АНТЕННА Российский патент 2001 года по МПК H01Q11/08 

Настоящее изобретение относится к антенне для работы на частоте более 200 МГц, в частности, к антенне, имеющей трехмерную конструкцию из антенных элементов.

В литературе [GB 2258776] описана антенна, имеющая трехмерную структуру из антенных элементов, в силу того, что она содержит множество спиральных элементов, расположенных вокруг общей оси. Такие антенны в особенности пригодны для приема сигналов со спутников, например в принимающих устройствах систем глобального ориентирования (СГО). Антенна способна принимать сигналы, имеющие круговую поляризацию, от источников, которые могут находиться непосредственно над антенной, т.е. на ее оси, или в месте, расположенном на несколько градусов выше плоскости, перпендикулярной оси антенны и проходящей через антенну, или от источников, расположенных в любой точке телесного угла между этими двумя крайними положениями.

Хотя такие антенны предназначены главным образом для приема сигналов с круговой поляризацией, благодаря трехмерной структуре они также подходят в качестве ненаправленных антенн для приема вертикально и горизонтально поляризованных сигналов.

Одним из недостатков таких антенн является то, что для некоторых областей применения они имеют недостаточно жесткую конструкцию и их нелегко модифицировать с тем, чтобы преодолеть этот недостаток без ухудшения эксплуатационных свойств. По этой причине антенны для приема сигналов с воздуха в неблагоприятных условиях, например расположенные снаружи на фюзеляже самолета, часто являются накладными антеннами, представляя собой просто пластинки (обычно металлические квадратные пластинки с покрытием) из проводящего материала, установленные впотай на изолирующей поверхности, которая может быть частью фюзеляжа самолета. Однако такие антенны имеют слабое усиление при малых углах подъема. Были предприняты попытки преодолеть этот недостаток, включая использование множества различно ориентированных антенн-накладок, сигнал с которых поступает на один приемник. Такая методика дорога не только вследствие необходимости использования большого числа элементов, но также в связи со сложностью объединения полученных сигналов.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения антенна для работы на частоте более 200 МГц содержит сердечник антенны из неэлектропроводного материала, имеющего относительную диэлектрическую постоянную выше 5, трехмерную конструкцию из антенных элементов, расположенную на или вблизи внешней поверхности сердечника и образующую внутренний объем, и конструкцию фидера, соединенную с конструкцией из антенных элементов и проходящую через сердечник, при этом материал сердечника занимает большую часть указанного внутреннего объема.

Как правило, в конструкцию из элементов входит множество антенных элементов, образующих оболочку, в центре которой находится конструкция фидера, расположенная на центральной продольной оси антенны. Сердечник предпочтительно выполнен в форме цилиндра, а антенные элементы образуют цилиндрическую оболочку, коаксиальную с сердечником. Сердечник может быть выполнен в виде цилиндрического тела, которое является твердым, за исключением узкого осевого канала для размещения конструкции фидера. Предпочтительно объем твердого материала сердечника составляет по меньшей мере 50% от внутреннего объема оболочки, образованной антенными элементами, при этом элементы лежат на внешней цилиндрической поверхности сердечника. Антенные элементы могут быть выполнены в виде металлических проводящих дорожек, связанных с внешней поверхностью сердечника и полученных, например, путем осаждения или протравливания предварительно нанесенного металлического покрытия.

С тем, чтобы обеспечить физическую и электрическую стабильность, сердечник может быть изготовлен из керамического материала, например керамического материала для микроволновых печей, такого как материал на основе титаната циркония, титаната магния-кальция, танталата бария-циркония, титаната бария-неодимия или их сочетаний. Предпочтительно относительная диэлектрическая постоянная материала сердечника составляет более 10 или фактически более 20, причем она может достигать и 36 при использовании материала на основе титаната циркония. Такие материалы имеют до такой степени пренебрежимые диэлектрические потери, что Q (добротность) антенны в большей степени зависит от электрического сопротивления антенных элементов, чем от потерь в сердечнике.

В особенности предпочтительный вариант реализации изобретения содержит цилиндрический сердечник из твердого материала с осевой протяженностью, равной по меньшей мере ее внешнему диаметру, при этом диаметрическая протяженность твердого материала составляет по меньшей мере 50% от внешнего диаметра. Таким образом, сердечник может быть выполнен в форме трубки, имеющей сравнительно узкий осевой канал диаметра меньшего, чем половина общего диаметра сердечника. При этом осевой канал может иметь проводящую облицовку, которая является частью конструкции фидера или экранирует эту конструкцию, определяя радиальное расстояние между конструкцией фидера и антенными элементами. Это способствует достижению хорошей воспроизводимости при производстве. Этот предпочтительный вариант содержит множество по существу спиральных антенных элементов, выполненных в форме металлических дорожек на внешней поверхности сердечника, имеющих, как правило, одинаковую протяженность в осевом направлении. Один конец каждого спирального элемента соединен с конструкцией фидера, а другой конец - по меньшей мере с одним другим спиральным элементом, при этом соединения с конструкцией фидера выполнены с использованием, как правило, радиальных проводящих элементов, и каждый спиральный элемент соединен с землей или общим для всех спиральных элементов проводом.

В соответствии с другим аспектом изобретения антенна для работы на частоте более 200 МГц содержит сердечник антенны из неэлектропроводного твердого материала, имеющий центральную продольную ось и выполненный из материала, имеющего относительную диэлектрическую постоянную выше 5, конструкцию фидера, проходящую через сердечник вдоль центральной оси, и размещенную на внешней поверхности сердечника конструкцию из излучающих элементов, содержащую множество антенных элементов, соединенных с конструкцией фидера с одного конца сердечника и проходящих в направлении противоположного конца сердечника к общему соединительному проводу. Сердечник предпочтительно имеет постоянный внешний профиль в осевом направлении, а антенные элементы являются проводниками, нанесенными на поверхность сердечника. Антенные элементы могут включать множество проводящих элементов, проходящих в продольном направлении над частью сердечника, имеющей постоянный внешний профиль, и множество радиальных проводящих элементов, соединяющих проходящие в продольном направлении элементы с конструкцией фидера на указанном одном конце сердечника. Выражение "конструкция из излучающих элементов" употребляется в общепринятом значении, понятном специалисту, т.е. оно необязательно означает, что элементы должны излучать энергию, как они излучали бы при соединении с передатчиком, и, следовательно, означает, что элементы либо воспринимают, либо излучают электромагнитную энергию. Соответственно, антенные устройства, предлагаемые в настоящем изобретении, можно использовать в средствах, которые предназначены только для приема сигналов, а также в средствах, способных как к передаче, так и к приему сигналов.

