СОСТАВНАЯ АНТЕННА Российский патент 2000 года по МПК H01Q21/29 

Настоящее изобретение относится к антенне круговой поляризации, которая обладает направленностью в диапазоне от малых углов места до зенита и может быть использована для осуществления связи со спутниками на низких и промежуточных орбитах, а также к антенне, отличающейся компактностью, что позволяет монтировать ее в портативных телефонах для использования в спутниковых системах связи или в компактных портативных устройствах радиосвязи.

Концепция портативного телефона, использующего спутники на низких или промежуточных орбитах в качестве спутников системы связи, в последнее время предлагается различными компаниями. В качестве полосы частот, предназначенной для использования в таких системах связи, выделен частотный диапазон на частоте 1,6 ГГц для восходящей линии связи от наземных портативных телефонов к спутникам связи и частотный диапазон на частоте 2,4 ГГц для нисходящей линии связи от спутников связи к наземным портативным телефонам. Диапазон на частоте 1,6 ГГц также выделен в качестве полосы частот для использования при двунаправленной связи между наземными станциями и спутниками связи. Волны круговой поляризации обычно используются в таких системах связи для обеспечения требуемого качества связи.

Известна антенна, предложенная в качестве средства для улучшения качества канала связи (см. опубликованную заявку на патент Японии N 7-183719). Более конкретно, основой проводник проходит от плоской антенны в направлении, противоположном антенному элементу, для улучшения направленности антенны на малых углах места. Фиг. 10 иллюстрирует пример выполнения известной антенны. Для улучшения направленности антенны на малых углах места микрополосковая плоская антенна 1 состоит из диэлектрической подложки 1c, микрополоскового излучающего элемента 1b, размещенного на диэлектрической подложке 1c, заземляющего проводника 1d, прикрепленного к низу излучающего элемента 1b, и цилиндрического заземляющего проводника 1e, проходящего вниз от основного проводника 1d.

В случае, когда обычная антенна принимает приходящую волну круговой поляризации от спутника или излучает волну круговой поляризации от наземной станции к спутнику, наблюдаемому под малым углом места, усиление антенны и коэффициент эллиптичности волны с круговой поляризацией становятся слишком большими, что, в свою очередь, влияет на качество канала связи вследствие изменений во взаимном расположении антенны портативной аппаратуры связи и антенны спутника. Таким образом, затруднительно поддерживать чувствительность приема антенны в каждом из направлений на небесной полусфере.

Настоящее изобретение направлено на преодоление вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, при этом достигаемым техническим результатом является улучшение направленности и коэффициента эллиптичности антенны, работающей в режиме излучения и приема волн с круговой поляризацией при малых углах места.

В соответствии с настоящим изобретением вышеуказанный результат достигается в устройстве, охарактеризованном в пунктах формулы изобретения. Более конкретно, настоящее изобретение предусматривает составную антенну, содержащую микрополосковую плоскую антенну (МПА), которая работает в режиме круговой поляризации волн и выполнена из проводящей пластины, служащей в качестве общего основного проводника, диэлектрического слоя, размещенного на проводящей пластине, и микрополоскового излучательного элемента, размещенного параллельно проводящей пластине с диэлектрическим слоем между ними; линейный излучающий элемент, который спирально намотан по существу коаксиально относительно МПА и расположен ниже проводящей пластины; при этом верхние концы спирально намотанного линейного излучающего элемента электрически соединены с проводящей пластиной, образуя тем самым спиральную антенну. Спиральная антенна может быть соединена с проводящей пластиной посредством связи по постоянному току или емкостной связи.

Направленность диаграммы излучения при больших углах места сильно зависит от плоской части микрополоскового излучающего элемента МПА. В противоположность этому направленность диаграммы излучения при малых углах места сильно зависит от спиральной антенны и электрического поля, вырабатываемого между периферией микрополоскового излучающего элемента МПА и основным проводником.

