DE69716851T2

DE69716851T2 - Wendelantenne mit gekoppelten vielfach-segmenten

Info

Publication number: DE69716851T2
Application number: DE69716851T
Authority: DE
Inventors: Daniel Filipovic; Ali Tassoudji
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 1996-04-30
Filing date: 1997-04-28
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2017-04-29
Also published as: CA2225954C; US5990847A; ATE227472T1; HK1010965A1; WO1997041695A2; JPH11509076A; CN1110106C; TW350156B; MX9800171A; BR9702289A; CA2225954A1; RU2222077C2; KR19990028387A; WO1997041695A3; AU3956997A; KR100696158B1; CN1216165A; AU737996B2; EP0836754A2; EP0836754B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

I. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf helische bzw. auf spiralförmige Antennen (helical antennas) und, genauer, auf eine spiralförmige Antenne mit gekoppelten Strahlersegmenten.

II. Gebiet der Erfindung

Moderne, Personenkommunikationsgeräte werden weitgehend in vielen mobilen und tragbaren Anwendungen benutzt. Bei traditionellen, mobilen Anwendungen hat der Wunsch die Größe des Kommunikationsgeräts zu minimieren - zum Beispiel bei einem Mobiltelefon - zu mäßigen Verkleinerungen geführt. Während jedoch die Popularität der tragbaren, handgehaltenen Anwendungen wächst, nimmt auch die Nachfrage nach immer kleineren Geräten drastisch zu. Jüngste Entwicklungen in den Prozessor-, Batterie- und Kommunikationstechnologien haben es ermöglicht, dass in den letzten Jahren die Größe und das Gewicht des tragbaren Geräts drastisch verkleinert werden konnte.
Ein Bereich in dem Verkleinerungen gewünscht sind, ist die Antenne des Geräts. Die Größe und das Gewicht der Antenne spielt eine wichtige Rolle in der Verkleinerung des Kommunikationsgeräts. Die Gesamtgröße der Antenne kann sich auf die Größe des Gerätkörpers auswirken. Antennen mit kleinerem Durchmesser und kürzeren Längen ermöglichen kleinere Gesamtgerätgrößen sowie kleinere Körpergrößen.
Die Größe des Geräts ist nicht der einzige Faktor, der beim Entwurf einer Antenne für tragbare Anwendungen berücksichtigt werden muss. Ein zusätzlicher Faktor, der beim Entwurf von Antennen berücksichtigt werden muss, sind die Dämpfungs- und/oder Blockierungseffekte, die auf Grund der Nähe des Kopfes des Benutzers zur Antenne während des normalen Betriebes resultieren. Ein weiterer Faktor sind die Charakteristiken der Kommunikationsverbindung, wie zum Beispiel, gewünschte Strahlungsmuster und die Betriebsfrequenzen.
Eine Antenne, die in Satellitkommunikationssystemen weitverbreitet ist, ist die spiralförmige Antenne. Ein Grund für die Popularität der spiralförmigen Antenne in Satellitkommunikationssystemen ist ihre Fähigkeit, eine kreispolarisierte Strahlung, die in solchen Systemen angewendet werden, zu erzeugen und zu empfangen. Zusätzlich, weil die spiralförmige Antenne fähig ist, ein Strahlungsmuster zu erzeugen, das fast hemisphärisch ist, ist die spiralförmige Antenne für Anwendungen in Mobilsatellitkommunikationssystemen und in Satellitnavigationssystemem besonders gut geeignet.
Herkömmliche, spiralförmige Antennen werden hergestellt, in dem die Strahler der Antenne in eine spiralförmige Struktur verdreht werden. Eine gewöhnliche spiralförmige Antenne ist eine quadrifilare, spiralförmige Antenne, die vier Strahler benutzt, die gleichmäßig um einen Kern beabstandet sind und in Phasenquadratur erregt werden (d. h. die Strahler werden durch Signale erregt, die sich in der Phase um ein Viertel einer Periode oder 90º unterscheiden). Die Länge der Strahler ist typischerweise ein ganzzahliges Vielfaches einer Viertelwellenlänge der Betriebsfrequenz des Kommunikationsgeräts. Die Strahlungsmuster werden typischerweise eingestellt, in dem der Pitch bzw. die Neigung des Strahlers, die Länge des Strahlers (in ganzzahligen Vielfachen einer Viertelwellenlänge) und der Durchmesser des Kerns variiert wird.
Herkömmliche, spiralförmige Antennen können mittels Draht- oder Streifen- bzw. Striptechnologie hergestellt werden. Bei Streifentechnologie werden die Strahler der Antennen auf ein dünnes, flexibles Substrat geätzt oder abgelagert. Die Strahler werden so positioniert, dass sie parallel zueinander sind, aber in einem stumpfen Winkel zu einer oder mehreren Kanten des Substrats sind. Das Substrat wird dann in eine zylindrische, konische oder eine andere geeignete Form geformt, oder gerollt, mit dem Resultat, dass aus den Streifenstrahlern eine Helix entsteht.
Jedoch hat auch diese konventionelle, spiralförmige Antenne die Charakteristik, dass die Strahlerlängen ein ganzzahliges Vielfaches einer Viertelwellenlänge der gewünschten Resonanzfrequenz sind, mit dem Resultat, dass die Gesamtantennenlänge bei manchen tragbaren oder mobilen Anwendungen länger ist als gewünscht.
Die WO 97/11507 offenbart eine dualband, octafilare Helixantenne, die auf zwei Frequenzen operativ ist, während sie eine relativ kleine Verpackungsgröße beibehält. Die dualband, octafilare Antenne wird hergestellt, in dem Strahler und ein Einspeisenetzwerk auf ein flexibles Substrat abgelagert werden und dieses Substrat in eine zylindrische Form geformt wird, um die spiralförmige Konfiguration zu erzielen. Die dualband, octafilare Helixantenne enthält vier aktive Strahler, die auf einer ersten Frequenz angepasst und auf einem Strahlerteil des flexiblen Substrats abgelagert werden. Vier weitere Strahler, die entweder passive oder aktive Strahler sein können, werden auf einer zweiten Frequenz angepasst, auch auf dem Strahlerteil des Substrats abgelagert und mit den aktiven Strahlern verschachtelt. Mindestens ein Einspeisenetzwerk ist auf einem Einspeiseteil des Substrats vorgesehen, der die anderen aktiven Strahler mit 0 DEG, 90 DEG, 180 DEG und 270 DEG Signalen beliefert. Die Sätze von Strahlern und den zugehörigen Einspeisenetzwerken können auf gegenüberliegenden Seiten eines einzelnen Substrats oder auf voneinander beabstandeten Schichten in einem Trägersubstratdesign mit mehreren Schichten geformt werden.
Die US 4138030 offenbart eine Vielzahl von koaxial gewickelten, unabgestimmten, spiralförmigen Antennen, die einen Pitch bzw. Neigung haben, der eine Funktion von Verschiebung entlang der Achse der Antenne ist. Die unabgestimmte Antennen können von Signalen erregt werden, die eine ausgewählte Phasenverschiebung zwischen sich haben. Die Erregung bewirkt ein additives Kombinieren der elektromagnetischen Wellen, die von den unabgestimmten Antennen ausgestrahlt werden. Die spiralförmigen Antennen können so abgestimmt werden, dass sie die Wellen in jeweiligen Frequenzbändern ausstrahlen und liefern somit gleichzeitig Filterungs- und Strahlungscharakteristiken, die die abgestimmten Antennen für Frequenzduplexing geeignet machen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung sieht eine spiralförmige Antenne vor, wie sie in den beigefügten Ansprüchen beschrieben ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine spiralförmige Antenne, die einen oder mehrere spiralförmig gewickelte Strahler hat. Die Strahler sind so gewickelt, dass die Antenne eine zylindrische, konische oder eine andere geeignete Form hat, um die Strahlungsmuster zu optimieren. Erfindungsgemäß besteht jeder Strahler aus einem Satz von zwei oder mehreren Strahlersegmenten. Jedes Segment in dem Satz ist physikalisch getrennt von, aber elektromagnetisch gekoppelt an das/die andere(n) Segment(e) in dem Satz. Die Länge der Segmente in dem Satz wird so gewählt, dass der Satz (d. h. der Strahler) bei einer bestimmten Frequenz in Resonanz schwingt. Weil die Segmente in einem Satz physikalisch getrennt aber elektromagnetisch aneinander gekoppelt sind, kann die Länge, bei der der Strahler für eine gegebene Frequenz in Resonanz schwingt, kürzer als die eines herkömmlichen, spiralförmigen Antennenstrahlers gemacht werden.
Deshalb liegt ein Vorteil der Erfindung darin, dass für eine vorgegebene Betriebsfrequenz, der Strahlerteil der spiralförmigen Antenne mit gekoppelten Multisegmenten bei einer kürzeren Gesamtstrahlerlänge und/oder in einem kleineren Volumen im Vergleich zu einer herkömmlichen, spiralförmigen Antenne mit derselber effektiven Resonanzlänge zur Resonanzschwingung gebracht werden kann.
Ein weiterer Vorteil der spiralförmigen Antenne mit gekoppelten Multisegmenten ist es, dass sie einfach bei einer gegebenen Frequenz abgestimmt werden kann, in dem die Länge der Strahlersegmente eingestellt oder getrimmt werden. Weil die Strahler keine einzelne zusammenhängende Länge haben, sondern aus einem Satz von zwei oder mehreren überlappenden Segmenten bestehen, kann die Länge der Segmente nach Herstellung der Antenne einfach modifiziert werden, so dass die Frequenz der Antenne durch Trimmen der Strahler richtig abgestimmt werden kann, Zusätzlich bleibt das Gesamtstrahlungsmuster der Antenne im Grunde von der Abstimmung unverändert, da die gesamte physikalische Länge des Strahlerteils der Antenne durch das Trimmen unverändert bleibt.
Noch ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ihre Richtungscharakteristiken so eingestellt werden können, dass die Signalstärke in eine bevorzugte Richtung, zum Beispiel entlang der Achse der Antenne, maximiert werden kann. Insofern können für bestimmte Anwendungen, wie zum Beispiel bei Satellitkommunikationen, die Richtungscharakteristiken der Antenne optimiert werden, um die Signalstärke in die Aufwärtsrichtung zu maximieren, und zwar vom Boden weg.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, sowie die Struktur und der Betrieb der verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unten im Detail beschrieben, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegende Erfindung werden aus der unten dargestellten, detaillierten Beschreibung noch offensichtlicher, wenn diese in Verbindung mit den Zeichnungen gesehen wird, wobei gleiche Bezugszeichen durchweg das Selbe bezeichnen, und wobei die linkeste(n) Ziffer(n) eines Bezugszeichen die Zeichnung, in der das Bezugszeichen zuerst erscheint, identifiziert, wobei die Zeichnungen folgendes zeigen:
Fig. 1A ist ein Diagramm, das eine herkömmliche, quadrifilare, spiralförmige Draht-Antenne abbildet;
Fig. 1B ist ein Diagramm, das eine herkömmliche, quadrifilare, spiralförmige Streifen- bzw. Bandantenne abbildet;
Fig. 2A ist ein Diagramm, das eine Planardarstellung einer quadrifilaren, spiralförmigen Antenne mit offenem Ende abbildet;
Fig. 2B ist ein Diagramm, das eine Planardarstellung einer quadrifilaren, spiralförmigen Antenne mit einem kurzgeschlossenen Ende abbildet;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Stromverteilung auf einem Strahler der kurzgeschlossenen, quadrifilaren, spiralförmigen Antenne abbildet;
Fig. 4 ist ein Diagramm, das eine entfernte Oberfläche eines geätzten Substrats einer spiralförmigen Streifen-Antenne abbildet;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das eine nahe Oberfläche eines geätzten Substrats einer spiralförmigen Streifen-Antenne abbildet;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das eine perspektivische Ansicht eines geätzten Substrats einer spiralförmigen Streifen-Antenne abbildet;
Fig. 7A ist ein Diagramm, das einen offenen Strahler mit gekoppelten Multisegmenten abbildet, der fünf gekoppelte Segmente hat, und zwar gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 7B ist ein Diagramm, das ein paar von kurzgeschlossenen Strahlern mit gekoppelten Multisegmenten, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung abbildet;
Fig. 8A ist ein Diagramm, das eine Planardarstellung einer kurzgeschlossenen, quadrifilaren, spiralförmigen Antenne mit gekoppelten Multisegmenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung abbildet;
Fig. 8B ist ein Diagramm, das eine quadrifilare, spiralförmige Antenne mit gekoppelten Multisegmenten, die in eine zylindrische Form geformt ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung abbildet;
Fig. 9A ist ein Diagramm, das die Überlappung δ und Beabstandung s der Strahlersegmente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung abbildet;
Fig. 9B ist ein Diagramm, das Beispielstromverteilungen auf Strahlersegmenten der spiralförmigen Antenne mit gekoppelten Multisegmenten abbildet;
Fig. 10A ist ein Diagramm, das zwei Punktquellen abbildet, die Signale ausstrahlen, die sich in einer Phase von 90º unterscheiden;
Fig. 10B ist ein Diagramm, das Feldstärkenmuster für die Punktquellen, die in Fig. 10A abgebildet wurden, abbildet;
Fig. 11 ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel, bei dem jedes Segment äquidistant zu Segmenten auf beiden Seiten angeordnet ist, abbildet;
Fig. 12 ist ein Diagramm, das eine Beispielimplementierung einer Antenne mit gekoppelten Multisegmenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung abbildet;
Fig. 13 ist ein Diagramm, das ein Vergleich zwischen Strahlerteilen einer herkömmlichen, quadrifilaren, spiralförmigen Antenne und einer quadrifilaren spiralförmigen Antenne mit gekoppelten Multisegmenten abbildet;
Fig. 14A ist ein Diagramm, das ein Strahlungsmuster einer Beispielimplementierung einer quadrifilaren, spiralförmigen Antenne mit gekoppelten Multisegmenten, die in dem L-Band operiert, abbildet; und
Fig. 14B ist ein Diagramm, das ein Strahlungsmuster einer Beispielimplementierung einer quadrifilaren, spiralförmigen Antenne mit gekoppelten Multisegmenten, die in dem S-Band operiert, abbildet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHIRUNGSBEISPIELE

