SE511154C2 - Kvadrifilär spiralantenn för dubbla frekvenser - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 511 154 För mobila satellitkommunikationssystem krävs antenner med dubbelfrekvens och med cirkulär polarisation för användning vid handbuma terminaler. Dessa antenner är utforrnade för att operera på L- eller S-banden med en täckning över en kon som har en halvvinkel från 40° upp till 90° beroende på systemet.

Ett ändamål med uppfinningen är att föra fram en ny form av en kompakt kvadri- filär spiralantenn med dubbelfrekvens som har potential att medge masstillverkning till låga kostnader. Ett ytterligare ändamål är att föra fram en typ av en kvadrifilär spiralantenn med dubbelfrekvens som gör en enkel mekanisk utformning möjlig och användbar för rymdapplikationer.

ALLMÄN BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Den föreliggande uppfinningen är en mekaniskt enkel dubbelfrekvens (eller bred- bands) kvadriñlär spiralantenn. Den innefattar fyra spiralformade strålande element, där varje spiralelement består av två eller fler parallella spiraler med olika längder som står i galvanisk kontakt vid, eller nära, matningspunkten. Spiralelementens fyra matningspunkter är placerade vid änden av spiralen och pekar i en riktning som är motsatt riktningen för dess huvudstrålning.

Den föreliggande uppfinningen inkluderar också ett utförande av en kompakt kvad- riñlär spiralantenn med dubbelfrekvens (eller bredbandad) med ett integrerat mat- ningsnätverk (nätverk för kraftförsöijning). I detta fall är de fyra matningspunktema hos spiralantennen anslutna via små anpassningssektioner till ett fördelat seriellt matningsnätverk bestående av transmissionslinjer som sörjer för faskvadratur- matningen av de fyra spiralelementen, vilket leder till en enda inmatningspunkt för hela antennmontaget. Anpassningssektionerna och det seriella matningsnätverket realiseras företrädesvis medelst ”stripline”- eller ”microstrip”-teknik.

Genom att introducera en kvadrifilär spiralantenn av den föreslagna modellen blir den som exempel en attraktiv kandidat för användning i mobila kommunikations- system, men det krävs en ”kompakt kvadrifilär dubbelfrekvens spiralantenn”- 10 15 20 25 30 35 511 154 utformning med ett integrerat matningsnät som är enkelt sett ur tillverkningssynpunkt.

Vidare är en dualfrekvensutformning vid mobila satellitkommunikationssystem mycket attraktivt eftersom det är enkelt ur tillverkningssynpunkt. Vanligen innebär en enkel mekanisk design ett säkert utförande för rymdtillätnpningar.

Kvadrifilära spiralantenner kan också användas i applikationer som sändnings- och/eller mottagningsantenner ombord på satelliter.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Figur 1 visar i en sidvy en konventionell cylindrisk kvadrifilär spiralantenn.

Figur 2 visar i en perspektivvy en dualfrekvens kvadrifilär spiralantenn, matnings- nätet uteslutet, i enlighet med en aspekt av den föreliggande uppfinningen.

Figur 3 är ett Smithdiagram som visar den aktiva ingångsimpedansen hos en konventionell cylindrisk kvadrifilär spiralantenn.

Figur 4 är ett Smithdiagram som visar den aktiva ingångsimpedansen hos en kvadriñlär spiralantenn i enlighet med läran enligt den föreliggande uppfinningen.

Figur 5 är ett blockdiagrarn som visar ett hybridmatningsnätverk med fyra utgångs- portar som matar en dualfrekvens kvadrifilär spiralantenn i faskvadratur via fyra anpassningssektioner som uppenbarar en enda inmatningspunkt för hela antenn- montaget med de övriga hybridportarna avslutade med resistiva laster.

Figur 6 är en schematisk vy över ett distribuerat seriematningsnät som består av transmissionslinjer med fyra utgångsportar och en ingångsport och som lämnar fyra utgångssignaler med lika amplitud och med ett relativt fasförhållande på 0°, 90°, 180° och 270° vid matning av ingångsanslutningen. 10 15 20 25 30 35 511 154 Figur 7 visar en vy av en delsektion av en dualfrekvens kvadrifilär spiralantenn med ett integrerat matningsnät i enlighet med vad den föreliggande uppfinningen lär.

Figur 8 är en planvy över ett substrat som innehåller ett tryckt mönster av fyra dubbelavstärnda spiralelement, fyra anpassningssektioner och ett fördelat seriematningsnät enligt vad den föreliggande uppfinningen beskriver.

