АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО С СИММЕТРИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ И НАСТРОЕЧНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ДЛЯ ПОРТАТИВНОГО РАДИОУСТРОЙСТВА Российский патент 2000 года по МПК H01Q11/08 

Изобретение относится к антенным устройствам, в частности, к антенным устройствам с цепями возбуждения, имеющими оптимизированные размеры и характеристики.

Импедансные характеристики схемы приемопередатчика часто отличаются от импедансных характеристик связанной с ней антенны. При этом схема приемопередатчика часто имеет сопротивление, например, 50 Ом, тогда как сопротивление антенны может составлять 10 Ом. Одна из схем антенны и радиоприемопередатчика часто бывает несимметричной, в то время как другая симметрична. Антенный фидер может также иметь отличающуюся симметричную или несимметричную характеристику сопротивления или другое сопротивление в омах. Например, коаксиальный фидер обычно является несимметричной линией передачи, а двухпроводной фидер-симметричной.

Схемы трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству, известные в радиотехнике как симметрирующие устройства, обеспечивают согласование импедансных характеристик не только для согласования сопротивления, но и для симметрирования входов и выходов.

Известно антенное устройство, содержащее четырехзаходную спиральную антенну со схемой трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству (см. патент США N 5349365, кл. H 01 Q 11/08, оп. 20.09.94). Четырехзаходная спиральная антенна содержит множество элементов, расходящихся радиально от общей точки соединения. Микрополосковое симметрирующее устройство соединено с множеством антенных элементов в общей точке соединения.

Включение симметрирующего устройства между фидером и антенным элементом для согласования их импедансных характеристик влечет за собой увеличение размеров и веса антенного устройства и усложнение его изготовления. Если целью проектирования антенны является уменьшение ее размеров, то симметрирующее устройство накладывает ограничение на возможности реализации указанной цели.

Задачей изобретения является создание антенного устройства, имеющего уменьшенные габариты и более равномерную диаграмму направленности в рабочем диапазоне углов системы связи.

Указанный результат достигается тем, что антенное устройство, содержащее схему трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству, подключенную между несимметричным антенным фидером и симметричной точкой возбуждения, первую и вторую пару плеч, скрещенных относительно друг друга и подключенных к схеме трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству в симметричной точке возбуждения, в соответствии с изобретением, дополнительно содержит настроечный элемент в симметричной точке возбуждения соответствующей пары плеч, подключенный к схеме трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству и к одной из пар плеч с зазором между настроечным элементом и другой парой плеч, достаточным для поддержания согласованного перехода.

При этом указанное устройство предпочтительно содержит продолговатую диэлектрическую поверхность, окружающую продольную ось, а каждая из указанных двух пар плеч содержит первую и вторую пару тонких металлических плеч, сформированных на продолговатой диэлектрической поверхности перекрестно относительно друг друга и подключенных к схеме трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству в соответствующих соединениях симметричной точки возбуждения.

Схема трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству предпочтительно расположена позади продолговатой диэлектрической поверхности напротив симметричной точки возбуждения, в частности внутри продолговатой диэлектрической поверхности, а настроечный элемент содержит тонкий металлический настроечный лепесток, сформированный на продолговатой диэлектрической поверхности. При этом каждая пара плеч образует рамку или скрученную рамку, причем, две скрученные рамки могут быть выполнены скрещенными друг с другом с возможностью образования четырехзаходного спирального антенного элемента, либо две пары плеч образуют антенный элемент в виде двух скрещенных рамок.

