POLITECHNIKA WROCA
AWSKA
WYDZIAA
ELEKTRONIKI
KIERUNEK: Elektronika i Telekomunikacja
SPECJALNOŚĆ: Telekomunikacja Ruchowa
PRACA DYPLOMOWA
(MAGISTERSKA)
Miniaturowa antena do terminala przenośnego systemu
telefonii komórkowej 2G i 3G
AUTOR: PROWADZ
CY PRAC
:
Krzysztof Skonieczny dr inż. Piotr Słobodzian
OCENA PRACY:
WROCA
AW 2004
Spis treści
1. Wstęp .............................................................................................................3
1.1. Wprowadzenie ..................................................................................................... 3
1.2. Cel pracy.............................................................................................................. 4
2. Przegląd rozwiązań anten terminali przenośnych......................................8
2.1. Wprowadzenie ..................................................................................................... 8
2.2. Anteny typu PIFA................................................................................................ 8
2.2.1. Anteny dwuzakresowe........................................................................... 10
2.2.2. Anteny trzyzakresowe ........................................................................... 13
2.2.3. Antena typu WC-PIFA.......................................................................... 14
2.3. Anteny typu miniaturowy monopol................................................................... 16
2.3.1. Anteny wielozakresowe......................................................................... 17
2.3.2. Anteny szerokopasmowe....................................................................... 19
2.3.3. Antena typu krótki monopol ze zredukowanym promieniowaniem
wstecznym ............................................................................................. 20
2.4. Anteny we współczesnych terminalach telefonii komórkowej 2G/2.5G ..........21
2.5. Podsumowanie...................................................................................................24
3. Model anteny szerokopasmowej do terminala telefonii komórkowej
2G/3G............................................................................................................25
3.1. Wprowadzenie ...................................................................................................25
3.2. Budowa modelu anteny ..................................................................................... 25
3.3. Wyniki badań parametrów elektrycznych modelu anteny................................. 27
3.3.1. Parametry obwodowe ............................................................................ 27
3.3.2. Parametry polowe.................................................................................. 27
3.3.3. Właściwości zaproponowanej struktury promieniującej.......................34
3.4. Podsumowanie...................................................................................................51
4. Fizyczne ograniczenia w miniaturyzacji anten .........................................52
5. Podsumowanie............................................................................................56
6. Literatura......................................................................................................58
Dodatek I ..............................................................................................................61
- 2 -
1. Wstęp
1.1. Wprowadzenie
Osobista telekomunikacja bezprzewodowa przeżywa w ostatnich latach gwałtowny
rozwój. Wciąż rośnie ilość sprzedawanych na całym świecie terminali przenośnych.
Nie ustaje zapotrzebowanie na małe, lekkie, poręczne i tanie urządzenia mobilne. Obecnie
na rynku europejskim dominują dwu- lub trójzakresowe terminale GSM/PCS pracujące
w pasmach GSM900/1800 (ang. Global System for Mobile Communication)
tj. 890-960 MHz i 1710-1880 MHz oraz PCS (ang. Personal Communication System)
1850-1990 MHz. W niedalekiej przyszłości planuje się wprowadzenie globalnego systemu
telekomunikacji bezprzewodowej pod nazwÄ… UMTS (ang. Universal Mobile
Telecommunication System) pracującego w paśmie 1920-2170 MHz. Już dziś najnowsze
terminale mobilne wyposażone są dodatkowo w system komunikacji krótkiego zasięgu
o nazwie Bluetooth pracujący w paśmie 2402-2480 MHz. Obok telefonów komórkowych
na rynku pojawiły się ostatnio urządzenia łączące funkcje komputera przenośnego
i telefonu bezprzewodowego pod nazwÄ… MDA (ang. Mobile Digital Assistant). Wszystkie
tego typu urządzenia, aby mogły być wygodne w użyciu, muszą mieć odpowiednio małe
wymiary i cechować się niewielkim zużyciem energii. To właśnie wymóg miniaturyzacji
i konieczność zasilania bateryjnego urządzenia nastręczą wiele trudności konstruktorom
zarówno podzespołów elektronicznych jak i anten.
Niniejsza praca opisuje problemy zwiÄ…zane z projektowaniem szerokopasmowych
i wielozakresowych anten miniaturowych do terminali przenośnych pracujących w wyżej
wymienionych pasmach częstotliwości. W kolejnych rozdziałach został przedstawiony
aktualny stan wiedzy w dziedzinie, obecnie najszybciej rozwijajÄ…cej siÄ™, miniaturowych
anten płaskich (planarnych). Zasadniczą częścią pracy jest prezentacja wyników pomiarów
parametrów obwodowych i polowych zaprojektowanej i zbudowanej w Zakładzie
Radiokomunikacji Politechniki Wrocławskiej miniaturowej anteny szerokopasmowej.
Została również przedstawiona metodyka strojenia uzyskanej anteny, jak również autor
przedyskutował możliwość dalszej miniaturyzacji oraz poszerzenia pasma pracy.
- 3 -
1.2. Cel pracy
Prezentowana praca ma charakter projektowo-badawczy. Obiektem badań była antena
do terminala. Aby móc obiektywnie ocenić uzyskane wyniki należy dokładnie określić
w sposób jakościowy i ilościowy parametry, które musi posiadać projektowana antena.
Zasadniczo interesujące nas parametry można podzielić na geometryczne i elektryczne,
przy czym te drugie dzielą się na obwodowe i polowe. Jak już wcześniej wspomniano
pierwszym istotnym parametrem jest wielkość anteny. W pracy skupiono się nad
strukturami wewnętrznymi, które można całkowicie schować wewnątrz telefonu.
