двойная спиральная антенная система

Формула изобретения

1. Антенна (10), содержащая первый спиральный проводник (14, 14", 214), намотанный в первом направлении относительно оси (V) антенны (10), и второй спиральный проводник (18, 18", 218), намотанный во втором направлении относительно упомянутой оси (V), причем первый (14, 14", 214) и второй (18, 18", 218) спиральные проводники намотаны ортогонально относительно друг друга, существенно снижая при этом взаимную связь между упомянутыми первым и вторым проводниками.

2. Антенна (10) по п. 1, отличающаяся тем, что первый (14") и второй (18") спиральные проводники ортогональны при минимальном их разнесении в направлении, по существу перпендикулярном упомянутой оси.

3. Антенна (10) по п.1 или 2, отличающаяся тем, что первый спиральный проводник (14") имеет первый радиус намотки, а второй спиральный проводник (18") имеет второй радиус намотки, отличный от упомянутого первого радиуса намотки.

4. Антенна (10) по п.1, отличающаяся тем, что первый (14, 214) и второй (18, 218) спиральные проводники ортогональны в точках взаимного пересечения (P₁, P₂, P₃).

5. Антенна (10) по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит элемент намотки (20), вокруг которого намотаны упомянутые первый (14, 214) и второй (18, 218) спиральные проводники.

6. Антенна (10) по п.4 или 5, отличающаяся тем, что содержит фидерную линию передачи, центральный проводник которой соединен с первым спиральным проводником, а внешний проводник соединен с заземляющей плоскостью антенны.

7. Антенна (10) по любому из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что первый спиральный проводник (14, 14", 214) имеет первую длину, а второй спиральный проводник (18, 18", 218) имеет вторую длину, отличную от упомянутой первой длины, при этом упомянутые первая и вторая длины соответствуют первой и второй полосам частот соответственно.

8. Антенна (10) по любому из пп.1 - 7, отличающаяся тем, что дополнительно содержит первую антенно-фидерную схему (82) для соединения первого спирального проводника (14, 14", 214) с первым приемопередатчиком (102) связи, вторую антенно-фидерную схему (84) для соединения второго спирального проводника (18, 18", 218) с вторым приемопередатчиком (104) связи.

9. Антенна (10) по любому из пп.1 - 7, отличающаяся тем, что дополнительно содержит первую антенно-фидерную схему (162) для соединения первого спирального проводника (14, 14", 214) с передатчиком устройства связи, вторую антенно-фидерную схему (164) для соединения второго спирального проводника (18, 18", 218) с приемником устройства связи.

10. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит цилиндрический элемент (220) намотки, относительно которого намотаны первый (214) и второй (218) спиральные проводники.

11. Антенна по п.10, отличающаяся тем, что цилиндрический элемент (220) намотки представляет собой проводник.

12. Антенна по п.11, отличающаяся тем, что цилиндрический элемент (220) намотки содержит линию передачи, имеющую внутренний проводник и цилиндрический внешний проводник.

13. Антенна по п.12, отличающаяся тем, что второй спиральный проводник (218) намотан от первого конца (230) цилиндрического элемента (220) намотки вокруг упомянутого цилиндрического внешнего проводника и электрически соединен с внутренним проводником, а первый спиральный проводник (214) намотан от второго конца (226) цилиндрического элемента намотки.

14. Антенна по п.10 или 11, отличающаяся тем, что цилиндрический элемент (220) намотки имеет первый конец и второй конец, второй спиральный проводник (218) намотан от упомянутого первого конца (230) в первом направлении вокруг первого сегмента (51) цилиндрического элемента (220) намотки, а первый спиральный проводник (214) намотан от упомянутого второго конца (226) во втором направлении вокруг второго сегмента (52) цилиндрического элемента намотки.

15. Антенна по п.14, отличающаяся тем, что первый (214) и второй (218) спиральные проводники намотаны так, что первый и второй сегменты по меньшей мере частично перекрываются.

16. Антенна по п.14 или 15, отличающаяся тем, что цилиндрический элемент (220) намотки представляет собой проводник, имеет внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность и определяет цилиндрическую полость, в которой размещен удлиненный проводник (224), проходящий между упомянутыми первым (230) и вторым (226) концами, второй спиральный проводник (218) намотан от упомянутого первого конца (230) в первом направлении вокруг первого сегмента (51) упомянутой внешней поверхности, причем второй спиральный проводник (218) электрически соединен с удлиненным проводником (224) на упомянутом первом конце (230) цилиндрического проводника, а первый спиральный проводник намотан от упомянутого второго конца (226) во втором направлении вокруг второго сегмента (52) упомянутой внешней поверхности.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к спиральным антеннам, более конкретно к двойной спиральной антенне, предназначенной для использования в мобильных системах связи.

