Внешняя фрактальная wi-fi антенна
Владельцы патента RU 2624095:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) (RU)
Изобретение относится к области беспроводной связи и может быть использовано в беспроводных телекоммуникационных системах и комплексах. Внешняя фрактальная WI-FI антенна, состоящая из излучателя, изготовленного на печатной плате. Излучатель выполнен в виде четырех префракталов Коха с уровнем префрактала m=2, соединенных последовательно друг с другом, имеющих геометрию антенны L-типа, размещенных внутри корпуса, подключенных к коаксиальному кабелю, при этом антенна представляет собой фрактальную микрополосковую антенну с такими электродинамическими признаками, как рабочий диапазон антенного устройства, составляющий 2350-2640 МГц, минимальный коэффициент стоячей волны по напряжению 0,529 дБи и пиковое усиление 2,240 дБи. Технический результат заключается в упрощении устройства и повышении технологичности изготовления для использования антенн в беспроводных телекоммуникационных системах и комплексах без потери качества сигнала передачи.14 ил.
Изобретение относится к области беспроводной связи и может быть использовано в беспроводных телекоммуникационных системах и комплексах.
Заявителем проведен информационный поиск и анализ научно-технической информации в указанной области техники. Основными конкурентами-заявителями в области построения фрактальных антенн являются следующие компании:
1. Fractus - серия xTend антенн для радиоинтерфейсов широкого профиля (Wi-Fi, GSM, Bluetooth, ZigBee):
http://www.fractus.com/index.php/fractus/documentation.
2. Fractal Antenna Systems, Inc (линейка фрактальных антенн специального назначения):
http://www.fractenna.com/our/our.html.
Вышеупомянутые компании занимаются контрактными разработками лишь в рамках полноценных опытно-конструкторских работ с финансированием в сотни тысяч - миллионов долларов и, как правило, преимущественно в интересах оборонных агентств и ведомств своих стран.
Заявителем исследован и выявлен уровень техники по базам данных РФ и зарубежным базам данных на дату подачи заявочных материалов, выявлено достаточно большое количество аналогов.
Из исследованного уровня техники на базе разработок указанных фирм заявителем выявлено то, что традиционные компактные, малогабаритные антенны имеют следующие общие ограничения: меньшую эффективную площадь и, как следствие, для получения требуемой излучаемой мощности требуется увеличение подводимой к антенне мощности, основной характерной особенностью является узкая ширина рабочей полосы частот, они имеют сложную конструкцию и характеризуются в целом низкой технологичностью изготовления.
Более детально, приведенные выше конструктивные идеи фрактальных антенн в целом можно охарактеризовать тем, что антенны включают, по меньшей мере, одну многоуровневую структуру, которая содержит множество многоугольных или многогранных элементов с одинаковым числом сторон или граней. Причем не все указанные многоугольные или многогранные элементы имеют одинаковый размер, а каждый из указанных элементов непосредственно 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. Площадь зоны или протяженность участка соединения между 75% многоугольными или многогранными элементами больше 0,5% и меньше 50% их периметра или площади, что обеспечивает геометрическое различение в многоуровневой структуре большинства образующих ее многоугольных или многогранных элементов.
К недостаткам указанного подхода по реализованным в них идеям можно отнести сложность модификации структуры под изменяемые требования по широкополосности и/или сдвигу центральной частоты по различным группам электродинамических параметров.
Из исследованного уровня техники по патентным источникам информации заявителем найдена многодиапазонная антенная решетка по заявке на предлагаемое изобретение РФ №2002113646, сущность изобретения заключается в том, что чередующаяся многодиапазонная антенная решетка, приспособленная для работы одновременно на различных частотах, отличающаяся тем, что она сформирована из наложенных друг на друга монодиапазонных решеток в количестве, соответствующем количеству требуемых рабочих частот, и единственной многодиапазонной антенны, способной перекрывать разные рабочие частоты, размещенной в местах решетки, в которых совпадают положения двух или более элементов монодиапазонных решеток.
К недостаткам известного технического решения можно отнести нестабильность численных решений при пересчете геометрических параметров структур отдельных монодиапазонных решеток при модификации полной многодиапазонной сборки под изменяемые требования по широкополосности и/или сдвигу центральной частоты по различным группам электродинамических параметров.
