А. Курушин

Спиральные антенны в сотовых телефонах

В статье рассмотрены вопросы применения спиральных антенн в сотовых телефонах. Для расч╦та и оптимизации основных характеристик антенной системы - диаграммы направленности, диапазона рабочих частот - применяется программа электродинамического анализа IE3D фирмы Zeland (USA). Полученные результаты позволили выработать ряд рекомендаций для увеличения чувствительности сотового телефона.

Введение

Спиральные антенны (рис. 1 и 2) сейчас являются самыми распростран╦нными антеннами в сотовых телефонах. Альтернатива им - микрополосковые плоские антенны различных модификаций (PIFA) пока имеют ограниченное применение.

Рисунок 1. Спиральные антенны со штырем

Недостатком внутренних микрополосковых антенн, к сожалению, является необходимость разработки отдельной антенны для каждого типа сотового телефона, что замедляет модернизацию и разработку новых аппаратов. Спиральные антенны универсальны, разрабатываются как отдельный автономный элемент, обычно на входное сопротивление 50 Ом, и это позволяет конструктору вы-брать подходящую антенну из широкого набора разработанных спиральных антенн только по частотным характеристикам.

Рисунок 2. Спиральные антенны: а) без штыря с равномерным шагом (Fixed antenna); б) с переменным шагом (более широкополосные)

Однако, при выборе готовой антенны возможны потери в характеристиках излучения всей антенной системы из-за того, что корпуса телефонов значительно отличаются друг от друга. Корпус современного телефона имеет размер, соизмеримый с половиной длины волны и поэтому влияющий на характеристики антенны.

Известно, что внешний вид корпуса является важной характеристикой сотового телефона и поэтому способствует разработке и поставке на рынок вс╦ большего количества новых модификаций.

При выборе спиральной антенны конструктору важно выяснить, как она будет работать в новом корпусе. Это особенно важно для двухдиапазонной спиральной антенны, так как влияние корпуса на е╦ характеристики происходит в обоих диапазонах.

Модель корпуса ( рис. 3), его формы и заполнения влияют на точность полученного результата; корпус может быть частично заполнен, покрыт диэлектрическим слоем и металлизирован с внутренней стороны. Реальная форма корпуса изменяет идеальные характеристики антенны, когда можно считать, что е╦ противовес - бесконечная идеально проводящая поверхность.

Рисунок 3. Сотовый телефон с крышкой и спиральной антенной со штырем

Для проектирования антенной системы с уч╦том корпуса желательно представлять методику расч╦та самой спиральной антенны. Соображения, положенные в основу разработки геометрии двухдиапазонной антенны, важны, поскольку корпус существенно изменяет е╦ свойства.

Составление электрической эквивалентной схемы позволяет провести эскизный расч╦т антенной системы. Такая эквивалентная схема может состоять из параллельно соедин╦нных спирали (двух последовательных е╦ фрагментов) и штыря.

Рассматриваемые антенны имеют два положения штыря: внизу и вверху. Выдвижение штыря увеличивает эффективность излучения антенны на несколько дБ. Но это выдвижение также изменяет согласование и сопротивление излучения.

Спиральная антенна со штырем и без штыря

Эта классическая комбинация антенн объединяет преимущества несимметричного вибратора и спиральной антенны нормального режима (с излучением перпендикулярно оси)(рис. 4).

Рисунок 4. Спиральная антенна в задвинутом состоянии и с выдвинутым штырем

Эта широко распростран╦нная комбинация оптимально сочетает характеристики в режиме выдвинутого штыря и в нижнем его положении. При этом важно, что спиральная антенна нормального режима более широкополосна, чем несимметричный вибратор.

Верх штыря делается неметаллическим, поэтому при нижнем положении штыря антенна становится просто спиральной в нормальном режиме, то есть с излучением перпендикулярно оси. Чувствительность сотового телефона в этом случае на 1√2 дБ выше, чем при задвинутом штыре.

