Исследование и разработка электрически перестраиваемой антенны для мобильных устройств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Джалилов Бахромжон Одилжонович

• Джалилов Бахромжон Одилжонович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Джалилов Бахромжон Одилжонович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Требования к антеннам сотовых телефонов

1.2 Конструкции антенн современных сотовых телефонов

1.2.1 Спиральные антенны (электрический монополь)

1.2.2 Повернутая L- образная антенна

1.2.3 Повернутая F- образная антенна

1.2.4 Планарная повернутая F- образная антенна

1.3 Перестраиваемые антенны

1.4 Задачи работы

Глава 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МНОГОДИАПАЗОННОЙ АНТЕННЫ

2.1 Постановка задачи

2.2 Эквивалентная схема антенны

2.3 Расчет антенны по программе AWR

2.4 Моделирование в программе RFS

Глава 3. ТЕОРИЯ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИХ МОД И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ АНТЕНН

3.1 Основы теории характеристических мод

3.2 Оператор импеданса

3.3 Дискретизация интегрального уравнения

3.4 Применение ТХМ к оптимизации конфигурации антенны

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1 Исследование настраиваемых антенн, используемых для сотовых телефонов

4.1.1 Перестройка антенн с помощью цифрового конденсатора

4.1.2 Перестройка антенны с помощьюp-i-n диодов

4.1.3 Перестройка антенн с помощью варакторного диода

4.2 Проектирование и исследования макета перестраиваемой антенны

4.2.1 Проектирование макета перестраиваемой антенны по программе SprintLayout

4.2.2 Результаты экспериментального макета антенны типа PIFA

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка электрически перестраиваемой антенны для мобильных устройств»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Мобильный телефон - относительно молодое изобретение. Для его создания потребовалось чуть более шестидесяти лет с момента изобретения радио, а сегодня он стал самым распространенным радиоустройством во всем мире. Теперь сложно найти человека, который бы не пользовался всеми преимуществами мобильной связи. С момента создания и по сегодняшний день мобильные телефоны все время модернизируются, расширяются их функциональные возможности. Важнейшую роль в большей части систем мобильной связи играет антенна, которая является одним из наиболее сложных объектов проектирования в современных мобильных устройствах связи. Поскольку параметры антенн зависят от частоты, они проектируются таким образом, чтобы работать в определённых полосах частот. Перспективным направлением является разработка широкополосных и многодиапазонных антенных систем. При этом важнейшими факторами остаются по-прежнему общетехнические и стоимостные характеристики.

К антеннам систем мобильной связи предъявляется целый ряд требований. Ранее они проектировались для работы в одном частотном диапазоне стандарта 2G систем мобильной связи [1]. Позже появились и другие системы, такие как Цифровая сотовая система (Digital Cellular System - DCS), Служба персональной связи (Personal Communications Service - PCS), Глобальная система мобильной связи (Global System for Mobile Communications - GSM), Широкополосный множественный доступ с кодовым разделением (Wideband Code Division Multiple Access -WCDMA) и Долговременное развитие (Long-Term Evolution - LTE). Стандарт, который в последнее время широко применяется в системах мобильной связи четвертого поколения это - LTE. Сети 4G на основе стандарта LTE работают в диапазоне частот от 700 МГц до 2,7 ГГц.

В настоящее время широкое применение получили системы сотовой связи нового поколения, отличающиеся широкополосной унифицированной системой радиодоступа, позволяющей передавать видео и мультимедийную информацию. С

развитием систем сотовой связи возникла необходимость разработки новых типов антенн сотовых телефонов. В настоящее время выбор стандарта сотовой связи однозначно определяет и выбор класса модели телефона. Однако, несмотря на многообразие моделей телефонов, представленных на мировом рынке, их антенны имеют сходную конструкцию.

На начальных этапах развития сотовой телефонии широкое распространение получили спиральные антенны, совмещенные с несимметричным вибратором. Однако внешние антенны имеют целый ряд недостатков по сравнению с внутренними антеннами, изготовленными по печатной технологии. Поэтому разработчики современных сотовых телефонов используют только печатную технологию изготовления антенн.

Актуальной задачей сегодняшнего дня является создание компактной антенны с широкой полосой пропускания и высоком коэффициентом полезного действия. К сожалению, малые по сравнению с длиной волны размеры мобильного телефона затрудняют разработку антенны, имеющей достаточно широкую рабочую полосу частот и высокий КПД, так как эти параметры взаимно исключают друг друга. Использование нескольких антенн, каждая из которых была бы настроена на свой диапазон, нецелесообразно ввиду недостатка свободного места в телефоне и возможного взаимного влияния антенн.

