Четырехзаходная спиральная антенна и схема питания

 

Изобретение относится к спиральным антеннам. Техническим результатом является уменьшение габаритов, улучшение характеристик. Четырехзаходная спиральная антенна содержит четыре излучателя, которые в предпочтительном варианте осуществления выполнены травлением на участке излучателей микрополосковой подложки. Микрополосковая подложка свернута с образованием цилиндрической формы, в результате чего излучатели оказываются намотанными по спирали. Кроме того, на микроволновой подложке травлением выполнена схема питания, обеспечивающая формирование сигналов с фазами 0°, 90°, 180^o, и 270°, требуемых для возбуждения излучателей. Схема питания использует комбинацию шлейфовых ответвителей и одного или более делителей мощности для приема входного сигнала от передатчика и формирования из него сигналов с фазами 0°, 90°, 180° и 270°, требуемых для возбуждения антенны. В режиме приема схема питания использует те же самые компоненты для приема сигналов с фазами 0°, 90°, 180° и 270° от антенных излучателей и формирования из них одного сигнала, подаваемого на приемник сигналов связи. Делитель мощности принимает входной сигнал и формирует из него два выходных сигнала, различающихся по фазе на 180°. Шлейфовый ответвитель получает входной сигнал и формирует из него два выходных сигнала, различающихся по фазе на 90°. 2 с. и 18 з.п. ф-лы, 29 ил.

Область техники Настоящее изобретение относится к спиральным антеннам, а более конкретно - к четырехзаходной спиральной антенне и к схеме питания.

Уровень техники Разработано множество современных устройств связи и навигации, которые используют спутники на околоземных орбитах для выработки необходимых связных и навигационных сигналов. К таким устройствам можно отнести спутниковые навигационные системы, спутниковые системы слежения и локации и системы связи, которые используют спутники для ретрансляции сигналов связи от одной станции к другой. Эти и другие системы связи часто используют антенны, схема питания которых обеспечивает формирование множества сигналов с различными фазами.

Достижения в электронике в областях компоновки, энергопотребления, миниатюризации и производства в целом привели к появлению таких устройств в портативной компоновке, стоимость которых является приемлемой для многих коммерческих и индивидуальных потребителей. Однако антенны, используемые для обеспечения связи со спутниками, по-прежнему требуют дополнительных усовершенствований. Обычно антенны, пригодные для применения в соответствующем частотном диапазоне, имеют большие размеры, чем было бы желательно для портативного устройства. Часто антенны реализуются с использованием микрополосковой технологии. Однако в таких антеннах схемы питания имеют излишне крупные габариты или проявляют нежелательные характеристики.

Сущность изобретения Настоящее изобретение направлено на создание антенны в виде четырехзаходной спирали и ее схемы питания. Такая четырехзаходная спиральная антенна состоит из четырех излучателей, которые в предпочтительном варианте осуществления вытравлены на излучающей части тонкой подложки. Подложка имеет цилиндрическую форму так, что излучатели оказываются навитыми по спирали. Также на микрополосковой подложке травлением выполнена схема питания. В режиме передачи схема питания принимает входной передаваемый сигнал и выполняет требуемое деление мощности и фазирование для обеспечения необходимых фаз для возбуждения излучателей антенны. В режиме приема схема питания принимает и объединяет сигналы, принятые от излучателей. Схемы питания, представленные здесь, описаны в терминах сдвига фазы входного сигнала для выработки передаваемых сигналов для излучателей. Должно быть понятно, что эти схемы работают также и на прием.

Также раскрыты различные схемы питания, используемые для обеспечения сопряжения между фидерной линией и элементами антенны. В соответствии с описанной ниже схемой питания могут быть использованы три компонента в различных комбинациях для выработки сигналов с фазами 0^o, 90^o, 180^o и 270^o, необходимых для возбуждения антенны. Одним таким компонентом является шлейфовый ответвитель, а другим является 180^o делитель мощности. Шлейфовый ответвитель принимает входной сигнал и разделяет этот входной сигнал на два выходных сигнала. Два выходных сигнала равны по амплитуде и различаются по фазе на 90^o.

180^o делитель мощности принимает входной сигнал и разделяет его на два выходных сигнала. Два выходных сигнала равны по амплитуде и различаются по фазе на 180^o. 180^o делитель мощности выполняет эти операции следующим образом. Входной сигнал проходит вдоль проводящей дорожки на схемной поверхности микрополосковой подложки. На противоположной стороне микрополосковой подложки находится электрически бесконечный заземляющий экран. В этой области входной сигнал является несимметрированным сигналом.

Во второй области заземляющий экран прерван, за исключением области, прямо противоположной сигнальной дорожке. В этой области заземляющий экран сужается от электрически бесконечной заземляющей плоскости до ширины, которая по существу равна ширине сигнальной дорожки. В результате, противоположно сигнальной дорожке имеется вторая сигнальная дорожка по существу той же самой ширины, называемая дорожкой обратного сигнала. В этой области сигнал является симметрированным сигналом, и для тока, протекающего по сигнальной дорожке, существует равный, но противоположный ток, протекающий по дорожке обратного сигнала на противоположной стороне. Эта дорожка обратного сигнала переводится на схемную поверхность микрополосковой подложки и заземляющий экран продолжается снова на противоположной поверхности.

Варианты выполнения, признаки и преимущества настоящего изобретения, а также конструкция и принцип работы различных вариантов осуществления настоящего изобретения описаны более подробно со ссылками на иллюстрирующие чертежи.

