МУЛЬТИСЕГМЕНТНАЯ СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА СО СВЯЗАННЫМИ СЕГМЕНТАМИ Российский патент 2004 года по МПК H01Q1/36 

Область техники
Изобретение относится к спиральным антеннам, более конкретно к спиральной антенне со связанными сегментами излучателей.

Предшествующий уровень техники
Современные устройства персональной связи широко используются в многочисленных мобильных и портативных системах. В традиционных мобильных системах стремление уменьшить размеры устройств связи, например портативных телефонов, привело к достижению среднего уровня в снижении габаритов. Однако по мере расширения использования портативных систем требования к уменьшению габаритов постоянно растут. Последние разработки в процессорной технологии позволили в значительной степени уменьшить размеры и вес портативного устройства за последние несколько лет.

Одним из компонентов, для которых желательно обеспечить уменьшение габаритов, является антенна. Размеры и вес антенны играют важную роль в уменьшении габаритов устройства связи. Общий размер антенны может оказывать влияние на габариты корпуса устройства. Антенны с меньшим диаметром и более короткие по длине позволяют уменьшить общие размеры устройства и размеры его корпуса.

Габариты устройства не являются единственным фактором, который необходимо учитывать при проектировании антенн для портативных систем. К другим факторам, которые следует учитывать при проектировании антенн, относятся эффекты ослабления и/или блокировки, являющиеся следствием расположения антенны в непосредственной близости от головы пользователя при нормальных режимах функционирования. Еще одним фактором, который следует учитывать, являются характеристики канала связи, такие как, например, требуемые диаграммы излучения и рабочие частоты.

В спутниковых системах связи находят широкое применение антенны спирального типа. Одной из причин широкого использования спиральных антенн в системах спутниковой связи является их способность формировать и принимать излучение с круговой поляризацией, используемое в таких системах. Кроме того, так как спиральная антенна способна формировать диаграмму излучения, близкую к полусферической, то такая антенна особенно эффективна для применения в мобильных спутниковых системах связи и в спутниковых навигационных системах.

Обычные спиральные антенны изготавливают путем закручивания излучателей антенны в спиральную структуру. Обычная спиральная антенна представляет собой четырехзаходную спиральную антенну, использующую четыре излучателя, разнесенные на равные расстояния и возбуждаемые в фазовой квадратуре (т.е. излучатели возбуждаются сигналами, различающимися по фазе на четверть периода или на 90^o). Длина излучателей в типовом случае равна целому кратному четвертей длины волны на рабочей частоте устройства связи. Диаграммы излучения обычно подстраиваются путем изменения шага излучателя, длины излучателя (в целых кратных четверти длины волны) и диаметра сердечника.

Обычные спиральные антенны могут быть изготовлены с использованием технологии проводных соединений или полосковой технологии. При использовании полосковой технологии излучатели антенны выполняются травлением или наносятся на тонкую гибкую подложку. Излучатели позиционируются так, чтобы они были параллельны друг другу, но располагались под тупым углом к одному или нескольким краям подложки. Затем подложка формуется или сворачивается в цилиндрическую, коническую или другую подходящую форму, при которой полосковые излучатели образуют спираль.

Такая обычная спиральная антенна, однако, имеет свойство, состоящее в том, что длины излучателей составляют целое кратное четверти длины волны на желательной резонансной частоте, в результате чего общая длина антенны превышает ту, которая была бы желательна для портативных или мобильных конструкций.

Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на создание спиральной антенны, имеющей один или более спиральных излучателей. Излучатели сформированы так, что антенна имеет цилиндрическую, коническую или иную подходящую форму для оптимизации диаграмм излучения. В соответствии с изобретением каждый излучатель содержит набор из двух и более сегментов излучателей. Каждый сегмент в наборе физически отделен от другого сегмента (других сегментов) в данном наборе, но связан с ним электромагнитным способом. Длина сегментов в наборе выбирается так, чтобы набор (т.е. излучатель) резонировал на конкретной частоте. Так как сегменты в наборе физически отделены, но электромагнитным способом связаны друг с другом, то длина, при которой излучатель резонирует на данной частоте, может быть уменьшена по сравнению с длиной обычного спирального антенного излучателя.

Поэтому преимущество изобретения состоит в том, что для данной рабочей частоты излучатель мультисегментной спиральной антенны может быть выполнен с возможностью резонанса при более короткой общей длине излучателя и/или с меньшим объемом, чем обычная спиральная антенна с той же самой эффективной резонансной длиной.

Другим преимуществом мультисегментной спиральной антенны со связанными сегментами является то, что ее можно легко настроить на заданную частоту путем настройки длины сегментов излучателя. Поскольку излучатели выполнены не в виде одного отрезка постоянной длины, а состоят из набора двух или более перекрывающихся сегментов, то длину сегментов можно легко изменять после того, как антенна изготовлена, для настройки частоты антенны путем соответствующей подстройки излучателей. Кроме того, общая диаграмма излучения антенны по существу не изменяется при настройке, так как общая физическая длина излучательной секции антенны остается неизменной при подстройке.

Еще одним преимуществом антенны является то, что ее характеристики направленности могут настраиваться для увеличения уровня сигнала в предпочтительном направлении, например, вдоль оси антенны. Таким образом, для некоторых применений, например в спутниковой связи, характеристики направленности антенны могут быть оптимизированы для максимизации уровня сигнала в направлении вперед, противоположном направлению к земле.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения, а также структура и принцип работы различных вариантов его осуществления детально описываются ниже со ссылками на иллюстрирующие чертежи.

