FI113814B

FI113814B - Monilankaiset helix-antennit

Info

Publication number: FI113814B
Application number: FI974352A
Authority: FI
Inventors: Murat Ermutlu; Kalle Kiesi
Original assignee: Nokia Corp
Priority date: 1997-11-27
Filing date: 1997-11-27
Publication date: 2004-06-15
Also published as: EP0920073B1; EP0920073A1; FI974352A; FI974352A0; JPH11234028A; DE69830557T2; DE69830557D1; US6232929B1

Description

m , „ th,· , ·, 113814

Momlankaiset helix-antenmt

Esillä oleva keksintö liittyy monilankaisiin helix-antenneihin ja erityisesti, mutta ei välttämättä, nelilankaisiin helix-antenneihin.

5

Nykyään toimii joukko satelliittiviestintäjärjestelmiä, joiden avulla käyttäjät voivat liikennöidä satelliittien kautta käyttäen vain kannettavia viestintälaitteita. Näihin kuuluvat yleismaailmallinen paikannusjärjestelmä GPS (Global Positioning System), joka antaa sijaintiin ja navigointiin liittyviä 10 tietoja maa-asemille, ja puhelinjärjestelmiä, kuten INMARSAT (TM). Tämän tyyppisen henkilökohtaisen, satelliittien kautta tapahtuvan viestinnän (S-PCN) kysynnän odotetaan kasvavan merkittävästi lähitulevaisuudessa.

Eräs erittäin tärkeä tehtävä on kehittää sellainen sopiva antenni, joka pystyy 15 liikennöimään kaksisuuntaisesti suhteellisen kaukana olevan maata kiertävän satelliitin kanssa tyydyttävällä signaali/kohina-suhteella. Työ on tällä osa-. . alueella pyrkinyt keskittymään nelilankaiseen helix-antenniin (QFH) (K.

» I · .' / Fujimoto ja J.K. James, “Mobile Antenna Systems Flandbook”, Norwood, 1994, Artech House). Kuten Kuviossa 1 on havainnollistettu, QFH antenni 1 20 käsittää neljä säännöllistä ja identtistä samankeskisesti kierrettyä resonoivaa , helix-elementtiä 2a - 2d, keskitettynä yhteisen akselin A ympärille ja fyysisesti : poikkeutettuna toisistaan 90°. Vastaanottotilassa neljästä helix-elementistä vastaanotettuja signaaleja vaihesiirretään 0°, 90°, 180°, ja 270° vastaavasti ' ennen kuin ne yhdistetään matkaviestimen RF-vastaanotinyksikössä.

: 25 Samalla tavalla, lähetystilassa, lähetettävä signaali jaetaan neljäksi komponentiksi, joiden suhteelliset vaihesiirrot ovat 0°, 90°, 180°, ja 270° .,,: vastaavasti, joita sitten sovelletaan helix-elementteihin 2a - 2d.

* ; QFH-antenni on osoittautunut sopivaksi satelliittiviestintään pääasiassa 30 kolmesta syystä. Ensiksikin se on suhteellisen pienikokoinen (verrattuna muuhun käyttökelpoiseen antenniin), ominaisuus joka on oleellinen jos sitä on tarkoitus käyttää kannettavassa laitteessa. Toiseksi, QFH-antenni kykenee 2 113814 lähettämään ja vastaanottamaan kiertopolarisoituja signaaleja siten, että polarisaation kiertosuunnan pyörimisliike (johtuen esimerkiksi satelliitin siirtymisestä) ei merkittävästi vaikuta antennille saatavissa olevaan signaalin energiaan. Kolmanneksi, sillä on avaruusvahvistuskuvio (sekä lähetys- että 5 vastaanottotilassa), jonka etusuuntainen pääkeila kattaa puolipallon muotoisen alueen. Tämä vahvistuskuvio on havainnollistettu Kuviossa 2 Kuvion 1 antennille, toimintataajuudella 1,7 GHz. Tämän takia QFH-antenni sopii hyvin liikennöintiin käyttäjän pään yläpuolisella puolipallon muotoisella alueella sijaitsevien satelliittien kanssa.