Краткое описание чертежей Настоящее изобретение описывается со ссылками на иллюстрирующие чертежи. На чертежах одинаковыми позициями обозначены идентичные или функционально аналогичные элементы. Кроме того, левая цифра ссылочной позиции указывает на номер чертежа, на котором эта позиция появилась впервые. Следует заметить, что чертежи выполнены не строго в масштабе, особенно это касается излучающих элементов антенн.

На фиг. 1 представлена четырехзаходная спиральная антенна в микрополосковом исполнении, на фиг.2 представлена нижняя поверхность травленой подложки микрополосковой четырехзаходной спиральной антенны, имеющей бесконечный симметрирующий фидер, согласно изобретению, на фиг.3 представлена верхняя поверхность травленой подложки микрополосковой четырехзаходной спиральной антенны, имеющей бесконечный симметрирующий фидер согласно изобретению, на фиг.4 показано пространственное представление травленой подложки микрополосковой четырехзаходной спиральной антенны, имеющей бесконечный симметрирующий фидер согласно изобретению, на фиг.5(a) показаны выводы антенных излучателей, на фиг. 5(b) показано соединение фидерной линии с излучателем согласно одному из вариантов осуществления,
на фиг.5(с) показан другой вариант соединения фидерной линии с излучателем,
на фиг. 6(а) показана нижняя поверхность травленой подложки микрополосковой четырехзаходной спиральной антенны согласно другому варианту осуществления изобретения,
на фиг.6(b) показана верхняя поверхность травленой подложки микрополосковой четырехзаходной спиральной антенны согласно другому варианту осуществления изобретения,
на фиг. 7 показан однокаскадный шлейфовый ответвитель, имеющий узкополосную характеристику частотного отклика,
на фиг.8 показан частотный отклик однокаскадного шлейфового ответвителя по фиг.7,
на фиг. 9 показан двухкаскадный шлейфовый ответвитель, имеющий широкополосную характеристику частотного отклика,
на фиг. 10 показан частотный отклик двухкаскадного шлейфового ответвителя по фиг.7,
на фиг. 11, включающей в себя фиг. 11(а), 11(b) и 11(c), показан 180^o делитель мощности,
на фиг. 12, включающей в себя фиг.12(a) и 12(b), показана несимметрированная микрополосковая линия и симметрированные сигнальные дорожки параллельных плоскостей и диаграммы их электрического поля,
на фиг. 13 показана эквивалентная схема 180^o делителя мощности, показанного на фиг. 11,
на фиг. 14 показана узкополосная схема питания, содержащая 180^o делитель мощности и два шлейфовых ответвителя согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг. 15 показана узкополосная схема питания, содержащая два 180^o делителя мощности и шлейфовый ответвитель, согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг. 16 показан пример осуществления схемы питания, содержащий два 180^o делителя мощности и однокаскадный шлейфовый ответвитель,
на фиг. 17(a) представлен покомпонентный вид одного из вариантов осуществления переходной секции схемы питания, подобной показанной на фиг. 16,
на фиг.17(b) представлен вид в сечении переходной секции по фиг.17(а),
на фиг. 18 показан пример топологии верхней поверхности микрополосковой подложки для 180^o делителя мощности,
на фиг. 19 показан пример топологии части нижней поверхности микрополосковой подложки для 180^o делителя мощности,
на фиг. 20 показан пример топологии четырехзаходной спиральной антенны, использующей схему питания, изображенную на фиг. 16.

Детальное описание вариантов осуществления
1. Общие сведения
Настоящее изобретение направлено на создание четырехзаходной спиральной антенны и схемы питания. В соответствии с заявленной четырехзаходной спиральной антенной, микрополосковая подложка состоит из двух частей: первой секции, содержащей антенные излучатели, и второй секции, содержащей схему питания антенны. Микрополосковая подложка свернута в цилиндр так, что излучатели оказываются спирально намотанными вокруг центральной оси.

Схема питания содержит новую и уникальную структуру для получения четырех сигналов, имеющих относительные разности фаз 0^o, 90^o, 180^o и 270^o, для возбуждения спиральной антенны. Схема питания может включать в себя комбинацию таких компонентов, как шлейфовые ответвители и 180^o делители мощности.

Четырехзаходная спиральная антенна
Четырехзаходная антенна описывается со ссылками на фиг.1 - 6. На фиг.1 представлена четырехзаходная спиральная микрополосковая антенна 100. Антенна 100 содержит излучатели 104, выполненные способом травления на подложке 108. Подложка представляет собой тонкопленочный гибкий материал, который свертывается с образованием цилиндрической формы так, что излучатели 104 оказываются закругленными по спирали вокруг центральной оси цилиндра.

На фиг.2 - 4 представлены компоненты, используемые для изготовления четырехзаходной спиральной антенны 100. На фиг.2 и 3 представлены виды нижней поверхности 200 и верхней поверхности 300 подложки 108 соответственно. Подложка 108 содержит секцию 204 излучателей и фидерную секцию 208.

Отметим, что в данном описании поверхности подложки 108 определяются как "верхняя" поверхность и "нижняя" поверхность. Это обозначение принято исключительно для простоты описания, и использование такого обозначения не должно рассматриваться как обязательная конкретная пространственная ориентация подложки 108. Кроме того, описанные и изображенные варианты осуществления антенн описываются как изготовленные путем преобразования подложки в цилиндрическую форму с верхней поверхностью, находящейся на внешней стороне образованного цилиндра. В альтернативных вариантах осуществления подложка может преобразовываться в цилиндрическую форму с нижней поверхностью на внешней стороне цилиндра.

