NO164207B - Antenne. - Google Patents

Abstract

En antenne utgjøres av fire oppstillinger som hver har seksten heliksformede antnneelemente-med prober 5 plassert inne i et felles resonanshulror. Hulrommet 6 benyttes således til å kombinere utgangssignalene fra alle elementene 4.For å gi maksimal koblingseffektivitet er elementene 4. i en oppstilling 2 arrangert slik på overflaten av en boks 8 at probene 5 er plassert ved spenningsbukene for resonansfeltmønstrene. Likeledes er også utgangsproben 12 til hvert hulrom 6 plassert ved en spenningsbuk. Utgangsproben 12 gjør det mulig for det kombinerte signalet i hulrommet 6 å gå over i en bølgeleder 13, som også er forbundet med andre oppstillinger 1, 3 for over-fring tilelevisjonsmottakere.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en antenne, og særlig

men ikke utelukkende en antenne for mottaking av tele-vis jonssignaler fra Direkte kringkastende satelitter

(DBS).

Det er foreslått at DBS nettet i Europa skal bruke en bærefrekvens på ca. 12G Hz. Flate plateantenner for dette frekvensområde er laget av en oppstilling av elementer hvor hvert element er i stand til å motta 12G Hz signalene. På grunn av den korte bølgelengden (2.5 cm)

som brukes er elementene små. For å skaffe tilveie til-strekkelig energi for tilfredsstillende televisjonsbil-

der er det nødvendig med en stor oppstilling av elemen-

ter. Av estetiske grunner bør denne oppstillingen ikke være større enn omkring en kvadratmeter. Det mottatte signalet fra hvert av disse elementene må overføres med korrekt faseforhold til et felles punkt, slik at det kombinerte signalet kan føres til inngangsdelen på en mottaker. Imidlertid kan en vesentlig del av signalet gå tapt ved overføringen av disse individuelle signalene til det felles oppsamlingspunktet. Et formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en prisbillig antenne med høy effektivitet.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en antenneoppstilling som omfatter en fle.rhet av heliksformede antenneelementer hvor hvert enkelt er forbundet med et felles resonanshulrom for derved å kombinere signalene som blir mottatt av de heliksformede elementene.

Det foretrekkes at oppstillingen er utstyrt med mid-

ler for å danne elektrisk kortslutning ved i det minste et sted i hulrommet. I et eksempel omfatter midlene for å danne elektrisk kortslutning en eller flere elektrisk ledende stolper som strekker seg tvers over hulrommet, og er forbundet med en jordkilde.

Midlene for å danne elektrisk kortslutning kan være plassert i hulrommet for å dele de heliksformede elementene i to eller flere grupper, hvorved utgangssignalene fra de heliksformede elementene i en gruppe brukes til å danne en eller flere modi av stående bøl-ger før kombinasjon med de fra andre grupper.

Det foretrekkes at de heliksformede elementene er montert på en felles elektrisk ledende plate med en tykkelse som hovedsakelig tilsvarer halve bølgelengden for den ønskede stråling.

I en utførelse tilveiebringer den foreliggende oppfin-. reise en antenne som omfatter et antall av antenne-oppstillinger som beskrevet ovenfor, hvis utganger er elektrisk forbundet for å gi summasjon av de mottatte signalene, idet i det minste noen av oppstillingene hver har et antall av heliksformede antenneelementer forbundet med et resonanshulrom som er felles for elementene i den oppstillingen, for derved å kombinere inne i det hulrommet utgangssignalene for de heliksformede elementene i den oppstillingen.

I en foretrukket utførelse omfatter en antenne et antall av antenneoppstiIlinger som beskrevet ovenfor, som har en eneste utgang felles, idet i det minste noen av oppstillingene hver har et antall av heliksformede antenneelementer forbundet med et resonanshulrom som er felles for elementene i den oppstillingen, for derved å kombinere inne i hulrommet utgangssignalene fra de heliksformede elementene i den oppstillingen.

For at oppfinnelsen lettere skal kunne forstås gis nå en beskrivelse ved hjelp av eksempler, idet henvisning gjøres til de medfølgende tegninger ,hvor:

Figur 1 er et tverrsnitt av en del av en antenne som omfattes av den foreliggende oppfinnelse. Figur 2 er et planriss av baksiden av en annen type antenne . Figur 3 er et skjematisk planriss av baksiden av en annen type oppstilling som omfattes av foreliggende oppfinnelse . Fig. 4 er et delvis tverrsnitt av oppstillingen vist i figur 3, og Figur 5 er et tverrsnitt av en del av en annen antenne.