1. Überblick und Diskussion der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine spiralförmige Antenne, die Strahler mit gekoppelten Multisegmenten hat, um die Länge der Strahler für eine vorgegebene Resonanzfrequenz zu kürzen, wodurch die Gesamtlänge der Antenne reduziert wird. Die Art und Weise, wie dies erreicht wird, wird im Detail unten, gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele, beschrieben.

2. Beispielumgebung

Im weitesten Sinne kann die Erfindung in jedem System implementiert werden, in dem spiralförmige Antennentechnologie eingesetzt werden kann. Ein Beispiel für eine solche Umgebung ist ein Kommunikationssystem, bei dem Benutzer, die stationäre, mobile und/oder tragbare Telefone haben, mit anderen Gesprächspartnern durch eine Satellitkommunikationsverbindung kommunizieren. In dieser Beispielumgebung muss das Telefon eine Antenne haben, die auf einer Frequenz der Satellitkommunikationsverbindung eingestellt bzw. abgestimmt ist.
Die vorliegende Erfindung wird hinsichtlich dieser Beispielumgebung beschrieben. Eine Beschreibung in dieser Hinsicht wird nur aus Bequemlichkeitsgründen vorgesehen. Es wird nicht beabsichtigt, dass die Erfindung auf dieser Anwendung in dieser Beispielumgebung beschränkt ist. Tatsächlich, sollte es nach Durchlesen der nachfolgenden Beschreibung, einer Person, die auf dem Fachgebiet befähigt ist, offensichtlich sein, wie diese Erfindung in alternativen Umgebungen zu implementieren ist.