Штырь имеет металлический конец внизу и соединяется с нижним патроном спиральной антенны, когда штырь вы-двигается в верхнее положение. Электрически штырь подсоединяется параллельно спиральной антенне. Часть штыря-вибратора, проходящая через спиральную антенну, подключена так, что запитывается параллельно спирали. В таком состоянии антенна подстраивается для получения реального входного импеданса в обоих режимах: выдвинутом и вдвинутом.

Эффективность излучающей способности антенны характеризуется, как известно, сопротивлением излучения. А оно зависит от внешней физической длины спиральной антенны и только в небольшой степени от диаметра спирали [1]. Сопротивление излучения несимметричного вибратора меняется как нелинейная функция, в зависимости от длины несимметричного вибратора, R_s ~ 10x²**(1 + 0,19x²), где x = kL, если менять длину L от очень короткой до четверти длины волны. При x = 1,57 это соответствует /4 штырю с сопротивлением излучения 36Ом. Четвертьволновый диполь с сопротивлением 36Ом имеет слишком малое значение, что непрактично, поскольку очень короткий несимметричный вибратор имеет малую эффективность.

Для всего телефона (антенна + корпус) выражение для сопротивления излучения будет намного более сложное. Сопротивление излучения для всего телефона обычно в несколько раз больше, чем для несимметричного вибратора. При согласовании линии небольшой длины с 50-Ом линией полоса рабочих частот уменьшается пропорционально сопротивлению излучения. Обычно длина спиральной антенны равна 20√40 мм для частоты 900 МГц, а минимальная длина ограничивается полосой (равной 8√10%). Из-за того, что корпус телефона является частью излучающей структуры, подстройка четвертьволнового шлейфа будет зависеть от размера и формы телефона. Длина несимметричного вибратора (штыря) - 40...45 мм.

Согласующая цепь СТЦ (рис. 5), находящаяся на плате сотового телефона, должна быть разработана так, чтобы обеспечивать минимальный КСВ и для режима вынутого штыря и для режима вставленного. Требуемый КСВ обычно равен 1:2 в диапазонах, в которых антенна используется.

Рисунок 5. Эквивалентная схема спиральной антенны со штырем

С практической точки зрения, имеются два варианта работы телефона: в свободном пространстве (FS - free space) и вблизи человека (TP - Talk Position). Согласующая цепь рассчитывается на выполнение согласования в худшей ситуации из 4 комбинаций: FS/TP и выдвинута/вдвинута. Добавим к этому то, что большинство современных телефонов должны работать в двух и более диапазонах. Таким образом, проектировщик должен получить серию диаграмм направленности на частотах 900 и 1,800 МГц.

Теоретический анализ спиральной антенны сотового телефона

Спиральная антенна сотового телефона - это антенна с поперечным излучением, Normal-mode helical antenna (NMHA), что отличает е╦ от спиральной антенны с осевым излучением, используемой в радиолокации. Поскольку максимум излучения NMHA перпендикулярен продольной оси z, по своим характеристикам излучения антенна близка к обычному несимметричному вибратору.

Когда окружность спиральной антенны равна приблизительно длине волны, доминирует излучение осевого типа волны, но когда окружность намного меньше длины волны, преобладает боковая волна.

В симметричном и несимметричном диполях ток теч╦т вертикально вдоль оси z, а в спирали (в петле) - горизонтально. В этом смысле спиральная антенна - антипод дипольной. Электрический диполь в дальней зоне имеет вертикальную поляризацию, петля - горизонтальную. Петля является физической реализацией магнитного диполя.

Если размеры спиральной антенны малы (nL < 1), максимум излучения сосредоточен в плоскости xy, а излучение по оси z отсутствует.

Когда угол подъ╦ма спирали приближается к 0, она превращается в петлю. Когда угол достигает 90 градусов - в вибратор.