10

Erääksi ongelmaksi QFH-antennilla kuitenkin jää sen suuri koko. Jos sitä voidaan pienentää, kannettavien satelliittiviestinlaitteiden markkinat todennäköisesti kasvavat huomattavasti. Eräs keino pienentää QFH-antennin pituutta tietyllä taajuuskaistalla on helix-elementtien kierteen nousun 15 pienentäminen. Kuitenkin, tällä on taipumus kasvattaa antennin vaakasuuntaista vahvistusta pystysuuntaisen vahvistuksen kustannuksella, ,·. ; mikä siirtää vahvistuskuviota kauemmas ihanteellisesta puolipallosta. Toinen : tapa lyhentää antennia on helix-elementtien muotoileminen kiinteän dielektrisen sydämen ympärille. Kuitenkin, tämä ei vain lisää antennin •••20 painoa, se aiheuttaa häviöitä jotka heikentävät antennin vahvistusta.

«· ·

Esilläolevan keksinnön tarkoituksena on parantaa monilankaisten helix-antennien rakenteen joustavuutta vahvistuskuvioiden erikoisovelluksia varten ·’ : räätälöinnin mahdollistamiseksi. Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on ’ 25 myös satelliittiviestintään käytettävien QFH-antennien tekeminen ' * : lyhyemmiksi.

• *·· Esillä olevan keksinnön erään ensimmäisen toteutustavan mukaan esitetään :Λ: monilankainen helix-antenni, jossa on useita samankeskeisesti kierrettyjä 30 helix-elementtejä, joita jokaista helix-elementtiä määrittää aksiaalikerroin z, radiaalikerroin r, ja kulmakerroin #, jossa ainakin yhdelle helix-elementille on epälineaarinen aksiaalikertoimeen z nähden, joka antenni on 3 113814 tunnettu siitä, että kaikkien helix-elementtien^%z on epälineaarinen aksiaalikertoimeen z nähden.

Esillä oleva keksintö tuo monilankaisten helix-antennien suunnitteluun 5 muuttujan, jota ei aikaisemmin ole sovellettu. Tekemällä varovaisia epälineaarisia muutoksia monilankaisten helix-antennien helix-elementteihin voidaan antennin avaruusvahvistuskuvio optimoida. Lisäksi, antennin aksiaalista pituutta voidaan pienentää.

10 Edullisesti on muuttuva verrattuna kertoimeen z, oleellisesti identtisesti kaikille helix-elementeille.

Edullisesti, % muuttuu jaksottaisesti. Vielä edullisemmin, tämän muutoksen jakso on kokonaisluvulla jaollinen osa helix-elementin yhden 15 kierroksen pituudesta. Vaihtoehtoisesti, jakso voi olla kierroksen pituuden ‘.*‘i kokonaisluvulla jaollisen osan monikerta.

• * ‘ ; Edullisesti, aksiaalikerroin z on kulmakertoimen #sinifunktio, eli * · · ·*’ z = ko0 + fsm{kxAjossa k0 ja k{ ovat vakioita. Aksiaalikerroin z voi olla ;1 ·’; 20 usean kulmakertoimen sinifunktion summa, eliz = k06 + / sin(/cjö) + ...+fn s\Y\(kn6) . Funktiot/ voivat olla kerroinvakioita.