Предпочтительно антенна содержит встроенное симметрирующее устройство, образованное проводящим трубчатым элементом, проходящим над частью сердечника от места соединения с конструкцией фидера к указанному противоположному концу сердечника. Трубчатый элемент симметрирующего устройства образует общий проводник для проходящих в продольном направлении проводящих элементов, а конструкция фидера содержит коаксиальную линию, имеющую внутренний проводник и внешний экранирующий проводник, при этом проводящий трубчатый элемент симметрирующего устройства соединен на указанном противоположном конце сердечника с внешним экранирующим проводником конструкции фидера.

Предпочтительно антенна с сердечником, выполненным в виде твердого цилиндра, содержит антенные элементы, включающие по меньшей мере четыре проходящих по цилиндрической внешней поверхности сердечника в продольном направлении элемента и соответствующие радиальные элементы на дальней торцевой поверхности сердечника, соединяющие продольно проходящие элементы с проводниками конструкции фидера. Предпочтительно эти проходящие в продольном направлении элементы имеют различную длину. В частности, в том случае, если антенна содержит четыре проходящих в продольном направлении элемента, два из них имеют длину больше, чем другие два, за счет того, что они имеют извилистый путь по внешней поверхности сердечника. В случае антенны для сигналов с круговой поляризацией все четыре элемента следуют вдоль, как правило, спирального пути, при этом каждый более длинный из двух элементов проходит вдоль соответствующего извилистого пути, который отклоняется, предпочтительно в форме синусоиды, в обе стороны от центральной спиральной линии. Проводящие элементы, соединяющие продольные элементы с конструкцией фидера на дальнем конце сердечника, предпочтительно являются простыми радиальными дорожками, которые могут быть закруглены внутрь.

Используя вышеописанные признаки, можно изготовить антенну, которая будет иметь высокую жесткость благодаря малому размеру и элементам, нанесенным на твердый сердечник из жесткого материала. Такая антенна может быть ненаправленной при малых углах к горизонту аналогично известной антенне, которая, как правило, имеет воздушный сердечник, но при жесткости, достаточной для ее использования в некоторых областях применения в качестве замены антеннам-накладкам. Малый размер и жесткость делают такую антенну пригодной для установки на обычных средствах передвижения и для использования в устройствах, которые держат в руке. В некоторых случаях возможно даже монтировать ее непосредственно на печатной плате.

Поскольку антенна пригодна для приема не только сигналов с круговой поляризацией, но также вертикально и горизонтально поляризованных сигналов, ее можно использовать не только в приемниках космической навигации, но также в различных типах радиокоммуникационных устройств, например в ручных мобильных телефонах, т. е. в таких областях применения, для которых она особенно подходит, учитывая непредсказуемую природу принимаемых сигналов, как с точки зрения направления, откуда они могут быть получены, так и в отношении изменений поляризации, обусловленных отражением.

Протяженность антенных элементов в осевом направлении, выраженная в величинах рабочих длин волн в воздухе, обычно составляет от 0,03 λ до 0,06 λ, а диаметр сердечника - от 0,02 λ до 0,03 λ. Ширина дорожки элементов составляет обычно от 0,0015 λ до 0,0025 λ, при отклонении извилистых дорожек от спирального пути, составляющем от 0,0035 λ до 0,0065 λ с каждой стороны от среднего пути, при измерении до середины извилистой дорожки. Длина проводящего трубчатого элемента симметрирующего устройства составляет от 0,03 λ до 0,06 λ.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения антенна для работы на частотах выше 200 МГц содержит антенный элемент, выполненный в форме по меньшей мере двух пар спиральных элементов, имеющих вид спиралей с общей центральной осью, и расположенную по существу в осевом направлении конструкцию фидера, содержащую внутренний питающий проводник и внешний экранирующий проводник, при этом один конец каждого спирального элемента соединен с дальним концом конструкции фидера, а другой конец соединен с общей землей или общим проводником, симметрирующее устройство содержит проводящий трубчатый элемент, расположенный коаксиально вокруг конструкции фидера, при этом проводящий трубчатый элемент отделен от внешнего экранирующего проводника фидера коаксиальным слоем изолирующего материала, имеющего относительную диэлектрическую постоянную выше 5, а ближайший конец проводящего трубчатого элемента соединен с внешним экранирующим проводником фидера. Предпочтительно длина спиральных элементов в осевом направлении больше длины проводящего трубчатого элемента симметрирующего устройства. Проводящий трубчатый элемент симметрирующего устройства может образовывать общий проводник, при этом каждый спиральный элемент оканчивается на дальнем крае проводящего трубчатого элемента. Альтернативно, дальний край проводящего трубчатого элемента представляет собой незамкнутый контур, а общий проводник является наружным экраном конструкции фидера.

В изобретении предложен также способ получения антенны, как описано выше, включающий формование сердечника антенны из диэлектрического материала и металлизацию наружной поверхности сердечника в соответствии с заданным рисунком. Операция металлизации может включать нанесение на наружную поверхность сердечника металлического материала и удаление части покрытия для создания заданного рисунка или, альтернативно, создание трафарета, представляющего собой негатив указанного заданного рисунка, и осаждение металлического материала на наружную поверхность сердечника с использованием трафарета для маскирования части сердечника с тем, чтобы нанести металлический материал в соответствии с заданным рисунком. Можно использовать также другие способы осаждения рисунка из электропроводного материала требуемого вида.

