CC BY
43
20 декабря 2011 г. 12:19
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Структура ближнего поля двухдиапазонной планарной F-образной антенны мобильного телефона
Исследовались электродинамические характеристики двухдиапазонной планарной F-образной антенны. Рассмотрено влияние положения точки возбуждения антенны на качество согласования в обоих частотных подаиапаэонах стандарта GSM. Показано, что степень электромагнитной безопасности мобильного телефона с такой антенной существенно зависит от ее местоположения в телефоне.
Совичева СА,
ведущий инженер Главного радиочастотного центра
Гайнутдинов ТА,
доцент кафедры
Сегодня положение дел на рынке малогабаритной антенной техники для мобильных средств связи можно коротко охарактеризовать как "бум внедрения антенн типа ИРА", т.е. планарных Робразных антенн (РЬпаг 1пуеПе<4-Р Ап»еппа$) [1]. Высокий спрос на эти устройство объясняется такими их достоинствами, как достаточно широкая полоса рабочих частот (до 10% от резонансной несущей), высокая эффективность (отношение излучаемой мощности к под* водимой), достигающая -65%, сравнительно малые габариты и поддержка многодиопазонности. К тому же, антенны этого типа имеют диаграмму направленности (ДН) близкую к круговой в горизонтальной плоскости и достаточно высокое усиление. Именно благодаря этому они перспективны для применения в средствах беспроводной связи, и не только. Рост популярности ИРА антенн связан также с развитием беспроводных компьютерных технологий. Вот почему может представлять интерес подробное рассмотрение теоретических и практ^еских оспектов реализации Р1РА.
Конструкция однодиапазонной ИРА антенны представлена на рис.1 [2].
Электрические характеристики ИРА зависят от размеров верхней излучающей пластины, соотношения длин ее сторон, высоты этой пластины нод экраном размеров и положения вертикальной заземляющей стенки, точки запитки антенны. Малые размеры антенны Р1ЯА возможны благодаря тому, что ее резонансная чостота определяется, главным образом, периметром горизонтальной излучающей пластины. Ширина полосы пропускания ИРА напрямую зависит от ширины 0 вертикальной закорачивающей пластины. Наибольшая полоса соответствует случаю совпадения ширины вертикальной пластины 0 и длины контактирующей с ней стороны горизонтального излучателя \Ы.
Экран ПлОиОрнмй )ПЄм£и?
За.орочиїюющм Ьм
плостиио
Рис 1. Одиодисжхионния пленарная F образная антенна (P1FA)
В настоящее время наибольший научный интерес среди всех многообразных HFA антенн представляет двухдиапазонная ИРА L — антенна, обеспечивающая уверенный прием и передачу сигнала в обоих частотных поддиапазонах стандарта GSM 890-965 МГц 1710-1900 МГц
Конструкция такой антенны представлена на рис. 2 [3].
Антенна состоит из двух планарных элементов: верхний элемент — это прямоугольник с вырезанным прямоугольником в правом нижнем углу, нижний элемент является прямоугольником, который чуть меньше размером, чем вырезанная часть верхнего элемента. Интервал между двумя планарными элементами имеет форму латинской буквы L, откуда пошло название такой антенны.
Помимо планарных элементов в конструкцию I — антенны вхо дят 2 фидера и закорачивающие штыри. Причем фцдер и закорачивающие штыри, расположенные на верхнем планарном элементе относятся к нижнему диапазону частот мобильной связи стандарта GSM (890-960 МГц), а второй питающий провод и закорачивающие штыри, находящиеся на нижнем планарном элементе, относятся к верхнему диапазону чостот (1710-1880 МГц).
Все расчеты по нахождению электродинамических характеристик двухдиапазонной ИРА L — антенны производились в программном комплексе XFDTD (4J, построенном на основе метода конечной разности во временной области.
Модель антенны в среде XFDTD изображена но рис. 3
Расположение элементов питания и закоротки имеет принципиальное значение, так как сильно влияет на входное сопротивление антенны и, соответственно, на ее согласование.
В результате многочисленных экспериментов с помощью про граммного пакета XFDTD была получена оптимальное месторасположение точек питания и элементов закоротки.
Расположение точек питания и закорачивающих штырей было получено из условия минимизации КСВ в рабочем диапазоне частот антенны, при условии нагрузки на 50-0шьм питающий кабель.
Значения КСВ полученной HFA L — антенны в диапазонах рабо чих чостот приведены в табл. 2.
