NL9001759A - Spiraalantenne-inrichting. - Google Patents

Description

Spiraalantenne-inrichting.

De uitvinding heeft betrekking op spiraalantennes.

Een spiraalantenne omvat, op een drager, twee draden van gelijke lengte die aangrenzend zijn gewikkeld op een wijze teneinde tezamen een spiraal te vormen waarvan de waarde van de onderste werkfreguentie samenhangt in eerste benadering met die van zijn buitendiameter.

Indien men de straling wenst te beperken tot het gedeelte van de ruimte dat is gelegen voor de spiraal, kan men de andere zijde van de drager in contact brengen met een holte die is gevuld met een elektromagnetisch absorberend materiaal. Wanneer op juiste wijze gevoed met hoogfrequente elektrische signalen, straalt een antenne van dit type in het gewenste ruimtelijke gebied binnen een zeer brede frequentieband.

Voorgesteld is dergelijke antennes in een netwerk te plaatsen. Evenwel brengt een dergelijke configuratie, zoals men verderop meer in detail zal zien, werkingsproble-men met zich mee die in het bijzonder samenhangen met de eigenschappen van de netwerken, in het bijzonder wanneer een werking wordt beoogd binnen een zeer brede frequentieband.

De uitvinding beoogt een oplossing voor dit probleem te bieden.

Een doel van de uitvinding is een inrichting te verschaffen die een aantal spiraalantennes omvat die in een netwerk zijn geplaatst, waarbij de inrichting binnen een zeer brede frequentieband kan werken zonder een verslechtering van de werking als gevolg van de netwerkstructuur.

Overeenkomstig de uitvinding wordt hiertoe een antenne-inrichting verschaft, met het kenmerk, dat zij tenminste twee straalelementen omvat op een drager en een paar aansluitklemmen voor voeding met hoogfrequente elektrische signalen voor elk van deze elementen, waarbij elk van hen een gebied omvat in de vorm van een spiraal en waarbij tenminste één van hen een verlenging van de draden van zijn spiraal bezit die geometrische karakteristieken heeft die afwijken van die van de spiraal.

Andere voordelen en kenmerken van de uitvinding zullen duidelijk worden na lezing van de hierna volgende beschrijving, onder verwijzing naar de tekening, waarin: de figuren 1 en 2 op zeer schematische wijze een bekende geïsoleerde spiraalantenne illustreren; figuur 3 op schematische wijze drie spiraalan-tennes illustreert die zijn verenigd volgens een configuratie die werkingsproblemen vertoont, en figuur 4 een gedeeltelijke schematische illustratie is van een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding.

Zoals op schematische wijze is geïllustreerd in de figuren 1 en 2 omvat een gedrukte spiraalantenne op een vlak van een drager (bijvoorbeeld een dielektricum) SU, twee metallische draden BI en B2, van gelijke lengte, die onderling zijn gewikkeld op aangrenzende wijze teneinde een spiraal SP te vormen. Met uitzondering van de omgeving van de uiteinden van een draad, wordt elk draadgedeelte omgeven door twee gedeelten van de andere draad.

Opgemerkt zij dat hier een zogenaamde Archimedes-spiraal is weergegeven, dat wil zeggen een spiraal waarvan elke draad een constante dikte heeft en een constante tussenruimte heeft ten opzichte van de andere draad. Evenwel kunnen andere typen spiralen worden toegepast, zoals de zogenaamde logarithmische spiralen, waarbij is voorzien in een groeifactor voor de breedten van de draden alsmede een toenemende tussenruimte tussen deze draden. Binnen het kader van de onderhavige beschrijving dienen de termen "spiralen" of "spiraalantennes" in zeer ruime zin te worden begrepen, waarbij alle typen spiralen worden inbegrepen .

