Вложенная турникетная антенна

Заявленное изобретение относится к антеннам с круговой поляризацией. Технический результат заключается в обеспечении многочастотной связи при всенаправленной диаграмме направленности с заданным углом наклона. Сущность изобретения состоит в том, что многочастотная антенна с круговой поляризацией содержит отражатель, первую пару перекрестных симметричных вибраторов с первой резонансной частотой и вторую пару перекрестных симметричных вибраторов со второй резонансной частотой. Первая и вторая пары симметричных вибраторов расположены симметрично по одну сторону от отражателя и выполнены с возможностью возбуждения равной мощностью при относительном повороте фаз на 0, 90, 180 и 270 градусов. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, в основном, имеет отношение к радиоантеннам с круговой поляризацией (КП), и, более конкретно, к антеннам, содержащим по меньшей мере две пары одноярусных турникетных антенн.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В данной области техники хорошо известны стандартные КП радиоантенны, имеющие конфигурацию перекрестных симметричных вибраторов, или "турникета". Возможный вариант стандартной КП радиоантенны содержит одноярусные турникетные антенны, возбуждаемые симметричной четырехфазовой линией передачи и расположенные над отражающим экраном. Выводы симметричного вибратора одноярусной турникетной антенны наклонены вниз к экрану, чтобы увеличить КП излучение при более низких углах наклона относительно плоскости экрана. Антенны такого вида могут быть сделаны с использованием простых проводов, стержней или печатных проводников для выводов симметричного вибратора. КП радиоантенна, имеющая такие характеристики, показана на фиг.28-7 третьей редакции инженерного справочника по антеннам, опубликованного McGraw-Hill, соответствующие части которого включены в настоящее изобретение в качестве ссылки.

В патенте США за номером 5519407 описана двухчастотная КП антенна. Эта КП антенна содержит четыре идентичных антенных элемента, каждый из которых содержит режектор, содержащий катушку индуктивности и конденсатор, при этом режектор позиционирован по длине каждого антенного элемента. Такая конфигурация позволяет описанной антенне функционировать в двух разных диапазонах частот.

Дополнительно в патенте США за номером 5526009 описана двухчастотная антенна с линейной поляризацией (ЛП). Такая ЛП антенна содержит блок антенн, в котором содержится четыре антенных элемента. Каждый антенный элемент содержит катушку индуктивности и удлиненный отвод. Пары удлиненных отводов формируют разные по длине симметричные вибраторы так, чтобы каждая пара антенных элементов имела резонанс на разной частоте.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение обеспечивает структуру вложенной турникетной антенны, позволяющей передавать и /или принимать КП электромагнитные волны в более чем одном диапазоне частот. Антенна, предусмотренная настоящим изобретением, также обеспечивает возможность получить внутри каждого диапазона частот диаграммы направленности с заданным углом наклона.

Настоящее изобретение, предпочтительно, используется при приеме КП сигналов от спутников системы глобального позиционирования (GPS, СГП) и для передачи и приема КП сигналов спутников связи диапазона L (40-60 ГГц) (к примеру, сигналов, используемых в международной морской системе спутниковой связи (службы INMARSAT, ИНМАРСАТ), и т.д.. К примеру, настоящее изобретение может также использоваться для многочастотной связи, использующей КП сигналы, для которых требуются всенаправленные диаграммы направленности с заданным углом наклона.

Согласно настоящему изобретению две, или большее количество, структур турникетных антенн используют совместно общую ось симметрии и общий отражатель. Для получения упомянутых выше характеристик излучения выбираются разные конструктивные характеристики излучателей пар перекрестных симметричных вибраторов (к примеру, длины, позиции по оси симметрии, наклоны относительно отражателя и т.д.).

Более конкретно, настоящее изобретение предлагает многочастотную антенну с круговой поляризацией. Антенна содержит отражатель, имеющий первую сторону и вторую сторону, первую пару перекрестных симметричных вибраторов, которая имеет первую резонансную частоту, и вторую пару перекрестных симметричных вибраторов, которая имеет вторую резонансную частоту. Первая и вторая пары симметричных вибраторов расположены по одну сторону от отражателя и симметрично относительно оси.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Предпочтительные признаки настоящего изобретения поясняются прилагаемыми чертежами, в которых используется сквозная нумерация.

Фиг.1 изображает вид антенны сверху, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 изображает наклонный вид антенны, изображенной на фиг.1, иллюстрирующий один их двух наборов перекрестных симметричных вибраторов.

