Спиральді антенналар

В одном из вариантов диэлектрическая основа 100 представляет собой тонкий, гибкий слой политетрафторэтилена (ПТФЭ), композитного материала ПТФЭ/стекло или другого диэлектрического материала. В одном из вариантов толщина основы 406 порядка 0.005 дюймов или 0.13 мм, хотя могут быть выбраны и другие толщины. Сигнальные дорожки (для подачи сигналов) и заземленные дорожки выполняются с использованием меди. В других вариантах вместо меди могут быть выбраны другие проводящие материалы в зависимости от стоимости, условий эксплуатации и других факторов.

В варианте, проиллюстрированном на фиг.5, схема возбуждения 508 протравлена на возбуждающей части 408, она обеспечивает получение квадратурных сигналов (т. е. сигналов 0, 90, 180 и 270o), которые подаются на излучатели 104А-104D. Возбуждающая часть 408 дальней поверхности 400 обеспечивает заземленный слой 412 для электрической схемы 508 заземления. Сигнальные дорожки для схемы 508 заземления протравлены на ближней поверхности 500 возбуждающей части 408.

Для дальнейшего обсуждения: излучательная часть 404 имеет первый конец 432, примыкающий к возбуждающей части 408, и второй конец 434 (на противоположном конце излучательной части 404). В зависимости от реализованного варианта антенны излучатели 104А-104D могут быть протравлены в дальней поверхности 400 излучательной части 404. Длина, на которую излучатели 104А-104D вытянуты от первого конца 432 в направлении второго конца 434, приблизительно равна четверти длины волны требующейся резонансной частоты, умноженной на целое число.

В таком варианте, где излучатели 104А-104D равны  /2, умноженная на целое число, излучатели 104А-104D электрически соединены друг с другом (т.е. закорочены или коротко замкнуты) на втором конце 434. Это соединение может быть выполнено с помощью проводника, проходящего поперек второго конца 434, который образует кольцо 604 по окружности антенны, когда основа сформирована в виде цилиндра. Фиг.6 - это схема, иллюстрирующая перспективу полосковой спиральной антенны с протравленной основой; на втором конце 434 антенна имеет закорачивающее кольцо 604.

Одна из обычных четырехзаходных спиральных антенн раскрыта в патенте США 5198831 Барреллом и др. (Burrell) (далее ссылка на него "патент '831"), который включен в настоящее описание в качестве ссылки. Антенна, раскрытая в патенте '831, представляет собой антенну на печатной плате, имеющую антенные резонаторы, протравленные или другим образом нанесенные на диэлектрическую основу. Основа сформирована в форме цилиндра, в результате чего образуется спиральная конфигурация излучателей.

Другая обычная четырехзаходная спиральная антенна раскрыта в патенте США 5255005 Терретом и др. (Terret) (далее ссылка на него - 'патент '005"), патент включен в настоящее описание в качестве ссылки. Антенна, раскрытая в патенте '005, представляет собой четырехзаходную спиральную антенну, сформированную из двух двухзаходных спиралей, расположенных ортогонально и возбуждаемых в фазовой квадратуре. Раскрытая антенна также имеет вторую четырехзаходную спираль, которая соосна и электромагнитно связана с первыми спиралями, для улучшения полосы пропускания антенны.

Еще одна обычная четырехзаходная спиральная антенна раскрыта в патенте США 5349365 Оу и др. (Ow) (далее ссылка как "патент '365"), который включен в настоящее описание путем ссылки. Антенна, раскрытая в патенте '365, представляет собой четырехзаходную спиральную антенну, выполненную в проволочном виде, как описано выше со ссылкой на фиг.1А.

IV. Спиральная антенна с несколькими  связанными сегментами 
Для того чтобы уменьшить длину излучательной части 100 антенны, в одной из форм спиральной антенны используются излучатели с несколькими связанными сегментами; такие излучатели позволяют получать резонанс на заданной частоте при более коротких длинах, чем потребовалось бы в другом случае, когда спиральная антенна имеет длину, эквивалентную резонансной длине.