Кроме того, схема трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству предпочтительно выполнена из противолежащих первого и второго микрополосковых элементов имеющих первый и второй узкие концы и первый и второй широкие концы, причем первый и второй узкие концы подсоединены к несимметричному антенному фидеру, а первый и второй широкие концы подсоединены к соответствующим соединениям симметричной точки возбуждения, при этом зазор имеет достаточные размеры для уменьшения ширины схемы трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству и поддержания при этом согласованного перехода.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его выполнения со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - вид на плоскости правой стороны антенного устройства;
фиг. 2 - вид сверху антенного устройства, изображенного на фиг. 1,
фиг. 3 - вид на плоскости левой стороны антенного устройства;
фиг. 4 - вид сверху антенного устройства, изображенного на фиг. 3;
фиг. 5 - вид антенного устройства, изображенного на фиг. 1-4, в разрезе по линии 5-5;
фиг. 6 - вид антенного устройства, изображенного на фиг. 1-4, в разрезе по линии 6-6; и
фиг. 7 - портативное радиоустройство, выполненное в соответствии с изобретением.

В симметричной точке возбуждения плеч антенны предусмотрены настроечные элементы, позволяющие использовать схемы трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству (симметрирующие устройства) меньшего размера и разной конфигурации. Схема трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству подсоединена между несимметричным фидером и симметричной точкой возбуждения. Настроечный элемент увеличивает плечо антенны в точке возбуждения. За счет обеспечения настроечного элемента в данной точке улучшаются такие характеристики, как размер схемы трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству. Следовательно, размер схемы трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству (симметрирующего устройства) больше не налагает ограничений на размер антенного устройства. Благодаря возможности уменьшения размера симметрирующего устройства, он уже не будет самым большим элементом антенного устройства. До настоящего времени невозможно было изготовить антенны меньшего размера без настроечных элементов, размещенных в соответствии с настоящим изобретением, так как требуемая схема трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству имела бы диаметр больше диаметра самой антенны. Настоящее изобретение позволяет преодолеть такие ограничения по уменьшению габаритов антенного устройства.

Кроме того, настроечные элементы улучшают диаграмму направленности антенны. Достигается более совершенная симметричная полусферическая диаграмма направленности антенны. Было обнаружено, что при расположении настроечного элемента в антенном устройстве в соответствии с настоящим изобретением можно легко получить пиковое соотношение входного импеданса и частоты для антенны, обеспечивающее более совершенную полусферическую диаграмму направленности антенны. Спутники поддерживают связь с портативными средствами радиосвязи на Земле при разных углах возвышения от горизонта к зениту. За счет данного изобретения обеспечивается более устойчивая работа портативного средства спутниковой радиосвязи в диапазоне углов возвышения от горизонта к зениту.

На фиг. 1 изображено антенное устройство, запитываемое от несимметричного фидера 110. Несимметричный фидер 110 питает симметрирующее устройство (не показано), расположенное внутри диэлектрической трубки 210. Четыре плеча 310, 320, 330 и 340 нанесены электролитическим методом на диэлектрическую трубку 210. Каждое из четырех плеч 310, 320, 330 и 340 подсоединено к симметрирующему устройству в симметричной точке возбуждения в верхней части диэлектрической трубки 210. Настроечный элемент 410 электрически подсоединен к одному из четырех плеч 330, но удален от соседнего тонкого металлического плеча 320 на расстояние Z. Настроечный элемент 410 также удален от симметричной точки возбуждения в верхней части диэлектрической трубки 210 на расстояние Y. Плечи 310, 320, 330, 340 и настроечный элемент 410 предпочтительно нанесены электролитическим методом на диэлектрическую трубку 210.

На фиг. 2 показан вид сверху правой стороны антенного устройства по фиг. 1. Симметричная точка возбуждения образована двумя соединениями 610 и 620. Тонкие металлические плечи 310, 320, 330 и 340 подсоединены к верхнему краю 510 симметрирующего устройства посредством двух соединений 610 и 620 для симметричной точки возбуждения. На фиг. 2 также показаны настроечные элементы 410 и 420.