В предпочтительном варианте осуществления микрополосковая подложка 100 представляет собой тонкий гибкий слой из политетрафторэтилена (ПТФЭ), композита на основе ПТФЭ и стекла или другого диэлектрического материала. Предпочтительно подложка 100 имеет толщину порядка 0.005 дюйма, или 0.13 мм. Сигнальные дорожки и дорожки заземления выполнены с использованием меди. В альтернативных вариантах осуществления могут быть использованы другие проводящие материалы вместо меди в зависимости от стоимости, условии окружающей среды и других факторов.

Схема питания 308 выполняется травлением в фидерной области 208 для получения сигналов с фазами 0^o, 90^o, 180^o и 270^o, которые подаются на излучатели 104. Фидерная секция 208 нижней поверхности 200 обеспечивает заземляющий экран 212 для схемы питания 308. Сигнальные дорожки для схемы питания 308 вытравлены на верхней поверхности 300 фидерной секции 208. Конкретные варианты осуществления схемы питания 308 подробно описаны ниже.

Для целей настоящего описания принято, что секция 204 излучателей имеет первый конец 232, ближний к фидерной секции 208, и второй конец 234 (на противоположном конце секции 204 излучателей). В зависимости от варианта осуществления антенны, излучатели 104 могут быть выполнены травлением на нижней поверхности 200 секции 204 излучателей. Длина, на которую излучатели 104 вытянуты от первого конца 232 по направлению ко второму концу 234, зависит от точки питания антенны и других факторов конкретной конструкции, например, желаемой диаграммы направленности излучения. Обычно эта длина является целым, кратным четверти длины волны.

Вариант выполнения антенны, имеющей конфигурацию бесконечного симметрирующего фидера, изображен на фиг. 2-5. В этом варианте излучатели 104 на нижней поверхности 200 проходят по длине секции 204 излучателя от первого конца 232 до противоположного конца 234. Эти излучатели изображены как излучатели 104A, 104B, 104C и 104D. В варианте с бесконечным симметрирующим фидером излучатели запитываются на втором конце 234 посредством фидерных линий 316, выполненных травлением на верхней поверхности 300 секции 204 излучателя. Фидерные линии 316 проходят от первого конца 232 до второго конца 234 для обеспечения питания излучателей 104. В такой конфигурации точка питания находится на втором конце 234. Поверхность излучателей 104A, 104D, контактирующая с подложкой 108 (противоположно фидерным линиям 316) обеспечивает заземление для фидерных линий 316, которые подают антенный сигнал от схемы питания к точке питания антенны.

На фиг. 4 представлено пространственное изображение варианта осуществления с бесконечным симметрирующим фидером. Этот вид дополнительно иллюстрирует фидеры 316 и излучатели 104, вытравленные на подложке 108. Этот вид также иллюстрирует способ соединения фидеров 316 с излучателями 104 с использованием соединений 404. Соединения 404 не являются реально физически изготовленными, как изображено на фиг.4. На фиг.5, которая содержит фиг.5(a), фиг. 5(b) и фиг.5(c), показаны альтернативные варианты осуществления соединений 404. На фиг. 5(a) показан фрагмент секции 204 излучателей. Согласно данному варианту, излучатели 104 снабжены выводами 504 на втором конце 234. Когда антенна сворачивается в цилиндр, соответствующие пары излучателя и фидерной линии соединяются. Примеры таких соединений изображены на фиг.5(b) и фиг.5(c), где выводы 504 отогнуты по направлению к центру цилиндра.

В примере, изображенном на фиг.5(b), соединение 404 выполнено посредством пайки (или другим электрическим соединением) излучателя 104C и фидерной линии 316 с использованием короткого проводника 508. На фиг.5(b) фидерная линия 316 находится на внутренней поверхности цилиндра и поэтому изображена пунктирной линией.

В примере, изображенном на фиг.5(c), излучатель 104A и фидерная линия 316 на противоположной поверхности отогнуты по направлению к центру цилиндра, перекрываются и электрически соединяются в точке перекрытия, предпочтительно пайкой соответствующей фидерной линии 316 со своим связанным излучателем, например 104C.

Более простой вариант осуществления, чем описанный выше с бесконечным симметрирующим фидером, изображен на фиг.6, которая содержит фиг.6(a) и фиг. 6(b). Фиг.6(a) изображает нижнюю поверхность 200, фиг.6(b) изображает верхнюю поверхность 300. В данном варианте излучатели 104 выполнены травлением на верхней поверхности 300 и запитываются от первого конца 232. Эти излучатели показаны как излучатели 104A, 104B, 104C и 104D. В данном варианте не предусмотрено излучателей 104 на нижней поверхности 200.

Так как эти излучатели возбуждаются у первого конца 232, то нет необходимости в симметрирующих фидерных линиях 316, которые требовались для варианта с бесконечным симметрирующим фидером. Таким образом, данный вариант более прост в реализации, и позволяет избежать потерь, вносимых фидерными линиями 316.

Отметим, что в вариантах, изображенных на фиг.6(a) и фиг.6(b), длина излучателей 104 является целым кратным λ/2, где λ - длина волны для центральной частоты антенны. В таком варианте, когда излучатели 104 имеют длину, кратную λ/2, излучатели 104 электрически соединяются вместе на втором конце 234. Это соединение может быть осуществлено с помощью проводника поперек второго конца 234, который образует кольцо по окружности антенны, когда подложка сворачивается в цилиндр. Пример такого варианта осуществления показан на фиг. 16. В альтернативном варианте, когда длина излучателей 104 является нечетным кратным λ/4, излучатели 104 остаются электрически разомкнутыми на втором конце 234 для обеспечения резонанса антенны на ее центральной частоте.