Если основной проводник МПА проходит вниз, как это имеет место для основного проводника известной антенны, то антенна имеет высокую чувствительность по отношению к поляризованной волне в осевом направлении антенны (например, к вертикально поляризованной волне), но низкую чувствительность по отношению к горизонтально поляризованной волне.

В соответствии с настоящим изобретением чувствительность антенны по отношению к горизонтально поляризованной волне улучшается за счет электрической связи спиральной антенны с проводником МПА, как описано выше. Спиральная антенна вносит вклад в улучшение чувствительности антенны по отношению к горизонтально поляризованной волне ввиду горизонтальных составляющих, образованных высокочастотными токами, протекающими через спиральную антенну. Ширина линии, длина, число витков спирального элемента и шаг намотки спирального элемента могут быть выбраны в соответствии со спутниковой системой связи, как это необходимо.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1A - иллюстрация составной антенны, выполненной согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, содержащей прямоугольную МПА и размещенную по существу коаксиально с ней четырехзаходную спиральную антенну.

Фиг. 1B - иллюстрация составной антенны, соответствующей одному из вариантов осуществления изобретения, содержащей прямоугольную МПА и размещенную по существу коаксиально с ней восьмизаходную спиральную антенну.

Фиг. 2A - поперечное сечение МПА по линии A-A.

Фиг. 2B - вид сверху МПА.

Фиг. 3A - иллюстрация составной антенны, выполненной согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, содержащей прямоугольную МПА и размещенную по существу коаксиально с ней четырехзаходную спиральную антенну.

Фиг. 3B - иллюстрация составной антенны, соответствующей другому варианту осуществления изобретения, содержащей излучающий элемент для управления направленностью антенны.

Фиг. 4A и 4B - примеры измерений усиления составной антенны, соответствующей настоящему изобретению, для линейно поляризованной волны, причем направление зенита составной антенны установлено на 90^o; при этом фиг. 4A представляет диаграмму направленности излучения, полученную для случая, когда длинная сторона микрополоскового излучающего элемента параллельна направлению электрического поля линейно поляризованной антенны (например, передающей антенны), и фиг. 4B представляет диаграмму направленности излучения, полученную для случая, когда длинная сторона микрополоскового излучающего элемента параллельна направлению магнитного поля линейно поляризованной антенны (например, передающей антенны).

Фиг. 5A и 5B - примеры измерений усиления составной антенны, соответствующей настоящему изобретению, для линейно поляризованной волны, измеренной тем же путем, что и в случае, иллюстрируемом на фиг. 4A и 4B, но ось составной антенны дополнительно повернута на 90^o относительно состояния, соответствующего фиг. 4A и 4B; при этом фиг. 5A представляет диаграмму направленности излучения, полученную для случая, когда короткая сторона микрополоскового излучающего элемента параллельна направлению электрического поля линейно поляризованной антенны, и фиг. 5B представляет диаграмму направленности излучения, полученную для случая, когда короткая сторона микрополоскового излучающего элемента параллельна направлению магнитного поля линейно поляризованной антенны.

Фиг. 6 - общий вид портативного устройства радиосвязи, содержащего закрепленную на нем составную антенну, соответствующую изобретению.

Фиг. 7 - схематичное представление процедуры связи, осуществляемой между спутником и портативным устройством радиосвязи, содержащим закрепленную на нем составную антенну, соответствующую изобретению.

Фиг. 8 - общий вид другого примера осуществления составной антенны, соответствующей изобретению, закрепленной на портативном устройстве радиосвязи.

Фиг. 9 - блок-схема антенной цепи портативного устройства радиосвязи, представленного на фиг. 8.

Фиг. 10 - общий вид известной антенны, в которой основной проводник круговой МПА проходит в направлении вниз.