Фиг. 7А и 7В - схемы, иллюстрирующие плоскостное отображение примерных вариантов спиральных антенн со связанными сегментами. Фиг.7А иллюстрирует излучатель 706 с несколькими связанными сегментами, с разомкнутым выводом в соответствии с одним из однозаходных вариантов. Такая антенна с разомкнутым выводом может быть использована при выполнении антенны однозаходной, двухзаходной, четырехзаходной и другой х-заходной.

Вариант, проиллюстрированный на фиг. 7А, состоит из одного излучателя 706. Излучатель 706 состоит из ряда излучательных сегментов. Этот ряд состоит из двух концевых сегментов 708, 710 и р промежуточных сегментов 712, где р=0, 1, 2, 3... (проиллюстрирован случай, когда р=3). Промежуточные сегменты являются необязательными (т.е. р может быть равно нулю). Концевые сегменты 708, 710 физически отделены друг от друга, но электромагнитно связаны друг с другом. Промежуточные сегменты 712 расположены между концевыми сегментами 708, 710 и обеспечивают электромагнитную связь между концевыми сегментами 708, 710.

В варианте с разомкнутым выводом длина ls1 сегмента 708 равна четверти длины волны требующейся резонансной частоты, умноженной на нечетное целое число. Длина ls2 сегмента 710 равна половине длины волны требующейся резонансной частоты, умноженной на целое число. Длина lsp каждого из р промежуточных сегментов 712 равна половине длины волны требующейся резонансной частоты, умноженной на целое число. В проиллюстрированном варианте имеется три промежуточных сегмента 712 (т.е. р=3).

Фиг. 7В иллюстрирует излучатели 706 спиральной антенны, когда они оканчиваются короткозамкнутой цепью 722. Этот короткозамкнутый вариант выполнения излучателя не подходит для однозаходной антенны, но он может быть использован для двухзаходных, четырехзаходных или других х-заходных антенн. Как и в варианте с разомкнутым контуром, излучатели 706 состоят из ряда излучательных сегментов. Этот ряд состоит из двух концевых сегментов 708, 710 и р промежуточных сегментов 712, где р=0, 1, 2, 3... (проиллюстрирован случай, когда р=3). Промежуточные сегменты являются необязательными (т.е. р может быть равно нулю). Концевые сегменты 708, 710 физически отделены друг от друга, но электромагнитно связаны друг с другом. Промежуточные сегменты расположены между концевыми сегментами 708, 710 и обеспечивают электромагнитную связь между концевыми сегментами 708, 710.

В короткозамкнутом варианте длина ls1 сегмента 708 равна умноженной на нечетное целое число четверти длины волны требующееся резонансной частоты. Длина s2 сегмента 710 кратна нечетному целому четверти длины волны требующейся резонансчой частоты. Длина lsp каждого из р промежуточных сегментов 712 кратна целому половины длины волны требующейся резонансной частоты. В проиллюстрированном варианте имеется три промежуточных сегмента 712 (т.е. р=3).

Фиг. 8А и 8В - схемы, иллюстрирующие излучательную часть 800 четырехзаходной спиральной антенны с несколькими связанными сегментами в соответствии с одним из вариантов изобретения. Фиг.8А и 8В иллюстрируют одну примерную реализацию антенны, показанной на фиг.7В, где р=0 (т.е. промежуточные сегменты 712 отсутствуют), а длины сегментов 708, 710 равны четверти длины волны.

Излучательная часть 800, проиллюстрированная на фиг.8А, представляет собой плоскостное отображение четырехзаходной спиральной антенны, имеющей четыре связанных излучателя 804. Каждый связанный излучатель 804 в связанной антенне фактически состоит из двух излучательных сегментов 708, 710, расположенных вблизи друг от друга так, что энергия в излучательном сегменте 708 за счет электромагнитной связи связывается (переходит) с другим излучательным сегментом 710.