Краткое описание чертежей
Признаки, задачи и преимущества изобретения поясняются в нижеследующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых одинаковыми ссылочными позициями на всех чертежах обозначены одинаковые элементы, и крайняя левая цифра в ссылочной позиции указывает на чертеж, на котором впервые появилась соответствующая ссылочная позиция, при этом на чертежах представлено следующее:
фиг. 1А - диаграмма, иллюстрирующая обычную проволочную четырехзаходную спиральную антенну;
фиг. 1В - диаграмма, иллюстрирующая обычную полосковую четырехзаходную спиральную антенну;
фиг. 2А - диаграмма, иллюстрирующая плоскостное представление четырехзаходной спиральной антенны с разомкнутой нагрузкой;
фиг. 2В - диаграмма, иллюстрирующая плоскостное представление четырехзаходной спиральной антенны с закороченной нагрузкой;
фиг. 3 - диаграмма, иллюстрирующая распределение тока в излучателе закороченной четырехзаходной спиральной антенны;
фиг. 4 - диаграмма, иллюстрирующая удаленную поверхность подвергнутой травлению подложки полосковой спиральной антенны;
фиг.5 - диаграмма, иллюстрирующая ближнюю поверхность подвергнутой травлению подложки полосковой спиральной антенны;
фиг. 6 - диаграмма, иллюстрирующая пространственный вид подвергнутой травлению подложки полосковой спиральной антенны;
фиг.7А - диаграмма, иллюстрирующая разомкнутый мультисегментный связанный излучатель, состоящий из пяти связанных сегментов, соответствующий возможному варианту осуществления изобретения;
фиг. 7В - диаграмма, иллюстрирующая пару закороченных мультисегментных связанных излучателей, соответствующих возможному варианту осуществления изобретения;
фиг. 8А - диаграмма, иллюстрирующая планарное представление захороненной мультисегментной четырехзаходной спиральной антенны со связанными сегментами, соответствующей возможному варианту осуществления изобретения;
фиг.8В - диаграмма, иллюстрирующая мультисегментную четырехзаходную спиральную антенну цилиндрической формы со связанными сегментами, соответствующей возможному варианту осуществления изобретения;
фиг.9А - диаграмма, иллюстрирующая перекрытие δ и разнесение s сегментов излучателей согласно возможному варианту осуществления изобретения;
фиг. 9В - диаграмма, иллюстрирующая пример распределения токов в сегментах излучателей мультисегментной спиральной антенны со связанньми сегментами;
фиг. 10А - схематичное представление двух точечных источников сигналов излучения, различающихся по фазе на 90^o;
фиг. 10В - схематичное представление диаграммы поля для точечных источников, показанных на фиг.10А;
фиг. 11 - диаграмма, иллюстрирующая вариант осуществления, в котором каждый сегмент размещен эквидистантно относительно сегментов с обеих сторон;
фиг. 12 - схематичное представление примера осуществления мультисегментной антенны со связанными сегментами, соответствующей возможному варианту осуществления изобретения;
фиг. 13 - диаграмма, иллюстрирующая сравнение излучательных секций обычной четырехзаходной спиральной антенны и мультисегментной четырехзаходной спиральной антенны со связанными сегментами;
фиг. 14А - представление диаграммы излучения мультисегментной четырехзаходной спиральной антенны со связанными сегментами, работающей в L-диапазоне;
фиг. 14В - представление диаграммы излучения мультисегментной четырехзаходной спиральной антенны со связанными сегментами, работающей в S-диапазоне.

Детальное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
1. Общие сведения
Настоящее изобретение относится к спиральной антенне, имеющей мультисегментные связанные излучатели, в которой длина излучателей для заданной резонансной частоты укорочена, в результате чего обеспечивается уменьшение общей длины антенны. Пути осуществления этого решения детально описаны ниже на примерах различных вариантов осуществления.

2. Область использования
В наиболее широком аспекте изобретение может быть осуществлено в любой системе, для которой может быть использована технология спиральных антенн. Примером таких систем может служить система связи, в которой пользователи стационарных, мобильных и/или портативных телефонов осуществляют связь друг с другом через спутниковые каналы связи. В такой системе требуется, чтобы телефоны имели антенны, настроенные на частоту спутникового канала связи.

Настоящее изобретение описано в терминах указанной области применения. Однако эти понятия использованы только для удобства пояснения. При этом не предполагается, что изобретение ограничивается применением только в таких системах. В действительности из нижеследующего описания специалистам в данной области техники должно быть ясно, каким образом реализовать изобретение в других возможных областях его использования.

3. Традиционные спиральные антенны
Прежде чем перейти к детальному описанию изобретения целесообразно описать узлы излучателей некоторых традиционных спиральных антенн. Более конкретно в данном разделе описаны излучатели некоторых известных типов четырехзаходных спиральных антенн. На фиг.1А и 1В представлены фрагменты конструкций 100 излучателей традиционных четырехзаходных спиральных антенн в форме проводов и в полосковом выполнении соответственно. Узел 100 излучателей, показанный на фиг. 1А и 1В, соответствует четырехзаходной спиральной антенне в том смысле, что он содержит четыре излучателя 104 в фазовой квадратуре. Как показано на фиг.1А и 1В, излучатели 104 свернуты в спираль для обеспечения круговой поляризации.

На фиг. 2А и 2В показаны диаграммы, иллюстрирующие планарное представление излучательных секций обычных четырехзаходных спиральных антенн. Иными словами, фиг.2А и 2В иллюстрируют излучатели в том виде, как если бы цилиндр антенны был развернут на плоской поверхности. На фиг.2А показана диаграмма, иллюстрирующая четырехзаходную спиральную антенну, в которой излучатели разомкнуты или не соединены вместе на дальнем конце. Для такой конфигурации резонансная длина l излучателей 208 равна нечетному целому кратному четверти длины волны на требуемой резонансной частоте.

На фиг. 2В схематично показана четырехзаходная спиральная антенна, в которой излучатели закорочены, взаимосвязаны или соединены вместе на дальнем конце. В этом случае резонансная длина l излучателей 208 равна четному целому кратному четверти длины волны на требуемой резонансной частоте. Заметим, что в обоих этих случаях указанная резонансная длина l определяется приближенно, так как обычно необходима небольшая подстройка для компенсации неидеальностей короткозамыкающей и разомкнутой нагрузок.

На фиг.3 схематично показано планарное представление излучательной секции четырехзаходной спиральной антенны 300, включающей в себя излучатели 208, имеющие длину l = λ/4, где λ - длина волны на требуемой резонансной частоте антенны. Кривая 304 представляет cобой относительную величину тока для сигнала в излучателе 208, который резонирует на частоте f = v/λ, где v - скорость сигнала в среде излучателя.

