Патент на изобретение №2208272

(54) СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА С ИЗОГНУТЫМИ СЕГМЕНТАМИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к антенным устройствам и может быть использовано в современных устройствах персональной связи. Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов, легкость настройки на заданную частоту. Этот результат достигается тем, что излучатели содержат множество сегментов. Первый сегмент проходит от схемы питания у первого конца излучательной секции антенны ко второму концу излучательной секции. Второй сегмент излучателя расположен рядом с первым сегментом и смещен относительно него. Третий сегмент соединяет первый и второй сегменты у второго конца излучательной секции. 2 с. и 24 з.п. ф-лы, 19 ил.

Область техники
Изобретение относится к спиральным антеннам и, более конкретно, к спиральной антенне, имеющей излучатели с изогнутыми сегментами.

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

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

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

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

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

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

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

Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на создание новой усовершенствованной спиральной антенны, имеющей множество спиральных излучателей. В соответствии с изобретением каждый излучатель имеет конфигурацию изогнутого сегмента. В результате для данной рабочей частоты излучательная секция полуволновой антенны, соответствующей изобретению, короче, чем излучательная секция обычной полуволновой антенны.

Более конкретно, в одном из вариантов осуществления излучатели содержат множество сегментов. Первый сегмент проходит от схемы питания на первом конце излучательной секции антенны ко второму концу излучательной секции. Второй сегмент излучателя расположен рядом с первым, смещен относительно него и в принципе параллелен ему. Третий сегмент соединяет первый и второй сегменты на втором конце излучательной секции. В результате излучатель имеет приблизительно U-образную форму. Термин “U-образная форма” в данном описании употребляется применительно к U-образной форме, v-образной форме, формам в виде шпильки или подковы и иным подобным формам.

Одним из преимуществ изобретения является то, что для данной рабочей частоты излучательная секция антенны с изогнутыми сегментами может быть выполнена с меньшими габаритами, чем соответствующая обычная спиральная антенна.

Другим преимуществом антенны с изогнутыми сегментами является то, что варианты осуществления с длиной, равной нечетному кратному четвертей длины волны, можно легко настроить на заданную частоту путем регулировки длины сегментов излучателей за счет подстройки длины вторых сегментов. Длину сегментов можно легко изменять после того, как антенна изготовлена, для обеспечения надлежащей настройки частоты антенны.

Также преимуществом антенны является то, что ее характеристики направленности могут настраиваться для увеличения уровня сигнала в одном направлении вдоль оси антенны. Таким образом, для некоторых применений, например в спутниковой связи, характеристики направленности антенны могут быть оптимизированы для максимизации уровня сигнала в направлении вверх, противоположном направлению к земле, определяемом направлением на спутник.

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

Краткое описание чертежей
Признаки, задачи и преимущества изобретения поясняются в нижеследующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых одинаковыми ссылочными позициями на всех чертежах обозначены одинаковые элементы, и на которых представлено следующее:
фиг. 1А – диаграмма, иллюстрирующая обычную проволочную четырехзаходную спиральную антенну;
фиг. 1В – диаграмма, иллюстрирующая обычную полосковую четырехзаходную спиральную антенну;
фиг. 2А – диаграмма, иллюстрирующая плоскостное представление четырехзаходной спиральной антенны с разомкнутой нагрузкой;
фиг. 2В – диаграмма, иллюстрирующая плоскостное представление четырехзаходной спиральной антенны с закороченной нагрузкой;
фиг. 3 – диаграмма, иллюстрирующая распределение тока в излучателе закороченной четырехзаходной спиральной антенны;
фиг. 4 – диаграмма, иллюстрирующая удаленную поверхность подвергнутой травлению подложки полосковой спиральной антенны;
фиг.5 – диаграмма, иллюстрирующая ближнюю поверхность подвергнутой травлению подложки полосковой спиральной антенны;
фиг. 6 – диаграмма, иллюстрирующая пространственный вид подвергнутой травлению подложки полосковой спиральной антенны;
фиг. 7А – диаграмма, иллюстрирующая плоскостное представление четвертьволновой антенны с изогнутыми сегментами, соответствующей одному из вариантов осуществления изобретения;
фиг. 7В – диаграмма, иллюстрирующая плоскостное представление полуволновой антенны с изогнутыми сегментами, соответствующей одному из вариантов осуществления изобретения;
фиг. 8А – диаграмма, иллюстрирующая плоскостное представление полосковых излучателей в виде изогнутых сегментов четвертьволновой антенны с изогнутыми сегментами, соответствующей одному из вариантов осуществления изобретения;
фиг. 8В – диаграмма, иллюстрирующая плоскостное представление полосковых излучателей в виде изогнутых сегментов полуволновой антенны с изогнутыми сегментами, соответствующей одному из вариантов осуществления изобретения;
фиг. 9А – диаграмма, иллюстрирующая плоскостное представление заземляющего экрана и обратных фидеров для полосковой антенны в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
фиг. 9В – диаграмма, иллюстрирующая плоскостное представление полосковых излучателей и схемы питания четвертьволновой антенны с изогнутыми сегментами, соответствующей одному из вариантов осуществления изобретения;
фиг. 9С – диаграмма, иллюстрирующая плоскостное представление полосковых излучателей и схемы питания полуволновой антенны с изогнутыми сегментами, соответствующей одному из вариантов осуществления изобретения;
фиг. 9D – диаграмма, иллюстрирующая плоскостное представление заземляющего экрана, отводов и обратных фидеров для полосковой антенны в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
фиг. 10 – диаграмма, иллюстрирующая плоскостное представление заземляющего экрана, обратных фидеров, схемы питания и полосковых излучателей для четвертьволновой полосковой антенны с изогнутыми сегментами, соответствующей одному из вариантов осуществления изобретения,
фиг.11А – диаграмма, иллюстрирующая вариант осуществления антенны, в которой излучатели связаны пассивным образом, и
фиг. 11В – диаграмма, иллюстрирующая другой вариант осуществления антенны, в которой излучатели связаны пассивным образом.