Een dergelijke antenne is geschikt om binnen een zeer brede frequentieband te werken, waarbij de verhouding tussen de bovenste frequentie tot de onderste frequentie bijvoorbeeld va|n de orde van vier moet zijn. Zijn onderste «wërkfrequenti-e- Fi wordt dan in eerste benadering gegeven door de volgende formule: n .D = c/Fl = λ 1 waarin n het reële getal aangeeft dat in hoofdzaak gelijk is aan 3,14, D de buitendiameter van de spiraal SP aangeeft, c de lichtsnelheid aangeeft, F1 de onderste werkfre-guentie aangeeft en \\ 1 de golflengte aangeeft behorende bij de frequentie Fl.

Een spiraalantenne vertoont eveneens de bijzonderheid van stralen, zowel binnen het gedeelte van de ruimte dat is gesitueerd tegenover de spiraal SP als het gedeelte van de ruimte dat tegenover de andere zijde, of achterzijde, van de drager SU is. Indien men deze straling wenst te beperken tot het gedeelte van de ruimte dat is gesitueerd tegenover het voorvlak van de drager, kan men daartoe het andere vlak van deze laatste in contact brengen met een holte CA die is gevuld met een materiaal dat de hoogfrequente elektromagnetische golven absorbeert binnen een brede band.

De voeding van de twee draden van een dergelijke antenne vindt plaats door twee draden FI1 en FI2 die zijn verbonden met de respectieve uiteinden van de twee draden die zich in het midden van de spiraal bevinden. De voeding met hoogfrequente elektrische signalen vindt in het algemeen plaats met behulp van een coaxiale kabel CO die van nature asymmetrisch is omdat hij een centrale kern omvat en een mantel. Een juiste werking van een spiraalantenne vereist, vanwege zijn symmetrische geometrische kenmerken, een voeding met elektrische signalen van het "symmetrische" type, dat wil zeggen identiek voor de twee draden. Het is daarom nodig achter de holte CA te voorzien in een elektronisch symmetrieseerelement SU dat deze symmetriewerking verzekert. Opgemerkt zij hier dat de twee draden FI1 en FI2, die lopen door de holte met het absorberende materiaal CA, de straling van de antenne niet verstoren omdat deze wordt belemmerd in het achterste ruimtelijke gedeelte.

Teneinde met name voordeel te trekken uit de zeer breedbandige werkingseigenschappen van spiraalantennes, is voorgesteld deze te verenigen in een netwerk. Een oplossing zou kunnen bestaan uit het opstellen van deze spiralen zij aan zij, zoals is geïllustreerd op zeer schematische wijze in figuur 3. Evenwel geeft een dergelijke oplossing geen bevrediging om redenen die thans zullen worden toegelicht.

Hen weet immers dat de juiste werking van een netwerk bij een gegeven frequentie nauw afhangt van de tussenruimtedoorgang van de elementaire antennes die dit netwerk vormen. Aldus is het, voor een golflengte X , die overeenkomt met een gegeven werkfrequentie, vereist dat de doorgang p van het netwerk kleiner is dan of gelijk is aan de helft van de waarde van deze golflengte. Immers kan, indien de doorgang p de helft van deze waarde overschrijdt, het stralingsdiagram van het netwerk een parasitaire lobbe, of "netwerklobbe", vertonen die is verschoven ten opzichte van de bruikbare hoofdlobe van dit netwerk en die de werking van deze laatste verstoort.

De doorgang p van een dergelijk netwerk is minimaal wanneer de spiralen grenzend aan elkaar zijn, zodanig dat een respectievelijke buitendiameter D in hoofdzaak gelijk is aan de doorgang p. Bij de benedenwerkfrequentie Fl, die correspondeert met de golflengte (\, , neemt de doorgang p, die anderzijds gelijk is aan de diameter D, dan, onder toepassing van de hierboven gegeven formule, de waarde λ, /ττ aan. Er doet zich derhalve bij deze frequentie geen enkel probleem voor betreffende de werking omdat de doorgang p kleiner is dan λ ,/2.

Indien men evenwel wenst dit netwerk te laten werken binnen een zeer brede frequentieband die zich uitstrekt tot een bovenste werkfrequentie F2 die bijvoorbeeld gelijk is aan viermaal de onderste werkfrequentie Fl, ziet men in dat de doorgang p dan gelijk is aan het produkt van de golflengte Λ 2, die correspondeert roet de frequentie F2, met een factor gelijk 4/π. De werking van het netwerk wordt derhalve gewijzigd bij de frequentie F2 door de aanwezigheid van een netwerklobbe omdat de doorgang p groter is dan λ 2 en a fortiori groter dan^2/2.

