CC BY
209
УДК 621.396
Р.В. Свердлов
канд. тех. наук, доцент, кафедра «Конструирование и технологии радиоэлектронных средств», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
РАЗРАБОТКА НОВЫХ ВИДОВ АНТЕНН ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ GSM-УСТРОЙСТВ
Аннотация. В статье приведены конструкции антенн для носимых GSM-устройств, повышающих качество связи в условиях неуверенного приема. Определены их параметры, приведены результаты компьютерного моделирования и оптимизации, результаты эксперимента. Рассмотрена возможность создания фазированной антенной решетки на базе разработанных антенн.
Ключевые слова: цифровой стандарт мобильной связи, логарифмические антенны, комбинированный вибратор, оптимизация, диаграмма направленности, однозаходная спиральная антенна, фазированная антенная решетка.
R.V. Sverdlov, Arzamas Polytechnic Institute (branch) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alexeev
DEVELOPMENT OF NEW TYPES OF ANTENNAS FOR MOBILE GSM DEVICES
Abstract. Constructions of antennas for portable GSM devices enhancing communication quality under the fringe reception conditions are given in the article. Parameters of the antennas are defined, results of computer simulation and optimization, outcome of experiment are given. Possibility of making of phased antenna array based on developed antennas is considered.
Keywords: groupe special mobile, log-periodic antenna, combined doublet, optimization, angular pattern, single start helix antenna, phased antenna array.
В настоящее время большое распространение имеют носимые GSM-устройства: мобильные телефоны, модемы, нетбуки, планшетные компьютеры, охранные сигнализаторы и т.д. Многие пользователи указанных устройств сталкивались с проблемой, практически неощутимой на Западе: неустойчивая работа устройств в связи с неуверенным приемом и передачей сигналов, что связано с недостаточным развитием сервиса и значительными расстояниями, свойственными нашей стране. Даже в пределах города можно наблюдать неуверенную работу GSM-связи, что связано с частичной экранировкой и переотражениями волн.
Целью данной работы явилась разработка антенн для использования в носимых устройствах GSM-связи, позволяющих принимать и передавать сигнал при недостаточном для удовлетворительной работы GSM-устройства уровне сигнала.
Антенны, применяемые в современных GSM-устройствах, представляют собой полоску фольги, наклеенную на обратную сторону корпуса (так называемые микрополосковые встроенные антенны). Типичная антенна такого типа представлена на рисунке 1.
Антенны этого типа являются технологически простыми, удобными для размещения в корпусе аппарата, но не оптимальными с точки зрения приемо-передающих свойств. Возможности увеличения апертуры антенны, определяемые размерами корпуса телефона, использованы далеко не полностью.
Поэтому была поставлена задача выбора, разработки конструкции более совершенных с точки зрения приемопередающих свойств антенн, совместимых с носимыми GSM-устройствами, а также проведения натурного эксперимента для сравнения параметров антенн и оптимизации конструкции антенн на основании компьютерного моделирования разработанных антенн. Антенна должна быть легко подключаема к телефону, не должна значительно увеличивать размеры аппарата, не иметь пространственной конструкции, не должна вносить заметных изменений в конструкцию телефона и не иметь собственных источников питания.
..........
Ground оГ the ApplJcation
Рисунок 1 - Вид микрополосковой GSM-антенны
Исходными данными для конструирования антенны являлись стандарты сотовой связи [5]. Из этих данных следует: GSM-устройство работает на двух поддиапазонах: GSM 900 (обозначим его F1), и GSM 1800 (в дальнейшем F2). Для поддиапазона F1: рабочие частоты 880960 МГц, что соответствует длинам волны A1max =Amax =0,34 м, A1min =0,312 м, средняя частота 920 МГц, частотный диапазон 80 МГц, или 8,7%. Для поддиапазона F2: рабочие частоты 1710-1880 МГц, A2max = 0,175 м, A2min= Amin=0,160 м, средняя частота 1795 МГц, частотный диапазон 170 МГц, или 9,5%. Общий диапазон: 1000 МГц, или 72 %, причем на средней частоте работа не ведется.
Были рассмотрены антенны для работы в двух диапазонах и антенны, охватывающие весь рабочий диапазон. В качестве двухдиапазонной антенны выбран комбинированный шун-тово-петлевой вибратор, описанный в [2].
Комбинировннный вибратор является сочетанием петлевого и шунтового вибраторов. На волне A2 он - петлевой вибратор Пистолькорса, на волне A1 -полуволновой вибратор с шунтовым питанием. Антенна способна работать в двух поддиапазонах. Вид его представлен на рисунке 2.
