Спиральді антенналар

Заметим, однако, что выполняя антенну со связанными излучательными сегментами, изобретение обеспечивает реализацию случая, когда аппроксимированные точечные источники находятся на расстоянии друг от друга более близком, чем  /4. Таким образом, антенна со связанными излучательными сегментами позволяет пользователям использовать для своей выгоды диаграммы направленности антенны, проиллюстрированные на фиг.10А.

Излучательные сегменты 708, 710, проиллюстрированные на фиг.8, показывают, что сегмент 708 находится очень близко к связанному с ним сегменту 710, кроме того, каждая пара сегментов 708, 710 находится относительно далеко от соседней пары сегментов. В одном из альтернативных вариантов каждый сегмент 710 размещен эквидистантно от сегментов 708 с обеих сторон. Такой вариант проиллюстрирован на фиг.11.

Обратимся теперь к фиг. 11; каждый сегмент, по существу, находится на равном расстоянии от каждой пары соседних сегментов. Например, сегмент 708В на равном расстоянии от сегментов 710А, 710В. То есть s1=s2. Аналогично сегмент 710А находится на равном расстоянии от сегментов 708А, 708В.

Этот вариант противоречит интуитивному представлению, что в этом случае как будто будет существовать нежелательная связь. Другими словами, сегмент, соответствующий одной фазе, будет связан не только с соответствующим сегментом с такой же фазой, но также и с соседним сегментом со смещенной фазой. Например, сегмент 708В, сегмент с фазой 90o, будет связан с сегментом 710А (сегмент 0o) и сегментом 710В (сегмент 90o). Такая связь не представляет проблему, потому что излучение из верхних сегментов 710 можно рассматривать как две отдельные моды. Одна мода возникает в результате связи с соседними сегментами, находящимися слева, а другая мода - из связи с соседними сегментами справа. Однако обе эти моды имеют такие фазы, что они обеспечивают излучение в одном и том же направлении. Таким образом, эта двойная связь не причиняет вреда работе антенны с несколькими связанными сегментами.

Фиг. 12 - схема, иллюстрирующая примерную реализацию антенны со связанными излучательными сегментами. Обратимся теперь к фиг.12; антенна содержит излучательную часть 1202 и возбуждающую часть 1206. Излучательная часть включает сегменты 708, 710. Размеры, показанные на фиг.12, иллюстрируют вклад сегментов 708, 710 и величины перекрытия   в полную длину излучательной части 1202.

Длина сегментов в направлении, параллельном оси цилиндра, обозначена как l1sin  для сегмента 708 и l2sin  для сегментов 710, где   - внутренний угол сегментов 708, 710.

Перекрытие сегментов, которое проиллюстрировано выше на фиг.8А и 9А, обозначено буквенной позицией  . Как показано на фиг.12, величина перекрытия в направлении, параллельном оси антенны, определяется как  sin .

Сегменты 708, 710 разделены промежутком s, который может варьироваться, как описано выше. Расстояние между концом сегмента 708, 710 и концом излучательной части 1202 определяется как зазор и обозначено буквенными позициями  1, 2, соответственно. Зазоры  1, 2 могут, но не обязательно должны, быть равны друг другу. И опять, как описано выше, длина сегментов 708 может изменяться относительно длины сегментов 710.

Величина смещения сегмента 710 от одного конца к следующему проиллюстрирована буквенной позицией  0. Расстояние между соседними сегментами 710 проиллюстрировано буквенной 
позицией  s и определяется оно диаметром спирали.

Возбуждающая часть 1206 включает соответствующую схему возбуждения для формирования и подачи квадратурных сигналов на излучительные сегменты 708. Средним специалистам в данной области техники схемы возбуждения хорошо известны и поэтому подробно они здесь не описаны.

В примере, проиллюстрированном на фиг. 12, на сегменты 708 подается сигнал в точке возбуждения, которая расположена вдоль каждого сегмента 708 на расстоянии от схемы возбуждения, которое выбирается оптимальным для согласования импедансов. В варианте, проиллюстрированном на фиг.12, это расстояние обозначено буквенной позицией  feed.

Заметим, что сплошная линия 1224 иллюстрирует границу заземленной части на дальней поверхности основы. Заземленная часть, находящаяся напротив сегментов 708 на дальней поверхности, вытянута к точке возбуждения. Тонкая часть сегментов 708 находится на ближней поверхности. В точке возбуждения толщина сегментов 708 на ближней поверхности увеличивается.

Теперь представлены размеры для примерной четырехзаходной спиральной антенны со связанными излучательными сегментами, подходящими для работы в L-диапазоне на частоте примерно 1.6 ГГц. Заметим, что это только пример и для работы в L-диапазоне возможны и другие размеры. Кроме того, для других частотных диапазонов также возможны другие размеры.

