МИНИАТЮРНЫЕ АНТЕННЫ, ЗАПОЛНЯЮЩИЕ ПРОСТРАНСТВО Российский патент 2005 года по МПК H01Q1/36 H01Q9/04 

Предмет изобретения

Настоящее изобретение относится к семейству антенн уменьшенного размера, основанных на новой геометрии, геометрии кривых, называемых кривыми, заполняющими пространство (КЗП)(SFC). Антенна называется малой антенной (миниатюрной антенной), когда она может быть помещена в небольшом пространстве по сравнению с рабочей длиной волны. Более точно, в качестве критерия для классификации антенны в качестве малой, используют понятие радиансфера. Радиансфера представляет собой воображаемую сферу с радиусом, равным длине рабочей волны, разделенной на два π, и антенну называют малой с точки зрения длины волны, когда она может быть помещена внутри указанной радиансферы.

В настоящем изобретении определена новая геометрия, геометрия кривых, заполняющих пространство (КЗП), и она используется для задания формы части антенны. С помощью этой новой технологии размер антенны может быть уменьшен по сравнению с известным уровнем техники или, в качестве альтернативы, при заданном размере антенна может работать на более низкой частоте по сравнению с обычными антеннами того же размера.

Настоящее изобретение используется в области телекоммуникаций и, более конкретно, для разработки конструкций антенн малых размеров.

Предпосылки и краткое описание изобретения

Принципиальные ограничения для малых антенн были теоретически установлены авторами Н.Wheeler и L.J.Chu в середине сороковых годов. Они в принципе установили, что малая антенна имеет высокое значение добротности (Q) из-за относительно большого уровня реактивной энергии, накапливаемой вблизи антенны, по сравнению с излучаемой мощностью. Такое высокое значение добротности приводит к узкой полосе пропускания; фактически принцип, определенный на основании такой теории, определяет максимальную полосу пропускания при заданном конкретном размере малой антенны.

В отношении этого явления также известно, что свойством малой антенны является высокое входное реактивное сопротивление (емкостное или индуктивное), которое обычно должно быть скомпенсировано внешней согласующей/нагрузочной цепью или структурой. Это также означает, что трудно упаковать резонансную антенну в пространстве, которое является малым с точки зрения длины волны при резонансе. Кроме того, для малой антенны характерны малое сопротивление излучения и низкая эффективность.

Поиск структур, которые могли бы эффективно излучать из небольшого пространства, представляет огромный коммерческий интерес, в частности, в области устройств мобильной связи (сотовые телефоны, сотовые пейджеры, портативные компьютеры и устройства обработки данных, которые приведены здесь всего лишь как несколько примеров), где размер и вес портативного оборудования должен быть малым. В соответствии с публикацией автора R.C. Hansen (R.C. Hansen, "Fundamental Limitation on Antennas" ("Принципиальные ограничения антенн") Proc. IEEE, том 69, номер 2, февраль 1981 года), рабочие характеристики малой антенны зависят от ее способности эффективно использовать малое доступное пространство внутри воображаемой радиансферы, окружающей антенну.

В настоящем изобретении новый набор геометрий, называемых кривыми, заполняющими пространство (ниже КЗП), введен для дизайна и конструкции малых антенн с улучшенными рабочими характеристиками по сравнению с другими классическими антеннами, описанными в публикациях известного уровня техники (такими как линейные несимметричные вибраторы, симметричные вибраторы и круглые или прямоугольные петли).

Некоторые из конфигураций, описанные в настоящем изобретении, были разработаны на основе геометрий, изученных уже в XIX веке некоторыми математиками, такими как Джузеппе Пеано и Дэвид Гилберт (Giusepe Peano и David Hilbert). Во всех указанных случаях кривые были изучены с точки зрения математики, но никогда не использовались для какого-либо практического применения в технике.

Размер (D) часто используется для характеристики чрезвычайно сложных геометрических кривых и структур таких, как описаны в настоящем изобретении. Существует большое количество различных математических определений размера, но в настоящем документе для характеристики семейства конструкций используется размер подсчета клеток (который хорошо известен специалистам в области теории математики). Для специалистов в области теории математики будет понятно, что в случае необходимости, для построения некоторых кривых, заполняющих пространство, таких, как описаны в настоящем изобретении, могут использоваться Система итерированной функции (СИФ)(IFS), алгоритм Машины создания копии с многократным сокращением (МКМС) (MRCM) или алгоритм структурированной Машины создания копии с многократным сокращением (МКМС).

