ITBO20070100A1

ITBO20070100A1 - OMINIDIRECTIONAL ANTENNA WITH CIRCULAR POLARIZATION

Info

Publication number: ITBO20070100A1
Authority: IT
Inventors: Clarbruno Vedruccio
Original assignee: Clarbruno Vedruccio
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2008-08-22
Also published as: WO2008102406A2; WO2008102406A3

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Annessa a domanda di brevetto per Invenzione Industriale dal titolo: Attached to the patent application for Industrial Invention entitled:

ANTENNA OMNIDIREZIONALE A POLARIZZAZIONE CIRCOLARE OMNIDIRECTIONAL ANTENNA WITH CIRCULAR POLARIZATION

Il presente trovato concerne un sistema di antenna omnidirezionale destinata principalmente ad impieghi nelle bande VHF-UHF là dove sia utile disporre di una polarizzazione circolare, omnidirezionale e con angolo di radiazione che consenta collegamenti a grande distanza sia sulla verticale dellantenna che a bassi angoli sull’orizzonte. The present invention relates to an omnidirectional antenna system intended mainly for use in the VHF-UHF bands where it is useful to have a circular, omnidirectional polarization and with a radiation angle that allows long distance connections both on the vertical of the antenna and at low angles on the horizon.

Lo stato attuale della tecnica provvede ad una vastissima letteratura sull’argomento, ciò nonostante quando si debbano affrontare particolari e specifiche applicazioni portatili o mobili, quali ad esempio comunicazioni con aeromobili a varie quote contemporaneamente e/o a grandissime distanze, come le comunicazioni per mezzo di satelliti geostazionari, le difficoltà realizzative rendono i sistemi molto complessi e di costo elevato. Nel caso di specifiche applicazioni SAT-COM, come vengono abitualmente definite, sono presenti sul mercato vari tipi di antenne. Quelle maggiormente usate e descritte nella letteratura scientifica si possono dividere in due grandi categorie: antenne direzionali e non direzionali o omidirezionali, solitamente realizzate con dipoli incrociati orizzontali (antenne ‘tu ’) e dotate di un numero variabile di elementi direttori orizzontali. The current state of the art provides a vast literature on the subject, nevertheless when particular and specific portable or mobile applications have to be faced, such as for example communications with aircraft at various altitudes simultaneously and / or at very great distances, such as communications by means of geostationary satellites, the construction difficulties make the systems very complex and expensive. In the case of specific SAT-COM applications, as they are usually defined, various types of antennas are present on the market. The most used and described in the scientific literature can be divided into two broad categories: directional and non-directional or omidirectional antennas, usually made with horizontal crossed dipoles ('tu' antennas) and equipped with a variable number of horizontal director elements.

Il presente trovato si riferisce ad una particolare configurazione omnidirezionale destinata prettamente, ma non limitatamente, ad applicazioni campali, di emergenza, mobili terrestri e marittime, anche se non si esclude una possibile installazione su aeromobili in genere. The present invention refers to a particular omnidirectional configuration intended purely, but not limitedly, to field, emergency, land and sea mobile applications, even if a possible installation on aircraft in general is not excluded.

I vantaggi offerti complessivamente dal presente trovato non sono riscontrabili se non in parte e separatamente in alcune realizzazioni industriali molto più complesse e costose e sono i seguenti: The advantages offered as a whole by the present invention cannot be found except in part and separately in some much more complex and expensive industrial embodiments and are the following:

• Estrema portabilità/leggerezza e robustezza del sistema. • Extreme portability / lightness and robustness of the system.

• Rapidità nel montaggio/smontaggio anche in condizioni di scarsa visibilità (di notte) • Quick assembly / disassembly even in poor visibility conditions (at night)

• Infrangibilità anche in caso di caduta da alte quote • Unbreakable even in the event of a fall from high altitudes

• Tenuta stagna per il trasporto e l’impiego anche in acqua per mezzo di pannelli flottanti e/o una completa configurazione gonfiabile. • Watertight for transport and use even in water by means of floating panels and / or a complete inflatable configuration.

• Possibilità di una realizzazione rigida per l’impiego ad alte velocità o in presenza di fortissimo vento, senza per questo modificare le prestazioni del sistema. • Possibility of a rigid construction for use at high speeds or in the presence of very strong wind, without changing the performance of the system.

• Banda passante adeguata alla categoria di impiego . • Bandwidth suitable for the category of use.