Полная длина излучательной части 1202 в примерном варианте с L-диапазоном 2.30 дюймов (58.4 мм). В этом варианте угол  наклона 73o. При этом угле   длина сегментов 708 l1sin  для этого варианта составляет 1.73 дюйма (43.9 мм). В показанном варианте длина сегментов 710 равна длине сегментов 708.

В одном из примеров сегмент 710 расположен, по существу, на одинаковом расстоянии от ближайшей пары сегментов 708. В одной из реализации этого варианта, где сегменты 710 на одинаковом расстоянии от соседних сегментов 708, промежуток1=s2=0.086 дюймов (2.2 мм). Возможны и другие промежутки, включая, например, промежуток s в 0.070 дюймов (1.8 мм) от сегментов 710 до ближайшего сегмента 708.

В этом варианте ширина   излучательных сегментов 708, 710 составляет 0.11 дюймов (2.8 мм). Возможны и другие величины ширины.

В примерном варианте антенны L-диапазона симметричный зазор  1= 2=0.57 дюймов (14.5 мм). Когда зазор   является симметричным для обоих концов излучательной части 1202 (т.е. когда  1 =  2), излучатели 708, 710 имеют перекрытие  sin , равное 1.16 дюймов (29.5 мм) (1.73 дюйма - 0.57 дюймов) (44.5 мм - 14.5 мм).

Отклонение  o сегмента составляет 0.53 дюйма (13.2 мм), а промежуток  s между сегментами 0.393 дюйма (10.0 мм). Диаметр антенны 4 s/ .

В одном из вариантов это выбирается так, чтобы расстояние  feed от точки возбуждения до схемы возбуждения было равно  feed=1.57 дюймов (39.9 мм). Для оптимального согласования импедансов могут быть выбраны и другие точки возбуждения.

Заметим, что примерный вариант, описанный выше, сконструирован для использования в сочетании с поликарбонатным обтекателем толщиной 0.032 дюймовым (0.81 мм), окружающим спиральную антенну и контактирующим с излучательной частью. Специалисту в данной области техники станет очевидным, как обтекатель или другая конструкция влияет на длину волны требующейся частоты.

Заметим, что в только что описанных примерных вариантах полная длина излучательной части антенны L-диапазона уменьшена по сравнению с обычной полуволновой антенной L-диапазона. Для обычной полуволновой антенны L-диапазона длина излучательной части приблизительно 3.2 дюйма (т.е.  /2(sin ), где   - внутренний угол сегментов 708, 710 относительно горизонтали) или 81.3 мм. Для примерных вариантов, описанных выше, полная длина излучательной части 1202 2.3 дюйма (58.42 мм). Это дает существенную экономию в размере по сравнению с обычной антенной.

V. Ярусная составная двухдиапазонная спиральная антенна 
Теперь после описания нескольких вариантов однодиапазонной спиральной антенны будет описана двухдиапазонная спиральная антенна, в которой реализуется настоящее изобретение. Настоящее изобретение направлено на создание двухдиапазонной спиральной антенны, способной резонировать на двух различных рабочих частотах. Две спиральные антенны составляются ярусно торец к торцу, при этом одна антенна резонирует на первой частоте, а другая антенна резонирует на второй частоте. Каждая антенна имеет излучательную часть, состоящую из одного или нескольких спирально скрученных излучателей. Каждая антенна также имеет возбуждающую часть, состоящую из схемы возбуждения и заземленного слоя. Две антенны ярусно составлены так, что заземленный слой первой антенны используется в качестве короткозамыкающего кольца по дальнему концу излучателей другой антенны.

Фиг. 13 - схема, иллюстрирующая плоскостное отображение дальней поверхности 400 и ближней поверхности 500 двухдиапазонной спиральной антенны, согласно одному из вариантов изобретения. Двухдиапазонная спиральная антенна состоит из двух однодиапазонных спиральных антенн: спиральной антенны 1304, работающей на первой резонансной частоте, и спиральной антенны 1308, работающей на второй резонансной частоте.

В варианте, проиллюстрированном на фиг.13, схема возбуждения 508, излучатели 104А-104D первой антенны 1304 расположены на ближней поверхности 500 первой антенны. Кроме того, на ближней поверхности 500 расположен заземленный слой 412 для схемы возбуждения 508 второй антенны 1308. На дальней поверхности 400 находятся схема возбуждения 508 и излучатели 104А-104D второй антенны 1308, а также заземленный слой 412 для возбуждающей части первой антенны 1304.

Как обсуждалось выше со ссылкой на фиг.2А и 2В, когда резонансная длина l излучателей 104А-104D кратна четверти длины волны требующейся резонансной частоты, с четным целым кратным, дальний конец излучателей 104А-104D коротко замкнут. Как показано на фиг.13, это закорачивание выполняется, используя заземленный слой 412 первой антенны 1304. В результате при такой конфигурации не требуется добавлять к концу излучателей 104А-104D дополнительного закорачивающего кольца.