3. Herkömmliche, spiralförmige Antennen

Vor der detaillierten Beschreibung der Erfindung, ist es nützlich, die Strahlerteile mancher, herkömmlicher, spiralförmiger Antennen zu beschreiben. Insbesondere beschreibt dieser Abschnitt des Dokuments die Strahlerteile herkömmlicher, quadrifilarer, spiralförmiger Antennen. Fig. 1A und 1B sind Diagramme, die jeweils einen Strahlerteil 100 einer herkömmlichen, quadrifilaren, spiralförmigen Antenne in Draht- bzw. in Streifenform (stripform) abbilden. Der Strahlerteil 100, der in Fig. 1A und 1B abgebildet wird, ist der einer quadrifilaren, spiralförmigen Antenne, das bedeutet, dass sie vier Strahler 104 hat, die in Phasenquadratur operieren. Wie in Fig. 1A und 1B dargestellt, werden die Strahler 104 gewickelt, um Kreispolarisierung vorzusehen.
Fig. 2A und 2B sind Diagramme, die Planardarstellungen eines Strahlerteils herkömmlicher, spiralförmiger Antennen abbilden. Das heißt, Fig. 2A und 2B bilden die Strahler so ab, wie sie erscheinen würden, wenn der Antennenzylinder auf einer ebenen Fläche ,abgerollt' würde. Fig. 2A ist ein Diagramm, das eine quadrifilare spiralförmige Antenne abbildet, in der die Strahler an dem entfernten Ende offen oder nicht miteinander verbunden sind. Für eine solche Konfiguration ist die Resonanzlänge 1 der Strahler 208 ein ungerades, ganzzahliges Vielfaches einer Viertelwellenlänge der gewünschten Resonanzfrequenz.
Fig. 2B ist ein Diagramm, das eine quadrifilare, spiralförmige Antenne abbildet, in der die Strahler an dem entfernten Ende kurzgeschlossen, miteinander verbunden oder zusammenverbunden sind. In diesem Fall ist diese Resonanzlänge 1 der Strahler 208 ein ganzzahliges Viefaches einer Halbwellenlänge der gewünschten Resonanzfrequenz. Es ist zu beachten, dass in beiden Fällen, die angegebene Resonanzlänge/ungefähr ist, weil eine kleine Anpassung normalerweise nötig ist, um für nicht-ideale kurzgeschlosaene und offene Enden zu kompensieren.
Figur: 3 ist ein Diagramm, das eine Planardarstellung eines Strahlerteils einer quadrifilaren spiralförmigen Antenne 300 abbildet, die Strahler 208 beinhaltet, die eine Länge von/ = λ/2 haben, wobei λ die Wellenlänge der gewünschten Resonanzfrequenz der Antenne ist. Die Kurve 304 stellt den relativen Betrag des Stroms für ein Signal auf einem Strahler 208 dar, der bei einer Frequenz von f = /λ in Resonanz schwingt, wobei die Geschwindigkeit des Signals im Strahlermedium ist.
Beispielimplementierungen einer quadrifilaren, spiralförmigen Antenne, die mittels Techniken hinsichtlich gedruckter Schaltplatinen (eine Streitenantenne) implementiert werden, werden im größeren Detail mit Bezug auf Fig. 4-6 beschrieben. Die quadrifilare, spiralförmige Streifen-Antenne besteht aus Streifenstrahlern 104, die auf ein dielektisches Substrat 406 geätzt sind. Das Substrat ist ein dünnes, flexibles Material, das in eine Zylinderform gerollt wird, so dass die Strahler 104 spiralförmig um eine Zentralachse des Zylinders gewickelt sind.
Fig. 4-6 bilden die Komponenten, die benutzt werden, um eine quadrifilare, spiralförmige Antenne 100 herzustellen, ab. Fig. 4 und 5 stellen jeweils eine Ansicht auf die entfernte Oberfläche 400 und die nahe Oberfläche 500 des Substrats 406 dar. Die Antenne 100 beinhaltet Strahlerteil 404 und einen Einspeiseteil (feed portion) 408.
In den hierin beschriebenen und abgebildeten Ausführungsbeispielen werden die Antennen so beschrieben, als werden sie hergestellt, in dem das Substrat in eine zylindrische Form geformt wird, wobei die nahe Oberfläche auf der äußeren Oberfläche des geformten Zylinders liegt. In alternativen Ausführungsbeispielen wird das Substrat in die zylindrische Form geformt, wobei die entfernte Oberfläche auf der äußeren Oberfläche des Zylinders liegt.
In einem Ausführungsbeispiel ist das dielektrische Substrat 406 eine dünne, flexible Schicht aus polytetrafluroethalen (PTFE), ein PTFE/Glas Verbundstoff, oder einem anderen dielektrischen Stoff. In einem Ausführung sbeispiel ist das Substrat 406 im Bereich von 0.005 Zoll, oder 0.13 mm dick, obwohl auch andere Dicken ausgewählt werden können. Signal- und Endungs- bzw. Grundspuren werden mittels Kupfer vorgesehen. In alternativen Ausführungsbeispielen können andere stromleitende Materialen statt Kupfer gewählt werden und zwar je nach Kosten, Umweltbetrachtungen und anderen Faktoren.
In dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 5 abgebildet wird, wird das Einspeisenetzwerk 508 auf Einspeiseteil 408 geätzt, um die Quadraturphasensignale (d. h. die 0º, 90º, 180º und 270º Signale) vorzusehen, die an die Strahler 104 (104A-D) geliefert werden. Einspeiseteil 408 der entfernten Oberfläche 400 liefert eine Grundebene 412 für Einspeiseschaltung 508. Signalspuren für Einspeiseschaltung 508 sind auf der nahen Oberfläche 500 des Einspeiseteils 408 geätzt.
Für die Beschreibung wird im folgenden angenommen, dass der Strahlerteil 404 ein erstes Ende 432 benachbart zu dem Einspeiseteil 408 und ein zweites Ende 434 (am gegenüberliegenden Ende des Strahlerteils 404) hat. Je nachdem welches Antennenausführungsbeispiel implementiert wird, können die Strahler 104 in die entfernte Oberfläche 400 des Strahlerteils 404 geätzt werden. Die Länge, mit der die Strahler 104 sich von dem ersten Ende 432 in Richtung des zweiten Endes 434 erstrecken, ist ungefähr ein ganzzahliges Vielfaches einer Viertelwellenlänge der gewünschten Resonanzfrequenz.
In einem solchen Ausführungsbeispiel, bei dem Strahler 104 ein ganzzahliges Vielfaches von λ/2 in der Länge ist, werden die Strahler 104 elektrisch miteinander an dem zweiten Ende 434 verbunden (d. h. kurzgeschlossen). Diese Verbindung kann durch einen Leiter beim zweiten Ende 434 hergestellt werden, der einen Ring 604 um den Umfang der Antenne bildet, wenn das Substrat in einen Zylinder geformt wird. Fig. 6 ist ein Diagramm, das eine perspektivische Ansicht eines geätzten Substrats einer spiralförmigen Streifen- Antenne abbildet, die einen Kurzschlussring 604 an dem zweiten Ende 434 aufweist.
Eine herkömmliche, quadrifilare, spiralförmige Antenne wird in US-A- 5,198,831 an Burrell, ef. al. beschrieben. Die Antenne, die in US-A-5,198,831 beschrieben wird, ist eine gedruckte Schaltungsplatinenantenne, die Antennestrahler hat, die auf ein dielektrisches Substrat geätzt oder, anders, abgelagert sind. Das Substrat wird in einen Zylinder geformt, was in einer spiralförmigen Konfiguration der Strahler resultiert.
Eine weitere herkömmliche, quadrifilare, spiralförmige Antenne wird in US-A- 5,255,005 an Terret et. al. offenbart. Die Antenne, die in US-A-5,255,005 beschrieben wird, ist eine quadrifilare, spiralförmige Antenne, die durch zwei bifilare Helixen (Spiralen) geformt wird, die orthogonal positioniert sind und in Phasenquadratur erregt werden. Die offenbarte Antenne hat auch eine zweite, quadrifilare Helix, die koaxial und elektromagnetisch mit der ersten Helix gekoppelt ist, um das Passband der Antenne zu verbessern.
Noch eine herkömmliche, quadrifilare, spiralförmige Antenne wird in US-A- 5,349,365 von Ow ef al offenbart. Die Antenne, die in US-A-5,349,365 beschrieben wird, ist eine quadrifilare, spiralförmige Antenne, die in Drahtform, wie oben mit Referenz auf Fig. 1A beschrieben, konstruiert wurde.