В особенности предпочтительный способ получения антенны, содержащей трубчатый элемент симметрирующего устройства и множество антенных элементов, образующих часть конструкции из излучающих элементов, включает получение партии диэлектрического материала, приготовление из этой партии по меньшей мере одного пробного антенного сердечника, формирование симметрирующего устройства предпочтительно без конструкции из излучающих элементов путем металлизации на сердечнике трубчатого элемента симметрирующего устройства, имеющего заданные номинальные размеры, что оказывает влияние на резонансную частоту оболочки. Затем проводят измерение резонанасной частоты этого пробного резонатора и измеренную частоту используют для получения уточненного значения размеров трубчатого элемента симметрирующего устройства для получения требуемой резонанасной частоты симметрирующего устройства. Эта же измеренная частота может быть использована для получения по меньшей мере одного размера антенных элементов, обеспечивающего их требуемые частотные характеристики. Затем осуществляют получение из той же партии материала множества антенн с симметрирующим устройством и антенными элементами, имеющими вычисленные таким образом размеры.

Изобретение далее будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые фигуры.

На фиг. 1 изображен вид антенны согласно изобретению в перспективе.

На фиг. 2 представлен схематичный осевой разрез антенны.

На фиг. 3 представлен частичный вид части антенны в перспективе.

На фиг. 4 представлено изображение пробного резонатора с частичным вырезом.

На фиг. 5 представлена схема испытательного стенда с резонатором, изображенным на фиг. 4.

На фиг. 6 представлен другой вариант схемы испытательного стенда.

Согласно фигурам четырехнитевая антенна в соответствии с изобретением содержит конструкцию из антенных элементов с четырьмя проходящими в продольном направлении антенными элементами 10A, 10B, 10C и 10D, выполненными в виде металлических проводящих дорожек на внешней цилиндрической поверхности керамического сердечника 12. Сердечник имеет осевой канал 14 с внутренней металлической облицовкой 16, в котором размещен внутренний проводник 18. Внутренний проводник 18 и облицовка 16 в данном случае образуют конструкцию фидера для соединения питающей линии с антенными элементами 10A-10D. Конструкция из антенных элементов содержит также соответствующие радиальные антенные элементы 10AR, 10BR, 10CR и 10DR, выполненные в виде металлических дорожек на дальней торцевой поверхности 12D сердечника 12 и соединяющие концы соответствующих продольных элементов 10A-10D с конструкцией фидера. Другие концы антенных элементов 10A-10D соединены с общим виртуально заземленным проводником 20 в виде нанесенного трубчатого элемента, окружающего ближнюю концевую часть сердечника 12. Этот трубчатый элемент 20 в свою очередь соединен с облицовкой 16 осевого канала 14 посредством покрытия 22, нанесенного на ближнюю торцевую поверхность 12P сердечника 12.

Как видно на фиг. 1, четыре проходящих в продольном направлении элемента 10A-10D имеют разную длину, при этом два элемента 10B и 10D длиннее, чем два других 10A и 10C за счет того, что они имеют извилистый путь. В этом варианте реализации, предназначенном для сигналов, имеющих круговую поляризацию, более короткие продольные элементы 10A и 10C являются простыми спиралями, каждая из которых делает полвитка вокруг оси сердечника 12. В отличие от этого более длинные элементы 10B и 10D имеют соответственно извилистый путь синусоидальной формы, отклоняющийся в обе стороны от центральной спиральной линии. Каждая пара, состоящая из продольно проходящего и соответствующего радиального элементов (например, 10A и 10AR), образует проводник, имеющий заданную электрическую длину. В настоящем примере реализации общая длина каждой более короткой пары элементов 10A, 10AR и 10C, 10CR соответствует задержке распространения примерно 135^o на рабочей длине волны, в то время как каждая пара элементов 10B, 10BR и 10D, 10DR дают большую задержку, соответствующую по существу 225^o.

Таким образом, средняя задержка распространения составляет 180^o, что эквивалентно электрической длине λ/2 на рабочей длине волны. Различие в длинах обеспечивает требуемый фазовый сдвиг четырехнитевой спиральной антенны для сигналов с круговой поляризацией, описанных в литературе [Kilgus "Resonant Quadrifilar Helix Design", The Microwave Journal, Dec. 1970, p.p. 49-54]. Две пары элементов 10C, 10CR и 10D, 10DR (т.е. одна пара длинных элементов и одна пара коротких элементов) соединены с внутренних концов радиальных элементов 10CR, 10DR с внутренним проводником 18 конструкции фидера на дальнем конце сердечника 12, в то время как радиальные элементы двух других пар элементов 10A, 10AR и 10B, 10BR соединены с экранирующим проводником конструкции фидера, образованным металлической облицовкой 16. На удаленном от центра крае конструкции фидера сигналы во внутреннем проводнике 18 и экранирующем проводнике 16 фидера примерно сбалансированы так, что антенные элементы соединены с приблизительно сбалансированным источником или нагрузкой, как будет более подробно показано ниже.

Эффект извилистости элементов 10B и 10D заключается в том, что в них распространение сигналов, имеющих круговую поляризацию, в направлении спирали замедляется по сравнению со скоростью распространения сигналов в простых спиралях 10A и 10C. Коэффициент уплотнения, в соответствии с которым длина пути увеличивается благодаря извилистости, может быть рассчитан на основе следующего уравнения:

где Ф - расстояние вдоль центральной линии извилистой траектории, выраженное в радианах,
a - амплитуда извилистой траектории, также в радианах,
n - число периодов изгиба.

При использовании проходящих в продольном направлении элементов 10A-10D в форме левосторонних спиралей антенна имеет максимальное усиление для сигналов с правосторонней круговой поляризацией.

Наоборот, если антенна предназначена для приема сигналов с левосторонней круговой поляризацией, направление спиралей меняют на обратное и схему соединения радиальных элементов разворачивают на 90^o. В случае создания антенны, пригодной для работы с сигналами, имеющими как правостороннюю, так и левостороннюю круговую поляризацию, хотя и с меньшим усилением, можно использовать продольно проходящие элементы, по существу параллельные оси. Такие антенны можно использовать также для вертикально и горизонтально поляризованных сигналов.

