МНОГОДИАПАЗОННАЯ Г-ОБРАЗНАЯ АНТЕННА Российский патент 2010 года по МПК H01Q9/42 H01Q21/30 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение, в целом, относится к многодиапазонным антеннам, а более точно, к многодиапазонным Г-образным антеннам для использования в глобальных спутниковых системах определения местоположения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Приемники в глобальных навигационных спутниковых системах (GNSS), таких как глобальная система определения местоположения (GPS), используют измерения дальности, которые основаны на сигналах прямой видимости, широковещательно передаваемых спутниками. Приемники измеряют время прихода одного или более из широковещательных сигналов. Это измерение времени прихода включает в себя измерение времени, основанное на кодированной порции сигнала грубого обнаружения, называемое псевдодальностью, и измерение фазы.

В GPS, сигналы, широковещательно передаваемые спутниками, имеют частоты, которые находятся в одной или нескольких полосах частот, в том числе, L1-диапазоне (от 1565 до 1585 МГц), L2-диапазоне (от 1217 до 1237 МГц), L5-диапазоне (от 1164 до 1189 МГц) и L-диапазоне (от 1520 до 1560 МГц). Другие GNSS широковещательно передают сигналы в аналогичных диапазонах частот. Для того чтобы принимать один или более широковещательных сигналов, приемники в GNSS часто имеют множество антенн, соответствующих диапазонам частот сигналов, широковещательно передаваемых спутниками. Множество антенн и связанная электроника входных каскадов добавляют сложность и стоимость приемников в GNSS. В дополнение, использование множества антенн, которые физически смещены одна относительно другой, может ухудшать точность измерений дальности и, таким образом, определения местоположения, определяемого приемником.

Поэтому есть потребность в улучшенных антеннах для использования в приемниках в GNSS для принятия мер по поводу проблем, связанных с существующими антеннами.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описаны варианты осуществления многодиапазонной антенны. В некоторых вариантах осуществления антенна включает в себя первый антенный элемент и второй антенный элемент. Первый антенный элемент и второй антенный элемент сконфигурированы для передачи и приема сигналов в первом диапазоне частот и во втором диапазоне частот. Частоты во втором диапазоне частот являются большими, чем частоты в первом диапазоне частот. Первая пара линий задержки, соединенных последовательно, присоединена к первому антенному элементу, а вторая пара линий задержки, соединенных последовательно, присоединена ко второму антенному элементу. Первая линия задержки в первой паре линий задержки и второй паре линий задержки сконфигурирована для сдвига по фазе электрических сигналов, ассоциированных с первым антенным элементом и вторым антенным элементом так, что первый импеданс антенны приблизительно равен в первом диапазоне частот и втором диапазоне частот. Вторая линия задержки в первой паре линий задержки и второй паре линий задержки сконфигурирована для преобразования первого импеданса во второй импеданс.

В примерном варианте осуществления второй импеданс составляет 50 Ом или приблизительно 50 Ом.

Антенна может включать в себя первый резонансный контур, присоединенный к первому антенному элементу, и второй резонансный контур, присоединенный ко второму антенному элементу. Первый резонансный контур и второй резонансный контур сконфигурированы, чтобы каждый имел импеданс, больший чем предопределенное значение, во втором диапазоне частот, так что электрические сигналы, соответствующие первому диапазону частот, вводятся в первый антенный элемент и второй антенный элемент и выводятся из них, а электрические сигналы, соответствующие второму диапазону частот, вводятся в, по существу, часть первого антенного элемента и часть второго антенного элемента, и выводятся из них.

Центральная частота во втором диапазоне частот может составлять приблизительно 5/4 центральной частоты в первом диапазоне частот. В качестве альтернативы, центральная частота во втором диапазоне частот может составлять приблизительно 1,29 центральной частоты в первом диапазоне частот.

Вторая линия задержки в первой паре линий задержки и второй паре линий задержки может иметь импеданс, который приблизительно является геометрическим средним первого импеданса и второго импеданса.

Первый антенный элемент и второй антенный элемент могут быть скомпонованы приблизительно вдоль первой оси антенны.

Каждый из первого антенного элемента и второго антенного элемента может включать в себя несимметричный вибратор, расположенный над плоскостью заземления. Несимметричный вибратор может включать в себя металлический слой, осажденный на печатной плате. Печатная плата может быть пригодна для микроволновых применений. Каждая из первой антенны и второй антенны может быть Г-образной антенной.

В некоторых вариантах осуществления несимметричный вибратор находится в плоскости, которая приблизительно параллельна плоскости, которая включает в себя плоскость заземления. В некоторых вариантах осуществления несимметричный вибратор находится в плоскости, которая приблизительно перпендикулярна плоскости, которая включает в себя плоскость заземления.