4. Spiralförmige Antennenausführungsbeispiele mit gekoppelten Multisegmenten

Nachdem soweit die verschiedene Arten von herkömmlichen, spiralförmigen Antennen kurz beschrieben worden sind, wird nun eine spiralförmige Antenne mit gekoppelten Multisegmenten gemäß der Erfindung im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben. Damit die Länge des Strahlerteils 100 der Antenne reduziert wird, benutzt die Erfindung Strahler mit gekoppelten Multisegmenten, die eine Resonanz bei einer gegebenen Frequenz bei kürzeren Längen erlaubt, im Vergleich zu denen, die sonst für eine herkömmliche, spiralförmigen Antenne mit äquivalenter Resonanzlänge benötigt werden.
Fig. 7A und 7B sind Diagramme, die Planardarstellungen von Ausführungsbeispielen von spiralförmigen Antennen mit gekoppelten Segmenten abbilden. Fig. 7A bildet einen Strahler mit gekoppelten Multisegmenten 706 ab, der in einer offenen Schaltung bzw. offenen Kreis (nicht kurzgeschlossen) endet, und zwar gemäß einem einzelfilaren Ausführungsbeispiel. Eine Antenne, die wie diese in einer offenen Schaltung endet, kann in einer einzelfilaren, bifilaren, quadrifilaren oder anderen x-filaren Implementierungen benutzt werden.
Das Ausführungsbeispiel, das in Fig. 7A abgebildet ist, besteht aus einem einzelnen Strahler 706. Strahler 706 besteht aus einem Satz von Strahlersegmenten. Dieser Satz besteht aus zwei Endsegmenten 708, 710 und ρ Zwischensegmenten 712, wobei ρ = 0,1,2, 3.... (der Fall, wo p = 3 ist, ist abgebildet). Zwischensegmente sind optional (d. h. ρ kann gleich Null sein). Endsegmente 708, 710 sind physikalisch voneinander getrennt aber elektromagnetisch miteinander gekoppelt. Zwischensegmente 712 sind zwischen Endsegmenten 708, 710 positioniert und liefern eine elektromagnetische Kopplung zwischen Endsegmenten 708, 710.
In dem Ausführungsbeispiel mit offenen Enden, ist die Länge Is1 des Segments 708 ein ungerades, ganzzahliges Vielfaches einer Viertelwellenlänge der gewünschten Resonanzfrequenz. Die Länge Is2 des Segments 710 ist ein ganzzahliges Vielfaches der Hälfte der Wellenlänge der gewünschten Resonanzfrequenz. Die Länge Ip der jeweiligen p Zwischensegmente 712 ist ein ganzzahliges Vielfaches der Hälfte der Wellenlänge der gewünschten Resonanzfrequenz. In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel gibt es drei Zwischensegmenten 712 (d. h. p = 3).
Fig. 7B bildet Strahler 706 der spiralförmigen Antenne ab, wenn sie in einem Kurzschluss oder Verbinder 722 enden. Diese kurzgeschlossene Implementierung ist nicht für eine einzelfilare Antenne geeignet, aber kann für bifilare, quadrifilare oder andere x-filare Antennen benutzt werden. Wie bei dem Ausführungsbeispiel bestehen die Strahler 706 aus einem Satz von Strahlersegmenten. Dieser Satz besteht aus zwei Endsegmenten 708, 710 und p Zwischensegmenten 712, wobei p = 0,1,2,3.... (der Fall, wo p = 3 ist, ist abgebildet). Zwischensegmente sind optional (d. h. p kann gleich Null sein). Endsegmente 708, 710 sind physikalisch voneinander getrennt aber elektromagnetisch miteinander gekoppelt. Zwischensegmente 712 sind zwischen Endsegmenten 708, 710 positioniert und liefern eine elektromagnetische Kopplung zwischen Endsegmenten 708, 710.
In dem kurzgeschlossenen Ausführungsbeispiel, ist die Länge ISS des Segments 708 ein ganzzahliges Vielfaches einer Viertelwellenlänge der gewünschten Resonanzfrequenz. Die Länge Is2 des Segments 710 ist ein ganzzahliges Vielfaches einer Viertelwellenlänge der gewünschten Resonanzfrequenz. Die Länge Ip der jeweiligen p Zwischensegmente 712 ist ein ganzzahliges Vielfaches der Hälfte der Wellenlänge der gewünschten Resonanzfrequenz. In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel gibt es drei Zwischensegmente 712 (d. h. p = 3).
Fig. 8A und 8B sind Diagramme, die einen Strahlerteil 800 einer quadrifilaren, spiralförmigen Antenne mit gekoppelten Multisegmenten, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, zeigt. Fig. 8A und 8B bilden eine Beispielimplementierung der Antenne ab, die in Fig. 7B abgebildet ist, wobei p gleich Null ist (d. h. es gibt keine Zwischensegmente 712) und die Längen der Segmente 708, 710 eine Viertelwellenlänge sind.
Der Strahlerteil 800, der in Fig. 8A abgebildet ist, ist eine Planardarstellung einer quadrifilaren, spiralförmigen Antenne, die vier gekoppelte Strahler 804 hat. Jeder gekoppelter Strahler 804 in der gekoppelten Antenne, besteht eigentlich aus zwei Strahlersegmenten 708, 710, die in enger Nähe zueinander positioniert sind, so dass die Energie des Strahlersegments 708 an das andere Strahlersegment 710 gekoppelt ist.
Genauer gesagt kann Strahlerteil 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel so beschrieben werden, dass er zwei Abschnitte 820, 824 hat. Abschnitt 820 besteht aus einer Vielzahl von Strahlersegmenten 708, die sich von einem ersten Ende 832 des Strahlerteils 800 aus in Richtung zum zweiten Ende 834 des Strahlerteils 800 erstrecken. Abschnitt 824 besteht aus einer zweiten Vielzahl von Strahlersegmenten 710, die sich von dem zweiten Ende 834 des Strahlerteils 800 hin zum ersten Ende 832 erstrecken. Zum zentralen Bereich des Strahlerteils 800 hin, liegt ein Teil eines jeden Segmentes 708 in enger Nähe zu einem benachbarten Segment 710, so dass die Energie von einem Segment in ein benachbartes Segment in dem Nahbereich gekoppelt ist. Diese relative Nähe wird in diesem Dokument als Überlappung bezeichnet.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, besteht jedes Segment 708, 710 aus einer Länge von ungefähr I&sub1; = I&sub2; = λ/4. Die Gesamtlänge eines einzelnen Strahlers, der aus zwei Segmenten 708, 710 besteht, wird als Itot definiert. Der Betrag mit dem ein Segment 708 ein anderes Segment 710 überlappt, wird als δ = I&sub1; + I&sub2; - Iout definiert.
Für eine Resonanzfrequenz von f = /λ, ist die Gesamtlänge eines Strahlers Itot weniger als die Halbwellenlänge von λ/2. Mit anderen Worten: Als Ergebnis der Kopplung schwingt Strahler, der ein Paar von gekoppelten Segmenten 708, 710 aufweist, bei einer Frequenz f = /λ, obwohl die Gesamtlänge des Strahlers weniger als die Länge von λ/2 ist. Deshalb, ist der Strahlerteil 800 einer halbwellenlängen, quadrifilaren, spiralförmigen Antenne mit gekoppelten Multisegmenten, kürzer als der Strahlerteil einer herkömmlichen, halbwellenlängen, quadrifilaren, spiralförmigen Antenne 800 bei einer gegebenen Frequenz f.
Für eine noch deutlicher Darstellung der Reduzierung in Größe, die gewonnen wird, wenn eine gekoppelte Konfiguration benutzt wird, kann man die Strahlerteile 800, die in Fig. 8 abgebildet sind, mit denen aus Fig. 3 vergleichen. Für eine gegebene Frequenz f = /λ, ist die Länge I des Strahlerteils 300 einer herkömmlichen Antenne λ/2, während die Länge Itot des Strahlerteüs 800 einer Antenne mit gekoppelten Strahlersegmenten < λ/2 ist.
Wie oben erklärt, haben, in einem Ausführungsbeispiel, Segmente 708, 710 eine Länge von I&sub1; + I&sub2; = λ/4. Die Länge eines jeden Segments kann so variiert werden, so dass I&sub1; nicht unbedingt gleich I&sub2; ist und, so dass die Längen nicht gleich λ/4 sind. Die eigentliche Resonanzfrequenz eines jeden Strahlers ist eine Funktion der Länge der Strahlersegmente 708, 710, der Trennungsdistanz s zwischen Strahlersegmenten 708, 710 und dem Betrag, mit dem sich die Segmente 708, 710 überlappen.
Es ist zu beachten, dass eine Änderung der Länge eines Segments 708 mit Bezug auf ein anderes Segment 710, benutzt werden kann, um die Bandbreite der Antenne einzustellen. Zum Beispiel kann das Verlängern von I&sub1;, so dass es ein wenig größer ist als λ/4, und das Verkürzen von 12, so dass es leicht kürzer ist als λ/4, die Bandbreite der Antenne vergrößern.