На фиг. 3 представлен вид левой стороны антенного устройства по фиг.1 и 2, а на фиг. 4 - вид сверху левой стороны антенного устройства по фиг. 3. Настроечный элемент 420 предпочтительно является тонким металлическим настроечным лепестком, нанесенным гальваническим методом на диэлектрическую трубку 210. Оба настроечных элемента 410 и 420 имеют одинаковую высоту в предпочтительном варианте осуществления около 0,6477 см и одинаковую ширину "около 0,2677 см. диэлектрическая трубка 210 в предпочтительном варианте осуществления проходит вдоль продольной оси и имеет внутренний диаметр около 0,635 см и наружный диаметр около 0,8128 см. Второй настроечный элемент 420 электрически подсоединен к одному из плеч 310, но удален на расстояние Z' от соседнего плеча 340. Второй настроечный элемент 420 также удален от симметричной точки возбуждения в верхней части диэлектрической трубки 210 на расстояние Y'.

Предпочтительно, чтобы расстояние Y' для второго настроечного элемента 410 отличалось от расстояния Y для первого настроечного элемента 410 в симметрирующем трансформаторе в следующем примере, который будет описан ниже со ссылкой на виды в разрезе, представленные на фиг. 5 и 6.

Размеры X, Y и Z на фиг. 1, 3, 5 и 6 выбираются таким образом, чтобы обеспечить заданную импедансную характеристику на входе плеч антенны, в направлении от симметричной точки возбуждения. Размер Z образует зазор больше нуля. В предпочтительном варианте осуществления зазор Z приблизительно равен 0,508 мм. Размер Y может быть больше или равен нулю. В предпочтительном варианте осуществления размер Y составляет около 0,381 мм. Размер X предпочтительно равен внутреннему диаметру диэлектрической трубки 210, чтобы уменьшить размер настроечного элемента 410, но может быть и меньше. Размер X в предпочтительном варианте осуществления составляет приблизительно 0,635 см.

Для обеспечения продолговатой диэлектрической поверхности, окружающей продольную ось, помимо трубки с круглым сечением можно использовать трубки с овальным, эллиптическим, восьмиугольным, квадратным, прямоугольным и другим подобным сечением. Условия технологичности требуют, чтобы плечи имели опорную поверхность, простирающуюся в трех ортогональных плоскостях, для формирования антенны, способной передавать и принимать поле радиоизлучения с круговой поляризацией. Для реализации антенного устройства согласно изобретению вместо тонких металлических плеч и тонкого металлического настроечного элемента, расположенных на диэлектрической подложке, можно использовать свободно стоящие проволочные конструкции.

Каждое тонкое металлическое плечо 310, 320, 330 и 340 в предпочтительном варианте осуществления имеет ширину около 0,3175 см, при этом два более коротких тонких металлических плеча 320 и 340 имеют длину, измеренную вдоль трубки до основания, около 8,0264 см, а два более длинных тонких металлических плеча 310 и 330 имеют длину, измеренную вдоль трубки до концов складок 315 и 335 около 8,5344 см. Несмотря на то, что плечи 310, 320, 330 и 340 и тонкие металлические настроечные элементы 410 и 420 предпочтительно нанесены электролитическим методом на диэлектрическую трубку 210, альтернативно они могут быть наклеены на диэлектрическую трубку 210.

В антенне согласно предпочтительному варианту осуществления использован четырехзаходный спиральный антенный элемент. Четырехзаходный спиральный антенный элемент имеет две пары плеч, образованных из плеч 310, 320, 330 и 340, составляющих в сумме четыре плеча. Одна пара плеч 310, 330 имеет большую длину, чем другая пара плеч 320 и 340. Большую длину обеспечивают сложенные участки 315 и 335 внизу диэлектрической трубки 210, показанной на фиг. 1 и 3. В результате более длинная пара плеч является индуктивной, например, 50+j50 Ом, а более короткая пара плеч - емкостной, например, 50-j50 Ом. Таким образом, когда пара плеч запитывается параллельно, полученный входной импеданс является чисто резистивным, а между ветвями антенны имеет место квадратурное соотношение по току. В результате этого антенна имеет круговую поляризацию. Как четырехзаходные антенные элементы (витые скрещенные рамочные антенные элементы), так и скрещенные рамочные антенные элементы имеют пары плеч. Каждая пара плеч образует рамку. В скрещенном рамочном антенном элементе рамки перпендикулярны друг другу в перекрестном отношении. В витом скрещенном рамочном антенном элементе скрещенные рамки еще и перевиты, для образования четырехзаходного спирального рамочного элемента.