В связи с отмеченными трудностями появились работы, в которых предлагалось использовать одну антенну с электрической перестройкой по частоте. В качестве элемента перестройки предлагалось использовать варакторы, p-i-n- диоды и электромеханические переключатели (МЭМС). Однако до настоящего времени отсутствуют конструкции, обеспечивающие работу в стандарте LTE, включающем несколько низкочастотных диапазонов и высокочастотный диапазон.

Исходя из изложенного цель диссертационной работы была сформулирована следующим образом:

Исследование способов электрической перестройки рабочей частоты малогабаритных антенн и разработка электрически перестраиваемой многодиапазонной антенны сотового телефона, имеющей высокий КПД, малые габариты и малое потребление энергии управляющей цепи. Антенна должна настраиваться на любой низкочастотный диапазон стандарта LTE, от 700 МГц до 890 МГц, при этом сохраняя настройку на высокочастотный диапазон В7 (2690 МГц).

Расчет электромагнитного поля, параметров и характеристик такой антенны требует решения сложной краевой электродинамической задачи. В связи с этим большое внимание в исследовании уделяется средствам математического моделирования, с помощью которых можно оптимизировать конструкцию антенны.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать базовую конструкцию антенны и подобрать ее размеры методами математического моделирования;

2. Оптимизировать конструкцию антенны по КПД, используя теорию характеристических мод;

3. Выбрать способ электрической перестройки частоты, обеспечивающий перестройку антенны на заданные диапазоны при сохранении высокого КПД и требуемой ширины рабочей полосы частот.

4. Сконструировать и изготовить макет антенны с электрической перестройкой частоты и провести испытания макета.

5. На основании результатов испытаний сформулировать рекомендации по совершенствованию конструкции антенны.

В данной работе это задача решается путем электрической перестройки антенны по частоте. В качестве переключающего элемента используются элементы, таких как: переменный цифровой конденсатор, варакторные и p-i-n диоды. Предложенная антенна имеет современную конструкцию типа PIFA.

Моделирование таких структур целесообразно проводить с помощью программных продуктов, применяемых для трехмерного электродинамического моделирования антенн и устройств СВЧ. Системное моделирование сложной структуры позволяет провести оптимизацию параметров и численный эксперимент, исключающий в ряде случаев необходимость проведения натурного эксперимента.

В настоящее время имеются различные методы расчета широкополосных антенн. Однако большая часть этих методов не позволяет провести оценку характеристик направленности широкополосных или многодиапазонных антенн из-за математической сложности. Наиболее простым решением поставленной задачи является математическое и численное электродинамическое моделирование.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые показана возможность электрической перестройки частоты малогабаритной антенны типа PIFA в нескольких низкочастотных диапазонах при сохранении настройки на один высокочастотный диапазон частот.

2. Впервые применена теория характеристических мод для оптимизации конфигурации электрически перестраиваемой антенны.

3. Впервые проведено сравнение эффективности использования различных типов управляющих элементов: цифровых конденсаторов, p-i-n диодов и варак-торов. Показано, что наиболее эффективным элементом перестройки, потребляющим к тому же минимальную мощность управления, является варак-тор.

Методология и методы исследования

При исследовании использовались вычислительные методы электродинамики, теории антенн, численное моделирование характеристик антенн сотовой связи на ЭВМ, экспериментальное исследование.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Разработаны конструкции перестраиваемых антенн сотовых телефонов.

2. Предложена перестраиваемая антенна с различными переключательными элементами.

3. Предложена и разработана малогабаритная компактная антенна для сотовых телефонов, имеющая требуемый КПД и хорошее согласование.

4. Создан экспериментальный макет и проведены измерения его параметров. Результаты измерений достаточно хорошо совпадают с данными, полученными путем моделирования.

5. Результаты работы могут быть использованы при разработке новых типов смартфонов поколения 40 и 50, а также в учебном процессе.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Построение эквивалентной схемы антенны с сосредоточенными параметрами, значения которых определяются конфигурацией антенны, позволяет провести быстрый анализ и оптимизацию схемы с последующим определением основных размеров антенны.

2. Структура антенны в виде параллельного соединения двух взаимно перпендикулярных ветвей позволяет перестраивать резонансную частоту одной ветви, практически не меняя частоту другой.

