Двухфункциональная антенна для портативного устройства радиосвязи

Двухфункциональная антенна для портативного устройства радиосвязи

Реферат

 

Изобретение относится к антенной технике. Техническим результатом является создание компактных портативных двух функциональных радиоприемников спутниковых и наземных систем. Двухфункциональная антенна передает и принимает в первом и втором режимах. Первый фидер возбуждает основной антенный элемент для работы в первом режиме. Второй фидер соединен посредством элемента связи с участком первого фидера или с основным антенным элементом для воплощения вспомогательного антенного элемента. Тем самым в портативном устройстве радиосвязи, имеющем такую компактную антенну с первым и вторым фидерами, возможно функционирование в двух режимах. 9 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к двухфункциональной антенне, более конкретно к основному антенному элементу, который соответствует вспомогательному антенному элементу при его работе во втором режиме.

Известный уровень техники Преимуществами портативных электронных устройств радиосвязи являются их малые размеры и удобство в обращении. В типовом случае используется одна малогабаритная антенна, например, телескопическая симметричная или несимметричная вибраторная антенна. Однако эти и другие известные антенны приспособлены для работы только в одном режиме. Например, эти антенны не оптимизированы для резонирования на двух разных радиочастотах.

Кроме того, эти антенны работают на радиочастотной энергии с поляризацией только одного типа. Например, телескопическая несимметричная вибраторная антенна типового сотового радиотелефона предназначена для работы на радиочастотной энергии с линейной поляризацией. Компактные антенны, обеспечивающие функционирование в двух режимах с использованием линейно- поляризованной и кругополяризованной радиочастотной энергии, неизвестны в данной области техники.

Один пример малой антенны приведен в патенте США N 4968991, выданный Ямазаки. В этом патенте раскрыта антенна, имеющая первый антенный элемент для передачи и приема сигнала с частотой в первой полосе частот, и второй антенный элемент для приема сигнала с частотой во второй полосе частот.

Краткое описание чертежей На фиг. 1 изображен вид сбоку двухфункциональной антенны, выполненной согласно одному из вариантов осуществления изобретения; на фиг. 2 представлено пространственное изображение портативного устройства радиосвязи с двухфункциональной антенной, выполненной согласно другому варианту осуществления изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения.

На фиг. 1 изображен вид сбоку двухфункциональной антенны, соответствующей первому варианту осуществления настоящего изобретения. Основное антенное устройство образовано основным антенным элементом 110 и первым фидером 120. Основной антенный элемент 110 выполнен в виде четырехзаходной спиральной антенны. Основной антенный элемент 110 резонирует на частоте первого фидера 120 и возбуждается первым фидером 120. Вспомогательный антенный элемент возбуждается с помощью двойной спирали в качестве элемента связи 130 между первым фидером 120 и вторым фидером 140. Вспомогательный элемент образован основным антенным элементом 110 и участками первого фидера 120 и резонирует на частоте второго фидера 140. Таким образом, создана компактная антенна, обеспечивающая функционирование в двух режимах. Кроме того, четырехзаходная спираль основного антенного элемента соответствует как антенне с линейной поляризацией, так и антенне с круговой поляризацией.

Для повышения эффективности функционирования может быть использован дроссель 150 для предотвращения прохождения энергии от второго фидера 140 вниз ниже элемента связи 130 и для улучшения характеристик направленности антенны. Положение дросселя 150 также регулирует электрическую длину или частотные характеристики участка первого фидера 120 над дросселем 150. Электрическая длина или частотная характеристика первого фидера 120 и основного антенного элемента 110 над дросселем 150 составляет примерно половину длины волны радиочастотной энергии во втором режиме. Таким образом, если во втором режиме необходимо регулировать электрическую длину, то местоположение дросселя выбирают в соответствии с потребностями подстройки или регулирования электрической длины вспомогательного антенного элемента во втором режиме.

Дроссель 150 предпочтительно представляет собой приближенно четвертьволновый дроссель, имеющий короткозамкнутый конец 155 и металлизированные внутренние поверхности. Дроссель может иметь электрическую длину, соответствующую нечетному кратному примерно четверти длины волны радиочастотной энергии во втором режиме. Таким образом, дроссель является приближением четвертьволнового отрезка линии передачи с короткозамкнутым концом.

Основной антенный элемент 110, первый фидер 120, второй фидер 140 предпочтительно заключены в обтекатель 160 для конструктивного оформления антенны. Обтекатель 160 представляет собой закрытую трубку из диэлектрического материала, защищающую антенные элементы и фидеры от влияния внешней среды.

Четырехзаходная спираль основного антенного элемента 110 в первом варианте осуществления предпочтительно выполнена из полужесткого металлического коаксиального материала. Полужесткий металлический коаксиальный материал имеет металлический внешний проводник, изолированный диэлектриком от металлического центрального проводника. Первый фидер 120 также предпочтительно выполнен из полужесткого металлического коаксиального материала. Энергия в основном антенном элементе 110 проходит внутри полужесткого коаксиального материала первого фидера 120 по первой и второй поверхностям. Первая и вторая поверхности внутри полужесткого металлического коаксиального материала представляют собой, соответственно, металлический центральный проводник и внутреннюю поверхность металлического внешнего проводника. Металлический наружный проводник из полужесткого коаксиального материала имеет третью поверхность. Третьей поверхностью является внешняя поверхность металлического внешнего проводника.