В некоторых вариантах осуществления антенна может включать в себя третий антенный элемент и четвертый антенный элемент. Третий антенный элемент и четвертый антенный элемент сконфигурированы для передачи и приема сигналов в первом диапазоне частот и во втором диапазоне частот. Третья пара линий задержки присоединена к третьему антенному элементу, и четвертая пара линий задержки присоединена к четвертому антенному элементу. Третья линия задержки в третьей паре линий задержки и четвертой паре линий задержки сконфигурирована для сдвига по фазе электрических сигналов, ассоциированных с третьим антенным элементом и четвертым антенным элементом так, что первый импеданс антенны приблизительно равен в первом диапазоне частот и втором диапазоне частот. Четвертая линия задержки в третьей паре линий задержки и четвертой паре линий задержки сконфигурирована для преобразования первого импеданса во второй импеданс.

Антенна может включать в себя третий резонансный контур, присоединенный к третьему антенному элементу, и четвертый резонансный контур, присоединенный к четвертому антенному элементу. Каждый из третьего резонансного контура и четвертого резонансного контура сконфигурирован, чтобы иметь импеданс, больший чем предопределенное значение во втором диапазоне частот, так что электрические сигналы, соответствующие первому диапазону частот, передаются на и с третьего антенного элемента и четвертого антенного элемента, а электрические сигналы, соответствующие второму диапазону частот, передаются на и с, по существу, части третьего антенного элемента и части четвертого антенного элемента.

Третий антенный элемент и четвертый антенный элемент могут быть скомпонованы по существу вдоль второй оси антенны. Первая ось и вторая ось могут быть повернуты приблизительно на 90° (одна от другой.

В некоторых вариантах осуществления цепь питания связана с первым, вторым, третьим и четвертым антенными элементами. Цепь питания сконфигурирована для сдвига по фазе электрических сигналов, передаваемых на и с антенных элементов так, что излучение на и с антенны имеет круговую поляризацию. Излучение круговой поляризации на или с антенны может быть с правой круговой поляризацией и левой круговой поляризацией. Цепь питания может быть сконфигурирована для сдвига по фазе электрических сигналов, ассоциированных с соседними антенными элементами в антенне, приблизительно на 90°.

Варианты осуществления многодиапазонной антенны по меньшей мере частично преодолевают ранее описанные проблемы с существующими антеннами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Дополнительные цели и признаки изобретения будут очевидны из последующего подробного описания и прилагаемой формулы изобретения, воспринимаемых совместно с чертежами.

Фиг.1A - структурная схема, иллюстрирующая вид сбоку варианта осуществления многодиапазонной антенны.

Фиг.1B - структурная схема, иллюстрирующая вид сверху варианта осуществления многодиапазонной антенны.

Фиг.2A - структурная схема, иллюстрирующая вид сбоку варианта осуществления многодиапазонной антенны.

Фиг.2B - структурная схема, иллюстрирующая вид сверху варианта осуществления многодиапазонной антенны.

Фиг.2C - структурная схема, иллюстрирующая вид сбоку варианта осуществления многодиапазонной антенны.

Фиг.2D - структурная схема, иллюстрирующая вид сверху варианта осуществления многодиапазонной антенны.

Фиг.3A - структурная схема, иллюстрирующая вид сбоку варианта осуществления многодиапазонной антенны.

Фиг.3B - структурная схема, иллюстрирующая вид сверху варианта осуществления многодиапазонной антенны.

Фиг.4 - структурная схема, иллюстрирующая вариант осуществления цепи питания.

Фиг.5 показывает смоделированную комплексную отражательную способность в полярных координатах как функцию частоты для варианта осуществления многодиапазонной антенны.

Фиг.6 - структурная схема, иллюстрирующая вариант осуществления антенного элемента.

Фи.7 показывает смоделированную комплексную отражательную способность в прямоугольных координатах для варианта осуществления многодиапазонной антенны.

Фиг.8 показывает диапазоны частот, соответствующие глобальной навигационной спутниковой системе.

Фиг.9 - блок-схема, иллюстрирующая вариант осуществления способа использования многодиапазонной антенны.

Одинаковые ссылочные позиции обозначают соответствующие части на различных видах, представленных на чертежах.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Далее будет сделана подробная ссылка на варианты осуществления изобретения, примеры которых проиллюстрированы на прилагаемых чертежах. В последующем подробном описании многочисленные конкретные детали изложены для того, чтобы обеспечить исчерпывающее понимание настоящего изобретения. Однако специалисту в данной области техники будет очевидно, что настоящее изобретение может быть осуществлено на практике без этих конкретных деталей. В других случаях, широко известные способы, процедуры, компоненты и схемы не описываются подробно, чтобы не затенять аспекты настоящего изобретения.

Многодиапазонная антенна покрывает диапазон частот, которые могут быть слишком разнесены, чтобы покрываться с использованием одиночной существующей антенны. В примерном варианте осуществления многодиапазонная антенна используется для передачи или приема сигнала в L1-диапазоне (от 1565 до 1585 МГц), L2-диапазоне (от 1217 до 1237 МГц), L5-диапазоне (от 1164 до 1189 МГц) и L-диапазоне (от 1520 до 1560 МГц). Эти четыре L-диапазона обрабатываются как два отдельных диапазона частот: первый диапазон частот приблизительно от 1164 до 1237 МГц и второй диапазон частот приблизительно от 1520 до 1585 МГц. Приблизительно центральные частоты этих двух диапазонов расположены на 1200 МГц (f₁) и 1552 МГц (f₂). Эти конкретные частоты и диапазоны частот являются всего лишь примерными, и другие частоты и диапазоны частот могут использоваться в других вариантах осуществления.

