DE69908264T2

DE69908264T2 - Kompakte spiralantenne

Info

Publication number: DE69908264T2
Application number: DE69908264T
Authority: DE
Inventors: Gary Salvail; I-Ping Yu; S. Mike MEHEN
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1999-04-01
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2019-04-02
Also published as: NO320210B1; US5990849A; CA2292635A1; WO1999052178A1; EP0986838A1; DE69908264D1; JP3410111B2; IL133237A; DK0986838T3; EP0986838B1; AU722156B2; AU3468999A; ES2195560T3; NO995912D0; NO995912L; ATE241860T1; CA2292635C; JP2000513550A; IL133237A0; TW441148B

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Antennentechnik und insbesondere auf kompakte Antennen.
Gattungsgemäße Antennen sind aus der EP-A-0747992, EP-A-0416300 und JP-7080804 bekannt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bisherige Konzepte für ein Antennendesign beinhalten Spiralen, die nicht kompakt genug sind, da ihre Absorptionshohlräume im Allgemeinen in der Größenordnung einer viertel Wellenlänge tief sind. Eine Antenne mit einer geringen Frequenz von 10 GHz, die eine Wellenlänge von etwa einem Zoll [2,54 cm] besitzt, benötigt bspw. einen Hohlraum von zumindest einem Viertel Zoll [6,35 mm] Tiefe. Da dieses frühere Konzept die Tiefe des Hohlraums an diejenige der größten Wellenlänge anpasst, ist es für Breitbandanwendungen nicht geeignet.
Andere bisherige Konzepte für kompakte Antennen beinhalten die Verwendung von Patchantennen [„Leiterflächenantennen"]. Patchantennen sind relativ dünn und können in der Dicke 2% von Lambda (d. h. der Wellenlänge) liegen. Patchantennen sind jedoch in der Bandbreite begrenzt und für manche Anwendungen, bei denen die räumlichen Abmessungen ein wichtiger Faktor sind, zu groß. Außerdem können Patchantennen nicht für Bandbreiten über mehrere Oktaven ausgebildet werden.
Noch ein weiteres bisheriges Konzept ist die spiralartige Mikrostreifenleiter- („spiral-mode microstrip", SMM) Antenne für mehrere Oktaven Bandbreite. Dieses Konzept erfordert jedoch die Verwendung von großen Masseflächen, die sich über den Durchmesser der Spiralarme der Antenne hinaus erstrecken, um zu funktionieren. Diese große Massefläche vergrößert die Gesamtgröße der Antenne, die dann für Anwendungen, welche relativ kleine Antennen erfordern, nicht mehr geeignet ist. Außerdem kann das SSM-Antennenkonzept nur eine einzige gemeinsame Massefläche für eine doppelt- oder mehrfach-konzentrische Antennengestaltung bieten. Dies begrenzt die Isolierung zwischen den Antennen erheblich.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einer kompakten Spiralantenne die einen Betrieb über mehrere Oktaven Bandbreite und eine Isolierung zwischen konzentrischen Spiralen ermöglicht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher eine Mehrfrequenzband-Antenne zum Aufnehmen von elektromagnetischen Strahlungssignalen vorgeschlagen, mit:
einem dielektrischem Trägermaterial, und
ersten und zweiten Spiralen auf einer ersten Seite: des Trägermaterials zum Abstrahlen der elektromagnetischen Strahlungssignale,
gekennzeichnet durch
eine dritte Spirale auf einer zweiten Seite des Trägermaterials, wobei sich die dritte Spirale unterhalb einer der ersten und zweiten Spiralen befindet, und
wobei die ersten und zweiten Spiralen so angeordnet sind, dass die erste Spirale oberhalb der Leiter-Mittellinie der dritten Spirale angeordnet ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichungen, in denen:
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht auf eine Spiralantenne, die die vorliegende Erfindung verkörpert;
2 zeigt eine Ansicht von unten auf die Spiralantenne der 1, und
3 ist eine explosionsartige, isometrische Ansicht einer beispielhaften Realisierung einer Mehrband-Spiralbandantenne, die die Erfindung verkörpert, und
4 ist eine explosionsartige Seitenansicht der Antenne aus 3.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Die 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Spiralantenne 50. Die Spiralantenne 50 beinhaltet leitfähiges Material auf beiden Seiten eines dielektrischen Trägermaterials (71), wobei erste und zweite Spiralen (60 und 70, wie in 1 gezeigt) auf einer Seite herausgeätzt sind und wobei eine dritte Spirale 80 mit einem Arm auf der gegenüberliegenden Seite herausgeätzt ist (wie in 2 gezeigt). Das dielektrische Trägermaterial (71) füllt den Hohlraum, der zwischen den ersten/zweiten Spiralen (60 und 70) und der dritten Spirale 80 gebildet ist.