PrzyjmujÄ…c typowe wymiary przeciÄ™tnego terminala, tj. 120×45×25 mm można okreÅ›lić
maksymalne wymiary anteny, tak aby była możliwa bezproblemowa integracja z układami
elektronicznymi wewnÄ…trz aparatu.
Projektowane urządzenie ma za zadanie pracować w określonym przedziale
częstotliwości z zachowaniem parametrów elektrycznych na określonym poziomie.
Do takich parametrów należy impedancja wejściowa anteny. Warunkuje ona dopasowanie
do urzÄ…dzenia zasilajÄ…cego strukturÄ™. Przez dopasowanie autor rozumie brak strat
wynikających z odbicia części mocy od wejścia anteny. Ma to miejsce jeżeli impedancja
wejściowa anteny jest różna od impedancji wewnętrznej zasilającego ją z
ródła. Obecnie
obowiązującym standardem jest wartość 50&!. Nie jest możliwe zbudowanie struktury
pracującej w szerokim paśmie ze stałą impedancją. Dlatego konieczne jest przyjęcie pewnej
górnej granicy strat mocy jakie można zaakceptować. Wielkością opisującą dopasowanie
anteny do z
ródła sygnału jest współczynnik fali stojącej (WFS), który jest równy lub
mniejszy od założonej wartości, zwykle z przedziału od 1 (brak strat) do 3 (25% mocy jest
odbita). W szeroko rozumianej technice antenowej za górną wartość WFS przyjmuje się
1.5 lub 2, co oznacza że odpowiednio 4% lub 11% mocy zostanie odbita od zacisków
anteny. Powyższe wartości są standardem dla dużych anten w porównaniu do długości fali,
np. tych umieszczonych na stacjach bazowych systemu GSM. Jeżeli chodzi o anteny małe
elektrycznie to dużo trudniej jest uzyskać dopasowanie z WFS równym 1.5 (czy nawet 2)
w szerokim zakresie częstotliwości. Z tego powodu za górną granicę WFS przyjmuje się
wartość 2.5, czyli maksymalnie 18.4% mocy zostanie odbita od zacisków anteny. Jest
to wartość powszechnie przyjęta przez konstruktorów małych anten i spotykana w wielu
publikacjach naukowych na ten temat [1, 2]. Starty na tym poziomie sÄ… do zaakceptowania
zważywszy na fakt, że współczesne anteny umieszczane w terminalach mają WFS
na skrajach pasma na poziomie 5.0 (44.5% mocy jest tracona), a nawet i więcej [3].
- 4 -
Oczywistym jest, że pożądana struktura promieniująca powinna pracować w jak
najszerszym paśmie (około 800 MHz) z jak najmniejszym WFS (poniżej 1.5), tak jak
to pokazuje przebieg 1. na rys. 1.1. Przy dzisiejszym stanie wiedzy i technologii
zbudowanie anteny o takich parametrach jest jednak wizją dość odległą. Najlepszym
udokumentowanym rezultatem, do którego udało się dotrzeć autorowi jest opracowana
na Politechnice w Wirginii (USA) antena typu WC-PIFA (ang. wideband compact planar
inverted-F antenna) [5]. Pracuje ona z WFS poniżej 1.5 w przedziale częstotliwości
1820-2280 MHz, czyli w paśmie 460MHz. Mając na uwadze obecny stan wiedzy oraz
potrzeby rynku celowym i jak najbardziej możliwym jest zbudowanie struktury pracującej
w przedziale częstotliwości 1710-2170 MHz z WFS poniżej 2.5, tak jak to pokazuje
przebieg 2. na rys. 1.1. Dla projektanta obwodów zasilających ważna jest tylko wartość
WFS z jakim pracuje antena, ale wielkość ta nie przekazuje całej informacji o parametrach
obwodowych, ponieważ mówi ona jedynie o module impedancji. Informacja o zespolonej
wartości impedancji jest o tyle istotna, że pozwala na jednoznaczne określenie zachowania
siÄ™ anteny w danych warunkach podczas jej projektowania. Do wizualizacji przebiegu
zespolonej wartości impedancji w funkcji częstotliwości bardzo pomocny jest wykres
Smitha. Przykład przebiegu znormalizowanej impedancji w takim właśnie układzie
przedstawia rys. 1.2.
Rys. 1.1. Przebieg zakładanego współczynnika fali stojącej na wejściu anteny: 1) przypadek idealny,
2) przypadek dostateczny
- 5 -
Rys. 1.2. Przebieg zakładanej znormalizowanej impedancji wejściowej anteny: 1) przypadek idealny,
2) przypadek dostateczny
Oprócz parametrów obwodowych, o których była mowa, ważne są również parametry
polowe takie jak kształt charakterystyki promieniowania, zysk energetyczny oraz
polaryzacja.
Terminal jest urządzeniem mobilnym, dlatego też antena w nim zamontowana powinna
posiadać charakterystykę dookólną. Jednak podczas normalnej pracy, tzn. kiedy
użytkownik rozmawia w pozycji wyprostowanej nie jest konieczne, aby antena
promieniowała w kierunku pionowym. Pożądaną, w tym wypadku, charakterystykę
promieniowania posiada dipol, którą przedstawiono na rys. 1.3. Aby antena nie wnosiła
dodatkowych strat w bilansie energetycznym łącza musi posiadać na wyróżnionych
kierunkach zysk energetyczny o wartości większej od 0 dBi. Dla małych struktur
w porównaniu do długości fali typową maksymalną wartością zysku energetycznego jest
2.5 dBi. Ostatnim parametrem jest polaryzacja, która w systemie GSM jest liniowa
pionowa.
