NO320210B1 - Kompakt spiralantenne - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår området antenner, og mer bestemt kompaktantenner.

Tidligere løsninger for antennekonstruksjoner innbefatter spiraler som ikke er tilstrekkelig kompakte fordi deres demperkaviteter generelt har hatt en dybde i størrelsesorden en kvart bølgelengde. For eksempel så krever en antenne med en lav frekvens på 10 GHz som har en bølgelengde på tilnærmet 25,4 mm en kavitet med en dybde på minst 6,35 mm. Fordi denne siste løsningen tilpasser kavitetens dybde til dybden av den største bølgelengden, er den ikke egnet for bredbåndsoperasjoner.

Andre tidligere løsninger for kompaktantenner innbefatter å utnytte lapp-antenner. Lapp-antenner er relativt tynne og kan ha en tykkelse i størrelse 2% av lambda (dvs. bølgelengde). Imidlertid er lapp-antenner begrenset i båndbredde og er for store for bestemte anvendelser der rom betraktes å være viktig. Dessuten kan ikke lapp-antenner dediseres til fleroktav-båndbredder.

En armen ytterligere tidligere løsning er spiralmodusmikrostrip-(SMM)-antennen med fleroktav-båndbredde. Imidlertid nødvendiggjør denne løsningen bruk av et stort jordplan som strekker seg ut over diameteren til spiralarmene til antennen for at den skal kunne operere. Dette store jordplanet øker den samlede størrelsen til antennen som kan gjøre den uegnet for anvendelser som krever en forholdsvis liten antenne. Dertil kan SMM-antenneløsningen kun tilveiebringe et enkelt felles jordplan for en dobbel- eller flerkonsentrisk antennekonifgurasjon. Dette begrenser isolasjonen mellom antennene betydelig.

Den europeiske patentpublikasjonen EP 0 747 992 A2 beskriver en dobbelt frekvensantenne som omfatter en første og en andre spiralantenne, der spiralantennen er formet isolert fra hverandre på et substrat, og hvor den første antennen omkapsler den andre antennen.

Patentpublikasjonen US 4 525 720 beskriver en spiralantenne som omfatter et substrat hvor to spiralarmer er formet på hver side av substratet, og der en antennearme er formet med klokken og en mot klokken. Det fremgår videre av denne publikasjonen at spiralantennen kan omfatte et andre substrat hvor en tredje spiralarm er formet og er i hovedsak utformet i samsvar med en av de første og andre spiralarmene.

Av dette følger at det er et behov for en kompakt spiralantenne med fleroktavbåndbredde som muliggjør isolasjon mellom konsentriske spiraler. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en flerfrekvensbåndantenne for å kunne motta elektromagnetiske utstrålingssignaler, kjennetegnet ved de trekk som fremgår av det vedfølgende uselvstendige patentkrav 1.

Ytterligere fordelaktige trekk ved foreliggende oppfinnelses flerfrekvensbåndsantenne fremgår av de vedfølgende uselvstendige patentkravene 2 til og med 9.

I samsvar med det som beskrives ved den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en antenne som mottar elektromagnetisk stråling og innbefatter et dielektrisk substrat. Første og andre spiraler på en første overflate av substratet utstråler den elektromagnetiske strålingen. En tredje spiral utnyttes på en andre overflate av substratet og er i hovedsak under en av de første og andre spiralene.

Ytterligere fordeler og trekk ved den foreliggende oppfinnelse vil fremkomme fra den etterfølgende beskrivelse, sett i sammenheng med de vedfølgende tegninger hvor:

Fig. 1 viser sett fra oversiden en spiralantenne som legemliggjør oppfinnelsen,

fig. 2 viser spiralantennen i figur 1 sett fra undersiden, og

fig. 3 er en isometrisk splittegning av et implementasjonseksempel av en flerbånds

spiralantenne som legemliggjør oppfinnelsen, og

fig. 4 er en splittegning sett fra siden av antennen i figur 3.

Figurene 1 og 2 illustrerer et legemliggjøringseksempel av en spiralantenne 50. Spiralantennen 50 innbefatter ledende materiale på begge sider av et dielektrisk substrat med første og andre spiraler (60 og 70 som vist i figur 1) etset på en overflate og en enkeltarmet tredje spiral 80 etset på den motstående overflaten (som vist i figur 2). Det dielektriske substratet innfyller kaviteten som er dannet mellom første/andre spiraler (60 og 70) og tredje spiral 80.