UTFÖRANDEN Figur 1 är en sidvy av en cylindrisk kvadrifilär spiralantenn byggd enligt konven- tionella läror i känd teknik. De fyra spiralema kan matas i faskvadratur, dvs med samma amplituder och med fasrelationen O°, 9()°, 180° och 270°, antingen vid botten eller vid toppen av den kvadrifilära spiralen. Var spiralema matas och hur faskvadraturmatning åstadkoms visas ej i figuren.

Figur 3 visar ett Smithdiagram över en typisk ingångsimpedans som funktion av frekvensen för en konventionell cylindrisk kvadrifilär spiralantenn. Om man antar att antennen ska operera vid två separata frekvensband, där ett frekvensband ligger mellan märkena 1 och 2 och det andra mellan märkena 3 och 4 i figur 3, följer att den aktiva impedansen är mycket olika mellan de två frekvensbanden. Detta gör det extremt svårt att uppnå en god och enkel impedansanpassning mellan kvadraturspiralantennen och dess matningsnät.

Figur 2 visar i ett perspektiv en vy över en dualfrekvens kvadrifilär spiralantenn 1, ett matningsnät för matning av den icke visade antennen i enlighet med läran enligt den föreliggande uppfinningen. Antennen består av fyra spiralformade strålande element 2 - 5 där, i kontrast mot den konventionella kvadriñlära spiralantennen, varje spiralelement består av två parallella olika långa spiraler 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, Sa, 5b som står i galvanisk kontakt nära dess matningspunkt. De fyra matnings- punktema 2c - 5c hos spiralelementen 2 - 5 är belägna vid botten 6 hos spiralen, vilket innebär att mätningen av spiralelementen 2 - 5 är belägna vid änden av spiralen som pekar i riktningen motsatt riktningen för antennens huvudstrålning. 10 15 20 25 30 35 511 154 Genom att förlägga matningspunktema 2 - 5 vid botten 6 av spiralen blir det möjligt att utföra antennen med en enkel mekanisk design, där ett matningsnät lätt kan läggas till nedanför de strålande spiraldelama. De fyra spiralelementen 2 - 5 i figur 2 är öppna, dvs står ej i kontakt med varandra vid toppen av spiralen, men ett altemativ är att ha dem kortslutna. Emellertid är det så att öppna spiralelement gör utförandet enklare ur tillverkningssynpunkt.

Figur 4 visar ett Srnithdiagram med en typisk aktiv ingångsimpedans som funktion av frekvensen för en kvadrifllär spiralantenn enligt en aspekt av den föreliggande uppfinningen. Effekten av att låta varje spiralelement 2 - 5 utgöras av två parallella spiraler 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b med olika längder och i galvanisk kontakt med varandra nära dess matningspunkter 2c - 5c är att vi nu kan låta den aktiva ingångs- impedansen vara huvudsakligen densamma för två separata frekvensband, ett frekvensband ligger mellan märkena A1 och A2 och det andra mellan märkena A3 och A4 såsom visas i figur 4. Detta möjliggör en betydligt enklare design för att åstadkomma impedansanpassning mellan den kvadrifilära spiralantennen 1 och dess matningsnät 12.

Figur 5 visar ett blockdiagrarn över ett hybridmatningsnät 8 med fyra utgångsportar 9a - 9d som matar en en dualfrekvens kvadriñlär spiralantenn 1 i faskvadratur via fyra anpassnin gs- sektioner l la - lld, vilket ger en enda ingångsmatningspunkt 10 för hela antennmontaget med de andra hybridportama avslutade med resistiva laster. De fyra anpassningssektionema kan uteslutas eller ersättas med transmissionsledningar om så är lämpligt. Hybridmatningsnätet 8 kan realiseras medelst ”stripline”-teknik eller med ”rnicrostrip” -teknik eller båda dessa i kombination. Matningsnätet 8 och anpassningssektionema 1la - lld kan placeras i en separat låda belägen till exempel under den kvadrifilära spiralen.

Figur 6 visar schematiskt en vy över ett fördelat seriematningsnät 12 som består av transmis- sonsledningar l3a - l3d med fyra utgångsportar l4a - l4d och en ingångsport 15, vilket ger fyra utgångssignaler med samma amplitud och med ett relativt fasförhållande 0°, 90°, 180°, 270° vid matning av ingångsporten 15. I figuren svarar L mot längden av transmissionsled- ningarna l3a - 13d i våglängder. RA är ingångimpedansen från en spiral och Z är den karak- teristiska impedansen hos transmissionsledningama l3a - 13d. 10 15 20 25 30 511 154 Figur 7 visar en paniell sektionsvy över en dualfrekvens kvadriñlär spiralantenn 1 med ett integrerat matningsnät 12 enligt den föreliggande uppfinningen. I antennutförandet enligt figur 7 är de fyra matningspunktema 2c - 5c hos spiralelementen 2 - 5 anslutna via små anpass- ningssektioner 16 till ett fördelat seriematningsnät 12 bestående av transmissionsledningar.