Известна многополосная антенна по заявке на предлагаемое изобретение US №20130162489 A1, сущность изобретения заключается в том, что конфигурация антенны состоит из многоуровневой структуры, которая обеспечивает многополосное поведение, указанная многополосная антенна состоит, по крайней мере, из двух многоугольников, разделенных щелью сложной формы, при этом длина щели определяется исходя из требований по подстройке центральных частот заданных частотных диапазонов.
К недостаткам известного технического решения можно отнести невозможность изготовления в рамках единой печатной подложки, что значительно увеличивает себестоимость и, как следствие, усложняет технологию изготовления.
Известна фрактальная антенна и фрактальный резонатор по заявке на предлагаемое изобретение US №2011095955 A1. Изобретение представляет собой интегрированную в телефонное устройство фрактальную антенну в печатном исполнении, указанная антенна имеет, по крайней мере, один излучающий элемент, представленный в виде префрактала 2-го или более высокого порядка. Результирующая фрактальная антенна обладает круговой поляризацией и может использоваться в различных ориентациях и антенных конфигурациях. Количество резонансных частот антенны возрастает с увеличением порядка префрактала, при этом резонансные частоты могут не являться субгармониками друг друга. Конкретно для СВЧ-применений в рамках создания антенн, встраиваемых в сотовые телефоны или абонентскую беспроводную приемо-передающую аппаратуру, используются в качестве образов фрактальных антенн префракталы Минковского 2-го или 3-го порядка, изготавливаемые в печатном исполнении.
Недостатками известного технического решения являются сложность достижения заданных направленных характеристик и низкие значения коэффициента отражения.
Известна многополосная антенна по заявке на предлагаемое изобретение US №20110260926 A1, выбранная заявителем в качестве прототипа по наибольшему количеству совпадающих признаков и достигаемым техническим результатам. Краткая сущность антенны заключается в том, что она является составной частью карманного персонального компьютера или портативного устройства и характеризуется многоуровневой структурой.
Многополосная антенна состоит как минимум из двух излучающих многоугольников, разделенных щелью сложной формы, при этом длина щели определяется исходя из требований по подстройке центральных частот заданных частотных диапазонов.
К недостаткам данного решения можно отнести невозможность изготовления в рамках единой печатной подложки, что увеличивает себестоимость, увеличивает структурную сложность и уменьшает технологичность изготовления.
Задачей заявленного технического решения является устранение недостатков известных аналогов и прототипа, а именно разработка компактных антенных устройств и обеспечение возможности изготовления антенн на единой печатной подложке, снижение себестоимости, упрощение структурной сложности и, как следствие, повышение технологичности изготовления для использования антенн в беспроводных телекоммуникационных системах и комплексах без потери качества сигнала передачи.
Сущностью заявленного технического решения является следующее. Внешняя фрактальная WI-FI антенна, состоящая из излучателя, изготовленного на печатной плате, отличающаяся тем, что излучатель выполнен в виде четырех префракталов Коха с уровнем префрактала m=2, соединенных последовательно друг с другом, имеющих геометрию антенны L-типа, размещенных внутри корпуса, подключенных к коаксиальному кабелю, при этом антенна представляет собой фрактальную микрополосковую антенну с такими электродинамическими признаками, как рабочий диапазон антенного устройства, составляющий 2350-2640 МГц, минимальный коэффициент стоячей волны по напряжению 0,529 дБи и пиковое усиление 2,240 дБи.
Для решения указанной задачи применены фрактальные технологии.
Фрактальные антенны являются новым перспективным направлением по созданию нового класса антенн, способных преодолеть указанные ограничения благодаря возможности исполнения на их базе электрически малых антенн с параметризуемой апертурой.
Разрабатываемые фрактальные антенны представляют собой плоские образования, геометрическая форма которых определяется выбранным для построения антенны типом фрактала.
Самоподобие и скейлинговые эффекты фрактальных структур позволяют обеспечить получение улучшенных характеристик по сравнению со стандартными типами антенн.
Прежде всего это касается линейных размеров антенны, которые для фрактальных антенн могут быть уменьшены в несколько раз (до 5-7 раз), причем остальные электродинамические параметры в широком частотном диапазоне существенно не изменяются.
К геометрическим свойствам относятся: многоуровневость антенны (несколько префракталов), антенна L-типа, антенна является микрополосковой и фрактальной.
Заявленное техническое решение иллюстрируется следующими материалами.