Шлейфовые ответвители
Шлейфовые ответвители используются как простое и недорогое средство для разделения мощности и направленного ответвления. Однокаскадный узкополосный шлейфовый ответвитель 700 изображен на фиг.7. Ответвитель 700 включает в себя плечо 704 основной линии, вторичное плечо 708 и два шунтирующих плеча 712. Входной сигнал подается в плечо 704 основной линии ответвителя (называемое основной линией 704) и ответвляется во вторичное плечо 708 ответвителя (называемое вторичной линией 708) с помощью шунтирующих плеч 712. Вторичная линия 708 соединена с землей на одном конце предпочтительно импедансом согласованной нагрузки. Предпочтительно шунтирующие плечи 712 являются четвертьволновыми секциями, разделенными четвертью длины волны, образуя таким образом секцию, имеющую длину периметра, равную приблизительно длине волны.

На выходе как в основной линии 704, так и во вторичной линии 708 формируется выходной сигнал. Эти сигналы отличаются по фазе друг от друга на 90^o. Каждый из выходных сигналов имеет уровень, который приблизительно равен половине уровня мощности входного сигнала.

Одним из свойств такого однокаскадного шлейфового ответвителя 700 является то, что его частотный отклик довольно узкополосный. Фиг.8 изображает частотный отклик 808 типового однокаскадного шлейфового ответвителя 700 в функции отраженной энергии 804.

Для обеспечения обработки более широкого диапазона частот может быть использован двухкаскадный шлейфовый ответвитель. Такой двухкаскадный шлейфовый ответвитель 900 изображен на фиг.9. Главным физическим отличием между однокаскадным шлейфовым ответвителем 700 и двухкаскадным шлейфовым ответвителем 900 является то, что двухкаскадный шлейфовый ответвитель 900 включает в себя дополнительное шунтирующее плечо 914.

Преимуществом двухкаскадного шлейфового ответвителя 900 по сравнению с однокаскадным шлейфовым ответвителем 700 является то, что двухкаскадный шлейфовый ответвитель 900 обеспечивает возможность получения более широкополосного частотного отклика. То есть частотный диапазон, в котором отраженная энергия ниже приемлемого уровня, шире, чем частотный диапазон однокаскадного шлейфового ответвителя 700. Частотный отклик типового двухкаскадного шлейфового ответвителя изображен на фиг. 10. Однако для реальных широкополосных применений двухкаскадный шлейфовый ответвитель 900 может оказаться недостаточно идеальным, в связи с достаточно высоким уровнем отраженной энергии 804 в рабочем диапазоне частот.

Схемы питания
Четырехзаходные спиральные антенны, описанные выше, также как и некоторые другие антенны, требуют применения схем питания для получения сигналов с фазами 0^o, 90^o, 180^o и 270^o, необходимых для возбуждения антенных излучателей 104. В данном разделе описаны несколько схем питания, которые могут быть реализованы для осуществления сопряжения излучателей 104 с фидерной линией антенны. Схемы питания описаны с использованием таких компонентов, как 180^o делитель мощности, однокаскадные шлейфовые ответвители 700 и двухкаскадные шлейфовые ответвители 900.

Одним из элементов, используемых для обеспечения требуемых фаз, является 180 делитель мощности. Этот 180 делитель мощности описан со ссылками на фиг. 11 и 12. Фиг. 11 содержит фиг.11(a), фиг.11(b) и фиг.11(c). Фиг.12 содержит фиг. 12(a) и фиг.12(b). Основной принцип, лежащий в основе такого 180^o делителя мощности состоит в том, что сигнал преобразуется из симметрированного сигнала в несимметрированный сигнал за счет изменения заземляющего участка проводящей сигнальной дорожки. На фиг. 11(a) показан возможный вариант осуществления 180^o делителя мощности 1100. Обе поверхности 180^o делителя мощности 1100, выполненного с использованием микрополосковой технологии, изображены на фиг. 11 так, как если бы подложка 108 была прозрачной. Для простоты обсуждения описываются три области 180^o делителя мощности 1100: входная область 1132, переходная область 1134 и выходная область 1136.

Согласно изображенному варианту осуществления, проводящая дорожка 1108 нанесена на верхней поверхности 300 фидерной части 208 антенны. Проводящая дорожка 1108 воспринимает входной сигнал, который должен быть разделен на два сигнала по существу с равной амплитудой, которые различаются по фазе на 180^o. Во входной области 1134 проводящая дорожка 1108 на верхней поверхности 300 снабжена эффективно бесконечным заземляющим экраном 1104 на нижней поверхности 200. Поскольку проводящая дорожка 1108 имеет противолежащий ей заземляющий экран 1104, входной сигнал, проходящий по проводящей дорожке 1108, является несимметрированным сигналом. Эта концепция изображена на фиг.12(a), где показана проводящая дорожка 1108 конечной ширины и заземляющий экран 1104, противолежащий проводящей дорожке 1108. Силовые линии поля изображают диаграмму поля между проводящей дорожкой 1108 и заземляющим экраном 1104.

В переходной области 1134, проводящая дорожка 1108 продолжается, а заземленный экран 1104 сужается до ширины, которая по существу равна ширине проводящей дорожки 1108. Это изображено на фиг. 11(a) и 11(b) в виде сужающейся части 1146 и обратной проводящей дорожки 1109. Отметим, что обратная проводящая дорожка 1109 на нижней поверхности 200 является по существу выровненной с проводящей дорожкой 1108 на верхней поверхности 300. Другими словами, проводящая дорожка 1108 и обратная проводящая дорожка 1109 расположены вдоль одной и той же продольной оси.