Примеры осуществления четырехзаходных спиральных антенн, использующих технологию печатных схем (полосковая антенна), описаны более детально со ссылками на фиг.4-6. Полосковая четырехзаходная спиральная антенна содержит полосковые излучатели 104, выполненные травлением на диэлектрической подложке 406. Подложка представляет собой тонкий гибкий материал, который свернут в цилиндр, так что излучатели 104 оказываются закрученными по спирали относительно центральной оси цилиндра.

На фиг.4-6 показаны компоненты, используемые для изготовления четырехзаходной спиральной антенны 100. Фиг.4 и 5 представляет вид удаленной поверхности 400 и ближней поверхности 500 подложки 406 соответственно. Антенна 100 содержит излучательную секцию 404 и фидерную секцию 408.

В вариантах осуществления, описанных и проиллюстрированных в настоящем описании, антенны изготовлены путем формования подложки в цилиндрическую форму, причем ближняя поверхность соответствует внешней поверхности полученного цилиндра. В других вариантах подложка образует цилиндрическую форму, в которой удаленная поверхность соответствует внешней поверхности цилиндра.

В одном из вариантов диэлектрическая подложка 100 представляет собой тонкий гибкий слой политетрафторэтилена (ПТФЭ), композита из ПТФЭ и стекла или иного диэлектрического материала. В одном из вариантов осуществления подложка 406 имеет толщину 0,005 дюймов или 0,13 мм, хотя может иметь и другую толщину. Сигнальные дорожки и дорожки заземления выполнены с использованием меди. В других вариантах осуществления могут быть выбраны иные материалы вместо меди в зависимости от стоимости, условий использования и иных факторов.

В варианте, показанном на фиг.5, схема питания 508 выполнена травлением на фидерной секции 408 для обеспечения формирования сигналов в фазовой квадратуре (т.е. сигналов с фазами 0, 90, 180 и 270^o), которые подаются на излучатели 104 (104А-D). Фидерная секция 408 удаленной поверхности 400 обеспечивает заземляющий экран 412 для схемы питания 508. Сигнальные дорожки для схемы питания 508 выполнены травлением на ближней поверхности 500 фидерной секции 408.

Излучательная секция 404 имеет первый конец 432, смежный с фидерной секцией 408, и вторую часть 434 (на противоположном конце излучательной секции 404). В зависимости от конкретного варианта осуществления антенны излучатели 104 могут быть выполнены травлением на удаленной поверхности 400 излучательной секции 404. Длина, на которую излучатели 104 продолжаются от первого конца 432 к второму концу 434, примерно равна целому кратному четверти длины волны на требуемой резонансной частоте.

В таком варианте, когда излучатели 104 имеют длину целому кратному половины длины волны, излучатели 104 электрически соединены друг с другом (т. е. закорочены) на втором конце 434. Это соединение может быть выполнено с помощью проводника на втором конце 434, который образует кольцо 604 по окружности антенны, когда подложка сворачивается в цилиндр. На фиг.6 схематично представлен вид в перспективе вытравленной подложки полосковой спиральной антенны с закорачивающим кольцом 604 на втором конце. 434.

В патенте США 5198831 описана четырехзаходная спиральная антенна, выполненная по технологии печатных плат, излучатели которой выполнены травлением или нанесены иным способом на диэлектрическую подложку. Подложка свернута в цилиндр, в результате чего образуется спиральная конфигурация излучателей.

В патенте США 5255005 описана четырехзаходная спиральная антенна, образованная двумя бифилярными спиралями, размещенными ортогонально и возбуждаемыми в фазовой квадратуре. Известная антенна имеет вторую четырехзаходную спираль, которая расположена коаксиально и связана электромагнитным путем с первой спиралью для улучшения характеристики полосы пропускания антенны.

Еще одна известная четырехзаходная спиральная антенна описана в патенте США 5349365 и имеет конструкцию с проволочными проводниками, как показано на фиг.1А.

4. Варианты осуществления мультисегментной спиральной антенны со связанными сегментами
После краткого описания известных конструкций спиральных антенн ниже будут представлены различные варианты осуществления мультисегментной спиральной антенны со связанными сегментами, соответствующей изобретению. Для уменьшения длины излучательной секции 100 антенны изобретение использует связанные мультисегментные излучатели, которые обеспечивают резонанс на заданной частоте при более коротких длинах, чем в случае обычной спиральной антенны с эквивалентной резонансной длиной.

На фиг.7А и 7В приведены планарные представления вариантов осуществления изобретения спиральных антенн со связанными сегментами. На фиг.7А показан излучатель 706 со связанными сегментами в виде разомкнутой цепи (не закороченными вместе), соответствующий одному из однозаходных вариантов. Антенна нагружена как разомкнутая цепь, как это может быть использовано в однозаходном, бифилярном, четырехзаходном и ином х-заходном варианте.

Вариант, показанный на фиг.7А, содержит одиночный излучатель 706. Излучатель 706 состоит из набора сегментов излучателя. Этот набор состоит из двух концевых сегментов 708, 710 и р промежуточных сегментов 712, где р=0, 1, 2, 3,... (показан случай, когда р=3). Промежуточные сегменты не являются строго обязательными (т.е. р может быть равно нулю). Концевые сегменты 708 и 710 физически отделены один от другого, но связаны электромагнитным путем друг с другом. Промежуточные сегменты 712 размещены между концевыми сегментами 708, 710 и обеспечивают электромагнитную связь между концевыми сегментами 708, 710.

В варианте с разомкнутой цепью нагрузки длина l_sl сегмента 708 равна нечетному кратному четверти длины волны требуемой резонансной частоты. Длина l_s2 сегмента 710 равна целому кратному половины длины волны на требуемой резонансной частоте. Длина 1_р каждого из р промежуточных сегментов 712 равна целому кратному половины длины волны на требуемой резонансной частоте. В показанном варианте используются три промежуточных сегмента 712 (т.е. p=3).