Согласно предпочтительному примеру реализации проводящий трубчатый элемент 20 закрывает ближнюю часть антенного сердечника 12, в результате чего фидерная конструкция 16,18 изолируется материалом сердечника 12, заполняющего пространство между проводящим трубчатым элементом 20 и металлической облицовкой 16 осевого канала 14. Проводящий трубчатый элемент 20 имеет форму цилиндра длины l_B, как показано на фиг. 2, и соединяется с металлической облицовкой 16 посредством покрытия 22 ближней торцевой поверхности 12P сердечника 12. Проводящий трубчатый элемент 20 и покрытие 22 образуют симметрирующее устройство, так что сигналы в линии распространения, образованной фидерной конструкцией 16, 18, преобразуются между несбалансированным состоянием на ближайшем к точке закрепления торце антенны и сбалансированным состоянием приблизительно в плоскости верхнего края 20U экрана 20 по оси антенны. Для достижения этого эффекта длина l_B должна быть такой, что в присутствии нижележащего материала сердечника, имеющего относительно высокую относительную диэлектрическую постоянную, симметрирующее устройство имеет электрическую длину λ/4 на рабочей частоте антенны. Поскольку материал сердечника антенны имеет укорачивающее действие, а кольцевое пространство вокруг внутреннего проводника 18 заполнено изолирующим диэлектрическим материалом 17, имеющим относительно невысокую диэлектрическую постоянную, фидерная конструкция на удалении от проводящего трубчатого элемента 20 имеет малую электрическую длину. Следовательно, сигналы на периферии фидерной конструкции 16, 18 по меньшей мере приблизительно сбалансированы. (Диэлектрическая постоянная изолятора полужесткого кабеля обычно гораздо ниже, чем сердечника из керамического материала, указанного выше. Например, относительная диэлектрическая постоянная ∈_r политетрафторэтилена (ПТФЭ) составляет около 2,2.

Основная резонансная частота антенны составляет 500 МГц или выше и определяется эффективной электрической длиной антенных элементов и, в меньшей степени, их шириной. Длины элементов, при данной резонансной частоте, могут зависеть также от относительной диэлектрической постоянной материала сердечника, при этом размеры антенны существенно меньше по сравнению с размерами антенны аналогичной конструкции с воздушным сердечником.

Предпочтительным материалом сердечника является материал на основе титаната циркония. Этот материал имеет, как указано выше, относительную диэлектрическую постоянную, равную 36, а также отличается электрической стабильностью и постоянством размеров при изменениях температуры. Диэлектрические потери пренебрежимо малы. Сердечник может быть изготовлен экструзией или прессованием.

Антенные элементы 10A-10D, 10AR-10DR представляют собой металлические проводящие дорожки, связанные с внешней цилиндрической и торцевой поверхностями сердечника 12, причем ширина каждой дорожки по меньшей мере в четыре раза превышает ее толщину по всей рабочей длине. Дорожки могут быть получены путем нанесения металлического покрытия на поверхность сердечника 12 и затем избирательного удаления части покрытия в соответствии с трафаретом, нанесенным фотографическим способом аналогично тому, как это делают при травлении печатных схем. Альтернативно, металлическое покрытие может быть нанесено путем селективного осаждения или методом печати. В каждом из этих случаев формирование дорожек в виде наружного слоя на поверхности сердечника, имеющего стабильные размеры, позволяет получить антенну с антенными элементами, также имеющими постоянные размеры.

При изготовлении сердечника из материала, имеющего более высокую, чем воздух, относительную диэлектрическую постоянную, составляющую ∈_r = 36, описанная выше антенна, используемая для приема сигналов глобальной системы ориентирования в диапазоне 1120 - 1700 МГц на частоте 1575 МГц, как правило, имеет сердечник диаметром около 5 мм при осевой протяженности (т.е. параллельной центральной оси) проходящих в продольном направлении антенных элементов 10A-10D примерно 8 мм. Ширина элементов 10A-10D составляет около 0,3 мм, а величина отклонения извилистых элементов 10B, 10C от спирального пути составляет до 0,9 мм с каждой стороны от средней линии спирали, считая от центра извилистой дорожки. Как правило, каждый элемент 10B, 10C включает пять полных синусоид с тем, чтобы обеспечить требуемый фазовый сдвиг, равный 90^o, между короткими и длинными элементами 10A-10D. При частоте 1575 МГц длина трубчатого элемента симметрирующего устройства 22 обычно составляет 8 мм или меньше. Эти размеры, выраженные в рабочей длине волны λ в воздухе, составляют, соответственно, 0,042 λ для продольной протяженности элементов 10A-10D, 0,026 λ - для диаметра сердечника, 0,042 λ или меньше - для длины экрана симметрирующего устройства, 0,002 λ для ширины дорожки, и 0,005 λ для величины отклонения извилистых дорожек. Точные размеры антенных элементов 10A-10D могут быть определены на стадии разработки методом проб и ошибок путем измерения собственного значения запаздывания до тех пор, пока не будет получен требуемый фазовый сдвиг.

Как правило, однако, продольная протяженность элементов 10A-10D составляет от 0,03 λ до 0,06 λ, диаметр сердечника от 0,02 λ до 0,03 λ, длина трубчатого элемента симметрирующего устройства от 0,03 λ до 0,06 λ, ширина дорожки от 0,0015 λ до 0,0025 λ, отклонение извилистых дорожек до 0,06 λ.

Вследствие того, что антенна имеет очень небольшие размеры, производственные допуски могут быть такими, что точность поддержания резонансной частоты антенны может оказаться недостаточной для некоторых областей применения.

В этих случаях резонансную частоту можно устанавливать путем удаления с поверхности сердечника части нанесенного на него металлического материала, например, лазерной эрозией части трубчатого элемента симметрирующего устройства 20 в месте стыка с одним или более антенными элементами 10A-10D, как показано на фиг. 3. Как видно на фиг. 3, в экране 20 образованы вырезы 28 с каждой стороны соединения с антенным элементом 10A для удлинения элемента с тем, чтобы понизить резонансную частоту. Альтернативно, металлический материал можно удалить химическим способом путем травления с использованием, например, защитного покрытия с апертурой или апертурами соответственно материалу, травление которого проводят. Можно использовать метод эрозии мелкими частицами абразивного материала, которые эжектируют из узкого сопла на участок поверхности, который надо подвергнуть эрозии. Для защиты соседних участков покрытия можно использовать трафарет, имеющий апертуры.