- 6 -
Rys. 1.3. Zakładany kształt charakterystyki promieniowania anteny terminala
PodsumowujÄ…c, za cel pracy autor przyjÄ…Å‚ sobie zbudowanie, przebadanie (zmierzenie
parametrów obwodowych i polowych) oraz opracowanie metodyki strojenia miniaturowej
anteny do terminala telefonii komórkowej 2G i 3G o następujących parametrach:
- maksymalne wymiary: 40×30×10 mm,
- minimalne pasmo: 1710-2170 MHz przy WFS d" 2.5,
- charakterystyka promieniowania dookólna z wytłumionym promieniowaniem
w kierunku pionowym (e" 20dB) oraz częściowo w stronę głowy użytkownika
(e" 3dB), patrz rys. 1.3.,
- zysk energetyczny na poziomie 1÷2.5 dBi,
- polaryzacja liniowa, pionowa.
- 7 -
2. Przegląd rozwiązań anten terminali
przenośnych
2.1. Wprowadzenie
Telefony komórkowe, pod względem umiejscowienia anteny, można podzielić
na terminale z anteną zewnętrzną lub wewnętrzną. Te drugie stanowią zdecydowaną
większość obecnie sprzedawanych aparatów na rynku. Zastąpienie anteny prętowej płaską
strukturą umieszczoną wewnątrz obudowy telefonu pozwala na zmniejszenie wymiarów
samego aparatu. Pozwala również na takie ukształtowanie charakterystyki promieniowania
aby ilość energii pola elektromagnetycznego wypromieniowanego w kierunku głowy
użytkownika była minimalna. Dla prostych anten prętowych, stosowanych dotychczas, nie
było to możliwe. Wśród obecnie intensywnie badanych struktur planarnych są anteny typu
PIFA (ang. Planar Inverted-F Antenna) oraz typu miniaturowy monopol (ang. Very Low
Profile Monopole Antenna).
2.2. Anteny typu PIFA
W ogólnym przypadku antena typu odwrócone F (PIFA) zbudowana jest z niewielkiego
prostokątnego elementu promieniującego umieszczonego asymetrycznie nad płaskim,
z reguły kilkukrotnie większym, ekranem. Budowę typowej anteny omawianego typu
przedstawia rys. 2.1. Element promieniujący (łata) może być zarówno nadrukowany
na podłożu dielektrycznym [4] o określonej grubości (rzędu 1 mm) oraz stałej
dielektrycznej (rzÄ™du µr = 4), jak i wykonany z cienkiego przewodnika (blachy) [5]. Do Å‚aty
promieniującej podłączone są co najmniej dwa przewody. Jeden z nich (zasilanie)
to przewód doprowadzający do anteny sygnał użyteczny (ang. feed pin), drugi natomiast
(zwora, ang. shorting pin) zwiera łatę z płaszczyzną masy (ekranem). Odległość punktu
zasilania od punktu zwarcia na łacie może być różna. W większości przypadków nie
przekracza ona 5 mm. Podobnie jest z wysokością umieszczenia łaty nad ekranem, która
z reguły nie jest większa niż 8 mm.
Jeżeli chodzi o parametry obwodowe to anteny typu PIFA z natury są strukturami
wąskopasmowymi. Pracują przeważnie w kilku dość wąskich pasmach częstotliwości.
Takie własności są jednak wystarczające do budowy anteny terminala telefonii
2G (czy nawet 2.5G) pracującej w dwóch lub trzech pasmach częstotliwości.
- 8 -
Å‚ata
promieniujÄ…ca
zwora
zasilanie
powietrze
płaszczyzna
masy
WIDOK Z PRZODU WIDOK Z BOKU
Rys. 2.1. Budowa anteny typu PIFA
Obecnie znane są dziesiątki przykładów anten PIFA pracujących w dwóch lub trzech
pasmach obejmujÄ…cych systemy GSM900, GSM1800, PCS oraz Bluetooth (WLAN).
W dalszej części rozdziału zostaną omówione dwu- i trójzakresowe anteny PIFA oraz
szerokopasmowa antena typu WC-PIFA (ang. Wideband Compact PIFA).
- 9 -
2.2.1. Anteny dwuzakresowe
O właściwościach elektrycznych anteny typu PIFA decyduje przede wszystkim wielkość
i kształt elementu promieniującego. Kilka przykładowych łat promieniujących
dwuzakresowych anten przedstawia rys. 2.2. Jak już wcześniej wspomniano łata może być
wykonana w postaci nadruku na podÅ‚ożu mikrofalowym (o µr > 1) lub w postaci
samonośnej metalizacji. A
ata anteny dwuzakresowej może składać się z dwóch oddzielnych
fragmentów (rys. 2.2a), z których każdy ma osobne zasilanie [6]. Najczęściej jednak jest
to pojedynczy promiennik z odpowiednio wyciętą szczeliną dzielącą cały obszar na dwie
zasadnicze części (rys. 2.2b, c, d, e) [7, 8, 9, 10, 11]. Dobrym rozwiązaniem może być też
odpowiednio zwinięty pasek (rys. 2.2e,f). Pozwala to na zmniejszenie wymiarów
geometrycznych przy jednoczesnym zachowaniu odpowiedniej długości elektrycznej.
Często stosowanym zabiegiem jest sprzęganie dwóch oddzielnych fragmentów łaty
miniaturowym elementem stratnym o charakterze reaktancyjnym (rys. 2.2h) [12].