Ключевой момент настоящего изобретения состоит в задании формы части антенны (например, по меньшей мере, части плеч симметричного вибратора, по меньшей мере, части плеча несимметричного вибратора, периметра панели панельной антенны, щели щелевой антенны, периметра петли петлевой антенны, поперечного сечения рупора рупорной антенны или периметра отражателя рефлекторной антенны) в виде кривой, заполняющей пространство, то есть кривой, которая имеет большой размер в смысле физической длины, но небольшой размер с точки зрения площади, в которой эта кривая может быть заключена. Более точно, в настоящем документе принято следующее определение кривой, заполняющей пространство: кривая, составленная, по меньшей мере, из десяти сегментов, которые соединены таким образом, что каждый сегмент формирует определенный угол с соседними сегментами, при этом ни одна пара соседних сегментов не формирует более крупный прямой сегмент, и в которой кривая может быть, в случае необходимости, периодической вдоль фиксированного прямого направления в пространстве, если и только если период определяется непериодической кривой, составленной, по меньшей мере, из десяти соединенных сегментов, и ни одна пара указанных расположенных вблизи друг друга и соединенных сегментов не образует более длинный прямой сегмент. Кроме того, независимо от дизайна такой КЗП она никогда не пересекает саму себя ни в одной из точек, за исключеним начальной и конечной точки (то есть, вся кривая может быть расположена как замкнутая кривая или петля, но при этом ни одна из частей кривой не может быть замкнутой петлей). Кривая, заполняющая пространство, может быть помещена на плоской или изогнутой поверхности и, благодаря углам между сегментами, физическая длина кривой всегда больше, чем любая прямая линия, которая может быть размещена на той же площади (поверхности), что и указанная заполняющая пространство кривая. Кроме того, для придания правильной формы структуре миниатюрной антенны, в соответствии с настоящим изобретением, сегменты кривых КЗП должны быть короче, чем десятая часть рабочей длины волны в свободном пространстве.

В зависимости от процедуры формирования и геометрии кривой, теоретически могут быть получены некоторые КЗП с бесконечной длиной, которые имеют размер Хауссдорфа (Haussdorf), больший, чем их топологический размер. То есть с точки зрения классической эвклидовой геометрии, обычно считается, что кривая всегда представляет собой одномерный объект; однако, когда кривая обладает высокой степенью извилистости и ее физическая длина очень велика, кривая имеет тенденцию заполнять части поверхности, на которой она расположена; в этом случае для такой кривой может быть вычислен размер Хауссдорфа (или, по меньшей мере, приближение к нему, полученное с помощью алгоритма подсчета клеток) с получением числа, больше единицы. Такие теоретические бесконечные кривые не могут быть построены физически, но конструктивно КЗП могут представлять собой приближение к ним. Кривые 8 и 17, описанные со ссылкой на фигуру 2 и фигуру 6, представляют некоторые примеры таких КЗП, которые являются приближением к идеальной бесконечной кривой, имеющей размер D = 2.

Использование кривых КЗП при задании физической формы антенны приводит к получению двойного преимущества:

(a) при заданной конкретной рабочей частоте или длине волны размер указанной антенны, выполненной в форме КЗП, может быть уменьшен по сравнению с известным уровнем техники;

(b) при заданном физическом размере антенны, выполненной в форме КЗП, указанная антенна в форме КЗП может работать на более низкой частоте (с большей длиной волны), чем в известном уровне техники.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 представлены некоторые конкретные случаи кривых КЗП. На основе исходной кривой 2 сформированы другие кривые 1, 3 и 4, которые содержат более 10 соединенных сегментов. Это конкретное семейство кривых далее называется кривыми SZ.

На фигуре 2 представлено сравнение между двумя меандровыми линиями и двумя периодическими кривыми КЗП, построенными на основе кривой SZ по фигуре 1.

Фигура 3 изображает конкретную конфигурацию антенны КЗП. Она состоит на трех различных конфигураций симметричного вибратора, в которых каждое из двух плеч вибратора сформировано полностью в виде кривой 1 КЗП.

Фигура 4 изображает другие конкретные конфигурации антенн КЗП. Они представляют собой антенны, выполненные в виде несимметричного вибратора.

Фигура 5 изображает пример щелевой антенны КЗП, в которой щель сформирована в форме КЗП по фигуре 1.

Фигура 6 изображает другой набор кривых КЗП 15 - 20, построенных на основе кривой Гильберта, которые ниже называются кривыми Гильберта. Под номером 14 для сравнения показана стандартная кривая, не являющаяся кривой КЗП.

На фигуре 7 изображен другой пример щелевой антенны КЗП на основе кривой 11 КЗП по фигуре 6.

Фигура 8 изображает другой набор кривых КЗП 24, 25, 26, 27, которые далее называются кривыми ZZ. Обычная прямоугольная зигзагообразная кривая 23 показана для сравнения.

Фигура 9 изображает петлевую антенну, построенную на основе кривой 25 в конфигурации, выполненной из провода (вверху), ниже показана петлевая антенна, напечатанная на диэлектрической подложке 10.