А более конкретно, согласно одному из вариантов излучательная часть 800 может быть описана как имеющая две секции 820, 824. Секция 820 состоит из множества излучательных сегментол 708, вытянутых от первого конца 832 излучательной части 800 в направлении второго конца 834 излучательной части 800. Секция 824 состоит из второго множества излучательных сегментов 710, вытянутых от второго конца 834 излучательной части 800 в направлении первого конца 832. В направлении к центральной области излучательной части 800 часть каждого сегмента 708 находится вблизи от примыкающего сегмента 710 так, что энергия из одного сегмента за счет электромагнитной связи поступает в соседний сегмент в области, где они близки. В настоящем документе эта область называется перекрытием.

В предпочтительном варианте каждый сегмент 708, 710 имеет длины приблизительно l1=  /4. Полная длина одного излучателя, содержащего два сегмента 708, 710, определяется как ltot. Величина, на которую один сегмент 708 перекрывает другой сегмент 710, определяется как  =l1+l2-ltot.

Для резонансной частоты f=v/  полная длина излучателя ltot меньше, чем половина длины волны  /2. Другими словами, в результате связи (контуров) излучатель, содержащий пару связанных сегментов 708, 710, резонирует на частоте f=v/ , даже несмотря на то, что полная длина этого излучателя меньше, чем длина  /2. Таким образом, для заданной частоты f излучательная часть 800 1/2-волновой четырехзаходной спиральной антенны с несколькими связанными сегментами короче, чем излучательная часть обычной полуволновой четырехзаходной спиральной антенны 800.

Для более наглядной иллюстрации уменьшения размера, получаемого при использовании связанной конфигурации, сравним излучательные части 800, показанные на фиг. 8, с излучательными частями, показанными на фиг.3. Для заданной частоты f=v/ длина l излучательной части 300 обычной антенны равна  /2, а длина ltot излучательной части 800 антенны со связанными излучательными сегментами меньше, чем  /2.

Как утверждалось выше, в одном из вариантов сегменты 708, 710 представляют собой длину l1=l2= /4. Длина каждого сегмента может варьироваться так, что l1 не обязательно равна l2, и так, что они не равны  /4. Фактическая резонансная частота каждого излучателя является функцией от длины излучательных сегментов 708, 710, промежутка s между излучательными сегментами 708, 710 и величины, на которую сегменты 708, 710 перекрывают друг друга.

Заметим, что изменение длины одного сегмента 708 по отношению к другому сегменту 710 может быть использовано для настройки ширины частотной полосы антенны. Например, удлинняя l1 так, чтобы она была немного длиннее, чем  /4, и укорачивая l2 так, чтобы она была немного короче, чем  /4, можно увеличить ширину частотной полосы антенны.

Фиг. 8В илллюстрирует действительную спиральную конфигурацию четырехзаходной спиральной антенны с несколькими связанными сегментами, соответствующую одному из вариантов изобретения. На фиг.8В показано, как в одном из вариантов каждый излучатель состоит из двух сегментов 708, 710. Сегмент 708 вытянут в спиральном виде от первого конца 832 излучательной части в направлении второго конца 834 излучательной части. Сегмент 710 вытянут в спиральном виде от второго конца 834 излучательной части в направлении первого конца 832 излучательной части. На фиг.8В также показано, что часть сегментов 708, 710 перекрывается так, что они электромагнитно связаны друг с другом.

Фиг. 9А - схема, иллюстрирующая промежуток s и перекрытие   между излучательными сегментами 708, 710. Промежуток s выбирается таким, чтобы количество энергии, которое бы связывалось между излучательными сегментами 708, 710, было бы достаточным для того, чтобы они функционировали как один излучатель с эффективной электрической длиной приблизительно  /2 и длинами, равными этой длине, умноженной на целое число.