Zastosowanie elementu skupionego pozwala na lepsze dopasowanie impedancyjne.
Polepszenie parametrów obwodowych dzieje się jednak kosztem zmniejszenia sprawności,
a przez to i zysku energetycznego. Ostatnim z najczęściej stosowanych zabiegów jest
umieszczenie w strukturze dodatkowego elementu biernego (rys. 2.2i), polepszajÄ…cego
w znaczący sposób parametry obwodowe struktury promieniującej [13].
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(h)
(i)
(g)
zwora
miniaturowy element indukcyjny
zasilanie
miniaturowy element pojemnościowy
Rys. 2.2. Przykładowe kształty prostych łat promieniujących dwuzakresowych anten typu PIFA
- 10 -
 Powyższe rozwiązania ze względu na swoją prostotę (niski koszt produkcji) są obecnie
szeroko stosowane przez producentów współczesnych telefonów komórkowych 2G/2.5G.
Pod koniec rozdziału zostanie zaprezentowane kilka przykładów anten stosowanych
w dzisiejszych terminalach przenośnych, których budowa jest oparta na powyższej
koncepcji. W tym miejscu jednak należy zwrócić uwagę na fakt, że anteny dzisiejszych
telefonów nie spełniają w sposób rygorystyczny założeń postawionych we wstępie pracy.
Jak to pokazali autorzy artykułu [3] antena we współczesnym terminalu pracuje na skraju
pasma z WFS równym 5.0 (44.5% mocy jest tracona), a nawet i większym. Dlatego
konieczne są nowe rozwiązania pozwalające na zachowanie WFS w całym paśmie pracy
na poziomie co najwyżej 2.5. Najprostszym sposobem jest podzielenie łaty promieniującej
na więcej niż dwie części. Przykładem jest struktura przedstawiona na rys. 2.3.
Z
Å‚ata promieniujÄ…ca
x Y
podłoże FR4
X
8 mm
µr = 4.4
gr. 0.4 mm
płaszczyzna masy
zasilanie
zwora
40 × 100 mm2
(a)
mikropasek 2
mikropasek 1
zwora
zasialnie
H
Y
Å‚ata 1
L
x X
Z
(b)
Rys. 2.3. Budowa dwuzakresowej anteny GSM900/1800: a) widok z boku, b) widok Å‚aty promieniujÄ…cej
Omawiana antena pracuje w dwóch pasmach 885-962 MHz oraz 1708-1915 MHz z WFS
poniżej 2.5 (str. 1125, rys. 2. w [4]). Jak widać z powyższych danych antena jest dobrze
dopasowana w całym paśmie systemów GSM900 oraz GSM1800. Promiennik w tym
przypadku podzielony został na trzy części tak jak to pokazuje rys. 2.3b. Jest on wykonany
w postaci nadruku na laminacie mikrofalowym o grubości 0.4 mm oraz względnej
przenikalności elektrycznej równej 4.4.
- 11 -
A
ata promieniujÄ…ca jest umieszczona nad ekranem o wymiarach 40×100 mm na wysokoÅ›ci
8 mm, co widać na rys. 2.3a. Wielkość poszczególnych elementów łaty została tak dobrana
aby wyróżniona długość wynosiła /4. Wielkość łaty nr 1 została wyznaczona na podstawie
poniższego wzoru:
c
fr = , (2.1)
4 Å" (W + L)
w którym c to prędkość światła w próżni, a W oraz L to długości boków łaty nr 1. Podobnie
zostały dobrane wymiary mikropasków 1 i 2. Całkowita długość każdego z nich wynika z
zależności:
c
fr = , (2.2)
4 Å" l
w której l to całkowita długość mikropaska.
Jeżeli chodzi o parametry polowe tej struktury to na charakterystykach promieniowania
widać (str. 1125, rys. 3. w [4]), że antena w płaszczyz
nie azymutu (płaszczyzna XZ
z rys. 2.3.) promieniuje niemal dookólnie z 3 dB wytÅ‚umieniem na kierunku Ć=180°.
W płaszczyz
nie elewacji jest ona wytłumiona wzdłuż osi Y o 10 dB. Zysk energetyczny
w paśmie GSM900 wynosi od 1 dBi do 2.7 dBi, a paśmie GSM1800 od 1 dBi do 2.1 dBi
(str. 1126, rys. 4. w [4]).
- 12 -
2.2.2. Anteny trzyzakresowe
Trójzakresowe anteny są budowane podobnie jak dwuzakresowe, z tą jednak różnicą,
że poszczególne fragmenty łat są tak projektowane, aby obsługiwały inne częstotliwości
rezonansowe, zgodnie ze wzorami (2.1) lub (2.2). Rysunek 2.4. przedstawia przykładowe
łaty promieniujące najprostszych anten trzyzakresowych. Jak widać koncepcja jest
identyczna jak dla anten dwuzakresowych. Im więcej przedziałów częstotliwości (pasm)
ma obsługiwać antena tym więcej wydzielonych części musi posiadać.
Å‚ata 1
Å‚ata 1
Å‚ata 3
Å‚ata 2
Å‚ata 2
(a) (b)
zwora
zasilanie
Rys. 2.4. Przykładowe kształty prostych łat promieniujących trzyzakresowych anten typu PIFA: a) trzy
oddzielne łaty dla każdego z pasm GSM900/1800/Bluetooth, każda z oddzielnym zasilaniem i zworą, b) dwie
łaty, większa dla pasm GSM900/1800, a mniejsza dla pasma systemu Bluetooth
Taka fragmentacja anteny (rys. 2.4a) jest niewygodnym rozwiązaniem, ponieważ konieczne
jest doprowadzenie trzech oddzielnych par przewodów zasilających. Dlatego dąży się
do tego, aby taka wieloczęstotliwościowa struktura była zasilana z jednej pary przewodów.