Детальное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
1. Общие сведения
Настоящее изобретение относится к спиральной антенне, имеющей один или несколько излучателей в виде изогнутых сегментов. В соответствии с изобретением излучатель антенны содержит три сегмента. Первый сегмент проходит от схемы питания к удаленному концу антенны. Второй сегмент расположен рядом с первым (предпочтительно, по существу параллелен ему) и отделен от первого сегмента. Третий сегмент соединяет первый и второй сегменты, предпочтительно, на удаленном конце. Излучатели могут быть выполнены с использованием провода, изогнутого для формирования трех сегментов. В другом варианте излучатели выполнены с использованием полосковой технологии.

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

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

3. Традиционные спиральные антенны
Прежде чем перейти к детальному описанию изобретения целесообразно описать излучательные секции некоторых традиционных спиральных антенн. Более конкретно, в данном разделе описаны излучатели некоторых известных типов четырехзаходных спиральных антенн.

На фиг.1А и 1В представлены излучательные секции 100 традиционных четырехзаходных спиральных антенн в форме проводов и в полосковом выполнении соответственно. Излучательная секция, показанная на фиг.1А и 1В, соответствует четырехзаходной спиральной антенне в том смысле, что она содержит четыре излучателя 104 в фазовой квадратуре. Как показано на фиг.1 А и 1В, излучатели 104 свернуты в спираль для обеспечения круговой поляризации. На фиг.1В показаны возможные точки 106 ввода сигнала для излучателей.

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

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

На фиг.3 схематично показано плоскостное представление излучательной секции четырехзаходной спиральной антенны 300, включающей в себя излучатели 208, имеющие длину l=/2, где – длина волны на требуемой резонансной частоте антенны. Кривая 304 представляет относительную величину тока для сигнала в излучателе 208, который резонирует на частоте f=v/, где v- скорость сигнала в среде излучателя.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

4. Варианты осуществления спиральной антенны с изогнутыми сегментами
После описания различных форм выполнения обычной спиральной антенны ниже будут представлены варианты осуществления спиральной антенны с изогнутыми сегментами, соответствующей изобретению. Для уменьшения длины излучательной секции антенны в изобретении используются излучатели с изогнутыми сегментами, которые обеспечивают резонанс на заданной частоте при более коротких общих длинах, чем в случае обычной спиральной антенны с прямолинейными излучателями.

На фиг. 7А и 7В приведены плоскостные представления примеров осуществления спиральных антенн 700 с изогнутыми сегментами. Спиральная антенна 700 с изогнутыми сегментами состоит из излучательной секции 702 и фидерной секции 703. Излучательная секция 702 содержит один или несколько излучателей 720 и имеет первый конец 732 рядом с фидерной секцией 703 и второй конец 734. Фидерная секция 703 содержит схему питания 730. В четырехзаходном варианте схема питания 730 вырабатывает сигналы в фазовой квадратуре, используемые для возбуждения излучателей 720.