На фиг.7В показаны излучатели 706 спиральной антенны, которые имеют нагрузку короткого замыкания или соединитель 722. Этот вариант с закорачиванием не пригоден для однозаходной антенны, но может быть использован для бифилярной, четырехзаходной или иной х-заходной антенны. Как и в случае варианта с разомкнутой цепью нагрузки, излучатели 706 состоят из набора сегментов излучателей. Этот набор состоит из двух концевых сегментов 708, 710 и р промежуточных сегментов 712, где р=0, 1, 2, 3,... (показан случай, когда р=3). Промежуточные сегменты не являются строго обязательными (т.е. р может быть равно нулю). Концевые сегменты 708, 710 физически разделены, но электромагнитным путем связаны друг с другом. Промежуточные сегменты 712 размещены между концевыми сегментами 708, 710 и обеспечивают электромагнитную связь между концевыми сегментами 708, 710.

В варианте с нагрузкой короткого замыкания длина l_sl сегмента 708 равна нечетному целому кратному четверти длины волны на требуемой резонансной частоте. Длина l_s2 сегмента 710 равна нечетному целому кратному четверти длины волны на требуемой резонансной частоте. Длина 1_р каждого из р промежуточных сегментов 712 равна целому кратному половины длины волны на требуемой резонансной частоте. В представленном варианте имеются три промежуточных сегмента 712 (т.е. р=3).

Фиг. 8А и 8В иллюстрируют излучательную секцию 800 мультисегментной спиральной четырехзаходной антенны со связанными сегментами, соответствующей одному из вариантов осуществления изобретения. Фиг.8А и 8В иллюстрируют возможный вариант осуществления антенны по фиг.7В, где р равно нулю (т.е. промежуточные сегменты 712 отсутствуют), причем длины сегментов 708, 710 равны одной четверти длины волны.

Излучательная секция 800, показанная на фиг.8А, иллюстрирует планарное представление четырехзаходной спиральной антенны, имеющей четыре связанных излучателя 804. Каждый связанный излучатель 804 антенны со связанными сегментами излучателей действительно состоит из двух сегментов 708, 710 излучателя, расположенных в непосредственной близости один от другого, так что энергия в сегменте 708 излучателя ответвляется в другой сегмент 710 излучателя.

Более конкретно, в соответствии с одним из вариантов осуществления, излучательная секция 800 может быть описана как состоящая из двух секций 820, 824. Секция 820 содержит множество сегментов 708 излучателей, проходящих от первого конца 832 излучательной секции 800 к второму концу 834 излучательной секции 800. Секция 824 состоит из второго множества сегментов 710 излучателей, проходящих от второго конца 834 излучательной секции 800 к первому концу 832. В центральной области излучательной секции 800 часть каждого сегмента 708 находится в непосредственной близости от соседнего сегмента 710 так, что энергия от одного сегмента ответвляется в соседний сегмент в области близкого их расположения. Эта относительная близость расположения двух сегментов определяется в настоящем описании как перекрытие.

В предпочтительном варианте осуществления каждый сегмент 708, 710 имеет длину примерно l₁ = l₂ = λ/4. Полная длина одного излучателя, состоящего из двух сегментов 708, 710, определяется как l_tot. Величина перекрытия сегмента 708 с другим сегментом 710 определяется как δ=l₁+l₂-l_tot.

Для резонансной частоты f = v/λ общая длина излучателя l_tot меньше, чем половина длины волны λ/2. Иными словами, в результате наличия связи излучатель, содержащий пару связанных сегментов 708, 710, резонирует на частоте f = v/λ, даже если общая длина такого излучателя меньше, чем λ/2. Поэтому излучательная секция 800 полуволновой четырехзаходной спиральной антенны с множеством связанных сегментов короче, чем излучательная секция обычной полуволновой четырехзаходной спиральной антенны 800 для данной частоты f.

Для более наглядной иллюстрации сокращения размеров, получаемого за счет использования связанной конфигурации, сравним излучательные секции 800, показанные на фиг. 8 и 3. Для данной частоты f = v/λ длина l излучательной секции 300 обычной антенны равна λ/2, в то время как длина l_tot излучательной секции 800 антенны с излучателями, состоящими из связанных сегментов, меньше, чем λ/2.
Как указано выше, в одном из вариантов осуществления сегменты 708, 710 имеют длину l₁ = l₂ = λ/4. Длина каждого сегмента может изменяться, так что l₁ не обязательно равно l₂ и не равно λ/4. Реальная резонансная частота каждого излучателя является функцией длины сегментов 708, 710 излучателей, расстояния s между сегментами 708, 710 излучателей и величины перекрытия сегментов 708, 710. Заметим, что изменение длины одного сегмента 708 по отношению к другому сегменту 710 может быть использовано для регулировки ширины полосы антенны. Например, удлинение l₁ до величины, несколько большей, чем λ/4, и укорочение l₂ до величины, несколько меньшей, чем λ/4, приводит к увеличению ширины полосы антенны.

На фиг.8В показана реальная спиральная конфигурация мультисегментной четырехзаходной спиральной антенны, соответствующей одному из вариантов осуществления изобретения. Показано, как каждый излучатель в данном варианте состоит из двух сегментов 708, 710. Сегмент 708 продолжается в виде спирали от первого конца 832 излучательной секции ко второму концу 834 излучательной секции. Сегмент 710 продолжается в виде спирали от второго конца 834 излучательной секции к первому концу 832 излучательной секции. На фиг.8В, кроме того, показано, что части сегментов 708, 710 перекрываются так, что они электромагнитным способом связаны друг с другом.

На фиг.9А показана диаграмма, иллюстрирующая промежуток s и перекрытие δ между сегментами 708, 710 излучателя. Промежуток s выбран так, что имеется достаточное количество энергии связи между сегментами 708, 710 излучателя, чтобы они функционировали как единый излучатель с эффективной электрической длиной, примерно равной λ/2 и целым кратным значениям этой величины.

Промежуток между сегментами 708, 710 излучателя, меньший, чем это оптимальное расстояние, приводит к большей величине связи между сегментами 708, 710. В результате для заданной частоты f длина сегментов должна увеличиваться для обеспечения резонанса на той же самой частоте f. Это может быть проиллюстрировано экстремальным случаем, когда сегменты 708, 710 физически соединены (т.е. s=0). В этом экстремальном случае общая длина сегментов 708, 710 должна быть равна λ/2 для того, чтобы антенна резонировала. Заметим, что в этом экстремальном случае антенна уже не является "связанной", как это определено в настоящем описании, а получаемая в результате конфигурация в действительности соответствует обычной спиральной антенне, такой, как показано на фиг.3.