Fig. 8B bildet die eigentliche, spiralförmige Konfiguration einer quadrifilaren, spiralförmigen Antenne mit gekoppelten Multisegmenten ab, und zwar gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses ist ein Beispiel dafür, wie in einem Ausführungsbeispiel jeder Strahler aus zwei Segmenten 708, 710 besteht. Segment 708 erstreckt sich auf einer spiralförmigen Weise von dem ersten Ende 832 des Strahlerteils, zum zweiten Ende 834 des Strahlerteils hin. Segment 710 erstreckt sich auf spiralförmige Weise von dem zweiten Ende 834 des Strahlerteils zum ersten Ende 832 des Strahlerteils hin. Fig. 8B ist ein weiteres Beispiel dafür, wie ein Teil der Segmente 708, 710 sich so überlappen, dass sie elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind.
Fig. 9A ist ein Diagramm, das die Trennungsdistanz s und Überlappung δ zwischen Strahlersegmenten 708, 710 abbildet. Trennungsdistanz s ist so gewählt, dass ein ausreichender Energiebetrag zwischen den Strahlersegmenten 708, 710 gekoppelt wird, damit sie als ein einzelner Strahler mit einer effektiven Länge bzw. elektrischen Länge von ungefähr λ/2 und einem ganzzahligen Vielfachen hiervon funktionieren.
Eine engere Beabstandung der Strahlersegmente 708, 710 als diese optimale Beabstandung resultiert in einer größeren Kopplung zwischen Segmenten 708, 710. Dies führt zum Ergebnis, dass für eine gegebene Frequenz f, die Länge der Segmente 708, 710 sich vergrößern muss, um eine Resonanz bei der selben Frequenz f zu ermöglichen. Die kann durch den Extremfall verdeutlicht werden, wo Segmente 708, 710 physikalisch verbunden sind (d. h. s = 0). In diesem Extremfall, muss die Gesamtlänge der Segmente 708, 710 gleich λ/2 sein, damit die Antenne in Resonanz schwingt. Es ist zu beachten, dass in diesem Extremfall die Antenne nicht mehr wirklich gekoppelt, im Sinne der Benutzung des Begriffes in die er Beschreibung sind und die resultierende Konfiguration eigentlich die einer herkömmlichen spiralförmigen Antenne, wie im Fig. 3 abgebildet, ist.
Ähnlich vergrößert eine Vergrößerung der Überlappung δ der Segmenten 708, 710 die Kopplung. Daher, wenn sich die Überlappung δ vergrößert, vergrößert sich auch die Länge der Segmente 708, 710.
Um die Optimumüberlappung und die Beabstandung der Segmente 708, 710 qualitativ zu verstehen, wird auf Fig. 9B hingewiesen. Fig. 9B stellt eine Größe bzw. Betrag des Stroms auf den jeweiligen Segmenten 708, 710 dar. Die Stromstärkenindikatoren 911, 928 veranschaulichen, dass jedes Segment Idealerweise bei λ/4 in Resonanz schwingt, mit einer maximalen Signalstärke an den äußeren Enden und einem Minimum an den inneren Enden.
Um die Antennenkonfigurationen für die gekoppelten Strahlersegmente zu optimieren, benutzten die Erfinder Simulations-Software um die richtige Segmentlängen h, 12, Überlappung δ, und Trennungsdistanz s, neben anderen Parametern, zu bestimmen. Ein solches Softwarepaket ist das Antenna Optimizer' (Antennen Optimierer) oder AO-Softwarepaket. AO basiert auf einem Verfahren von "moments electromagnetic"-Simulationsalgorifhmus. AO Antenna Optimizer' Version 6.35, Copyright 1994, wurde geschrieben von und ist Verfügbar von Brian Beezley, in San Diego, Kalifornien.
Es ist zu beachten, dass gewisse Vorteile erreicht werden können, in dem eine gekoppelte Konfiguration, wie oben mit Bezug auf Fig. 8A und 8B beschrieben, benutzt wird. Bei beiden, der herkömmlichen Antennen sowie der Antenne mit gekoppelten Strahlersegmenten, wird der Strom an den Enden der Strahler konzentriert. Gemäß der "array factor"-Theorie kann dies mit der Antenne gekoppelten Strahlersegmenten bei gewissen Anwendungen zum Vorteil genutzt werden.
Zur Erklärung, Fig. 10A ist ein Diagramm, das zwei Punktquellen, A, B, zeigt, wobei Quelle A ein Signal mit einer Stärke bzw. Größe, die der des Signals der Quelle B gleicht, aber in der Phase um 90º verzögert ist (die ejωt Konvention wird angenommen) abstrahlt. Wo Quellen A und B durch eine Distanz von λ/4 getrennt sind, addieren sich die Signale in Phase in die Ausbreitungsrichtung von A nach B und addieren sich außer Phase in Richtung B nach A. Infolgedessen wird sehr wenig Strahlung in die Richtung von B nach A ausgestrahlt. Ein typisches, repräsentatives Feldmuster, das in Fig. 10B abgebildet wird, verdeutlicht diesen Punkt.
Daher, wenn die Quellen A und B so orientieret sind, dass die Richtung von A nach B nach oben zeigt, vom Boden weg, und die Richtung von B nach A zum Boden hinzeigt, ist die Antenne für die meisten Anwendungen optimiert. Dies kommt daher, weil es selten ist, dass ein Benutzer eine Antenne wünscht, die seine Signalstärke zum Boden hin richtet. Die Konfiguration ist besonders nutzvoll für Satellitkommunikationen, wo es gewünscht wird, dass der überwiegender Teil der Signalstärke nach oben gerichtet wird, und zwar vom Boden weg.
Die Punktquellenantenne, die in Fig. 10A modellhaft dargestellt ist, ist nicht ohne Weiteres herstellbar, wenn herkömmliche, spiralförmige, Halbwellenlängenantennen benutzt werden. Zu betrachten ist der Antennenstrahlerteil, der in Fig. 3 abgebildet wird. Die Konzentration der Stromstärke an den Enden der Strahler 208 nähert ungefähr eine Punktquelle an. Wenn Strahlen in eine spiralförmige Konfiguration verdreht werden, wird ein Ende des 90º Strahlers in einer Linie mit dem anderen Ende des 0º Strahlers positioniert. Dieses näherts somit zwei Punktquellen in einer Linie an. Diese näherungsweisen Punktquellen sind durch ungefähr λ/2 voneinander getrennt, im Gegensatz zu der gewünschten λ/4 Konfiguration, die in Fig. 10A abgebildet wird.
Es ist zu beachten, dass die Antenne mit gekoppelten Strahlersegmenten gemäß der Erfindung eine Implementierung liefert, bei der die näherungsweisen Punktquellen mit einem Abstand von weniger als λ/4 positioniert sind. Deshalb ermöglicht die Antenne mit gekoppelten Strahlersegmenten, dass die Benutzer von den Richtungscharakteristiken der Antenne, wie sie in Fig. 10A abgebildet ist, profitieren.
Die Strahlersegmente 708, 710, die im Fig. 8 abgebildet sind, zeigen dass das Segment 708 sehr nah an dem zugehörigen Segment 710 ist, jedoch ist jedes Paar von Segmenten 708, 710 relativ weit von dem benachbarten Paar von Segmenten entfernt. In einem Alternativenausführungsbeispiel wird jedes Segment 710 im gleichen Abstand von den Segmenten 708 auf beiden Seiten angeordnet. Dieses Ausführungsbeispiel ist in Fig. 11 abgebildet.
Unter Bezugnahme auf Fig. 11, ist jedes Segment im Wesentlichen im gleichen Abstand von jedem Paar von benachbarten Segmenten angeordnet. Zum Beispiel ist Segment 708B in dem gleichen Abstand zu Segmenten 710A, 710B. Das heißt, s&sub1; = s&sub2;. Ähnlicherweise hat Segment 710A den gleichen Abstand zu Segmenten 708A, 708B.
Dieses Ausführungsbeispiel ist zunächst nicht einleuchtend, da es erscheint, als würde ungewollte Kopplung existieren. Mit anderen Worten, ein Segment, das mit einer Phase entspricht, würde nicht nur mit dem passenden Segment der selben Phase koppeln, sondern auch mit dem benachbarten Segment mit der verschobenen Phase. Zum Beispiel, Segment 708B, das 90º-Segment, würde mit Segment 710A (das 0º-Segment) und mit Segment 710B (das 90º- Segment) koppeln. Solch eine Kopplung ist kein Problem, weil die Strahlung von den oberen Segmenten 710 als zwei separate Modi betrachtet werden können, ein Modus, der von der Kopplung mit benachbarten Segmenten nach links resultiert und der andere Modus, der von Kopplung mit benachbarten Segmenten nach rechts resultiert. Jedoch sind diese beiden Modi so mit einer Phase versehen, dass Strahlung in die selbe Richtung geliefert wird. Deshalb ist diese Doppelkopplung nicht nachteilig für den Betrieb der Antenne mit gekoppelten Multisegmenten.