Przykład takiej trzyzakresowej anteny PIFA przedstawia rys. 2.5. Pracuje ona z WFS
poniżej 2.5 w pasmach 940-958 MHz, 1715-1800 MHz oraz 2410-2480 MHz (str. 53,
rys. 2.28 w [1]). Rozpatrywana antena składa się z dwóch mikropasków różnej długości
nadrukowanych na podłożu o grubości 3.2 mm oraz względnej przenikalności elektrycznej
równej 4.4. Dłuższy pasek (mikropasek 1) nadrukowany dwustronnie odpowiada za pracę
anteny dla niższych częstotliwości (fr1=950 MHz, fr2=1760 MHz), a krótszy (mikropasek 2)
dla wyższych (fr3=2445 MHz). Całość umieszczona jest nad ekranem o wymiarach
80×30 mm na wysokoÅ›ci 2.3 mm.
- 13 -
mikropasek 2
mikropasek 1
zasilanie
i zwora
podÅ‚oże FR4 o µr = 4.4
Z
gr. 3.2 mm
powietrze
płaszczyzna masy
Y
gr. 2.3 mm
X
80 × 30 mm
Rys. 2.5. Budowa trzyzakresowej anteny GSM900/1800/Bluetooth
Charakterystyki promieniowania zmierzono dla częstotliwości 950MHz, 1760MHz oraz
2450MHz (str. 54-6, rys. 2.29-31 w [1]). Na ich podstawie można powiedzieć, że antena
promieniuje niemal dookólnie i jest stabilna w funkcji częstotliwości. Polaryzacja zgodna
pokrywa się z osią X z rys. 2.5. Oznacza to, że antena podczas normalnego użytkowania
pracuje z polaryzacją pionową. Maksymalne wartości zysków energetycznych dla
poszczególnych częstotliwości pomiarowych to 0 dBi, 2.2 dBi oraz 1.5 dBi.
Jak widać z powyższych danych opisana antena nie może pracować w systemie GSM
ani Bluetooth ze względu na zbyt wąskie częstotliwościowe pasmo pracy, chociaż obecnie
stosowane w terminalach anteny [3] również mają zbyt wąskie pasmo pracy
(dla WFS d" 2.5). Jednak przykład tej anteny pokazuje, że jest możliwe zbudowanie
stosunkowo małej struktury obsługującej trzy oddalone od siebie pasma częstotliwości.
Można przypuszczać, że wyposażenie struktury w nowe mikropaski o odpowiednich
długościach pozwoli na poszerzenie już istniejących pasm.
2.2.3. Antena typu WC-PIFA
Typowe anteny PIFA są strukturami wąskopasmowymi. Omówione jak dotąd
rozwiązania pozwalały na pracę wielopasmową (w dwóch lub trzech stosunkowo wąskich
pasmach częstotliwości), a nie szerokopasmową. Przedstawione poniżej rozwiązanie [5]
pozwala na uzyskanie anteny PIFA pracującej w paśmie 1GHz (WFS d" 2).
- 14 -
Tak dobry wynik uzyskano dzięki zasilaniu łaty promieniującej przez pojemność [15].
BudowÄ™ omawianej anteny przedstawia rys. 2.6.
21.5 mm
Z
zasilanie
(sprzężęnie
5.625 mm
pojemnościowe)
Y
x
X
(a)
zwora
56 mm
Z
9 mm
Y
x
(b)
Z
Å‚ata
X
promieniujÄ…ca
Y
X
(c)
płaszczyzna
masy
Rys. 2.6. Budowa szerokopasmowej anteny typu WC-PIFA: a) widok z boku, b) widok z góry, c) widok
trójwymiarowy
Jak widać strukturÄ™ można zamknąć w szeÅ›cianie o wymiarach 56×9×5.6 mm (2.8 cm3).
CaÅ‚ość skÅ‚ada siÄ™ z Å‚aty promieniujÄ…cej o wymiarach 21.5×9 mm poÅ‚Ä…czonej zworÄ…
o szerokoÅ›ci 2.2 mm z pÅ‚aszczyznÄ… masy (56×9 mm) poÅ‚ożonÄ… 5.6 mm poniżej. Jak już
wspomniano łata promieniująca zasilana jest przez pojemność w postaci prostokątnego
kawaÅ‚ka przewodnika o wymiarach 20.6×9 mm.
Jeżeli chodzi o parametry obwodowe to antena WC-PIFA pracuje w paśmie
1740-2800 MHz z WFS d" 2 oraz 1690-3000 MHz z WFS d" 2.5 (str. 106, rys. 6-5. w [5]).
Daje to względną szerokość częstotliwościowego pasma pracy odpowiednio na poziomie
46% oraz 56%. Charakterystyka promieniowania w płaszczyz
nie azymutu (płaszczyzna
X-Z z rys. 2.6.) jest dookólna. Natomiast w płaszczyz
nie elewacji (X-Y i Y-Z z rys. 2.6.)
jest wytłumiona wzdłuż osi Y o 30 dB (str. 105, rys 6 4. w [5]). Maksymalny zysk
energetyczny podany przez autora pracy [5] to 2.5 dBi.
