Обзор укороченных антенн и прототипы компактных антенн

Антенна — это электрическое устройство, которое преобразует направляемые электромагнитные волны в радиоволны, и наоборот, радиоволны в направляемые электромагнитные волны. Обычно используется с радиопередатчиком или радиоприемником [1].

Антенны являются важными компонентами везде, где используется радио. Они используются в таких системах, как радиовещание, вещательное телевидение, двусторонняя радиосвязь, радары, сотовые телефоны и спутниковая связь. Применяется также в беспроводных микрофонах, в устройствах с поддержкой Bluetooth и беспроводных устройствах.

Уменьшение электрических размеров излучающего элемента приводит к уменьшению антенн, что становится одной из важнейших задач. Целесообразно изменяя размер антенны достичь той же производительности такой же как у антенны большого размера. Уменьшение размеры антенны приводит к ограничению характеристикам излучения и шириной полосы частот импеданса.

Дипольная антенна была разработана Генрихом Рудольфом Герцем около 1886 года и до сих пор остается наиболее широко используемой антенной (рис. 1). Применяется двумя одинаковыми и симметричными металлическими проводами, а его подающее устройство соединено в центре диполя, также с двумя соседними концами проводов. Результаты работы диполя является стоячая волна в зависимости от его длины. Основной режим антенны возникает, когда длина всей антенны составляет половину длины волны.

Рис. 1. Вид дипольной антенны

Несимметричная вибраторная антенна (монопольная антенна) реализуется, когда добавляется перпендикулярная плоскость заземления в центре дипольной антенны, тем самым ее длина разделяется в два раза, имея те же направление и фазу, что и ток в дипольной антенне. Таким образом, четвертьволновой монополь образует полуволновой диполь, который излучает только в верхней половине пространства [2]. Первые мобильные телефоны использовали антенны такого типа для приема Глобальной Системы Мобильной Связи (GSM).

Сгиная провод, который параллелен земле, уменьшает размер монопольной антенны и назвали его инвертированной L-антенной (ILA) (рис. 2). У ILA электрическая длина такая же, как у монополя, его резонансная частота также одинакова и ширина полосы антенны очень мала и не превышает 1 %.

Для облегчения согласование ILA добавляется заземляющий провод на горизонтальную часть, что дает новую конструкцию антенны, которая называется инвертированная F-антенна (IFA) (рис. 2). IFA обычно используются в мобильных телефонах из-за их небольшого размера (четверть длины волны).

Спиральная антенна позволяет уменьшить длину антенны. В основном его режим обусловлен четвертьволновым резонансом. Однако его изгибающая структура может включать в себя некоторые емкостные или индуктивные резонансы. Спиральную антенну, так же как и штыревую, можно настраивать на рабочую частоту с помощью укорачивающей емкости и удлиняющей индуктивности. Применение емкости повышает резонансную частоту антенны, а использование индуктивности понижает ее. Эта антенна широко используется в мобильных телефонах.

Микрополосковая антенна (МПА)представляет собой узкополосную и широкополосную антенну, в основном содержит след меди или любого другого металла любой геометрии на одной стороне подложки стандартной печатной платы, а другая сторона заземлена (рис. 3). МПА относительно недороги в изготовлении и разработке из-за простой двумерной физической геометрии. Преимуществом также является возможность иметь поляризационное разнесение. Обычно используются на ультравысоких частотах (УВЧ) и более высоких частотах, потому что размер антенны напрямую связан с длиной волны на резонансной частоте. Так как на одной стороне подложки из металл, что вместо него можно использовать другой материал. Использование другого материала позволяет уменьшить управляемую длину волны и следовательно физическую длину антенны. Материалы с высокой проницаемостью позволяют уменьшить размер антенны без уменьшения ее полосы относительного полного сопротивления [3].