Hver av de viste antennene er utformet for å være spesielt tilpasset mottakning av signaler av den typen som er tenkt brukt i DBS-nettet i Europa. Således har hver antenne elementer av heliksform (spesielt tilpasset mottakning av signaler med sirkulær polarisasjon, et karakter-istisk trekk ved DBS signaler), og kan lett motta signaler med frekvenser i 12 GHz området (den omtrentlige verdi av bærefrekvens som skal brukes i DBS nettet). Hver av antennene er laget med form som en flat plate for å maksimalisere overflatearealet som er tilgjengelig for signaloppfangning for et gitt volum.

En betraktning av figur 1 viser delvis en antenne med et antall oppstillinger (av hvilke bare 1, 2 og 3 er vist på figuren). Hver oppstilling har seksten heliksformede antenneelementer 4, hver med åtte omdreininger i den heliksformede delen, og en probe 5 ved motsatt ende, idet proben 5 er plassert inne i et resonanshulrom 6

som er felles for alle elementene 4 i den oppstillingen. Således oppnås elektrisk kopling mellom alle elementene 4 i oppstillingen 2, og hulrommet 6, slik at enhver komponent av et elektrisk feltsignal som mottas

av elementene 4 i oppstillingen 2 passerer inn i<1>'hulrommet 6, således brukes hulrommet 6 til å kombinere alle utgangssignalene fra elementene 4. Resonanshul-rommet 6 er definert av en elektrisk ledende ledning 7 (av f.eks. aluminiums-legering, kobber, gull eller; sølv) på den indre overflaten (mål: 126 mm x 126 mm x 10 mm) til.en boks 8 laget av et isolerende materiale .

For å holde elementene 4 sikkert fast til boksen 8?, har hvert element på en halsdel mellom den heliksfor-rnede delen og proben 5 en plugg 9 av PTFE materiale som er presset i et hull på boksens 8 øvre overflate. Selv om pluggen 9 holder halsdelen av elementet 4

godt nok fast til å forhindre bevegelse ved normalt bruk, kan allikevel elementet 4 skyves i begge ret-ninger i forhold tilpluggen 9, for å tillate juster-ing av plasseringen av proben 5 i hulrommet 6. De heliksformede delene av elementene 4 i hver oppstilling er innstøpt i ekspandert polystyren 10 for å

gi støtte og minske mulgihetene for ødeleggelse. Ekspandert polystyren 10 er et materiale med svært liten dielektrisitets konstant og lavt tap ved radio-frekvenser, så dets nærvær har ubetydelig virkning på antennens ytelse når det gjelder signalmottakning. Polystyren materialet 10 har et ytre belegg 11 av vannavstøpende plastikkmateriale for å forhindre ab-sorbsjon av vann.

Polystyrenlaget 10 og belegget 11 kan erstattes av

et hvert passende materiale (eller kombinasjon av ma-terialer) med lignende karakteristika når det gjelder dielektrisitets konstant, dempning av radio frekvenser og vannabsorbsjon.

Elementene 4 i oppstillingen 2 er plassert slik på overflaten av boksen 8 at probene 5 befinner seg ved spenningsbukene i resonansfelt-mønstrene for å oppnå maksimal virkning for sammenkoblingen. På samme måte er også utgangsproben 12 i hvert hulrom 6 plassert ved en spenningsbuk. Utgangsproben 12 tillater kom-binasjonssignalet i hulrommet 6 å gå over i en bølge-leder 13 som også er forbundet med de andre oppstillingene 1 og 3 for å overføres til televisjonsmottakeren.

Antennen som er vist på figur 2 består av fire oppstillinger hvor hver i hovedsak ligner på oppstilling 1, bortsett fra at de er modifisert slik at de utgjør fire resonanshulrom 20, 21, 22 og 23 som en enhet med noen vegger 24, 25, 26 og 27 felles. I tillegg har alle fire hulrom en felles utgangsprobe 28 som befinner seg ved en spenningsbuk for hvert hulrom i nær-heten av et av hulrommets hjørner. Således trenger ikke denne typen antenne noen bølgeleder som mellom-ledd mellom de fire hulrommene, hvilket reduserer muligheten for tap av signalstyrke og dertil gir en kompakt utformning. Selvfølgelig knytter allikevel en bølgeleder utgangsproben 28 til televisjonsmottakeren (og muligens andre enheter med fire hulrom, hvis dette benyttes).

I en modifisert utførelse er en antenne utformet av fire oppstillinger hvis utganger er bundet sammen med en bølgeleder, idet hver oppstilling har seksten heliksformede antenneelementer delt opp i fire like grupper, hvor hver gruppe mater et resonanshulrom;

de fire resonanshulrommene utgjør en enkelt enhet med noen vegger felles, på lignende måte som vist i figur 2.