Каждый излучатель 720 содержит набор сегментов излучателя. В рассматриваемых вариантах осуществления этот набор состоит из трех сегментов: первый сегмент 712 проходит от схемы питания 730 ко второму концу 734 излучательной секции 702; второй сегмент 714 расположен рядом с первым сегментом 712; и третий сегмент 716 соединяет первый и второй сегменты 712, 714. Эти сегменты объединены и образуют совместно U-образную или иную полузамкнутую форму, как, например, форму шпильки, подковы и т.п. Хотя второй сегмент 714 показан как параллельный первому сегменту 712, однако не является строго необходимым, чтобы второй сегмент 714 был параллелен первому сегменту 712. Хотя вариант с параллельными сегментами предпочтителен, но возможны и другие варианты осуществления.

В варианте осуществления, показанном на фиг.7, углы излучателя 720 относительно острые. В других вариантах углы могут быть закругленными, скошенными или иметь иную форму.

Излучатели 720 проходят от фидерной секции 703 под углом . В предпочтительном варианте все излучатели 720 проходят по существу под одним и тем же углом . В результате, когда эта плоскостная структура сворачивается с образованием цилиндрической, конической или иной соответствующей формы, излучатели 720 образуют спираль. Однако угол излучателя или шаг спирали может изменяться по длине излучателя по мере того, как это необходимо для формирования диаграмм излучения или по другим причинам, как это очевидно для специалистов в данной области техники.

На фиг. 7А показана спиральная антенна 700А с изогнутыми сегментами с нагрузкой в виде разомкнутой цепи согласно одному из вариантов осуществления изобретения. В этом варианте второй сегмент 714 нагружен на разомкнутую цепь в точке А. Антенна, нагруженная на разомкнутую цепь, как показано на чертеже, может быть использована в однозаходном, бифилярном, четырехзаходном и ином х-заходном варианте осуществления.

На чертеже показан однозаходный вариант, т.е. антенна по фиг.7А содержит один излучатель 720. Альтернативные варианты, такие как бифилярный, четырехзаходный и т.п., предусматривают дополнительные излучатели 720.

Для варианта с разомкнутой цепью, как показано на фиг.7А, эффективная резонансная длина l_R равна нечетному кратному четверти длины волны на резонансной частоте (т.е. l_R=n/4, где n=1, 3, 5,…). Иными словами, вариант с разомкнутой цепью представляет собой четвертьволновую антенну.

На фиг.7В показаны излучатели 720 спиральной антенны с короткозамкнутой нагрузкой. В варианте с короткозамкнутой нагрузкой второй сегмент 714 излучателей 720 нагружен на короткозамкнутую цепь в точке В. Это означает, что точка В каждого из излучателей замкнута накоротко с фидерной секцией 703. Данный вариант с короткозамкнутой нагрузкой не пригоден для однозаходной антенны, но может быть использован в вариантах бифилярной, четырехзаходной или иной х-заходной спиральной антенны, где х>1.

Для варианта с короткозамкнутой нагрузкой, такого как антенна, показанная на фиг.7В, эффективная резонансная длина l_R равна целому кратному половины длины волны на резонансной частоте (т.е. l_R=n/2, где n=1, 2, 3,…). Иными словами, вариант с короткозамкнутой цепью нагрузки представляет собой полуволновую антенну.

Для резонансной частоты f=v/ (где v – скорость сигнала в среде) полная длина l, на которую излучатель 720 (А, В) выступает за пределы фидерной секции 703, меньше длины соответствующей обычной спиральной антенны. Например, длина излучателя обычной четвертьволновой спиральной антенны равна v/4. В противоположность этому, для четвертьволновой антенны с изогнутыми сегментами 700А самый длинный сегмент излучателя имеет длину l₁ первого сегмента 712, в результате чего излучательная секция 702А имеет длину l₁cos. Заметим, что полная длина излучателя равна l₁+l₂+l₃ v/4, и, следовательно, l₁/4. Также заметим, что в варианте, показанном на фиг.7В, l₁=l₂>>>l₃ и, следовательно, l₁/2, в результате чего излучательная секция 702В короче, чем в случае обычной полуволновой спиральной антенны.