Существенным источником отклонений резонансной частоты, которые могут возникнуть при производстве, являются изменения относительной диэлектрической постоянной материала сердечника в зависимости от партии. В соответствии с предпочтительным способом получения описанной выше антенны, из каждой новой партии керамического материала изготавливают небольшие образцы опытных резонаторов, каждый из которых предпочтительно содержит антенный сердечник, имеющий размеры, соответствующие номинальным размерам антенного сердечника, на который нанесено только покрытие симметрирующего устройства, как показано на фиг. 4, Как видно на фиг. 4, опытный сердечник 12T в дополнение к нанесенному трубчатому элементу 20T симметрирующего устройства имеет также покрытый ближайший к месту прикрепления торец 12PT. На осевой канал 14T сердечника 12T может быть нанесено покрытие между ближайшей к месту прикрепления поверхностью 12PT и уровнем верхнего края 20UT трубчатого элемента 20T симметрирующего устройства или, как показано на фиг. 4, металлическая облицовка 16T может быть нанесена по всей длине осевого канала. Внешние поверхности сердечника 12T, удаленные от трубчатого элемента 20T симметрирующего устройства, предпочтительно оставлены без покрытия.

Путем прессования или экструзии из партии керамического материала изготавливают сердечник 12T, имеющий номинальные размеры, на который наносят трубчатый элемент симметрирующего устройства номинальной осевой длины. Полученная конструкция образует четвертьволновый резонатор, входящий в резонанс при длине волны λ, которая приблизительно в четыре раза превышает электрическую длину экрана 20T при подаче питания на ближайший к месту прикрепления конец канала 14T там, где он пересекается с ближайшей к месту прикрепления торцевой поверхностью 12PT сердечника.

Затем проводят измерение резонансной частоты пробного резонатора. Измерение можно провести, как схематически показано на фиг. 5, используя сетевой анализатор 30 и соединяя его источник частоты развертки 30S с резонатором, обозначенным на схеме 32T, с помощью, например, коаксиального кабеля 34, наружное экранирующее покрытие которого удалено на небольшом концевом участке 34E. Концевой участок 34E вставляют в ближайший к месту прикрепления конец осевого канала 14 (см. фиг. 4), а внешний экран кабеля 34 соединяют с металлизированным слоем 16T, смежным с ближайшей к месту прикрепления поверхностью 12PT сердечника 12T, при этом внутренний проводник кабеля 34 расположен приблизительно по центру канала 14T для того, чтобы обеспечить емкостную связь источника частоты развертки в канале 14T. Другой кабель 36, на конце которого 36E наружный экран удален аналогичным образом, соединен с эхо-сигналом 30R сетевого анализатора 30 и вставлен в дальний конец канала 14T сердечника 12. Сетевой анализатор 30 настраивают для измерения прохождения сигнала от источника 30 к приемнику 30 и наблюдают характеристическую неоднородность при четвертьволновой резонансной частоте. Альтернативно, сетевым анализатором можно измерять отраженный сигнал на источнике частоты развертки с использованием одного кабеля, как показано на фиг. 6. При этом также наблюдают резонансную частоту.

Фактическая резонансная частота пробного резонатора зависит от относительной диэлектрической постоянной образующего сердечник 12T керамического материала. Полученное экспериментально или рассчитанное соотношение между размером симметрирующего экрана 20T, например, его фактической длиной, с одной стороны, и резонансной частотой, с другой, может быть использовано для определения того, как следует изменить размеры для данной партии керамического материала с тем, чтобы получить требуемую резонансную частоту. Таким образом, измеренную частоту можно использовать для расчета требуемого размера трубчатого элемента симметрирующего устройства для всех антенн, изготовленных из данной партии материала.

То же измеренное значение частоты, полученное для простого пробного резонатора, может быть использовано для регулировки размеров конструкции излучающих антенных элементов, в частности, осевой длины антенных элементов 10A-10D, нанесенных на внешнюю цилиндрическую поверхность сердечника, удаленную от трубчатого элемента 20 (см. номера позиций на фиг. 1 и 2). Подобной компенсации изменений относительной диэлектрической постоянной от партии к партии можно достичь путем регулирования общей длины сердечника как функции резонансной частоты, полученной для пробного резонатора.

Используя вышеописанный способ, можно в зависимости от точности, с которой требуется определить частотные характеристики антенны, обойтись без процесса лазерной подгонки, описанного выше со ссылкой на фиг. 3. Хотя в качестве испытуемого образца можно использовать антенну полностью, преимущество использования резонатора, описанного выше со ссылкой на фиг. 4, т.е. без излучающих элементов, заключается в том, что можно идентифицировать и измерить простой резонанс в отсутствие интерферирующих резонансов, связанных с излучателями.

Вышеописанное симметрирующее устройство антенны, нанесенное на тот же сердечник, что и антенные элементы, формируется одновременно с антенными элементами и образует единое целое с остальной частью антенны, обладая при этом такой же жесткостью и электрической стабильностью. Поскольку оно образует внешнее покрытие на удаленной части сердечника 12, оно может быть использовано для непосредственной установки антенны в печатной плате, как показано на фиг. 2. Например, если антенну следует закрепить одним концом, ближайшая к месту прикрепления торцевая поверхность 12P может быть непосредственно припаяна к основной плате с лицевой стороны печатной схемы 24 (показанной пунктиром на фиг. 2). При этом внутренний проводник 18 пропускают прямо через отверстие 26 в плате и припаивают к проводящей дорожке на нижней поверхности. Поскольку проводящий трубчатый элемент 20 образован на твердом сердечнике, имеющем высокую относительную диэлектрическую постоянную, размеры трубчатого элемента, требуемые для достижения необходимого фазового сдвига, равного 90^o, значительно ниже, чем размеры соответствующего симметрирующего устройства в воздухе. Электрическое расстояние между экранирующим проводником 16 фидера на ближайшем к месту прикрепления конце сердечника 12 и верхним краем 20U составляют λ/4. В результате край 20U электрически изолирован от земли. Токи в спиральных элементах 10A-10D протекают кольцеобразно к верхнему краю 20U и в сумме равны нулю.