Фигура 10 изображает щелевую петлевую антенну, построенную на основе кривой КЗП 25 по фигуре 8.

Фигура 11 изображает панельную антенну, в которой периметр панели имеет форму, соответствующую КЗП 25.

Фигура 12 изображает апертурную антенну, апертура 33 которой выполнена на электропроводной или сверхпроводящей структуре 31, причем указанная апертура сформирована с использованием КЗП 25.

На фигуре 13 показана панельная антенна с апертурой панели, основанной на КЗП 25.

Фигура 14 изображает другой конкретный пример семейства кривых КЗП 41, 42, 43, основанных на кривой Джузеппе Пеано. Для сравнения показана кривая 40, не являющаяся кривой КЗП, сформированная с использованием только 9 сегментов.

Фигура 15 изображает панельную антенну со щелью в форме КЗП, сформированной на основе КЗП 41.

Фигура 16 представляет волноводно-щелевую антенну, в которой одна из стенок прямоугольного волновода 47 выполнена со щелью в виде кривой КЗП 41.

Фигура 17 изображает рупорную антенну 48, в которой апертура и поперечное сечение рупора сформированы в соответствии с кривой КЗП 25.

Фигура 18 изображает отражатель рефлекторной антенны 49, в которой периметр указанного отражателя сформирован в виде КЗП 25.

Фигура 19 изображает семейство кривых КЗП 51, 52, 53, основанных на кривой Джузеппе Пеано. Кривая 50, не являющаяся кривой КЗП, сформированная с использованием только девяти сегментов, показана для сравнения.

Фигура 20 изображает другое семейство кривых КЗП 55, 56, 57, 58. Для сравнения показана кривая 54, не являющаяся кривой КЗП, построенная с использованием только пяти сегментов.

Фигура 21 изображает два примера петель 59, 60 КЗП, построенных с использованием КЗП 57.

Фигура 22 изображает семейство кривых 61, 62, 63, 64 КЗП, называемых здесь кривыми Гильберта ZZ.

Фигура 23 изображает семейство кривых 66, 67, 68 КЗП, называемых здесь кривыми Пеаноdec. Кривая 65, не являющаяся кривой КЗП, построенная с использованием только девяти сегментов, показана здесь для сравнения.

Фигура 24 изображает семейство кривых 70, 71, 72 КЗП, которые называются здесь кривыми Пеаноinc. Кривая 69, не являющаяся кривой КЗП, построенная с использованием только девяти сегментов, показана здесь для сравнения.

Фигура 25 изображает семейство кривых 73, 74, 75 КЗП, называемых здесь кривыми Пеано ZZ. Кривая 23, не являющаяся кривой КЗП, построенная с использованием только девяти сегментов, показана здесь для сравнения.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения

На фигуре 1 и фигуре 2 показаны некоторые примеры кривых КЗП. Кривые 1, 3 и 4 на фигуре 1 представляют три примера кривых КЗП, называемых кривыми SZ. Кривая 2, которая не является кривой КЗП, поскольку состоит только из 6 сегментов, показана на фиг. 2 для сравнения. Кривые 7 и 8 на фигуре 2 изображают два других конкретных примера кривых КЗП, сформированных путем периодического повторения мотива, включающего кривую 1 КЗП. Важно отметить существенную разницу между этими примерами кривых КЗП и некоторыми примерами периодических меандровых кривых и кривых, не являющихся кривыми КЗП, такими, как показаны позициями 5 и 6 на фигуре 2. Хотя кривые 5 и 6 состоят из более чем 10 сегментов, по существу, они могут рассматриваться как периодические вдоль прямого направления (горизонтального направления), и мотив, который определяет период или ячейку повторения, состоит из менее чем 10 сегментов (период кривой 5 включает только четыре сегмента, в то время как период кривой 6 содержит девять сегментов), что противоречит определению кривой КЗП, приведенному в настоящем изобретении. Кривые КЗП, по существу, являются более сложными и имеют большую длину, занимая меньшее пространство; этот факт связан с тем, что каждый сегмент, составляющий кривую КЗП, является электрически коротким (короче, чем десятая часть рабочей длины волны в свободном пространстве, как заявлено в настоящем изобретении), что играет ключевую роль в уменьшении размера антенны. Кроме того, класс механизма складывания, используемого для получения конкретных кривых КЗП, описанных в настоящем изобретении, является важным при конструировании миниатюрных антенн.

