Спиральді антенналар

Другая проблема - это решение задачи, направленной на то, чтобы токи из излучателей 104A-D первой антенны 1304 не смогли достигнуть контакта 1504. Токи из первой антенны 1304 ослабляются по мере того, как они проходят через возбуждающую часть первой антенны 1304 к контакту 1504. Контакт 1504 создает асимметричную неоднородность в этих токах. Поэтому требуется минимизировать величину токов, достигающих контакта 1504, до такой степени, чтобы антенну можно было применять на практике.

После прочтения этого описания специалистам в данной области техники станет очевидным, как выполнить возбуждающую часть 1206 соответствующей длины lgp, исходя из используемых материалов, интересующих частот, предполагаемых уровней мощности антенны и других известных факторов. Такое решение может также привести к компромиссному выбору между размером и рабочими параметрами.

Заметим, что в этом варианте влияние контакта 1504 не является несущественным. Поскольку контакт 1504 находится вблизи от излучателей второй антенны 1308, часть тока из второй антенны 1308 электромагнитным путем связывается с контактом 1504 и поэтому проходит вдоль оси антенны. Этот ток влияет на излучение второй антенны 1308, приводя к увеличению излучения в боковые стороны антенны. Для применений, где антенна устанавливается вертикально, это приводит к увеличению излучения в горизонтальном направлении и уменьшению излучения в вертикальном направлении. Вследствие этого такая антенна хорошо подходит для систем спутниковой связи, где для передачи информации из или в устройство связи используются спутники на низкой околоземной орбите.

Этот эффект проиллюстрирован на фиг.10С, где диаграмма 1010 направленности с круговой поляризацией - это представление типичной диаграммы направленности для обычной спиральной антенны, а диаграмма 1020 направленности - это представление диаграммы направленности для второй антенны 1308. Как показано на фиг. 10С, диаграмма 1020 направленности более "плоская" и более "широкая", чем обычная диаграмма 1010 направленности антенны.

Для обеспечения поступления сигнала на первую антенну 1304 контакт 1504 включает соединитель, такой как обжимной соединитель, или паянный соединитель, или другой соединитель, подходящий для выполнения соединения между кабелем питания и сигнальной дорожкой на контакте 1504. Для подсоединения РЧ-приемопередающего устройства к антенне в месте контакта 1504 могут использоваться различные типы кабелей или проволоки. Предпочтительно используется гибкий или полужесткий кабель с низкими потерями. Конечно, хорошо известно из соответствующего уровня техники, что для передачи в антенну максимальной мощности требуется согласовать импеданс входа схемы возбуждения с импедансом стыка кабеля. Однако если входной переход плохой, то диаграммы направленности будут оставаться симметричными, но более низкими будут коэффициенты направленного действия антенны в соответствии в величинами потерь мощности из-за отражения сигнала. Помимо низких потерь (мощности) при вводе важно также, чтобы соединитель обеспечивал прочное механическое соединение между кабелем и контактом 1504.

На фиг.15 также показан контур для примерной формы основы. После прочтения этого описания специалистам в данной области техники станет очевидным, как выполнить антенну с контактом 1504, используя основы, которые имеют другие формы.

Фиг.16 - схема, иллюстрирующая один из вариантов ярусной составной антенны с примерными размерами. В этом варианте первая антенна 1304 представляет собой антенну L-диапазона, а вторая антенна 1308 представляет собой антенну S-диапазона. В этом варианте антенна 1308 S-диапазона является антенной со связанными краями, в которой каждый излучатель 104 состоит из двух сегментов. Заметим, что этот вариант приведен только для примера. Для работы могут быть выбраны и другие частотные диапазоны. Также заметим, что первая антенна 1304 или вторая антенна 1308 или обе антенны могут быть выполнены по технологии антенны со связанными краями.