• Rendimento complessivo sufficiente a collegamenti satellitari anche con potenze limitate. • Overall efficiency sufficient for satellite links even with limited powers.

• Omnidirezionalità e diagramma di radiazione adattato a mantenere collegamenti sia sulla verticale che ad angoli bassi sull’orizzonte. • Omnidirectionality and radiation pattern adapted to maintain connections both vertically and at low angles on the horizon.

Onde ottenere le prestazioni suddette si è realizzato un sistema misto composto da un pannello base risonante ripiegabile in tela di PVC che racchiude all’interno un foglio di mylar termosaldabile conduttivo, come ad esempio l’accoppiato polibarriera “omnipack” oppure tessuto in seta-acciaio-argento ad alta conducibilità, comunque migliore di 0,2 ohm/m di resistenza elettrica. Sono anche utilizzabili vernici conduttive, sempre che abbiano un’elevata densità del contenuto di metalli nobili. Questa struttura è stata sagomata geometricamente in modo da presentare una risonanza in mezza onda al centro della banda di frequenza da usarsi. Nel prototipo sono stati realizzati piani riflettenti sia circolari che quadrati che rappresentano delle realizzazioni puramente esemplificative e non vincolanti. Nei vertici della base riflettente o nei quattro vertici del quadrato inscritto alla circonferenza di base, sono stati applicati appositi supporti nei quali vengono inserite delle bacchette di fibra di vetro che a loro volta costituiscono, previa flessione delle stesse, una struttura rigida a calotta sferica, una volta che siano inserite in quattro fori ciechi presenti in un cilindro di materiale isolante che fa da isolatore centrale e alloggia le circuitazioni elettriche dell’antenna. In order to obtain the aforementioned performances, a mixed system has been created consisting of a resonant base panel foldable in PVC cloth that encloses a sheet of conductive heat-sealable mylar, such as the coupled "omnipack" polybarrier or silk-steel fabric. - high conductivity silver, in any case better than 0.2 ohm / m of electrical resistance. Conductive paints can also be used, provided they have a high density of the noble metal content. This structure has been geometrically shaped to present a half wave resonance in the center of the frequency band to be used. Both circular and square reflective surfaces have been created in the prototype, which represent purely exemplary and non-binding creations. In the vertices of the reflecting base or in the four vertices of the square inscribed on the base circumference, special supports have been applied in which glass fiber rods are inserted which in turn form, after bending them, a rigid structure with a spherical cap, once they are inserted into four blind holes in a cylinder of insulating material that acts as a central insulator and houses the electrical circuits of the antenna.

I disegni allegati evidenziano una struttura ad igloo o una a forma tronco piramidale. La funzione delle bacchette è quella di tenere tesa la base riflettente isolata e, di costituire il supporto degli elementi radianti di una coppia di dipoli incrociati non orizzontali, bensì curvi e sviluppati sulle bacchette tangenti la calotta sferica . Il cilindro in materiale isolante, come già evidenziato, oltre a rappresentare il centro della calotta sferica, alloggia al suo interno la circuitazione elettrica di sfasamento a 90° dei dipoli e la linea di adattamento di impedenza. Differentemente da quanto descritto in letteratura, che prevede nello sfasamento elettrico a 90° di due dipoli incrociati, l’impiego di un tratto di linea coassiale la cui lunghezza elettrica è 1⁄4 di lunghezza di onda, per ottenere la polarizzazione circolare e la omnidirezìonalità sul piano orizzontale, è stata adottata una particolarissima configurazione composta da due linee coassiali parallele della lunghezza elettrica di 1⁄4 di onda collegate rispettivamente tra i due bracci del dipolo da sfasare e il dipolo principale . La calza esterna dei cavi coassiali di sfasamento è collegata agli estremi in parallelo da entrambe le parti dei cavetti e deve essere isolata dalla calza del cavo di adattamento di impedenza collegato al dipolo principale e la cui lunghezza elettrica, in accordo alla corrente letteratura scientifica, è fissata in 1⁄4 di onda. Tale configurazione, parte integrante del trovato, migliora il rendimento del sistema in termini di banda passante e omnidirezìonalità consentendo, come nel prototipo per comunicazioni satellitari, di ‘agganciare’ il satellite con potenze dì soli 37 dbm , là dove i sistemi di antenna omnidirezionali presenti sul mercato richiedono potenze di almeno 43 dbm per ottenere analoghi risultati. Per quanto riguarda la parte centrale della calotta, che fa da contenitore agli elementi del dipolo incrociato si sono realizzate due diverse configurazioni. The attached drawings show an igloo-like structure or a truncated pyramid-shaped one. The function of the rods is to keep the insulated reflective base taut and to constitute the support of the radiating elements of a pair of crossed dipoles that are not horizontal, but curved and developed on the rods tangent to the spherical cap. The cylinder in insulating material, as already highlighted, in addition to representing the center of the spherical cap, houses the 90 ° phase shift electrical circuitry of the dipoles and the impedance matching line. Differently from what is described in the literature, which provides for the 90 ° electrical phase shift of two crossed dipoles, the use of a section of coaxial line whose electrical length is 1⁄4 wavelength, to obtain circular polarization and omnidirectionality. on the horizontal plane, a very particular configuration has been adopted consisting of two parallel coaxial lines with an electrical length of 1⁄4 of a wave connected respectively between the two arms of the dipole to be phased out and the main dipole. The outer braid of the phase shift coaxial cables is connected at the ends in parallel on both sides of the cables and must be isolated from the braid of the impedance matching cable connected to the main dipole and whose electrical length, according to current scientific literature, is fixed in 1⁄4 of a wave. This configuration, an integral part of the invention, improves the performance of the system in terms of bandwidth and omnidirectionality allowing, as in the prototype for satellite communications, to 'lock on' the satellite with powers of only 37 dbm, where the omnidirectional antenna systems are present on the market they require powers of at least 43 dbm to obtain similar results. As regards the central part of the cap, which acts as a container for the elements of the crossed dipole, two different configurations have been created.