Согласно изобретению возможно использовать альтернативные варианты симметрирующего устройства и конструкции фидера. Например, конструкция фидера может быть соединена с симметрирующим устройством, по меньшей мере частично установленным снаружи по отношению к сердечнику 12 антенны. Так, симметрирующее устройство может быть образовано путем разделения коаксиального питающего кабеля на две коаксиальные линии распространения, работающие параллельно, при этом одна из них должна быть длиннее другой на электрическую длину λ/2, а с других концов этих соединенных параллельно коаксиальных линий их внутренние проводники соединены с образованием пары внутренних проводников, проходящих через канал 14 сердечника 12 для соединения с соответствующими парами радиальных антенных элементов 10AR, 10DR и 10BR, 10CR.

В другом альтернативном варианте антенные элементы 10A-10D могут быть установлены непосредственно на круговом проводнике, расположенном на ближайшем к месту прикрепления крае цилиндрической поверхности сердечника 12, при этом симметрирующее устройство получают путем удлинения конструкции фидера, имеющей коаксиальный кабель, выполненный в виде, например, спирали на ближайшей к месту прикрепления торцевой поверхности 12P сердечника, так что кабель описывает спираль, направленную наружу от осевого канала 14 сердечника до пересечения с кольцевым проводником на внешнем крае торцевой поверхности 12P, где экран кабеля соединяется с кольцевым проводником. Длина кабеля от осевого канала 14 сердечника 12 до места соединения с кольцом составляет λ/4 (электрическая длина) на рабочей частоте.

Описанное соединение элементов относится к антенне для сигналов с круговой поляризацией. Такая антенна обладает чувствительностью также к вертикально и горизонтально поляризованным сигналам, однако, если антенна специально не предназначена для сигналов с круговой поляризацией, симметрирующее устройство не обязательно. Антенна может быть соединена непосредственно с простым коаксиальным фидером, внутренний проводник которого присоединен ко всем четырем радиальным антенным элементам 10AR-10DR на верхнем торце сердечника 12, а экран коаксиального фидера соединен со всеми четырьмя продольно проходящими элементами 10A-10D посредством радиальных проводников на удаленном торце 12P сердечника 12. В действительности, в менее критичных областях применения элементы 10A-10D не обязательно должны иметь спиральную конфигурацию, достаточно, если конструкция антенных элементов в целом, включая элементы и их соединения с конструкцией фидера, является трехмерной с тем, чтобы иметь чувствительность как к вертикально, так и к горизонтально поляризованным сигналам. Возможно, например, что конструкция антенных элементов включает два или более антенных элемента, каждый из которых имеет верхнюю радиальную соединительную часть, как в приведенном примере, а также аналогичную нижнюю радиальную соединительную часть и прямую часть, соединяющую радиальные части, и проходящую параллелльно центральной оси. Возможны также другие варианты конфигураций. Указанная упрощенная конструкция в особенности удобна для сотовой мобильной телефонии. Значительное преимущество использования такой антенны в ручных мобильных телефонах заключается в том, что диэлектрический сердечник позволяет избежать разрегулировки в том случае, когда антенна подносится близко к голове пользователя. Это дополнительное преимущество к малому размеру и жесткости конструкции.

Что касается конструкции фидера, расположенной внутри сердечника 12, в некоторых случаях может оказаться удобным использовать заранее отформованный в канале 14 коаксиальный кабель, конец которого выходит с противоположного по отношению к радиальным элементам 10AR-10DR конца сердечника для соединения с цепью приемного устройства, например, способом, отличным от непосредственного соединения с печатной платой, описанного со ссылкой на фиг. 2. В этом случае внешний экран кабеля следует соединить с облицовкой 16 канала в двух, а предпочтительно, более чем в двух отделенных друг от друга местах.

Во многих областях применения антенну помещают в защитную оболочку, как правило, представляющую собой тонкое покрытие из пластика, окружающее антенну, при этом вокруг антенны может оставаться или отсутствовать свободное пространство.