De uitvinding voorziet in een oplossing voor dit probleem door een antenne-inrichting te verschaffen die een aantal straalelementen (tenminste twee) omvat die elk een gebied omvatten in de vorm van een spiraal, waarbij tenminste één van hen een verlenging van de draden van zijn spiraal bezit die geometrische kenmerken heeft die afwijken van die van de spiraal.

Een bijzondere uitvoeringsvorm van de antenne-inrichting volgens de uitvinding is geïllustreerd in figuur 4.

In deze figuur zijn, ter vereenvoudiging, slechts de geometrische configuraties van de draden van de verschillende spiralen weergegeven, waarbij uiteraard in een paar aansluitklemmen voor voeding met hoogfrequente elektrische signalen is voorzien voor elk van deze straalelementen van dit netwerk.

Opdat dit netwerk werkzaam is vanaf een beneden-frequentie F1 wordt de lengte van de twee draden van elk straalelement van het netwerk, welke lengte gelijk is voor alle straalelementen, zodanig bepaald dat een elementaire spiraalantenne die wordt gevormd door deze twee draden een buitendiameter D heeft die de werking bij deze onderste frequentie F1 mogelijk maakt.

Opdat het netwerk werkzaam is binnen een zeer brede frequentieband tot een bovenfrequentie F2, bijvoorbeeld gelijk aan viermaal de benedenfrequentie, wordt een netwerkdoorgang p2 in het algemeen kleiner dan, en bij voorkeur gelijk aan, de helft van de waarde van de golflengte λ 2 gekozen. De twee draden van elk straalelement van het netwerk worden aldus op een naburige wijze gewikkeld voor het vormen van een gebied in de vorm van een spiraal met een buitendiameter D2 die in hoofdzaak gelijk is aan de doorgang p2. Al deze gebieden in de vorm van spiralen SP1-SP7 zijn dan op één lijn zij aan zij op het substraat, waarbij een rij wordt gevormd.

Het lengteoverschot van de draden Bli en B2i van een straalelement wordt vervolgens op het vrije oppervlak van het substraat aangebracht en vormt een verlenging PBli en PB2i die geometrische kenmerken heeft die afwijken van die van de bijbehorende spiraal SPi.

Aldus verlaten, in dit voorbeeld, de twee draden PBli en PB2i van de verlenging van de spiraal SPi deze laatste in diametraal tegenover elkaar gelegen punten en circuleren zij rondom alle gebieden SP1-SP7 van de straal-elementen in dezelfde richting als die van de spiralen. Met andere woorden, alle draden van alle verlengingen circuleren grenzend aan elkaar teneinde een perifere krans te vormen die de spiralen SP1-SP7 volledig omgeeft.

Een dergelijk netwerk werkt dan op juiste wijze bij de bovenfrequentie F2 omdat de doorgang in overeenstemming daarmee is bepaald. Het netwerk werkt evenzo op juiste wijze bij elke andere frequentie tot de benedenfrequentie F1 omdat de doorgang p2, die is berekend voor de bovenfrequentie F2, noodzakelijkerwijs kleiner is dan de helft van de waarde van de golflengte λ , die correspondeert met deze onderste werkfrequentie.

Evenzo zij opgemerkt dat de stralingsbijdrage van deze antenne-inrichting in hoofdzaak wordt verschaft door de spiralen SPi voor wat betreft de bovenste werkfrequentie, terwijl de perifere krans CP in hoofdzaak bijdraagt voor de onderste werkfrequentie. Het kan evenwel voordelig zijn dat deze lijnen van deze perifere krans CP gedeeltelijk of volledig worden bedekt met een materiaal met hoogfrequente verliezen, zoals de ferriet bevattende materialen. In dat geval nemen de lijnen van deze krans niet rechtstreeks deel aan de straling in een onderste band omdat zij de elektromagnetische golf over de gehele lengte van zijn traject langs deze lijnen dempen. Daar staat tegenover dat deze lijnen dan de prestatie in een onderste band aanmerkelijk verbeteren door in aanzienlijke mate de terugpropagatie van de elektromagnetische golf in de spiraal te vermijden, welke propagatie wordt opgewekt door de reflectie van de elektromagnetische golf aan een einde van een draad.