Детальное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
В качестве примера осуществления представлена составная антенна, содержащая микрополосковую плоскую антенну (МПА), включающую проводящую пластину, служащую в качестве общего основного проводника, диэлектрический слой, предусмотренный на проводящей пластине, микрополосковый излучающий элемент, размещенный параллельно проводящей пластине, с диэлектрическим слоем между ними, штырь подачи питания для подачи питания на микрополосковый излучающий элемент, который имеет точку подачи питания в непосредственной близости от сквозного отверстия, выполненного в проводящей пластине, и проходит вверх от точки подачи питания; линейный излучающий элемент, который спирально намотан по существу коаксиально относительно микрополосковой плоской антенны и расположен ниже проводящей пластины; при этом верхние концы спирально намотанного линейного излучающего элемента соединены с проводящей пластиной посредством связи по постоянному току или емкостной связи, образуя тем самым спиральную антенну, которая использует точку подачи питания совместно с микрополосковой плоской антенной.

Фиг. 1A и 1B иллюстрируют примеры антенны, выполненной по форме прямоугольного стержня, соответствующей одному из вариантов осуществления изобретения. На фиг. 1A представлен пример антенны, использующей связанную с ней четырехзаходную спиральную антенну, а на фиг. 1B представлен пример антенны, использующей связанную с ней восьмизаходную спиральную антенну. На чертежах одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями. Ссылочная позиция 1 обозначает микрополосковую плоскую антенну (далее - МПА), ссылочная позиция 2 обозначает спиральную антенну, 3 - точку подачи питания, совместно используемую МПА 1 и спиральной антенной 2, 4 - основной проводник МПА 1 и плоский основной проводник (проводящая пластина) для подачи питания на спиральную антенну 2, 12 - составную антенну, образованную МПА 1 и спиральной антенной 2.

Более конкретно, ссылочная позиция 1a обозначает штырь подачи питания МПА 1, 1b обозначает микрополосковый излучающий элемент МПА 1, и 1c обозначает диэлектрическую подложку МПА 1. Ссылочная позиция 2a обозначает диэлектрическую стойку для крепления спиральной антенны, 2b обозначает линейный излучающий элемент спиральной антенны, 2c обозначает изолирующий материал, препятствующий контакту излучающих элементов между собой в местах пересечений, образованных на нижнем конце спиральной антенны, и 2d обозначает пересечение излучающих элементов, образованных на нижнем конце спиральной антенны.

МПА 1 представляет собой плоскую антенну с одноточечным возбуждением в обратном направлении. На фиг. 2A представлен вид в поперечном сечении прямоугольной МПА 1 с одноточечным возбуждением в обратном направлении. На фиг. 2B представлен вид сверху МПА 1. Сквозное отверстие 4a образовано в проводящей пластине 4, представляющей собой основной проводник, и мощность подается к микрополосковому излучающему элементу 1b с его задней стороны посредством штыря подачи питания 1a. Помимо прямоугольных МПА, известны также круговые, треугольные и пятиугольные МПА. В случае антенны, соответствующей рассматриваемому варианту осуществления, имеющей прямоугольный микрополосковый излучающий элемент 1b, необходимая частота, действующая в форме волны круговой поляризации, может быть получена за счет изменения длин продольной и поперечной сторон прямоугольной МПА и диэлектрической постоянной и толщины диэлектрической подложки 1c. Частота антенны изменяется от единиц до десятков мегагерц в соответствии с шириной и размером спиральной антенны 2. Поэтому необходимо принимать во внимание эти изменения.

Как показано на фиг. 1A и 1B, если внешняя форма (т.е. профиль поперечного сечения и его размеры) спиральной антенны приведены по существу в соответствие с внешней формой МПА 1, то обеспечивается равномерная направленность по существу в каждом направлении от малых углов места до зенита. В противоположность этому, если внешние очертания спиральной антенны 2 превышают МПА 1, то направленность антенны в направлениях, соответствующих малым углам места, снижается, в то время как направленность в направлении зенита возрастает. И наоборот, если внешние очертания спиральной антенны 2 меньше, чем у МПА 1, то не обеспечивается достаточная направленность антенны в направлениях, соответствующих малым углам места.

