры. В многоуровневой геометрии большинство из этих элементов четко различимы, поскольку протяженность зоны их контакта, пересечения или взаимного соединения (если таковые имеются) с другими элементами всегда меньше 50 % их периметра;
- радиоэлектрические характеристики, обусловленные геометрией: многоуровневые антенны могут иметь многодиапазонные характеристики (идентичные или подобные для нескольких частотных диапазонов) и/или работать на пониженной частоте, что позволяет уменьшить их размеры.
Из уровня техники известны описания некоторых конструкций антенн, которые обеспечивают перекрытие нескольких диапазонов. Однако в этих конструкциях многодиапазонные характеристики достигаются посредством группирования нескольких одно-диапазонных антенн или посредством встраивания реактивных элементов в антенны (сосредоточенных элементов, таких как индуктивности или конденсаторы, или их интегрированные версии, такие как штыри или прорези), которые принудительно вызывают появление новых резонансных частот. В противоположность этому, характеристики многоуровневых антенн основываются на их особой геометрии, что обеспечивает конструктору антенн большую гибкость относительно числа диапазонов (пропорционально числу уровней элементов), расположения, относительных расстояний и ширины, за счет чего обеспечиваются более высокие и более разнообразные характеристики проектируемой антенны.
Многоуровневую структуру можно использовать в любой известной конфигурации антенн. В качестве не ограничивающего примера можно назвать: диполи, несимметричный вибратор, накладные и микрополосковые антенны, копланарные антенны, зеркальные антенны, витые антенны или даже антенные решетки. Конкретная технология изготовления не является существенной для многоуровневых антенн согласно изобретению, поскольку можно использовать наиболее подходящую технологию для каждой структуры или каждого применения. Например, можно использовать следующие технологии: печать на диэлектрической подложке с помощью фотолитографии (технологии печатных плат), штамповка из металлических пластин, оттиск на диэлектрике.
В публикации WO 97/06578 раскрыта фрактальная антенна, которая не имеет существенных общих признаков с многоуровневой антенной согласно изобретению, поскольку обе имеют по существу разную геометрию.
Другие признаки и преимущества устройства по настоящему изобретению следуют из приведенного ниже подробного описания конкретного предпочтительного варианта выполнения изобретения, приведенного только в целях иллюстрации и не являющегося ограничением изобретения, которое ведется со ссылками на фигуры, на которых:
фиг.1 изображает конкретный пример многоуровневого элемента, содержащего только треугольные многоугольники;
фиг.2 - примеры сборки многоуровневых антенн в нескольких конфигурациях: несимметричный вибратор (2.1), диполь (2.2), накладка (2.3), копланарная антенна (2.4), рупор (2.5-2.6) и решетка (2.7);
фиг.3 - примеры многоуровневых структур на основе треугольников;
фиг.4 - примеры многоуровневых структур на основе параллелограмма;
фиг.5 - примеры многоуровневых структур на основе пятиугольников;
фиг.6 - примеры многоуровневых структур на основе шестиугольников;
фиг.7 - многоуровневые структуры на основе многогранников;
фиг.8 - пример многоуровневой антенны с накладной конфигурацией для специального рабочего режима базовых станций GSM (900 МГц) и DCS (1800 МГц) сотовых телефонных систем;
фиг.9 - график входных параметров (потери на отражение при сопротивлении 50 Ом) для многоуровневой антенны, показанной на фиг. 8;
фиг.10 - диаграммы направленности для многоуровневой антенны, показанной на фиг. 8, - в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
фиг.11 - пример многоуровневой антенны с несимметричной вибраторной конструкцией для специального рабочего режима внутренних систем беспроводной связи или для местной сети с радиодоступом;
фиг.12 - входные параметры (потери на отражение при сопротивлении 50 Ом) для многоуровневой антенны, показанной на фиг. 11;
фиг.13 - диаграммы направленности для многоуровневой антенны, показанной на фиг. 11.
В приведенном ниже подробном описании данного изобретения используются ссылки на фигуры, на которых одинаковыми цифровыми позициями обозначены идентичные или подобные части.