Edullisesti, radiaalikerroin r on aksiaalikertoimeen z nähden vakio kaikille ; : : helix-elementeille. Helix-elementit voidaan järjestää lieriömäisen sydämen 25 kehälle. Vaihtoehtoisesti,r voi muuttua z:an nähden. Esimerkiksi, r voi muuttua lineaarisesti z :an nähden yhden tai useamman helix-elementin osalta, esim. sijoittamalla kyseinen elementti tai elementin katkaistun kartion ulkopinnalle. Molemmissa tapauksissa sydän voi olla kiinteää ainetta, mutta edullisesti ontto antennin painon vähentämiseksi. Ontto sydän voi käsittää 30 kierretyn arkin dielektristä materiaalia. Helix-elementit voivat olla sydämen 113814 4 ympäri kierrettyjä metallilankasäikeitä, etsaamalla tai kasvattamalla muodostettuja metalliraitoja, tai ne voivat olla mitä tahansa muuta sopivaa rakennetta. Antennin ominaisuuksia voidaan säätää muodostamalla sydämeen läpimeneviä aukkoja tai muuten muuttamalla sydämen dielektrisiä 5 ominaisuuksia.

Edullisesti, monilankainen helix-antenni on nelilankainen helix- antenni, jossa on neljä kierteistä antennielementtiä. Antennielementit on edullisesti sijoitettu 90° välein, vaikka muitakin jakoja voidaan valita. Epälineaarisuutta voidaan 10 soveltaa yhteen tai useampaan helix-elementtiin antennin vahvistuskuvion etukeilan saamiseksi lähemmäs puolipallon muotoa ja vahvistuskuvion takakeilojen pienentämiseksi, tai vahvistuskuvion räätälöimiseksi mihin tahansa muuhun haluttuun muotoon. Keksintöä voi soveltaa myös muihin monilankaisiin antenneihin, kuten kaksilankaisiin antenneihin.

15

Esillä olevan keksinnön toteutusmuodoiksi soveltuvat monilankaiset antennit : voidaan järjestää olemaan käytössä joko takasuuntaisessa tai etusuuntaisessa päätysäteilymoodissa helix-elementtien sopivalla vaiheistuksella.

·:* 20

Esillä olevan keksinnön erään toisen toteutusmuodon mukaan esitetään matkaviestinlaite joka käsittää esillä olevan keksinnön ensimmäisen toteutusmuodon mukaisen monilankainen helix-antennin. Laite on edullisesti ’ järjestetty liikennöimään satelliitin kanssa. Vielä edullisemmin, laite on 25 satelliittipuhelin.

1 ' r · ; · ‘ Esillä olevan keksinnön erään kolmannen toteutusmuodon mukaan esitetään : ’·· menetelmä sellaisen monilankaisen helix-antennin valmistamiseksi jossa on ·: useita kierteisiä antennielementtejä, joka menetelmä käsittää vaiheet: 30 muodostetaan useita pitkänomaisia sähköä johtavia antennielementtejä oleellisesti tasomaisen dielektrisen arkin pinnalle, ja s 113814 sen jälkeen mainittu arkki kierretään lieriöksi mainittujen antennielementtien ollessa lieriön ulkopinnalla, joka menetelmä on tunnettu siitä, että jokaisen mainituista elementeistä on epälineaarinen.

5

Esillä olevan keksinnön ja sen toteutusmuotojen esittämiseksi, viitataan seuraavassa, esimerkkien avulla, oheisiin piirroksiin, joissa:

Kuvio 1 havainnollistaa tekniikan tason mukaista nelilankaista helix-antennia; 10 Kuvio 2 havainnollistaa Kuvion 1 nelilankaisen helix-antennin vahvistuksen avaruuskuviota poikkileikkauksena ;

Kuviot 3A - 3D esittävät aksiaalikerrointa z vastaavien helix-elementtien kulmakertoimen Θ funktiona; ja

Kuvio 4 havainnollistaa, poikkileikkauksena, Kuvion 3B mukaisesti 15 rakennetun nelilankaisen helix-antennin vahvistuksen avaruuskuviota.

