28. Антенны мобильных телефонов и смартфонов. Типы антенн, режимы работы.

Разработку портативных антенн мобильных телефонов определяют два основных аспекта — приемлемая широкополосность (около 10% относительно значения несущей частоты) и максимальная равномерность электромагнитного излучения по азимутальному углу с высоким коэффициентом усиления. Эти условия противоречат тому факту, что антенна подносится близко к голове пользователя, которая по электрическим параметрам близка к поглощающему диэлектрическому эллипсоиду с размером главной оси, соизмеримым с длиной волны. При телефонных переговорах голова абонента поглощает и рассеивает электромагнитную энергию, излучаемую антенной, так, что нарушается азимутальная (меридиональная) равномерность излучения.

Наиболее простой способ достижения равномерного азимутального излучения — размещение антенны выше головы пользователя. Это требует применения для антенны неизлучающего основания размером не менее 15 см. Антенна в виде полуволнового симметричного вибратора или аналогичного излучателя имеет почти такую же длину. Общий размер основания и излучателя в этом случае составит около 30 см. Такие габаритные размеры недопустимы, так как размер сотового телефона не должен превышать 10 см, что приблизительно соответствует расстоянию между ртом и ухом взрослого человека.

Шлейфовые антенны. Работающая в диапазоне 800—900 МГц шлейфовая антенна (рис. 1.41), представляет собой расположенный вертикально симметричный полуволновый вибратор, имеющий круговую диаграмму направленности в азимутальной плоскости. Вибратор состоит из двух проводников разного диаметра. Один из них соединен с центральным проводом питающей коаксиальной линии и должен иметь длину, близкую к А,/4, чтобы достичь хорошего согласования антенны в рабочей полосе частот. Проводник с большим диаметром и разомкнутым концом (шлейф) имеет вид металлического стакана. Он соединен с внешней оплеткой питающей коаксиальной линии и выполняет функции реактивного сопротивления согласующего дросселя для высокочастотных токов. Дроссель наиболее эффективен, если отрезок линии, образованный внешним проводником коаксиальной линии и внутренней поверхностью шлейфа, настроен в резонанс на несущую частоту. Резонансная длина металлического шлейфа должна быть немного меньше А./4.

Работа антенны зависит от геометрических размеров питающей коаксиальной линии и формы металлических поверхностей корпуса телефона. Полуволновый вибратор имеет неоднородности диаметра в плече шлейфа- стакана и точке питания антенны. Ухудшения в работе наблюдаются за пределами диапазона ±5% частоты резонанса, поскольку в этом случае высокочастотные токи потекут по внешней поверхности питающей линии. Протекающие по корпусу радиотелефона высокочастотные токи частично поглощаются рукой абонента, увеличивая дополнительные омические потери и снижая коэффициент усиления антенны.

Цилиндрические спиральные антенны. Такие антенны широко использовались в ранних конструкциях радиотелефонов. При соответствующем выборе параметров спиральные антенны (рис. 1.42) имеют обычно приемлемые габаритные размеры и весьма эффективны но равномерности электромагнитного излучения и коэффициенту усиления. Однако их рабочая полоса частот сравнительно невелика. Цилиндрическая спиральная антенна (рис. 1.42, а) представляет собой свернутый в спираль проводник 1, который питается через коаксиальную линию 2. Внутренний провод коаксиальной линии соединяется со спиралью, а внешняя оплетка — с небольшим металлическим диском 3.

На рис. 1.42, а показаны размеры спирали антенны: а — радиус; s — шаг; L — длина по ее оси. а — спираль; 6 — двойная спираль на корпусе радиотелефона

В спиральных антеннах портативных телефонов используется режим ненаправленного излучения, который реализуется при диаметре спирали 2а, значительно меньшем длины волны (X > 12а). При этом в плоскости, совпадающей с осью спирали, диаграмма направленности имеет форму круговой восьмерки, а в плоскости витков антенна равномерно излучает во всех направлениях. Поскольку антенна (вместе с телефоном) практически всегда расположена вертикально, то используется меридиональное излучение радиоволн. В режиме излучения электромагнитных колебаний спиральная антенна радиотелефона на резонансной частоте возбуждает значительные уровни высокочастотных токов на корпусе, который становится частью излучающей системы. Возбужденные токи корпуса радиотелефона частично поглощаются рукой абонента, и ладонь руки в этом случае необходимо рассматривать как диэлектрический материал с омическими потерями, в котором находится корпус. Часть токов проходят от корпуса в руку и рассеиваются там, создавая дополнительный механизм потерь. Снижение коэффициента усиления спиральной антенны составляет около 3 дБ для человека с сухими руками.

