Патент на изобретение №2172045

(54) САМОФАЗИРУЮЩИЙСЯ АНТЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ДИЭЛЕКТРИКОМ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к антеннам, которые самофазируются с использованием диэлектрика. Техническим результатом является уменьшение размеров антенны при сохранении требуемой диаграммы направленности, соответствующей максимальному коэффициенту усиления. Самофазирующийся антенный элемент с двумя парами перекрестно расположенных ветвей осуществляет приемопередачу сигнала на резонансной частоте. Диэлектрик расположен рядом с ветвью для достижения самофазирующей взаимосвязи ветвей на резонансной частоте. Ветви могут образовывать скрещенные рамки или витые скрещенные рамки, например, в элементе спиральной антенны, образованной четырьмя проводами. Диэлектрическая манжета на ветвях одной и той же рамки обеспечивает равное расстояние между проводниками с током в ветвях. Размер антенны уменьшен, а антенный элемент имеет круглое поперечное сечение без ухудшения диаграммы направленности, соответствующей максимальному коэффициенту усиления антенны за счет использования диэлектрика на определенной ветви. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к антеннам, в частности к антенным элементам, которые самофазируются с использованием диэлектрика.

Антенные элементы многих антенн состоят из двух ветвей. В элементах антенн в виде двух скрещенных рамок или спиральных антенн, образованных четырьмя проводами, пара ветвей образует рамку, причем две рамки скрещиваются под углом 90 градусов. Известные спиральные антенны, образованные четырьмя проводами, обычно имеют две скрещенные рамки разной длины. Две рамки перевиты, образуя четвертьволновые, полуволновые, 3/4-волновые и полноволновые спирали. Известны также и другие конфигурации ветвей, образующие диаграммы направленности, с круговой поляризацией.

Две рамки спиральной антенны, образованной четырьмя проводами, излучают с круговой поляризацией, если антенна самофазируется. Известные спиральные антенны, образованные четырьмя проводами, или антенны в виде двух скрещенных рамок самофазируются, когда размеры одной из рамок превышают длину волны, соответствующую искомой резонансной частоте. При этом большая рамка является емкостной и имеет положительную реактивную составляющую, а меньшая рамка является индуктивной и имеет отрицательную реактивную составляющую. В идеальном случае, когда антенный элемент самофазируется, емкостная и индуктивная составляющие нейтрализуются и антенна становится чисто резистивной. В такой самофазирующейся антенне достигается квадратурная или 90-градусная разность фаз между токами в рамках, с обеспечением в них самофазирующей и поляризованной по кругу взаимосвязи по току.

Проблема элементов спиральных антенн, образованных четырьмя проводами, или антенн в форме двух скрещенных рамок состоит в том, что ортогональные рамки выполняют таким образом, что антенные элементы в одном направлении шире, чем в другом. Это обусловлено тем, что одна рамка больше другой. Предпочтительно, чтобы антенный элемент был выполнен максимально узким и максимально тонким. Обычно за счет большей рамки ширина антенны в одном направлении приблизительно на 15 процентов больше, чем в другом. Из-за рамки большего размера приходится выполнять спиральные антенны, образованные четырьмя проводами, или антенны в форме двух скрещенных рамок с овальным поперечным сечением, вместо того, чтобы использовать меньшее и более эстетичное круглое поперечное сечение. Согласно изобретению предлагается уменьшить размер антенны посредством обеспечения меньшего поперечного сечения идеально круглой формы.

Известна возможность уменьшения размера антенны путем сужения или укорочения ее габаритов. Существует возможность попытаться уменьшить соответствующие размеры двух рамок спиральной антенны, образованной четырьмя проводами, таким образом, чтобы рамки имели одинаковый размер. Однако изменение соответствующих размеров заходов в антенне нарушает диаграмму направленности, соответствующую максимальному коэффициенту усиления антенны. Создание выглядящих меньшими антенн путем уменьшения их размеров также снижает максимальный коэффициент усиления антенны на несколько децибел и больше. В таких устройствах, как маломощные переносные спутниковые приемопередатчики для связи с негеосинхронизированными спутниками, важно иметь равномерную диаграмму направленности, соответствующую максимальному коэффициенту усиления антенны, с малыми потерями. Также предпочтительно иметь малые линейные размеры антенн, особенно по диаметру, для повышения портативности и удобства для пользователя. Предлагается уменьшить размер антенны, сохраняя в то же время требуемую диаграмму направленности, соответствующую максимальному коэффициенту усиления антенны, что было недостижимо до настоящего времени без пользования овального поперечного сечения известных спиральных антенн, образованных четырьмя проводами, или антенн в форме двух скрещенных рамок.