Портативное спутниковое устройство радиосвязи согласно изобретению имеет более однородную диаграмму направленности антенны при углах возвышения от горизонта к зениту. Было обнаружено, что при расположении настроечного элемента в антенном устройстве согласно изобретению можно легко получить пик отношения входного импеданса к частоте. Когда входной импеданс образует пик в приведенных выше примерах самофазирующейся антенны, между плечами антенного элемента возникает квадратурное соотношение по току, что дает более совершенную диаграмму направленности антенны круговой поляризации.

На фиг. 5 и 6 представлены виды сечений антенного устройства, изображенного на фиг. 1-4, по линиям 5-5 и 6-6, соответственно. На фиг. 5 и 6 соответственно изображены передняя и задняя поверхности симметрирующего устройства, включенного между фидером 110 и симметричной точкой возбуждения на верхнем конце 510 симметрирующего устройства. В примере, представленном на фиг. 5 и 6, изображено клинообразное симметрирующее устройство. Это клинообразное симметрирующее устройство предпочтительно выполнено с использованием клинообразных микрополосковых элементов 710 и 720, нанесенных электролитическим методом на диэлектрический плоский элемент 730, изображенный в двух проекциях на фиг. 5 и 6. Внутренний коаксиальный проводник фидера 110 подсоединен к концу клинообразного микрополоскового элемента на узком конце 743, а наружный проводник фидера 110 присоединен к узкому концу 747 другого клинообразного микрополоскового элемента 720. Микрополосковая линия передачи имеет активную линию и противоположную плоскость заземления. Плоскость заземления должна быть шире активной линии. Микрополосковый элемент 720 клинообразного симметрирующего устройства выполнен более широким на суженном конце 747, для формирования начального участка действительной плоскости заземления для полученной линии передачи из микрополосковых элементов 710 и 720. Клинообразный микрополосковый элемент 710 состоит из сужающейся части выше точки 743 и линейной части 713 ниже точки на фиг. 5.

Клинообразный симметрирующий трансформатор согласно настоящему изобретению имеет диэлектрический плоский элемент шириной около 0,635 см, длиной около 2,159 см и толщиной около 0,0635 см. Более короткая клинообразная часть микрополоскового элемента 710 симметрирующего трансформатора согласно предпочтительному - варианту выполнения имеет высоту 1,651 см, а более высокий микрополосковый элемент имеет высоту, равную высоте диэлектрического плоского элемента 730.

Кроме описанного варианта выполнения клинообразного симметрирующего устройства, можно использовать и другие виды, например, симметрирующие устройства в форме базуки, расщепленной оболочки или рыболовного крючка. Симметрирующие преобразователи в форме базуки и расщепленной оболочки работоспособны, но требуют согласующих конденсаторов, в противном случае можно не достичь требуемых характеристик потерь при отражении, при сохранении необходимых размеров. При использовании симметрирующего устройства в форме рыболовного крючка труднее получить нужные размеры. При некоторых размерах ширина симметрирующего устройства в форме рыболовного крючка невыполнима, так как для согласования с импедансом фидера она должна быть больше, чем опорный антенный элемент.

На фиг. 7 изображен передатчик 910 портативного радиотелефона, имеющего антенное устройство 920, подсоединенное к нему в точке поворота. Благодаря данному изобретению достигается более устойчивая работа портативного спутникового средства радиосвязи при углах возвышения от горизонта к зениту с сохранением небольших размеров антенного устройства.