3. Настройка собственной частоты основной характеристической моды на частоту, близкую к рабочей частоте низкочастотной ветви антенны позволяет повысить радиационный КПД антенны на этой частоте на 10.. .15 %.

4. Использование варакторных диодов для перестройки частоты позволяет получить, по сравнению с другими типами управляющих устройств, максимальный КПД антенны при минимальной мощности управления.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием общей теории антенн и численных электродинамических методов расчёта, специализированных компьютерных программ. Полученные результаты подтверждены вычислительными и натурными экспериментами.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. III Научно-техническая конференция с международным участием «Наука настоящего и будущего», 12-13 марта 2015г. СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2. IV Всероссийская научно-техническая конференция "Электроника и микроэлектроника СВЧ", СПбГЭТУ "ЛЭТИ",1-4 июня 2015 г

3. Конференция молодых исследователей в области электротехники и электроники (2016 ElConRusNW) 2 - 3 февраля 2016 г. СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

4. IV Научно-техническая конференция с международным участием «Наука настоящего и будущего», 24-25 марта 2016г. СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

5. IV Всероссийская научно-техническая конференция "Электроника и микроэлектроника СВЧ", СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 30 мая - 2 июня. 2016 г.

6. 70-я Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 1 - 11.02.2017.

7. Конференция молодых исследователей в области электротехники и электроники (2017 ElConRusNW) 1 - 3 февраля 2017 г. СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

8. 72-я Всероссийская научно-техническая конференция СПбНТОРЭС, посвященная Дню радио, 20-28 апреля 2017 г, Санкт-Петербург, «ЛЭТИ»

9. Международная научно-практическая конференция « Молодёжь в поисках дружбы» 28 апреля 2017 г, Республика Таджикистан, Институт энергетики Таджикистана.

10.III Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы СВЧ электроники им. В.А. Солнцева», ноябрь 2017, Москва.

11. RIEC Russia-Japan Joint International Microwave Workshop. October 2017, Senday, Japan (Совместный русско-японский международный микроволновый симпозиум, Сендай, Япония, октябрь 2017).

Публикации

Основное теоретическое и практическое содержание диссертационной работы опубликовано в 15 научных работах, в числе которых 2 статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 2 статьи в изданиях, входящих в список Scopus, а также 11 в сборниках материалов всероссийских и международных конференций.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в формулировке целей и постановке задач исследований. Также автором проведены конкретные моделирование, расчёт и оптимизация характеристики перестраиваемой двухдиапазонной PIFA антенны для сотовой связи. На основе теоретических моделей, автором разработан и смонтирован экспериментальный макет антенны. Натурные и вычислительные эксперименты, представленные в диссертации, проведены автором.

Объём и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников. Ее объем 93 страницы, включая 69 рисунков, 15 таблиц, 51 наименований цитируемых источников.

Краткое содержание работы

Во введении дана общая характеристика работы: обосновывается актуальность темы проведённых исследований, степень ее разработанности, сформулирована цель и задачи работы, определена научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, описаны методология и методы исследования, представлены положения, выносимые на защиту, а также обоснование достоверности результатов и сведения об апробации работы.

В первой главе сформулированы требования к антеннам сотовых телефонов последнего поколения. Описаны типы используемых антенн сотовых телефонов и их характеристики. В этой главе также сформулированы задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

Вторая глава посвящена проектированию электрически перестраиваемой PIFA антенны. В ней описываются постановка задачи проектирования и основные этапы ее решения, составляется эквивалентная схема двухдиапазонной антенны и проводится ее расчет с помощью программы AWR Design Environment (AWRDE). На основании результатов расчета определена конфигурация антенны и ее основные размеры.

Полученная модель антенны моделировалась с помощью программы трехмерного электродинамического моделирования RFS3. Результаты этого моделирования позволили уточнить конфигурацию антенны, выбрать оптимальный тип и расположение элемента перестройки частоты, определить основные параметры и характеристики антенны.

В третьей главе изложены основные положения теории характеристических мод (ТХМ). Эта теория используется для оптимизации параметров антенны, в частности, для увеличения ее КПД в низкочастотных диапазонах. Использование ТХМ позволило увеличить радиационный КПД антенны на 13% за счет оптимизации размеров металлизации печатной платы телефона.