На фигуре 3 представлен предпочтительный вариант воплощения антенны КЗП. На этой фигуре изображены 3 различные конфигурации одного и того же основного симметричного вибратора. Антенна в виде симметричного вибратора с двумя плечами построена так, что она содержит две электропроводные или сверхпроводящие части, причем каждая из частей сконфигурирована в виде кривой КЗП. Для простоты изображения, но без отхода от общих принципов, здесь был выбран для изображения конкретный случай кривой КЗП (кривой 1 SZ по фигуре 1); вместо нее могут использоваться кривые КЗП другого типа, например, такие, как описаны со ссылкой на Фиг. 1, 2, 6, 8, 14, 19, 20, 21, 22, 23, 24 или 25. На двух расположенных вблизи друг друга концах двух плеч сформированы входные выводы 9 симметричного вибратора. Выводы 9 представлены на чертежах как электропроводные или сверхпроводящие кружочки, при этом для специалистов в данной области техники очевидно, что такие выводы могут иметь форму в соответствии с любой другой структурой, если только они будут достаточно малыми по отношению к рабочей длине волны. Кроме того, плечи симметричных вибраторов могут быть повернуты и сложены различным образом для точного изменения входного сопротивления или излучающих свойств антенны, таких как поляризации. На фигуре 3 также показан другой предпочтительный вариант воплощения симметричного вибратора на основе кривых КЗП, в котором электропроводные или сверхпроводящие плечи КЗП напечатаны на диэлектрической подложке 10; этот вариант особенно удобен с точки зрения затрат и механической прочности при использовании длинной кривой КЗП. Для формирования структуры кривой КЗП на диэлектрической подложке может использоваться любая из хорошо известных технологий изготовления печатных схем. Указанная диэлектрическая подложка может представлять собой, например, подложку на основе стекловолоконной пластины, на основе пластины из тефлона (такого, как Cuclad®) или другие стандартные радиочастотные или микроволновые подложки (такие как, например, Rogers 4003®) или Kapton®). Диэлектрическая подложка может даже представлять собой часть оконного стекла, если антенна должна быть установлена на механическом транспортном средстве, таком как автомобиль, поезд или самолет, для передачи или приема радиоволн, телевизионных сигналов, сигналов сотовых телефонов (стандартов GSM 900, GSM 1800, UMTS) или электромагнитных волн других служб связи. Конечно, с входными выводами симметричного вибратора может быть соединена или интегрирована цепь симметричного трансформатора, предназначенного для балансировки распределения тока по двум плечам симметричного вибратора.

Другой предпочтительный вариант воплощения антенны КЗП представляет собой конфигурацию несимметричного вибратора, который показан на фигуре 4. В этом случае одно из плеч несимметричного вибратора заменено электропроводным или сверхпроводящим противовесом или заземленной пластиной 12. В качестве такого заземленного противовеса может использоваться корпус мобильного телефона или даже часть металлической структуры автомобиля или поезда. На заземленную часть и плечо несимметричного вибратора (здесь это плечо представлено в виде кривой 1 КЗП, но вместо нее может быть использована любая другая кривая КЗП) подают возбуждение, как обычно используется в несимметричных вибраторах известного уровня техники, с помощью, например, линии 11 передачи. Указанная линия передачи сформирована из двух проводников, причем один из проводников соединен с заземленным противовесом, в то время как другой проводник соединен с некоторой точкой электропроводной или сверхпроводящей структуры КЗП. На фигуре 4 в качестве конкретного случая линии передачи 11 выбран коаксиальный кабель, но для специалистов в данной области техники очевидно, что для возбуждения несимметричного вибратора могут использоваться другие линии передачи (например такие, как микрополосковая несимметричная линия передачи). В случае необходимости и в соответствии со схемой, представленной на фигуре 3, кривая КЗП может быть напечатана на диэлектрической подложке 10.

Другой предпочтительный вариант воплощения антенны КЗП представляет собой щелевую антенну, такую как показана, например, на фигурах 5, 7 и 10. На фигуре 5 щель или зазор в виде двух соединенных кривых КЗП (соответствующих кривой 1, представленной на фигуре 1) сформирована способом штамповки электропроводного или сверхпроводящего листа 13. Такой лист может представлять собой, например, лист на диэлектрической подложке, имеющий конфигурацию печатной схемы, прозрачной электропроводной пленки, такой, которую наносят на оконное стекло для защиты внутреннего объема автомобиля от нагревающего инфракрасного излучения, или даже может представлять собой часть металлической структуры мобильного телефона, автомобиля, поезда, корабля или самолета. Схема возбуждения может представлять собой любую из хорошо известных схем, применяемых для обычных щелевых антенн, и она не составляет существенную часть настоящего изобретения. В устройствах, представленных на всех указанных трех фигурах, для возбуждения антенны был использован коаксиальный кабель, так что один из проводников соединен со одной стороной электропроводного листа и другой соединен с другой стороной листа через щели. При этом, например, вместо коаксиального кабеля может использоваться несимметричная микрополосковая линия передачи.