Die ersten und zweiten Spiralen (60 und 70) sind so angeordnet, dass die erste Spirale 60 sich direkt über der Leiter-Mittellinie der dritten Spirale 80 befindet, während die zweite Spirale 60 über der gewendelten Lücke der dritten Spirrale 80 zentriert ist. Die erste und zweite Spirale (60 und 70) sind konzentrisch zueinander angeordnet und befinden sich in einer gemeinsamen Ebene.
Die dritte Spirale 80 besitzt vorzugsweise eine größere Breite als die Breite von sowohl der ersten als auch der zweiten Spirale (60 und 70). Diese größere Breite ermöglicht es, dass der gewendelte Arm der dritten Spirale 80 zwischen die gemeinsame Breite des gewendelten Arms der ersten Spirale 60 und die Lücke zwischen der ersten und der zweiten Spirale (60 und 70) passt. Ein anderes Ausführungsbeispiel beinhaltet, dass die Breite des gewendelten Arms der dritten Spirale 80 zwischen die gemeinsame Breite des gewendelten Arms der zweiten Spirale 70 und die Lücke zwischen der ersten und zweiten Spirale (60 und 70) passt.
Die erste und zweite Spirale (60 und 70) sind vorzugsweise 0,51 mm (0,020 Zoll) breit, wobei die Lücke zwischen ihnen 0,51 mm (0,020 Zoll) beträgt. Die Schenkelbreite der dritten Spirale 80 beträgt 1,52 mm (0,060 Zoll) mit einer Lücke von 0,5 mm (0,02 Zoll) zwischen aufeinanderfolgenden Schleifen. Diese Abmessungen sind für Anwendungen bei 2 GHz und 3 GHz optimal. Die Abstände und Breiten können je nach der interessierenden Frequenz skaliert werden. Die erste und zweite Spirale (60 und 70) sind von der dritten Spirale 80 durch die Dicke des dielektrischen Trägermaterials getrennt. Vorzugsweise liegt die Dicke des dielektrischen Trägermaterials bei 0,08 mm (0,003 Zoll) oder weniger (für die Dicke können auch Werte von 0,025, 0,051 und 0,076 mm (0,001, 0,002 und 0,003 Zoll) verwendet werden). Größere Werte für die Dicke reduzieren die Bandbreite spürbar.
Auf Grund des neuen Konzepts der vorliegenden Erfindung liegt der Hohlraum der spiralförmigen Schenkel bei etwa 3–5% der Wellenlänge. Wenn die verschiedenen Elemente der Antenne 50 zusammengebaut werden, ist das Ergebnis damit eine kompakte Spiralantenne mit der Fähigkeit zu einem Betrieb über mehrere Oktaven. Außerdem erlaubt es die Isolierung zwischen konzentrischen Spiralen.
Die dritte Spirale 80 wurde mit Hilfe einer ersten Anschlussstelle 62a mit einem Durchgang zu entweder einer zweiten oder dritten Kontaktstelle (64a und 66a) auf der selben Seite wie die erste und zweite Spirale (60 und 70) leitfähig verbunden.