Радиотелефонная спиральная антенна достаточно мала и в значительной степени затеняется головой абонента, находясь от нее на расстояниях 2—4 см. Провалы в диаграмме направленности спиральной антенны по сравнению с диаграммой направленности симметричного полуволнового вибратора достигают 10—12 дБ. Поэтому единственное достоинство спиральных антенн телефонов — их небольшой размер.

Сравнительно низкоэффективные рабочие характеристики и показатели спиральных антенн в диапазонах частот 800—900 МГц заставили разработчиков прибегнуть к их усложнению. Применяемые в настоящее время цилиндрические спиральные состоят из двух спиралей (рис. 1.42, 6) — первичной, жестко установленной на корпусе (длина 2—2,5 см при четвертьволновой электрической длине), и вторичной (длина 10 см при полуволновой электрической длине). Вторичная спираль размещается внутри корпуса телефона и в выдвинутом состоянии становится основным излучателем. Она запитывается концом первичной спирали, и в ней отсутствуют потери, вызванные рукой абонента.

Низкоирофильные антенны. В последние несколько лет в большинстве мобильных станций систем подвижной электросвязи стали широко применяться нетрадиционные излучатели нового тина. Наибольшее распространение в мобильных радиотелефонах получили микрополосковые и /7-образные низкопрофильные антенны (рис. 1.43).

Базовая, или проволочная, модель. Р-образной иизкопрофилыюй антенны показана на рис. 1.43, а. Данный вид антенны может быть получен путем изгиба несимметричного четвертьволнового вибратора в I-образную форму с последующей установкой на проводящей плоскости корпуса. Возбуждается антенна в смещенной от основания точке, к которой подключается внутренний проводник коаксиальной питающей линии. Внешняя оплетка коаксиальной линии соединяется с проводящей плоскостью корпуса.

Согласование полных сопротивлений Р'-образной антенны и линии достигается выбором положения точки питания. Частотный диапазон функционирования Р’-образной антенны пропорционален высоте Я.

Проволочная антенна стала основой для более эффективной плоскостной Р’-образной антенны, в которой излучающий элемент выполняется в виде полоски на двусторонней диэлектрической подложке (рис. 1.43, б). Подключение коаксиальной питающей линии в данной конструкции осуществляется так же, как и в проволочной модели. Плоскостная антенна является одним из основных типов внутренних встроенных антенн для перспективных моделей радиотелефона, и она может располагаться практически в любой части его корпуса.

Интеллектуальные антенны БПС. Подобные антенны представляют собой совокупность (решетку) определенным образом расположенных в одной плоскости (в площади квадрата или прямоугольника) отдельных элементарных излучателей электромагнитных волн, питаемых параллельно через индивидуальные устройства сдвига фаз (фазовращатели) одним источником высокочастотных колебаний (рис. 1.44) или системой когерентных (сфазированных) источников энергии.

Электромагнитные поля, создаваемые каждым отдельным излучателем, суммируясь в пространстве вблизи антенны, образуют единый электромагнитный фронт волны. Это поле обычно представляет собой узконаправленный луч энергии — требуемую диаграмму направленности (см. рис. 1.44).