I hver av de ovennevnte antenner er høyden av reso-nanshulrommet valgt slik at muligheten for å danne vertikale, stående bølger er så liten som mulig.

I en modifisert utførelse av enhver av disse antennene, kan sløyfer benyttes i steden for probene 5. I dette tilfelle er de he liks formede elementene plassert slik at sløyfene befinner seg ved strømbuker for resonans-hulrommet 6.

De kledde eskene som utgjør resonanshulrommene for antennene beskrevet ovenfor, kan fremstilles billig og raskt, og er særlig egnet for masseproduksjon. Da disse eskene erstatter de relativt dyre båndbølgelederne for mikrobølger (microstrip transmission lines) i kon-vensjonelle antenner, kan bruk av dem i antenner iføl-ge oppfinnelsen, medføre en reduksjon i de samlede kost-nadene for disse antennene.

Figur 3 er et skjematisk plansnitt bakfra av en annen antenneoppstilling 40 ifølge den foreliggende oppfinnelse. Figur 4 viser del av et tverrsnitt av oppstillingen 40.

Oppstillingen 40 har seksten heliksforede antenneelementer 4.1 som har lignende konstruksjon som elementene 4, og er montert på samme måte i et resonanshulrom 42. I dette.tilfellet defineres hulrommet 42

av én elektrisk ledende metallplate 43, og av en elektrisk ledende kledning 44 på sideveggene 45 og på en grunnplate 46, idet sideveggene og grunnplaten er laget av elektrisk isolerende materiale.

Det er påvist at. antennens ytelse når det gjelder forsterkning og båndbredde for den aktuelle verdi av mi-krobølges trålingen forbedres betydelig sammenlignet med den typen oppstilling 2 som er vist på figur .1,

ved at platen 4 3 gis en tykkelse omtrent lik en fjerdedel av mikrobølgenes bølgelengde. Dessuten kan ytel-sen vedrørende forsterkning og båndbredde forbedres ytterligere ved å gi platen 4 3 en tykkelse som til-ACM &/ <z iti nnn « na

svarer en halv bølgelengde for mikrobølgestrålingen som skal mottas av oppstillingen. Således kan f.eks. platen 4 3 ha en tykkelse på 8 mm.

Tykkelsen av platen 43 brukes som et middel til å kon-trollere impedansen som det heliksformede element 4 representerer for hulrommet. Impedansen for alle helikselementene kan endres samtidig ved å forandre tykkelsen av lokket. Helikselementets stamme som går gjennom platen utgjør et stykke koaksialleder som kan brukes som impedansomformer. Ved passende valg av pluggens diameter og av tykkelse for den elektrisk ledende overflaten (enten platen 43 som i figur 4 eller kledningen 7 som i figur 1), kan således spesielle karakteristika vedrørende impedanstilpasning velges etter ønske fra et stort område av mulige ver-dier; i de antennetypene som er beskrevet og illu-strert her, ble det antatt at visse tilpasnings-karakteristika var spesielt fordelaktige, men foreliggende oppfinnelse er selvfølgelig ikke begrenset til disse spesielle verdiene.

Et antall kortslutningsstolper 47, som står i elektrisk kontakt med både platen 4 3 og kledningen 44, befinner seg rundt omkring i hulrommet 42 i et arrangement som vist i figur 3, hvor ringene betegner elementene 41,

og brikkene betegner kortslutningsstolpene 47. Slik utgjør resultantlinjene for stolpene 47 effektivt bar-rierer som hindrer overføring av elektriske ladninger, slik at de seksten elementene 41 er oppdelt i fire grupper med fire elementer i hver med hénblikk på dannelse og forplantning av stående bølger. Ved passende valg av hulrommets dimensjoner, kan således ut-gangen fra hulrommet 42 utformes slik at den ønskede bølgelengden kan forsterkes, mens andre bølgelengder kan undertrykkes.

Kortslutnihgsstolpene 47 plassert i posisjoner som vist på figur 3 omgjør i realiteten hulrommet 42 til den typen som er vist på figur 2 uten bruk av faste vegger.

Hulrommet 42 har en utgangsprobe 48 som står i forbind-else med en arm av en H-formet bølgeleder som også for-synes med signaler fra tre andre oppstillinger som er identiske med oppstilling 40, idet de fire oppstillingene utgjør en flatplate antenneenhet for mottakhing av DBS televisjonssignaler. I et spesielt eksempel ut-gjøres en slik antenne av fire oppstillinger, idet hver har en mottakningsoverflate på 125 mm i kvadrat, et resonanshulrom med høyde 10 mm, et mellomrom mellom de heliksformede elementene på 37.5 mm og en samlet an-tennedybde på 70 mm. Denne antennen kunne gi en forsterkning på 2 3 dB for normalt innfallende stråling på 12 GHz.