Четвертая глава содержит результаты моделирования антенны в среде RFS, описание экспериментального макета антенны и результаты его измерений. Была исследована печатная антенна типа PIFA с возбуждением коаксиальной линией в диапазоне частот 700-900 МГц и 2600 МГц. Результаты эксперимента подтверждают теоретические результаты.

В заключении приведены основные результаты и выводы, полученные в диссертации.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Требования к антеннам сотовых телефонов

Антенна - это основная часть мобильного телефона. Требования к ней увеличиваются с появлением новых поколений и новых стандартов беспроводной связи. Раньше от антенны требовалось только осуществлять связь между абонентами, а на сегодняшний день требуются, помимо связи между абонентами, еще связь со спутником (GPS) и передача данных со скоростью до 100 Мбит/с, работа в сетях WiFi и BlueTooth. Поэтому современный смартфон должен поддерживать несколько стандартов мобильной связи и других служб, работающих в различных частотных диапазонах.

Поскольку антенну мобильного телефона, ввиду ее малых размеров по сравнению с длиной волны, трудно сделать широкополосной, в телефоне часто используется несколько антенн, настроенных на различные частоты. Стандарт, который в последнее время широко применяется в системах мобильной связи четвертого поколения (4G) это LTE. Сети 4G на основе стандарта LTE работают в диапазоне частот от 700 МГц до 2,7 ГГц. В таблице 1.1 приведены несколько диапазонов частот, используемых в стандартных системах LTE в различных странах.

Таблица 1.1.

Некоторые диапазоны частот стандарта LTE

Название диапазона Центральная частота, МГц Диапазон частот, МГц Регион использования

B17 725.0 704...746 Северная Америка

B13 766.5 746...787 Северная Америка, Азия

B20 826.5 791.862 Европа

B5 859.0 824.894 Азия, Северная Америка

B8 920.0 880.960 Азия

B7 2595.0 2500.2690 Азия, Северная Америка, Европа

К основным параметрам антенн относятся коэффициент направленного действия (КНД), радиационный КПД цг, равный отношению мощности излучения к мощности, подводимой ко входу антенны, и коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН). Полный КПД антенны равен отношению мощности излучения к мощности источника питания антенны. Очевидно,

где кс - коэффициент стоячей волны напряжения. Таким образом, для увеличения общего КПД антенны необходимо иметь высокий радиационный КПД и хорошее согласование антенны с генератором. В современных сотовых телефонах полный КПД антенны, как правило, больше 50%.

Антенна сотового телефона должна излучать преимущественно в направлении задней стенки с тем, чтобы ослабить интенсивность облучения головы пользователя. В тоже время удельная мощность излучения в задней полусфере должна быть по возможности равномерной. Поэтому у идеальной антенны КНД должен быть близок к л/2.

Ширина рабочей полосы частот антенны А/ определяется как диапазон частот, в котором мощность излучения антенны сохраняется на уровне, не менее своего максимального значения, уменьшенного на заданную величину (обычно 0.5). Этот параметр зависит от конструкции антенны и для малогабаритных антенн, размеры которых много меньше рабочей длины волны, значение А/ / /0, где /0 - рабочая частота антенны, не превышает нескольких процентов. Это значение недостаточно для современных телефонов, работающих, как отмечено выше, в различных диапазонах частот, поэтому задача расширения рабочей полосы частот антенных систем сотовых телефонов является весьма актуальной.

В соответствии с теоремой Шэннона-Хартри полоса пропускания радиочастотного канала связи определяет максимальную скорость передачи информации по нему:

(1.1)

С = л/[1+|) (1Л)

Здесь С - максимально возможная скорость передачи данных, бит/с, л/ - ширина полосы пропускания канала, Гц, 8 / N - отношение мощности сигнала к мощности шума. Таким образом, максимальная скорость передачи данных прямо пропорциональна ширине полосы пропускания канала, которая, чаще всего, определяется шириной полосы пропускания антенны сотового телефона.

Требования к полосе пропускания различных устройств определяются их назначением (см. таблице 1.2).

Таблица 1.2.