Изобретение относится к антенне для работы на СВЧ и более высоких частотах. Техническим результатом является малый размер и жесткость антенны, а также электрическая стабильность. Антенна содержит цилиндрический керамический сердечник 12, имеющий относительную диэлектрическую постоянную, равную по меньшей мере 5. Трехмерная конструкция излучающих элементов, состоящая из спиральных антенных элементов 10A-10D, расположенных на цилиндрической поверхности сердечника 12 и соединяющих радиальных элементов 10AR-10DR, расположенных на удаленной торцевой поверхности 12D сердечника, образована проводящими дорожками, нанесенными непосредственно на поверхность сердечника. Элементы, расположенные на удаленной торцевой поверхности сердечника, соединены с проходящей в осевом направлении конструкцией фидера, расположенной в облицованном канале 14 сердечника 12. Антенные элементы соединяются плакированным коаксиальным экраном 20, покрывающим ближайшую к месту присоединения часть сердечника 12, который в сочетании с конструкцией фидера образует встроенное симметрирующее устройство для согласования с несбалансированным фидером. 6 с. и 43 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Антенна для работы на частоте более 200 МГц, содержащая трехмерную конструкцию из антенных элементов, образующую внутренний объем, и конструкцию фидера, соединенную с трехмерной конструкцией из антенных элементов, отличающаяся тем, что она содержит сердечник антенны из твердого неэлектропроводного материала, имеющего относительную диэлектрическую постоянную выше 5, причем трехмерная конструкция из антенных элементов расположена на или вблизи внешней поверхности сердечника, а конструкция фидера проходит через сердечник, при этом материал сердечника занимает большую часть указанного внутреннего объема. 2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что трехмерная конструкция из антенных элементов имеет по существу сбалансированный источник или нагрузку. 3. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что она содержит встроенное симметрирующее устройство. 4. Антенна по п.3, отличающаяся тем, что симметрирующее устройство образовано проводящим трубчатым элементом, проходящим по поверхности части сердечника от места соединения с трехмерной конструкцией из антенных элементов до места соединения с конструкцией фидера на противоположном конце сердечника. 5. Антенна по п.4, отличающаяся тем, что конструкция фидера образована внутренним проводником и изолирующей трубкой, размещенными в канале сердечника, и коаксиальным экранирующим проводником, выполненным в виде облицовки стенок канала, причем коаксиальный экранирующий проводник связан с проводящим трубчатым элементом на указанном противоположном конце сердечника. 6. Антенна по п. 4, отличающаяся тем, что конструкция фидера содержит коаксиальный кабель, проходящий в канале сердечника, при этом коаксиальный кабель имеет экранирующий проводник, связанный с проводящим трубчатым элементом на указанном противоположном конце. 7. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит общий соединительный проводник для множества антенных элементов трехмерной конструкции из антенных элементов, при этом соединительный проводник выполнен в виде проводящего трубчатого элемента, охватывающего часть сердечника. 8. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что трехмерная конструкция из антенных элементов содержит множество антенных элементов, образующих оболочку, центр которой расположен на центральной продольной оси антенны, а конструкция фидера совпадает в пространстве с указанной осью. 9. Антенна по п. 8, отличающаяся тем, что сердечник выполнен в форме цилиндра, а антенные элементы образуют цилиндрическую оболочку, коаксиальную с сердечником. 10. Антенна по п. 8 или 9, отличающаяся тем, что сердечник выполнен в виде твердого цилиндрического тела, имеющего полый осевой канал для размещения конструкции фидера. 11. Антенна по п. 10, отличающаяся тем, что объем неэлектропроводного твердого материала сердечника составляет, по меньшей мере, 50% от внутреннего объема оболочки, образованной антенными элементами, при этом антенные элементы лежат на внешней цилиндрической поверхности сердечника. 12. Антенна по любому из пп.8 - 11, отличающаяся тем, что антенные элементы содержат металлические проводящие дорожки, связанные с внешней цилиндрической поверхностью сердечника. 13. Антенна по любому из пп.1 - 12, отличающаяся тем, что сердечник выполнен из керамического материала. 14. Антенна по п.13, отличающаяся тем, что относительная диэлектрическая постоянная твердого неэлектропроводного материала сердечника составляет более 10. 15. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что она имеет сердечник в виде цилиндра из твердого неэлектропроводного материала, имеющий протяженность оси, равную, по меньшей мере, внешнему диаметру сердечника, при этом диаметрическая протяженность твердого неэлектропроводного материала составляет, по меньшей мере, 50% от внешнего диаметра сердечника. 16. Антенна по п.15, отличающаяся тем, что сердечник выполнен в форме трубки, имеющей осевой канал диаметра меньшего, чем половина общего диаметра сердечника, при этом осевой канал имеет проводящую облицовку. 17. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что трехмерная конструкция из антенных элементов содержит множество антенных элементов, проходящих от места соединения с конструкцией фидера на одном конце сердечника к общему соединительному проводнику, который соединен с конструкцией фидера на другом конце сердечника, при этом конструкция фидера проходит вдоль центральной оси. 18. Антенна по любому из пп.15 - 17, отличающаяся тем, что трехмерная конструкция из антенных элементов содержит множество по существу спиральных антенных элементов, выполненных в форме металлических дорожек на внешней поверхности сердечника, имеющих, как правило, одинаковую протяженность в осевом направлении. 19. Антенна по п.18, отличающаяся тем, что один конец каждого спирального антенного элемента соединен с конструкцией фидера, а другой конец, по меньшей мере, - с одним другим спиральным антенным элементом. 20. Антенна по п. 19, отличающаяся тем, что соединения с конструкцией фидера выполнены с использованием, как правило, радиальных проводящих элементов, и каждый спиральный антенный элемент соединен с землей или общим для всех спиральных элементов виртуально заземленным проводом. 21. Антенна для работы на частоте более 200 МГц, содержащая конструкцию фидера и множество антенных элементов, соединенных с конструкцией фидера, отличающаяся тем, что она содержит сердечник антенны из неэлектропроводного твердого материала, имеющий центральную продольную ось и выполненный из материала, имеющего относительную диэлектрическую постоянную выше 5, причем фидер проходит через сердечник вдоль центральной оси, а множество антенных элементов размещено на внешней поверхности сердечника и соединено с конструкцией фидера на одном конце сердечника и проходит в направлении противоположного конца сердечника к общему соединительному проводу. 22. Антенна по п.21, отличающаяся тем, что сердечник имеет постоянный внешний профиль в осевом направлении, а антенные элементы являются проводниками, нанесенными на поверхность сердечника. 23. Антенна по п.22, отличающаяся тем, что антенные элементы содержат множество проводников, проходящих в продольном направлении вдоль части сердечника, имеющей постоянный внешний профиль, и множество радиальных проводящих элементов, соединяющих проводящие в продольном направлении проводники с конструкцией фидера на указанном одном конце сердечника. 24. Антенна по п.23, отличающаяся тем, что она содержит встроенное симметрирующее устройство, образованное проводящим трубчатым элементом, проходящим над частью протяженности сердечника от места соединения проводящего трубчатого элемента с конструкцией фидера на указанном противоположном конце сердечника. 