На фигуре 7, для иллюстрации нескольких модификаций антенны, которая может быть построена на основе того же принципа и сущности настоящего изобретения, показан аналогичный пример, где использована другая кривая (кривая 17 из семейства Гильберта). Следует отметить, что ни на фигуре 5, ни на фигуре 7 щель не достигает границ электропроводного листа, но в другом варианте воплощения щель также может быть сформирована так, что она будет достигать границ указанного листа, разделяя указанный лист на два отдельных электропроводных листа.

На фигуре 10 описан другой возможный вариант воплощения щелевой антенны КЗП. Эта щелевая антенна, кроме того, имеет конфигурацию петли. Петля составлена, например, путем соединения четырех зазоров КЗП, которые выполнены на основе структуры КЗП 25, изображенной на фигуре 8 (очевидно, что вместо этой кривой могут использоваться другие кривые КЗП в соответствии с объемом и сущностью настоящего изобретения). Полученная в результате замкнутая петля определяет границу электропроводного или сверхпроводящего острова, окруженного электропроводным или сверхпроводящим листом. Возбуждение на щель может подаваться с помощью любой из хорошо известных обычных технологий, например, с помощью коаксиального кабеля, в котором один из внешних проводников соединен с электропроводным внешним листом, и внутренний проводник с внутренним электропроводным островом, окруженным щелью КЗП. И вновь повторим, что такой лист может представлять собой, например, лист на диэлектрической подложке, выполненный по принципу печатной схемы, в виде прозрачной электропроводной пленки, такой как наносят на оконное стекло для защиты внутреннего объема автомобиля от нагревающего инфракрасного излучения, или он может даже представлять собой часть металлической структуры мобильного телефона, автомобиля, поезда, корабля или самолета. Щель может быть даже сформирована в виде зазора между двумя расположенными близко друг к другу, но не находящимися в одной полости электропроводным островом и электропроводным листом; физически это может быть выполнено, например, путем размещения внутреннего электропроводного острова на верхней поверхности используемой в случае необходимости диэлектрической подложки и окружающего проводника на противоположной поверхности указанной подложки.

Щелевая конфигурация не является, конечно, единственным воплощением петлевой антенны КЗП. Замкнутая кривая КЗП, изготовленная из сверхпроводящего или электропроводного материала, может использоваться для воплощения проводника петлевой антенны КЗП, как показано в другом предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения на фигуре 9. В этом случае часть кривой разорвана так, что на двух полученных в результате концах кривой сформированы входные выводы 9 петли. В случае необходимости петля может быть также напечатана на поверхности диэлектрической подложки 10. В случае использования диэлектрической подложки, диэлектрическая антенна также может быть построена путем вытравливания рисунка КЗП на указанной подложке, так чтобы диэлектрическая проницаемость указанного диэлектрического рисунка была больше, чем у указанной подложки.

Другой предпочтительный вариант воплощения описан со ссылкой на фигуру 11. Здесь представлена панельная антенна, с электропроводной или сверхпроводящей панелью (30), периметр которой выполнен в форме КЗП (в данном случае использована КЗП 25, но очевидно, что вместо нее могут использоваться другие кривые КЗП). Периметр панели представляет собой существенную часть настоящего изобретения, причем остальная часть антенны соответствует, например, другим обычным панельным антеннам: панельная антенна содержит проводящую или сверхпроводящую заземленную плоскость 31 или заземленный противовес, электропроводную или сверхпроводящую панель, которая расположена параллельно указанной заземленной пластине или заземленному противовесу. Промежуток между панелью и заземлением обычно составляет (но не ограничивается этим) четверть длины волны. В случае необходимости между указанной панелью и заземленным противовесом может быть помещена диэлектрическая подложка 10 с низкими потерями (такая как стекловолоконная подложка, подложка из тефлона, такого как Cuclad®, или из других коммерчески доступных материалов, таких как Rogers® 4003). Может использоваться любая из хорошо известных схем питания антенны, используемых в панельных антеннах известного уровня техники, например, коаксиальный кабель, внешний проводник которого соединен с заземленной пластиной, и внутренний проводник, соединенный с панелью в требуемой точке входного сопротивления (конечно, могут также использоваться типичные модификации, включая емкостный зазор панели вокруг точки соединения коаксиального кабеля или емкостную пластину, соединенную с внутренним проводником коаксиального кабеля, помещенную на некотором расстоянии параллельно панели, и так далее), микрополосковая несимметричная линия передачи, в которой используется та же заземленная пластина, что и у антенны так, что полоска соединяется с панелью с использованием емкостной связи и помещена на некотором расстоянии ниже панели, или, в другом варианте воплощения, полоска может быть помещена ниже заземленной пластины и соединена с панелью через щель, и даже микрополосковая линия передачи, полоска которой расположена в одной плоскости с панелью. Все эти механизмы хорошо известны из известного уровня техники и не составляют существенную часть настоящего изобретения. Существенная часть настоящего изобретения представляет собой форму антенны (в данном случае периметр КЗП панели), которая позволяет уменьшить размер антенны по сравнению с конфигурацией известного уровня техники.