Данное изобретение относится к антенне, которая включает по меньшей мере один конструкционный элемент в виде многоуровневой структуры. Многоуровневая структура характеризуется тем, что она образована путем собирания нескольких многоугольников или многогранников одного типа (например, треугольников, параллелограммов, пятиугольников, шестиугольников и т.д., даже кругов или эллипсов в качестве специальных предельных случаев многоугольника с большим числом сторон, а также четырехгранников, шестигранников, призм, двенадцатигранников т.д.), соединенных друг с другом электромагнитно за счет близкого расположения или посредством прямого контакта между элементами. Многоуровневая структура или фигура отличается от другой обычной фигуры именно особенностями взаимного соединения (если оно существует) между образующими ее элементами (многоугольниками или многогранниками). В многоуровневой структуре по меньшей мере 75 % составляющих ее элементов имеют более 50 % их периметра (для многоугольников) не в контакте с любым из других элементов структуры. Таким образом, в многоуровневой структуре большинство базовых составляющих элементов легко идентифицировать геометрически и различать по отдельности. Многоуровневая структура представляет собой по меньшей мере два уровня детализации: уровень всей структуры и уровень многоугольных или многогранных элементов, которые ее образуют. Ее название обусловлено именно этой характеристикой и тем фактом, что в нее могут быть включены многоугольники или многогранники с большим разнообразием размеров. Дополнительно к этому, можно группировать и соединять электромагнитно друг с другом несколько многоуровневых структур для образования структур более высокого уровня. В многоуровневой структуре все составляющие элементы являются многоугольниками с одинаковым числом сторон или многогранниками с одинаковым числом граней. Естественно, что это свойство нарушается, когда группируются и электромагнитно соединяются несколько многоуровневых структур разного характера для образования метаструктур более высокого уровня.
На фиг.1-7 показаны некоторые конкретные примеры многоуровневых структур.
На фиг.1 показан многоуровневый элемент, состоящий исключительно из треугольников разных размеров и форм. Необходимо отметить, что в этом конкретном случае каждый и все элементы (черные треугольники) можно различать, поскольку треугольники накладываются друг на друга только в небольшой зоне их периметра, в данном случае у их вершин. На фиг.2 показаны компоновки многоуровневых антенн в различных конфигурациях: несимметричного вибратора (2.1), диполя (2.2), накладки (2.3), копланарной антенны (2.4), катушки (вид сбоку - 2.5 и вид спереди - 2.6) и решетки (2.7). В связи с этим необходимо отметить, что независимо от своей конфигурации многоуровневая антенна отличается от других антенн геометрией своих характеристичных излучающих элементов.
На фиг.3 показаны другие примеры многоуровневых структур 3.1-3.15, при этом они все состоят из треугольников. Необходимо отметить, что случай 3.14 является эволюцией случая 3.13, несмотря на контакт между 4 треугольниками, 75 % элементов (три треугольника за исключением центрального) имеют более 50 % периметра свободным.
На фиг.4 показаны многоуровневые структуры 4.1-4.15, образованные параллелограммами (квадратами, прямоугольниками, ромбами). Необходимо отметить, что составляющие элементы всегда можно идентифицировать по отдельности (по меньшей мере большинство из них). В частности, в случае 4.12 указанные элементы имеют 100 % своего периметра свободным, при этом нет какого-либо физического соединения между ними (связь обеспечивается их близостью за счет взаимной емкости между элементами).
На фиг.5, 6 и 7 показаны другие не ограничивающие изобретение примеры выполнения других многоуровневых структур на основе соответственно пятиугольников, шестиугольников и многогранников.
Необходимо отметить, что отличие между многоуровневыми антеннами и другими существующими антеннами лежит в особой геометрии, а не в их конфигурации в качестве антенны или в используемых для конструкции материалах. Таким образом, многоуровневую структуру можно использовать в любой известной конфигурации антенн. В качестве неограничивающих примеров можно привести следующие: диполи, несимметричный вибратор, накладные или микрополосковые антенны, копланарные антенны, зеркальные антенны, намотанные антенны или даже решетки. В целом многоуровневая структура образует часть характерного для указанных конфигураций излучающего элемента, такого как плечо, противовес или оба в несимметричном вибраторе, одно плечо или оба в диполе, излучатель или печатный элемент в микрополосковой, накладной или копланарной антенне; зеркало для зеркальной антенны или коническая часть или даже стенки антенны в антенне рупорного типа. Возможно также использование в конфигурации антенны спирального типа, в которой геометрия витка или витков является наружным периметром. многоуровневой структуры. В целом различие между многоуровневой антенной и обычной антенной состоит в геометрии излучающего элемента или одного из ее компонентов, а не в ее специфической конфигурации.