25. Антенна по п.24, отличающаяся тем, что проводящий трубчатый элемент симметрирующего устройства образует общий проводник для проходящих в продольном направлении проводников, а конструкция фидера содержит коаксиальную линию, имеющую внутренний проводник и наружный экранирующий проводник, при этом проводящий трубчатый элемент симметрирующего устройства соединен на указанном противоположном конце сердечника с наружным экранирующим проводником конструкции фидера. 26. Антенна по любому из пп.21 - 25, отличающаяся тем, что сердечник выполнен в виде твердого цилиндра, а антенные элементы содержат, по меньшей мере, четыре проводника, проходящих в продольном направлении по цилиндрической внешней поверхности сердечника, и соответствующие радиальные проводящие элементы на удаленной торцевой поверхности сердечника, соединяющие проводники, проходящие в продольном направлении, с проводниками конструкции фидера. 27. Антенна по п.26, отличающаяся тем, что проходящие в продольном направлении проводники имеют различную длину. 28. Антенна по п.27, отличающаяся тем, что антенные элементы содержат четыре проходящих в продольном направлении проводника, два из которых имеют большую длину, чем другие два, за счет извилистого пути по внешней поверхности сердечника. 29. Антенна по п.28, отличающаяся тем, что каждый из четырех проходящих в продольном направлении проводников следует вдоль соответствующего, как правило, спирального пути, при этом каждый более длинный из двух проводников проходит по соответствующему извилистому пути, который отклоняется в каждую сторону от центральной спиральной линии. 30. Антенна по любому из пп.26 - 29, отличающаяся тем, что радиальные проводящие элементы являются простыми радиальными дорожками, причем равной длины. 31. Антенна по любому из пп.1 - 30, отличающаяся тем, что она содержит множество антенных элементов, имеющих протяженность в продольном направлении 0,03 - 0,06 λ, а диаметр сердечника 0,02 - 0,03 λ, где λ - рабочая длина волны антенны в воздухе. 32. Антенна по п.24 или 25, отличающаяся тем, что она содержит множество антенных элементов, имеющих протяженность в продольном направлении 0,03 - 0,06 λ, диаметр сердечника составляет 0,02 - 0,03 λ, где λ - рабочая длина волны антенны в воздухе, а длина проводящего трубчатого элемента симметрирующего устройства составляет 0,03 - 0,06 λ.
33. Антенна по п.21, отличающаяся тем, что соединительным проводником является проводящий трубчатый элемент, проходящий вокруг части сердечника. 34. Антенна по п.33, отличающаяся тем, что антенные элементы и проводящий трубчатый элемент нанесены на внешнюю поверхность сердечника. 35. Антенна по п.34, отличающаяся тем, что антенные элементы содержат проходящие в продольном направлении проводники, соединенные с конструкцией фидера множеством соединительных проводников, расходящихся в радиальном направлении от оси и нанесенных на торцевую поверхность сердечника. 36. Антенна для работы на частоте более 200 МГц, содержащая конструкцию из антенных элементов, выполненную в форме, по меньшей мере, двух пар спиральных элементов, имеющих вид спиралей с общей центральной осью, и расположенную по существу в осевом направлении конструкцию фидера, имеющую внутренний питающий проводник и внешний экранирующий проводник, отличающаяся тем, что один конец каждого спирального элемента соединен с удаленным концом конструкции фидера, а другой конец соединен с общей землей или виртуально заземленным проводником, при этом антенна дополнительно содержит симметрирующее устройство, включающее проводящий трубчатый элемент, который отделен от наружного экранирующего проводника конструкции фидера коаксиальным слоем изолирующего материала, имеющего относительную диэлектрическую постоянную выше 5, а в ближайший край коаксиального проводящего трубчатого элемента соединен с наружным экранирующим проводником конструкции фидера. 37. Антенна по п.36, отличающаяся тем, что коаксиальный проводящий трубчатый элемент симметрирующего устройства образует общий заземляющий проводник, при этом каждый спиральный элемент оканчивается на удаленном конце коаксиального проводящего трубчатого элемента. 38. Антенна по п.36, отличающаяся тем, что удаленный край коаксиального проводящего трубчатого элемента представляет собой разомкнутый контур, а общим заземляющим проводником является наружный экран конструкции фидера. 39. Радиокоммуникационное устройство, содержащее антенну для работы на частоте более 200 МГц, имеющую трехмерную конструкцию из антенных элементов и соединенную с ней конструкцию фидера, отличающееся тем, что антенна представляет собой антенну по любому из пп.1 - 38. 40. Радиокоммуникационное устройство по п. 39, отличающееся тем, что антенна установлена непосредственно на печатной плате, являющейся частью этого устройства. 41. Способ получения антенны для работы на частоте более 200 МГц, включающий металлизацию наружных поверхностей диэлектрического материала, определяющего форму антенны, отличающийся тем, что из диэлектрического материала формируют сердечник антенны в виде твердого цилиндрического тела, имеющего сквозной канал диаметра, меньшего половины диаметра указанного тела, а металлизацию наружных поверхностей сердечника проводят в соответствии с заданным рисунком, причем получают антенну по любому из пп.1 - 38. 42. Способ по п.41, отличающийся тем, что операция металлизации включает нанесение на наружную поверхность сердечника металлического материала и удаление части покрытия для создания заданного рисунка. 43. Способ по п.41, отличающийся тем, что операция металлизации включает создание трафарета, содержащего негатив указанного заданного рисунка, и осаждение металлического материала на наружную поверхность сердечника с использованием трафарета для маскирования части сердечника с тем, чтобы нанести металлический материал в соответствии с заданным рисунком. 44. Способ получения множества антенн, включающий металлизацию внешних поверхностей диэлектрического материала, определяющего форму антенны, отличающийся тем, что способ включает использование партии диэлектрического материала, приготовление из этой партии, по меньшей мере, одного пробного антенного сердечника, формирование конструкции симметрирующего устройства путем металлизации на сердечнике имеющего заданные номинальные размеры проводящего трубчатого элемента симметрического устройства, который оказывает влияние на резонансную частоту конструкции симметрирующего устройства, измерение резонансной частоты для получения уточненного значения размера проводящего трубчатого элемента симметрирующего устройства для достижения требуемой резонансной частоты конструкции симметрирующего устройства, и получения, по меньшей мере, одного размера антенных элементов, обеспечивающего требуемые частотные характеристики антенных элементов, и получение из этой же партии материала множества антенн с проводящими трубчатыми элементами симметрирующих устройств и антенными элементами, имеющими полученные размеры, причем получают антенны по любому из пп.24, 25, 36 - 38. 45. Способ по п. 44, отличающийся тем, что пробный сердечник является цилиндрическим и выполнен с осевым каналом, при этом канал металлизирован в той части, которая имеет одинаковую протяженность с проводящим трубчатым элементом симметрирующего устройства. 46. Способ по п. 44, отличающийся тем, что пробный сердечник является цилиндрическим и выполнен с осевым каналом, при этом канал металлизирован по всей его длине. 47. Способ по п.45 или 46, отличающийся тем, что указанный размер проводящего трубчатого элемента является его осевой длиной. 48. Способ по любому из п.45 - 47, отличающийся тем, что указанный размер антенных элементов является длиной, по меньшей мере, некоторых антенных элементов. 49. Способ по любому из пп.45 - 47, отличающийся тем, что указанный размер антенных элементов является осевой протяженностью антенных элементов, при этом указанная осевая протяженность одинакова для всех антенных элементов.