В точке короткого замыкания 115 закорачиваются третья поверхность с внешней стороны полужесткого коаксиального материала первого фидера 120 и четыре плеча четырехзаходной спирали основного антенного элемента 110. Элемент связи 130 обеспечивает подвод энергии от второго фидера 140 к третьей поверхности наружной оболочки металлического внешнего проводника первого фидера 120.

Когда антенна работает во втором режиме с использованием второго фидера 140, элемент связи 130 ответвляет энергию во внешний проводник первого фидера 120 и основной антенный элемент 110. В этом варианте осуществления предпочтительны соединения этих коаксиальных внутреннего и внешнего проводников; тем не менее, возможны и другие конструкции, как будет пояснено ниже применительно к другим вариантам осуществления.

Таким образом, вспомогательный антенный элемент, обеспечивающий прием и передачу линейно-поляризованной радиочастотной энергии, образован внешними поверхностями первого фидера 120 и четырехзаходной спирали основного антенного элемента 110. Четырехзаходная спираль основного антенного элемента передает и принимает радиочастотную энергию круговой поляризации. Таким образом, изображенный на фиг. 1 первый вариант осуществления позволяет реализовать функции передачи и приема радиочастотной энергии с круговой поляризацией в одном режиме и радиочастотной энергии с линейной поляризацией в другом режиме.

Двухфункциональную антенну предпочтительно использовать для компактного двухрежимного портативного радиоприемника. Например, в наземных сотовых радиосистемах обычно используют радиочастотную энергию с линейной поляризацией. С другой стороны, в портативных устройствах радиосвязи спутниковых систем обычно требуется использовать антенны с круговой поляризацией. Такие антенны имеют диаграмму направленности с более высоким усилением на прием и передачу энергии в направлении, определяемом углом отклонения базовой плоскости от вертикали, к источникам во внешнем пространстве, чем антенны с линейной поляризацией. Антенны с линейной поляризацией имеют более высокое усиление диаграммы направленности на передачу и прием в направлении горизонта на базовую станцию. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает создание антенны, функционирующей как в режиме с линейной поляризацией, так и в режиме с круговой поляризацией. Поэтому, с применением антенны, соответствующей изобретению, возможно создание компактных портативных двухфункциональных радиоприемников спутниковых и наземных систем.

Элемент связи 130 предпочтительно выполнен в виде двойной спирали связи. Двойная спираль связи имеет подключенный к источнику питания спиральный проводник и заземляющий спиральный проводник разных размеров или длины для подвода энергии второго фидера 140 к первому фидеру 120. Двойная спираль связи элемента связи 130 позволяет получить вход с согласованным импедансом для второго фидера 140. Двойная спираль связи также улучшает характеристики диаграммы направленности путем исключения протекания индуцированных токов по корпусу устройства радиосвязи ниже обоих спиральных проводников. В результате, обеспечивается антенна с более высоким коэффициентом усиления во втором режиме для повышения качества связи при уменьшении потребления тока в батарее питания портативного устройства радиосвязи.

Два спиральных проводника двойной спирали связи должны быть обернуты вокруг первого фидера 120 без касания, и между ними предпочтительно наличие диэлектрического изолятора, такого, как цилиндр из диэлектрика или картона. Два спиральных проводника предпочтительно выполнены в виде медных микрополосковых проводников толщиной приблизительно 0,05 мм и шириной приблизительно 1,778 мм. Два спиральных проводника могут также свободно размещаться в пространстве или могут быть заключены в пластмассовую форму. Цилиндр предпочтительно имеет диаметр меньше одной десятой длины волны передаваемого и принимаемого сигнала. В другом варианте два спиральных проводника могут быть расположены рядом, а не обернуты вокруг первого фидера 120.

В качестве примера отметим, что в наземной системе сотовой радиотелефонной связи во втором режиме может быть желательным использование сигнала частоты 920 МГц. Предпочтительно, заземляющий спиральный проводник должен быть длиннее, чем находящийся подключенный к источнику питания проводник, причем коэффициент увеличения по сравнению с элементом связи 130 составляет 2,5-2,0. При использовании цилиндра диаметром примерно 8,128 мм подключенный к источнику питания спиральный проводник имеет осевую длину спирали приблизительно 20,955, а заземляющий спиральный проводник имеет осевую длину спирали приблизительно 30,099 мм, при этом шаг спиральных проводников составляет приблизительно угол 15^o. Поскольку два спиральных проводника имеют определенный шаг при обмотке их вокруг цилиндра, окружность цилиндра несколько меньше окружности одного витка спиральных проводников. Подключенный к источнику питания спиральный проводник имеет приблизительно 3,25 витка, а заземляющий спиральный проводник имеет приблизительно 5,5 витков. Два спиральных проводника предпочтительно перемежаются друг с другом, как показано на чертежах. Два спиральных проводника предпочтительно могут быть смещены так, что более короткий спиральный проводник не полностью перемежается или совсем не перемежается с более длинным из спиральных проводников.