Заметим, что в варианте, показанном на фиг.13, первая антенна 1304 показана как антенна, резонирующая при длине, кратной четверти длины волны требующейся резонансной частоты, с нечетным целым кратным, поскольку концы излучателей 104А-104D разомкнуты. В альтернативном варианте закорачивающее кольцо (не показано) может быть добавлено к дальнему концу излучателей 104А-104D первой антенны 1304, но с изменением длины этих излучателей 104А-104D так, чтобы они были по длине кратны четверти длины волны требующейся резонансной частоты, с четным целым кратным.

Излучатели 104А-104D двухдиапазонной антенны, описанной со ссылкой на фиг. 13, показаны как излучатели, возбуждаемые на первом конце около схемы возбуждения 508. Хорошо известно, что точка возбуждения излучателей 104А-104D спиральной антенны может быть расположена в любом месте вдоль длины излучателей 104А-104D, ее расположение в первую очередь определяется исходя из согласования импедансов. Фиг.14 - схема, иллюстрирующая один из вариантов двухдиапазонной спиральной антенны, в которой точки возбуждения излучателей 104А-104D расположены на заданном расстоянии от схемы возбуждения 508. А конкретно, в варианте, показанном на фиг.14, точка А возбуждения первой антенны 1304 расположена на расстоянии lFEED1 схемы 508 возбуждения, а точка В возбуждения второй антенны 1308 расположена на расстоянии lFEED2 от схемы 508 возбуждения.

Этот вариант иллюстрирует, что излучатели 104А-104D состоят из заземленной дорожки 1436 на первой поверхности основы 406, дорожки 1438 подачи сигнала возбуждения на второй поверхности основы 406 и находящейся напротив (с противоположной стороны) упомянутой заземленной дорожки 1436, и излучательной дорожки 1440 на второй поверхности основы 406.

Как и в варианте, показанном на фиг.13, в этом варианте заземленный слой 412 первой антенны 1304 служит закорачивающим кольцом для излучателей 104А-104D второй антенны 1308 так, что излучатели второй антенны 1308 резонируют на длине, кратной четверти длины волны требующейся резонансном частоты, с четным целым кратным.

Для того чтобы уменьшить полную длину ярусной составной антенны, может быть использована обсуждавшаяся выше конструкция со связанными (электромагнитно) краями. В таких вариантах излучатели 104А-104D первой антенны 1304 и/или второй антенны 1308, которые показаны на фиг.13 и 14, заменяются на излучатели со связанными краями, которые показаны, например, на фиг.12.

Одна из проблем при создании двухдиапазонной антенны, такой как показана на фиг.13 и 14, заключается в возбуждении первой антенны 1304. Для этого первая антенна 1304 возбуждается (запитывается) с помощью контакта, выходящего из нижней зоны возбуждающей части первой антенны 1304.

Фиг. 15 - схема, иллюстрирующая такой контакт, используемый для подачи сигнала на первую антенну 1304. Обратимся теперь к фиг.15; контакт 1504 вытянут с боковой стороны возбуждающей части первой антенны 1304 на основе 406. В варианте, показанном на фиг.15, контакт 1504 приблизительно имеет "L"-образную форму так, что он вытянут горизонтально от возбуждающей части первой антенны 1304 на заданное расстояние, а затем поворачивается под углом, проходит аксиально через центр в направлении возбуждающей части второй антенны 1308. Несмотря на то, что контакт 1504 показан, как имеющий форму прямого угла, могут быть использованы другие углы, а также кривые с различными радиусами (кривизны).

В идеальном случае, когда основа 406 скручена в цилиндр или другую соответствующую форму для образования спиральной антенны, осевая составляющая 1524 контакта 1504, по существу, располагается вдоль оси двухдиапазонной спиральной антенны. Когда осевая составляющая 1524 контакта 1504 совпадает с осью спиральной антенны, то этот элемент оказывает минимальное влияние на диаграмму направленности антенны. Как показано на фиг.15, в предпочтительном варианте контакт 1504 вытянут от возбуждающей части первой антенны 1304 в вертикальном положении, т. е. как можно дальше от первой антенны 1304. Это сделано для того, чтобы минимизировать влияние контакта 1504 на диаграмму направленности первой антенны 1304. Поскольку вторая антенна 1308 представляет собой полуволновую антенну со связанными сегментами и концы излучателей 104А-104D второй антенны 1308 коротко замкнуты заземленным слоем 412 первой антенны 1304, контакт 1504 имеет минимальное влияние на диаграмму направленности второй антенны 1308.

Предпочтительно длина lgp возбуждающей части 1206 первой антенны 1304 может определяться, учитывая два фактора, при соответствующей рабочей частоте. Во-первых, желательно минимизировать величину тока, протекающего от излучателей первой антенны 1304 во вторую антенну 1308 и наоборот. Другими словами, желательно, чтобы две антенны были изолированы друг от друга. Это можно осуществить с помощью выбора длины; если длина будет настолько большая, чтобы токи на интересующей частоте не доходили от одной группы излучателей до другой.