Требования к ширине полосы пропускания для различных видов передаваемой информации

№ Вид информации М, МГц

1 Речь 0,008

2 Музыка 0,044

3 Видео 2,8

4 НО видео 5,6

5 Передача данных, 100 Мб/с 50

6 Передача данных, 1 Гб/с 500

Так как антенны обладают резонансными свойствами, их полоса пропускания определяется добротностью:

ш Ж

а, (1.2)

где ш0- резонансная угловая частота антенны, Ж - накопленная в ней энергия поля, Р - мощность потерь в антенне, равная сумме излученной мощности Рг и мощности омических потерь Рй. Один из очевидных путей расширения полосы частот малогабаритных антенн состоит в увеличении мощности потерь, однако он приводит к снижению КПД. Другие способы расширения полосы пропускания включают ис-

пользование сложной конфигурации электродов (фрактальные антенны), схем широкополосного согласования. Однако, эти способы часто не дают нужного эффекта и снижают КПД антенн. В связи с этим необходимо искать новые технические решения.

1.2 Конструкции антенн современных сотовых телефонов

Рассмотрение дизайна антенн для сотовых телефонов начинается с рассмотрения ряда причин, его определяющих. Основным является то, что рабочая полоса частот сотовых телефонов во многом определяет параметры и размеры таких антенн. Нужно также сказать, что антенны, предназначенные для сотовой связи, работают с волнами, поляризованными преимущественно в вертикальной плоскости и распространяющиеся в плоскости, параллельной земле, т.е. с волнами линейной вертикальной поляризации, распространяющимися в горизонтальном направлении.

Таблица 1.3.

Характеристики антенн пользовательского абонентского пункта

Параметр Технические требования

Излучение и приём 824-894 МГц

КНД антенны 3 дБ

Поляризация Вертикальная

Входной импеданс 50 Ом

Физические параметры Длина вибратора < 10 см, Высота < 5 см

В таблице 1.3 показаны общие требования к антеннам сотовых телефонов. Основным фактором, определяющим размеры антенны, является рабочая частота. В данном случае полоса частот для сотовых телефонов лежит в пределах (824-894) МГц с центральной частотой 859 МГц и полосой пропускания 8.1% (Диапазон В5). Длина волны на этой частоте составляет 35 см. Отсюда понятно, что размеры встроенной антенны должны быть много меньше длины волны. К примеру, длина полуволнового диполя на этой частоте будет составлять порядка 18 см. Требуемые раз-

меры антенн для сотовых телефонов видны из приведённой таблицы. Длина антенны не должна превышать 10 см, а высота - 5 см. Требуемый коэффициент направленного действия (КНД) встроенной антенны должен составлять около 3 дБ. У полуволнового диполя он равен 2.15 дБ. Линейная вертикальная поляризация необходима из-за того, что многие антенные станции излучают волны преимущественно этой поляризации.

На сегодняшний день существуют типы встроенных антенн, используемые в беспроводной передачи информации и отвечающие всем перечисленным выше требованиям,. Большие группы составляют микрополосковые антенны, штыревые антенны, в последующем модифицированные в спиральные антенны для минимизации габаритов, но с сохранением электрической длины, антенны инверсного типа: антенны типа ILA (Inverted L-antenna), антенны типа IFA (Inverted F-antenna), антенны типа PIFA (Planar Inverted F-antenna), MPIFA, как разновидность антенн типа PIFA (Meandering PIFA). Некоторые характеристики этих антенн представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4.

Размеры и ширина полосы пропускания некоторых антенн

Виды антенн Размеры (в длинах волн) Полоса пропускания, %

ILA X / 4 < 1

IFA X / 4 2

DIFA (dual IFA) X / 4 5-7

PIFA < X / 4 > 8

MPIFA < X / 4 2-8

1.2.1 Спиральные антенны (электрический монополь)

Ещё совсем недавно в сотовых телефонах широко применялись антенны спирального типа. Точнее, это были электрические штыри, модифицированные таким образом, чтобы их размеры были как можно более компактными. Причиной этого

явилось то, что оптимальная длина антенн штыревого типа равняется четверти рабочей длины волны. А это значит, что при работе на частоте 900 МГц длина такого ,.,.,.,.,,,,,,.,.,.,.,.,.,,,,,,.,.,.,. монополя составит порядка 83 миллиметров [2]. Естественно, встроить антенну такого размера в сотовый телефон - дело за-

Вход

0= 5 тм

ш

20 МАЛ

Вход . труднительное. Наиболее эффективный

7 см метод решения этой проблемы - замена

б)

л % , прямолинейного проводника спиралевид-

Рисунок 1.1 - Вид спиральной (а) и

четвертьволновой антенн на частоту 868 ным. В антеннах такого типа скорость рас-

\4Vii

пространения волны вдоль оси антенны меньше скорости света. А это значит, что длина электромагнитной волны в такой структуре меньше длины волны в свободном пространстве. Замедляющие свойства таких структур и позволяют уменьшить длину излучателя в несколько раз (рисунок 1.1).