-е— ?Ч -э-
2 точки присоединения шунта
f- II м V
^- -
| _ □
| -1 | -1
-1 | -\
гштающий шлейф Рисунок 2 - Вид комбинированного шунтово-петлевого вибратора
В качестве антенн на весь рабочий диапазон были выбраны и рассчитаны два вида плоских спиральных антенн. Методика расчета указана в [1]. Первый вид - архимедовы спиральные антенны, вид которых представлен на рисунке 3, а. Рассчитаны два варианта, обозначенные А1 и А2, отличающихся шириной проводника. Геометрические параметры рассчитанных антенн: максимальный радиус спирали: Ктах = Атах/2п =0.05426 м; минимальный радиус Ь1 = 3 мм; коэффициент плотности навивки а составил 1,27 для А1 и 0,95 для А2; ширина проводника м 2 мм (А1) и 1,5 мм (А2); число витков спирали фтах: 12п рад (А1) и 17,5п рад (А2).
Максимальный диаметр антенн составляет 10,8 см, т.е. антенны можно выполнить на печатной плате размерами 110*110 мм. Подключение производится с помощью коаксиального кабеля, подключенного к ветвям в центре спирали.
Второй вид - логарифмические спиральные антенны. При тех же рабочих длинах волн они могут иметь меньшие размеры, чем архимедовы, т.к. Атах определяет не радиус, а длину
плеча антенны, зависящую от плотности навивки. Были рассчитаны два варианта, отличающиеся плотностью навивки. Антенны обозначены Л! и Л2. Рассчитанные параметры приведены в таблице 1. Здесь: R0 - начальный радиус спирали, a - коэффициент плотности навивки, фтах -максимальный угол поворота, wo - ширина проводника в районе контакта, Rmax - максимальный радиус плеча; L - длина плеча.
Таблица 1 - Геометрические параметры логарифмических антенн
Параметры R0, мм w0, мм Rmax, мм a фтах, рад L, мм
Л1 5 1,5 53,76 0,14 5,4п 351,7
Л2 5 1 42,61 0,11 6,2п 343,9
Вид антенн представлен на рисунке 3б. Антенны могут быть изготовлены на печатных платах размерами 100x80 и 82х70 мм, т.е. размеры сравнимы с размерами многих моделей телефонов.
Рисунок 3 - Геометрия плоских спиральных антенн
Для проверки работоспособности рассчитанных антенн, снятию их характеристик был проведен эксперимент с целью измерения уровня приема сигнала GSM-связи и снятия их диаграмм направленности. Были изготовлены рассчитанные выше антенны: плоские архимедовы спиральные антенны А!, А2; плоские логарифмические спиральные антенны Л!, Л2. В качестве установки для проведения эксперимента был использован сотовый телефон Motorola T2288 с программным обеспечением Active Cell [4], позволяющим измерять уровень принимаемого сигнала в децибелах.
Результаты эксперимента представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты измерения характеристик антенн
Параметр А1 А2 Л1 Л2
Max ДН -69 -68 -70 -71
Min ДН -96 -96 97 -98
200,5 75 72 62 66
Выигрыш 17 18 16 15
Здесь представлены данные: уровень сигнала в максимуме диаграммы направленности (графа Max ДН), уровень сигнала в минимуме ДН (графа Min ДН), ширина ДН (графа 2©0 5), выигрыш в мощности по сравнению с приемом на штатную антенну телефона в децибелах (графа Выигрыш). При использовании штатной антенны уровень сигнала составлял -86 дБ, то есть 2.51 *10-9 от максимального.
Был также произведен дозвон абоненту, находящемуся в точке с нормальным приемом, из частично экранированного помещения. На всех антеннах качество связи было удовлетворительным, тогда как на штатной антенне связь была невозможна.
Как видно из таблицы 2, антенны одной конструкции с разными геометрическими пара-
метрами обладают разными характеристиками. Это показывает, что существует необходимость в оптимизации геометрии антенн для достижения наилучших приемопередающих свойств и обеспечения лучшего согласования антенн с СБМ-устройством. Для оптимизации было проведено моделирование рассчитанных спиральных антенн, для чего использовалась программа «НРББ 13». Исходными данными для построения модели являются: рабочая частота (моделируем работу антенн на средних частотах поддиапазонов: 920 и 1795 МГц); рассчитанная выше геометрия антенн (программа также позволяет построить геометрию антенны по формулам образующих ветвей); требуемое выходное сопротивление (по данным [2], входное сопротивление СБМ-устройств в точке подключения антенн составляет 50 Ом). При оптимизации параметров антенны программа изменяет геометрию антенн (ширину ветвей, плотность навивки, максимальный размер) до момента достижения наилучшего усиления в максимуме ДН. Результаты моделирования (оптимизированная геометрия, диаграмма направленности антенны в рабочих поддиапазонах р и Р2) архимедовой спиральной антенны представлены на рисунке 4, логарифмической спиральной антенны - на рисунке 5.
Рисунок 4 - Результат моделирования архимедовой спиральной антенны
Рисунок 5 - Результат моделирования логарифмической спиральной антенны
При оптимизации антенн получены следующие параметры.
Архимедова спиральная антенна: ^ах = 45,9 мм; Ь = 3 мм; м= 6,6 мм; =2 мм; фтах = 3,15 рад; размеры печатной платы 100x100 мм.