- 15 -
2.3. Anteny typu miniaturowy monopol
Klasyczne anteny typu monopol ze względu na swoją bardzo prostą budowę były
odkryte i stosowane jako pierwsze. Do dziś używa się ich w terminalach łączności
krótkofalowej czy trankingowej. W terminalach telefonii komórkowej ze względu
na mniejszą długość fali możliwa jest znaczna miniaturyzacja takiego monopolu. Oprócz
zmniejszenia wymiarów uzyskuje się również kontrolę nad charakterystyką
promieniowania takiej struktury, co pozwala na zmniejszenie ilości energii pola
elektromagnetycznego wypromieniowanego w kierunku głowy użytkownika. Budowę
typowego miniaturowego monopolu przedstawia rys. 2.7.
monopol
płaszczyzna
mikropaskowa
masy
linia zasilajÄ…ca
50&!
podłoże
dielektryczne
WIDOK Z GÓRY WIDOK Z BOKU
Rys. 2.7. Budowa anteny typu miniaturowy monopol
Jak widać konstrukcja podobna jest do anteny typu PIFA. Jest jednak kilka różnic.
Do struktury promieniującej doprowadza się tylko zasilanie, a płaszczyzna masy nie ma
galwanicznego połączenia z elementem czynnym (monopolem). Sam monopol może być
wykonany jako nadruk na laminacie albo jako odpowiednio zwinięty mikropasek czy drut.
Budowane są zarówno konstrukcje dwuwymiarowe (całkowicie płaskie, rys. 2.8a) jak
i trójwymiarowe (rys. 2.8b). Wśród tego typu anten istnieją zarówno konstrukcje
wieloczęstotliwościowe jaki i szerokopasmowe, których przykłady zostaną przedstawione
w dalszej części pracy.
- 16 -
2.3.1. Anteny wielozakresowe
Rysunek 2.8. przedstawia trójzakresową antenę typu miniaturowy monopol [1,16]. Może
ona pracować w dwóch konfiguracjach, jako struktura całkowicie płaska, ale o stosunkowo
dużej szerokości 47 mm (rys. 2.8a) albo struktura kompaktowa (rys. 2.8b) o wymiarach
25×6.5×6 mm (1 cm3). Zarówno pierwsza jak i druga antena wykonana jest w postaci
nadruku na laminacie mikrofalowym o grubości 0.4 mm i względnej przenikalności
elektrycznej równej 4.4. Całość umieszczona jest dodatkowo na podłożu
(gr. 0.4 mm i µr=4.4) o wymiarach 114.5×35 mm. Na spodniej część podÅ‚oża umieszczona
jest płaszczyzna masy tak jak to pokazuje rys. 2.8b. Element promieniujący (monopol)
składa się z trzech zwiniętych mikropasków. Każda gałąz
została tak zaprojektowana aby
jej długość elektryczna wynosiła /4. Wszystkie trzy fragmenty (gałęzie) anteny
umieszczone bardzo blisko siebie sprzęgają się elektromagnetycznie ze sobą dlatego ich
fizyczna długość (po rozwinięciu) jest większa od /4.
gałąz
3
gałąz
1
gałąz
2
(a)
punkt
zasilania
Z
punkt X
Y
zasilania
mikropaskowa
linia zasilajÄ…ca
50&!
3 mm
podłoże FR4
114.5 × 35 mm
płaszczyzna masy
gr. 0.4 mm, µr = 4.4
105 × 35 mm
(b)
Rys. 2.8. Trójzakresowa antena typu miniaturowy monopol GSM900/1800/PCS: a) struktura rozwinięta
(płaska), b) struktura zwinięta (kompaktowa)
- 17 -
Obydwie anteny pracują z WFS < 2.5 w pasmach systemów GSM900/1800 oraz PCS
(str.79 i 80, rys. 3.7 i 3.8 w [1]). Zwinięcie struktury do postaci kompaktowej nieznacznie
zawęża szerokość każdego z pasm, które ostatecznie wynoszą 71 MHz dla przedziału
889-960 MHz oraz 304MHz dla przedziału 1704-2008 MHz.
Charakterystyka promieniowania została zmierzona dla trzech częstotliwości
f1=900MHz, f2=1800MHz i f3=1900MHz (str. 81-3, rys. 3.9-11 w [1]). W dolnym paśmie
charakterystyka promieniowania w płaszczyz
nie azymutu jest bezkierunkowa (płaszczyzna
X-Z na rys. 2.8.). Natomiast w płaszczyz
nie Y-Z charakterystyka jest wytłumiona wzdłuż
osi Y (-20 dB), a dla X-Y jest bezkierunkowa. W górnym paśmie częstotliwości, zarówno
dla 1800MHz jak i dla 1900MHz, charakterystyki promieniowania sÄ… bezkierunkowe bez
wyraz
nych minimów. Natomiast zysk energetyczny dla dolnego pasma wynosi od 1.4 dBi
do 1.7 dBi, a dla górnego od 1.9 dBi do 3.6 dBi.
Kolejnym przykładem jest całkowicie płaska struktura pracująca w czterech pasmach
częstotliwości systemów GSM900/1800, PCS oraz UMTS [1,17]. Budowa omawianej
anteny przedstawiona jest na rys. 2.9.