Что касается материалов и технологии, то осуществление многоуровневых антенн не ограничивается ни одним из этих признаков. Можно использовать любые из существующих в настоящее время или разработанных в будущем технологий, рассматриваемых в качестве наиболее подходящих для каждого применения, поскольку сущность изобретения состоит в геометрии, используемой в многоуровневой структуре, а не в ее конфигурации. Таким образом, многоуровневая структура может быть образована, например, из листов, частей проводящего или сверхпроводящего материала, посредством печати на диэлектрических подложках (жестких или гибких) с металлическим покрытием как для печатных плат, посредством укладки друг на друга нескольких диэлектрических материалов, которые образуют многоуровневую структуру и т.д., конкретный выбор всегда зависит от специфических требований каждого случая и применения. После формирования многоуровневой структуры порядок выполнения антенны зависит от выбранной конфигурации (несимметричный вибратор. диполь, набор, рупор, зеркало). Для несимметричного вибратора, спирали, диполя и накладной антенны многоуровневая структура может быть осуществлена на металлической опоре (распространенная процедура изготовления включает применение фотолитографического процесса к необработанной диэлектрической пластине для печатных схем), далее структуру устанавливают на стандартный микроволновый разъем, который в случае несимметричного вибратора или накладки соединяют в свою очередь с противовесом (обычно металлической плитой или коробкой), также как в любой известной антенне. В случае диполя две идентичные многоуровневые структуры образуют два плеча антенны. В антенне с раскрывом многоуровневая геометрия может быть частью металлической стенки рупора или его поперечного сечения. Наконец, в случае зеркала многократный элемент или его набор могут образовывать или покрывать зеркало.
Большинство релевантных свойств многоуровневых антенн обуславливаются их геометрией и состоят в следующем: возможность работы в нескольких частотных диапазонах подобным образом (подобное полное сопротивление и диаграмма направленности) и возможность уменьшения их размеров по сравнению с другими обычными антеннами, основанными исключительно на одном многоугольнике или многограннике. Такие свойства особенно полезны в области систем связи. Одновременная работа в нескольких частотных диапазонах позволяет одной многоуровневой антенне интегрировать несколько систем связи вместо выделения одной антенны для каждой системы или службы, как это обычно имеет место в настоящее время. Уменьшение размеров особенно целесообразно, когда антенну необходимо скрыть из-за ее визуального конфликта с городским или сельским ландшафтом или же из-за ее неэстетичного или неаэродинамичного воздействия при встраивании в транспортное средство или переносное телекоммуникационное устройство.
В качестве примера, демонстрирующего преимущества, получаемые за счет использования многоуровневой антенны в реальных условиях, ниже приводится описание многоуровневой антенны AM1, используемой в системах, работающих в телекоммуникащионных стандартах GSM и DCS. Эти антенны выполнены с возможностью соответствия радиоэлектрическим требованиям в обеих системах сотовой телефонной связи. Используя единственную многоуровневую антенну GSM и DCS для обоих диапазонов (900 МГц и 1800 МГц) операторы сотовой телефонии могут уменьшить стоимость и отрицательное воздействие на окружающую среду сетями своих станций при одновременном увеличении числа поддерживаемых сетью пользователей (клиентов).