Рисунок 6. Векторы электрического поля в дальней зоне

Дальнее поле спиральной антенны можно считать состоящим из двух компонентов электрического поля E, E (рис. 6). Пусть спиральная антенна состоит из определ╦нного числа маленьких петель и коротких диполей, соединяющих их последовательно (рис. 7). Диаметр петель D равен диаметру спиральной антенны, а длина каждого диполя S равна расстоянию между витками спиральной антенны. Предположим, что токи текут равномерно по величине и фазе по всей длине спиральной антенны. Если спиральная антенна мала, дальнее поле не зависит от числа витков. Таким образом, для расч╦та дальнего поля достаточно расч╦та одной маленькой петли и одного короткого диполя.

Рисунок 7. Модель спирали

Дальнее поле маленькой петли имеет только компоненту E:

(1)

с площадью петли A = D²/4.

Дальнее поле короткого диполя имеет только компоненту E.

(2)

где S - длина шага спиральной антенны, соответствующая длине диполя.

Сравнение (1) и (2) показывает, что величины E и E находятся в квадратуре.

Отношение модулей (1) и (2) определяет соотношение осей поляризационного эллипса дальнего поля. Итак, имеем:

(3)

Рассмотрим 3 важных случая поляризационного эллипса:

• если E= 0, отношение (3) неопредел╦нное - поляризационный эллипс расположен вертикально, что показывает линейную вертикальную поляризацию антенны. Спиральная антенна в этом случае становится вертикальным диполем;
• если E= 0, отношение осей равно 0 и поляризационный эллипс становится горизонтальной линией, показывающей линейную горизонтальную поляризацию. Спиральная антенна в этом случае становится горизонтальной петл╦й;
• третий особый случай имеет место при |E| = |E|.Отношение осей эллипса равно 1, и он становится кругом, показывая круговую поляризацию. Приравнивая (3) к единице, получаем

  
  или S = ²D²/2. (4)

Это соотношение впервые было получено Виллером [1]. Волна с круговой поляризацией излучает по всем направлениям, но по оси z поле равно 0. Именно этот режим наиболее подходит для антенны сотового телефона, поскольку его положение равновероятно по направлению во время переноса и работы. Спиральная антенна нормального режима, или катушка Виллера, удовлетворяющая уравнению (4), - это резонансная, узкополосная антенна. Формулы (3) и (4) могут быть положены в основу аналитического проектирования спиральной антенны, поскольку они связывают частоту и геометрические размеры.

При выводе (3) и (4) предполагалось, что ток однороден по величине и по фазе по всей длине спиральной антенны. Это соотношение может быть справедливо, только если спиральная антенна очень мала (nL << l) и закорочена на конце. Расч╦ты для двухшаговой антенны (рис. 8), согласно (4), дают величины шага спирали S = 0,74 и 1,6 мм при реальных величинах исследуемой антенны S = 0,5 и 3 мм.

Рисунок 8. Двухсекционная спиральная антенна

Полоса такой маленькой спиральной антенны очень узкая, и эффективность излучения мала. Полоса и эффективность излучения могут быть увеличены с увеличением размера спиральной антенны, но это приводит к неравномерному распределению фазы тока, что требует включения фазовращателя последовательно со спиральной антенной. Этот путь неудобен и непрактичен. Таким образом, величина излучения спиральной антенны имеет практические ограничения.

Не исключается использование теоретических расч╦тов и при расч╦те антенны с корпусом сотового телефона. Так, входное сопротивление может быть рассчитано по известным формулам для спиральной катушки, а влияние корпуса учтено ╦мкостью между проводником и земляной плоскостью ограниченного размера и линией (рис. 5).

Однако представляется, что в настоящее время при наличии мощных программ моделирования на электродинамическом уровне основное усилие разработчика излучающей системы сотового телефона должно быть направлено на создание точной модели с реальными вычислительными затратами. Так ясно, что градиенты ближнего поля будут значительно отличаться вблизи спиральной антенны и, например, на расстоянии 10 см от корпуса. Значит разбиение всего пространства на неравномерную сетку - вполне обоснованный подход при расч╦те поля.