Рис. 3. Микрополосковая антенна

Весьма перспективны малоразмерные высокоэффективные диэлектрические резонаторные антенны (DRA), характеризуемые большой полосой пропускания и малыми потерями в широком диапазоне частот. Выполнены из диэлектрика — керамики или пластика. За счёт этого они получили название DRA. Эти антенны могут быть объединены с компонентами, предлагают достаточно удобное и дешевое решение задач, стоящих перед разработчиками систем связи, в первую очередь коммерческих беспроводных устройств. Существуют и другие варианты антенн этого класса, характеризуемые расширенным частотным диапазоном, простотой изготовления, большими возможностями управления резонансной частотой и добротностью.

На сегодняшний день с новыми технологиями были изобретены и спроектированы прототипы антенных конструкций. Исследуя действующие антенны можно рассмотреть конструкций разных авторов и их идеи.

Конструкция компактной низкопрофильной ивсенаправленной фильтрующей патч-антенны

Рассматривается низкопрофильная всенаправленная патч-антенна с фильтрующим откликом. По сравнению с традиционным круглым патчем, использование треугольного патча может не только минимизировать размер патча, но также генерировать нулевое излучение на верхнем краю полосы, тогда как введение щелевых отверстий и коротких замыканий может увеличить ширину полосы импеданса и одновременно обеспечить нулевое излучение на нижнем краю полосы [4]. Функция фильтрации успешно интегрирована в патч-антенну без использования дополнительных цепей фильтрации. Конструкция очень компактна, и потери фильтра при установке желательно исключать. Для проверки был спроектирован, изготовлен и испытан прототип предлагаемой антенны (рис. 4).

Рис. 4. Вид сверху (а) и вид сзади (б) всенаправленной фильтрующей патч-антенны

Адаптируясь к текущим требованиям для будущих поколений беспроводных технологий на частотах миллиметровых волн, данная конструкция ориентировалась на разработку недорогих, низкопрофильных, плоских антенн и антенн с высоким усилением на частоте не более 60 ГГц. Структура подходит для приложений с малым энергопотреблением, таких как беспроводные персональные сети (WPAN). Структура избегает использования переходных отверстий и любых сложных производственных требований, которые должны быть реализованы на любом скромном производственном объекте (рис. 5). Предлагаемая структура антенны подходит для применения на малой дальности с малым радиусом действия. Предлагаемая антенна имеет плоскую бесконтактную структуру и преимуществом является малая требовательность процесса изготовления [5].

Рис. 5. Прототип низкопрофильной антенны с высоким коэффициентом усиления

Подводя итоги, можно сказать, что существует множество видов укороченных антенн, которые применяются там, где нужно передать или же принять радиосигнал. У каждого вида антенн свои параметры и характеристики, достоинства и недостатки. На сегодняшний день идеи в создании антенн не останавливаются. Авторы новых антенн представляют свои конструкции для работы в разных поляризациях, небольшие размеры конструкции и повышенный коэффициент усиления. Уделяя больше времени к изобретениям, сфера деятельности в области антенн будет развиваться, а интерес к ним будет расти.

Литература:

1. Ротхаммель, К. Антенны / К. Ротхаммель.  М.: Энергия, 2001.  272 c.2
2. Kraus, J. D.: Antennas: Our Electronic Eyes and Ears, Microwave Journal, January 1989, pp. 77–92.
3. Г. М. Кочержевский, Г. А. Ерохин, Н. Д. Козырев. Антенно-фидерные устройства.  М.: Радио и связь, 1989.
4. T. L. Wu, Y. M. Pan, P. F. Hu, S. Y. Zheng, «Design of a Low Profile and Compact Omnidirectional Filtering Patch Antenna», IEEE Access, vol. 5, pp. 1083–1089, Jan. 2017.
5. Y. Al-Alem, A. A. Kishk, «Low-Profile Low-Cost High Gain 60 GHz Antenna», IEEE Access, vol. 6, pp. 13376–13384, March 2018.