Кроме того, многозаходные антенны трудно изготовить с достаточной точностью, необходимы специальные приспособления в процессе производства для спайки заходов, чтобы образовать антенный элемент. Заходы должны иметь точные размеры, чтобы обеспечить идеальную диаграмму направленности, соответствующую максимальному коэффициенту усиления антенны, с минимальными потерями. Желательно также разработать способ для повышения точности многозаходных антенн. Кроме того, необходимы способы, исключающие или уменьшающие количество специальных приспособлений при сборке многозаходных антенн.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает перспективный вид элемента спиральной антенны, образованной четырьмя проводами, с диэлектриком, согласно изобретению;
фиг. 2 – вид сбоку элемента спиральной антенны, образованной четырьмя проводами, с диэлектриком, согласно изобретению;
фиг. 3 – поперечное сечение элемента спиральной антенны, образованной четырьмя проводами, с диэлектриком, изображенного на фиг. 2, согласно изобретению;
фиг. 4 – обтекатель для размещения антенного элемента с диэлектриком, согласно изобретению;
фиг. 5-7 – альтернативный вариант размещения антенного элемента, согласно изобретению;
фиг. 8 – перспективный вид элемента антенны в форме двух скрещенных рамок с диэлектриком, согласно изобретению.

На фиг. 1 представлен перспективный вид заявленного элемента спиральной антенны, образованной четырьмя проводами, с диэлектриком. Элемент спиральной антенны, образованной четырьмя проводами, содержит четыре захода (именуемых также “ветвями”) 110, 120, 130 и 140. Первая пара заходов (ветвей) 110 и 120 образует первую рамку, а вторая пара заходов (ветвей) 130 и 140 образует вторую рамку. Диэлектрические элементы 150 и 160 выполнены смежно с заходами одной из двух рамок спиральной антенны, образованной четырьмя проводами. Диэлектрические элементы 150 и 160 в предпочтительном варианте выполнены в форме манжет, обернутых вокруг захода рамки. Манжета может полностью охватывать заход и образовывать трубчатую изоляцию. Желательно, чтобы манжета охватывала заход частично. Если диэлектрик частично охватывает заход, предпочтительно, чтобы он был обращен к внутренней стороне рамки, как показано на чертеже. Если диэлектрический материал обращен к внутренней стороне рамки, то уменьшаются наружные размеры и антенный элемент имеет меньшее поперечное сечение.

Размеры диэлектрика, такие как длина, толщина, ширина и степень охвата влияют на фазировку токов в данной рамке или заходе. Кроме того, в качестве диэлектрика предпочтительно используют пластик, часто применяемый в процессах прессования под давлением. От вида диэлектрического материала зависит фазировка токов в данной рамке или заходе. Число диэлектрических элементов также влияет на фазировку токов в рамке или заходе. При выполнении диэлектрического элемента иным способом, нежели прессование под давлением, можно использовать другие известные материалы, обеспечивающие нужные диэлектрические свойства.

В процессе изготовления или сборки антенного элемента диэлектрическая манжета, изображенная на фиг. 1, может скользить вверх и вниз по заходу для подстройки или мягкой регулировки фазировки токов в данном заходе. Существует также возможность уменьшить длину выбранного диэлектрического материала в процессе изготовления для регулирования фазировки токов. Помимо уменьшения размера и диаметра поперечного сечения антенны изобретение также обеспечивает простой механизм настройки антенны.

Хотя антенный элемент может самофазироваться и его размер уменьшается при использовании только одного диэлектрического элемента, расположенного рядом с одним заходом, предпочтительно использовать две диэлектрические манжеты 150 и 160 на двух соответствующих заходах. При использовании двух диэлектрических манжет на двух соответствующих заходах можно предусмотреть ферму 170, удерживающую заходы 130 и 140 и расположенную между манжетами 150 и 160. Опора на ферму 170 амортизирует силы сжатия между заходами. Для опоры между заходами можно также использовать несколько ферм 170 или непрерывный отрезок диэлектрика. При использовании фермы 170 для опоры между заходами она же может держать заходы при пайке. Тем самым исключается необходимость в специальных приспособлениях для сохранения положения заходов при сборке.