В существующих портативных телефонах передатчик и приемник обычно одновременно находятся в активном состоянии, единственная антенна используется ими совместно для осуществления передачи и приема. Это одновременное использование антенны обеспечивается с помощью фильтрующей системы, называемой дуплексором или антенным переключателем. Дуплексор используется для обеспечения надлежащей фильтрации как между передатчиком и антенной, так и между приемником и антенной. Он также обеспечивает развязку между передатчиком и приемником, необходимую для того, чтобы передатчик не снижал чувствительность приемника. Для того чтобы дуплексор обеспечивал хорошие характеристики фильтрации, обычно используется резонансная схема, состоящая из множества секций LC-фильтров (т.е. секций фильтров, состоящих из индуктивных и емкостных элементов). Надлежащая настройка этой комплексной схемы критична для обеспечения адекватной развязки в портативном телефоне и обычно должна выполняться квалифицированным персоналом.

Требования к дуплексору связаны с совместным использованием одной антенны как на передачу, так и на прием. Возможным способом устранения необходимости в использовании дуплексора было бы оснащение портативного телефона отдельными передающей и приемной антеннами. К сожалению, взаимная связь, возникающая между такими отдельными парами антенн, отрицательно влияет на каждую формируемую диаграмму направленности. Кроме того, использование отдельных антенн приводит к увеличению стоимости, габаритов и сложности портативного телефона, в частности, если необходимо выделить дополнительное пространство для втягивания каждой антенны. Таким образом, антенное устройство, включающее в себя отдельные антенные элементы, способные функционировать в непосредственной близости один от другого при минимальной взаимной связи, характеризовало бы собой значительный прогресс в данной области техники.

В настоящее время разрабатываются так называемые "двухдиапазонные" портативные телефоны, предназначенные для работы в полосе сотовых систем (от 824 до 892 МГц) и в сети персональной связи (от 1,8 до 1,96 ГГц). В таких системах схемы, обеспечивающие дуплексный режим работы антенны, должны быть еще более сложными. Подобная сложность связана с дополнительной фильтрацией, требуемой для обеспечения развязки между отдельными приемопередатчиками, предназначенными для осуществления связи в каждом частотном диапазоне. Соответственно схемы, обеспечивающие дуплексный режим работы антенны, должны обеспечивать адекватную развязку не только между различными рабочими полосами частот, но и между передающим и приемным каналами каждой полосы. Если реализовать схему, обеспечивающую дуплексный режим работы антенны, с использованием отдельных дуплексоров передачи/приема в каждом приемопередатчике, то для поочередного подключения отдельных дуплексоров к антенне потребовался бы радиочастотный переключатель. Как хорошо известно, подобные радиочастотные переключатели являются дорогостоящими устройствами и приводят к одиночным отказам устройств, в которых они использованы.

Стремление к созданию альтернативных конструкций антенн для портативных телефонов возросло в последнее время в связи с необходимостью учета влияний электромагнитных полей на оператора. Хотя предлагались различные конструкции антенн, в которых основная доля излучения антенны направляется в сторону от оператора, однако эффективность таких "направленных" решений существенно снижается при перемещениях оператора, что приводит к ориентации антенны, отклоненной от направления на наиболее мощный источник сигнала.

Сущность изобретения

В принципе указанные и другие задачи решены в двойной спиральной антенной системе, выполненной в соответствии с изобретением. Двойная спиральная антенная система содержит первый спиральный проводник, намотанный в первом направлении относительно вертикальной оси двойной спиральной антенны. Второй спиральный проводник намотан во втором направлении относительно продольной оси. В одном из вариантов осуществления первый и второй спиральные проводники имеют различную длину соответственно первой и второй полосам частот. Кроме того, первый и второй спиральные проводники намотаны так, что они ортогональны в тех горизонтальных плоскостях, в которых первый и второй спиральные проводники пересекаются или минимально удалены один от другого по горизонтали. Такое ортогональное соотношение намоток между спиральными проводниками позволяет минимизировать взаимную связь, обеспечивая возможность функционирования отдельных спиральных антенн в непосредственной близости одна от другой.

В одном из вариантов осуществления двойная спиральная антенная система предназначена для работы в портативном устройстве связи. Это достигается соединением первого спирального проводника с передатчиком устройства связи посредством первой антенно-фидерной линии. Предусмотрена также вторая антенно-фидерная линия для соединения второго спирального проводника с приемником устройства связи. И вновь ортогональное соотношение намоток между первым и вторым спиральными проводниками позволяет обеспечить минимальную взаимную связь и тем самым обеспечить улучшенную развязку между передатчиком и приемником.