Другие предпочтительные варианты воплощения антенн КЗП, также основанные на конфигурации панельной антенны, описаны со ссылкой на фигуру 13 и фигуру 15. Они состоят из обычной панельной антенны с многоугольной панелью 30 (квадратной, треугольной, пятиугольной, шестиугольной, прямоугольной или даже круглой, которые приведены здесь только в качестве нескольких примеров), так что зазор панели сформирован в виде кривой КЗП. Такая линия в форме КЗП может формировать щель или кривую линию 44 поверх панели (как показано на фигуре 15), что, таким образом, помогает уменьшить размер антенны и ввести новые резонансные частоты для работы в нескольких диапазонах, или в другом предпочтительном варианте воплощения, кривая КЗП (такая как кривая 25, формирует периметр апертуры 33 панели 31 (фигура 13). Такая апертура позволяет существенно уменьшить первую резонансную частоту панели по отношению к случаю использования сплошной панели, что позволяет существенно уменьшить размер антенны. Указанные два случая конфигурации щели в форме КЗП и апертуры в форме КЗП могут, конечно, использоваться также с панельными антеннами с периметром в форме КЗП как, например, КЗП 30, которая представлена на фигуре 11.

Таким образом, для специалистов в данной области техники будет очевидно, что составляет объем и сущность настоящего изобретения и что тот же геометрический принцип КЗП может применяться в качестве нововведения по отношению ко всем хорошо известным конфигурациям известного уровня техники. Дополнительные примеры приведены на фигурах 12, 16, 17 и 18.

На фигуре 12 описан другой предпочтительный вариант воплощения антенны КЗП. Он представлен апертурной антенной, причем указанная апертура отличается периметром, выполненным в форме КЗП, и апертура сформирована способом штамповки электропроводной заземленной пластины или заземленного противовеса 34, причем указанная заземленная пластина или заземленный противовес представляет собой, например, стенку волновода или объемного резонатора, или часть структуры механического транспортного средства (такого как автомобиль, грузовик, самолет или танк). Запитка апертуры может осуществляться с помощью любого обычного способа, такого как с помощью коаксиального кабеля 11, или планарной микрополоски или полосковой линии передачи (11), которые приведены здесь в качестве некоторых примеров.

На фигуре 16 изображен другой предпочтительный вариант воплощения, в котором кривые 41 КЗП сформированы в виде щели в стенке волновода 47 произвольного поперечного сечения. Таким способом сформирована волноводно-щелевая антенная решетка, в которой используется преимущество уменьшения размера путем использования кривых КЗП.

На фигуре 17 изображен еще один предпочтительный вариант воплощения, в данном случае рупорная антенна 48, в которой поперечное сечение антенны выполнено в форме кривой 25 КЗП. В данном случае, преимущество проявляется не только в свойстве уменьшения размеров, благодаря геометрии КЗП, но также и в широкополосной характеристике, которая была получена, благодаря приданию такой формы поперечному сечению рупора. Примитивные версии этой техники были разработаны ранее в виде рупорных антенн Риджа (Ridge). В указанных случаях известного уровня техники для расширения ширины полосы пропускания антенны используется одиночный квадратный зубец, установленный, по меньшей мере, на двух противоположных стенках рупора. Более богатая структура кривой КЗП дополнительно расширяет полосу пропускания по сравнению с известным уровнем техники.

На фигуре 18 представлена другая типичная конфигурация антенны, рефлекторная антенна 49, в которой используется описанный подход формирования периметра отражателя с помощью кривой КЗП. Отражатель может быть плоским или криволинейным, в зависимости от варианта использования или схемы запитки (например, с использованием конфигурации отражательной антенной решетки, отражатели КЗП предпочтительно будут плоскими, в то время как при использовании запитываемых из фокуса параболических антенных отражателей, поверхность, заключенная внутри кривой КЗП, предпочтительно, будет изогнутой, приближаясь к параболической поверхности). Кроме того, с использованием сущности отражающих поверхностей кривых КЗП также могут быть построены частотно-избирательные поверхности (ЧИП)(FSS); в этом случае КЗП используется для формирования повторяющегося узора ЧИП. В указанных конфигурациях ЧИП предпочтительно используются элементы КЗП, по сравнению с известным уровнем техники, поскольку уменьшенный размер структуры КЗП позволяет обеспечить более тесное расположение указанных элементов. Аналогичное преимущество достигается, когда используют элементы КЗП в отражающих антенных решетках.