: Edellä on jo kuvattu, viitaten Kuvioon 1, tavanomaista nelilankaista helix- ; antennin. Antenni muodostetaan neljästä säännöllisestä helix-elementistä 2a · · · : - 2d, joissa, kutakin elementtiä varten, aksiaalikerroin zon kulmakertoimen Θ 20 lineaarifunktio, eli z = k6 jossa k on vakio. Tätä on havainnollistettu ’*· kaksiulotteisesti Kuviossa 3A, joka asiallisesti esittää helix-elementtejä auki * · * "·' * kierrettyinä. Tämän takia pystyakseli vastaa z :a kun taas vaaka-akseli on verrannollinen kulmakertoimeen Θ (mitat molemmilla akseleilla ovat ... millimetrejä). Kuvioiden 1 ja 3A aksiaalinen pituus z on 15,37 cm, säde ron • 25 0,886 cm, ja kierrosten lukumäärä N on 1,2.

• * ·

Epälineaarisuuden lisäämiseksi helix-elementtiin, aksiaalikerrointa voidaan ·’_ kuvata yhtälöllä: _ . f2π0θ\ . fΙττάθ' z = 6/ +asm - +csin - ^ ^ax ' ^ ^ax ' β 113814 i jossa a,b,c, ja d ovat helix-elementin epälineaarisuutta ohjaavat vakiot ja on elementin aksiaalinen pituus. a,c voidaan ajatella epälineaarisen vaihtelun amplitudina, kun taas b,d voidaan ajatella vaihtelujaksona. θ:η muutosnopeus z nähden, tulee epälineaariseksi z:an nähden, 5 tuloksena z:an lisätystä sinimuotoisesta variaatiosta. Kun a,b,c, ja d ovat nollia, helix-elementti on lineaarinen, eli kuten Kuvioiden 1 ja 3A antennissa.

Kuviot 3B - 3D näyttävät kaksiulotteisia esityksiä QFH-antenneista, joissa on epälineaariset helix-elementit, ja joita voidaan kuvata edellä esitetyllä 10 yhtälöllä, jossa kertoimilla a,b,c, ja d on seuraavassa taulukossa esitetyt arvot, kierrosten lukumääräksi on asetettu kiinteästi N = 1.2, ja säteeksi r on asetettu kiinteästi 0,886 cm. Nämä antennit on suunniteltu toimimaan ! taajuudella 1,7 GHz. Taulukko esittää vertailun vuoksi myös Kuvion 3A

mukaisen lineaarisen antennin kertoimet.

15

Kuvio lax(cm) N r(cm) a b c d f0(GHz) • ·______________ f 3A 15,37 1,.2 0,.886 0 0 0 0 1,7 * · · ·

3B 13^8 T2 0,886 Ö Ö 5 5 Ϊ~J

3C 14J T2 0,886 19 Ϊ Ö Ö ΐ~J

z » : " 3D 13iÖ T2 0,886 5 ί 3 9 Tj

r · · I I I 1 I I I

Edellä oleva taulukko sisältää myös QFH-antennien aksiaaliset pituudet lax, joista käy ilmi, että silloin kun epälineaarisuutta on sovellettu joko nousuun tai • · muotoon, antennin aksiaalinen pituus tietyllä säteellä ja kierrosmäärällä • · 20 pienenee.

·’ " Kuvio 4 esittää Kuvion 3B QFH-antennin avaruusvahvistuskuviota taajuudella ’ " 1,7 GHz. Vertailu Kuvion 3A Kuviossa 2 esitettyyn avaruusvahvistuskuvioon näyttää, että epälineaarisuuden tuominen helix-elementteihin pienentää 25 vahvistusta aksiaalisuunnassa ~2,5 dB. Kuitenkin, tämän pienenemisen kompensoi antennin pituuden 1,57 cm pieneneminen. Silloin kun QFH- ^ 113814 antenni on tarkoitettu liikennöintiin maata matalalla kiertävien satelliittien kanssa, vahvistuskuvion vääristyminen voi jopa olla edullista.

