SE510274C2 - Förbättrad spiralantennanordning - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 naler för vart och ett av dessa element; vart och ett av dessa har en zon, utformad i spiral, och åtminstone ett av dem har en förlängning av ledarna i dess spiral, som har annorlunda geometriska egenskaper än den nämnda spiralens.

Andra fördelar och särdrag hos uppfinningen framgår av den följande detaljerade beskrivningen med hänvisning till rit- ningarna, där: - fig 1 och 2 visar mycket schematiskt en klassisk, isolerad spíralantenn. - fig 3 visar schematiskt tre spiralantenner, grupperade i en konfiguration, som ger upphov till funktionsproblem, och - fig 4 visar schematiskt och partiellt ett utföringsexempel av en anordning enligt uppfinningen.

Ritningarna visar i det väsentliga element med bestämd karak- tär. Ur den synpunkten utgör de en integrerande del av be- skrivningen och kan tjäna ej blott till att förbättra för- ståelsen av den fortsatta beskrivningen, men även till att bi- draga, vid behov, till uppfinningens definition.

Sådan den visas schematiskt i fig l och 2 omfattar en tryckt spiralantenn på ena sidan av en bärare (t ex ett dielektrikum) SU, två metalliska ledare Bl och B2, av identisk längd, sam- manrullade vid varandra för att bilda en spiral SB. Med andra ord, och med undantag av vad som gäller nära ledarändarna, är varje parti av en ledare omgiven av två partier av den andra ledaren.

Det är lämpligt att lägga märke till att vad som här visas är en s k Archimedes-spiral, dvs en spiral, där varje ledare har konstant tjocklek och konstant avstånd till den andra ledaren.

Emellertid är andra typer av spiraler tänkbara, såsom s k logaritmiska spiraler, där det föreligger en expansionskvot för ledarnas bredd samt ökande avstånd mellan dessa. I den i 10 15 20 25 30 35 3 510 274 denna beskrivning avsedda bemärkelsen bör termerna "spiraler" eller "spiralantenner" tolkas i mycket vid mening, täckande alla typer av spiraler. En dylik antenn kan fungera i ett mycket brett frekvensband, så att kvoten mellan den högsta och den lägsta frekvensen exempelvis kan vara av storleksordningen 4. Den lägre funktionsfrekvensen Fl är då bestämd i första approximation genom följande uttryck: pi.D = c/F1 = lambdal där pi betecknar det reella tal som är ungefär 3,14, D betecknar den yttre diametern av spiralen SP, c betecknar ljusets hastighet, Fl betecknar den lägre funktionsfrekvensen, och lambdal betecknar den våglängd som hör ihop med frekven- sen Fl.

En spiralantenn har dessutom den egenheten att den utstrålar, lika väl i det parti av rymden som ligger mitt för spiralen SP som i det område av rymden som ligger mitt för andra sidan, eller baksidan, av bäraren SU. Om man därför vill begränsa denna strålning till det parti av rymden som ligger framför bärarens framsida, kan man på andra sidan av denna anordna denna i kontakt med en kavitet CA, fylld med ett material som absorberar elektromagnetiska högfrekvensvågor i ett brett band.

Matningen av de båda ledarna i en dylik antenn sker genom tvâ trådar F11 och FI2, anslutna vid resp ändar av de båda ledar- na, som befinner sig mitt i spiralen. Matningen med elektriska högfrekvenssignaler sker vanligen med hjälp av en koaxialkabel CO, som till sin natur är asymmetrisk, eftersom den har en mittledare och en strumpa. För god funktion hos en spiralan- tenn erfordras. p g a dess symmetriska geometriska egenskaper, en matning med elektriska signaler av symmetrisk typ, dvs med identitet för de båda ledarna. Därför är det nödvändigt att bakom kaviteten CA anordna ett elektroniskt symmetriserings- element SY, som tillförsäkrar denna symmetriseringsfunktion.

Det är lämpligt att här observera att de båda trådarna FIl och 10 15 20 25 30 35 510 274 4 FI2, som genomgår kaviteten med absorberande material CA, ej stör utstrålningen från antennen, eftersom denna är eliminerad i den del av rymden som är bakom.

För att särskilt dra nytta av de funktionsegenskaper som ger mycket stor bandbredd för spiralantenner har det föreslagits att gruppera dessa i nätverk. En lösning skulle kunna vara att anordna dessa spiraler sida vid sida, såsom mycket schematiskt visas i fig 3. Emellertid är en dylik lösning ej nöjaktig. av orsaker som nu kommer att beskrivas.