После пояснения и описания принципов нашего изобретения на примере нескольких предпочтительных вариантов его воплощения для специалистов в данной области техники будет очевидно, что настоящее изобретение может быть модифицировано по своей компоновке и в деталях, без отхода от описанных принципов. Мы заявляет все модификации, вытекающие из объема и сущности прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к технике антенн уменьшенного размера, основанных на новой геометрии кривых, заполняющих пространство (КЗП). Техническим результатом является уменьшение размера антенны, более низкая резонансная частота, высокое значение добротности, высокая полоса пропускания, высокое сопротивление возбуждения и улучшенная эффективность. Предложена антенна, в которой одна из ее частей сформирована в виде КЗП, причем указанная КЗП определяется как непериодическая кривая, состоящая, по меньшей мере, из десяти соединенных прямых сегментов, длина каждого из которых меньше, чем одна десятая рабочей длины волны в свободном пространстве, и пространственно они расположены таким образом, что ни один из расположенных рядом друг с другом и соединенных сегментов не формирует другого, более длинного прямого сегмента и не пересекает другой сегмент, и в которой КЗП обладает таким свойством, что размер подсчета ее клеток больше единицы. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 25 ил.

1. Антенна, в которой, по меньшей мере, одна из ее частей сформирована в виде кривой, заполняющей пространство (далее КЗП), причем указанная КЗП определяется как непериодическая кривая, состоящая, по меньшей мере, из десяти соединенных прямых сегментов, длина каждого из которых меньше, чем одна десятая рабочей длины волны в свободном пространстве, и пространственно они расположены таким образом, что ни один из расположенных рядом друг с другом и соединенных сегментов не формирует другого, более длинного прямого сегмента и не пересекает другой сегмент, и в которой КЗП обладает таким свойством, что размер подсчета ее клеток больше единицы, причем указанный размер подсчета клеток подсчитывается, как наклон прямой части графика с логарифмическим масштабом на обеих осях, в котором такая прямая часть, по существу, определяется как прямой сегмент в пределах, по меньшей мере, октавы шкал горизонтальных осей графика с логарифмическим масштабом на обеих осях.2. Антенна по п.1, в которой КЗП характеризуется величиной размера подсчета ее клеток больше 1,1.3. Антенна по п.1, в которой КЗП характеризуется величиной размера подсчета ее клеток больше 1,5.4. Антенна по п.1, в которой КЗП характеризуется величиной размера подсчета ее клеток больше 1,8.5. Антенна по любому из предыдущих пунктов, в которой сегменты пересекаются в концах кривой.6. Антенна по п.1, в которой углы, формируемые каждой из пар указанных соседних сегментов, выполнены скругленными или сглаженными.7. Антенна по любому из пп.1-6, которая выполнена периодической вдоль фиксированного прямого направления в пространстве, если и только если период определяется непериодической кривой, состоящей, по меньшей мере, из десяти соединенных сегментов, и ни одна из пар соседних и соединенных сегментов не образует прямой более длинный сегмент.8. Антенна по любому из пп.1-7, в которой, по меньшей мере, одна из ее частей сформирована в виде КЗП, имеющей форму кривой Гильберта либо кривой Пеано.9. Антенна по любому из пп.1-7, в которой, по меньшей мере, одна из ее частей сформирована в виде КЗП, имеющей форму кривой SZ, ZZ, ГильбертаZZ, Пеаноinc, Пеаноdec или кривой ПеаноZZ.10. Антенна по любому из предыдущих пунктов, которая содержит излучающий элемент, по меньшей мере, часть которого имеет форму КЗП, и которая содержит дополнительно цепь, подключенную к излучающему элементу и предназначенную для подключения ко входному соединителю или линии передачи, причем указанная цепь представляет собой цепь согласования, цепь преобразователя импеданса, цепь симметрирующего устройства, цепь фильтра, цепь частотной развязки или дуплексную цепь.11. Антенна по любому из предыдущих пунктов, которая представляет собой антенну в виде симметричного вибратора, содержащего два электропроводных или сверхпроводящих плеча, в которой, по меньшей мере, часть из, по меньшей мере, одного из плеч симметричного вибратора сформирована в виде КЗП, имеющей форму кривой Гильберта, Пеано, ГильбертаZZ, SZ, Пеаноinc, Пеаноdec, ПеаноZZ или кривой ZZ.12. Антенна по любому из пп.1-10, которая представляет собой антенну в виде несимметричного вибратора, содержащую излучающее плечо и заземленный противовес, в которой, по меньшей мере, часть излучающего плеча сформирована в виде КЗП, имеющей форму кривой