Многодиапазонная антенна также сконфигурирована, чтобы иметь по существу постоянный импеданс (иногда называемый общим импедансом) в первом и втором диапазоне частот. Эти характеристики могут позволять приемникам в GNSS, таким как GPS, использовать меньшее количество или даже одну антенну для приема сигналов в множестве диапазонов частот.

Хотя варианты осуществления многодиапазонной антенны для GPS используются для иллюстративных примеров в обсуждении, которое следует, должно быть понятно, что многодиапазонная антенна может применяться в многообразных применениях, включая беспроводную связь, сотовую телефонию, а также другие GNSS. Хотя варианты осуществления многодиапазонной антенны извлекают выгоду из фазовых соотношений в двух интересующих диапазонах частот, описанный метод может свободно применяться к многообразию типов антенн и конструкций для использования в разных диапазонах частот.

Далее внимание направлено на варианты осуществления многодиапазонной антенны. Фиг.1A и 1B - структурные схемы, иллюстрирующие виды сбоку и сверху варианта осуществления многодиапазонной антенны 100. Антенна 100 включает в себя плоскость заземления 110 и два Г-образных элемента 112. Г-образные элементы 112 скомпонованы приблизительно вдоль первой оси антенны 100. Электрические сигналы 130 передаются на и с Г-образных элементов с использованием сигнальных линий 122. В некоторых вариантах осуществления, сигнальными линиями 122 являются коаксиальные кабели, а плоскостью заземления 110 является металлический слой (например, в или на печатной плате), пригодный для микроволновых применений.

Каждый из Г-образных элементов 122 имеет два сегмента 126, 127. Первый сегмент 126 (например, 126-1, у Г-образного элемента 112-1) имеет длину (когда проецируется на плоскость заземления 110) L_A+L_B, и второй сегмент 127 имеет длину (когда проецируется на плоскость заземления 110) L_E. Первый и второй сегменты 126, 127 каждого Г-образного элемента 122 электрически отделены друг от друга параллельным резонансным контуром 124 (например, параллельным резонансным контуром 124-1 для Г-образного элемента 122-1).

В первом диапазоне частот, параллельные резонансные контуры 124 имеют низкий импеданс, а потому предоставляют электрическим сигналам 130 возможность передаваться в оба сегмента Г-образных элементов 112. Во втором диапазоне частот, однако, параллельные резонансные контуры 124 имеют высокий импеданс и эффективно блокируют электрические сигналы 130 от достижения вторых сегментов 127 Г-образных элементов 122. С другой точки зрения, для сигналов в первом диапазоне частот, эффективная длина каждого антенного элемента 122-1, 122-2 составляет L_A+L_B+L_E, в то время как для сигналов во втором диапазоне частот эффективная длина каждого антенного элемента 122-1, 122-2 составляет L_A+L_B.

В примерном варианте осуществления, каждый экземпляр параллельного резонансного контура 124 может быть параллельными катушкой индуктивности и конденсатором. Параллельный резонансный контур 124 иногда называют резонансным контуром. Например, параллельный резонансный контур 124 может демонстрировать резонанс на центральной частоте f₂ во втором диапазоне частот. Таким образом, параллельный резонансный контур 124 может использоваться, чтобы действовать как режекторный фильтр для электрических сигналов 130 во втором диапазоне частот.

Каждый из Г-образных элементов 112, такой как Г-образный элемент 112-1, может содержать несимметричный вибратор над плоскостью заземления 110. В антенне 100, несимметричный вибратор находится в плоскости, которая приблизительно параллельна плоскости, которая включает в себя плоскость заземления 110. Несимметричный вибратор может быть реализован с использованием металлического слоя, осажденного на печатной плате. Несимметричный вибратор при работе во втором диапазоне частот может иметь длину L_A+L_B (114, 116), толщину 132, ширину 134 и может быть на расстоянии L_D 120 над плоскостью заземления 110. Как отмечено выше, при работе в первом диапазоне частот, несимметричный вибратор имеет длину L_A+L_B+L_E (114, 116, 117). Два Г-образных элемента 112 могут быть разделены расстоянием L_C 118. Г-образный элемент 112-1 может иметь наклонную секцию, которая имеет длину, проецируемую на плоскость заземления 110, L_A 114. Эта наклонная часть может изменять диаграмму направленности антенны 100. Однако она не изменяет характеристики электрического импеданса антенны 100.