Необходимо четко отличать многоуровневые антенны от фрактальных антенн. Последние основаны на фрактальной геометрии, которая основывается на абстрактных математических понятиях, которые трудно осуществить на практике. В специальной научной литературе в качестве фрактальных определяются геометрические объекты с неинтегральной размерностью Хаусдорфа. Это означает, что фрактальные объекты существуют только в виде абстракции или идеи, однако указанные геометрии являются не пригодными (в строгом смысле) для реального объекта или чертежа. То есть антенны, основанные на этой геометрии, были разработаны и широко описаны в научной литературе, хотя их геометрия не является строго фрактальной в научном смысле. Несмотря на это, некоторые из этих антенн обеспечивают многодиапазонные характеристики (их полное сопротивление и диаграмма направленности остаются практически постоянными в нескольких частотных диапазонах), но они сами по себе не обеспечивают все характеристики, необходимые для применения антенн в практических условиях. Так, например, антенна Серпинского имеет многодиапазонные характеристики для N диапазонов, разнесенных на фактор 2, и хотя при таком разнесении можно предполагать возможность ее использования для сетей связи GSM 900 МГц и GSM 1800 МГц (или DCS), ее неподходящая диаграмма для этих частот направленности и размеры исключают ее практическое использование в реальных условиях. Короче, для получения антенны, которая дополнительно к обеспечению многодиапазонных характеристик отвечает всем требованиям, предъявляемым для каждого специфического применения, почти всегда необходимо отойти от фрактальной геометрии и обратиться, например, к антеннам многоуровневой геометрии. Например, ни одна из структур, показанных на фиг. 1, 3, 4, 5 и 6, не является фрактальной. Для них всех их размерность Хаусдорфа равна 2, что то же самое, что и их топологическая размерность. Аналогичным образом, ни одна из многоуровневых систем на фиг. 7 не является фрактальной, при этом их размерность Хаусдорфа равна 3, также как их топологическая размерность.
В любом случае многоуровневые структуры нельзя путать с антенными решетками. Хотя правда, что решетка образуется из наборов идентичных антенн, элементы в них электромагнитно развязаны, и совершенно противоположное имеет место в многоуровневых антеннах. В решетке каждый элемент получает энергию независимо с помощью специальных передатчиков сигналов или приемников для каждого элемента, или с помощью сети распределения сигналов, в то время как в многоуровневой антенне структура возбуждается в небольшом числе ее элементов, а остальные связаны электромагнитно или посредством прямого контакта (через зону, которая не превышает 50 % периметра или поверхности смежных элементов). В решетке добиваются увеличения направленности отдельной антенны или формирования диаграммы направленности для специфического применения. В многоуровневой антенне целью является получение многодиапазонных характеристик или уменьшенных размеров антенны, что предполагает полностью отличное от решеток применение.
Ниже приводится описание только для целей иллюстрации двух неограничивающих объема изобретения примеров рабочих вариантов выполнения многоуровневых антенн (AM1 и АМ2) для специфических условий и применений.
Вариант AM1
Эта модель состоит из многоуровневой антенны накладного типа, показанной на фиг. 8, которая работает одновременно в диапазонах GSM 900 (890-960 МГц) и GSM 1800 (1710-1880 МГц) и обеспечивает секторную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Антенна предназначена в основном (хотя и не ограничивается этим) для использования в базовых станциях мобильной телефонии GSM 900 и 1800.
Многоуровневая структура 8.10, или излучатель (накладка) антенны состоит из напечатанного медного листа на стандартной стекловолоконной плате для печатных схем. Многоуровневая геометриясостоит из 5 треугольников 8.1-8.5, соединенных в своих вершинах, как показано на фиг. 8, при этом наружный периметр имеет форму равностороннего треугольника с высотой 8.6, равной 13,9 см. Нижний треугольник имеет высоту 8.7, равную 8,2 см, и вместе с двумя смежными треугольниками образует структуру с треугольным периметром с высотой 8.8, равной 10,7 см.
Многоуровневый излучатель 8.10 установлен параллельно плоскости прямоугольного противовеса 8.9 из алюминия с размерами 22×18,5 см. Расстояние между излучателем и плоскостью противовеса равно 3,3 см, которое зафиксировано с помощью пары действующих в качестве опоры диэлектрических распорок 8.12.
Соединение с антенной выполнено в двух точках многоуровневой структуры, по одной для каждого рабочего диапазона (GSM 900 и GSM 1800). Возбуждение обеспечивается посредством вертикального металлического штыря, перпендикулярного плоскости противовеса и многоуровневой структуры, заканчивающейся емкостным образом металлическим листом, который электрически связан за счет близости (емкостный эффект) с излучателем. Это является стандартной системой в антеннах накладной конфигурации, целью которой является компенсация индуктивного действия штыря с помощью емкостного действия его окончания.