Применение спиральной антенны позволило решить проблему произвольной ориентации приёмника в пространстве. В антеннах такого типа, в отличие от монополей, можно добиться чувствительности к волнам эллиптической поляризации, а при определённых условия и круговой. Это говорит о том, что антенна будет работать практически при любой ориентации в пространстве и принимать сигналы с различными углами наклона плоскости поляризации. Всё это, конечно, имеет силу в пределах диаграммы направленности антенны. Условие круговой поляризации для однородного по значению и фазе тока вдоль спирали задаётся соотношением Вилера [3]:

_2 п2

Т =—, (1.4)

2Х

где Т- шаг спирали, п - диаметр намотки, X - длина волны. Фактически для круговой поляризации угол наклона проводника в спирали относительно ее продольной оси должен составлять 45°. На практике такой угол не выдерживают из-за стремления добиться минимальной физической длины антенны путем увеличения числа

витков спирали до максимума. Поэтому в портативных радиосистемах спиральные структуры излучают волны эллиптичной поляризации.

Использование встроенных антенн спирального типа спровоцировало дальнейшее развитие их конструкции, нацеленное на улучшение характеристик таких антенн. Основной проблемой является узкий диапазон принимаемых частот. Одним из способов расширения диапазона является применение переменного шага накрутки спирали, что обеспечивает приём

на разных частотах (рисунок 1.2) [4]. Суще- Рисунок 1.2 - Двухдиатзонная спиральная антенна

ственным недостатком таких антенн, применительно к сотовым телефонам, является вид её диаграммы направленности. Спиральные антенны излучают одинаково как в сторону пользователя сотового телефона, так и в противоположную от него. Это говорит о том, что использование таких антенн для сотовых телефонов нежелательно, в следствие неблагоприятного воздействия излучения на здоровье человека. К тому же для корректной работы такой антенны ориентация её должна быть как можно более вертикальной, из-за того, что волны, которые принимаются сотовыми телефонами, поляризованы преимущественно вертикально.

1.2.2 Повернутая L- образная антенна

Следующим шагом в развитии встроенных антенн, используемых для сотовых телефонов, явилась inverted L-antenna (ILA). На рисунке 1.3 схематично изображён вид такой антенны.

Антенна типа ILA является монополем, соединенным с проволочным горизонтальным элементом, расположенным над экраном и действую-

Рисунок 1.1 - Повернутый L-образная антенна (ILA)

щим как емкостная нагрузка. Основополагающим в выборе такой конструкции является её простота изготовления и дешевизна используемых материалов. Кроме того, большинство электрических характеристик такой антенны схожи с характеристиками обычного короткого монополя.

Диаграмма направленности (ДН) L-вибратора практически идентична ДН короткого монополя. Как известно, ДН монополя имеет максимум в направлении перпендикулярном его оси, являясь, к тому же, всенаправленной. Что касается L-виб-ратора, то ненулевой потенциал в его горизонтальном плече несколько изменяет ДН этой антенны, тем самым искажая её всенаправленность. Входной импеданс такой антенны сравним со входным импедансом всё того же короткого монополя: низкое активное и высокое реактивное сопротивления. Активная ят и реактивная

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Джалилов Бахромжон Одилжонович, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Буй Као Нинь. Малогабаритные диапазонные печатные антенны сотовых телефонов: дис. ... канд. тех. наук: 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии / Моск. гос. авиац. ин-т. Москва, 2015. 107 с.

2. Слюсар В. И. Многодиапазонные антенны мобильных средств связи // Электроника: НТБ, 2006, №8, с.90-96.

3. Wheeler H.A., A. Helical Antenna for Circular Polarization. - Proceedings of the IRE, Dec. 1947, p.1484-1488

4. Mustafa Secmen. Multiband and Wideband Antennas for Mobile Communication Systems // In: Recent Developments in Mobile Communications-A Multidiscipli-nary Approach. Edited by J.P. Maicas. Dec. 16. 2011. P.143-167.

5. Драбкин А.Л., Зузенко И.Л. Антенно-фидерные устройства. - М.:Сов. Радио.1961. - 816 с.

6. Nathan P. Cummings. «Low Profile Integrated GPS and Cellular Antenna». Master Thesis. - Blacksburg, Virginia Polytechnic Institute. - October 31, 2001.