В некоторых вариантах осуществления антенна 100 может включать в себя дополнительные компоненты или меньшее количество компонентов. Функции двух или более компонентов могут комбинироваться. Расположения двух или более компонентов могут быть изменены. Например, несимметричные вибраторы в Г-образных элементах 112 могут иметь альтернативные геометрические характеристики. Это показано на фиг.2A и 2B, которые являются структурными схемами, иллюстрирующими виды сбоку и сверху варианта осуществления многодиапазонной антенны 200. Многодиапазонная антенна 200 подобна антенне 100 (фиг.1A и 1B) и может иметь характеристику коэффициента усиления и электрический импеданс, подобные антенне 100 (фиг.1A и 1B). В антенне 200 несимметричные вибраторы в Г-образных элементах 211 находятся в плоскости, которая перпендикулярна, или приблизительно перпендикулярна, плоскости, которая включает в себя плоскость заземления 110. Соответствующий несимметричный вибратор, такой как в Г-образном элементе 212-1, может иметь длину L_A+L_B+L_E (214, 216, 217) при работе в первом диапазоне частот, длину L_A+L_B (214, 216) при работе во втором диапазоне частот, толщину 222, ширину 224 и может быть на расстоянии L_D 220 над плоскостью заземления 110. Два Г-образных элемента 212 могут быть разделены расстоянием L_C 218. Г-образный элемент 212-1 также может иметь наклонную часть, которая имеет длину, проецируемую на плоскость заземления 110, L_A 212. Эта наклонная часть может изменять диаграмму направленности антенны 200. Однако она не изменяет характеристики электрического импеданса антенны 200.

В некоторых вариантах осуществления, антенна 200 может включать в себя дополнительные компоненты или меньшее количество компонентов. Например, фиг.2C и 2D иллюстрируют вариант 250 осуществления без параллельного резонансного контура 124. Г-образный элемент 212-1 имеет фиксированную или статическую длину L_A+L_B (214, 260) при работе в первом диапазоне частот и втором диапазоне частот. Функции двух или более компонентов могут комбинироваться. Расположения двух или более компонентов могут быть изменены.

В других вариантах осуществления, антенна 200 или антенна 100 (фиг.1A и 1B) может включать в себя дополнительные Г-образные элементы. Это показано на фиг.3A и 3B, которые являются структурными схемами, иллюстрирующими вариант осуществления многодиапазонной антенны 300, имеющей четыре Г-образных элемента со 112-1 по 112-4. Хотя не показано, также есть варианты осуществления с четырьмя Г-образными элементами, соответствующими геометрии Г-образного элемента в антенне 200 (фиг.2A и 2B) или антенне 250 (фиг.2C и 2D). Г-образные элементы 112-1 и 112-2 скомпонованы приблизительно вдоль первой оси антенны 300. Г-образные элементы 112-3 и 112-4 скомпонованы приблизительно вдоль второй оси антенны 300. Вторая ось может быть повернута приблизительно на 90(по отношению к первой оси.

Антенна 300 не включает в себя соответствующие параллельные резонансные контуры, такие как резонансные контуры 124 (фиг.2), в каждом из Г-образных элементов 112. В некоторых вариантах осуществления, однако, каждый из Г-образных элементов 112 антенны 300 включает в себя соответствующий параллельный резонансный контур (не показан), отделяющий первый и второй сегменты каждого соответствующего Г-образного элемента 112. Параллельные резонансные контуры выполняют функцию, подобную параллельным резонансным контурам 124 (фиг.1A и 1B), описанным выше.

В некоторых вариантах осуществления антенна 300 может включать в себя дополнительные компоненты или меньшее количество компонентов. Функции двух или более компонентов могут комбинироваться. Расположения двух или более компонентов могут быть изменены.

Как проиллюстрировано на фиг.4, цепь 400 питания может быть присоединена к антенне 300 (фиг.3A и 3B), чтобы выдавать надлежащим образом фазированные электрические сигналы 310 на Г-образные элементы 112. Гибридный тройник 412 180(принимает входной электрический сигнал 410 и выводит два электрических сигнала, которые сдвинуты по фазе приблизительно на 180(один по отношению к другому. Каждый из этих электрических сигналов ассоциирован с одним из гибридных тройников 414 90°. Гибридные тройники 414 90° выводят электрические сигналы 310. Поэтому соответствующий электрический сигнал, такой как электрический сигнал 310-1, может иметь фазовый сдвиг приблизительно в 90° относительно соседних электрических сигналов 310. В этой конфигурации, цепь 400 питания упоминается как квадратурная цепь питания. Фазовая конфигурация электрических сигналов 310 дает в результате антенну 300 (фиг.3A и 3B), имеющую диаграмму излучения круговой поляризации. Излучение может быть с правой круговой поляризацией (RHCP) или левой круговой поляризацией (LHCP). Отметим, что чем ближе относительные фазовые сдвиги электрических сигналов 310 к 90° (и чем более равномерно амплитуды электрических сигналов 310 соответствуют друг другу, тем лучше будет коэффициент эллиптичности антенны 300 (фиг.3A и 3B).

В некоторых вариантах осуществления цепь 400 питания может включать в себя дополнительные компоненты или меньшее количество компонентов. Функции двух или более компонентов могут комбинироваться. Расположения двух или более компонентов могут быть изменены.