Аналогичным образом, увеличение степени перекрытия δ сегментов 708, 710 приводит к увеличению связи. Таким образом, по мере того, как δ увеличивается, длина сегментов 708, 710 также увеличивается.

Качественное пояснение оптимальных величин перекрытия и промежутка для сегментов 708, 710 дано со ссылками на фиг.9В, где представлена величина тока в каждом сегменте 708, 710. Графики силы тока 911, 928 показывают, что каждый сегмент идеально резонирует при λ/4, причем максимум сигнала приходится на внешние концы, а минимум - на внутренние концы.

Для оптимизации антенных конфигураций для антенны со связанными сегментами излучателей изобретателями было проведено математическое моделирование для определения корректных длин l₁ и l₂ сегментов, перекрытия δ и промежутка s в числе прочих параметров. Одной из использованных программ была программа "Антенный оптимизатор" (АО). Программа АО основана на алгоритме моделирования электромагнитного поля методом моментов. Программа "Антенный оптимизатор", версия 6.35, зарегистрированная, согласно авторскому праву, в 1994 г., была написана и может быть предоставлена Брайаном Бизли, Сан-Диего, Калифорния.

Отметим, что использование связанной конфигурации, как описано выше со ссылками на фиг.8А и 8В, обеспечивает некоторые преимущества. Как для обычной антенны, так и для антенны, излучатели которой состоят из связанных сегментов, ток концентрируется на концах излучателей. В соответствии с теорией коэффициента решетки это обстоятельство в определенных случаях применения может быть использовано с выгодой в конструкции антенны, излучатели которой состоят из связанных сегментов.

Для пояснения этого на фиг.10А приведена диаграмма, иллюстрирующая два точечных источника А и В, причем источник А излучает сигнал, имеющий величину, равную величине сигнала источника В, но с запаздыванием по фазе на 90^o (предполагается условие е^jwt). Если источники А и В разделены расстоянием λ/4, то сигналы складываются в фазе в направлении распространения от А к В и складываются в противофазе в направлении от В к А. В результате в направлении от В к А излучается очень малая доля излучения. Типовая характерная диаграмма поля, представленная на фиг.10В, иллюстрирует данное условие.

Таким образом, если источники А и В ориентированы так, что направление от А к В указывает вверх, от земли, а направление от В к А соответствует направлению к земле, то антенна оптимизирована для большинства применений. Это объясняется тем, что маловероятно, чтобы пользователю нужно было бы, чтобы антенна направляла сигнал к земле. Данная конфигурация особенно выгодна для спутниковых систем связи, где желательно, чтобы основная часть мощности сигнала направлялась вверх, в направлении от земли.

Антенна с точечными источниками, модель которой представлена на фиг.10А, реально недостижима при использовании обычных полуволновых спиральных антенн. Рассмотрим излучательную секцию антенны, показанную на фиг.3. Концентрация силы тока на концах излучателей 208 грубо аппроксимирует точечный источник. Если излучатели свернуты в спиральную конфигурацию, то один конец излучателя с фазой 90^o размещен в линию с другим концом излучателя с фазой 0^o. Таким образом, это аппроксимирует точечные источники, расположенные в линию, но разделенные расстоянием примерно λ/2, в противоположность желательной конфигурации с расстоянием λ/4, показанной на фиг.10А.

Отметим, однако, что антенна с излучателями, состоящими из связанных сегментов, соответствующая изобретению, обеспечивает реализацию, при которой аппроксимированные точечные источники разнесены на расстояние ближе, чем λ/4. Поэтому такая антенна со связанными сегментными излучателями позволяет пользователю получить выигрыш за счет направленных характеристик антенны, показанной на фиг.10А.

Сегменты 708, 710 излучателей, показанные на фиг.8, иллюстрируют конфигурацию, при которой сегмент 708 очень близок к связанному с ним сегменту 710, и притом пара сегментов 708, 710 относительно удалена от соседней пары сегментов. В другом варианте каждый сегмент 710 размещен эквидистантно от сегментов 708 с каждой стороны. Этот вариант представлен на фиг.11.

Как показано на фиг.11, каждый сегмент по существу удален эквидистантно от каждой пары соседних сегментов. Например, сегмент 708В расположен эквидистантно относительно сегментов 710А, 710В. Это означает, что s₁=s₂. Аналогичным образом сегмент 710А расположен эквидистантно относительно сегментов 708А, 708В.

В данном варианте интуитивно представляется, что будет существовать нежелательная связь. Иными словами, сегмент, соответствующий одной фазе, будет связан не только с соответствующим сегментом с той же фазой, но и с соседним сегментом со сдвинутой фазой. Например, сегмент 708В, т.е. сегмент с фазой 90^o, будет связан с сегментом 710А (сегментом с фазой 0^o) и с сегментом 710В (сегментом с фазой 90^o). Такая связь не вызывает проблем, так как излучение от верхних сегментов 710 может быть представлено как две отдельные моды. Одна мода является результатом связи соседних сегментов слева, а другая мода - результатом связи соседних сегментов справа. Однако обе эти моды сфазированы для обеспечения излучения в одном и том же направлении. Поэтому такая двойная связь не приводит к ухудшению функционирования мультисегментной антенны со связанными сегментами.

5. Примеры осуществления
На фиг.12 представлен пример осуществления антенны со связанными сегментами излучателей, соответствующей одному из вариантов изобретения. Согласно фиг. 12 антенна содержит излучательную секцию 1202 и фидерную секцию 1206. Излучательная сеекция включает в себя сегменты 708, 710. Размеры, приведенные на фиг.12, иллюстрируют вклад отдельных сегментов 708, 710 и перекрытия δ в общую длину излучательной секции 1202.

Длина сегментов в направлении, параллельном оси цилиндра, показана как l₁ sin α для сегментов 708 и l₂ sin α для сегментов 710, где α - внутренний угол сегментов 708, 710.