5. Beispielimplementierungen

Fig. 12 ist ein Diagramm, das Beispielimplementierungen einer Antenne mit gekoppelten Strahlersegmenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung abbildet. Unter Bezug auf Fig. 12, besteht die Antenne aus einem Strahlerteil 1202 und einen Einspeiseteil 1206. Strahlerteil beinhaltet Segmente 708, 710. Dimensionen, die in Fig. 12 angegeben sind, zeigen den Beitrag der Segmente 708, 710 zu, sowie Größe der Überlappung ä, im Verhältnis zu der Gesamtlänge des Strahlerteils 1202.
Die Länge der Segmente in eine Richtung parallel zur Achse des Zylinders wird als
I&sub1;sinα für Segmente 708 und I&sub2;sinα für Segmente 710 abgebildet, wobei α der Innenwinkel (inside angle) der Segmente 708, 710 ist.
Die Segmentüberlappung, wie oben in Fig. 8A und 9A abgebildet, wird mit Bezugszeichen δ gekennzeichnet. Die Größe der Überlappung in eine Richtung parallel zur Achse der Antenne ist durch δsinα gegeben, wie in Fig. 12 abgebildet.
Segmente 708, 710 werden durch Trennungsdistanz s getrennt, was, wie oben beschrieben, variieren kann. Die Distanz zwischen dem Ende eines Segments 708, 710 und dem Ende eines Strahlerteils 1202 wird als die Lücke bzw. Spalt definiert und mit den jeweiligen Bezugszeichen γ&sub1;, γ&sub2; bezeichnet. Die Lücken γ&sub1;, γ&sub2; können, müssen aber nicht, gleich sein. Wiederum, wie oben beschrieben, kann die Länge der Segmente 708 mit Bezug auf die der Segmente 710 variiert werden.
Die Größe der Versetzung eines Segments 710 von einem Ende zum nächsten wird mit Bezugszeichen ω&sub0; gekennzeichnet. Die Separierung zwischen benachbarten Segmenten 710 wird mit Bezugszeichen cos gekennzeichnet und wird durch den Helix- bzw. Spiraldurchmesser bestimmt.
Einspeiseteil 1206 beinhaltet ein passendes Einspeisenetzwerk um die Quadraturphasensignale an die Strahlersegmente 708 zu liefern. Einspeisenetzwerke sind für diejenigen, die in dieser Technik einigermaßen erfahren sind, bekannt und werden deshalb hierin nicht weiter im Detail beschrieben.
In dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 12 abgebildet ist, werden Segmente 708 an einem Einspeisepunkt (feed point) gespeist, der entlang dem Segment 708 mit einem Abstand vom Einspeisenetzwerk angeordnet ist, der gewählt worden ist, um die Impedanzanpassung zu optimieren. In dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 12 abgebildet ist, wird diese Distanz durch die Bezugszeichen δfeed gekennzeichnet.
Es ist zu beachten, dass die durchgezogene Linie 1224, die Grenze für ein Grundteil auf der entfernten Oberfläche des Substrats abbildet. Der Grundteil gegenüber dem Segmenten 708 auf der entfernten Oberfläche erstreckt sich zum Einspeisepunkt. Der dünne Teil der Segmente 708 ist auf der nahen Oberfläche. Am Einspeisepunkt erhöht sich die Dicke der Segmenten 708 auf der nahen Oberfläche.
Dimensionen bzw. Abmessungen werden nun für eine quadrifilare, spiralförmige Beispielantenne mit gekoppelten Strahlersegmenten vorgesehen, die für den Betrieb auf dem L-Band mit ungefähr 1.6 GHz geeignet ist. Es üst zu beachten, dass dies nur ein Beispiel ist und andere Dimensionen für den Betrieb auf dem L-Band möglich sind. Weiterhin sind andere Dimensionen auch für den Betrieb auf anderen Frequenzbändern möglich.
Die Gesamtlänge des Strahlerteils 1202 in dem L-Band Ausführungsbeispiel ist 2.30 Zoll (58.4 mm). In diesem Ausführungsbeispiel ist der der Pitch- bzw. Neigungs-Winkel α 73 Grad. Mit diesem Winkel α ist die Länge I &sub1;sinα der Segmente 708 für dieses Ausführungsbeispiel 1.73 Zoll (43.9 mm). In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel ist die Länge der Segmente 710 gleich der Länge der Segmenten 708.
Ln einem Ausführungsbeispiel ist Segment 710 im Wesentlichen im gleichen Abstand zu seinem benachbarten Paar von Segmenten 708 positioniert. In einer Implementierung des Ausführungsbeispiels, bei dem Segmente 710 im gleichen Abstand von den benachbarten Segmenten 708 sind, ist die Beabstandung s&sub1; = s&sub2; = 0.086 Zoll (2.18 mm). Andere Beabstandungen sind möglich, inklusive, zum Beispiel, der Beabstandung s der Segmente 710 von 0.070 Zoll (1.8 mm) von einem benachbarten Segment 708.
Die Breite τ der Strahlersegmente 708, 710 ist 0.11 Zoll (2.8 mm) in diesem Ausführungsbeispiel. Andere Breiten sind möglich.
Das L-Band-Ausführungsbeispiel zeigt eine symmetrische Lücke γ&sub1; = γ&sub2; = 0.57 Zoll (14.5 mm). Wobei die Lücke γ für beide Enden des Strahlerteils 1202 symmetrisch (d. h. wobei γ&sub1; = γ&sub2;) ist, haben Strahler 708, 710 eine Überlappung δsinα von 1.16 Zoll (29.5 mm) (1.73 Zoll (43.9 mm) - .57 Zoll (14.5 mm)).
Die Segmentversetzung ω&sub0; ist 0.53 Zoll (13.46 mm) und die Segmenttrennung ωs ist 0.393 Zoll (10.0 mm). Der Durchmesser der Antenne ist 4ωs/π.
In einem Ausführungsbeispiel wird diese so gewählt, dass die Distanz δfeed vom Einspeisepunkt zum Einspeisenetzwerk δfeed = 1.57 Zoll (39.9 mm) ist. Andere Einspeisepunkte können so gewählt werden, dass die Impedanzanpassung optimiert wird.
Es ist zu beachten, dass das Ausführungsbeispiel, was oben beschrieben wird, für die Benutzung in Verbindung mit einem 0.032 Zoll (0.81 mm) dicken Polycarbonatantennenkuppel bzw. -radom, das die spiralförmigen Antenne einschließt und den Strahlerteil kontaktiert, entworfen wurde. Es wird dem Fachmann klar sein, wie eine Antennekuppel oder eine andere Struktur die Wellenlänge einer gewünschten Frequenz beeinflusst.
Es ist zu beachten, dass in dem Ausführungsbeispiel, was eben beschrieben wurde, die Gesamtlänge des L-Band-Antennenstrahlerteils gegenüber der der herkömmlichen, halbwellenlängen L-Band-Antenne verkleinert wird. Für eine herkömmliche, halbwellenlänge L-Band-Antenne ist die Länge des Strahlerteils ungefähr 3.2 Zoll (81.3 mm) (d. h. λ/2(sinα)), wobei α der Innenwinkel der Segmente 708, 710 mit Bezug auf die Horizontale ist. Für die Ausführungsbeispiele, die oben beschrieben werden, ist die Gesamtlänge des Strahlerteils 1202 2.3 Zoll (58.42 mm). Dies stellt ein wesentliches Größenersparniss im Vergleich zur herkömmlichen Antenne dar.
Fig. 13 ist ein Diagramm, das einen Seite-zu-Seite Vergleich eines halbwellenlängen L-Band-Antennenstrahlerteils mit gekoppelten Multisegmenten 1304 und einer herkömmlichen, quadrifilaren, spiralförmigen L-Band-Antenne 1308 zeigt. Wie in Fig. 13 abgebildet, ist der Antennenstrahlerteil mit gekoppelten Strahlersegmenten 1304 wesentlich kürzer als eine herkömmliche, quadrifilare, spiralförmige Antenne 1308.
Ein Ausführungsbeispiel für ein S-Band bei ungefähr 2.49 GHz wird jetzt beschrieben. Die Gesamtlänge des Strahlerteils 1202 in dem S- Bandausführungsbeispiel ist 1.50 Zoll (38.1 mm). Der Neigungswinkel α in diesem Ausführungsbeispiel ist 65 Grad. Die Länge I&sub1;sinα der Segmente 708 für dieses Ausführungsbeispiel ist 0.95 Zoll (24.1 mm). Die Länge der Segmente 710 ist gleich der Längen der Segmente 708. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel hat eine Beabstandung, die die Segmente 710 im gleichen Abstand von dem benachbarten Paar von Segmenten 708 positioniert (s&sub1; = s&sub2; = 0.086 Zoll (2.18 mm)). Die Breite τ der Strahlersegmente 708, 719 ist 0.11 Zoll (2.8 mm). Der Einspeisepunkt δfeed für eine 50 Ω Impedanzanpassung (Impedance-matching) ist 0.60 Zoll (15.24 mm).
Das S-Bandausführungsbeispiel zeigt eine symmetrische Lücke (d. h. γ&sub1; = γ&sub2; = 0.55 Zoll (3.97 mm)) für beide Enden des Strahlerteils 1202, wobei die Strahler 708, 710 eine Überlappung δsinα von 0.40 Zoll (10.2 mm) (.95 Zoll (24.13 mm) -.55 Zoll (13.97 mm)) haben.
Die Segmentversetzung ω&sub0; ist 0.44 Zoll (11.2 mm) und die Segmenttrennung cos ist 0.393 Zoll (10.0 mm). Der Durchmesser der Antenne ist 4ωs/π.
Es ist zu beachten, dass das Ausführungsbeispiel, das eben beschrieben wurde, für eine 0.032 Zoll (0.81 mm) dicke Polycarbonatantennenkuppel, die die spiralförmige Antenne umschließt (und den Strahlerteil kontaktiert), entworfen wurde.
In diesen Ausführungsbeispielen ist die Gesamtlänge der S-Band-Antenne gegenüber der einer herkömmlichen, halbwellenlängen S-Band-Antenne reduziert. Für eine herkömmliche, halbwellenlängen S-Band-Antenne ist die Länge des Strahlerteils ungefähr 2.0 Zoll (50.8 mm) (λ/2(sinα)), wobei α der Innenwinkel der Segmente mit Bezug auf die Horizontale ist. In diesem Ausführungsbeispiel, das oben beschrieben wurde, ist die Gesamtlänge des Strahlerteils 1202 1.5 Zoll (38.1 mm).
Fig. 14A ist ein Diagramm, das ein Strahlungsmuster einer Beispielimplementierung einer quadrifilaren, spiralförmigen Antenne mit gekoppelten Multisegmenten zeigt, die in dem L-Band operiert. Fig. 14B ist ein Diagramm, das ein Strahlungsmuster einer Beispielimplementierung einer quadrifilaren, spiralförmigen Antenne mit gekoppelten Multisegmenten zeigt, die in dem S- Band operiert. Wie diese Muster zeigen, liefern die Antennen gute Allrichtungscharakteristiken in der oberen Halbebene und zeigen eine gute Kreispolarisation.
In den Streifenausführungsbeispielen, die oben erwähnt wurden, werden die Strahlersegmente 708, 710, 712 so beschrieben, das alle Strahlersegmente auf der selben Oberfläche des Substrats vorgesehen sind. In Alternativenausführungsbeispielen müssen die Segmente nicht alle auf der selben Oberfläche des Substrat positioniert werden. Zum Beispiel, in einem Ausführungsbeispiel, werden Segmente beim ersten Ende (d. h. Segmente 708) auf einer Oberfläche des Substrats angeordnet, und Segmente an dem zweiten Ende (d. h. Segmente 710) werden auf der gegenüberliegenden Oberfläche angeordnet. Diese und andere Ausführungsbeispiele, die nicht alle Segmente 708, 710, 712 auf der selben Oberfläche benötigen, sind möglich, weil die Segmente nicht genau an der Kante ausgerichtet werden müssen, damit die elektromagnetische Energiekopplung auftritt. Kleine Versetzungen in der Größenordnung der Dicke werden sich auf die Kopplung nicht negativ auswirken. Diese Ausführungsbeispiele, die eine selektive Anordnung der Segmente 708, 710, 712 gewähren, können benutzt werden, um gewisse Komponenten oder Segmente auf der Außenseite der Antenne vorzusehen, um einen Zugriff auf diese Komponenten zu ermöglichen, und zwar zum Zwecke des Tunings, oder dem Verbinden dieser Komponenten, u. ä. während andere Komponenten in der Antenne vorgesehen werden.
In manchen Anwendungen ist es wünschenswert, eine Antenne zu haben, die auf zwei Frequenzen arbeitet. Ein Beispiel hierfür ist ein Kommunikationssystem, das zum Senden auf einer Frequenz und zum Empfangen auf einer zweiten Frequenz operiert. Ein herkömmlicher Technik um eine Dual-Band- Betrieb zu erreichen, ist das Stapeln von zwei quadrifilaren, spiralförmigen Einzelbandantennen Ende-zu-Ende aufeinander, um einen einzelnen, langen Zylinder zu formen. Zum Beispiel könnte ein Systemkonstrukteur eine L-Band- und eine S-Band-Antenne aufeinanderstapeln, um Betriebscharakteristiken in beiden L- und S-Bändern zu erreichen. Solch eine Stapelung vergrößert jedoch die Gesamtlänge der Antenne. Eine Verkleinerung in der Größe, die mittels der Antenne mit gekoppelten Strahlersegmenten erzielt werden, können dramatische Verkleinerungen in der Gesamtlänge der gestapelten Dual- Band-Antenne liefern.
Ein zusätzlicher Vorteil der spiralförmigen Antenne mit segmentierten Strahler ist, dass es sehr einfach ist, die Antenne abzustimmen, nachdem sie schon hergestellt wurde. Die Antenne kann einfach abgestimmt werden, in dem die Segmente 708, 710 getrimmt werden. Es ist zu beachten, dass, wenn es erwünscht wird, dies getan werden kann ohne die Gesamtlänge der Antenne zu ändern.
Es ist zu beachten, dass die Ausführungsbeispiele der Antenne mit gekoppelten Strahlersegmenten, die oben beschrieben wurden, hinsichtlich einer halbwellenlängen Antenne besprochen wurden, die bei einer Wellenlänge in Resonanz schwingt, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen von λ/2 ist. Nach dem Durchlesen dieses Dokuments, wird es einem durchschnittlichen Fachmann offensichtlich werden, wie man die Erfindung mit einer Antenne implementiert, die bei einer Wellenlänge, die gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen von λ/4 ist, in Resonanz schwingt, und zwar durch Weglassen des Kurzschlussringes am entfernten Ende der Strahler.