Далее внимание направлено на иллюстративные варианты осуществления многодиапазонной антенны и фазовые соотношения, которые имеют место в по меньшей мере двух интересующих диапазонах частот. Хотя обсуждение фокусируется на антенне 300 (фиг.3A и 3B), должно быть понятно, что этот подход может применяться к другим вариантам осуществления антенны.

Со ссылкой на фиг.3A и 3B, геометрия Г-образных элементов 112 может быть определена на основании длины λ волны (в вакууме), соответствующей первому диапазону частот, к примеру центральной частоте f₁ первого диапазона частот. (Длина λ волны центральной частоты f₁ равна c/f₁, где c - скорость света в вакууме). В некоторых вариантах осуществления Г-образные элементы 112 и/или 212 поддерживаются печатными платами, которые перпендикулярны плоскости заземления 110. Например, Г-образные элементы 112 и/или 212 могут быть нанесены на печатные платы, которые смонтированы перпендикулярно плоскости заземления 110, тем самым реализуя геометрию, проиллюстрированную на фиг.1-3. В примерном варианте осуществления материалом печатной платы является Rogers 4003 толщиной в 0,03 дюйма, который является материалом печатной платы, пригодным для микроволновых применений (он имеет характеристики с малыми потерями, и его диэлектрическая постоянная ε, равная 3,38, является весьма подходящей). С использованием фиг.2A-2D в качестве иллюстрации, длина L_D 220 составляет 0,08λ, длина L_C 218 составляет 0,096λ, длина L_B 260 составляет 0,152λ, ширина 224 составляет 0,024λ, и толщина 222 составляет 0,017 мм. Например, если центральной частотой f₁ являются 1200 МГц, длина L_D 120 составляет приблизительно 20 мм, длина L_C 118 составляет приблизительно 24 мм, длина L_Monopole 312 несимметриченого вибратора составляет приблизительно 38 мм, L_C 118 составляет приблизительно 24 мм, а ширина 224 составляет приблизительно 6 мм. (Отметим, что L_Monopole 312 равна L_A+L_B, поскольку L_E равна нулю в варианте 300 осуществления). В этом примерном варианте осуществления, центральная частота f₂ во втором диапазоне частот составляет приблизительно 5/4 (или несколько более точно, 1,293) центральной частоты f₁ в первом диапазоне частот. L_Monopole 312 для центральной частоты f₂ (около 1552 МГц) второго диапазона частот составляет приблизительно 29 мм. Поэтому первый сегмент 126 Г-образных элементов 112 должен быть около 29 мм в длину, а второй сегмент 127 должен быть около 9 мм в длину.

В вариантах осуществления, где Г-образные элементы поддерживаются печатными платами, геометрия Г-образных элементов 112 и/или 212 является функцией диэлектрической постоянной печатной платы или подложки. С использованием фиг.2C и 2D в качестве иллюстративного примера, для антенны, которая работает на этих частотах и имеет подложку толщиной в 0,03 дюйма с диэлектрической постоянной ε, L_B 260, длина L_D 220 и ширина 224, в более общем смысле, могут быть выражены как

L_B=0,152λ(-0,015756ε+1,053256)

L_D=0,08λ(-0,015756ε+1,053256)

и

Ширина=0,024λ(-0,015756ε+1,053256).

Если используется подложка с меньшей диэлектрической постоянной ε, длины Г-образных элементов 112 и/или 212 будут большими для данной центральной частоты f₁. Отметим, что L_C почти независима от ε.

Геометрия антенны 300 обладает полезными свойствами. Это проиллюстрировано на фиг.5, которая показывает смоделированную комплексную отражательную способность 514 Г-образного элемента (которая является зависимой от импеданса), такого как Г-образный элемент 112-1, в полярных координатах как функция частоты, что упоминается как диаграмма Смита. Комплексная отражательная способность 514 отнесена к основанию Г-образного элемента 112-1, прямо над плоскостью заземления 110. На диаграмме Смита окружности 510 обозначают постоянное активное сопротивление, а дуги 512 обозначают постоянное реактивное сопротивление. Горизонтальная линия 512-4 соответствует вещественным значениям импеданса, то есть значениям активного сопротивления с нулевой реактивной составляющей. Дальний левый край горизонтальной линии 512-4 представляет 0 Ом, а дальний правый представляет ∞ Ом (бесконечное активное сопротивление). Пересечение 516 с нулем соответствует центральной частоте f₁ в первом диапазоне частот. Пересечение 518 с нулем соответствует центральной частоте f₂ во втором диапазоне частот. В примерном варианте осуществления, пересечением 516 с нулем является частота 1200 МГц с импедансом 12,5 Ом, а пересечением 518 с нулем является частота 1552 МГц с импедансом 200 Ом. Если бы Г-образный элемент 112-1 вместо этого должен был иметь импеданс приблизительно в 50 Ом в первом диапазоне частот и втором диапазоне частот, могла бы быть почти нулевая отражательная способность по сигнальным линиям, которые передают электрические сигналы 310 на антенну 300 (фиг.3A и 3B). При условии фазовых соотношений, проиллюстрированных на диаграмме Смита, это может достигаться выполнением преобразования импеданса.