Перекрытие сегментов, как показано выше на фиг.8А и 9А, обозначено символом δ. Величина перекрытия в направлении, параллельном оси антенны, определяется выражением δ sin α, как показано на фиг.12.

Сегменты 708, 710 разделены промежутком s, который может изменяться, как описано выше. Расстояние между концом сегмента 708, 710 и концом излучательной секции 1202 определено как зазор и обозначено символом γ₁, γ₂ соответственно. Зазоры γ₁, γ₂ могут быть равны или не равны один другому. И вновь, как описано выше, длина сегментов 708 может изменяться относительно длины сегментов 710.

Величина смещения сегмента 710 от одного конца до следующего конца обозначена символом ω_o. Промежуток между соседними сегментами 710 обозначен символом ω_σ и определяется диаметром спирали.

Фидерная секция 1206 содержит соответствующую питающую схему для обеспечения сигналов в фазовой квадратуре для сегментов 708 излучателей. Питающие схемы известны специалистам в данной области техники и не требуют более детального описания.

В варианте, показанном на фиг. 12, сегменты 708 запитываются в точке питания, расположенной вдоль сегмента 708 на некотором расстоянии от питающей схемы, которое выбрано для оптимизации согласования импедансов. В варианте, показанном на фиг.12, это расстояние обозначено символами δ_feed.
Отметим, что непрерывная линия 1224 иллюстрирует границу заземляющей части на удаленной поверхности подложки. Заземляющая часть, противоположная сегментам 708 на удаленной поверхности, продолжается до точки питания. Тонкая часть сегментов 708 находится на ближней поверхности. В точке питания толщина сегментов 708 на ближней поверхности увеличивается.

Ниже приведены размеры, иллюстрирующие пример осуществления четырехзаходной спиральной антенны с излучателями в виде связанных сегментов, пригодной для работы в L-диапазоне на частоте примерно 1,6 ГГц. Заметим, что приведенные данные соответствуют только возможному примеру осуществления и в L-диапазоне могут быть использованы и другие размеры. Кроме того, возможен выбор других размеров для работы в других полосах частот.

Общая длина излучательной секции 1202 в данном варианте для L-диапазона равна 2,30 дюйма (58,4 мм). В данном варианте угол α наклона спирали равен 73^o. При данном значении угла α длина l₁ sin α сегментов 708 в рассматриваемом варианте равна 1,73 дюйма (43,9 мм). В этом варианте длина сегментов 710 равна длине сегментов 708.

В одном примере осуществления сегмент 710 размещен по существу эквидистантно относительно соседней пары сегментов 708. В одном варианте осуществления, где сегменты 710 эквидистанты относительно соседних сегментов 708, промежуток s₁= s₂=0,086 дюйма. Возможны и другие величины промежутков, например величина промежутка s сегментов 710 равна 0,070 дюйма (1,8 мм) относительно соседнего сегмента 708.

Ширина τ сегментов 708, 710 излучателей в данном варианте равна 0,11 дюйма (2,8 мм). Но возможны и другие значения ширины.

В рассматриваемом варианте для L-диапазона используются симметричные промежутки γ₁ = γ₂ = 0,57 дюйма (14,5 мм). Если зазор γ симметричен для обоих концов излучательной секции 1202 (т.е. если γ₁ ==γ₂, то излучатели 708, 710 имеют перекрытие δ sinα, равное 1,16 дюйма (29,5 мм) (от 1,73 до 0,57 дюйма).

Смещение сегментов ω_o равно 0,53 дюйма, а промежуток между сегментами равен 0,393 дюйма (10,0 мм). Диаметр антенны равен 4ω_s/π.
В одном варианте осуществления расстояние δ_feed = 1,57 дюйма (39,9 мм). Могут быть выбраны и другие точки питания для оптимизации согласования импедансов.

Заметим, что пример осуществления, описанный выше, спроектирован для использования вместе с полиуглеродным обтекателем толщиной 0,032 дюйма, окружающим спиральную антенну и контактирующим с излучательной секцией. Для специалистов в данной области техники известно, каким образом обтекатель или иная конструкция воздействуют на длину волны на требуемой частоте.

Заметим, что в рассматриваемом примере осуществления общая длина излучательной секции в L-диапазоне уменьшена по сравнению с обычной спиральной полуволновой антенной L-диапазона. Для обычной полуволновой антенны L-диапазона длина излучательной секции равна примерно 3,2 дюйма, т.е. λ/2(sin α), где α - внутренний угол сегментов 708, 710 относительно горизонтали) или 81,3 мм. Для рассматриваемого варианта осуществления общая длина излучательной секции 1202 равна 2,3 дюйма или 58,42 мм. Это характеризует существенную экономию в размерах по сравнению с обычной антенной.

Фиг. 13 иллюстрирует сравнение излучательной секции 1304 полуволновой мультисегментной антенны со связанными сегментами L-диапазона с обычной четырехзаходной спиральной антенной 1308 L-диапазона. Как видно из фиг.13, излучательная секция 1304 антенны со связанными сегментами излучателей существенно короче по сравнению с обычной четырехзаходной спиральной антенной 1308.

Ниже будет описан пример осуществления для S-диапазона на частоте, примерно равной 2,49 ГГц. Общая длина излучательной секция 1202 в примере осуществления для S-диапазона равна 1,50 дюйма (38,1 мм). Угол шага спирали α в этом примере равен 65^o. Длина l₁ sin α сегментов 708 в этом варианте равна 0,95 дюйма (24,1 мм). Длина сегментов 710 равна длине сегментов 708. В предпочтительном варианте сегменты 710 размещены эквидистантно относительно соседней пары сегментов 708 (s₁=s₂=0,086 дюйма). Ширина τ сегментов 708, 710 излучателей равна 0,11 дюйма или 2,8 мм. Точка питания δ_feed для обеспечения согласования импедансов 50 Ом находится на расстоянии 0,60 дюйма.

Вариант для S-диапазона характеризуется следующими параметрами: симметричный зазор (т. е. γ₁ = γ₂ = 0,55 дюйма для обоих концов излучательной секции 1202, излучатели 708, 710 имеют перекрытие δ sin α, равное 0,40 дюйма (10,2 мм) (0,95 - 0,55 дюйма).