3. Zusammenfassung

Die vorhergehende Beschreibung, der bevorzugten Ausführungsbeispiele wurde vorgesehen, um einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die vorliegende Erfindung einzusetzen. Die verschiedenen Modifikationen zu diesen Ausführungsbeispielen werden dem Fachmann auf einfacher Weise offensichtlich sein und die hierin definierten Grundlegenden Prinzipien können auf andere Ausführungsbeispiele angewendet werden ohne den Einsatz einer erfinderischen Tätigkeit.

Claims

1. Eine spiralförmige Antenne bzw. Wendelantenne mit einem Strahlerteil (800; 1202; 1304), die einen oder mehrere wendel- bzw. spiralförmig gewickelte Strahler (706; 804) aufweist, der sich von einem ersten Ende (832) des Strahlerteils (800; 1202; 1304) zu einem zweiten Ende (834) des Strahlerteils (800; 1202; 1304) erstreckt, wobei der bzw. jeder einzelne der mindestens einen Strahler (706; 804) einen Satz von Strahlersegmenten (708; 710; 712) aufweist, und dieser Satz von Strahlersegmenten (708; 710; 712) folgendes aufweist:

ein erstes Strahlersegment (708), das sich auf spiralförmige Weise (helical fashion) von dem ersten Ende (832) des Strahlerteils (800; 1202; 1304) in Richtung des zweiten Endes (834) des Strahlerteils (800; 1202; 1304) erstreckt; und

zumindest ein zweites Strahlersegment (710; 712), das sich auf spiralförmige Art und Weise erstreckt und zwischen dem ersten Ende (832) des Strahlerteils (800; 1202; 1304) und dem zweiten Ende (834) des Strahlerteils (800; 1202; 1304) positioniert ist; wobei

das erste Strahlersegment (708) elektromagnetisch mit dem zumindest einen zweiten Strahlersegment (710; 712) gekoppelt ist, so dass das erste Strahlersegment (708) und das zumindest eine zweite Strahlersegment (710; 712) bei der selben gewünschten Resonanzfrequenz in Resonanz schwingen, wobei das erste Strahlersegment (708) elektromagnetisch mit dem zumindest einen zweiten Strahlersegment (710; 712) gekoppelt ist, und zwar an einer Überlappung (δ) zwischen dem ersten Strahlersegment (708) und dem zumindest einen zweiten Strahlersegment (710; 712) und

die Überlappung (δ) geringer ist als die Länge (11) des ersten Strahlersegments (708) oder der Länge (12) des zumindest einen zweiten Strahlersegments (710; 712);

dadurch gekennzeichnet, dass

die Länge (Itot) des Strahlers (706; 804), der den Satz von Strahlersegmenten (708; 710; 712) beinhaltet, kürzer ist als die Länge eines herkömmlichen spiralförmigen Strahlers (104), der bei der gewünschten Frequenz in Resonanz schwingt.