На фиг. 2 показано портативное устройство радиосвязи 260, имеющее одну компактную антенну, способную выполнять двойную функцию. Первый фидер 220 соединяет схемы 270 устройства радиосвязи с основным антенным элементом 210 в первом узле 225. Второй фидер 240 соединяет схемы 270 с элементом связи 230 во втором узле 245. В варианте по фиг. 2 второй фидер 240 соединен посредством элемента связи 230 с основным антенным элементом 210, а не с первым фидером 220. Во многих случаях выбор соединения второго фидера с первым фидером и/или основным антенным элементом не принципиален. Выбор того, соединять ли второй фидер посредством элемента связи с первым фидером или с основным антенным элементом, зависит, в частности, от типа антенного элемента и от требуемых относительных электрических длин основного антенного элемента и вспомогательного антенного элемента, реализуемого с использованием участков основного антенного элемента и/или первого фидера.

В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, используется несимметричный вибраторный антенный элемент в противоположность антенному элементу в форме четырехзаходной спирали, согласно первому варианту по фиг. 1.

Вариант по фиг. 2 обеспечивает создание двухфункционального антенного элемента, для которого в первом и втором режимах используется линейная поляризация.

В варианте по фиг. 2 не показан дроссель. Двухфункциональная антенна, изображенная на фиг. 2, будет удовлетворительно работать и без дросселя. Портативное устройство радиосвязи 260 будет удовлетворительно работать без дросселя, если допустимы потери энергии, обусловленные токами, индуцируемыми в устройстве радиосвязи. Без использования дросселя первый фидер будет направлять часть энергии антенны в электронные схемы 270.

Хотя изобретение было описано и проиллюстрировано в приведенном выше описании и на чертежах, понятно, что это описание приведено лишь в качестве примера и специалисты в данной области техники могут внести многочисленные изменения и модификации без изменения сущности и объема изобретения. Например, можно использовать различные типы основных антенных элементов, например, симметричный вибратор, антенна в виде двух скрещенных рамок без скручивания в четырехзаходную спираль. Кроме того, элемент связи может быть сконструирован не в форме двойной спирали связи, а, например, и в форме одиночной спирали, возбуждаемой с одного конца. Можно также создать многофункциональные антенны, имеющие три или более режимов, используя три или более фидеров и множество соответствующих элементов связи. Хотя раскрыта реализация антенны применительно к компактному портативному устройству радиосвязи, эту антенну можно использовать в передвижных или стационарных радиостанциях.

Формула изобретения

1. Двухфункциональная антенна для передачи и приема первого и второго сигналов, содержащая основную антенну, включающую в себя основной антенный элемент для передачи и приема первого сигнала в первом режиме, и первый фидер, оперативно соединенный с основным антенным элементом для передачи в нем первого сигнала, передаваемого и принимаемого в первом режиме, отличающаяся тем, что содержит второй фидер для передачи в нем второго сигнала, передаваемого и принимаемого во втором режиме, и элемент связи, оперативно подсоединенный между основным антенным элементом и вторым фидером и имеющий характеристики, обеспечивающие формирование основной антенной вспомогательного антенного элемента для передачи и приема второго сигнала во втором режиме.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что вспомогательный антенный элемент выполнен в виде антенного элемента с линейной поляризацией для передачи и приема линейно поляризованного второго сигнала.

3. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что основной антенный элемент выполнен в виде антенного элемента с круговой поляризацией.

4. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что основной антенный элемент выполнен в виде антенного элемента с линейной поляризацией.

5. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что элемент связи содержит по меньшей мере одну спираль для обеспечения косвенной передачи второго сигнала в основную антенну.

6. Антенна по п.5, отличающаяся тем, что элемент связи выполнен в виде двойной спирали для обеспечения косвенной передачи второго сигнала на основную антенну.

7. Антенна по п.5, отличающаяся тем, что второй фидер имеет по меньшей мере подключенный к источнику питания проводник и заземляющий проводник для передачи в нем второго сигнала, передаваемого и принимаемого во втором режиме, а элемент связи содержит подключенный к источнику питания спиральный проводник в непосредственной близости от участка основной антенны для соединения с ним подключенного к источнику питания проводника и заземляющий спиральный проводник в непосредственной близости от участка основной антенны для соединения с ним заземляющего проводника.

8. Антенна по п.7, отличающаяся тем, что подключенный к источнику питания спиральный проводник и заземляющий спиральный проводник перемежаются друг с другом и имеют разную длину.

9. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что первый фидер содержит дроссель, осуществляющий дросселирование на длине волны второго сигнала, причем второй фидер соединен с первым фидером основной антенны элементом связи в точке между основным антенным элементом и дросселем.

10. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что содержит электронные схемы для обеспечения работы в первом режиме и во втором режиме, причем выход электронных схем в первом режиме соединен с первым фидером, а выход электронных схем во втором режиме соединен с вторым фидером.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2