Фиг.6 иллюстрирует вариант 600 осуществления, включающий в себя Г-образный элемент 112-1, плоскость заземления 610 и две линии задержки 612, присоединенные последовательно для реализации цепи преобразования импеданса. Линии задержки 612 вносят разные сдвиги по фазе в электрический сигнал 310-1 на разных частотах. В частности, линия 612-1 задержки имеет длину d₁ 614-1, а линия 612-2 задержки имеет длину d₂ 614-2. Длина d₁ 614-1 выбрана из условия, чтобы она соответствовала сдвигу по фазе приблизительно на 360° на центральной частоте f₁ и сдвигу по фазе приблизительно на 540° (360°+180°) на центральной частоте f₂. Таким образом, импеданс Г-образного элемента 112-1 в первом и втором диапазоне частот будет приблизительно одинаковым (то есть импедансом на центральной частоте f₁).

Длина d₂ 614-2 второй линии 612-2 задержки выбрана так, что она соответствует сдвигу по фазе 90° (λ/4) на частотах, ближайших к первому и второму диапазонам частот. По этой причине вторая линия 612-2 задержки может называться четвертьволновой линией. В дополнение, вторая линия 612-2 задержки имеет характеристический импеданс, который равен или приблизительно равен геометрическому среднему импеданса на центральной частоте f₁ и требуемого конечного импеданса в 50 Ом. Таким образом, импеданс Г-образного элемента 112-1 трансформируется приблизительно в 50 Ом в первом диапазоне частот и втором диапазоне частот. Подобные цепи преобразования импеданса могут применяться к другим Г-образным антенным элементам 112 в антенне 100 (фиг.1A и 1B), антенне 200 (фиг.2A, 2B), антенне 250 (фиг.2C и 2D) и/или антенне 300 (фиг.3A и 3B).

В примерном варианте осуществления, на 1200 МГц, сдвиг по фазе 360° соответствует 0,250 м. На 1552 МГц, сдвиг по фазе 270° соответствует 0,242 м. Эти две длины находятся в пределах 3% друг друга. Как следствие, если длина d₁ 614-1 находится в диапазоне 0,242-0,250 м, импеданс на 1200 МГц остается почти неизменным (12,5 Ом), а импеданс на 1552 МГц сдвигается по фазе на дополнительные 180°, имея следствием импеданс, который приблизительно такой же, как на 1200 МГц. В качестве компромисса, длина d₂ 614-2 соответствует 1377 МГц (приблизительно середине расстояния между 1200 и 1552 МГц). В одном из вариантов осуществления характеристический импеданс четвертьволновой линии 612-2 задержки составляет приблизительно 25 Ом. Это имеет результатом приблизительный импеданс 50 Ом на 1200 и 1552 МГц.

В некоторых вариантах осуществления вариант 600 осуществления может включать в себя дополнительные компоненты или меньшее количество компонентов. Функции двух или более компонентов могут комбинироваться. Расположения двух или более компонентов могут быть изменены. Хотя вариант 600 осуществления иллюстрирует преобразование импеданса, применяемое к двум модам антенны, в других вариантах осуществления подобные преобразования импеданса могут применяться к более чем двум модам антенны.

Фиг.7 показывает смоделированную комплексную отражательную способность, в том числе амплитуду 712 и фазу 714, в прямоугольных координатах как функцию частоты 710 для варианта осуществления многодиапазонной антенны, такой как описанная выше. Антенна, такая как антенна 300 (фиг.3A и 3B), демонстрирует низкие потери на отражение или хорошее согласование (как показано низкой амплитудой 712 отражательной способности) в окрестности 1200 и 1552 МГц. Как описано ниже со ссылкой на фиг.8, эти частоты соответствуют центральным частотам первого диапазона частот и второго диапазона частот. Это указывает, что конструкция антенны способна поддерживать по меньшей мере двухдиапазонную работу.

Фиг.8 показывает диапазоны частот, соответствующие глобальной навигационной спутниковой системе, включающие в себя L1-диапазон (от 1565 до 1585 МГц), L2-диапазон (от 1217 до 1237 МГц), L5-диапазон (от 1164 до 1189 МГц) и L-диапазон (от 1520 до 1560 МГц). В примерном варианте осуществления многодиапазонной антенны, описанном выше, первый диапазон частот 812-1 включает в себя 1164-1237 МГц, а второй диапазон частот 812-2 включает в себя 1520-1585 МГц. Отметим, что даже если 1200 и 1552 МГц не точно равны центральным частотам этих диапазонов (также называемым центральными частотами диапазона), они достаточно близки к центральным частотам диапазонов для достижения требуемых свойств антенны. (Центральные частоты фактически расположены на частотах 1200,5 МГц и 1552,5 МГц, только на 0,5 МГц более высоких, чем номинальные значения, используемые для проектирования линий 612 задержки на фиг.6 и параллельного резонансного контура 124 на фиг.1A). В частности, многодиапазонная антенна имеет низкие потери на отражение в первом диапазоне частот 812-1 и втором диапазоне частот 812-2. В дополнение, первый диапазон частот 812-1 охватывает диапазоны L2 и L5, а второй диапазон частот 812-2 охватывает L1-диапазон и L-диапазон. Таким образом, одиночная многодиапазонная антенна способна передавать и/или принимать сигналы в этих четырех диапазонах GPS.