Промежуток между излучательными сегментами 708, 710 более узкий, чем этот оптимальный промежуток, приводит к увеличению связи между сегментами 708, 710. В результате для данной частоты f длина сегментов 708, 710 должна быть увеличена, чтобы обеспечить резонанс на той же частоте f. Это может быть проиллюстрировано с помощью предельного случая, когда сегменты 708, 710 физически соединены (т. е. s=0). В этом предельном случае полная длина сегментов 708, 710 должна быть равна  /2 для того, чтобы антенна резонировала. Заметим, что в этом предельном случае антенна не длиннее реально "связанной" антенны согласно терминологии, употребляемой в настоящем описании, и результирующая конфигурация фактически является конфигурацией обычной спиральной антенны, такой, которая показана на фиг.3.

Аналогично увеличение величины перекрытия   сегментов 708, 710 приводит к увеличению связи. Таким образом, при увеличении перекрытия   длина сегментов 708, 710 также должна увеличиваться.

Для того чтобы качественно определить оптимальные величины перекрытия и промежутка для сегментов 708, 710, обратимся к фиг.9В. Фиг.9В представляет величину тока на каждом сегменте 708, 710. Указатели 911, 928 силы тока показывают, что каждый сегмент идеально резонирует на  /4, при этом максимальный уровень сигнала на наружных концах и минимальный уровень на внутренних концах.

Для оптимизации конфигураций антенны, для антенны со связанными излучательными сегментами изобретатели использовали моделирующую программу, чтобы определить правильные длины l1, l2 сегментов, перекрытие   и промежуток s, а также другие параметры. Один из таких пакетов программ - это пакет программ "Оптимизатор антенны" (Antenna Optimizer) (ОА). ОА основан на методе алгоритмического моделирования электромагнитных моментов антенны. ОА Antenna Optimizer, версия 6.35, авторское право 1994 была записана и получена от Brian Beezley, Сан-Диего, Калифорния.

Заметим, что имеются определенные достоинства, получаемые за счет использования связанной конфигурации, как описано выше со ссылкой на фиг.8А и 8В. В обеих антеннах, в обычной антенне и антенне со связанными излучательными сегментами, ток концентрируется на концах излучателей. В соответствии с теорией множителя решетки это может быть использовано для получения преимуществ в определенных приложениях при наличии антенны со связанными излучательными сегментами.

Для пояснения: фиг.10А - схема, иллюстрирующая два точечных источника А, В, где источник А излучает сигнал, имеющий амплитуду, равную амплитуде сигнала от источника В, но сигнал, сдвинутый по фазе на 90o (предполагается еjwt). Когда источники А и В разделены расстоянием  /4, сигналы складываются синфазно в направлении распространения от А к В и складываются в противофазе в направлении от В к А. В результате в направлении от В к А испускается очень небольшое излучение. Типичная характерная диаграмма направленности для напряженности поля, показанная на фиг.10В, иллюстрирует этот момент.

Следовательно, когда источники А и В ориентированы так, что направление от А к В указывает вверх, от земли, а направление от В к А указывает к земле, антенна является оптимизированной для большинства приложений. Это потому, что пользователю редко требуется антенна, которая направляет силу сигнала к земле. Такая конфигурация особенно полезна для спутниковых систем связи, где требуется, чтобы большая часть силы сигнала была направлена вверх, от земли.

Антенна с точечными источниками, модель которой показана на фиг.10А, не без труда может быть получена с использованием обычной полуволновой спиральной антенны. Рассмотрим излучательную часть антенны, показанную на фиг. 3. Концентрация силы тока на концах излучателей 208 грубо аппроксимирует точечный источник. Когда излучатели скручены в спиральную конфигурацию, один конец 90o излучателя располагается на одной линии с другим концом 0o излучателя. Следовательно, это аппроксимирует два точечных источника на одной линии. Однако такие аппроксимированные точечные источники отделены друг от друга расстоянием примерно  /2 в отличие от требующейся конфигурации  /4, проиллюстрированной на фиг.10А.