На фиг.8А и 8В представлены диаграммы, иллюстрирующие плоскостное представление излучательных секций 702 спиральной антенны с изогнутыми сегментами, соответствующей варианту в полосковом исполнении. Более конкретно, излучательные секции 702 спиральной антенны с изогнутыми излучателями, показанные на фиг. 8А и 8В, выполнены с использованием полосковой технологии. Кроме того, излучательные секции 702, показанные на фиг.8А и 8В, соответствуют четырехзаходному варианту с четырьмя спиральными излучателями 720, предпочтительно возбуждаемыми сигналами в фазовой квадратуре с относительными фазами 90^o. Исходя из приведенного описания, для специалистов в данной области техники должно быть ясно, каким образом можно реализовать спиральную антенну 700 с изогнутыми сегментами в других вариантах с другим количеством излучателей и/или с другой конфигурацией схемы питания.

В полосковых вариантах, представленных на фиг.8А и 8В, излучатели 720 выполнены из меди или иного проводящего материала, нанесенного на плоскую диэлектрическую подложку 406. Затем подложку 406 сворачивают с образованием цилиндрической, конической или иной подходящей формы, так что излучатели 720 оказываются навитыми в виде спирали.

На фиг. 9А показана удаленная поверхность антенны 700, реализованной с использованием полосковой технологии соответственно одному из вариантов осуществления изобретения. На фиг.9В и 9С показана ближняя поверхность антенны 700, реализованной с использованием полосковой технологии соответственно одному из вариантов осуществления изобретения. На фиг.9В показаны излучатели 720, выполненные в четвертьволновом варианте с нагрузкой в виде разомкнутой цепи. На фиг. 9С показаны излучатели 720, выполненные в полуволновом варианте с короткозамкнутой нагрузкой.

Согласно фиг. 9А удаленная поверхность 900А содержит заземляющий экран 911 и излучательную секцию или секции 912. Заземляющий экран 911 образует заземляющий экран для схемы питания 730, которая находится на ближних поверхностях 900В, 900С. Заземляющий экран 911 и излучательные секции 912 описаны детально в связи с описанием ближней поверхности 900В, 900С.

Согласно фиг. 9В, ближняя поверхность 900В содержит секции одного или нескольких излучателей 720, нанесенные на ее (показаны две секции). Как описано выше, излучатели 720 образованы множеством сегментов 712, 714 и 716. В варианте по фиг.9А и 9В первый сегмент 712 каждого излучателя 720 образован первой излучательной секцией 914 на ближней поверхности 900В и второй излучательной секцией 912 на удаленной поверхности 900А. Фидерная линия 918 используется для передачи сигналов к сегменту 712 излучателя на конце излучательной секции 914 на ближней поверхности 900В. Участок, где фидерная линия 918 встречается с излучательной секцией 914, определяется как точка питания 920 антенны 700.

Фидерная линия 918 размещена на подложке так, что она противоположна и центрирована по отношению к излучательной секции 912. Хотя расположение фидерной линии 918 над заземляющим экраном 911 может соответствовать углу излучательной секции 912, это не является обязательным требованием, и фидерная линия может соединяться со схемой питания 730 под другим углом, как показано на фиг.9С.

Длина l_feed фидерной линии 918 выбирается из условия оптимизации согласования импедансов антенны и схемы питания 730. Длина _feed фидерной линии 918А выбирается несколько большей длины излучательной секции 912, обозначенной здесь как l_return. Более конкретно, в одном из вариантов осуществления l_return на 0,01 дюйм. (2,5 мм) короче, чем l_feed, так что имеется соответствующий зазор между концами излучательных секций 912 и 914, которые фидерная линия 918 пересекает или проходит по верху.

Согласно фиг.9С, для полуволновых вариантов второй сегмент 714 проходит на длину, превышающую соответствующую длину для четвертьволновых вариантов, относительно первого сегмента 712. Сквозное отверстие 930 или иная структура предусмотрена для осуществления электрического соединения между вторым сегментом 714 и заземляющим экраном 911. Это обеспечивает электрическое соединение (короткозамкнутую цепь) между сегментами 714. В одном из вариантов (не показано) сегменты 714 проходят в фидерную секцию 703. В другом варианте, показанном на фиг.9В, штыри 942 проходят от заземляющего экрана 911 к излучательной секции 702 антенны, так что штыри 942 и сегменты 714 перекрываются в достаточной степени, чтобы обеспечить электрическое соединение. Кроме того, для обеспечения электрического соединения между сегментами 714 могут быть реализованы альтернативные конфигурации.