Теперь будут описаны примерные размеры для антенны L-диапазона и S-диапазона, проиллюстрированной на фиг.16. Излучающая апертура антенны L-диапазона - это полная высота по оси 1.253 дюймов (21.8 мм), а апертура S-диапазона - это полная высота 1.400 дюйма (35.7 мм). В этом варианте высота возбуждающей части 412 первой антенны 1304 0.400 дюйма (10.2 мм). Это дает полную (суммарную) излучающую апертуру антенны 3.093 дюйма (67.7 мм). Угол наклона излучателей 104А-104D 65o.

Вышеуказанные размеры приведены только для примера. Как уже обсуждалось выше со ссылкой на обычную спиральную антенну, полная длина излучателей 104А-104D определяет точную частоту, на которой резонирует антенна. Резонансная частота важна, поскольку наивысшие усредненные коэффициенты усиления (направленного действия) антенны и наиболее симметричные диаграммы направленности антенны получаются на резонансной частоте. Если антенна выполнена более длинной, то резонансная частота смещается вниз. И напротив, если антенна выполнена более короткой, то резонансная частота смещается вверх. В процентах смещение частоты приблизительно пропорционально удлинению или укорочению излучателей 104А-104D, выраженному в процентах. На рабочих частотах L-диапазона грубая оценка следующая: 1 мм длины в направленности оси антенны соответствует 1 МГц.

В проиллюстрированном варианте и первая антенна 1304, и вторая антенна 1308 имеют по четыре возбуждаемых нитевидных элемента или излучателей 104А-104D. На каждый из этих излучателей подается сигнал в фазовой квадратуре. Квадратурное возбуждение четырех излучателей 104А-104D для каждой антенны 1304, 1308 осуществляется, используя схему возбуждения. Несмотря на то, что могут быть реализованы обычные схемы возбуждения, обеспечивающие квадратурное фазовое возбуждение, ниже подробно обсуждается предпочтительная схема возбуждения.

Другой важный размер - это осевая длина точки возбуждения (питания). Осевая длина точки возбуждения определяет расстояние от схемы возбуждения до точки возбуждения для вариантов, в которых точка возбуждения расположена вдоль излучателей 104А - 104D, как показано на фиг.13. Размер осевой длины точки возбуждения указывает на место, в котором микрополоска расширяется раструбом для продолжения излучателя, и это фактически место точки возбуждения для всего излучателя 104. В примере, показанном на фиг.16, длина точки возбуждения для первой антенны 1304 1.133 дюйма (28.8 мм). Длина точки возбуждения для второй антенны 1308 0.638 дюймов (17.2 мм). Эти размеры дают импедансы по 50 Ом на частотах 1618 и 2492 МГц соответственно. Если место точки возбуждения смещено вниз, то импеданс уменьшается. И, наоборот, если место точки возбуждения смещено вверх, то импеданс увеличивается. Важно заметить, что когда полная длина излучателя регулируется для настройки частоты, место точки возбуждения также должно смещаться на пропорциональную величину в направлении вдоль оси антенны, чтобы сохранить правильное согласование импедансов.

Предпочтительно антенна, имеющая размеры, показанные на фиг.16, скатывается в цилиндр, имеющий диаметр 0.500 дюймов (12.7 мм).

VI. Схема возбуждения 
Описанные спиральные антенны могут быть реализованы, используя однозаходную, четырехзаходную, восьмизаходную или другую х-заходную конфигурацию. Схема возбуждения используется для подачи на эти нитевидные элементы сигналов с необходимым фазовым углом. Схема возбуждения расщепляет сигнал и сдвигает по фазе, формируя сигнал для каждого элемента. Конфигурация схемы возбуждения зависит от числа нитевидных элементов. Например, для четырехзаходной спиральной антенны схема возбуждения обеспечивает четыре сигнала равной мощности с квадратурной фазовой взаимосвязью (т.е. 0, 90, 180 и 270o).