Фиг.3 является схематичной диаграммой, иллюстрирующей относительную фазу между элементами симметричных вибраторов в конфигурации, изображенной на фиг.1.

Фиг.4 изображает представление в перспективе антенны, изображенной на фиг.1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно фиг.1-3 антенна, предусмотренная настоящим изобретением, предпочтительно, содержит отражатель 10, поддерживающий пару печатных плат 40а и 40b. Предпочтительно, отражатель 10 является плоским. Следует отметить, что отражатель 10 может быть не плоским. Следовательно, в альтернативных вариантах осуществления отражатель 10 может иметь искривленные или объемные поверхности, или поверхности другой формы, известные из уровня техники. Антенна вложена в обтекатель (не изображен) для защиты от воздействия погодных условий.

Согласно фиг.3 отражатель 10 имеет круглую форму. Диаметр отражателя круглой формы составляет около 8 дюймов. Альтернативно, отражатель 10 может иметь любую симметричную квадратичную форму, такую как квадрат или восьмиугольник. Через его центр проходит вертикальная ось, перпендикулярная к отражателю 10. Вертикальная ось является также осью симметрии антенны. Характеристики передачи и приема антенны относятся, в основном, к половине пространства, расположенной над плоскостью, содержащей отражатель 10. Отражатель 10 также образует горизонтальный отражающий элемент под антенной для электромагнитной изоляции схем и других структур, расположенных ниже отражателя 10 антенны.

Печатные платы 40а и 40b содержат пару противолежащих пазов (не изображены), вырезанных по меньшей мере на половине отрезка, проходящего через центр двух печатных плат, пазы позволяют сдвинуть печатные платы вместе, образуя в результате сцепленную структуру. Предпочтительно, каждая печатная плата сделана из высокочастотного материала, толщиной в 0,031 дюйма, с электролитически осажденным медным покрытием на обеих сторонах (к примеру, вида R04003 от корпорации Rogers, Chandler, AZ). В зависимости от электрических характеристик материала на требуемых рабочих частотах может быть использован другой материал печатной платы. С использованием стандартной технологии печатной платы осуществляется травление печатных плат 40а и 40b для удаления электролитически осажденного медного покрытия. При этом на противоположной стороне печатных плат 40а и 40b остаются медные линии, формирующие излучатели 20a-d, 30а-d и фидеры 22a-d, 32a-d. Ширина медных линий, по существу, равна 0,1 дюйма. Для поддержки равного потенциала электрического поля между проводниками на противоположных сторонах плат, предпочтительно, по центру медных линий связи каждые 0,2 дюйма расположены металлизированные сквозные отверстия 50, на фиг.2 обозначенные черными точками. Медные линии на печатных платах 40а и 40b являются выводами с оловянным покрытием, предотвращающим коррозию. Приведенные выше значения для толщины печатной платы, ширины токопроводящей линии и разнесения металлизированных сквозных отверстий могут быть выбраны наиболее удобным образом, хотя, предпочтительно, они не должны превышать 5% от длины волны при наиболее высокой рабочей частоте антенны.

Медные линии (то есть проводники) на печатных платах 40а и 40b формируют первую турникетную антенну (то есть первую пару одноярусных турникетных антенн), функционирующую в первом диапазоне частот, и вторую турникетную антенну (то есть вторую пару одноярусных турникетных антенн), функционирующую во втором диапазоне частот. Первая антенна содержит излучатели 20a-d, соединенные с фидерами 22a-d. Вторая турникетная антенна содержит излучатели 30а-d, соединенные с фидерами 32a-d. Расположенные в отражателе 10 отверстия 24a-d для первой турникетной антенны и отверстия 34a-d для второй турникетной антенны позволяют обеспечить соединение соответствующих фидеров со схемами (не изображены), расположенными ниже отражателя 10.

Излучатели 20a-d первой турникетной антенны и соответствующие фидеры 22a-d, и излучатели 30а-d второй турникетной антенны и соответствующие фидеры 32a-d разнесены на 90°-ные интервалы относительно вертикальной оси отражателя 10. Это обеспечивает квадратичную симметрию первой и второй турникетных антенн в комбинации с отражателем относительно вертикальной оси. В результате, согласно фиг.4, когда сигналы равной величины при относительном повороте фаз на 0°, 90°, 180° и 270° распространяются в комбинации либо в фидерах 22a-d, либо в фидерах 32a-d, то соответствующая первая или вторая турникетная антенна передает или принимает по вертикальной оси электромагнитную КП волну.