В принципе известно, что принимаемая мощность уменьшается примерно на 3 дБ, если линейно поляризованная антенна принимает волну круговой поляризации. По этой причине возникают потери величиной 3 дБ, если вертикально поляризованная антенна принимает электромагнитную волну, излученную антенной круговой поляризации спутника связи, наблюдаемого под малым углом места. Как видно из таблицы 1, составная антенна, соответствующая изобретению, обеспечивает устойчивую связь, поскольку усиление антенны в отношении горизонтально поляризованного компонента частично улучшается.

Хотя составная антенна выполнена по форме прямоугольного стержня с использованием прямоугольной МПА 1 в вышеописанном варианте осуществления, она может быть выполнена по форме стержня кругового сечения с использованием круговой МПА 1, как показано на фиг. 3A, или может быть выполнена с использованием стойки треугольного сечения. Составная антенна, соответствующая настоящему изобретению, не ограничена конкретными формами выполнения. Форма составной антенны может быть выбрана в соответствии с конструкцией или особенностями применения портативного устройства радиосвязи, на котором смонтирована составная антенна, соответствующая изобретению. Как показано на фиг. 3B, дополнительный линейный излучающий элемент 5 может быть намотан вокруг диэлектрической стойки 2a для подстройки направленности составной антенны, в дополнение к линейным излучающим элементам 2b, намотанным вокруг диэлектрической стойки 2a для формирования четырехзаходной спиральной антенны. В этом случае линейные излучающие элементы 5 и линейные излучающие элементы 2b, образующие четырехзаходную спиральную антенну, располагаются поочередно. Линейные излучающие элементы 5 на одном конце связаны с основным проводником 4, как линейные излучающие элементы 2b, но разомкнуты на другом конце.

Хотя в вышеописанном варианте осуществления линейные излучающие элементы 2b спиральной антенны 2 и линейные излучающие элементы 5 непосредственно связаны с краем основного проводника 4 путем связи по постоянному току, однако они могут быть связаны с краем основного проводника 4 без непосредственного контакта, за счет емкостной связи.

В таблице 1 представлены результаты измерений для составной антенны, соответствующей одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, по сравнению с обычной антенной, имеющей основной проводник и МПА, проходящую в направлении вниз. В этом примере составная антенна, соответствующая настоящему изобретению, и обычная антенна использовали идентичные прямоугольные МПА. Прямоугольный стержень, выполненный из толстой бумаги с обеспечением внешнего размера, по существу совпадающего с соответствующим размером МПА, использовался в качестве диэлектрического материала для крепления МПА. В составной антенне, соответствующей варианту осуществления изобретения, четыре спиральных излучающих элемента, как показано на фиг. 1A, были сформированы из полоски медной фольги по форме спиральной антенны. Кроме того, что касается обычной антенны, основной проводник, выполненный соответственно стержню прямоугольного сечения, в котором основной проводник МПА проходит в направлении вниз, был сформирован из полоски медной фольги. Направления восток, запад, север и юг, представленные в таблице 1, соответствуют направлениям восток, запад, север и юг, представленным на фиг. 2B, где показан вид сверху прямоугольной МПА 1.