Det är känt att god funktion för ett nätverk vid en given frekvens i hög grad beror av placeringssteglängden för de ele- mentärantenner som bildar nätverket. För en viss våglängd lambda, svarande mot en given funktionsfrekvens, är det nöd- vändigt att periodsteget p för nätverket understiger eller är lika med halva våglängden. Om nämligen steglängden p över- stiger halva detta värde, kan strålningsdiagrammet för nätver- ket uppvisa en parasitlob eller “nätverkslob“, som är förskju- ten i förhållande till den nyttiga huvudloben för nätverket och stör dennas funktion. steglängden p i ett dylikt nätverk är minimal. då spiralerna ligger intill varandra, så att deras ytterdiameter D är vä- sentligen lika med steglängden p. Vid den låga funktions- frekvensen Fl, svarande mot våglängden lambdal antar steg- längden p för övrigt samma som diametern D genom tillämpning av det ovan angivna uttrycket, värdet (lambdal/pi). Man får då vid denna frekvens icke något problem med funktionen, eftersom steglängden p understiger (lambdal/2).

Om man emellertid vill låta detta nätverk fungera i ett mycket brett frekvensband, som går upp till en hög funktionsfrekvens F2, exempelvis lika med 4 ggr den låga funktionsfrekvensen Fl. ser man att steget p då blir lika med produkten av våglängden lambda2. svarande mot frekvensen F2 och en faktor, som är lika med 4/pi. Funktionssättet för nätverket blir då förändrat vid frekvensen F2 genom närvaron av en nätverkslob, eftersom ste- get p överstiger lambda2 och alltså nödvändigtvis (lambdaz/2). 10 15 20 25 30 35 5 510 274 Uppfinningen ger en lösning åt detta problem.

Sökanden har faktiskt kunnat observera att i en antennanord- ning, omfattande ett flertal strålande element (minst två) där vart och ett av dem har en zon anordnad i spiral, så är det lämpligt att åtminstone den ena av dem har en förlängning av ledarna i dess spiral, som har annorlunda geometriska egen- skaper än själva spiralen.

Utgående från denna mycket allmänna iakttagelse har sökanden tillämpat uppfinningen i ett särskilt utföringsexempel, visat i fig 4.

I denna figur och för enkelhets skull har blott visats de geo- metriska konfigurationerna för ledarna i de olika spíralerna, i det att ett par anslutningar för elektriska högfrekvenssig- naler givetvis är anordnat för vart och ett av de strålande elementen i nätverket.

Eftersom detta nätverk skall fungera fr o m en låg frekvens Fl, är längden för de båda ledarna i varje strålande element i nätverket, vilken längd är identisk för samtliga strålande element, bestämd för att en elementär spiralantenn, bildad av dessa båda ledare har en ytterdiameter D, som möjliggör funk- tion vid denna låga frekvens Fl.

Eftersom nätverket skall kunna fungera i ett mycket brett frekvensband, upp till en hög frekvens F2, exempelvis fyra ggr så stor som den låga frekvensen. väljer man en steglängd i nätverket p2, som i allmänhet är mindre än och företrädesvis lika med hälften av värdet på våglängden lambda2. De båda le- darna i varje strålande element i nätverket är då rullade vid varandra för att bilda en zon. utbildad i spiral och med en ytterdiameter D2, som är väsentligen lika med steglängden p2.

Alla dessa i spiral formade zoner SPI-SP7 ligger då på linje sida vid sida på substratet för att bilda en rad. 10 15 20 25 30 35 510 274 3 överskottslängden för ledarna Bli och B2i i ett strålande ele- ment är då anordnat på den fria ytan till substratet och bil- dar en förlängning PBli och PB2i med geometriska egenskaper som skiljer sig från dem för motsvarande spiral SPi.

I detta exempel lämnar sålunda de båda ledarna PBli och PB2i i förlängningen till spiralen SPi denna vid punkter, som är dia- metralt motsatta. samt cirkulerar kring alla zonerna SPI-SP7 till de strålande elementen i samma riktning som spiralernas riktning. Med andra ord cirkulerar alla ledarna i samtliga förlängníngar, lagda vid varandra, för att bilda en ytterkrans som helt omger spiralerna SPl-SP7.

Ett dylikt nätverk fungerar då riktigt vid högfrekvensen F2, eftersom steglängden bestämts på motsvarande sätt. Det funge- rar även riktigt vid alla de andra frekvenserna. ned till låg- frekvensen Fl, ty steglängden p2. beräknad för den högre frek- vensen F2, är med nödvändighet mindre än hälften av värdet på våglängden lambdal, svarande mot denna låga funktionsfrekvens.