Eine Abstimmung zur Reduzierung der axialen Abmessung wurde erreicht, indem eine Kapazität oder Induktivität zwischen den Kontaktstellen (62a, 64a bzw. 66a) und den Kontaktstellen der Grundebene (62b, 64b bzw. 66b) angeordnet wurde. Die Enden (72 und 74) der Spiralschenkel sind mit Widerständen abgeschlossen und können ebenfalls mit entweder einer Induktivität in Reihe oder einer Kapazität parallel zu den Widerständen abgeschlossen sein. Ein Massering 76 ist um die Spiralen herum angeordnet, um die Abschlussbauteile zu befestigen.
Die 3 und 4 zeigen eine beispielhafte Realisierung der Spiralantenne 50, die die Erfindung verkörpert. Die Spiralantenne 50 verwendet Filter, um das Band einer Spirale hindurchzulassen und das Band der anderen Spiralen zu unterdrücken. Wenn eine Isolierung nicht benötigt wird, kann das Filter auch weggelassen werden.
3 ist eine explosionsartige isometrische Ansicht der Antennenelemente, die zwischen einer Gehäusestruktur 102 der Antenne und einem Radom 104 sandwichartig angeordnet sind. Innerhalb der Gehäusestruktur 102 der Antenne befindet sich ein Hohlraum 103 und eine Grundebene 140. 4 ist eine explosionsartige Seitenansicht der Elemente aus 3. Bezugnehmend auf 4 sind die Spiralen 60,70 und 80 als Strukturen aus Kupferleitern ausgebildet, die aus einer Kupferschicht auf einem dielektrischem Trägermaterial 106 herausgeätzt sind. Die erste und zweite Spirale (60 und 70) liegen in einer Ebene 105 und die dritte Spirale 80 liegt in einer Ebene 107. Die dritte Spirale 80 wird angemerkterweise verwendet, um das elektrische Feld innerhalb der Antenne 50 zu steuern und um die Energie in der durch den Pfeil 111 bezeichneten Richtung von der Antenne 50 wegzurichten.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Trägermaterial 106 mit einem Kontaktfilm 108 an einer zugänglichen Seite eines anderen dielektrischen Trägermaterials 110 befestigt. An der gegenüberliegenden Seite des Trägermaterials 110 ist ein Massering 112 ausgebildet.
An dem Massering 112 ist mit einem Kontaktfilm 114 ein kreisförmiger Block aus Schaum 116 befestigt. Um den Block 116 herum befindet sich ein leitfähiger Isolationsring 120. Fan dem Schaum 116 ist eine Oberfläche einer dielektrischen, absorbierenden Blockstruktur 128 mit einem Kontaktfilm 118 befestigt. Die gegenüberliegende Seite des Absorbers 128 ist mit einem Kontaktfilm 130 an einer Grundebene 132 befestigt, die auf einer Oberfläche eines Trägermaterials 134 ausgebildet ist. Die Umweg- und Filterschaltkreise 135 sind auf der gegenüberliegenden Seite des Trägermaterials 134 ausgebildet. Die zugängliche Seite eines dielektrischen Trägermaterials 138 ist mit einem Kontaktfilm 136 an der Seite der Schaltkreise 135 befestigt. Eine weitere Grundebene 140 ist an der gegenüberliegenden Seite des Trägermaterials 138 ausgebildet.
Es können weitere Filter und Umwegleitungen hinzugefügt werden, wenn für mehrfache Frequenzbänder noch mehr Spiralen benötigt werden.
Das Trägermaterial, das zwischen den Ebenen 105 und 107 der Spiralantenne 50 liegt, ist ein Material mit geringer Dielektrizität. Das Material mit geringer Dielektrizität beinhaltet in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel Polyflon mit einer Dicke von ein bis drei tausendstel Zoll [1–3 mil], das bspw. von der Firma Polyflon erhältlich ist.