На фиг. 4A и 4B представлены примеры измерений усиления составной антенны, соответствующей изобретению, для линейно поляризованной волны и направлении зенита составной антенны 90^o. На фиг. 4A представлена диаграмма направленности излучения, полученная для случая, когда длинная сторона микрополоскового излучающего элемента (или длинная сторона излучающего элемента 1b на фиг. 2B) установлена параллельно направлению электрического поля линейно поляризованной антенны (например, передающей антенны). На фиг. 4b представлена диаграмма направленности излучения, полученная для случая, когда длинная сторона микрополоскового излучающего элемента установлена параллельно направлению магнитного поля линейно поляризованной антенны. На фиг. 5A и 5B представлены примеры усиления составной антенны, соответствующей изобретению, для линейно поляризованной волны, измеренной тем же путем, что и в случае, иллюстрируемом на фиг. 4A и 4B, причем ось составной антенны дополнительно повернута на 90^o относительно состояния, соответствующего фиг. 4A и 4B. Фиг. 5A представляет диаграмму направленности излучения, полученную для случая, когда короткая сторона микрополоскового излучающего элемента параллельна направлению электрического поля линейно поляризованной антенны. Фиг. 5B представляет диаграмму направленности излучения, полученную для случая, когда короткая сторона микрополоскового излучающего элемента параллельна направлению магнитного поля линейно поляризованной антенны. Каждая из измеряемых антенн имеет частотный диапазон на частоте соответственно 1,647 ГГц, 1,650 ГГц, 1,653 ГГц, 1,656 ГГц и 1,659 ГГц.

На фиг. 6 представлен общий вид портативного устройства радиосвязи, имеющего закрепленную на нем составную антенну, соответствующую изобретению. На фиг. 7 приведено схематичное представление процедуры связи, осуществляемой между портативным устройством радиосвязи и спутником. Составная антенна 12, соответствующая настоящему изобретению, показанная на фиг. 6, закреплена на портативном устройстве радиосвязи 11 так, чтобы обеспечивалась портативность устройства. На этом чертеже ссылочная позиция 11a обозначает динамик, 11b - дисплей, 11 - операционную часть, 11d - микрофон. Дисплей 11b размещен над динамиком 11а, так что можно предотвратить потери усиления антенны в направлении под малым углом места, обусловленные влиянием головы пользователя. Для закрепления составной антенны 12 на портативном устройстве радиосвязи 11 предусмотрен диэлектрический держатель между портативным устройством радиосвязи 11 и составной антенной 12, чтобы обеспечить крепление составной антенны 12 и прохождение линии передачи, например коаксиального кабеля 5, при этом составная антенна 12 поддерживается в выдвинутом положении, чтобы обеспечить ее разнесение относительно тела пользователя. Кроме того, составная антенна, соответствующая настоящему изобретению, обеспечивает улучшенное усиление и коэффициент эллиптичности для волны круговой поляризации при малых углах места, что позволяет поддерживать высокую чувствительность связи в любом направлении небесной полусферы. Например, как показано на фиг. 7, при осуществлении связи со спутником 21 на орбите 20 портативное устройство радиосвязи 11 на земле осуществляет плавное переключение связи с направления на зенит на направление под малым углом места.