Для экономии пространства на возбуждающей части антенны может использоваться уникальная конфигурация схемы возбуждения. Дорожки схемы возбуждения входят в один или несколько излучателей 104А-104D антенны. Для удобства описана схема возбуждения в применении к схеме возбуждения, выполненной для формирования четырех сигналов одинаковой мощности с квадратурной фазовой взаимосвязью. После прочтения настоящего описания специалисту в данной области техники станет очевидным, как выполнить схему возбуждения для других х-заходных конфигураций.

Фиг.17 иллюстрирует электрическую эквивалентную схему обычной схемы квадратурного возбуждения. Для обычной схемы квадратурного возбуждения такая схема формирует четыре сигнала равной мощности, каждый из которых смещен по фазе на 90o. Сигнал подается на схему возбуждения по первому сигнальному пути (токопроводящей дорожке) 1704. В первой сигнальной точке А (называется вторичной точкой возбуждения) сигнал с фазой 0o подается на первый излучатель 104. В сигнальной точке В сигнал с фазой 90o подается на второй излучатель 104. В сигнальных точках С и D сигналы с фазами 180 и 270o подаются на третий и четвертый излучатели 104.

Сигналы А и В суммируются в точке Р2, чтобы получить импеданс 25 Ом. Аналогично сигналы С и D суммируются в точке Р3, чтобы получить импеданс 25 Ом. Эти сигналы суммируются в P1, чтобы получить импеданс 12.5 Ом. Поэтому на входе размещается преобразователь (трансформатор) 25 Ом, 90o для преобразования этого импеданса в 50 Ом. Заметим, что в схеме, показанной на фиг. 17, часть преобразователя размещена перед расщеплением Р1, чтобы укоротить схему возбуждения, а также уменьшить потери. Однако поскольку он расположен перед расщеплением, то после расщепления импеданс должен быть увеличен в два раза.

Обычная схема возбуждения видоизменена так, что дорожки схемы возбуждения расположены на частях основы, определенных для излучателей 104А-104D. А конкретно, в предпочтительном варианте эти токопроводящие дорожки расположены на основе в области, которая находится напротив (на противоположной стороне) заземленных дорожек одного или нескольких излучателей 104А-104D.

Фиг.18 - это схема, иллюстрирующая примерный вариант схемы возбуждения в применении к четырехзаходной спиральной антенне. А конкретно, в примере, проиллюстрированном на фиг.18, показаны две схемы возбуждения: первая схема 1804 возбуждения для реализации с первой антенной 1304; и вторая схема 1808 возбуждения для реализации со второй антенной 1308. Схемы возбуждения 1804, 1808 имеют точки А, В, С и D для подачи на излучатели 104А-104D сигналов с фазой 0, 90, 180 и 270o. Штриховые линии на фиг.18 приблизительно иллюстрируют контур для заземленного слоя излучателей 104А-104D на поверхности основы напротив поверхности, на которой расположены схемы возбуждения 1804, 1808. Таким образом, фиг.18 иллюстрирует те участки схем возбуждения 1804, 1808, которые расположены на излучателях 104А-104D или входят в них.

Заметим, что исходя из обычного здравого смысла схема возбуждения формируется в области, которая отделена от излучателей. И напротив, в показанном варианте схема возбуждения скомпонована так, что часть схемы возбуждения расположена на излучательной части антенны. Благодаря этому возбуждающая часть антенны может быть уменьшена в размере по сравнению с возбуждающей частью для обычных схем возбуждения.

Фиг. 19 - схема, иллюстрирующая схемы возбуждения 1804, 1808 вместе с сигнальными дорожками, включая токопроводящие дорожки питания, для антенн 1304, 1308. Фиг. 20 иллюстрирует контур для заземленного слоя антенн 1304, 1308. Фиг. 21 - схема, иллюстрирующая наложенные заземленные слои и сигнальные дорожки.

Достоинство этих схем возбуждения заключается в том, что область, требующаяся для возбуждающей части антенны, чтобы выполнить схему возбуждения, уменьшена по сравнению с обычными технологиями выполнения возбуждения. Это потому, что части схемы возбуждения антенны теперь размещены на излучательной части антенны. Вследствие этого полная длина антенны может быть уменьшена.