Die nächste Schicht ist ein stärkeres Dielektrikum, um die Phasenverzögerug jeglicher Energie, die durch die Grundebene 140 hindurchtritt, zu vergrößern. Es wurde eine dielektrische Konstante von ungefähr 30 verwendet. Diese Schicht wurde auf einer leitfähigen Oberfläche angeordnet, die den reflektierenden Boden des Hohlraums ausbildet. Die kurzen koaxialen Zuführungen von den Umwegleitungen treten durch die zwei Zwischenschichten hindurch, um die zwei Spiralen an der Seite zu erreichen, wo sie befestigt sind.
Für die Verbindung zwischen den abschließenden Kontaktstellen, die mit den Spiralarmen in der Ebene 105 verbunden sind, und der Grundebene 140 sind hier beispielhafte Koaxialkabel und Schaltkreise (122a und 122b) mit Abschlusswiderständen dargestellt.
Das Element 126a zeigt einen koaxialen Anschlussstecker zum Anschließen der Schaltkreise 135 mit den Filtern/Umwegleitungen. Der Stecker 126a dient zum Speisen der Spiralantenne 50.

Claims

Mehrfrequenzband-Antenne zum Aufnehmen von elektromagnetischen Strahlungssignalen, mit: einem dielektrischen Trägermaterial (71), und ersten und zweiten Spiralen (60, 70) auf einer ersten Seite des Trägermaterials (106) zum Abstrahlen der elektromag netischen Strahlungssignale, gekennzeichnet durch eine dritte Spirale (80) auf einer zweiten Seite des Trägermaterials (106), wobei sich die dritte Spirale (80) unterhalb einer der ersten und zweiten Spiralen (60, 70) befindet, und wobei die ersten und zweiten Spiralen (60, 70) so angeordnet sind, dass die erste Spirale (60) oberhalb der Leiter-Mittellinie der dritten Spirale (80) angeordnet ist.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die Antenne bei einer vorbestimmten Wellenlänge arbeitet, wobei die ersten, zweiten und dritten Spiralen (60, 70, 80) die Höhe über einer Grundfläche (140) definieren, und wobei die Höhe über der Grundfläche (140) weniger als 15 Prozent der vorbestimmten Wellenlänge beträgt.
Antenne nach Anspruch 2, wobei die Antenne bei einer vorbestimmten Wellenlänge arbeitet, wobei die ersten, zweiten und dritten Spiralen (60, 70, 80) die Höhe über einer Grundfläche (140) definieren, und wobei die Höhe über der Grundfläche (140) weniger als 6 Prozent der vorbestimmten Wellenlänge beträgt.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die Antenne bei einer vorbestimmten Wellenlänge arbeitet, wobei die ersten, zweiten und dritten Spiralen (60, 70, 80) in einem Hohlraum (103) der Antenne angeordnet sind, wobei die ersten, zweiten und dritten Spiralen (60, 70, 80) die Höhe des Hohlraums (103) definieren, und wobei die Höhe des Hohlraums (103) weniger als 15 Prozent der vorbestimmten Wellenlänge beträgt.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die Antenne bei einer vorbestimmten Wellenlänge arbeitet, wobei die ersten, zweiten und dritten Spiralen (60, 70, 80) in einem Hohlraum (103) der Antenne angeordnet sind, wobei die ersten, zweiten und dritten Spiralen (60, 70, 80) die Höhe des Hohlraums (103) definieren, und wobei die Höhe des Hohlraums (103) weniger als 6 Prozent der vorbestimmten Wellenlänge beträgt.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Spirale (80) einen spiralförmig gewundenen Zwischenraum beinhaltet, und wobei die zweite Spirale (70) oberhalb des spiralförmig gewundenen Zwischenraums in der dritten Spirale (80) angeordnet ist.
Antenne nach Anspruch 6, wobei die Breite der ersten und zweiten Spiralen (60, 70) zu der Breite des spiralförmig gewundenen Zwischenraums der dritten Spirale (80) passt.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Spiralen (60, 70) zueinander konzentrisch und in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spiralen (60, 70, 80) Kupfer-Leiterstrukturen beinhalten, die aus einer Kupferschicht auf dem Trägermaterial (103) herausgeätzt sind.