Логарифмическая спиральная антенна: Я0 = 3 мм; фтах = 6,15 рад; м0=1,5 мм; ^ах = 76 мм; ^ = 273,6 мм; размеры печатной платы 150x90 мм. Увеличение диаметра антенны позволяет отказаться от использования экспоненциального трансформатора для согласования с антенным входом устройства.
Размеры антенн соизмеримы с размерами некоторых современных смартфонов, например, ^ок/а-Е71, ^ок/а-М97.
В качестве антенны на весь рабочий диапазон была также рассмотрена однозаходная логарифмическая спиральная антенна, представляющая собой одну ветвь рассмотренной выше логарифмической двухзаходной антенны. Результаты моделирования такой антенны представлены на рисунке 6.
Рисунок 6 - Результат моделирования однозаходной спиральной антенны
Однозаходная спиральная антенна имеет следующие параметры: Я0 = 5 мм; фтах =6,15 п рад; w0 = 2 мм; Ятах = 50 мм; ^ = 341 мм; размеры печатной платы 100 х 100 мм. Форма ее наиболее конструктивно соответствует корпусу практически любой модели телефона.
В результате моделирования была обнаружена возможность применения укороченной однозаходной логарифмической антенны, модель которой представлена на рисунке 7. Подобные антенны (только архимедовы) применены в антенных усилителях для установки на автомобиль. Такая антенна обладает, конечно, худшими параметрами, чем полноразмерная (длина плеча которой составляет Лтах/2), что особенно проявляется в поддиапазоне однако, по результатам моделирования, несколько лучшими, чем штатная антенна сотового телефона. К тому же, применение таких антенн открывает возможность, о которой будет сказано ниже.
Рисунок 7 - Результат моделирования укороченной спиральной антенны
Затем был промоделирован комбинированный вибратор. Результат моделирования представлен на рисунке 8. Габаритные размеры стеклотекстолитовой платы вибратора составляют 150 х 60 мм, что соответствует размерам многих телефонов; входное сопротивление одинаково для обоих поддиапазонов (50 Ом), возможно выполнение вибратора по планарной технологии.
Рисунок 8 - Результат моделирования комбинированного вибратора
Дальнейшее направление работ - создание фазированной антенной решетки, элементы которой соответствуют штатной антенне сотового телефона. Может также применяться укоро-
ченная логарифмическая однозаходная спиральная антенна. Конструкция различных моделей телефонов позволяет разместить от 3 до 8 таких однотипных элементов. Синфазное сложение сигналов всех элементов решетки достигается одинаковой длиной соединений между каждой парой элементов, между двумя парами и т.д., как показано на рисунке 9, где длины волноводов обозначены
Рисунок 9 - Конструкция части фазированной антенной решетки
При этом число элементов решетки N должно соответствовать правилу N = 2", где п - целое число. Однако, такая решетка имеет свой недостаток: узкую диаграмму направленности, т.е. хорошая связь будет осуществляться при ориентации решетки перпендикулярно фронту волны. Эта проблема решается на следующем этапе работ: создание активной фазированной антенной решетки, что достигается постановкой на соединения управляемых от телефонного процессора фазовращательных элементов. При этом правило N = 2" становится неактуальным, а устройство приобретает новую функцию: определение направления на ближайшую станцию связи с указанием его на экране. Для С5М-устройств большего размера (например, ноутбуков) возможно применение в качестве элементов решетки антенн типа архимедовых или логарифмических полноразмерных двухзаходных антенн.
Итак, в результате проделанной работы были выбраны, рассчитаны и изготовлены несколько видов антенн для носимых ввМ-устройств; экспериментально подтверждены их работоспособность и преимущество перед штатными антеннами данных устройств; с помощью компьютерного моделирования оптимизированы их параметры. В настоящее время ведется работа по созданию фазированной антенной решетки на базе разработанных антенн, расширяющей возможности устройств.
Список литературы:
1. Заикин, И.П. Основы теории антенн / И.П. Заикин, А.В. Тоцкий, С.К. Абрамов, В.В. Лукин. - Харьков: Издат. центр ХАИ, 2005.
2. Ротхаммель, К. Антенны / К. Ротхаммель. - 3-е изд., доп. - М.: Энергия, 1979.
3. Юрцев, О.А. Спиральные антенны / О.А. Юрцев, А.В. Рунов, А.Н. Казарин. - М.: Совет. радио, 1974.
4. Правила применения абонентских станций (абонентских радиостанций) сетей подвижной радиотелефонной связи стандарта GSM-900/1800 [Электронный ресурс]. - URL: http://www.rfcmd.ru/sphider/docs/equipmet/Prikas_Mininformsvyasi_N_114_ot_20_09_2005_Pr.htm (дата обращения: 3.12.2014)
5. Инженерные коды телефонов Motorola [Электронный ресурс]. - URL: http://megaforum.uz/index.php?/topic/13968-inzhenerye-kody-telefonov-motorola/ (дата обращения: 3.12.2014).