У своего основания штырь возбуждения соединен с контуром, который соединяет элементы и порт доступа к антенне или разъему 8.13. Указанный соединительный контур может быть образован с помощью микрополосковой, коаксиальной или полосковой технологии, другой подходящей технологии и включает в себя обычные согласующие схемы, которые трансформируют полное сопротивление, измеренное у основания штыря, в 50 Ом ( с типичным допуском по коэффициенту стоячей волны менее 1,5, обычным для такого применения), необходимое на входном/выходном разъеме антенны. Обычно указанный разъем является разъемом типа N или SMA для применения в базовых станциях микросети.
Дополнительно к согласованию и обеспечению соединения с излучающим элементом, соединительный контур 8.11 может содержать диплексер, за счет чего он обеспечивает использование антенны в двух конструкциях разъема (одной для каждого диапазона) или в одном разъеме для обоих диапазонов.
При выполнении двойного разъема с целью увеличения изоляции между терминалами GSM 900 и GSM 1800 (DCS) основание штыря возбуждения диапазона DCS может быть соединено с параллельным шлейфом с электрической длиной, равной половине длины волны в центре диапазона DCS, заканчивающимся открытым контуром. Аналогичным образом, к основанию проводника GSM 900 может быть присоединен параллельный шлейф, заканчивающийся открытым контуром, с электрической длиной, немного большей одной четверти длины волны в центре диапазона GSM. Этот шлейф вносит емкость в основание соединения, которое можно регулировать для компенсации остаточного индуктивного действия штыря. Кроме того, указанный шлейф имеет очень низкое полное сопротивление в диапазоне DCS, что способствует изоляции между разъемами в указанном диапазоне.
На фиг.9 и 10 отображены типичные радиоэлектрические характеристики для этого специального варианта выполнения дуальной многоуровневой антенны.
На фиг.9 показаны графики, отображающие потери на отражение (Lr) в диапазонах GSM (фиг. 9.1) и DCS (фиг. 9.2) обычно менее -14 дБ (что эквивалентно коэффициенту стоячей волны (КСВ) менее 1,5), так что антенна хорошо согласована в обоих рабочих диапазонах (890-960 МГц и 1710-1880 Мгц).
На фиг.10 показаны диаграммы направленности в вертикальной плоскости (фиг. 10.1 и 10.3) и горизонтальной плоскости (фиг. 10.2 и 10.4). Можно четко видеть, что обе антенны излучают с использованием основного лепестка в направлении, перпендикулярном антенне (10. 1 и 10.3), и что в горизонтальной плоскости (10.2 и 10.4) обе диаграммы являются секторными с типичной шириной луча 65° на уровне 3 дБ. Типичная направленность (d) в обоих диапазонах составляет более 7 дБ.
Показанная на фиг.11 модель состоит из многоуровневой антенны в конфигурации несимметричного вибратора для беспроводных систем связи для использования внутри помещений или с локальным доступом с использованием радиосвязи.
Антенна работает аналогичным образом одновременно в диапазонах 1880-1930 МГц и 3400-3600 МГц, например, в установках системы модифицированной цифровой беспроводной телефонии (стандарт DECT). Многоуровневая структура образована тремя или пятью треугольниками (смотри фиг.11 и 3.6), к которым может быть добавлена индуктивная петля 11.1. Антенна имеет всенаправленную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и предназначена в основном (но не ограничиваясь этим) для установки на крыше или на пол.
Многоуровневая структура выполнена методом печати на диэлектрической подложке 11.2 Rogers® R04003 с шириной 5,5 см, высотой 4,9 см и толщиной 0,8 мм и с диэлектрической проницаемостью, равной 3,38. Многоуровневый элемент состоит из трех соединенных у вершин треугольников 11.3-11.5. Нижний треугольник 11.3 имеет высоту 1,82 см, в то время как многоуровневая структура имеет общую высоту 2,72 см. Для уменьшения общего размера f антенны многоуровневый элемент в данном конкретном варианте выполнения дополнен на своей верхней части индуктивной петлей 11.1 трапецеивидной формы, так что общий размер излучающего элемента равен 4,5 см.