• La prima, separa i bracci dei dipoli dalle bacchette di fibra di vetro, che restano il sistema di supporto al quale convergono i bracci flessibili dei dipoli, realizzati in cavo coassiale cortocircuitato alle estremità o mediante stili commerciali o con qualunque altro materiale conduttore, e che sono quindi assicurati ad esse per mezzo di fascette di velcro. • The first separates the arms of the dipoles from the glass fiber rods, which remain the support system to which the flexible arms of the dipoles converge, made of coaxial cable short-circuited at the ends or using commercial styles or with any other conductive material, and which are then secured to them by means of Velcro straps.

* Nella seconda configurazione, i bracci dei dipoli, che come per la prima, sono realizzati nella lunghezza opportuna per la frequenza in uso con le note formule matematiche, sono realizzati con spezzoni di fitta calza in rame argentato. Questa calza è stata alloggiata su un tubo flessibile in materiale isolante quale ad esempio pvc, gomma, lattice, nylon, teflon ecc. e successivamente ricoperta da uno spezzone di guaina di protezione sempre in materiale isolante. Si otterranno in questo modo i bracci per i dipoli, che saranno cavi al loro interno e faranno da guida e rivestimento alle bacchette smontabili di fibra di vetro. Questi braccetti convergono nel contenitore/isolatore centrale cilindrico o di altra opportuna forma attraverso quattro boccole cieche o fori ciechi del contenitore, che, oltre a garantire la tenuta stagna aU’intemo del circuito, fanno anche da fine corsa alle bacchette di fibra. I collegamenti elettrici sono assicurati da quattro piccoli fori nelle boccole che poi vengono sigillati con resine epossidiche. * In the second configuration, the arms of the dipoles, which as for the first, are made in the appropriate length for the frequency in use with the known mathematical formulas, are made with pieces of thick silver-plated copper braid. This sock has been housed on a flexible tube made of insulating material such as PVC, rubber, latex, nylon, Teflon etc. and subsequently covered with a piece of protective sheath, again in insulating material. In this way, the arms for the dipoles will be obtained, which will be hollow inside them and will act as a guide and coating for the removable glass fiber rods. These arms converge in the container / central cylindrical insulator or other suitable shape through four blind bushings or blind holes in the container, which, in addition to ensuring watertight integrity within the circuit, also act as an end stop for the fiber rods. The electrical connections are secured by four small holes in the bushings which are then sealed with epoxy resins.

Entrambi i prototipi sopra descritti rappresentano due delle possibili realizzazioni, rappresentative del trovato in maniera non vincolante e tutte ricadenti nel medesimo concetto inventivo. Both the prototypes described above represent two of the possible embodiments, representative of the invention in a non-binding way and all falling within the same inventive concept.