Внутреннее покрытие телефона (рис. 9) состоит из ряда экранированных площадок, которые выполняют роль экрана отдельных узлов телефона и одновременно экрана для всей трубки. По этим поверхностям текут токи, формирующие поле как снаружи, так и внутри корпуса.

Рисунок 9. Внутренняя часть корпуса сотового телефона с металлизированным покрытием для экранирования

Экспериментально установлено, что параметры антенной системы очень эффективно изменяются при изменении характеристик проводимости в отдельных частях корпуса.

Анализ ближнего поля спиральной антенны и сотового телефона с металлизированным и покрытым пластиком корпусами

Для анализа антенной системы со спиральной антенной в данной работе использовалась программа IE3D.

Анализ базовой структуры сотового телефона - с закрытой крышкой и невыдвинутой антенной

Результатом моделирования с использованием методом моментов, в числе других важнейших характеристик, является распределение токов на всех металлических поверхностях корпуса и антенны. На рис. 10 слева в поле программы показана шкала распределения поверхностного тока, его максимум 1769,5 A/m находится на спирали.

Рисунок 10. Модель корпуса телефона с закрытой крышкой и вставленным штырем в поле программы IE3D

Рисунок 11. ДН в азимутальной плоскости

Рисунок 12. ДН в угломестной плоскости

Рисунок 13. Корпус с открытой крышкой

Чтобы увидеть токи с меньшими амплитудами, необходимо изменить максимальное значение тока, например, на значение 100 A/m, как показано на рис. 14.

Рисунок 14. Токи, навед╦нные в корпусе, в основном сосредоточены в крышке телефона

Важнейшей характеристикой антенной системы сотового телефона является диаграмма направленности, особенно в азимутальной плоскости. Такая диаграмма направленности (рис. 11) получена для нескольких углов места, и наиболее важный тестовый угол - = 90º. Угломестные диаграммы направленности (рис. 12) рассчитаны для нескольких азимутальных направлений. При = 0 это соответствует положению, когда широкая сторона телефона направлена на читателя.

Из ДН на рис. 12 видно, что в вертикальном направлении излучение на 8 дБ меньше, чем в горизонтальном. Из азимутальной диаграммы мож-но видеть интересный для практики случай: при = 90º в ДН имеет ноль, то есть полное затенение. Здесь имеет место компенсация излучения от спиральной антенны и наводок на корпусе.

Анализ антенной системы с открытой крышкой и с невыдвинутым штырем

Программа IE3D рассчитывает абсолютные значения плотности токов на корпусе (рис. 13 и 14). На рис. 14 максимальный ток на крышке в 4 раза меньше, чем максимальный ток на поверхности спирали.

Из анализа диаграмм направленности, по сравнению с предыдущим случаем, можно видеть (часть графиков опустим), что антенна перераспределила максимум излучения вверх. Открытая крышка, благодаря наклонному положению, действует как отражатель.

Анализ антенной системы сотового телефона с вынутым штырем и закрытой крышкой

Из анализа частотной характеристики на диаграмме Смита (рис. 15) видно, что наилучшее согласование системы достигается в районе 1,39 ГГц, прич╦м его величина значительно выше из-меренной в реальном телефоне. Это подтверждает то, что программу IE3D можно использовать только для относительных оценок тока на поверхности и анализа металлического корпуса без покрытия. Программа IE3D не позволяет ввести 3D диэлектрические стенки, однако она позволяет моделировать металлические поверх-ности любой сложности, включая про╦мы, что важно при проектировании корпусов нестандартной формы.

Рисунок 15. Частотная характеристика входного сопротивления антенной системы сотового телефона

Диаграммы направленности при вынутом штыре усиливают излучение в азимутальной плоскости благодаря действию несимметричного вибратора.