На Фиг. 1 представлена структура антенны, полученная на основе четырех префракталов Коха с уровнем префрактала m=2, соединенных под заданным углом последовательно друг с другом. Отметим, что префракталы состыкованы так, что общая геометрия излучателя антенны близка к геометрии антенны L-типа. На левом рисунке изображен вид сверху, правом - вид снизу. Также на рисунках в верхних частях прямоугольником (6×7) отмечена область, в которой расположен излучатель. В выбранной декартовой системе координат ось Z направлена перпендикулярна рисунку.
На Фиг. 2 представлена конструкция антенны с тремя основными элементами: 1 - печатная плата, 2 - питающий кабель, в качестве которого используется коаксиальный кабель, 3 - высокочастотный разъем.
На Фиг. 3 представлены детали корпуса антенны. Сверху изображены две детали, в которые устанавливается антенна, ниже - две детали поворотного механизма, который является держателем высокочастотного разъема.
На Фиг. 4 представлена фотография опытного образца антенны в сборе.
На Фиг. 5 представлена схема запитки антенны. Указаны места пайки на антенне центральной жилы и оплетки коаксиального питающего кабеля.
На Фиг. 6 представлен сборочный чертеж антенны, где 1 - печатная плата, 3 - высокочастотный разъем. Слева направо изображены:
- главный вид антенны без корпуса;
- вид сбоку антенны без корпуса;
- вид сбоку антенны в корпусе, в случае, когда поворотный механизм находится в положении 0° по отношению к корпусу антенны;
- главный вид антенны в корпусе, в случае, когда поворотный механизм находится в положении 90° по отношению к корпусу антенны;
- главный вид антенны в корпусе, в случае, когда поворотный механизм находится в положении 0° по отношению к корпусу антенны.
На Фиг. 7-11 представлены результаты численного моделирования электродинамических параметров антенны с помощью программы моделирования Feko - ЕМ Simulation Software.
На Фиг. 7 представлена зависимость коэффициента отражения от частоты антенны (Sn). Минимум коэффициента отражения составляет -30,37 дБ на частоте 2,46 ГГц, полоса пропускания на уровне минус 10 дБ составляет 0,569 ГГц.
На Фиг. 8 представлена зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению от частоты антенны (VSWR). Минимальное значение коэффициента стоячей волны составляет 0,53 дБ на частоте 2,46 ГГц.
На Фиг. 9 представлена диаграмма направленности в горизонтальной плоскости. Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости является всенаправленной, что соответствует назначению антенны.
На Фиг. 10 представлена диаграмма направленности в вертикальной плоскости (frequency - частота). Полученные диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях подтверждают общий вид диаграммы направленности в виде тора, что соответствует теоретическим выводам и назначению разработанной антенны.
На Фиг. 11 представлена 3D диаграмма направленности, полученная по результатам численного моделирования в программе Feko - ЕМ Simulation Software (total gain - полное усиление).
На Фиг. 12 представлена 3D диаграмма направленности, полученная по результатам численного моделирования с помощью программы Electromagnetic Professional (EMPro).
Полученные в результате численного моделирования диаграммы направленности с помощью разных программ (Feko и EMPro) подтверждают как результаты теоретических расчетов, так и факт правильности проведения численного моделирования.
На Фиг. 13 представлены результаты измерений диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.
На Фиг. 14 представлены результаты измерений диаграммы направленности в вертикальной плоскости.
Результаты измерений, изображенные на Фиг. 13 и 14, подтверждают результаты численного моделирования диаграммы направленности.
Конструкция антенны состоит из следующих составных частей:
1) антенна - изготовлена печатным способом, на диэлектрической подложке вытравлены две компоненты антенны (в виде соединенных префракталов Коха) и «земля» (в виде прямоугольной площадки) (Фиг. 1);
2) питающий кабель - отрезок коаксиального кабеля, с одной стороны припаянного к антенне, с другой соединенного с разъемом (Фиг. 4);
3) ВЧ-разъем - розетка N-типа, RP-TNC;
4) корпус антенны из четырех деталей - непосредственно корпус антенны (две детали) и держатель ВЧ-разъема, который одновременно является и поворотным устройством (две детали) (Фиг. 3).
Корпус заявленного опытного образца (макета) изготовлен методом моделирования послойного наплавления на 3D-принтере из ABS-пластика. Корпус для серийных образцов будет изготовлен методом литья под давлением, для чего на основе полученной 3D-модели корпуса будет изготовлена пресс-форма.