Далее внимание направлено на варианты процессов использования многодиапазонной антенны.

Фиг.9 - блок-схема, иллюстрирующая вариант 900 осуществления использования многодиапазонной антенны. Электрические сигналы, ассоциированные с первым антенным элементом и вторым антенным элементом в антенне, сдвигаются по фазе (910). Электрические сигналы преобразуются, так что первый импеданс антенны преобразуется во второй импеданс антенны (912).

В некоторых вариантах осуществления вариант 900 осуществления может включать в себя меньшее количество или дополнительные операции. Очередность операций может быть изменена. По меньшей мере две операции могут быть объединены в одиночную операцию.

Вышеизложенное описание, в целях пояснения, использовало специальную терминологию для обеспечения исчерпывающего понимания изобретения. Однако специалисту в данной области техники будет очевидно, что специфические детали не требуются для того, чтобы осуществить изобретение на практике. Варианты осуществления выбирались и описывались для того, чтобы лучше всего разъяснять принципы изобретения и их практические применения, чтобы, тем самым, дать возможность другим специалистам в данной области техники лучше всего использовать изобретение и различные варианты осуществления с различными модификациями, которые являются подходящими для предполагаемого конкретного использования. Таким образом, предшествующее раскрытие не подразумевается исчерпывающим или ограничивающим изобретение точными раскрытыми формами. Многие модификации и варианты возможны ввиду вышеприведенных решений.

Подразумевается, что объем изобретения определен последующей формулой изобретения и ее эквивалентами.

Антенна (100) включает в себя первый антенный элемент и второй антенный элемент. Первый антенный элемент и второй антенный элемент сконфигурированы для передачи и приема сигналов в первом диапазоне частот и во втором диапазоне частот. Первая пара линий (612) задержки присоединена к первому антенному элементу, и вторая пара линий задержки присоединена ко второму антенному элементу. Первая линия задержки в первой паре линий (612) задержки и второй паре линий задержки сконфигурирована для сдвига по фазе электрических сигналов (310), ассоциированных с первым антенным элементом и вторым антенным элементом так, что первый импеданс антенны приблизительно равен в первом диапазоне частот и втором диапазоне частот. Вторая линия задержки в первой паре линий задержки и второй паре линий задержки сконфигурирована для преобразования первого импеданса во второй импеданс. Улучшение точности измерения дальности, и таким образом, улучшение определения местоположения, определяемого приемником, является техническим результатом изобретения. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Антенна, содержащая:
первый антенный элемент и второй антенный элемент, при этом первый антенный элемент и второй антенный элемент сконфигурированы для передачи и приема сигналов в первом диапазоне частот и во втором диапазоне частот, и при этом частоты во втором диапазоне частот больше, чем частоты в первом диапазоне частот; и
первую пару линий задержки, присоединенную к первому антенному элементу, и
вторую пару линий задержки, присоединенную ко второму антенному элементу, при этом первая линия задержки в первой паре линий задержки и второй паре линий задержки сконфигурирована для сдвига по фазе электрических сигналов, ассоциированных с первым антенным элементом и вторым антенным элементом, так что первый импеданс антенны приблизительно равен в первом диапазоне частот и втором диапазоне частот, и при этом вторая линия задержки в первой паре линий задержки и второй паре линий задержки сконфигурирована для преобразования первого импеданса во второй импеданс.

2. Антенна по п.1, в которой второй импеданс, по существу, составляет 50 Ом.

3. Антенна по п.1, в которой каждый из первого антенного элемента и второго антенного элемента включает в себя несимметричный вибратор, расположенный над плоскостью заземления.

4. Антенна по п.3, в которой каждый из первого антенного элемента и второго антенного элемента является Г-образной антенной.

5. Антенна по п.3, в которой несимметричный вибратор находится в плоскости, которая, по существу, параллельна плоскости, которая включает в себя плоскость заземления.

6. Антенна по п.3, в которой несимметричный вибратор находится в плоскости, которая, по существу, перпендикулярна плоскости, которая включает в себя плоскость заземления.

7. Антенна по п.3, в которой несимметричный вибратор включает в себя металлический слой, осажденный на печатной плате, при этом печатная плата пригодна для микроволновых применений.

8. Антенна по п.1, в которой первый диапазон частот включает в себя от 1164 до 1237 МГц, а второй диапазон частот включает в себя от 1520 до 1585 МГц.

9. Антенна по п.1, в которой центральная частота во втором диапазоне частот составляет приблизительно 5/4 центральной частоты в первом диапазоне частот.

10. Антенна по п.1, в которой вторая линия задержки в первой паре линий задержки и второй паре линий задержки имеет импеданс, который приблизительно является геометрическим средним первого импеданса и второго импеданса.