Анализ антенной системы сотового телефона в рабочем режиме (TP) с открытой крышкой и вынутым штырем

Этот режим наиболее часто тестируется. Измерения показывают, что в этом режиме (рис. 16) направленность антенны в азимутальной плоскости хуже, чем с закрытой крышкой телефона. Открытая крышка действует и как вторичный отражатель, и как поглотитель мощности радиоволн, излучаемых антенной. В краях крышки, параллельных штырю антенны, наводятся токи, которые могут формировать изрезанную ДН.

Рисунок 16. Частотная характеристика значительно отличается от экспериментально измеренной, поскольку программа IE3D не позволяет описывать тр╦хмерное диэлектрическое покрытие

Из анализа ДН видно, что крышка экранирует излучение штыря антенны. Она действует как экран на дальнее поле и значительно (на 4 дБ) уменьшает усиление в направлении за крышкой. Этот вывод подтверждается экспериментально.

Экспериментальные измерения диаграммы направленности в безэховой камере показали е╦ сильное изменение по величине при открытой крышке. Методика измерения диаграммы направленности состоит в измерении чувствительности телефона на системном уровне (прибором, имитирующем базовую станцию). В данном случае регулируется общее усиление по петле усиления: передатчик базовой станции, передающая антенна, сотовый телефон, ориентированный в пространстве, и аппаратура при╦мника базовой станции. При открытой крышке чувствительность некоторых телефонов падает до очень низкого уровня, и система не имеет возможности е╦ измерить.

Заключение

Мы рассмотели особенности работы спиральной антенны сотового телефона в наиболее распростран╦нной конструкции со штыревым несимметричным вибратором. Эти антенны соединены параллельно в положении вынутого штыря, что позволяет выполнить аналитический расч╦т антенны.

В литературе приводятся измерения и расч╦ты, однако между различными телефонами и различными пользователями разница достигает от 4 до 16 дБ, по сравнению с идеальным случаем. Это говорит о том, что моделирование сотового телефона пока сталкивается с трудностями построения точного моделирования металлического корпуса и покрытия. Многие измерения усиления антенной системы промышленных телефонов были сделаны различными методами. По сравнению с идеальным случаем (диполь l/2 в свободном пространстве), есть очень большая разница в ДН.

На частоте 900 МГц ДН антенны в свободном пространстве очень близка к ДН несимметричного вибратора. Пик ДН достигается в двух точках. Положение телефона при разговоре более важно для практического использования и можно отметить, что большинство сотовых телефонов в этом случае имеют потери на несколько дБ больше, по сравнению со случаем свободного пространства.

Телефоны большого размера и с выдвинутой антенной имеют на несколько дБ меньшее затухание, но ясно, что это компромисс для требований пользователя. Поскольку существует ж╦сткая связь между ближним и дальним полями, чтобы уменьшить величину удельного поглощения в голове пользователя, приходится мириться с неравномерностью диаграммы направленности в азимутальной плоскости.

Литература

1. Kraus J. Antennas. 2-nd Ed. 1988. 892 p.
2. Fudjimoto K., James J.R. Mobile Antenna Systems Handbook. 2-nd Ed. 2001. 710 p.
3. Баскаков С.И. Основы электродинамики. М.: Сов. радио, 1973. 247 с.
4. R.A. Abd-Alhameed P.S. Excell. Analysis of a normal-mode helical antenna including non-uniform wire surface current effects. IEEE Proc.-Microw. Antennas Propag. Vol. 146. ╧ 1. February 1999.
5. Keisuke Nogush and el. Increasing the Bandwidth of a Normal Mode Helical Antenna Consisting of Two Strips. IEEE 1998.
6. MIMAKF H. and NAKANO H. Double Pitch Helical Antenna. IEEE. 1998.
7. Barts R.M. and Stutzman W.L. A Reduced Size Helical Antenna. IEEE. 1997.
8. Paivi Haapala and Pertti Vainikainen. Helical antennas for multi-mode mobile phones. 26th EuMC. 9-12 September 1996.