В случае четвертьволновых вариантов второй сегмент 714 не закорочен относительно заземляющего экрана 911. Таким образом, концы излучателей 720 электрически разомкнуты, обеспечивая возможность резонанса излучателей 720 на нечетном кратном четверти длины волны. В одном из вариантов осуществления второй сегмент 714 имеет достаточно короткую длину и не перекрывается с заземляющим экраном 911.

На фиг. 10 представлена диаграмма, иллюстрирующая наложение ближней поверхности 900В на удаленную поверхность 900А в случае полуволнового варианта осуществления спиральной антенны 800В с изогнутыми сегментами. Микрополосковые проводники на удаленной поверхности 900А показаны пунктирными линиями. На фиг. 10 показано, каким образом фидерные линии 968 размещены противоположно и по существу центрированы относительно излучательных секций 912.

В вариантах выполнения по полосковой технологии, проиллюстрированных и описанных выше, каждый сегмент 712, 714, 716 описан как расположенный на одной и той же стороне диэлектрической подложки. В других вариантах это не является обязательным требованием. Определение стороны, на которой следует выполнять травлением один или более сегментов, может быть осуществлено с учетом требований изготовления, технического обслуживания или иных факторов. Например, для обеспечения простоты ремонта или настройки может оказаться желательным разместить некоторые компоненты (например, схему питания или вторые сегменты 714) так, чтобы они находились на внешней стороне цилиндра.

Например, в одном из альтернативных вариантов вторые сегменты располагаются на удаленной стороне подложки, в то время как первые и третьи сегменты располагаются на ближней стороне. В таком варианте второй сегмент 714 соединен с соответствующим третьим сегментом 716 с использованием сквозного отверстия или иного средства для обеспечения электрического соединения. Заметим, что в данном варианте сегменты могут быть просто соединены с заземляющим экраном 911 на удаленной стороне путем продолжения их длины до фидерной секции 703 антенны.

Выше описаны различные варианты спиральной антенны с изогнутыми сегментами. Основываясь на представленном описании, специалисты в данной области техники могут реализовать очевидные для них альтернативные варианты осуществления изобретения с использованием U-образного излучателя. Например, в некоторых вариантах, проиллюстрированных выше, излучатели 720 с изогнутыми сегментами описаны как возбуждаемые с использованием антенного фидера. В других вариантах излучатели 720 с изогнутыми сегментами могут работать по пассивному принципу, при котором токи индуцируются от другого источника и даже от другой антенны.

На фиг.11А и 11В показаны два примера осуществления изобретения, в которых излучатели с изогнутыми сегментами работают пассивным способом. Излучатели 1120 включают в себя пассивный изогнутый сегмент или участок U-образной формы 1122 и активный участок 1124. Набор фидерных линий 1126 соединен с активными участками 1124 в точке питания С и обеспечивает передачу сигналов к схеме питания 730 или от нее. Токи, индуцируемые в активном участке 1124 посредством точки питания С, ответвляются в пассивный U-образный участок 1122. На фиг.11А показан вариант, в котором изогнутый сегмент 1122 размещен вдоль одной стороны в конце активного участка 1124. На фиг.11В показан вариант, в котором U-образный участок 1122 соединен с заземляющим экраном 911, полностью окружая активный участок 1124 с трех сторон.

Одним из преимуществ вариантов, показанных на фиг.11А и 11В, является то, что для полуволновых вариантов конец U-образного участка 1122 может быть соединен с заземляющим экраном 911 без использования сквозного отверстия. Это может быть выполнено путем выполнения U-образного участка 1122 полностью на удаленной поверхности 900А. Одним из преимуществ конфигурации, показанной на фиг. 11А, является то, что для заданной ширины излучательной секции активный участок 1124 может быть выполнен с большей шириной, чем ширина активного участка 1124 в варианте по фиг.11В. Таким образом, вариант по фиг. 11А обеспечивает более широкополосный режим работы по сравнению с вариантом, представленным на фиг.11В, без увеличения диаметра антенны.

Приведенное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения должно обеспечить возможность специалистам в данной области техники реализовать или использовать данное изобретение. Хотя изобретение конкретно проиллюстрировано и описано со ссылками на предпочтительные варианты осуществления, различные модификации формы и деталей описанных вариантов могут быть осуществлены специалистами без изменения сущности и объема изобретения.

Формула изобретения

1. Спиральная антенна, содержащая излучательную секцию, имеющую один или несколько спирально навитых излучателей, работающих на требуемых частотах и проходящих от первого конца излучательной секции к ее второму концу, причем указанные один или несколько излучателей содержат первый сегмент излучателя, проходящий от первого конца излучательной секции к ее второму концу, второй сегмент излучателя, расположенный рядом с первым сегментом излучателя и проходящий от второго конца к первому концу излучательной секции, третий сегмент излучателя, соединяющий первый сегмент излучателя и второй сегмент излучателя.

2. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что сегменты излучателя содержат полосковые сегменты проводящего материала, размещенные на диэлектрической подложке, причем диэлектрическая подложка имеет такую форму, что обеспечивает намотку излучателей по спирали.

3. Спиральная антенна по п.2, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка имеет цилиндрическую форму или коническую форму.

4. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые сегменты представляют собой проволочные сегменты.

5. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые сегменты имеют суммарную длину n/4, где – длина волны, соответствующая резонансной частоте антенны.

6. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что содержит четыре излучателя и схему питания для обеспечения сигналов в фазовой квадратуре для указанных четырех излучателей.

7. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что имеет точку питания для каждого излучателя, размещенную на некотором расстоянии от первого конца вдоль первого сегмента, причем указанное расстояние выбрано из условия согласования импедансов излучателей и схемы питания.

8. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что содержит множество излучателей, причем каждый из вторых сегментов электрически соединен друг с другом.

9. Спиральная антенна по п.8, отличающаяся тем, что указанное электрическое соединение осуществлено с использованием сквозного отверстия для соединения одного конца каждого второго сегмента с заземляющим экраном на фидерной секции антенны.

10. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что один или несколько излучателей соединены со схемой питания в первом сегменте.

11. Спиральная антенна по п.10, отличающаяся тем, что упомянутые сегменты электрически соединены с заземляющим экраном, при этом заземляющий экран и схема питания размещены соответственно на удаленной и ближней поверхности подложки.

12. Спиральная антенна по п.11, отличающаяся тем, что упомянутые сегменты электрически соединены со штырями, проходящими от заземляющего экрана в излучательную секцию антенны.

13. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что первый сегмент излучателя, по существу, параллелен второму сегменту излучателя.

14. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит активный участок, размещенный рядом с первым, вторым и третьим сегментами, причем первый, второй и третий сегменты излучателя образуют пассивный участок.

15. Спиральная антенна по п.14, отличающаяся тем, что пассивный участок окружает активный участок с трех сторон.

16. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что первый и второй сегменты излучателя, по существу, равны по длине.

17. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что один из упомянутых первого и второго сегментов излучателя имеет большую длину.

18. Спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что третий сегмент излучателя, соединяющий первый сегмент и второй сегмент, содержит изогнутый в обратном направлении участок.

19. Спиральная антенна по п.18, отличающаяся тем, что упомянутый третий сегмент содержит U-образный сегмент.

20. Спиральная антенна по п.18, отличающаяся тем, что упомянутый третий сегмент содержит V-образный сегмент.

21. Спиральная антенна по п.18, отличающаяся тем, что упомянутый третий сегмент содержит дугообразный сегмент.

22. Спиральная антенна, содержащая спиральную излучательную секцию, имеющую один или несколько спиральных излучателей, проходящих от первого конца ко второму концу излучательной секции, причем указанные один или несколько излучателей содержат первый сегмент излучателя, проходящий от первого конца излучательной секции к ее второму концу, второй сегмент излучателя, расположенный рядом с первым сегментом и проходящий от второго конца к первому концу излучательной секции, третий сегмент излучателя, соединяющий первый сегмент излучателя и второй сегмент излучателя, и фидерную секцию, содержащую схему питания, соединенную с первым сегментом упомянутых одного или нескольких излучателей.

23. Спиральная антенна по п.22, отличающаяся тем, что сегменты излучателя содержат полосковые сегменты из проводящего материала, размещенные на диэлектрической подложке, причем диэлектрическая подложка имеет такую форму, что излучатели навиты по спирали.

24. Спиральная антенна по п.22, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка имеет цилиндрическую форму или коническую форму.

25. Спиральная антенна по п.22, отличающаяся тем, что содержит четыре излучателя, причем схема питания содержит средство для обеспечения сигналов в фазовой квадратуре для указанных четырех излучателей.

26. Спиральная антенна по п.22, отличающаяся тем, что имеет точку питания для каждого излучателя, размещенную на некотором расстоянии от первого конца вдоль первого сегмента, причем указанное расстояние выбрано из условия согласования импедансов излучателей и схемы питания.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 01.08.2008

Извещение опубликовано: 27.07.2010 БИ: 21/2010