Элемент спиральной антенны, образованной четырьмя проводами, или антенны в форме двух скрещенных рамок содержит две скрещенные рамки одинакового размера. Когда одна из одинаковых по размеру рамок содержит диэлектрик, она становится более индуктивной, чем другая рамка. Следовательно, если обе рамки являются емкостными без диэлектрика, добавление диэлектрика к одной рамке делает ее индуктивной. Если добавить соответствующее количество диэлектрика определенного типа в соответствующем положении, емкостная и индуктивная составляющие будут нейтрализоваться и антенный элемент станет чисто резистивным. Таким образом достигается самофазировка антенного элемента на резонансной частоте.

На фиг. 2 изображен вид сбоку предложенной спиральной антенны, образованной четырьмя проводами. Фидер 280 в предпочтительном варианте выполнен в виде полужесткой коаксиальной линии передачи, имеющей внутренний проводник, экранированный наружной медной трубкой. Фидер 280 проходит по одному из заходов до точки возбуждения в верхней точке 290 спирального элемента, образованного четырьмя проводами. В точке возбуждения ток возбуждения выходит из коаксиального кабеля или коаксиальной трубки и достигает наружной проводящей поверхности заходов. Точка возбуждения может альтернативно быть расположена в нижней части 295. Соединительная гайка 297 используется для присоединения фидера 280. Возможны разные формы соединения и разные длины фидера 280, не влияющие на характеристики излучения или диаграмму направленности, соответствующую максимальному коэффициенту усиления антенного элемента. Общая конструкция элемента спиральной антенны, образованной четырьмя проводами, или антенны в форме двух скрещенных рамок является известной.

На фиг. 3 показано поперечное сечение спиральной антенны, образованной четырьмя проводами, по фиг. 2. На ней показаны перевитые заходы 310, 320, 330 и 340, обращенные вниз. Частично охватывающие диэлектрические манжеты 350 и 360 удерживаются фермой 370. Также показана соединительная гайка 397.

На фиг. 4 изображен обтекатель 410 для размещения предложенного антенного элемента с диэлектриком. Обтекатель 410 закрывает антенный элемент снаружи, физически размещая в себе заходы. Для уменьшения диаметра поперечного сечения антенного элемента обтекатель 410 можно выполнить настолько малым в диаметре, насколько того требуют практические соображения. При изготовлении обтекателя предпочтительно использовать твердый и легкий материал.

На фиг. 5-7 изображен альтернативный вариант размещения предложенного антенного элемента с диэлектриком. Вместо установки диэлектрических элементов на заходах они располагаются на самом обтекателе. Диэлектрические элементы 520, 530, 540 и 550 предпочтительно впрессованы в соответствующие стороны обтекателя 513 и 515. Согласно одному варианту обтекатель имеет две стороны 513 и 515. Выполнение обтекателя с двумя сторонами 513 и 515 облегчает сборку антенного элемента внутри обтекателя между диэлектрическими элементами 520, 530, 540 и 550. Чтобы обтекатель удерживал диэлектрические элементы, их предпочтительно впрессовывают в тот же материал, что и материал обтекателя. Кроме изображенной квадратной формы диэлектрические элементы 520, 530, 540 и 550 могут иметь другие формы, облегчающие практическое изготовление.

Диэлектрические манжеты 150 и 160 или диэлектрические элементы 520, 530, 540 и 550 предпочтительно касаются заходов для обеспечения механической поддержки антенного элемента. Тем не менее, диэлектрические манжеты 150 и 160 или диэлектрические элементы 520, 530, 540 и 550 могут быть выполнены рядом с антенным элементом, не касаясь его заходов. Расположение диэлектрика вблизи заходов, но без соприкосновения с ними, равным образом обеспечивает самофазировку антенного элемента, но исключает преимущества механической поддержки.