7. Слюсар В. И. Антенны PIFA для мобильных средств связи. Многообразные конструкций // Электроника: НТБ, 2007, №1, с.64-74.

8. Minh'Chau T. Huynh. A. Numerical and Experimental Investigation of Planar In-verted'F Antennas for Wireless Communication Applications. - In: Master Thesis of Science in Electrical Engineering. - Virginia Polytechnic Institute and State University. - Blacksburg, Virginia. - Oct. 19, 2000. - 123 p.

9. Redvik J. Overview of Small Antennas at EMW.- In: COST 260 Management Committee and Working Groups Meeting, Gothenburg, Sweden, May 2-5, 2001. - Small Antenna Group Antenna Research Center. - Ericsson Microwave Systems AB.

10.Ollikainen J., Vainikainen P. Design and Bandwidth Optimization of Dual Resonant Patch Antennas // Helsinki University of Technology. Radio Laboratory Publications. Reports 252. Espoo. March, 2002.

11.Erdil, Emre; Topalli, K.; Unlu, M.; Civi, O.A.; Akin, T., "Frequency Tunable MicrostripPatch Antenna Using RF MEMS Technology," Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol.55, no.4, pp. 1193,1196, April 2007.

12.J. Ilvonen, R. Valkonen, J. Holopainen, and V. Viikari, "Multiband frequency reconfigurable 4G handset antenna with MIMO capability," Progress In Electromagnetics Research, Vol. 148, pp. 233-243, 2014.

13. J. H. Lim, G. T. Black, Y. I. Ko, C. W. Song, T. Y. Yun, "A Reconfigurable PIFA Using a Switchable PIN-Diode and Fine-Tuning Varactor for USPCS/ WCDMS/ m-WiMAX/ WLAN" IEEE Transactions on Antenna and Propagation, Vol. 58, No. 7, pp. 2404-2411, April 2010.

14.Wang K.L. Planar antennas for wireless communications. N.-Y.: Wiley-Inter-science, 2003, 301 p.

15.Слюсар В.И. Многодиапазонные антенны современных мобильных телефонов. Радиоаматор, 2005, № 1, с. 50-51.

16.Huynh M.-C. T. A numerical and experimental investigation of planar inverted F-antennas for wireless communication applications - in Master thesis of science and electrical engineering. Virginia Polytechnic institute and State University, Blacksburg, Virginia, USA, 2000, 123 pp.

17.Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. М.: Радио и связь, 1989., 352 с.

18.Григорьев А.Д., Салимов Р.В., Тихонов Р.И. Моделирование антенн сотовых телефонов методом векторных конечных элементов. // РЭ, 2012, Т. 57, № 3, с. 261-270.

19.R.J. Garbacz, "A generalized expansion for radiated and scattered fields," Ph.D. dissertation, Ohio State Univ.,Columbus, 1968.

20.R.F.Harrington and J.R Mautz, "Theory of characteristic modes for conducting bodies," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-19, pp. 622-628, Sept.1971.

21.R.F.Harrington and J.R Mautz, "Theory of characteristic modes for dielectric and magnetic bodies," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-20, pp. 194-198, March.1972.

22.M. Cabedo-Fabres, E. Antonino-Daviu, A. Valero-Nogueira, and M. Ferrando-Ba-taller, "The Theory of Characteristic Modes Revisited: A Contribution to the Design of Antennas for Modern Applications," IEEE Trans. Antennas Propagat. October 2007

23.E. Antonino Daviu, "Analysis and design of antennas for wireless communications using modal methods," Ph.D. dissertation, Valencia Polytechnic University of Valencia, Spain, 2008.

24.Sonkki, Marko, Wideband and multi-element antennas for mobile applications. University of Oulu Graduate School; University of Oulu, Faculty of Technology, Department of Communications Engineering; Centre for Wireless Communications; Infotech Oulu, P.O. Box 4500, FI-90014 University of Oulu, Finland Acta Univ. Oul. C 447, 2013.

25.Fabres M. C. Systematic design of antennas using the theory of characteristic modes. PhD Thesis, Universidad Politechnica de Valencia, 2007.

26.Li, H., Tan, Y., Lau, B. K., Ying, Z., & He, S. (2012). Characteristic mode based tradeoff analysis of antenna-chassis interactions for multiple antenna terminals. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 60(2), 490-502. DOI: 10.1109/TAP.2011.2173438

27.Интернет-ресурс http://www.altairhyperworks.com/product/FEKO

28.Rao S.M., Wilton D.R., Glisson A.W. Electromagnetic scattering by surfaces of arbitrary shapes. IEEE Trans. Antennas Prapagat. - 1982, V. 30, No. 3, pp. 409417.