Многоуровневая структура установлена перпендикулярно на металлической (например, алюминиевой) пластине 11.6 противовеса квадратной или круглой формы около 18 см в длину или в диаметре. Нижняя вершина элемента расположена в центре пластины противовеса и образует точку возбуждения антенны. В этой точке присоединена соединительная схема, которая связывает излучающий элемент с входным/выходным разъемом. Указанная соединительная схема может быть осуществлена, например, с помощью микрополосковой, полосковой или коаксиальной технологии. В данном конкретном примере использована микрополосковая конфигурация. Дополнительно к соединению между излучающим элементом и разъемом, схему можно использовать в качестве трансформатора полного сопротивления для приведения полного сопротивления у вершины многоуровневого элемента к 50 Омам (Lr<-14 дБ, КСВ<1,5), необходимым для входного/выходного разъема.
На фиг.12 и 13 показаны радиоэлектрические характеристики антенн в нижнем (1900 МГц) и верхнем (3500 МГц) диапазонах.
На фиг.12 показан коэффициент стоячей волны (КСВ) для обоих диапазонов: на фиг. 12.1 - для диапазона между 1880 и 1930 МГц и на фиг. 12.2 - для диапазона между 3400 и 3600 МГц. Они показывают, что антенна хорошо согласована, поскольку потери на отражение меньше 14 дБ, т.е. КСВ<1,5 во всем представляющем интерес диапазоне.
На фиг.13 показаны диаграммы направленности. Диаграммы 13.1, 13.2 и 13.3 отображают данные, полученные при 1905 МГц в вертикальной плоскости, горизонтальной плоскости и в плоскости антенны соответственно, а диаграммы 13.4, 13.5 и 13.6 - при 3500 МГц в вертикальной плоскости, горизонтальной плоскости и в плоскости антенны соответственно.
Можно видеть всенаправленную характеристику диаграммы в горизонтальной плоскости и типичную двухлепестковую диаграмму в вертикальной плоскости с типичной направленностью антенны около 4 дБ в диапазоне 1900 и 6 дБ в диапазоне 3500.
Относительно характеристик антенны необходимо отметить, что характеристики довольно сходные для обоих диапазонов (как по КСВ, так и по диаграмме направленности), что делает ее многодиапазонной антенной.
С целью защиты излучающего элемента и соединительной схемы от вредных воздействий окружающей среды, а также для придания привлекательного внешнего вида антенны AM1 и АМ2 обычно накрыты диэлектрическим обтекателем, который практически прозрачен для электромагнитного излучения.
Из приведенного описания изобретения специалисты в данной области техники способны понять его объем и преимущества, а также способы его выполнения.
Поскольку приведенное выше описание относится только к предпочтительному варианту выполнения изобретения, то необходимо понимать, что в рамках настоящего изобретения могут быть введены различные вариации деталей, размеров и/или материалов, используемых при изготовлении всего изобретения или любой из его частей.
1. Антенна, включающая, по меньшей мере, одну многоуровневую структуру, причем многоуровневая структура содержит множество многоугольных или многогранных элементов с одинаковым числом сторон или граней, причем не все указанные многоугольные или многогранные элементы имеют одинаковый размер и каждый из указанных элементов электромагнитно соединен, по меньшей мере, с одним многоугольным или многогранным элементом либо за счет непосредственного соединения, по меньшей мере, через одну точку контакта, либо через небольшое разделение, обеспечивающее электромагнитное соединение, причем площадь зоны или протяженность участка соединения между, по меньшей мере, 75% многоугольных или многогранных элементов больше 0,5% и меньше 50% их периметра или площади, что обеспечивает геометрическое различение в многоуровневой структуре большинства образующих ее многоугольных или многогранных элементов.
2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что выполнена в виде многодиапазонной антенны.
3. Антенна по п.1 или 2, отличающаяся тем, что многоуровневая структура содержит многоугольные или многогранные элементы, по меньшей мере, двух различных форм.
4. Антенна по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что не все зоны или участки контакта между многоугольными или многогранными элементами имеют одинаковую площадь или одинаковую протяженность.
5. Антенна по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что многоуровневая структура содержит, по меньшей мере, четыре многоугольных или многогранных элемента.
6. Антенна по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна многоуровневая структура образована исключительно из треугольников.
7. Антенна по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что многоуровневая структура образована исключительно многоугольниками одного вида, выбранными из группы, состоящей из четырехугольников, пятиугольников, шестиугольников, семиугольников, восьмиугольников, десятиугольников, двенадцатиугольников.
8. Антенна по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что многоуровневая структура образована исключительно кругами или эллипсами.
9. Антенна по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, одну многоуровневую структуру, образованную исключительно многогранниками.