Несмотря на то, что изобретение было описано и проиллюстрировано в приведенном выше описании и на чертежах, следует понимать, что это сделано только для примера и что специалисты смогут внести многочисленные модификации без изменения сущности и объема изобретения. Изобретение может найти применение как в аналоговых, так и в цифровых спутниковых системах передачи речевых сигналов, данных и пейджинговых сообщений. Изобретение можно также использовать в наземных антеннах для портативных средств радиосвязи, требующих небольших антенн и равномерных диаграмм направленности. Хотя изобретение обеспечивает преимущества по размерам для портативных средств связи, оно также обладает преимуществами для стационарных и мобильных средств связи.

Изобретение относится к антенным устройствам с цепями возбуждения, имеющими оптимизированные размеры и характеристики. Техническим результатом является уменьшение габаритов и получение более равномерной диаграммы направленности в рабочем диапазоне углов. Для формирования антенного устройства плечи антенного элемента подсоединены в точке возбуждения к схеме трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству. За счет обеспечения настроечного элемента возле соединений с точкой возбуждения улучшаются такие характеристики, как размер антенного устройства. Настроечный элемент электрически подсоединен к одному из плеч, но расположен с зазором относительно соседнего плеча. Можно также предусмотреть зазор между настроечным элементом и точкой возбуждения. В предпочтительном варианте осуществления изобретения плечи и настроечный элемент сформированы в виде тонких металлических плеч на продолговатой диэлектрической трубке. Согласно предпочтительному варианту выполнения схема перехода от симметричного к несимметричному устройству может быть также расположена внутри продолговатой диэлектрической трубки. 9 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Антенное устройство, содержащее схему трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству, подключенную между несимметричным антенным фидером и симметричной точкой возбуждения, первую и вторую пару плеч, скрещенных относительно друг друга и подключенных к схеме трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству в симметричной точке возбуждения, отличающееся тем, что дополнительно содержит настроечный элемент в симметричной точке возбуждения соответствующей пары плеч, подключенный к схеме трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству, и к одной из пар плеч с зазором между настроечным элементом и другой парой плеч, достаточным для поддержания согласованного перехода. 2. Антенное устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит продолговатую диэлектрическую поверхность, окружающую продольную ось, причем каждая из указанных двух пар плеч содержит первую и вторую пару тонких металлических плеч, сформированных на продолговатой диэлектрической поверхности перекрестно относительно друг друга и подключенных к схеме трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству в соответствующих соединениях симметричной точки возбуждения. 3. Антенное устройство по п.2, отличающееся тем, что схема трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству расположена позади продолговатой диэлектрической поверхности напротив симметричной точки возбуждения. 4. Антенное устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что схема трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству расположена внутри продолговатой диэлектрической поверхности. 5. Антенное устройство по любому из пп.2 - 4, отличающееся тем, что настроечный элемент содержит тонкий металлический настроечный лепесток, сформированный на продолговатой диэлектрической поверхности. 6. Антенное устройство по любому из пп.2 - 5, отличающееся тем, что каждая пара плеч образует рамку. 7. Антенное устройство по любому из пп.2 - 5, отличающееся тем, что каждая пара плеч образует скрученную рамку. 8. Антенное устройство по п. 7, отличающееся тем, что две скрученные рамки выполнены скрещенными друг с другом, с возможностью образования четырехзаходного спирального антенного элемента. 9. Антенное устройство по любому из пп.2 - 5, отличающееся тем, что две пары плеч состоят из двух скрещенных рамок, образующих антенный элемент в виде двух, скрещенных рамок. 10. Антенное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что схема трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству выполнена из противолежащих первого и второго микрополосковых элементов, имеющих первый и второй узкие концы и первый и второй широкие концы, причем первый и второй узкие концы подсоединены к несимметричному антенному фидеру, а первый и второй широкие концы подсоединены к соответствующим соединениям симметричной точки возбуждения, при этом зазор имеет достаточные размеры для уменьшения ширины схемы трансформирующего перехода от симметричного к несимметричному устройству и поддержания при этом согласованного перехода.