Første og andre spiraler (60 og 70) er posisjonert slik at første spiral 60 er posisjonert slik at første spiral 60 er rett over ledermidtlinjen til tredje spiral 80, mens andre spiral 70 er midtstilt over spiralåpningen til tredje spiral 80. De første og andre spiralene (60 og 70) er konsentriske om hverandre og er anbrakt i et felles plan.

Tredje spiral 80 har fortrinnsvis en større bredde enn bredden til den første eller andre spiralen (60 og 70). Denne større bredden gjør det mulig at den buede armen til den tredje spiralen 80 passer under den samlede bredden til de buede armene til den første spiralen 60 og åpningen mellom de første og andre spiralene (60 og 70). Andre legemliggjøringer inkluderer bredden til den buede armen til den tredje spiralen 80 så den passer under den samlede bredden til den buede armen til den andre spiralen 70 og åpningen mellom de første og andre spiralene (60 og 70).

Første og andre spiraler (60 og 70) er fortrinnsvis 0,508 mm brede, med et 0,508 mm mellomrom seg imellom. Benbredden til den tredje spiralen er 1,524 mm med en 0,508 mm åpning mellom de suksessive ringene. Disse dimensjonene er optimale for 2 GHz og 3 GHz operasjoner. Mellomrom og bredder kan skaleres til den aktuelle frekvensen. Første og andre spiraler (60 og 70) er atskilt fra tredje spiral 80 med tykkelsen til det dielektriske substratet. Fortrinnsvis er tykkelsen til det dielektriske substratet 0,0762 mm eller mindre (tykkelsesverdier på 0,0254, 0,0508 og 0,0762 mm kan også anvendes). Større tykkelsesverdier reduserer båndbreddene betydelig.

På grunn av den nye løsningen ved den foreliggende oppfinnelse, er kaviteten til spiralbena tilnærmet 3-5% av bølgelengden. Som følge av dette, når de forskjellige elementene til antennen 50 er satt sammen, gir dette en kompaktspiralantenne med fleroktav-båndbreddemuligheter. Dessuten muliggjør den isolasjon mellom konsentriske spiraler. Den tredje spiralen 80 ble ledende forbundet ved hjelp av en første pute 62A med en via til enten en andre eller tredje pute (64a og 66a) på den samme overflaten som første og andre spiraler (60 og 70).

Trimming for å redusere aksialforhold oppnås ved å anbringe en kondensator eller induktor mellom putene (62a, 64a og 66a) og jordplanputene (62b, 64b og 66b). Endene (72 og 74) til spiralbena termineres med motstander og kan også termineres med enten en induktor i serie eller en kondensator i parallell med motstandene. En jordingsring 76 er tilveiebrakt rundt spiralene for festing av termineringskomponentene. Figurene 3 og 4 illustrerer et implementasjonseksempel av spiralantenne 50 som legemliggjør oppfinnelsen. Spiralantennen 50 utnytter filteret for å slippe gjennom båndet til en spiral og å avvise båndet til andre spiraler. Når det ikke er behov for isolasjon utelates filteret. Figur 3 er en isometrisk splittegning av antenneelementene som er lagdelt mellom en antennehusstruktur 102 og en radom 104. Inne i antennehusstrukturen 102 er kavitet 103 og jordplan 140. Figur 4 er en splittegning sett fra siden av elementene i figur 3.

Med henvisning til figur 4 er spiralene 60, 70 og 80 definert som kobberledermønstre som er etset fra et kobberlag på et dielektrisk substrat 106. Første og andre spiraler (60 og 70) foreligger i plan 105, og tredje spiral 80 foreligger i plan 107. Tredje spiral anvendes særlig for å styre det elektriske feltet i antennene 50 og for å styre energien bort fra antenne 50 i retningen som er angitt ved pil 111.

I denne legemliggjøringen er substrat 106 sammenføyd ved sammenføyningsfilm 108 med en eksponert overflate av et annet dielektrisk substrat 110. En jordingsring 112 er definert på den motstående overflaten til substratet 110.

Et sirkelformet platestykke av skum 116 er sammenføyd med jordingsringen 112 ved hjelp av sammenføyningsfilm 114. En ledende isolasjonsring 120 omgir platestykket 116. En overflate til en dielektrisk dempeplatestruktur 128 er sammenføyd med skummet 116 ved hjelp av sammenføyningsfilm 118. Den motstående overflaten til demperen 128 er sammenføyd ved hjelp av sammenføyningsfilm 130 til et jordplan 132 definert på en overflate av substratet 134. Balun- og filterkretsene 135 er definert på den motstående overflaten til substratet 134. En eksponert overflate av et dielektrisk substrat 138 er sammenføyd med overflaten til kretsene 135 ved hjelp av sammenføyningsfilm 136. Et annet jordplan 140 er definert på den motstående siden av substratet 138.