Anpassningssektionema 16 och seriematningsnätet 12 realiseras i ”stripline”- teknik.

Beroende på det dubbelavstärnda utförandet erhålls anpassningen mellan matningsnätet 12 och den strålande kvadriñlära spiralantennen 1 enkelt för båda frekvensbanden genom användning av anpassningssektionema 16. Det fördelade seriematningsnätet 12 är av den typ som schematiskt är visat i figur 6.

En fördel med antennen visad i figur 7 är att den är mekaniskt enkel och innehåller få delar.

Som ett exempel kan de fyra dubbelavstämda spiralelementen 2 - 5, de fyra anpassnings- ektionema 16 och det fördelade seriematningsnätet 12 tryckas eller etsas på ett enda dielektriskt rör.

Figur 8 visar i en planvy ett dielektriskt substrat 17 som innehåller ett tryckt eller etsat mönster inkluderande de fyra dubbelavstämda spiralelementen 2 - 5, anpassningssektionema 16 och det fördelade seriematningsnätet 12. Egentligen kan den kompletta antennmodellen erhållas genom att man rullar det dielektriska substratet 17 till ett rör. Anpassningssektionerna 16 och matningsnätet 12 täcks därefter med ett inre dielektrikum 18, ett inre jordplan 19, ett yttre dielektrikum 20 och slutligen ett yttre jordplan 21 i den beskrivna ordningen.

Claims (11)

1. 5 10 15 20 25 30 35 511 154

2. PATENTKRAV

3. En antennanordning innefattande spiralformade element (2 - 5) symmetriskt fördelade längs en axel, kännetecknad av att varje spiralelement (2 - 5) innefattar åtminstone två parallella spiraler (2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, Sa, 5b) med olika längder och galvaniskt anslutna nära en matningspunkt (2c - 5c) hos varje spiralelement (2 - 5), med sagda matningspunkt nära ändan av spiralema (2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, Sa, 5b) mittemot den huvudstrålande ändan av spiralema.

4. Antennanordning enligt patentkrav 1, kännetecknad av att de spiralformade elementen (2 - 5) är etsade på ett cylindriskt eller koniskt skal (17).

5. Antennanordning enligt patentkrav 1, kännetecknad av att spiralelementen (2 - 5) är tryckta på ett cylindriskt eller koniskt skal ( 17).

6. Antennanordning enligt patentkrav 1, kännetecknad av att spiralelementen (2 - 5) är öppna, dvs ej i kontakt med varandra, vid den ända av spiralema som är mittemot den matade ändan.

7. Antennanordning enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att antalet spiralelement (2 - 5) är fyra, därigenom bildande en kvadrifilär spiralantenn.

8. Antennanordning enligt patentkrav 5, kännetecknad av att matningen av spiralelementen (2 - 5) åstadkoms genom anslutning av mamingspunktema (2c - 5c) hos spiralelementen via små anpassningssektioner (16) eller transmíssionsledningar till ett fördelat seriematningsnät ( 12) innefattande transmíssionsledningar vilka tjänar som en faskvadraturrnatning av de fyra spiralelementen (2 - 5) och sålunda skapar en enda ingångsmatningspunkt (15) för hela antennanordningen.

9. Antennanordning enligt patentkrav 5, kännetecknad av att matningen av spiralelementen (2 - 5) åstadkoms genom anslutning av matningspunkterna (2c - 5c) hos spiralelementen via små anpassningssektioner (1 la - lld) eller transmíssionsledningar till ett hybridmatningsnät (8) vilket tjänar som faskvadraturmatning av de fyra spiralelementen 10 15 20

10.

11. ll. 511 154 (2 - 5) och sålunda ger den kompletta antennanordningen en enda ingångsmatningspunkt (10 ) med övriga hybridportar avslutade med resistiva laster Antennanordning enligt patentkrav 6 eller 7, kännetecknad av att spiralelementen (2 - 5), anpassningssektionema (16) och matningsnätet (8, 12) är etsade på samma dielektriska skal (17) Antennanordning enligt patentkrav 6 eller 7, kärmetecknad av att spiralelementen (2 - 5), anpassningssektionerna (16) och matningsnätet (8, 12) är tryckta på samma dielektriska skal (17) Antennanordning enligt patentkrav 6 eller 7, kännetecknad av att matningsnätet (8, 12) är realiserat medelst stripline-teknik eller microstrip-teknik. Antennanordning enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att antennanordningen används som en dualfrekvens kvadrifilär spiralantenn eller som en bredbandig kvadriñlär spiralantenn.