Когда входной сигнал распространяется вдоль проводящей дорожки 1108 в области, противоположной суженному заземляющему участку 1146, то сигнал преобразуется из неснмметрированного в симметрированный сигнал. Там, где заземляющий участок и проводящая дорожка 1108 по существу имеют одинаковую ширину (т.е. там, где проводящая дорожка 1108 по существу выровнена с обратной проводящей дорожкой 1109), сигнал является симметрированным сигналом. Поперечное сечение проводящей дорожки 1108, соседней с проводящей дорожкой 1109, изображено на фиг.12(b). Силовые линии иллюстрируют распределение поля между проводящей дорожкой 1108 и заземляющим экраном 1104 (теперь частью дорожки для распространения симметрированного сигнала). Такая дорожка для распространения симметрированного сигнала образована проводящей дорожкой 1108 и обратной проводящей дорожкой 1109.

Так как сигнал теперь являются симметрированным, то ток, текущий по обратной проводящей дорожке 1109, равен по величине и противоположен току, протекающему в проводящей дорожке 1108. Таким образом, сигнал в обратной проводящей дорожке 1109 имеет сдвиг фазы на 180^o по отношению к сигналу в проводящей дорожке 1108 в выходной области 1136. Поэтому в выходной области 1136 присутствуют два сигнала, сигнал в проводящей дорожке 1108 (определяемый как сигнал с относительной фазой 0^o) и сигнал с фазой 180^o, созданный в проводящей дорожке 1109.

Для подачи сигнала с фазой 180^o в антенные излучатели 104 или на другие схемы в схеме питания 308, этот сигнал может быть подан на верхнюю поверхность 300 через элемент 1116 (сквозное отверстие или другой подобный элемент соединения), и затем этот сигнал распространяется по проводящей дорожке 1110 на верхней поверхности 300. На противоположной поверхности (нижней поверхности 200) "плавающий" заземленный экран 1112 обеспечивает эффективное бесконечное заземление для сигнала в проводящей дорожке 1110. Отметим, что заземляющий экран 1112 является плавающим по отношению к заземляющему экрану 1104.

Для ясности возможный вариант осуществления нижней поверхности 200 показан отдельно на фиг.11(b). Здесь показан заземляющий экран 1104, суженный участок 1146 и обратная проводящая дорожка 1109. На фиг. 11(b) изображен также вывод 1142, который является продолжением обратной проводящей дорожки 1109 в сторону от продольной оси, вдоль которой расположены проводящая дорожка 1108 и обратная проводящая дорожка 1109. Вывод 1142 образует область, где обратная проводящая дорожка 1109 соединяется с элементом 1116 для подачи обратного сигнала с фазой 180^o на верхнюю поверхность 300. Отметим, что хотя заземляющий экран 1104, сужающийся участок 1146, вывод 1142 и обратная проводящая дорожка 1109 описаны как отдельные элементы, они все могут быть выполнены на подложке в виде непрерывного элемента из проводящего материала.

Отметим, что хотя проводящие дорожки 1108 и 1110 изображены как имеющие одинаковую ширину, но ширина этих проводящих дорожек 1108 и 1110 может быть переменной. Одной из причин, по которой может быть желательно изменять ширину проводящих путей 1108, 1110, является согласование импеданса цепи. Фактически в варианте, изображенном на фиг.11(c), ширина проводящих дорожек 1108, 1110 увеличивается вблизи точки перехода, приводя к увеличению емкости в этой области и к снижению характеристического импеданса Z₀.

Эквивалентная схема 180^o делителя мощности изображена на фиг. 13. Эквивалентная схема будет описана с использованием элементов, показанных на фиг. 11, фиг. 12 и фиг. 13. Как указано выше, входной сигнал подается в проводящую дорожку 1108. На фиг. 13 это изображено как входная линия 1308. Взаимодействие между входным сигналом и заземляющим экраном 1104 может быть описано с помощью эффективной шунтирующей емкости между проводящей дорожкой 1108 и заземляющим экраном 1104. Эта емкость, изображенная в виде конденсатора 1312, создается микрополосковым элементом с низким характеристическим импедансом Z₀, изображенным на фиг.11(c).

В выходной области присутствует эффективная шунтирующая емкость между проводящей дорожкой 1108 и заземляющим экраном 1112, образуемая шириной проводящей дорожки 1108 в этой области, как показано конденсатором 1322. Аналогично, ширина проводящей дорожки 1110 создает эффективную шунтирующую емкость между проводящей дорожкой 1110 и заземляющим экраном 1112, как показано конденсатором 1324.

После перехода, где проводящие дорожки 1108, 1110 разделяются, но перед участком, где они находятся над плавающим заземлением 1112, сигналы распространяются на участке с эффективной последовательной индуктивностью. Это изображено катушками 1314 и 1316. Величина индуктивности пропорциональна длине проводящих дорожек 1108, 1110 в этой области. Так как эта последовательная индуктивность нежелательна, то длина поддерживается по возможности минимальной. Предпочтительно также, чтобы дополнительные емкости подключались к обоим концам сигнальных дорожек 1108, 1110 для компенсации этой индуктивности. Эти дополнительные емкости создаются за счет увеличения ширины сигнальных дорожек 1108, 1109 и 1110 в области перехода и вблизи нее. Пример такого выполнения изображен на фиг. 11 (c).