Z
mikropasek
zewnętrzny
x
X
Y
punkt
mikropasek
zasilania
wewnętrzny
mikropaskowa
linia
zasilajÄ…ca 50&!
płaszczyzna podłoże FR4
masy 72 × 30 mm
60 × 30 mm
gr. 0.4 mm
Rys. 2.9. Czterozakresowa antena typu miniaturowy monopol GSM900/1800/PCS/UMTS
- 18 -
Monopol ma wymiary 30×10 mm i jest nadrukowany na laminacie mikrofalowym FR4
o wymiarach 72×30 mm (gr. 0.4 mm, µr = 4.4). Na wierzchniej stronie poprowadzona jest
mikropaskowa linia zasilająca (50&!), a od spodu nadrukowano płaszczyznę masy tak jak
to pokazano na rys. 2.9. Element promieniujący (monopol) składa się z dwóch
mikropasków, których długość elektryczna wynosi /4. Przedstawiona antena pracuje
z WFS d" 2.5 w następujących pasmach częstotliwości, dolnym 883-975 MHz oraz górnym
1675-2240 MHz (str. 89, rys. 3.19 w [1]).
Charakterystyka promieniowania została zmierzona dla f1=900MHz, f2=1800MHz
i f3=1900MHz (str. 91, rys. 3.21 w [1]). Dla wszystkich częstotliwości pomiarowych
charakterystyka w płaszczyz
nie XY (z rys. 2.9.) jest zbliżona do koÅ‚owej (dla E¸),
a w płaszczyz
nie YZ jest wytÅ‚umiona o 10 dB dla 0° i 180°. Natomiast zysk energetyczny
dla dolnego pasma wynosi od 1.4 dBi do 2.9 dBi, a dla górnego od 1.9 dBi do 3.4 dBi.
2.3.2. Anteny szerokopasmowe
Wśród anten o strukturze miniaturowego monopola znane są również szerokopasmowe
konstrukcje pracujące tylko w jednym, ale za to dość szerokim (43%) paśmie
częstotliwości. Przykład takiej anteny [1,18] przedstawia rys. 2.10. W tym przypadku
monopol ma wymiary 17.5×10×5 mm i wykonany jest z prostokÄ…tnego kawaÅ‚ka
przewodnika odpowiednio zawiniętego tak jak to pokazuje rys. 2.10. Umieszczenie
elementu promieniującego w odległości 3 mm od podłoża pozwala na uzyskanie
optymalnych parametrów obwodowych. Tak skonstruowana antena pracuje w paśmie
1676-2582 MHz z WFS d" 2.5 (str. 105, rys. 3.35 w [1]). Pozwala to na prace w systemach
GSM1800, PCS, UMTS oraz WLAN (Bluetooth).
Na podstawie przedstawionych charakterystyk promieniowania omawianej anteny
(str. 106-7, rys. 3.36-7 w [1]) można powiedzieć, że dla wszystkich systemów
w płaszczyz
nie azymutu jest ona niemal bezkierunkowa, a w płaszczyz
nie elewacji posiada
zera dla kierunków ¸=0°, 90°, 180° i 270°. Natomiast zysk energetyczny w caÅ‚ym paÅ›mie
mieści się w przedziale od 2.6 dBi do 5.2 dBi (str. 108, rys. 3.38 w [1]).
- 19 -
17.5 mm
Z
10 mm
X
3 mm
5 mm
Y
mikropaskowa
linia
zasilajÄ…ca 50&!
płaszczyzna
masy
35 × 100 mm
punkt
zasilania
podłoże FR4
35 × 100 mm
µr = 4.4
gr. 0.4 mm
Rys. 2.10. Szerokopasmowa antena typu miniaturowy monopol GSM1800/PCS/UMTS/WLAN(Bluetooth)
2.3.3. Antena typu krótki monopol ze zredukowanym promieniowaniem
wstecznym
Przedstawiona poniżej antena (rys. 2.11.) pracuje w wąskim paśmie częstotliwości
(10%), ale ze względu na swoją specyficzną budowę pozwala na wytłumienie
promieniowania elektromagnetycznego w kierunku osi  Y o około 10 dB [1,19]. Oznacza
to, że w kierunku głowy potencjalnego użytkownika zostanie wypromieniowane dziesięć
razy mniej energii w jednostce czasu niż w pozostałych kierunkach. Jest to niewątpliwie
duża korzyść w porównaniu do klasycznego monopola, pod warunkiem jednak, że łączność
nie jest nawiązywana na kierunku stacja bazowa-głowa użytkownika-antena terminala.
Takie właściwości antena zawdzięcza odpowiednio ukształtowanej płaszczyz
nie masy.
Rozpatrywana struktura pracuje w paśmie 1694-1880 MHz z WFS d" 2.5 (str. 124,
rys. 3.58 w [1]), co pokrywa zapotrzebowanie na pasmo dla systemu GSM1800.
Charakterystyka promieniowania jest niemal dookólna (brak zer) zarówno w płaszczyz
nie
azymutu jak i elewacji (str. 124, rys. 3.59 w [1]). Zysk energetyczny jest na poziomie 4 dBi
w całym paśmie pracy anteny.
- 20 -
3 mm
krótki
10 mm
14 mm
monopol
Z
X
x
12 mm
Y
40 mm
15 mm
(b)
13 mm
płaszczyzna
masy
Z
70 mm
Y
X
Z
x Y
X
(a) (c)
Rys. 2.11. Antena typu krótki monopol z wytłumionym promieniowanie wstecznym GSM1800: a) widok
trójwymiarowy, b) widok z góry, c) widok z boku
2.4. Anteny we współczesnych terminalach telefonii
komórkowej 2G/2.5G
Współczesne terminale telefonii komórkowej obsługują dwa lub trzy stosunkowo wąskie
(o względnej szerokości 7.5%, maks. 9.5% dla GSM1800) pasma częstotliwości. Dlatego
istotne jest aby antena mogła pracować w kilku wąskich oddalonych od siebie pasmach.