29.Григорьев А.Д. Методы вычислительной электродинамики. М.:Физматлит, 2012, 430 с.

30.Расчет излучаемых структур с помощью FEKO / Банков С. Е., Курушин А. А. - Москва : ЗАО НППП Родник, 2008. - 242

31.http://www.psemi.com/products/digitally-tunable-capacitors

32. А.Д. Григорьев, Б.О. Джалилов, Адаптивные антенны для сотовых телефонов // Сборник трудов Научно-технической конференции с международным участием «Наука настоящего и будущего», Санкт-Петербург, Россия. - 2015. - С. 145-147.

33. А.Д. Григорьев, Б.О. Джалилов, Электрически перестраиваемая антенна для сотовых телефонов // Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ», Санкт-Петербург, Россия. - 2015. - С. 149-152.

34.А.Д. Григорьев, Б.О. Джалилов, Сравнение методов электрической перестройки антенн для сотовых телефонов // Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ», Санкт-Петербург, Россия. - 2016. - С. 288-291.

35.Григорьев А.Д., Джалилов Б.О. Электрически перестраиваемая антенна для сотовых телефонов // Изв. Вузов России. Радиоэлектроника. 2015. Вып 5. С. 39-41.

36.Григорьев А.Д., Джалилов Б.О. Сравнение методов электрической перестройки антенн для сотовых // Изв. Вузов России. Радиоэлектроника. 2017. Вып 1. С. 35-39.

37. http ://www.avagotech. com/docs/AV02-13 95EN

38.Grigoriev A.D, Djalilov B.O., Electrically Tuned Antenna for 4G Mobile Communication // Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (2016 ElConRusNW), Saint-Peterburg, Russia. - 2017. - p. 151-154.

39.А.Д. Григорьев, Б.О. Джалилов, Многодиапазонная антенна для сотовых телефонов // Сборник трудов Научно-технической конференции с международным участием «Наука настоящего и будущего», Санкт-Петербург, Россия. -2016. - С. 145-147.

40.Electrically Tuned Antenna for 4G Mobile Communication / Andrey Grigoriev, Bahrom Djalilov // Proceedings of the 2017 ElConRus (DOI: 10.1109/EICon-Rus.2017.7910516)

41.http://www.components-center.com/ie/product/Panasonic-BSG/ MA27V1900L.html

42.Grigoriev A.D, Djalilov B.O., Tunable antenna for mobile applications // Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (2016 ElCon-RusNW), Saint-Peterburg, Russia. - 2016. - p. 444-446.

43.А.Д. Григорьев, Б.О. Джалилов, Электрически перестраиваемая антенна для систем мобильной связи поколения 4G // Сборник докладов 70-ой Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава университета, Санкт-Петербург, Россия. - 2017. - С. 51-54.

44.А. А. Гавриш, Б. О. Джалилов, Исследование антенн сотовых телефонов с электрической перестройкой частоты // Сборник докладов 72-ой Всероссийская научно-техническая конференция СПбНТОРЭС, посвященной Дню радио, Санкт-Петербург, Россия. - 2017. - С. 55-56

45.Джалилов Б.О., Гавриш А.А., Эффективный метод электрической перестройки антенн для сотовых телефонов четвертого поколения // Материалы международной научно-практической конференции «Молодёжь в поисках дружбы», Республика Таджикистан, Хатлонская область - 2017. - С. 267-270

46.А.Д. Григорьев, Б.О. Джалилов, Адаптивная антенна для мобильной связи четвертого поколения // Сборник трудов III Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы СВЧ электроники им. В.А. Солнцева», Москва, Россия. - 2017.

47.Tunable Antenna for Mobile Applications / Andrey Grigoriev, Bahrom Djalilov // Proceedings of the 2016 ElConRus (DOI: 10.1109/EIConRusNW.2016.7448207)

48.http://easyelectronics.ru/sprint-layout-5-podrobnoe-rukovodstvo.html

49.http://www.rezonit.ru/

50.http://www.farnell.com/datasheets/1889909.pdf

51.Grigoriev A.D, Djalilov B.O., A Tunable Antenna for Mobile Handsets // RIEC Russia-Japan Joint International Microwave Workshop. October 2017, Senday, Japan.