На фиг. 8 показан другой пример выполнения составной антенны, соответствующей настоящему изобретению, закрепленной на портативном устройстве радиосвязи. На фиг. 9 представлена блок-схема антенной цепи портативного устройства радиосвязи, показанного на фиг. 8. Портативное устройство радиосвязи, показанное на фиг. 8, выполнено так, что обеспечивает поворот составной антенны 12 относительно оси поворота A. В режиме ожидания составная антенна 12 устанавливается так, что она подгоняется под форму корпуса портативного устройства радиосвязи 11 при ее сложении. Микрополосковая плоская антенна (МПА) 30 размещается так, что она занимает верхнюю поверхность корпуса портативного устройства радиосвязи 11, образуя при этом составную антенну 12 и антенну режима разнесения. МПА 30 имеет конфигурацию, соответствующую показанной на фиг. 2A и 2B. МПА 30 обеспечивает усиление волны круговой поляризации правого вращения (или левого вращения), которое является тем же самым, что и для составной антенны 12, главным образом в направлении зенита. Антенна режима разнесения состоит из составной антенны 12, показанной на фиг. 9, МПА 30, секции радиосвязи 31 и средства формирования сигнала (или средства селекции сигнала) 32 составной антенны 12 и МПА 30. Как показано на фиг. 8, составная антенна 12 закреплена в цилиндре 13 крепления антенны, так чтобы обеспечивалось выдвинутое положение антенны относительно корпуса портативного устройства радиосвязи 11 на длину связной секции 13a. Это позволяет исключить потери усиления антенны в направлении под малым углом места вследствие влияния головы пользователя при осуществлении связи. Для осуществления вызова составная антенна 12 удерживается в вертикальном положении, и связь устанавливается с использованием волны предварительно определенной круговой поляризации правого вращения (или левого вращения). В режиме ожидания портативного устройства радиосвязи 11 составная антенна 12 поворачивается так, чтобы находиться в непосредственном контакте с боковой поверхностью корпуса портативного устройства радиосвязи. Более конкретно, составная антенна 12 поворачивается вокруг поворотного соединителя 33, показанного на фиг. 9, относительно корпуса портативного устройства радиосвязи 11. Пунктирная линия 9 на фиг. 9 показывает состояние составной антенны 12 в ее сложенном положении после поворота. В этом сложенном положении составная антенна 12 ориентирована в направлении, противоположном направлению, соответствующем ее использованию, что обеспечивает реверсирование направления вращения волны круговой поляризации. Поэтому составная антенна 12 становится недействующей, и только МПА 12 остается в действующем состоянии в режиме ожидания портативного устройства радиосвязи 11.

Хотя составная антенна портативного устройства радиосвязи показана как складываемая, она может быть выполнена как вытаскиваемая из корпуса.

Настоящее изобретение позволяет улучшить усиление антенны и коэффициент эллиптичности волны круговой поляризации при малых углах места, а также обеспечивает простоту реализации составной антенны при поддержании чувствительности связи в каждом направлении на небесной полусфере. Кроме того, точка подачи питания смещена в направлении вверх, вследствие чего обеспечивается стабильная работа составной антенны при исключении влияния на нее тела пользователя.

Изобретение относится к антеннам для использования в спутниковых системах связи. Техническим результатом является компактность. Микрополосковая плоская антенна и спиральная антенна размещены по существу на одной линии. Основной проводник микрополосковой плоской антенны электрически соединен со спиральной антенной, обеспечивая при этом устойчивую связь со связными спутниками, вращающимися по орбитам на небесной сфере. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 10 ил.

1. Составная антенна, содержащая микрополосковую плоскую антенну, которая работает в режиме круговой поляризации волн и выполнена из проводящей пластины, служащей в качестве общего основного проводника, диэлектрического слоя, размещенного на проводящей пластине, и микрополоскового излучающего элемента, размещенного параллельно проводящей пластине с диэлектрическим слоем между ними, отличающаяся тем, что дополнительно содержит линейный излучающий элемент, который спирально намотан, по существу, коаксиально относительно микрополосковой плоской антенны и расположен ниже проводящей пластины, при этом верхние концы спирально намотанного линейного излучающего элемента соединены с проводящей пластиной посредством связи по постоянному току или емкостной связи с образованием при этом спиральной антенны. 2. Составная антенна по п.1, отличающаяся тем, что общая точка подачи питания обеспечена в непосредственной близости от сквозного отверстия, образованного в проводящей пластине, при этом питание подается на микрополосковую плоскую антенну с задней стороны микрополоскового излучающего элемента через штырь подачи питания, который проходит вверх от точки подачи питания. 3. Составная антенна по п.1, отличающаяся тем, что спиральная антенна выполнена из множества линейных излучающих элементов, при этом линейные излучающие элементы пересекаются друг с другом в месте взаимного пересечения без контакта в нижнем конце спиральной антенны. 4. Составная антенна по п.1, отличающаяся тем, что содержит дополнительные излучающие элементы, предназначенные для управления направленностью антенны, соединенные с линейными излучающими элементами, образующими спиральную антенну без непосредственно контакта между ними, посредством связи по постоянному току или емкостной связи.