In ambedue le configurazioni, nonostante la prima sia modificabile e la seconda rigida per quanto riguarda l’altezza dei dipoli dal piano riflettente, le prestazioni migliori si ottengono quando gli estremi dei dipoli sono ad una altezza dal piano riflettente pari a circa 1⁄4 di onda, mentre il cilindro, isolatore centrale dei dipoli e che alloggia la circuitazione di adattamento e sfasamento si troverà in alto, al centro della calotta formata dalle bacchette di fibra a circa 1⁄2 di lunghezza d’onda dal riflettore. Una ulteriore versione del trovato può essere ottenuta previa deposizione di vernice o inchiostro ad alta conduttività su una struttura della forma descritta, totalmente realizzata in forma di calotta sferica, tronco piramidale o similare rigida, come ad esempio un ‘dome’ in fibra di vetro o resine termoformabili. È anche possibile una realizzazione in tessuto sintetico gonfiabile e/o dotata di pannelli di galleggiamento gonfiabili o amovibili per mezzo di bande di velcro fissate al di sotto del riflettore. Una ulteriore variante al trovato, consiste nel fissare per mezzo di bande elastiche un anello o quadrato di materiale conduttore calcolato per risuonare sulla banda di frequenza richiesta ad onda intera, posto parallelamente al piano riflettente ad una distanza di circa 1⁄4 di lunghezza d’onda. In both configurations, although the first is modifiable and the second rigid as regards the height of the dipoles from the reflecting plane, the best performance is obtained when the extremes of the dipoles are at a height from the reflecting plane equal to about 1⁄4 of wave, while the cylinder, central insulator of the dipoles and which houses the adaptation and phase shift circuitry will be located at the top, in the center of the cap formed by the fiber rods about 1⁄2 wavelength from the reflector. A further version of the invention can be obtained after depositing high conductivity paint or ink on a structure of the described shape, totally made in the form of a spherical cap, truncated pyramidal or similar rigid, such as for example a glass fiber dome or thermoformable resins. It is also possible to make an inflatable synthetic fabric and / or equipped with inflatable or removable flotation panels by means of Velcro bands fixed under the reflector. A further variant of the invention consists in fixing by means of elastic bands a ring or square of conductive material calculated to resonate on the required full wave frequency band, placed parallel to the reflecting plane at a distance of about 1⁄4 length of wave.

Le estremità di questo anello o ‘loop’, come definito in letteratura, verranno alimentate tramite classica circuitazione di adattamento e potranno essere connesse al cavo coassiale di collegamento con il sistema radio, in alternativa ai dipoli incrociati a calotta. The ends of this ring or 'loop', as defined in the literature, will be powered by classic adaptation circuitry and can be connected to the coaxial cable connecting with the radio system, as an alternative to the cross-cap dipoles.

Il vantaggio risiede nel fatto di avere due radiatori coassiali flessibili, smontabili rapidamente e ripiegabili, con differenti comportamenti alla propagazione della radiofrequenza, utilizzabili contemporaneamente o in maniera indipendente. The advantage lies in the fact of having two flexible coaxial radiators, which can be quickly disassembled and folded, with different behaviors to the propagation of radio frequency, which can be used simultaneously or independently.

Le caratteristiche tecniche del trovato, secondo i suddetti scopi, sono chiaramente riscontrabili dalle rivendicazioni sotto riportate ed i vantaggi dello stesso risultano evidenti nella precedente descrizione dettagliata, fatta con riferimento ai disegni allegati, che ne rappresentano una forma di realizzazione puramente esemplificativa , non limitativa e in cui: The technical characteristics of the invention, according to the aforementioned purposes, are clearly verifiable from the claims reported below and the advantages thereof are evident in the previous detailed description, made with reference to the attached drawings, which represent a purely exemplary, non-limiting and in which:

• La figura 1 illustra una vista dall’alto del sistema meccanico ed elettrico, non vincolante, di un esempio di realizzazione del presente trovato; • Figure 1 illustrates a top view of the mechanical and electrical system, not binding, of an example of embodiment of the present invention;

• La figura 2 illustra un dettaglio della realizzazione dei dipoli cavi in calza di rame argentato. • Figure 2 illustrates a detail of the realization of the hollow dipoles in silver-plated copper braid.

• La figura 3 illustra uno schema elettrico di dettaglio realizzativo del sistema di sfasamento(26) dei dipoli incrociati (22.1;2;3;4) e del collegamento al cavo coassiale dì discesa (27). • Figure 3 illustrates a detailed electrical diagram of the phase shift system (26) of the crossed dipoles (22.1; 2; 3; 4) and of the connection to the coaxial down cable (27).