11. Антенна по п.1, в которой первый антенный элемент и второй антенный элемент по существу скомпонованы вдоль первой оси антенны.

12. Антенна по п.1, дополнительно содержащая:
третий антенный элемент и четвертый антенный элемент, при этом третий антенный элемент и четвертый антенный элемент сконфигурированы для передачи и приема сигналов в первом диапазоне частот и во втором диапазоне частот; и
третью пару линий задержки, присоединенную к третьему антенному элементу, и четвертую пару линий задержки, присоединенную к четвертому антенному элементу, при этом третья линия задержки в третьей паре линий задержки и четвертой паре линий задержки сконфигурирована для сдвига по фазе электрических сигналов, ассоциированных с третьим антенным элементом и четвертым антенным элементом, так что первый импеданс антенны приблизительно равен в первом диапазоне частот и втором диапазоне частот, и при этом четвертая линия задержки в третьей паре линий задержки и четвертой паре линий задержки сконфигурирована для преобразования первого импеданса во второй импеданс.

13. Антенна по п.12, в которой первый антенный элемент и второй антенный элемент по существу скомпонованы вдоль первой оси антенны, при этом третий антенный элемент и четвертый антенный элемент, по существу, скомпонованы вдоль второй оси антенны.

14. Антенна по п.13, в которой первая ось и вторая ось повернуты, по существу, на 90° одна от другой.

15. Антенна по п.13, дополнительно содержащая цепь питания, присоединенную к первому антенному элементу, второму антенному элементу, третьему антенному элементу и четвертому антенному элементу, при этом цепь питания сконфигурирована для сдвига по фазе электрических сигналов, передаваемых на и с первого антенного элемента, второго антенного элемента, третьего антенного элемента и четвертого антенного элемента так, что излучение на и с антенны имеет круговую поляризацию.

16. Антенна по п.15, в которой цепь питания сконфигурирована для сдвига по фазе электрических сигналов, ассоциированных с соседними антенными элементами в антенне, по существу, на 90°.

17. Антенна по п.16, в которой излучение круговой поляризации на или с антенны имеет правую круговую поляризацию.

18. Антенна по п.12, в которой третий антенный элемент содержит первый и второй сегменты, связанные первым резонансным контуром, а четвертый антенный элемент содержит третий и четвертый сегменты, связанные вторым резонансным контуром; при этом первый резонансный контур и второй резонансный контур сконфигурированы, чтобы каждый имел импеданс, больший чем предопределенное значение во втором диапазоне частот, так что электрические сигналы, соответствующие первому диапазону частот, передаются на и с первого и второго сегментов третьего антенного элемента, и третьего и четвертого сегментов четвертого антенного элемента, а электрические сигналы, соответствующие второму диапазону частот, по существу, передаются на и с первого сегмента третьего антенного элемента и третьего сегмента четвертого антенного элемента, но не второго сегмента третьего антенного элемента и не четвертого сегмента четвертого антенного элемента.

19. Антенна по п.1, в которой первый антенный элемент содержит первый и второй сегменты, связанные первым резонансным контуром, а второй антенный элемент содержит третий и четвертый сегменты, связанные вторым резонансным контуром; при этом первый резонансный контур и второй резонансный контур сконфигурированы так, что каждый имеет импеданс, больший чем предопределенное значение во втором диапазоне частот, так что электрические сигналы, соответствующие первому диапазону частот, передаются на и с первого и второго сегментов первого антенного элемента и третьего и четвертого сегментов второго антенного элемента, а электрические сигналы, соответствующие второму диапазону частот, по существу, передаются на и с первого сегмента первого антенного элемента и третьего сегмента второго антенного элемента, но не второго сегмента первого антенного элемента и не четвертого сегмента второго антенного элемента.

20. Антенна, содержащая:
первое средство излучения и второе средство излучения для передачи и приема сигналов в первом диапазоне частот и во втором диапазоне частот, при этом частоты во втором диапазоне частот больше, чем частоты в первом диапазоне частот; и
первое средство задержки, присоединенное к первому средству излучения, и второе средство задержки, присоединенное ко второму средству излучения, при этом первое средство задержки и второе средство задержки предназначены для сдвига по фазе электрических сигналов, ассоциированных с первым средством излучения и вторым средством излучения так, что первый импеданс антенны приблизительно равен в первом диапазоне частот и втором диапазоне частот, и при этом первое средство задержки и второе средство задержки предназначены для преобразования первого импеданса во второй импеданс.

21. Способ, содержащий этапы, на которых:
сдвигают по фазе электрические сигналы, ассоциированные с первым антенным элементом и вторым антенным элементом в антенне,
при этом первый антенный элемент и второй антенный элемент сконфигурированы для передачи и приема сигналов в первом диапазоне частот и во втором диапазоне частот, частоты во втором диапазоне частот больше, чем частоты в первом диапазоне частот, и при этом первый импеданс антенны приблизительно равен в первом диапазоне частот и втором диапазоне частот в соответствии со сдвигом по фазе; и
трансформируют электрические сигналы так, что первый импеданс преобразуется во второй импеданс.