Men kan deze straling in een lage band natuurlijk regelen door een geschikte localisatie van het verliesma-teriaal, waarbij zij opgemerkt dat hoe dan ook deze laag-frequente straling zich in geringe mate ook voordoet ter hoogte van de spiralen SPI, en dit nagenoeg zonder een verstoring.

De uitvinding is niet beperkt tot de hierboven beschreven uitvoeringsvorm, maar omvat alle varianten die liggen binnen het kader van de hierna volgende conclusies.

Zo kan de verlenging van de draden van de spiralen zijn gesitueerd in het vlak van deze laatste of buiten dit vlak. Evenzo kan deze verlenging, in het ene en/of het andere geval, al dan niet circuleren rondom deze spiralen.

Hierboven zijn spiralen beschreven die alle in hun vlak dezelfde hoekconfiguratie hebben. Het is de deskundige bekend de fase van een spiraalantenne te veranderen door in te werken op deze hoekconfiguratie. Een dergelijke overweging kan worden toegepast bij de onderhavige uitvinding.

Natuurlijk kunnen sommige van de hierboven beschreven middelen worden achterwege gelaten bij die varianten waar zij niet dienstig zijn.

Claims (12)

1. Antenne-inrichting, met het kenmerk, dat zij tenminste twee straalelementen omvat op een drager en een paar aansluitklemmen voor voeding met hoogfrequente elektrische signalen voor elk van deze elementen, en dat elk van deze twee elementen een gebied omvat in de vorm van een spiraal (SPi), waarbij tenminste één spiraal een verlenging (PBli, PB2i) van de draden van zijn spiraal bezit, welke verlenging geometrische kenmerken heeft die afwijken van die van de spiraal.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat elk element een verlenging van de draden van zijn spiraal bezit, welke verlenging geometrische kenmerken heeft die afwijken van die van deze spiraal.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de tussenruimtedoorgang (p2) van de spiralen in hoofdzaak kleiner is dan of gelijk is aan de helft van de golflengte die overeenkomt met de bovenwerkfrequentie van de inrichting.

4. Inrichting volgens één der conclusies 1 t/m 3, met het kenmerk, dat de respectievelijke buitendiameters (D2) van de spiralen in hoofdzaak gelijk zijn.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de tussenruimtedoorgang in hoofdzaak gelijk is aan de buitendiameter van de spiralen.

6. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de verlenging circuleert rondom de gebieden in de vorm van een spiraal van de straalelementen in dezelfde richting als die van de spiralen, waarbij de twee draden van deze verlenging tezamen een perfere krans (CP) vormen.

7. Inrichting volgens conclusies 2 en 6, met het kenmerk, dat alle draden van alle verlengingen op een aan elkaar grenzende wijze circuleren voor het vormen van de perifere krans die de spiralen volledig omgeeft.

8. Inrichting volgens één der voorgaande conclu- sies, met het kenmerk, dat zij een aantal straalelementen omvat waarvan de gebieden in de vorm van een spiraal een rij vormen.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat alle spiralen van de straalelementen van de rij dezelfde hoekconfiguratie hebben.

10. Inrichting volgens één der conclusies 6 t/m 9, met het kenmerk, dat de twee draden van de verlenging van een spiraal de spiraal verlaten in diametraal tegenover elkaar gelegen punten van de spiraal.

11. Inrichting volgens één der conclusies 1 t/m 10, met het kenmerk, dat de lengte van alle draden van alle straalelementen in hoofdzaak gelijk is en bepaald als functie van de benedenwerkfrequentie van de inrichting.

12. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat tenminste één dradenverlenging tenminste gedeeltelijk is bedekt met een materiaal met hoogfrequente verliezen.