Смещение ω₀ сегментов равно 0,44 дюйма (11,2 мм), а расстояние ω_s между сегментами равно 0,393 дюйма (10,0 мм). Диаметр антенны равен 4ω_s/π.
Заметим, что рассмотренный вариант осуществления спроектирован с полиуглеродным обтекателем толщиной 0,032 дюйма, закрывающим спиральную антенну (и контактирующим с излучательной секцией).

В данном варианте общая длина антенны S-диапазона сокращена по сравнению с обычной полуволновой антенной S-диапазона. Для обычной полуволновой антенны S-диапазона длина излучательной секции равна примерно 2,0 дюйма (λ/2(sinα), где α - внутренний угол сегментов относительно горизонтали) или 50,8 мм. В рассмотренном варианте общая длина излучательной секции 1202 равна 1,5 дюйма.

На фиг. 14А представлена диаграмма излучения мультисегментной четырехзаходной спиральной антенны со связанными сегментами, работающей в L-диапазоне. На фиг.14В представлена диаграмма излучения мультисегментной четырехзаходной спиральной антенны со связанными сегментами, работающей в S-диапазоне. Как видно из представленных диаграмм, антенны обеспечивают хорошие всенаправленные характеристики в верхней полуплоскости и имеют хорошую круговую поляризацию.

В вариантах, использующих полосковую технологию, сегменты 708, 710, 712 излучателей описаны как выполненные на одной и той же поверхности подложки. В других вариантах сегменты могут и не располагаться обязательно на одной и той же поверхности подложки. Например, в одном из вариантов сегменты на первом конце (т. е. сегменты 708) размещены на одной поверхности подложки, а сегменты на втором конце (т.е. сегменты 710) размещены на противоположной поверхности. Данный вариант и другие варианты, не требующие, чтобы все сегменты 708, 710, 712 были на одной и той же поверхности, возможны, так как для обеспечения связи посредством электромагнитной энергии не требуется, чтобы сегменты были строго выровнены своими краями. Малые смещения порядка толщины подложки не оказывают отрицательного влияния на связь. Эти варианты, допускающие селективное размещение сегментов 708, 710, 712, могут быть использованы для помещения некоторых компонентов или сегментов на внешней стороне антенны для обеспечения доступа к этим компонентам для таких целей, как настройка или осуществление соединений с компонентами, при помещении других компонентов внутри антенны.

В некоторых применениях желательно иметь антенну, работающую на двух частотах. Примером такого применения является система связи, работающая на одной частоте на передачу и на второй частоте на прием. Обычным методом обеспечения двухдиапазонного режима работы является совмещение двух однодиапазонных четырехзаходных спиральных антенн торцами для получения одного длинного цилиндра. Например, разработчик системы может таким образом разместить антенну L-диапазона и антенну S-диапазона для обеспечения рабочих характеристик как в L-диапазоне, так и в S-диапазоне. Однако такая "стопка" приводит к увеличению общей длины антенны. Сокращение размеров, получаемое за счет использования антенн с излучателями в виде связанных сегментов, может обеспечить существенное сокращение общей длины двухдиапазонной антенны, выполненной в виде комплекта из двух совмещенных торцами антенн.

Дополнительным преимуществом спиральной антенны с сегментированными излучателями является то, что такую антенну очень просто настраивать после ее изготовления. Антенна может просто настраиваться с помощью подстроечных сегментов 708, 710. Заметим, что, если желательно, это может быть осуществлено без изменения общей длины антенны.

Заметим, что варианты антенны с излучателями в виде связанных сегментов, описанные выше, представлены в терминах, относящихся к полуволновой антенне, резонирующей на длине волны, равной целому кратному λ/2. Из вышеприведенного описания специалистам в данной области техники должно быть ясно, как реализовать изобретение с использованием антенны, резонирующей на длине волны, равной нечетному целому кратному λ/4, если не использовать закорачивающее кольцо на удаленном конце излучателей.

6. Заключение
Приведенное выше описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения предназначено для того, чтобы обеспечить возможность специалистам в данной области техники осуществить и использовать настоящее изобретение. Различные модификации этих вариантов должны быть очевидны для специалистов в данной области техники, а основные принципы, определенные в настоящем описании, могут быть применены в других вариантах без использования изобретательской деятельности. Таким образом, настоящее изобретение не ограничивается представленными вариантами, а имеет самый широкий объем, согласующийся с раскрытыми в настоящем описании принципами и новыми признаками.

Изобретение относится к спиральным антеннам. Мультисегментная спиральная антенна со связанными сегментами содержит излучательную секцию, имеющую множество спирально намотанных излучателей, проходящих от одного конца излучательной секции к другому концу излучательной секции. Каждый из излучателей содержит набор из двух или более сегментов. Первый сегмент излучателя проходит по спирали от первого конца излучательной секции в направлении второго конца излучательной секции. Второй сегмент излучателя проходит по спирали от второго конца излучательной секции в направлении первого конца излучательной секции, при этом часть первого сегмента излучателя находится в непосредственной близости от части второго сегмента излучателя, так что первый и второй сегменты излучателя связаны друг с другом электромагнитным способом. Технический результат заключается в том, что длина мультисегментной спиральной антенны меньше, чем у обычной полуволновой антенны. 4 с. и 23 з.п.ф-лы, 21 ил.