Отметим, что заземление 1332 (т.е. заземляющий экран 1112) на выходе является плавающим относительно входного заземления 1334 (заземляющего экрана 1104).

Для обеспечения надлежащей работы четырехзаходной спиральной антенны, такой как показанная на фиг. 1, передаваемый сигнал должен быть разделен на сигналы с фазами 0^o, 90^o, 180^o и 270^o. Аналогично, принимаемые сигналы с фазами 0^o, 90^o, 180^o и 270^o должны объединяться в единый принятый сигнал. Для осуществления этих функций предусмотрена схема питания 308. В данном разделе описывается несколько вариантов схемы питания 308. Эти варианты осуществления используют комбинацию 180^o делителя мощности 1100 и шлейфовых ответвителей, описанных выше в настоящем описании.

В первом варианте осуществления схема питания 308 использует два однокаскадных шлейфовых ответвителя 700 и один 180^o делитель мощности 1100. Этот вариант изображен на фиг. 14. Согласно этому варианту входной сигнал подается в схему питания в точке C. 180^o разделитель мощности 1100 разделяет входной сигнал на два сигнала, которые отличаются по фазе на 180^o. Эти сигналы определяются как сигнал с фазой 0^o и сигнал с фазой 180^o. Каждый из этих сигналов подается в однокаскадный шлейфовый ответвитель 700. Более конкретно, сигнал с фазой 0^o подается на шлейфовый ответвитель 700A, а сигнал с фазой 180^o подается на шлейфовый ответвитель 700B.

Каждый из шлейфовых ответвителей 700A, 700B формируют два выходных сигнала, которые равны по амплитуде, но отличаются по фазе на 90^o. Они определяются как сигнал с фазой 0^o и сигнал с фазой 90^o. Так как входной сигнал, подаваемый на шлейфовый ответвитель 700A, отличается от входного сигнала, подаваемого на шлейфовый ответвитель 700B, на 180^o, то выходные сигналы с фазами 0^o и 90^o шлейфового ответвителя 700A отличаются от выходных сигналов с фазами 0^o и 90^o ответвителя 700B на 180^o. В результате на выходе схемы питания формируются сигналы с фазами 0^o, 90^o, 180^o и 270^o, требуемые для питания четырехзаходной антенны. Каждый из этих сигналов с фазами 0^o, 90^o, 180^o и 270^o подается на соответствующий излучатель 104A, 104B, 104C и 104D.

Другой вариант осуществления схемы питания 308, изображенный на фиг.15, использует два 180^o делителя мощности 1100 и один однокаскадный шлейфовый ответвитель 700. Согласно этому варианту осуществления, однокаскадный шлейфовый ответвитель 700 сначала разделяет входной сигнал для формирования двух выходных сигналов одинаковой амплитуды, которые отличаются по фазе на 90^o. Эти выходные сигналы с фазами 0^o и 90^o подаются на 180^o делитель мощности 1100A и 180^o делитель мощности 1100B соответственно. Так как каждый 180^o делитель мощности 1100 выдает два сигнала, которые равны по амплитуде, но отличаются по фазе на 180^o, то выходные сигналы двух 180^o разделителей мощности 1100 являются сигналами с фазами 0^o, 90^o, 180^o и 270^o.

Отметим, однако, что эти сигналы следуют в неправильном порядке. 180^o делитель мощности 1100A выдает 0^o и 180^o сигналы, в то время как 180^o делитель мощности 1100B выдает 90^o и 270^o сигналы. Таким образом, для подачи сигналов на излучатели 104 в правильном порядке, проводящие дорожки, соответствующие сигналам с фазами 90^o и 180^o, должны изменить относительные положения.

Возможным способом изменения относительного положения сигналов является подача одного из этих двух сигналов на нижнюю поверхность 200 до места его пересечения пути прохождения другого сигнала. В этом месте сигнальная дорожка вытравлена как участок поверхности на нижней поверхности 200. Вокруг этого участка имеется зазор, где отсутствует заземляющий экран. Этот зазор, однако, имеет отрицательное воздействие на "землю". Поэтому желательно оставить заземляющий экран цельным, без какого бы то ни было зазора.

В альтернативном варианте выполнения места расположения путей прохождения сигналов изменяются посредством пропускания одной проводящей дорожки поперек другой проводящей дорожки с использованием изолирующей перемычки между двумя проводящими дорожками. Это позволяет сохранить цельность заземляющего экрана. В еще одном альтернативном варианте пересечение осуществляется посредством пропускания сигнальной дорожки поперек заземляющего экрана с использованием изолирующего участка между пересекающей сигнальной дорожкой и заземляющим экраном. В этом варианте единственное нарушение непрерывности обусловлено сквозным отверстием для пропускания сигнала через заземляющий экран на нижней поверхности 200.

Хотя схема питания 308 описана для четырехзаходной спиральной антенны, требующей сигналов с фазами 0^o, 90^o, 180^o и 270^o, однако специалистам в данной области техники должно быть ясно, как реализовать раскрытые способы для других конфигураций антенны, требующих наличия сигналов с фазами 0^o, 90^o, 180^o и 270^o. Более того, специалистам должно быть ясно, как использовать 180^o делитель мощности 1100 в других условиях, требующих наличия двух сигналов, которые отличаются по фазе на 180^o.