Flere filtere og baluner kan legges til hvis flere spiraler er nødvendig for flere frekvensbånd.

Substratmaterialet som foreligger mellom planene 105 og 107 til spiralantennen 50 er et lavdielektrisk materiale. Det lavdielektriske materialet i den foretrukne legemliggjøringen inkluderer Polyflon med tykkelse på fra 0,0254 mm til 0,0762 mm som er tilgjengelige fra kilder som for eksempel The Polyflon company.

Det neste laget er et høyere dielektrikum for å øke faseforsinkelsen til energi som slipper gjennom til jordplanet 140. En dielektrisitetskonstant på tilnærmelsesvis 30 ble anvendt. Dette ble bekledd på baksiden av en ledende overflate som danner den reflekterende bunnen til kaviteten. De korte koaksiale matningene fra balunene går gjennom de to mellomliggende lagene for å nå de to spiralene på overflaten hvor de festes.

Eksempler på koaksialkabel og termineringsmotstandskretser (122a og 122b) er illustrert, for forbindelse mellom termineringsputer forbundet med spiralarmer på plan 105 og jordplanet 140.

Element 126a illustrerer en koaksialmatningskontakt for tilkobling til filter/balunkretsene 135. Kontakt 126a er til å mate spiralantenne 50.

Fagfolk på området vil forstå at forskjellige endringer og modifikasjoner kan gjøres til de legemliggjøringer som er drøftet i beskrivelsen.

Claims (9)

1. Flerfrekvensbåndantenne for å motta elektromagnetiske utstrålingssignaler, hvilken flerfrekvensbåndantenne innbefatter: et dielektrisk substrat (71), og første og andre spiraler (60, 70) på en første overflate (106) av substratet for å utstråle de elektromagnetiske utstrålingssignalene, karakterisert veden tredje spiral (80) på en andre overflate (107) av substratet, hvilken tredje spiral (80) i hovedsak er under en av de første og andre spiralene (60,70), og hvor de første og andre spiralene (60,70) er anbrakt slik at den første spiralen (60) i hovedsak er posisjonert over en ledermidtlinje til den tredje spiralen (80).

2. Antenne som angitt i krav 1, karakterisert ved at den tredje spiralen (80) inkluderer en spiraliserende åpning, og at den andre spiralen (70) i hovedsak er posisjonert over den spiraliserende åpningen i den tredje spiralen (80).

3. Antenne som angitt i krav 2, karakterisert ved at bredden til de første og andre spiralene (60,70) i hovedsak passer til bredden av den spiraliserende åpningen til den tredje spiralen (80).

4. Antenne som angitt i krav 1, karakterisert ved at antennen opererer ved en forut bestemt bølgelengde, at de første, andre og tredje spiralene (60,70, 80) definerer høyden over et jordplan (140), og at høyden over jordplanet (140) er mindre enn 15% av den forut bestemte bølgelengden.

5. Antenne som angitt i krav 4, karakterisert ved at antennen opererer ved en forut bestemt bølgelengde, at de første, andre og tredje spiralene (60,70,80) definerer høyden over jordplanet (140), og at høyden over jordplanet (140) er mindre enn 6% av den forutbestemte bølgelengden.

6. Antenne som angitt i krav 1, karakterisert ved at antennen opererer ved en forut bestemt bølgelengde, at de første, andre og tredje spiralene (60, 70, 80) er anbrakt i en kavitet (103) av antennen, at de første, andre og tredje spiralene (60,70, 80) definerer høyden til kaviteten (103), og at høyden av kaviteten (103) er mindre enn 15% av den forut bestemte bølgelengden.

7. Antenne som angitt i krav 1, karakterisert ved at antennen opererer ved en forut bestemt bølgelengde, at de første, andre og tredje spiralene (60, 70, 80) er anbrakt i en kavitet (103) i antennen, at de første, andre og tredje spiralene (60, 70, 80) definerer høyden til kaviteten (103), og at høyden av kaviteten (103) er mindre enn 6% av den forut bestemte bølgelengden.

8. Antenne som angitt i krav 1, karakterisert ved at de første og andre spiralene (60,70) er konsentriske om hverandre og er anbrakt i et felles plan.

9. Antenne som angitt i krav 1, karakterisert ved at spiralene (60, 70, 80) rommer kobberledermønsteret som er etset fra et kobberlag på substratet (103).