К важнейшему свойству фазированной антенной решетки (ФАР) относится возможность электронным способом, практически мгновенно, изменять положение диаграммы направленности (сканировать, от англ, scan — поле зрения) в пространстве путем одновременного изменения с помощью электронных фазовращателей Ф определенных значений фаз элементарного излучателя (сдвиг фазы составляет от 0 до иД(р; п — число излучателей; Дер — дискретный сдвиг фазы одного фазовращателя) сверхвысокочастотных колебаний, подводимых к каждому излучателю. Излучателей может быть много (до 10 000), и они управляются с помощью компьютера. Применение ФАР для создания остронаправленных диаграмм излучения позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства и способствует увеличению количества получаемой информации о местоположении в пространстве различных объектов, таких как ракеты, самолеты, корабли и т.д. Сейчас смарт-антенны позволяют изменять и положение луча, и мощность излучения в различных секторах. Смарт-антенна автоматически находит наиболее сильный сигнал для мобильного телефона.

29 расчет напряженности поля в свободном пространстве

30 Понятие о множителе ослабления вывод формулы

31 Вывод полной интерференционной формулы

32 Вывод упрощенный и квадратичной интерференционных формул

33 Влияние Земли на диаграмму направленности передающей антенны в вертикальной плоскости

Если земная поверхность является идеальным проводником, то вектор напряженности поля, модуль которого определялся формулой (3.20), ориен­тирован вертикально по отношению к земной поверхности (рис. 3.10,6). Если же земная поверхность не является идеальным проводником, то наблюдается отток электромагнитной энергии радиоволны из атмосферы в толщу Земли, вследствие чего напряженность поля вдоль поверхности раздела непрерывно уменьшается по сравнению с полем над идеально проводящей поверхностью. Строгий анализ показывает, что в действительности вектор электрического поля в каждой точке земной поверхности наклоняется в направлении движе­ния волны (рис. 3.11) и, следовательно, помимо вертикальной составляющей (вектор Е_в) возникает горизонтальная составляющая напряженности поля (вектор Е_г), направленная параллельно земной поверхности. Амплитуда и фаза горизонтальной составляющей определяются электрическими парамет­рами земной поверхности. Появление горизонтальной составляющей напря­женности электрического поля, отличающейся по фазе от вертикальной составляющей, приводит к тому, что результирующее поле оказывается эллиптически поляризованным в вертикальной плоскости. Полупроводящая земная поверхность существенно изменяет структуру вертикально поляризо­ванного поля не только над земной поверхностью, но и в её толще (горизон­тальная составляющая в толще земли на рис. 3.11 не показана).

Для большого значения модуля относительной диэлектрической про­ницаемости Земли выполняется неравенство:

(3.23)

Для реальных почв неравенство (3.23) выполняется всегда. При этом, если модуль вертикальной составляющей напряженности электрического поля над земной поверхностью равен Ев, то модуль горизонтальной составляющей Ег, обусловленной конечной проводимостью Земли, определяется соотношением: (3.24)

34 Формула идеальной передачи и Шулейкина - Ван дер Поля

Задаче о распространении радиоволн над плоской полупроводящей поверхностью земли.

35 Расчет поля в различных зонах радиотрассы

36 Учёт сферичности земли в интерференционных формулах. Дальность прямой видимости

37 Зоны Френеля, определение их размеров. Понятие зоны, существенной для распространения радиоволн

Предположим, что в точке О (рис. 1.3) находится элементарный электрический вибратор. Определим поле, создаваемое ЭЭВ в точке наблюдения А.

С этой целью рассмотрим бесконечную плоскость S₀, перпендикулярную линии наблюдения ОА, на которой располагаются вторичные источники (излучатели Гюйгенса). Разобьем эту плоскость на зоны Френеля (рис. 1.4).

Физический смысл условий (1.4) состоит в том, что вторичные источники, расположенные на внутренней и внешней границах каждой зоны Френеля, создают в точке А поля, фазы φ₀ и φ₁ которых соответственно находятся в противофазе:

Согласно принципу Гюйгенса – Френеля, поле в точке наблюдения А определяется как векторная сумма полей всех вторичных источников, расположенных на бесконечной плоскости S₀.

Для нахождения результирующего поля в точке наблюдения А первоначально просуммируем геометрически векторы полей, создаваемых вторичными излучателями, расположенными в пределах каждой зоны Френеля, а затем просуммируем геометрически результирующие вектора каждой этой зоны.