Do takich zadań najlepiej nadają się anteny PIFA. Okazuje się, że we wszystkich modelach
współczesnych terminali, do których udało się dotrzeć autorowi niniejszej pracy
konstruktorzy montują anteny PIFA. Sześć przykładowych struktur przedstawia rys. 2.12.
Pośród przedstawionych modeli są takie, które pracują w pasmach tylko dwóch systemów
GSM900/1800 (rys. 2.12a,b,c,d) lub trzech GSM900/1800 i PCS (rys. 2.12e). Są również
i takie, które dodatkowo obsługują system Bluetooth (rys. 2.12f). Zaprezentowane anteny
to w zasadzie tylko łaty promieniujące. Płaszczyznę masy w terminalu stanowi płytka
drukowana z podzespołami zasilającymi element promieniujący. Jak widać łaty wykonane
są w postaci samonośnych płaszczyzn przewodników z odpowiednio wyciętymi
szczelinami. Warto dodać, że antena z terminala SonyEricsson T68i (rys. 2.12f) wykonana
jest w postaci naklejki umieszczonej na wewnętrznej części obudowy.
- 21 -
Można zauważyć, że struktury dwuzakresowe mają jedną szczelinę (rys. 2.12a,b,c,d),
a trzyzakresowe dwie szczeliny, które dzielą ją odpowiednio na dwie lub trzy części.
W przypadku czterozakresowego SonyEricssona T68i łata składa się z czterech
fragmentów, z czego trzy są zasilane oddzielnie.
Tabela 2.1. Przykłady anten montowanych we współczesnych terminalach telefonii komórkowej 2G/2.5G
Wymiary
Nr
Model Obsługiwane zakresy obudowy
rysunku
[mm]
Siemens A50 GSM-900/1800 2.12a
109×46×23
Motorola T-192 GSM-900/1800 2.12b
120×46×28
Nokia 3310 GSM-900/1800 2.12c
113×48×22
Nokia 3510 GSM-900/1800 2.12d
118×42×18
Nokia 7250 GSM-900/1800/PCS 2.12e
105×44×19
SonyEricsson T68i GSM-900/1800/PCS/Bluetooth 2.12f
100×48×20
- 22 -
zasilanie
zasilanie
i zwora
i zwora
(a) (b)
zasilanie
zasilanie
i zwora
i zwora
(c) (d)
zasilanie
i zwora
zasilanie
i zwora
(e) (f)
Rys. 2.12. Przykłady anten montowanych we współczesnych terminalach telefonii komórkowej 2G/2.5G:
a) Siemens A50, b) Motorola T-192, c) Nokia 3310, d) Nokia 3510, e) Nokia 7250, f) SonyEricsson T68i
- 23 -
2.5. Podsumowanie
W pierwszej części rozdziału został przedstawiony przegląd modeli anten do terminali
telefonii komórkowej. Natomiast druga część zawiera przykłady rozwiązań
konstrukcyjnych stosowanych w komercyjnych przenośnych aparatach telefonicznych.
Porównując budowę dwusystemowej anteny i odpowiadającego jej modelu można
stwierdzić, że producenci dążą do minimalizacji stopnia złożoności struktury
promieniującej, co pozwala to na minimalizację kosztów produkcji. Można się jednak
spodziewać, że anteny w dzisiejszych terminalach nie spełniają w sposób rygorystyczny
założeń określonych we wstępie pracy, tzn. nie są dostatecznie dopasowane impedancyjnie
w całym częstotliwościowym paśmie pracy, co zostało pokazane przez autorów artykułu
[3] na przykładzie badanego typu anteny. Zużycie energii we współczesnych terminalach
2.5G (np. ze względu na kolorowe wyświetlacze) rośnie niewspółmiernie do możliwości
oferowanych na dzień dzisiejszy miniaturowych z
ródeł zasilania. Koniecznością staje się
więc zastosowanie bardziej oszczędnych energetycznie struktur promieniujących. Jak
widać istnieją już odpowiednie rozwiązania, ale są to tylko modele anten. Oznacza to,
że nie są one jeszcze gotowe do pracy w rzeczywistym terminalu. Umieszczenie anteny
w obudowie telefonu przenośnego w bezpośrednim sąsiedztwie ekranowanych układów
mikrofalowych w znaczny sposób zmienia jej parametry zarówno obwodowe jak i polowe.
Najczęściej struktura przestraja się i pracuje w innym z reguły węższym paśmie
częstotliwości. Dlatego konieczne jest stworzenie metodyki strojenia parametrów
częstotliwościowych anteny, aby móc przeciwdziałać niekorzystnym skutkom wpływu ciał
obcych w polu bliskim anteny. W przedstawionej literaturze brak jest takich informacji.
W zasadzie jest to najważniejsza część dokumentacji anteny, która jest dobrze strzeżona
przez jej projektanta i wykonawcę. Innym ważnym aspektem, który nie został jeszcze
poruszony jest praca anteny w pobliżu ciała ludzkiego. Okazuje się, że ciało użytkownika
(zwłaszcza jego głowa) również wpływa na parametry, niejednokrotnie pogarszając je. Jest
to jednak kwestia bardzo trudna do analizy z uwagi na brak jednoznacznego
matematycznego modelu ciała ludzkiego.
W dalszej części pracy zostanie zaprezentowany model anteny szerokopasmowej o dość
nowatorskiej budowie. Oprócz samych wyników badań jej parametrów elektrycznych
zostanie przedstawiona również metodyka strojenia charakterystyk częstotliwościowych
zaproponowanej struktury promieniujÄ…cej.
- 24 -