Det är även lämpligt att lägga märke till att bidraget till strålningen från denna antennanordning väsentligen levereras av spiralerna SPi. såvitt avser den höga funktionsfrekvensen, under det att den yttre kransen CP väsentligen bidrar för den låga funktionsfrekvensen.

Emellertid kan det vara fördelaktigt att linjerna i denna ytterkrans CP är partiellt eller helt täckta av ett hyper- frekvens-förlustmateial, såsom sådana material som är fyllda med ferrit. I detta fall bidrar linjerna i denna krans ej di- rekt till strålningen vid bandets nedre del, eftersom de däm- par den elektromagnetiska vågen utefter hela längden av dess väg utefter dessa linjer. Däremot möjliggör dessa linjer en väsentlig förbättring av egenskaperna i den nedre delen av bandet, i det att man i mycket stor omfattning undviker ut- bredningen av den elektromagnetiska vågens återgång i spira- len, vilken utbredning alstras genom den elektromagnetiska vå- gens reflexion vid ledaränden. 10 15 20 v 510 274 Man kan också styra denna strålning vid nederdelen av bandet genom lämplig placering av förlustmaterialet, och man kan läg- ga märke till att hur som helst denna lågfrekventa strålning alstras även i liten omfattning vid spiralerna SPí, och detta praktiskt taget utan störning.

Uppfinningen är ej begränsad till det ovan beskrivna utfö- ringsexemplet, utan omfattar alla varianter som är innefattade inom ramen för nedanstående patentkrav.

Sålunda kan förlängningen av ledarna vara placerad i samma plan som dessa eller också utanför detta plan. Likaså kan, i det ena eller det andra av dessa fall, denna förlängning cir- kulera eller icke cirkulera runt de nämnda spiralerna.

Ovan har beskrivits spiraler, som alla i sitt plan har samma vinkelkonfiguration. Fackmannen vet att det är möjligt att låta fasen variera för en spiralantenn genom att påverka denna vinkelkonfiguration. Detta övervägande kan tillämpas på före- liggande uppfinning.

Givetvis kan vissa av de ovan beskrivna medlen underlåtas i varianter, där de ej tjänar något ändamål.

Claims (12)

10 15 20 25 30 35 510 274 e Patentkrav

1. Antennanordning, k ä n n e t e c k n a d av att den om- fattar, på en bärare (SU). minst två strålande element och ett par anslutningar för elektriska högfrekvenssignaler för vart och ett av dessa element, och av att vart och ett av dessa bå- da element omfattar en zon, anordnad i spiral (SPi), där åt- minstone ett av dem har en förlängning (PBli. PB2i) av dess spirals ledare, som har geometriska egenskaper skilda från den nämnda spiralens.

2. Anordning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att varje element har en förlängning av ledarna i dess spiral, vilka har annorlunda geometriska egenskaper än spiralens.

3. Anordning enligt något av krav l eller 2, k ä n n e - t e c k n a d av att spiralernas steglängdavstånd (P2) är vä- sentligt understigande eller lika med hälften av den våglängd som svarar mot anordningens högre funktionsfrekvens.

4. Anordning enligt något av krav 1-3. k ä n n e t e c k - n a d av att de nämnda spiralernas resp ytterdiametrar (D2) är väsentligen líkstora. av att

5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d stegavstândet är väsentligen likstort med spiralernas ytter- diameter.

6. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a d av att den nämnda förlängningen cirkulerar kring zoner utformade i spiral till de strålande elementen i samma riktning som riktningen för dessa spiraler, och de båda ledarna i denna förlängning tillsammans bildar en omgivande krans (CP).

7. Anordning enligt krav 4 och 6 i kombination, k ä n n e - t e c k n a d av att samtliga ledare i samtliga förlängningar cirkulerar varandra intilliggande för att bilda den nämnda om- kretskransen som helt omger spiralerna. 10 15 20 s 510 274

8. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a d av att den omfattar ett flertal strålande ele- ment, vars spíralformade zoner bildar en rad.

9. Anordning enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d av att samtliga strålande elements spiraler i raden har samma vin- kelkonfiguration.

10. Anordning enligt något av krav 6-9, k ä n n e t e c k - n a d av att de båda ledarna i en spirals förlängning lämnar spíralen vid punkter som är diametralt motsatta i spíralen.

11. ll. Anordning enligt något av krav 1-10, k ä n n e t e c k - n a d av att längden för samtliga ledare i samtliga strålande element är väsentligen lika stor och bestämd som funktion av anordningens lägre funktionsfrekvens.

12. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a d av att minst en ledarförlängníng är täckt åt- minstone delvis med ett material som uppvisar hyperfrekvens- förluster.