2. Eine spiralförmige Antenne gemäß Anspruch 1, wobei die Summe der Längen (I&sub1;, I&sub2;) der anderen Segmente (708; 710; 712) des Satzes von Strahlersegmenten (708; 710; 712) minus der Summe der Überlappungen (δ) zwischen den benachbarten Segmenten (708; 710; 712) des Satzes von Strahlersegmenten (708; 710; 712) kürzer ist als die Länge eines Strahlers (104) mit einer einzelnen, durchgehenden Länge, der bei der gewünschten Frequenz in Resonanz schwingt.

3. Eine spiralförmige Antenne gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest das erste Strahlersegment (708) im Wesentlichen ein ungerades, ganzzahliges Vielfaches einer Viertelwellenlänge der Resonanzfrequenz der Antenne ist.

4. Eine spiralförmige Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest das erste Strahlersegment (708) im Wesentlichen eine Länge von λ/4 hat, wobei λ die Wellenlänge einer Resonanzfrequenz der Antenne ist.

5. Eine spiralförmige Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Satz von Strahlersegmenten (708; 710; 712) das erste Strahlersegment (708) und ein zweites Strahlersegment (710) aufweist, das sich auf spiralförmige Art und Weise von dem zweiten Ende (834) des Strahlerteils (800; 1202; 1304) in Richtung des ersten Endes (832) des Strahlerteils (800; 1202; 1304) erstreckt.

6. Eine spiralförmige Antenne gemäß Anspruch 5, wobei die Überlappung definiert ist durch δ = I&sub1; + I&sub2; - Itot, wobei 11 und 12 die Längen des ersten Strahlersegments (708) bzw. des einen zweiten Strahlersegments (710) sind und Itot die Gesamtlänge des Strahlerteils (800; 1202; 1304) ist.

7. Eine spiralförmige Antenne gemäß den Ansprüchen 5 oder 6, wobei das erste Strahlersegment (708) von der Länge her gleich ist mit dem einen zweiten Strahlersegment (710).

8. Eine spiralförmige Antenne gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das eine zweite Strahlersegment (710) im Wesentlichen ein ungerades, ganzzahliges Vielfaches von einer Viertelwellenlänge einer Resonanzfrequenz der Antenne ist.

9. Eine spiralförmige Antenne gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das eine zweite Strahlersegment (710) im Wesentlichen eine Länge von λ/4 hat, wobei λ die Wellenlänge einer Resonanzfrequenz der Antenne ist.

10. Eine spiralförmige Antenne gemäß Anspruch 4 oder Anspruch 9, wobei die Gesamtlänge des Strahlers (706; 804) weniger als λ/2 ist.

11. Eine spiralförmige Antenne gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Satz von Strahlersegmenten (708; 710; 712) eine Vielzahl von zweiten Strahlersegmenten (710; 712) folgendes beinhalten: ein Endsegment (710), das sich von dem zweiten Ende (834) des Strahlerteils (800; 1202; 1304) in Richtung des ersten Endes (832) des Strahlerteils (800; 1202; 1304) erstreckt, und ein oder mehrere Zwischensegmente (712), die zwischen dem ersten Ende (832) des Strahlerteils (800; 1202; 1304) und dem zweiten Ende (834) des Strahlerteils (800; 1202; 1304) positioniert sind, so dass jedes Segment (708; 710, 712) des Satzes von Strahlersegmenten (708; 710; 712) elektromagnetisch an ein benachbartes Segment (708; 710; 712) bei einer jeweiligen Überlappung gekoppelt ist.

12. Eine spiralförmige Antenne gemäß Anspruch 11, wobei das oder jedes Zwischenstrahlersegment (712) im Wesentlichen ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge einer Resonanzfrequenz der Antenne ist.

13. Eine spiralförmige Antenne gemäß Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei das oder jedes Zwischenstrahlersegment (712) im Wesentlichen eine Länge von λ/2 hat, wobei λ die Wellenlänge einer Resonanzfrequenz der Antenne ist.

14. Eine spiralförmige Antenne gemäß Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei das Endsegment (710) im Wesentlichen ein ganzzahliges Vielfaches von einer halben Wellenlänge einer Resonanzfrequenz der Antenne ist.

15. Eine spiralförmige Antenne gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Endsegment (710) im Wesentlichen eine Länge von λ/2 hat, wobei λ die Wellenlänge einer Resonanzfrequenz der Antenne ist.

16. Eine spiralförmige Antenne gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, die eine Vielzahl von Strahlern (706; 804) aufweist, wobei die Endsegmente (710) der Vielzahl von Strahlern ein offenes Ende (open termination) an dem zweiten Ende (834) haben.

17. Eine spiralförmige Antenne gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei das Endsegment (710) im Wesentlichen ein ungerades, ganzzahliges Vielfaches einer Viertelwellenlänge einer Resonanzfrequenz der Antenne ist.

18. Eine spiralförmige Antenne gemäß einem der Ansprüche 12, 13 und 17, wobei das Endsegment (710) im Wesentlichen eine Länge von λ/4 hat, wobei λ die Wellenlänge einer Resonanzfrequenz der Antenne ist.

19. Eine spiralförmige Antenne gemäß einem der Ansprüche 12, 13, 17 und 18, die eine Vielzahl von Strahlern (706; 804) aufweist, und weiterhin Mittel (722) aufweist zum kurzschliessen der Endsegmente der Vielzahl von Strahlern (706; 804) an dem zweiten Ende (834).

20. Eine spiralförmige Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei benachbarte Segmente (708; 710; 712) des Salzes von Strahlersegmenten (708; 710; 712) in enger Nähe zu der, oder zu jeder, Überlappung (ä) zwischen jeweiligen benachbarten Segmenten (708; 710; 712) sind.

21. Eine spiralförmige Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der, oder jeder, Strahler (706; 804) mit einem Zufuhr- bzw. Einspeisenetzwerk (1204) an dem ersten Ende (832) verbunden ist.

22. Eine spiralförmige Antenne gemäß Anspruch 21, die einen Einspeisepunkt für den oder jeden Strahler (706; 804) aufweist, der mit einem Abstand (δfeed) von dem ersten Ende (832) entlang eines jeweiligen ersten Segments (708) positioniert ist, wobei die Distanz (δfeed) ausgewählt wird, um die Impedanz des jeweiligen Strahlers (706; 804) an das Einspeisenetzwerk (1206) anzupassen.

23. Eine spiralförmige Antenne gemäß Anspruch 21 oder Anspruch 22, die vier Strahler (706; 804) aufweist, wobei das Einspeisenetzwerk (1206) ein Quadraturphasensignal an die vier Strahler (706, 804) vorsieht.

24. Eine spiralförmige Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Strahlersegment (708; 710; 712) ein Streifen- bzw. Bandsegment aufweist, das auf einem dielektrischen Substrat abgelagert ist, und das Substrat so geformt ist, dass der oder jeder Strahler (708; 710; 712) auf eine spiralförmige bzw. wendelförmige Art und Weise gewickelt ist.

25. Eine spiralförmige Antenne gemäß Anspruch 24, wobei das Substrat in eine zylindrische Form oder eine spiralförmige Form geformt ist.

26. Eine spiralförmige Antenne gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei jedes Strahlersegment (708; 710; 712) ein Drahtsegment aufweist.

27. Eine spiralförmige Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die zumindest zwei der Strahlerteile (800; 1202; 1304) aufweist, die koaxial gestapelt sind.

28. Eine spiralförmige Antenne gemäß Anspruch 27, die zwei der Strahlerteile (800; 1202; 1304) aufweist, wobei eines der Strahlerteile (800; 1202; 1304) mit einer Resonanzfrequenz betrieben wird, die sich von der Resonanzfrequenz des anderen der Strahlerteile (800; 1202; 1304) unterscheidet, um einen Doppelband- bzw. Zweifachbandbetrieb vorzusehen.