Следует заметить, что приведенные здесь схемы топологии служат для иллюстрации функциональных возможностей компонентов, а не обязательно представляют собой оптимальные топологии. На основании приведенного описания, включая и иллюстрации, можно создать оптимальную топологию, используя стандартные способы оптимизации топологии, с учетом используемых материалов, ограничений по мощности, пространству, размеру. Однако ниже описываются примеры топологии для шлейфового ответвителя 700 и 180^o делителя мощности 1100.

На фиг. 16 представлена топология схемы питания, изображенной на фиг. 15. Как показано на фиг. 16, шлейфовый ответвитель 700 представлен в топологии, которая более эффективна по площади, чем конфигурация, изображенная на фиг.7. 180^o делители мощности 1100 показаны как имеющие широкие дорожки в переходных областях для увеличения емкости и снижения характеристического импеданса. На фиг. 16 также изображен участок пересечения 1604, на котором сигналы с фазами 90^o и 180^o пересекаются. Сплошные линии 1622 без штриховки изображают контур дорожек на нижней поверхности 200. Заштрихованные области указывают дорожки на верхней поверхности 300.

Фиг. 17(a) изображает покомпонентный вид участка пересечения 1604. Отметим, что проводящая перемычка для соединения дорожки A1 с дорожкой A2 на фиг.17(a) не показана. Как показано на фиг. 16 и 17(a), проводящие сигнальные дорожки изменяют относительные положения. Сигнал в проводящей дорожке A1 переходит по перемычке над проводящей дорожкой B1 в проводящую дорожку A2. На фиг. 17(b) показана проводящая перемычка A3, используемая для электрического соединения проводящей дорожки A1 с проводящей дорожкой A2. В варианте, изображенном на фиг.17(b), проводящая перемычка A3 выполнена в виде проводника 1740, размещенного на изолирующем материале 1742. В показанном примере для электрического соединения проводника 1740 с проводящими дорожками A1, A2 используется проводящая лента 1744 или другое проводящее средство, например, припой или провод. В другом варианте осуществления проводник A3 имеет большую длину, чем изолирующий материал 1742, и электрически подсоединен к дорожкам A1, A2.

На фиг. 18 и 19 показаны дорожки на верхней и нижней поверхностях микрополосковой подложки. На фиг. 18 показана примерная топология проводящих дорожек 1108 и 1110. Также показана область 1804, где размещено сквозное отверстие 1116 для соединения с выводом 1142. На фиг. 19 показан заземляющий экран 1112, обратная проводящая дорожка 1109 и вывод 1142.

На фиг. 20 представлена примерная топология четырехзаходной спиральной антенны, использующей схему питания 308, изображенную на фиг. 16. Отметим, что в этом варианте выполнения излучатели 104 закорочены на втором конце 234 с помощью сигнальной дорожки 2004.

Исходя из представленного описания, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что хотя различные заземляющие экраны были описаны как сплошные заземляющие плоскости, однако могут быть использованы и другие их конфигурации, в зависимости от схемы питания и/или конструкции антенны. В частности, могут быть использованы сетчатые заземляющие экраны, перфорированные заземляющие экраны и т.п.

Заключение
Изложенное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения должно обеспечить возможность специалистам реализовать или использовать настоящее изобретение. Различные модификации этих воплощений должны быть очевидны для специалистов. Основные принципы, определенные здесь, могут быть применены и в других вариантах осуществления без использования изобретательского творчества. Таким образом, настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления, а имеет самый широкий объем в соответствии с принципами и новыми признаками, раскрытыми в настоящем описании.

Формула изобретения

1. Четырехзаходная спиральная антенна, содержащая четыре излучателя, выполненных травлением на участке излучателей микрополосковой подложки, и схему питания, выполненную травлением на фидерном участке этой подложки, предназначенную для подачи сигналов с фазами 0^o, 90^o, 180^o и 270^o на указанные излучатели, причем схема питания содержит шлейфовый ответвитель, имеющий входное плечо для приема входного сигнала, первое выходное плечо для выдачи второго выходного сигнала, для выдачи первого выходного сигнала и второе выходное плечо, причем первый и второй выходные сигналы отличаются один от другого на 90^o, первый делитель мощности, подсоединенный к первому выходному плечу шлейфового ответвителя, для приема первого выходного сигнала и для выдачи третьего и четвертого выходных сигналов, причем третий и четвертый выходные сигналы отличаются один от другого на 180^o, и второй делитель мощности, подсоединенный к второму выходному плечу шлейфового ответвителя для приема второго выходного сигнала и для выдачи пятого и шестого выходных сигналов, причем пятый и второй выходные сигналы отличаются один от другого на 180^o.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что каждый из упомянутых первого и второго делителей мощности содержит подложку, первую проводящую дорожку, расположенную на первой поверхности подложки, заземляющий участок, расположенный на второй поверхности подложки, образующий заземляющий экран и сужающийся от указанного заземляющего экрана для образования второй проводящей дорожки, имеющей ширину, которая по существу равна ширине указанной первой проводящей дорожке, расположена на второй поверхности и по существу совпадает с первой проводящей дорожкой.

3. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что каждый из упомянутых первого и второго делителей мощности содержит третью проводящую дорожку, расположенную на первой поверхности подложки, вывод, расположенный на второй поверхности и проходящий от второй проводящей дорожки, и электрическое соединение между упомянутым выводом на второй поверхности и третьей проводящей дорожкой на первой поверхности.

4. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что каждая из упомянутых первого и второго делителей мощности содержит третью проводящую дорожку, расположенную на первой поверхности подложки, электрическое соединение между второй проводящей дорожкой и третьей проводящей дорожкой.

5. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что шлейфовый ответвитель выполнен в виде однокаскадного шлейфового ответвителя.

6. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что шлейфовый ответвитель выполнен в виде двухкаскадного шлейфового ответвителя.

7. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что каждый из упомянутых первого и второго делителей мощности содержит подложку, имеющую входную область, переходную область и выходную область, первую проводящую дорожку, расположенную на первой поверхности подложки и проходящую по входной области, переходной области и выходной области, заземляющий участок, расположенный на второй поверхности подложки, образующий заземляющий экран во входной области подложки, и сужающийся от заземляющего экрана для образования суженной части в переходной области подложки, вторую проводящую дорожку, проходящую от суженной части на второй поверхности подложки и имеющую ширину, которая, по существу, равна ширине первой проводящей дорожки, расположена на второй поверхности и по существу совпадает с первой проводящей дорожкой.

8. Антенна по п.7, отличающаяся тем, что каждый из упомянутых первого и второго разделителей мощности содержит третью проводящую дорожку, расположенную на первой поверхности подложки и выходной области подложки, вывод, расположенный на второй поверхности и проходящий от второй проводящей дорожки, и электрическое соединение между упомянутым выводом на втором поверхности и третьей проводящей дорожкой на первой поверхности.

9. Антенна по п.7, отличающаяся тем, что каждый из упомянутых первого и второго разделителей мощности содержит третью проводящую дорожку, расположенную на первой поверхности подложки в выходной области подложки, электрическое соединение между второй проводящей дорожкой на второй поверхности и третьей проводящей дорожкой на первой поверхности.

10. Антенна по п.7, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из упомянутых первой, второй или третьей проводящих дорожек имеет большую ширину в выходной области подложки для уменьшения характеристического импеданса устройства.

11. Антенна по п.7, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из упомянутых первой и второй проводящих дорожек имеет большую ширину в переходной области подложки для уменьшения характеристического импеданса устройства.

12. Четырехзаходная спиральная антенна, содержащая четыре излучателя, выполненных травлением на участке излучателей микрополосковой подложки, и схему питания, выполненную травлением на фидерном участке этой подложки, предназначенную для выдачи сигналов с фазами 0^o, 90^o, 180^o и 270^o на упомянутые излучатели, причем схема питания содержит делитель мощности для получения из входного сигнала первого и второго выходных сигналов, которые отличаются один от другого на 180^o, первый шлейфовый ответвитель, имеющий входное плечо для приема первого выходного сигнала от делителя мощности, первое выходное плечо для выдачи третьего выходного сигнала и второе выходное плечо для выдачи четвертого выходного сигнала, причем третий и четвертый выходные сигналы отличаются один от другого на 90^o, и второй шлейфовый ответвитель, имеющий входное плечо для приема второго входного сигнала от делителя мощности, первое выходное плечо для выдачи первого выходного сигнала и второе выходное плечо для выдачи второго выходного сигнала, причем первый и второй выходные сигналы отличаются один от другого на 90^o.

13. Антенна по п.12, отличающаяся тем, что делитель мощности содержит подложку, первую проводящую дорожку, расположенную на первой поверхности подложки, и заземляющий участок, расположенный на второй поверхности подложки, образующий заземляющий экран и сужающийся от заземляющего экрана для образования второй проводящей дорожки, имеющей ширину, которая по существу равна ширине первой проводящей дорожки, расположена на второй поверхности и по существу совпадает с первой проводящей дорожкой.

14. Антенна по п.13, отличающаяся тем, что делитель мощности содержит третью проводящую дорожку, расположенную на первой поверхности подложки, вывод, расположенный на второй поверхности и проходящий от второй проводящей дорожки, и электрическое соединение между упомянутым выводом на второй поверхности и третьей проводящей дорожкой на первой поверхности.

15. Антенна по п.13, отличающаяся тем, что делитель мощности содержит третью проводящую дорожку, расположенную на первой поверхности подложки, и электрическое соединение между второй проводящей дорожкой и третьей проводящей дорожкой.

16. Антенна по п.12, отличающаяся тем, что делитель мощности содержит подложку, имеющую входную область, переходную область и выходную область, первую проводящую дорожку, расположенную на первой поверхности подложки, и проходящую через входную область, переходную область и выходную область, заземляющий участок, расположенный на второй поверхности подложки, образующий заземляющий экран во входной области подложки и сужающийся от заземляющего экрана для образования суженной части в переходной области подложки, вторую проводящую дорожку, проходящую от суженной части на второй поверхности подложки и имеющую ширину, которая, по существу, равна ширине первой проводящей дорожки, расположена на второй поверхности и, по существу, совпадает с первой проводящей дорожкой.

17. Антенна по п.16, отличающаяся тем, что делитель мощности содержит третью проводящую дорожку, расположенную на первой поверхности подложки в выходной области подложки, вывод, расположенный на второй поверхности и проходящей от второй проводящей дорожки, и электрическое соединение между упомянутым выводом на второй поверхности и третьей проводящей дорожкой на первой поверхности.

18. Антенна по п.16, отличающаяся тем, что делитель мощности содержит третью проводящую дорожку, расположенную на первой поверхности подложки в выходной области подложки, электрическое соединение между второй проводящей дорожкой на второй поверхности и третьей проводящей дорожкой на первой поверхности.

19. Антенна по п.16, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из упомянутых первой, второй или третьей проводящих дорожек имеет большую ширину в выходной области подложки для уменьшения характеристического импеданса устройства.

20. Антенна по п.16, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из упомянутых первой или второй проводящих дорожек имеет большую ширину в переходной области подложки для уменьшения характеристического импеданса устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22