Гильберта, Пеано, ГильбертаZZ, SZ, Пеаноinc, Пеаноdec, ПеаноZZ или ZZ.13. Антенна по любому одному из пп.1-10, которая представляет собой щелевую антенну, содержащую, по меньшей мере, электропроводную или сверхпроводящую поверхность, которая включает щель, сформированную в виде КЗП, имеющей форму кривой Гильберта, Пеано, ГильбертаZZ, SZ, Пеаноinc, Пеаноdec, ПеаноZZ или кривой ZZ, и в которой указанная щель заполнена диэлектриком или может быть нанесена на диэлектрическую подложку, а электропроводная или сверхпроводящая поверхность, включающая указанную щель, представляет собой стенку волновода, стенку объемного резонатора, электропроводную пленку на оконном стекле механического транспортного средства или часть металлической структуры механического транспортного средства.14. Антенна по любому из пп.1-7, которая представляет собой петлевую антенну, содержащую электропроводный или сверхпроводящий провод, по меньшей мере, часть которого сформирована в виде КЗП, имеющей форму кривой Гильберта, Пеано, ГильбертаZZ, SZ, Пеаноinc, Пеаноdec, ПеаноZZ или кривой ZZ.15. Антенна по любому из пп.1-7, которая представляет собой петлевую антенну, содержащую электропроводную или сверхпроводящую поверхность с петлей в виде щели или зазора, сформированной с помощью штамповки на электропроводной или сверхпроводящей поверхности, при этом часть петли в виде щели или зазора сформирована в виде КЗП, имеющей форму кривой Гильберта, Пеано, ГильбертаZZ, SZ, Пеаноinc, Пеаноdec, ПеаноZZ или кривой ZZ.16. Антенна по любому одному из пп.1-7, которая представляет собой панельную антенну, содержащую, по меньшей мере, электропроводную или сверхпроводящую заземленную пластину и электропроводную или сверхпроводящую панель, установленную параллельно указанной заземленной пластине, при этом периметр панели сформирован в виде КЗП, имеющей форму кривой Гильберта, Пеано, ГильбертаZZ, SZ, Пеаноinc, Пеаноdec, ПеаноZZ или кривой ZZ.17. Антенна по любому из пп.1-7, которая представляет собой панельную антенну, причем щель или апертура панели сформирована в виде КЗП, имеющей форму кривой Гильберта, Пеано, ГильбертаZZ, SZ, Пеаноinc, Пеаноdec, ПеаноZZ или кривой ZZ.18. Антенна по любому из пп.1-7, которая представляет собой апертурную антенну, содержащую, по меньшей мере, электропроводную или сверхпроводящую поверхность и апертуру, сформированную на указанной поверхности, в которой периметр апертуры сформирован в виде КЗП, имеющей форму кривой Гильберта, Пеано, ГильбертаZZ, SZ, Пеаноinc, Пеаноdec, ПеаноZZ или кривой ZZ, и в которой указанная электропроводная или сверхпроводящая поверхность, включающая апертуру или щель, представляет собой стенку волновода, стенку объемного резонатора, прозрачную электропроводную пленку на оконном стекле механического транспортного средства или часть металлической структуры механического транспортного средства, в которой указанная щель может быть заполнена диэлектриком или может быть нанесена на диэлектрическую подложку.19. Антенна по любому из пп.1-7, которая представляет собой рупорную антенну, причем поперечное сечение рупора сформировано в виде КЗП, имеющей форму кривой Гильберта, Пеано, ГильбертаZZ, SZ, Пеаноinc, Пеаноdec, ПеаноZZ или кривой ZZ.20. Антенна по любому из пп.1-7, которая представляет собой рефлекторную антенну, периметр отражателя которой сформирован в виде КЗП, имеющей форму кривой Гильберта, Пеано, Гильберта ZZ, SZ, Пеаноinc, Пеаноdec, Пеано ZZ или кривой ZZ.21. Антенна по любому из пп.1-7, которая представляет собой частотно-избирательную поверхность (ЧИП), причем ЧИП содержит электропроводную или сверхпроводящую поверхность, на которой сформирована с помощью прессования, по меньшей мере, одна щель в виде КЗП, имеющей форму кривой Пеано, ГильбертаZZ, SZ, Пеаноinc, Пеаноdec, ПеаноZZ или кривой ZZ.22. Антенна по любому из пп.1-7, которая представляет собой частотно-избирательную поверхность (ЧИП), причем указанная ЧИП содержит диэлектрическую поверхность, поверх которой напечатана электропроводная или сверхпроводящая структура с использованием любой из известных технологий производства, форма которой, по меньшей мере, частично выполнена в виде КЗП, имеющей форму кривой Пеано, ГильбертаZZ, SZ, Пеаноinc, Пеаноdec, ПеаноZZ или кривой ZZ.23. Набор антенн, заполняющих пространство, которые выполнены согласно любому из предыдущих пунктов, в котором, по меньшей мере, две из антенн указанного набора приспособлены для работы на различных частотах с обеспечением охвата различных служб связи, указанные антенны в любой из описанных конфигураций выполнены с возможностью одновременной запитки с помощью цепи распределения или с использованием цепи частотной развязки, соответственно.