On ilmeistä, että edellä kuvattuihin toteutusmuotoihin voidaan tehdä useita 5 erilaisia muutoksia poikkeamatta esillä olevan keksinnön tunnusmerkeistä.

i ί » ♦ * · » i · » · · * · • · · • · · · I ·

» » I

* « « ' * * » · i · · 4 * > • I I t

Claims

1. Monilankainen helix-antenni, jossa on useita samankeskeisesti kierrettyjä helix-elementtejä, joita jokaista helix-elementtiä määrittää aksiaalikerroin, z, 5 radiaalikerroin r, ja kulmakerroin Θ, jossa ainakin yhdelle helix-elementille % on epälineaarinen aksiaalikertoimeen z nähden, tunnettu siitä, että kaikkien helix-elementtien on epälineaarinen aksiaalikertoimeen z nähden. 10

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että % on muuttuva verrattuna kertoimeen z, oleellisesti identtisesti kaikille helix-elementeille.

3. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen antenni, tunnettu siitä, että muuttuu jaksottaisesti.

, . 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen antenni, tunnettu siitä, että tämän | muutoksen jakso on kokonaisluvulla jaollinen osa helix-elementin yhden v' 20 kierroksen pituudesta tai jakso on kierroksen pituuden monikerta. ♦ * I t

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen antenni, tunnettu siitä, että, • ♦ t : * *: mainitun ainakin yhden elementin osalta aksiaalikerroin z on kulmakertoimen sinifunktio Θ, el\z = k06 + f sm(kx0) jossa kQ ja kx ovat vakioita. 25 t

· '·;· 6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen antenni, tunnettu siitä, että • ‘: aksiaalikerroin z on usean kulmakertoimen sinifunktion summa, eli *. ·.: z = kQ0 + /, sinC^Ö) +.. .+/„ sin(A:n0) . » * · 9 113814

7. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen antenni, tunnettu siitä, että radiaalikerroin r on vakio aksiaalikertoimeen z nähden kaikille helix-elementeille.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen antenni, tunnettu siitä, että helix- elementit on järjestetty lieriömäisen sydämen kehälle.

8 113814

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainittu sydän on ontto ja käsittää yhden tai useamman kierretyn arkin 10 dielektristä ainetta.

10. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen antenni, tunnettu siitä, että antenni on nelilankainen helix-antenni jossa on neljä helix-elementtiä. 15

11. Matkaviestinlaite, joka käsittää monilankaisen helix-antennin, jossa on useita samankeskeisesti kierrettyjä helix-elementtejä, joita jokaista helix-elementtiä määrittää aksiaalikerroin.z, radiaalikerroin r, ja kulmakerroin Θ, jossa ainakin yhdelle helix-elementille on epälineaarinen : 20 aksiaalikertoimeen z nähden, t u n n e 11 u siitä, että ,: kaikkien helix-elementtien on epälineaarinen • • aksiaalikertoimeen ^ nähden.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen matkaviestinlaite, tunnettu siitä, 25 että on muuttuva verrattuna kertoimeen z, oleellisesti identtisesti kaikille helix-elementeille. t t *

13. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen matkaviestinlaite, » tunnettu siitä, että muuttuu jaksottaisesti. ; : 30 10 113814

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen matkaviestinlaite, tunnettu siitä, että tämän muutoksen jakso on kokonaisluvulla jaollinen osa helix-elementin yhden kierroksen pituudesta tai jakso on kierroksen pituuden monikerta.

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen matkaviestinlaite, tunnettu siitä, J että, mainitun ainakin yhden elementin osalta aksiaalikerroin z on kulmakertoimen sinifunktio 0, eliz = k09 + /sin(fc,0) jossa k0 ja kx ovat vakioita.

16. Patenttivaatimuksen 14 tai 15 mukainen matkaviestinlaite, tunnettu siitä, että aksiaalikerroin z on usean kulmakertoimen sinifunktion summa, eli z = k09 + fx sin(&j0) + ...+fn sin(kn9) .

17. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen matkaviestinlaite, 15 tunnettu siitä, että radiaalikerroin r on vakio aksiaalikertoimeen z nähden kaikille helix-elementeille.

18. Patenttivaatimuksen 17 mukainen matkaviestinlaite, tunnettu siitä, että helix-elementit on järjestetty lieriömäisen sydämen kehälle. : 20 * *

19. Patenttivaatimuksen 18 mukainen matkaviestinlaite, tunnettu siitä, . että mainittu sydän on ontto ja käsittää yhden tai useamman kierretyn arkin | · dielektristä ainetta. : : 25

20. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen matkaviestinlaite, tunnettu siitä, että antenni on nelilankainen helix-antenni jossa on ..!: ’ neljä helix-elementtiä. • * • · »

21. Satelliittipuhelin, joka käsittää monilankaisen helix-antennin, jossa on ‘: 30 useita samankeskeisesti kierrettyjä helix-elementtejä, joita jokaista helix- :T: elementtiä määrittää aksiaalikerroin.^, radiaalikerroin r, ja kulmakerroin Θ, > * * jossa ainakin yhdelle helix-elementille on epälineaarinen ! 11 113814 i i ! aksiaalikertoimeen z nähden, tunnettu siitä, että \ kaikkien helix-elementtien on epälineaarinen aksiaalikertoimeen ^ nähden.

22. Patenttivaatimuksen 21 mukainen satelliittipuhelin, tunnettu siitä, että <% on muuttuva verrattuna kertoimeen z, oleellisesti identtisesti kaikille helix-elementeille.

23. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen satelliittipuhelin, 10 tunnettu siitä, että muuttuu jaksottaisesti. j

24. Patenttivaatimuksen 23 mukainen satelliittipuhelin, tunnettu siitä, että tämän muutoksen jakso on kokonaisluvulla jaollinen osa helix-elementin yhden kierroksen pituudesta tai jakso on kierroksen pituuden monikerta. 15

25. Patenttivaatimuksen 24 mukainen satelliittipuhelin, tunnettu siitä, että, mainitun ainakin yhden elementin osalta aksiaalikerroin z on kulmakertoimen sinifunktio Θ, eliz = k06 + /sin^ö) jossa k0 ja ovat : vakioita. | : 20

·' ;* 26. Patenttivaatimuksen 24 tai 25 mukainen satelliittipuhelin, tunnettu »· ;; · siitä, että aksiaalikerroin z on usean kulmakertoimen sinifunktion summa, eli I " z = kQd + /, sinikfi) + ...+/„ sin(knd) . • ·

27. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen satelliittipuhelin, tunnettu siitä, että radiaalikerroin r on vakio aksiaalikertoimeen z ^; nähden kaikille helix-elementeille. • · • · • ·

28. Patenttivaatimuksen 27 mukainen satelliittipuhelin, tunnettu siitä, • t · ' . 30 että helix-elementit on järjestetty lieriömäisen sydämen kehälle. « 113814

29. Patenttivaatimuksen 28 mukainen satelliittipuhelin, tunnettu siitä, että mainittu sydän on ontto ja käsittää yhden tai useamman kierretyn arkin dielektristä ainetta.

30. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen satelliittipuhelin, tunnettu siitä, että antenni on nelilankainen helix-antenni jossa on neljä helix-elementtiä.

31. Menetelmä sellaisen monilankaisen helix-antennin valmistamiseksi jossa 10 on useita kierteisiä antennielementtejä, joka menetelmä käsittää vaiheet: muodostetaan useita pitkänomaisia sähköä johtavia antennielementtejä oleellisesti tasomaisen dielektrisen arkin pinnalle, ja sen jälkeen mainittu arkki kierretään lieriöksi antennin muodostamiseksi, tunnettu siitä, että 15 jokainen mainituista elementeistä on epälineaarinen. t · i ; · I | • i • | • » 1 * · t · « > » 13 113814