10. Антенна по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, одну многоуровневую структуру, образованную исключительно цилиндрами или конусами.
11. Антенна по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что многоуровневая структура установлена в конфигурации несимметричного вибратора.
12. Антенна по п.11, отличающаяся тем, что многоуровневая структура установлена перпендикулярно плоскости противовеса.
13. Антенна по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что многоуровневая структура установлена, по существу, параллельно плоскости противовеса в конфигурации накладной антенны.
14. Антенна по любому из п.9 или 10, отличающаяся тем, что многоуровневая структура включена в один из излучающих элементов плоской микрополосковой или накладной структуры с, по меньшей мере, одним паразитным элементом.
15. Антенна по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что многоуровневая структура включена в, по меньшей мере, одно плечо антенны дипольной конфигурации.
16. Антенна по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что многоуровневая структура образует часть антенны, по-существу, копланарной конфигурации с плоскостью противовеса.
17. Антенна по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что многоуровневая структура образует, по меньшей мере, одну из поверхностей в пирамидальном рупоре.
18. Антенна по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что многоуровневая структура или ее периметр образует поперечное сечение антенны типа конического или пирамидального рупора.
19. Антенна по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что периметр многоуровневой структуры определяет форму, по меньшей мере, одного витка в антенне спирального типа.
20. Антенна по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что она приспособлена служить частью антенной решетки.
21. Антенна по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что многоуровневая структура выполнена из проводящего, сверхпроводящего или диэлектрического материала или из их комбинации.
22. Антенна по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что антенна имеет меньший размер по сравнению с круглой, квадратной или треугольной антенной, периметр которой может быть вписан в многоуровневую структуру и которая выполнена с возможностью работать на той же резонансной частоте.
23. Антенна по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что имеет многодиапазонные характеристики, обеспечивающие работу одновременно на нескольких частотах и тем самым совместное использование несколькими службами или системами связи.
24. Антенна по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что она приспособлена для применения в базовых станциях мобильной телефонии, в связных терминалах, таких, как передатчики или приемники, в транспортных средствах, спутниках связи или в радиолокационных системах.
25. Антенна по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что она приспособлена для использования в качестве многодиапазонного или миниатюрного резонатора.
26. Антенна по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что включает в себя соединительный контур, который соединяет многоуровневую структуру с входным/выходным разъемом и который приспособлен для организации согласующих схем для полных сопротивлений, фильтров или диплексеров.
27. Антенна по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что многоуровневая структура нагружена емкостными или индуктивными элементами для изменения ее размера, резонансной частоты, диаграммы направленности или полного сопротивления.
28. Антенна по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что содержит несколько многоуровневых структур одного и того же типа, имеющих одинаковое количество одинаковых многоугольных или многогранных элементов, с одинаковым их расположением и связью между этими элементами, образующих структуры первого уровня, причем данные структуры первого уровня сгруппированы в структуры более высокого уровня по принципу, аналогичному тому, по которому многоугольные или многогранные элементы образуют структуру первого уровня.
29. Антенна по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что многоуровневая структура включает пять треугольников, соединенных по своей вертикали, и образует внешний периметр в форме треугольника.
30. Антенна по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что многоуровневая структура включает пять треугольников, соединенных по своей вертикали, и трапециевидную индуктивную петлю, соединенную с ними в вершине.
31. Антенна по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что многоуровневая структура выполнена из медного печатного листа на подложке из стекловолокна.
32. Антенна по любому из пп.1-31, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью работы, по меньшей мере, в обоих диапазонах частот GSM и DCS.
33. Антенна по любому из пп.1-32, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью работы в многодиапазонном режиме, причем, по меньшей мере, один из диапазонов работы находится внутри диапазона частот от 890-960 МГц до 1710-1880 МГц.
34. Антенна по любому из пп.1-33, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью работы в многодиапазонном режиме, причем, по меньшей мере, один из диапазонов работы находится внутри диапазона частот от 1880-1930 МГц до 3400-3600 МГц.
35. Антенна по любому из пп.1-34, отличающаяся тем, что число ее рабочих частотных диапазонов пропорционально числу уровней в многоуровневой структуре.
36. Антенна по любому из пп.1-35, отличающаяся тем, что приспособлена для работы в переносном устройстве связи.