-Л&А
♦
Wt
X
FW 2. Конструкция PIFA L —
100
T-Comm, #8-2011
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
FVc. 3. Модель PIFAI — онте**кі в среде XFDTD
Таблица 1
Месторасположение точек питания и элементов закоротки
Оптимальное положение точек питания X. мм Y. мм
Точка питания (для 890-960 МГц) 17 4,5
Точка закоротки (для 890-960 МГц) 17 0.5
Точка питания (для 1710-1880 МГц) 16 -1,5
Точка закоротки (для 1710-1880 МГц) 16 -8.5
Таблица 2
Значения КСВ PIFA L — антенны
Также был проведен расчет (ДН) антенны в горизонтальной плоскости при нахождении телефона в его рабочем положении, т.е. вблизи головы человека.
С точки зрения электродинамики голова человека представляет собой диэлектрический материал с большими потерями. Модель го* ловы создана в виде цилиндра и 2 сфер, накладывающихся сверху и снизу на этот цилиндр. Уши моделируются двумя выступающими конусами. Таким образом, были получены пять объектов: покрытие толщиной 1мм, со свойствами кожи, следующий слой толщиной Змм с параметрами кости и далее в глубину — материал с параметрами мозга. Параметры двух конусов, имитирующих уши, совпадают с параметрами кожи. Трехмерная модель головы приведено на рис 4а,б.
Параметры трехслойной модели головы человека для частот 0,9 и 1,9 ГГц приведены в табл. 3 и имеют вид [5].
Диаграммы направленности на средних частотах обоих поддиапазонов приведены на рис. 5 и 6.
Г. МГц 8W 925 «0 1710 1800 1880
КСВ 1.™ 1.» 1Л0 I.M IJ4 из
Как видно из рис. 5 и 6 форма ДН близка к круговой, однако есть направления, в которых излучение весьма мало. Одно из этих направлений совпадает с направлением на голову человека. Кроме того, из этих рисунков видно, что PIFA L — антенна имеет достаточно высокий коэффициент усиления (КУ) до 4 дБ, что вполне удовлетворяет к требованиям к антеннам мобильных телефонам [6].
Согласно определению, SAR (или Specific Absorbtion Rale) — это единица измерения, показывающая максимальную удельную мощность, поглощаемую человеческим телом при обычном разговоре по сотовому телефону. Максимальный безопасный уровень — 2,0. А подавляющее большинство современных телефонов имеют SAR от 0,5 до 1,0.
Единицей измерения SAR является ватт на килограмм (Вт/кг). В Северной Америке, а также в странах Азиатско-Тихоокеанского региона величина SAR определяется на 1 г ткани. В этом случае максимальное значение SAR составляет 1,6 Вт/кг. В Европе и других странах величина SAR определяется на 10 г ткани. И здесь уже максимально допустимым значением SAR является 2 Вт/кг.
По определению, величина удельной поглощаемой мощности (SAR — Specific Absorption Rate) в объеме пространства равна [6].
&«-2Ё: in
Р
где а — проводимость материала в данном объеме, См/м; Е — амплитуда напряженности электрического поля, В/м; р — удельная плотность вещества, кг/мЗ
Основную сложность при определении SAR, как видно из (1), представляет расчет амплитуды напряженности поля в голове человека, поскольку последняя с точки зрения электродинамики является сложной структурой, состоящей из различных сред с потерями. Для расчета SAR в данной работе использовалась программа XFDTD [4], основанная на методе конечных разностей во временной области (FDTD — Finite Difference Time Domain), Исследованы три варианта расположения антенны: в верхней части телефона, в нижней части телефона, а также в качестве отдельного случая рассматривался вариант заслонения кистью руки абонента антенны располагаемой в нижней части телефона
1) Антенна расположена в верхней части мобильного телефона (рис 7).
2) Антенна расположена в нижней части мобильного телефона (рис. 8).
3) Антенна расположена в нижней части мобильного телефона, и она зослонена рукой абонента (рис 9).
Для каждого из этих случаев в программном пакете XFDTD был произведен расчет SAR (удельный коэффициент поглощения) и КСВ (коэффициент стоячей волны) на крайних и средних частотах обоих диапазонов мобильной связи стандарта GSM (890-960 МГц и 1710-880 МГц). В табл. 4-6 приводятся результаты расчетов для каждого положения антенны.
Таблица 3
Электродинамические параметры среды, моделирующие голову
Ікчиссіно Толщина, мм Радиус іранним сфсры. мм ( >11100! IC.tb-НЦЯ ЛИІ.1СК-трнчсская проницаемое и». 4 1 Іроннцае-мосіь слоя. См/м Ig6 ІІЛОІНОСІЬ слоя. Кг/м’
Мозг 48 53 (46) 1.1 (1.7) 0.415 (0.369) 1030
Кость 3 9(8) 0.06(0.1) 0.133 (0.125) 1800
Кожа 1 59(46) 1.3 (1.9) 0.44(0.41) 1100
T-Comm, #8-2011
101