Дополнительное достоинство такой схемы возбуждения состоит в том, что, поскольку вторичная точка возбуждения сдвинута ближе к точке возбуждения антенны, потери в линии передачи уменьшены. Кроме того, преобразователь может быть интегрирован в линию "трассы" схемы возбуждения для согласования импедансов.

VII. Антенная сборка 
Как обсуждалось выше, одна из технологий изготовления спиральной антенны состоит в размещении излучателей, схем возбуждения и заземленных дорожек на основе и сворачивания основы в виде соответствующей формы. Несмотря на то, что вышеописанные антенные конфигурации могут быть реализованы с использованием обычных технологий для сворачивания основы в соответствующую форму, теперь будет описана усовершенствованная конструкция и технология для сворачивания антенны.

Фиг. 22А - схема, иллюстрирующая один из вариантов конструкции, используемой для удерживания основы в виде соответствующей формы (например, цилиндрической). А конкретно, фиг.22А иллюстрирует примерную конструкцию, добавляемую к антенне, имеющей схему возбуждения с эффективным размещением. После прочтения этого описания специалисту в данной области техники станет очевидным, как реализовать изобретение со спиральными антеннами других конфигураций.

Фиг. 22В-22F изображают разрезы примерной конструкции, используемой для удержания антенны в цилиндрической или другой соответствующей форме. Обратимся теперь к фиг.22А-22F; примерная конструкция включает металлическую полоску 2218 на заземленном слое 412 или это удлиненный конец заземленного слоя 412, материал мягкого припоя 2216 напротив металлической полоски 2218 и одно или несколько сквозных отверстий 2210.

Металлическая полоска 2218 может быть частью заземленного слоя 412 или металлической полоской, добавляемой к заземленному слою 412. Предпочтительно в одном из вариантов металлическая полоска 2218 выполняется просто путем вытягивания в ширину заземленного слоя 412 на заданную величину. В варианте, проиллюстрированном на фиг.22А, эта ширина обозначена Wstrip.

В области металлической полоски 2218 в заземленном слое выполнен ряд сквозных отверстий 2210. Предпочтительно для жесткого соединения сквозные отверстия 2210 добавляются к излучательным частям и первой антенны 1304, и второй антенны 1308. Конфигурация, выбранная для сквозных отверстий 2210, основана на известных механических и электрических свойствах используемых материалов. Хотя изобретение может бить реализовано только с одним или двумя сквозными отверстиями 2210 на каждом заземленном слое 412, для получения требующегося уровня механической прочности и электрического соединения могут быть выполнены несколько сквозных отверстий 2210. Несмотря на то, что необходимости в том нет, но часть каждого используемого заземленного слоя 412 может быть расширена в бок или вытянута по окружности за пределы излучателей антенны.

Как видно на фиг.22В, сквозные отверстия 2210 проходят полностью через материал заземленного слоя 412 и через опорную основу 406 (100) от одной поверхности к другой. Сквозные отверстия выполняются как металлизированные или покрытые металлом сквозные отверстия, используя хорошо известные из уровня техники технологии. Относительно небольшая часть или участок на противоположном краю 2214 заземленного слоя 412 покрывается мягким припоем 2216.

Вариант, проиллюстрированный на фиг.22В и 22D, включает небольшую металлическую полоску 2218, сформированную на основе 406 на противоположной стороне от заземленного слоя 412, но вблизи первого края 2212. В этом варианте сквозные отверстия проходят через основу к металлической полоске 2218. Несмотря на то, что металлическая полоска 2218 не является обязательной во всех приложениях, для специалистов в данной области техники будет легко видно, что такая металлическая полоска 2218 упрощает растекание припоя и улучшает механическую связь. Конкретный материал для изготовления металлической полоски 2218 выбирается в соответствии с известными принципами, учитывающими используемый материал заземленного слоя, выбранный припой и т.д.