• La figura 4 illustra una sintetica visione tridimensionale dell’antenna completamente montata con pannelli flottanti sotto la base (19), isolatore centrale (24) le bacchette (21) , i dipoli (22.1;2;3;4) e senza il radiatore a loop (25). • Figure 4 illustrates a synthetic three-dimensional view of the fully assembled antenna with floating panels under the base (19), central insulator (24), rods (21), dipoles (22.1; 2; 3; 4) and without the radiator loop (25).

• La figura 5 illustra una visione tridimensionale dell' antenna completamente montata ed equipaggiata di radiatore a loop (25). • Figure 5 illustrates a three-dimensional view of the antenna fully assembled and equipped with a loop radiator (25).

• La figura 6 illustra una versione semirigida dell’antenna completa di supporto forato (16) attraverso il quale scorre il cavo coassiale di collegamento e dell’ anello di raccordo (17) della raggiera di elementi riflettenti (20R), che è posizionabile ad altezze variabili anche tramite sistema motorizzato (15, 18) ed è fissabile al supporto anche tramite grani filettati. • Figure 6 illustrates a semi-rigid version of the antenna complete with perforated support (16) through which the connecting coaxial cable and the connecting ring (17) of the radial of reflecting elements (20R), which can be positioned at heights also variable by means of a motorized system (15, 18) and can also be fixed to the support by means of threaded dowels.

Il trovato così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo, Inoltre tutti i dettagli possono essere sostituiti da elementi tecnicamente equivalenti. The invention thus conceived is susceptible of numerous modifications and variations, all of which are within the scope of the inventive concept. Furthermore, all the details can be replaced by technically equivalent elements.

Claims

CLAIMS 1. Omnidirectional antenna with circular polarization, as in figure 1, characterized by the fact of comprising a base panel (20) in collapsible insulating synthetic material housing a fabric or film in resonant conductive material and equipped with hooks (20.1) to support and anchor four elastic rods in fiberglass (21) or other equivalent insulating material designed to keep the reflective structure taut in half wavelength and to create a spherical cap which supports in its center a central insulator container (24) of a pair of crossed dipoles curved or shaped (22) tangent to the spherical cap itself, in order to obtain an omnidirectional irradiation pattern, so as to allow a high yield both for low angles on the horizon and for angles close to the vertical to the antenna.

2. Omnidirectional antenna according to claim 1 characterized by the fact of being able to allow, in addition to the VHF / UHF uses described in the text, also satellite connections, even geostationary in UHF or on other frequencies after adapting the dimensions, even using small transmission powers and maintaining good reception efficiency, whether installed on mobile vehicles or resting on the ground or by means of floating modules, also removable (19), and usable floating in water.

3. Antenna according to claim 2 characterized by the fact of being transportable completely disassembled and folded even underwater.

4. Omnidirectional antenna as in claims 2 and 3 and shown in figure 6, characterized by the fact that it can be made with a semi-rigid and non-foldable structure, while maintaining the same electrical and structural characteristics, in which the reflecting panel is replaced by a spokes (20R), whose elements converge in the ring (17), which can move on the perforated support tube (16), manually or also by means of a threaded rod connected to the motor (18) and / or hydraulic piston (15) so that it can be used on cars, aircrafts, surface and non-surface vessels, even at high speeds, and to be able to change the radiation pattern even continuously.

5. Omnidirectional antenna with circular polarization as shown in figures 1, 2, 3, 4, 5, characterized by the fact of being constituted by a half-wave resonant base panel (20), in which a radio-frequency reflective fabric or film is inserted , complete with supports (20.1), rods (21), the coupling module of the crossed dipoles (24) also made on hollow tubular (22-23) and the two-wire phase shift line in quarter-wave coaxial cable (26) with the correlated circuitry (27).

6. Omnidirectional antenna with circular polarization as in the previous 5, characterized by the fact of being able to house a full-wave 'loop' resonator, also flexible and foldable and / or inflatable, of various shapes, including circular or square (25), interacting with or without the dipoles arranged in a cap and positioned at about 1⁄4 wavelength with respect to the reflecting plane and connectable directly or by means of a coaxial switch to the radio apparatus.

7. Omnidirectional circular polarization antenna, according to the preceding claims and according to what is described and illustrated with reference to figures 1, 2, 3, 4, 5, 6, of the accompanying drawings and for the aforementioned purposes.