Oppsettingen av stolpene 47 gir også oppstillingen 40 forbedret mekanisk stivhet i sammenligning med oppstillingen 2.

I en modifisert utførelse av oppstillingen 40 er stolpene 47 plassert i hulrommet 42 på en slik måte at hvert element 41 har en eller flere tilstøtende stolper 47

for å undertrykke uønskede modi av stående bølger.

Det er påvist at en oppstilling som utgjøres av grupper av fire heliksformede elementer er mer effektiv når det gjelder forsterkning pr. arealenhet enn grupper med andre størrelser (f.eks. med ni heliksformede elementer).

Antennen som er delvist vist på figur 5 skiller seg fra den i figur 1 ved at alle de heliksformede elementene 4 i en oppstilling er plassert på et felles trykt krets-kort 60, idet stammen til hvert element går gjennom et hull i grunnplaten til kretskortet 60, og er loddet til den trykte metallstripen 61 på motsatt side for å overføre mottatte signaler til televisjonsmottakeren med korrekte faseforhold.

Enhver av antennene kan modifiseres slik at virknings-graden til de heliksformede elementene når det gjelder signaltransmisjon kan varieres, og dermed tilveiebringe en spesiell amplitudefordeling over antenneare-alet. Denne variasjonen kan oppnås f.eks. ved å be-nytte enkelte elementer med et annet antall omdreininger i den heliksformede delen, eller ved å endre koblingen mellom noen elementer og hulrommet. I tillegg eller alternativt kan orienteringen til noen av de heliksformede elementene varieres (i forhold til den longitudinale aksen) for å tilveiebringe en fase-fordeling over antenneoverflaten for de mottatte signalene. Ennvidere kan enkelte av eller alle de heliksformede elementene ha sine longitudinale akser skrå-stilt i forhold til (i stedet for normalt på) antennens hovedakse. Fortrinnsvis har de heliksformede elementene en felles helningsvinkel. Alternativt kan det være flere forskjellige helningsvinkler i en gruppe he lik/s forme de elementer.

En eller flere av disse modifikasjonene kan brukes til å gi antennen en responsstråle som heller bort fra ret-ningen normalt på antennens hovedplan. Antennen kan ha en responsstråle med konstant helning, eller helningsvinkel som kan varieres etter behov.

Claims (10)

1. En antenneoppstilling, karakterisert ved en flerhet av heliksformede antenneelementer (4, 41), hvor hvert element er forbundet med et felles resonanshulrom (6, 42) for derved å kombinere i driftstilstand signaler mottatt av de heliksformede elementene.

2. En oppstilling ifølge krav 1, karakterisert ved midler (47) til å gi en elektrisk kortslutning ved i det minste et sted inne i hulrommet (42).

3. En oppstilling ifølge krav 2, karakterisert ved at midlene (47) til å gi elektrisk kortslutning omfatter en eller flere elektrisk ledende stolper som strekker seg tvers over hulrommet, og er forbundet med en jordkilde.

4. En oppstilling ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at midlene (47) til å gi elektrisk kortslutning er plassert inne i hulrommet (42) for å dele opp de heliksformede elementene (41) i to eller flere grupper hvorved i driftstilstand utgangssignalene fra de heliksformede elementene i en gruppe benyttes til å danne en eller flere modi av stående bølger før kombinasjon med de fra andre grupper.

5. En oppstilling som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved organer (7, 43) som tjener til å styre den impedans som fremskaffes for hulrommet (42) ved hjelp av de heliksformede elementer (41), idet impedansstyreorganene utgjøres av en forhåndsbestemt tykkelsesverdi av elektrisk ledende materiale av veggdel som bærer de heliksformede elementer.

6. En oppstilling som angitt i krav 5, karakterisert ved at det elektrisk ledende materiale (7, 43) har en tykkelse svarende omtrent til en fjerdedel av mikrobølgenes bølgelengde.

7. En oppstilling som angitt i krav 5, karakterisert ved at det elektrisk ledende materiale (7, 43) har en tykkelse svarende til en halv bølgelengde for mikrobølgestrålingen.

8. En oppstilling som angitt i et av kravene 5-7, karakterisert ved at impedansstyreorganene omfatter en elektrisk ledende plate (43) som definerer veggdelen.

9. En oppstilling som angitt i et av kravene 5-7, karakterisert ved at impedansstyreorganene omfatter en elektrisk ledende kledning (7) på et substrat av isolerende materiale som definerer veggdelen.

10. En antenne som omfatter en flerhet av antenneoppstil-1inger (2, 40) som angitt i et av kravene 1-9, karakterisert ved at utgangene fra oppstillingene er elektrisk forbundet for å gi summasjon av de mottatte signaler.