На фиг. 8 изображен вид в перспективе предложенного элемента антенны в форме двух скрещенных рамок с диэлектриком. Антенна в форме двух скрещенных рамок конструкционно напоминает описанный выше элемент спиральной антенны, образованной четырьмя проводами, за исключением того, что две рамки не перевиты. Элемент антенны в форме двух скрещенных рамок имеет четыре ветви 610, 620, 630 и 640. Первая пара ветвей 610 и 620 образует первую рамку, а вторая пара ветвей 630 и 640 образует вторую рамку. Диэлектрик 650 и 660 расположен рядом с ветвями одной из двух рамок.

Описанные с привлечением чертежей варианты выполнения изобретения приведены в качестве примеров и не ограничивают изобретение, так что существует возможность внесения изменений, не выходя за рамки объема изобретения. Хотя на чертежах изображен только один антенный элемент, антенна может быть реализована в виде системы антенных элементов. Данное изобретение не ограничено портативными электронными радиоприборами, такими как радиотелефоны и пейджеры, а может быть использовано и в других устройствах, таких как наземные станции, стационарные кабины спутниковой телефонной связи, а также авиационные и морские станции. Кроме того, принципы изобретения применимы как для спутниковой, так и наземной связи.

Формула изобретения

1. Самофазирующийся антенный элемент для приемопередачи сигнала на резонансной частоте, содержащий диэлектрический материал, отличающийся тем, что содержит первую проводящую рамку, вторую проводящую рамку, оперативно соединенную в точке возбуждения и перекрестно расположенную с первой рамкой, причем физическая длина первой рамки по периметру равна физической длине второй рамки по периметру, а диэлектрический материал представлен в избирательном количестве и расположен смежно с по меньшей мере частью первой рамки, причем это количество диэлектрического материала расположено с первой рамкой смежно для обеспечения на резонансной частоте большей электрической длины первой проводящей рамки, чем электрическая длина второй проводящей рамки, и достижения самофазирующей взаимосвязи между первой проводящей рамкой и второй проводящей рамкой, причем фазы токов в первой проводящей рамке сдвинуты относительно фаз токов во второй проводящей рамке на 90 град.

2. Антенный элемент по п.1, отличающийся тем, что тип и размеры диэлектрического материала имеют характеристики, обеспечивающие на резонансной частоте самофазирующую взаимосвязь.

3. Антенный элемент по п.1, отличающийся тем, что избирательное количество диэлектрического материала содержит манжету, частично охватывающую часть первой проводящей рамки.

4. Антенный элемент по п.1, отличающийся тем, что избирательное количество диэлектрического материала образует по меньшей мере одну частично охватывающую манжету, обращенную к внутренней стороне первой рамки.

5. Антенный элемент по п.1, отличающийся тем, что избирательное количество диэлектрического материала содержит первую манжету, частично охватывающую первую ветвь первой проводящей рамки и обращенную к внутренней стороне первой проводящей рамки, и вторую манжету, частично охватывающую вторую ветвь первой проводящей рамки и обращенную к внутренней стороне первой проводящей рамки.

6. Антенный элемент по п.5, отличающийся тем, что избирательное количество диэлектрического материала содержит ферму, расположенную между первой и второй манжетами, для обеспечения опоры.

7. Антенный элемент по п.1, отличающийся тем, что содержит обтекатель, расположенный по наружному периметру первой и второй рамок, а избирательное количество диэлектрического материала обеспечено на внутренней поверхности этого обтекателя.

8. Антенный элемент по п.7, отличающийся тем, что избирательное количество диэлектрического материала содержит диэлектрическую манжету на внутренней стороне обтекателя.

9. Способ выполнения самофазирующегося антенного элемента, содержащего первую и вторую проводящие рамки равной физической длины по периметрам, оперативно соединенные в точке возбуждения и расположенные перекрестно по отношению друг к другу, для передачи сигнала на резонансной частоте, отличающийся тем, что некоторое количество диэлектрического материала избирательно располагают смежно с по меньшей мере частью первой проводящей рамки и расположение диэлектрического материала относительно первой проводящей рамки на резонансной частоте регулируют для обеспечения большей электрической длины первой проводящей рамки, чем электрическая длина второй проводящей рамки, и достижения самофазирующей взаимосвязи, причем фазы токов в первой проводящей рамке сдвинуты относительно фаз токов во второй проводящей рамке на 90 град.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что при регулировке расположения диэлектрического материала диэлектрическую манжету перемещают вдоль длины первой рамки для регулировки положения и обеспечения самофазирующей взаимосвязи.

РИСУНКИ