1. Спиральная антенна, содержащая излучательную секцию, имеющую спирально уложенный излучатель, проходящий от первого конца излучательной секции ко второму концу излучательной секции, отличающаяся тем, что излучатель содержит первый сегмент излучателя, имеющий длину, равную нечетному кратному четверти длины волны, и проходящий по спирали от первого конца излучательной секции по направлению ко второму концу излучательной секции, причем первый сегмент излучателя приспособлен для присоединения к фидеру, второй сегмент излучателя, имеющий длину, равную нечетному кратному четверти длины волны, проходящий по спирали от второго конца излучательной секции по направлению к первому концу излучательной секции и частично перекрывающий первый сегмент излучателя, причем первый сегмент излучателя в месте перекрытия находится в непосредственной близости от второго сегмента излучателя, так что первый и второй сегменты излучателя электромагнитно связаны друг с другом, причем первый и второй сегменты излучателя резонируют на одной и той же выбранной частоте.2. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что первый и второй сегменты излучателя состоят из сегментов полосок, нанесенных на диэлектрическую подложку, причем диэлектрическая подложка выполнена таким образом, что излучатели намотаны по спирали.3. Спиральная антенна по п.2, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка образует цилиндрическую форму или коническую форму.4. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что первый и второй сегменты излучателя представляют собой сегменты провода.5. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что первый сегмент излучателя равен по длине второму сегменту излучателя.6. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что первый и второй сегменты излучателя имеют длину λ/4, где λ - длина волны на резонансной частоте антенны.7. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что содержит четыре излучателя, а также схему питания для обеспечения сигнала с фазой в квадратуре для четырех излучателей.8. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что имеет точку питания для каждого из излучателей, размещенную на некотором расстоянии от первого конца вдоль первого сегмента, причем это расстояние выбрано так, чтобы обеспечивать согласование импеданса излучателей по отношению к схеме питания.9. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что содержит один или более промежуточных сегментов излучателя, размещенных между первым и вторым сегментами излучателя.10. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что часть первого сегмента излучателя размещена в непосредственной близости от части второго сегмента излучателя.11. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, излучатели соединены со схемой питания на первом конце и имеют разомкнутую нагрузку на втором конце.12. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что величина частичного перекрытия равна δ=l₁+l₂-l_tot, где l₁ и l₂ - соответственно длина первого и второго сегментов излучателя, a l_tot - полная длина излучательной секции.13. Спиральная антенна, содержащая излучательную секцию, имеющую множество спирально уложенных мультисегментных излучателей, проходящих от первого конца излучательной секции ко второму концу излучательной секции, при этом каждый из мультисегментных излучателей содержит, по меньшей мере, первый и второй параллельные и перекрывающиеся сегменты, каждый из этих сегментов имеет длину, равную нечетному кратному четверти длины волны, причем первый и второй сегменты физически отделены друг от друга, связаны между собой электромагнитно так, что первые и вторые сегменты излучателя резонируют на одной и той же частоте.14. Спиральная антенна по п.13, отличающаяся тем, что первый и второй сегменты излучателя состоят из сегментов полосок, нанесенных на диэлектрическую подложку.15. Спиральная антенна по п.13, отличающаяся тем, что первый сегмент излучателя равен по длине второму сегменту излучателя.16. Спиральная антенна по п.13, отличающаяся тем, что первый и второй сегменты излучателя содержат сегменты провода.17. Спиральная антенна по п.13, отличающаяся тем, что эффективная электрическая длина первого и второго сегментов излучателя равна целому, кратному λ/2, где λ - длина волны на резонансной частоте антенны.18. Спиральная антенна по п.13, отличающаяся тем, что содержит четыре излучателя, а также схему питания для обеспечения сигнала с фазой в квадратуре для этих четырех излучателей.19. Спиральная антенна по п.13, отличающаяся тем, что имеет точку питания для каждого из излучателей, размещенную на некотором расстоянии от первого конца вдоль первого сегмента, причем это расстояние выбрано так, чтобы обеспечивать согласование импеданса излучателей по отношению к схеме питания.20. Спиральная антенна по п.13, отличающаяся тем, что часть первого сегмента излучателя размещена в непосредственной близости от части второго сегмента излучателя.21. Спиральная антенна по п.13, отличающаяся тем, что излучательная секция является первой излучательной секцией, причем антенна дополнительно содержит вторую излучательную секцию, имеющую множество спирально намотанных сегментированных излучателей, проходящих от первого конца второй излучательной секции ко второму концу второй излучательной секции, при этом каждый из упомянутых сегментированных излучателей содержит первый и второй сегменты, причем первый сегмент физически отделен от второго сегмента и электромагнитно связан с ним.22. Спиральная антенна по п.21, отличающаяся тем, что первая излучательная секция размещена коаксиально со второй излучательной секцией.23. Спиральная антенна по п.13, отличающаяся тем, что излучатели намотаны по спирали с образованием цилиндрической или конической формы.24. Спиральная антенна, содержащая излучательную секцию, имеющую множество спирально уложенных мультисегментных излучателей, проходящих от первого конца излучательной секции ко второму концу излучательной секции, при этом каждый из мультисегментных излучателей содержит, по меньшей мере, первый и второй сегменты, причем каждый из этих сегментов имеет длину, равную нечетному кратному четверти длины волны, первый и второй сегменты физически отделены друг от друга и связаны между собой электромагнитно, излучатели содержат по меньшей мере один промежуточный сегмент излучателя, размещенный между первым и вторым сегментами излучателя, причем первый, второй и промежуточный сегменты излучателя резонируют на одной и той же выбранной частоте.25. Спиральная антенна по п.24, отличающаяся тем, что вторые сегменты излучателя разомкнуты на втором конце.26. Спиральная антенна по п.24, отличающаяся тем, что содержит средство для обеспечения короткозамкнутого соединения множества вторых сегментов излучателя на втором конце.27. Спиральная антенна, содержащая излучательную секцию, имеющую спирально уложенный излучатель, проходящий от первого конца излучательной секции ко второму концу излучательной секции, при этом излучатель содержит первое множество сегментов излучателя, имеющих длину, равную нечетному кратному четверти длины волны, и проходящих по спирали от первого конца излучательной секции по направлению ко второму концу излучательной секции, причем сегменты первого множества сегментов излучателя приспособлены для присоединения к фидеру, второе множество сегментов излучателя, имеющих длину, равную нечетному кратному четверти длины волны, проходящих по спирали от второго конца излучательной секции по направлению к первому концу излучательной секции и частично перекрывающих сегменты первого множества сегментов излучателя, и средства для обеспечения короткозамкнутого соединения сегментов второго множества сегментов излучателя, при этом сегменты первого множества сегментов излучателя в месте перекрытия находятся в непосредственной близости от сегментов второго множества сегментов излучателя, так что сегменты первого и второго множеств сегментов излучателя электромагнитно связаны друг с другом, причем сегменты первого и второго множеств сегментов излучателя резонируют на одной и той же выбранной частоте.