Существует много известных схем деления /фазирования, которые могут осуществить деление сигнала на четыре сигнала равной амплитуды, имеющих относительную фазу 0°, 90°, 180° и 270°. Возможные варианты подходящих схем деления /фазирования содержат 180°-ный гибридный ответвитель, подающий сигнал в два 90°-ых гибридных ответвителя, или 90°-ный гибридный ответвитель, подающий сигнал в два 180°-ных гибридных ответвителя, и т.д., и четырехканальный делитель по фазам, подающий сигнал в четыре линии связи, каждая прогрессивно увеличивающаяся в интервале на 90°.

Возвращаясь к обсуждению печатных плат 40а и 40b, разнесения центров фидеров 22a-d первой антенны и фидеров 32a-d второй антенны от вертикальной оси, упомянутые выше в отношении отражателя 10 соответственно равны 0,1 дюйма и 0,3 дюйма. Длины фидеров 22a-d, 32a-d первой и второй антенны соответственно равны 3,762 и 3,562 дюйма, а длины излучателей 20a-d, 30а-d первой и второй антенны соответственно равны 2,593 и 2,360 дюймов. Излучатели 20a-d первой турникетной антенны (низкого диапазона), предпочтительно, наклонены под углом, по существу, равным 12,5° ниже горизонтали, а излучатели 30а-d второй турникетной антенны (высокого диапазона), предпочтительно, наклонены под углом, по существу, равным 60° ниже горизонтали.

Следует отметить, что существует много возможных размеров, в зависимости от рабочих частот и требуемых рабочих характеристик, обеспечивающих полезную многочастотную КП антенну. Полученные в результате полные сопротивления антенны могут потребовать дополнительных структур согласования полного сопротивления. Длины излучателей при соответствующих рабочих частотах номинально будут составлять 0,25λ, но могут быть существенно более длинными или более короткими, в зависимости от других размеров и в зависимости от наличия, или отсутствия, схем согласования полного сопротивления. К примеру, они могут находиться в диапазоне 0,20λ-0,35λ. Аналогично, длины фидеров номинально будут составлять 0,5λ, но также могут существенно варьироваться. К примеру, они могут находиться в диапазоне 0,35λ-0,55λ. Углы наклона излучателей и разнесения фидеров от вертикальной оси также будут оказывать влияние на рабочие характеритики и подчинены, существенным образом, диапазону размеров.

Хотя описанные выше пары перекрестных симметричных вибраторов, согласно настоящему изобретению, используют линейные элементы симметричных вибраторов, в различных комбинациях могут также использоваться другие виды элементов, к примеру, линейные сегментированные, дугообразные, изогнутые элементы симметричных вибраторов и т.д., также как элементы с более общими двухразмерными формами. Дополнительно настоящее изобретение не ограничено геометрией предпочтительного варианта осуществления, в котором одноярусные турникетные антенны выровнены по повороту. К примеру, одноярусные турникетные антенны могут быть расположены по отношению друг к другу под углом поворота в 45° относительно общей оси симметрии (то есть вертикальной оси, описанной выше в отношении отражателя 10). Дополнительно фидер линии передачи, как описано выше, являющийся квадратично симметричным и содержащий четыре проводника, может содержать, к примеру, один экран, заземленный на отражатель, окружающий все проводники фидеров, или заземленные экраны, каждый из которых окружает проводник фидера, так, чтобы пара проводник-экран составляла коаксиальную линию передачи.

Следует отметить, что варианты осуществления настоящего изобретения могут содержать дополнительные турникетные антенны, обеспечивающие возможность функционирования на соответствующих дополнительных частотах. Более того, пары перекрестных симметричных вибраторов и фидеры линии передачи могут быть соединены в разных комбинациях, которые могут показаться более удачными при использовании в комбинации с конкретными компонентами системы, включая передатчики, приемники, мультиплексоры и фазирующие цепи. К примеру, один набор фидеров может быть соединен с двумя наборами излучателей.

Антенна, предусмотренная настоящим изобретением, предпочтительно, используется в системе, функционирующей с наземного транспортного средства, при этом антенна установлена на крыше транспортного средства так, чтобы отражатель 10 был параллелен земле, когда транспортное средство расположено горизонтально. Поскольку транспортное средство может быть ориентировано в произвольном направлении, предпочтительно, чтобы диаграмма направленности антенны, по существу, была всенаправленной (т.е., имела малые изменения по азимуту) и дополнительно для функционирования от экватора до больших широт, чтобы диаграмма имела приемлемый охват от зенита вниз, до малых углов наклона.