Сборку антенны осуществляют следующим образом:
1) отрезают кусок коаксиального кабеля требуемой длины;
2) выполняют соединение коаксиального кабеля с розеткой (в соответствии с инструкцией на соединение разъемов данного типа);
3) кабель вставляют в отверстие круглой детали корпуса;
4) выполняют соединение кабеля с печатной платой методом пайки;
5) выполняют установку платы в корпус и склеивание корпуса;
6) выполняют установку болта поворотного механизма корпуса.
Структура антенны получена на основе четырех префракталов Коха с уровнем префрактала m=3, соединенных под заданным углом последовательно друг с другом. Причем состыкованы префрактальные участки так, что общая геометрия антенны близка к геометрии антенны L-типа. (Фиг. 1).
Питание антенны осуществляют посредством коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом, тип кабеля - RG-174. Один конец кабеля припаивают непосредственно к антенне, центральную жилу подключают к элементу антенны в виде префрактала, оплетку подключают к прямоугольному элементу антенны (Фиг. 4) - «земля», второй конец кабеля соединяют с ВЧ-разъемом - розетка N-типа, RP-TNC. Посредством ВЧ-разъема антенну можно подключать к стандартному телекоммуникационному оборудованию, в частности к Wi-Fi точке доступа.
Антенна работает следующим образом.
Высокочастотный сигнал подают на антенну посредством коаксиального кабеля, при протекании высокочастотного тока по металлическим частям антенны происходит формирование электромагнитного колебания. За счет свойств фрактальной антенны, в частности, свойства пространственного заполнения, при котором можно получить кривые, которые являются электрически длинными, но физически компактными и занимают малую площадь, размеры антенны существенно меньше аналогов при сохранении электродинамических свойств антенны.
При исследовании электродинамических характеристик антенны использовались два вида программного обеспечения:
- программа для численного электромагнитного моделирования Feko - ЕМ Simulation Software;
- Electromagnetic Professional (EMPro), компании Agilent Technologies.
Результаты исследований представлены в Таблице и на Фиг. 7-12.
Также были проведены измерения диаграммы направленности, результаты которого приведены на Фиг. 13 и 14.
Электродинамические характеристики антенны представлены в Таблице.
Основываясь на указанной таблице, возможно констатировать достижение заявленных целей, а именно результаты исследований заявителя показали, что применение опытных образцов антенны в различных беспроводных телекоммуникационных устройствах обеспечивает усиление сигнала не хуже оригинальных антенн, поставляемых серийно потребителям.
При этом разработанные антенны имеют меньшие размеры и более простую технологию изготовления (см. описание технологии изготовления на л. 7 настоящего описания).
Таким образом, полученная внешняя фрактальная WI-FI антенна обладает следующими преимуществами:
- антенна является многоуровневой (несколько префракталов);
- антенна является фрактальной и микрополосковой и, соответственно, имеет компактный размер по сравнению с существующими аналогами;
- все части антенны размещены в пластмассовом, компактном, прочном корпусе, что при эксплуатации обеспечивает удобство и надежность;
- коэффициент пикового усиления антенны составляет 2,200-2,240 дБи;
- рабочий диапазон антенны составляет 2350-2640 МГц.
Основываясь на изложенном выше, возможно констатировать следующее: заявленное техническое решение обеспечивает реализацию поставленных целей, повышает качественные показатели антенн подобного класса, при этом уменьшаются габаритные размеры антенны и повышается технологичность их изготовления.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как в результате исследований заявителем не обнаружены технические решения, обладающие совокупностью заявленных признаков, приводящих к реализации поставленных целей.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, так как для специалиста в указанной области техники полученные технические результаты не являются очевидными.
Заявленное техническое решение может быть реализовано на любом специализированном предприятии с использованием стандартных материалов, технологических приемов и оборудования, что доказывает соответствие заявленного технического решения критерию «промышленная применимость».
Внешняя фрактальная WI-FI антенна, состоящая из излучателя, изготовленного на печатной плате, отличающаяся тем, что излучатель выполнен в виде четырех префракталов Коха с уровнем префрактала m=2, соединенных последовательно друг с другом, имеющих геометрию антенны L-типа, размещенных внутри корпуса, подключенных к коаксиальному кабелю, при этом антенна представляет собой фрактальную микрополосковую антенну с такими электродинамическими признаками, как рабочий диапазон антенного устройства, составляющий 2350-2640 МГц, минимальный коэффициент стоячей волны по напряжению 0,529 дБи и пиковое усиление 2,240 дБи.