Предпочтительными рабочими частотами антенны, согласно настоящему изобретению, являются:

Сигнал	Частота
ГСП L2	1227,6 МГц
Прием в диапазоне L	1520-1560 МГц
ГСП L1	1575,42 МГц
Передача в диапазоне L	1620-1660 МГц

Следует отметить, что удовлетворительные рабочие характеристики могут быть получены путем функционирования антенны в двух диапазонах частот, в диапазоне низких частот для сигнала ГСП L2 и диапазоне высоких частот, охватывающем сигналы Приема в диапазоне L, ГСП L1 и Передачи в диапазоне L. Первая турникетная антенна, содержащая излучатели 20a-d, предпочтительно, функционирует в диапазоне низких частот, вторая турникетная антенна, содержащая излучатели 30a-d, предпочтительно, функционирует в диапазоне высоких частот.

При функционировании в диапазоне высоких частот получается сильный сигнал, связывающий вторую турникетную антенну с первой турникетной антенной, который может вызвать серьезную разрегулировку, или потерю уровня сигнала, вызванную связью сигналов диапазона высоких частот со схемами диапазона низких частот, расположенными ниже отражателя 10. Эти эффекты подавляются путем использования разомкнутых шлейфов линии передачи. В диапазоне высоких частот каждый шлейф является четвертьволновым. Один шлейф соединен параллельно с каждой из схем диапазона низких частот, расположенных ниже отражателя 10, около каждого из отверстий 24a-d, через которые подсоединены соответствующие фидеры 22а-d низких частот. Каждый шлейф имеет очень низкое параллельное полное сопротивление в диапазоне высоких частот, таким образом разрушая связь с соответствующей схемой диапазона низких частот. При функционировании в диапазоне низких частот получается пренебрежимо малый сигнал, связывающий первую турникетную антенну со второй турникетной антенной и, следовательно, соответствующие разрушающие связь шлейфы диапазона низких частот не требуются.

Хотя изобретение было описано в отношении предпочтительного варианта осуществления, который содержит лучший вид, предусмотренный настоящим изобретением, для специалистов в данной области техники очевидно, что в рамках изобретения, не отступая от его сущности и объема, может быть сделано много изменений и получено много в значительной степени различных вариантов осуществления. Следовательно, специалисты в данной области техники поймут, что объем изобретения не должен быть ограничен каким-либо вариантом изобретения, упомянутым выше, он определяется только формулой изобретения.

1. Многочастотная антенна с круговой поляризацией, содержащая первую печатную плату, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, причем первая печатная плата имеет токопроводящие линии, сформированные на первой поверхности и на второй поверхности, вторую печатную плату, имеющую третью поверхность и четвертую поверхность, причем вторая печатная плата имеет токопроводящие линии, сформированные на третьей поверхности и на четвертой поверхности, при этом печатные платы смонтированы таким образом, что пересекаются под заданным углом друг к другу, первую пару перекрестных симметричных вибраторов, имеющую первую резонансную частоту, причем первая пара перекрестных симметричных вибраторов содержит первый набор токопроводяших линий, расположенных на первой поверхности, на второй поверхности, на третьей поверхности и на четвертой поверхности, и вторую пару перекрестных симметричных вибраторов, имеющую вторую резонансную частоту и расположенную симметрично относительно оси с упомянутой первой парой симметричных вибраторов, причем вторая пара перекрестных симметричных вибраторов содержит второй набор токопроводящих линий, сформированных на первой поверхности, на второй поверхности, на третьей поверхности и на четвертой поверхности, при этом упомянутые первая и вторая пары симметричных вибраторов выполнены с возможностью возбуждения равной мощностью при относительном повороте фаз на 0°, 90°, 180° и 360°.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит отражатель, при этом упомянутые первая и вторая пары симметричных вибраторов расположены по одну сторону от отражателя и симметрично относительно упомянутой оси.

3. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что отражатель имеет плоскую круглую форму, и диаметр плоского круглого отражателя, по существу, равен средней длине волны между первой и второй резонансными частотами.

4. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что первая резонансная частота, по существу, равна 1227,6 МГц, а вторая резонансная частота, по существу, равна 1575,42 МГц.

5. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что вторая пара перекрестных симметричных вибраторов дополнительно выполнена с возможностью приема сигнала, имеющего диапазон частот 1520-1560 МГц, и передачи сигнала, имеющего диапазон частот 1620-1660 МГц.

6. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что токопроводящие линии вытравлены из электролитически осажденного медного покрытия.

7. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что токопроводящие линии содержат множество фидеров и множество излучателей, каждый из которых связан с одним из множества фидеров.

8. Антенна по п.7, отличающаяся тем, что каждый фидер первой пары перекрестных симметричных вибраторов имеет длину, по существу, равную 0,46 от средней длины волны для рабочего диапазона частот первой и второй пары перекрестных симметричных вибраторов.

9. Антенна по п.8, отличающаяся тем, что рабочий диапазон частот первой и второй пары перекрестных симметричных вибраторов 1227,6-1660 МГц.

10. Антенна по п.8, отличающаяся тем, что каждый излучатель первой пары перекрестных симметричных вибраторов имеет наклон около 12,5° относительно плоской поверхности плоского отражателя.

11. Антенна по п.8, отличающаяся тем, что каждый излучатель второй пары перекрестных симметричных вибраторов имеет наклон около 60° относительно плоской поверхности плоского отражателя.

12. Многочастотная антенна с круговой поляризацией, содержащая первую печатную плату, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, причем первая печатная плата имеет токопроводящие линии, сформированные на первой поверхности и на второй поверхности, вторую печатную плату, имеющую третью поверхность и четвертую поверхность, причем вторая печатная плата имеет токопроводящие линии, сформированные на третьей поверхности и на четвертой поверхности, при этом печатные платы смонтированы таким образом, что пересекаются под заданным углом друг к другу, первую пару перекрестных симметричных вибраторов, имеющую первую резонансную частоту, причем первая пара перекрестных симметричных вибраторов содержит первый набор токопроводящих линий, расположенных на первой поверхности, на второй поверхности, на третьей поверхности и на четвертой поверхности, и вторую пару перекрестных симметричных вибраторов, имеющую вторую резонансную частоту и использующую ось симметрии совместно с упомянутой первой парой симметричных вибраторов, причем вторая пара перекрестных симметричных вибраторов содержит второй набор токопроводящих линий, сформированных на первой поверхности, на второй поверхности, на третьей поверхности и на четвертой поверхности.

13. Антенна по п.12, отличающаяся тем, что дополнительно содержит отражатель, при этом первая и вторая пары перекрестных симметричных вибраторов расположены по одну сторону от отражателя и симметрично относительно упомянутой оси.

14. Антенна по п.13, отличающаяся тем, что отражатель имеет плоскую круглую форму, и диаметр плоского круглого отражателя, по существу, равен средней длине волны между первой и второй резонансными частотами.

15. Антенна по п.12, отличающаяся тем, что первая резонансная частота, по существу, равна 1227,6 МГц, а вторая резонансная частота, по существу, равна 1575,42 МГц.

16. Антенна по п.12, отличающаяся тем, что вторая пара перекрестных симметричных вибраторов дополнительно выполнена с возможностью приема сигнала, имеющего диапазон частот от 1520 до 1560 МГц, и передачи сигнала, имеющего диапазон частот от 1620 до 1660 МГц.

17. Антенна по п.12, отличающаяся тем, что вторая пара перекрестных симметричных вибраторов имеет рабочий диапазон частот от 1520 до 1560 МГц.

18. Антенна по п.12, отличающаяся тем, что токопроводящие линии вытравлены из электролитически осажденного медного покрытия.

19. Антенна по п.12, отличающаяся тем, что токопроводящие линии содержат множество фидеров и множество излучателей, каждый из которых связан с одним из множества фидеров.

20. Антенна по п.19, отличающаяся тем, что каждый фидер первой пары перекрестных симметричных вибраторов имеет длину в диапазоне от 0,35 до 0,55 от длины волны, соответствующей рабочей частоте первой пары перекрестных симметричных вибраторов.

21. Антенна по п.19, отличающаяся тем, что множество токопроводящих линий содержит излучатели первой пары перекрестных симметричных вибраторов, имеющие наклон около 12,5° относительно плоской поверхности плоского отражателя.

22. Антенна по п.19, отличающаяся тем, что множество токопроводящих линий содержит излучатели второй пары перекрестных симметричных вибраторов, имеющие наклон около 60° относительно плоской поверхности плоского отражателя.