Изобретение поясняется в нижеследующем детальном описании со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:

фиг. 1 - вариант выполнения двойной спиральной антенны в соответствии с изобретением;

фиг. 2A и 2B - виды сверху в сечении антенны, соответствующей изобретению, в которой спиральные проводники имеют один и тот же радиус намотки;

фиг. 3A и 3B - виды сверху в сечении антенны, соответствующей изобретению, в которой спиральные проводники имеют разный радиус намотки;

фиг. 4 - блок-схема, иллюстрирующая подключение двойной спиральной антенны, соответствующей изобретению, в двухдиапазонном устройстве связи;

фиг. 5 - блок-схема двойной спиральной антенны, соответствующей изобретению, используемой в однодиапазонном устройстве связи;

фиг. 6A и 6B - пространственное представление и вид сверху другого варианта осуществления двойной спиральной антенны, позволяющей снизить облучение оператора энергией электромагнитного поля.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

На фиг. 1 представлен вариант осуществления двойной спиральной антенны 10 в соответствии с изобретением. Двойная спиральная антенна 10 включает в себя первый спиральный проводник 14 и второй спиральный проводник 18. Первый и второй спиральные проводники 14 и 18 навиты в противоположных направлениях относительно цилиндрического элемента 20, который закреплен в плоскости 22 заземления. Спиральные проводники 14 и 18 функционируют независимо как отдельные антенны и, как показано на фиг. 1, соответственно связаны с коаксиальными фидерными линиями 26 и 28. Центральные проводники фидерных линий 26 и 28 электрически связаны с проводниками 14 и 18 соответственно, в то время как внешний проводник каждой фидерной линии 26 и 28 контактирует с заземляющей плоскостью 22.

Элемент намотки 20 может быть выполнен как из изоляционного диэлектрического материала, так и из проводящего материала. Однако было обнаружено, что улучшенная развязка между отдельными антеннами, образованными спиральными проводниками 14 и 18, может быть получена в том случае, если элемент намотки 20 выполнен из проводящего материала, например из меди.

Спиральные проводники 14 и 18 имеют один и тот же шаг намотки и намотаны вокруг элемента 20 так, что являются ортогональными один другому в каждой точке пересечения. Было обнаружено, что такой способ намотки позволяет обеспечить минимальную взаимную связь по энергии между проводниками 14 и 18, даже если эти независимо функционирующие антенны намотаны вокруг одной и той же вертикальной оси V. Проводники 14 и 18 показаны ортогональными в каждой из трех точек пересечения P1, P2 и P3. Причем следует иметь в виду, что участки проводников 14 и 18, находящиеся на "задней" стороне элемента 20, при наблюдении в системе координат, использованной для чертежа на фиг. 1, не видны и поэтому условно показаны пунктиром. Соответственно точка пересечения P2 расположена на задней стороне элемента 20, а точки пересечения P1 и P3 расположены в поле зрения на фиг. 1.

Хорошо известно, что номинальная центральная частота спиральной антенны при заданном шаге спирали зависит от ее длины. Соответственно для обеспечения работы антенны 10 в двухдиапазонной системе необходимо использовать спиральные проводники разной длины. Например, для обеспечения работы антенны в полосе сотовых систем (от 824 до 892 МГц) можно использовать спиральный проводник с шагом 45^o и длиной 6 дюймов (152,4 мм). Кроме того, тип поляризации (линейная или круговая) излучения, формируемого спиральной антенной, зависит от отношения радиуса r намотки к длине волны излучения (например 13,5 дюймов или 342,89 мм) Для обеспечения линейной поляризации указанное отношение радиуса намотки к длине волны излучения должно быть менее 0,1.

Другим способом обеспечения двухдиапазонного режима работы является использование спиральных проводников 14 и 18 идентичной длины, каждый из которых возбуждается гармонически связанными частотами возбуждения. Например, пусть рабочая частота первой антенны, образованной спиральным проводником 14, должна быть равна 100 МГц, а рабочая частота второй антенны, образованной спиральным проводником 18, должна быть 200 МГц. Если бы первая и вторая антенны были выбраны с идентичной физической длиной, эквивалентной половине рабочей длины волны второй антенны, то при определении их электрической длины вторая антенна была бы "полуволновой" антенной, а первая антенна была бы "четвертьволновой" антенной. То есть первая и вторая антенны имели бы одинаковую физическую длину, но разные электрические длины. Для обеспечения двухдиапазонного режима работы можно использовать и другие варианты реализации, также входящие в объем настоящего изобретения. Например, в предположении указанных выше рабочих частот и при том же условии, что вторая антенна имеет физическую длину, эквивалентную половине ее рабочей длины волны, двухдиапазонный режим работы может также быть обеспечен путем выполнения первой антенны с физической длиной, равной удвоенной длине второй антенны.

Хотя в варианте, иллюстрируемом на фиг. 1, спиральные проводники 14 и 18 имеют идентичный радиус намотки, возможны варианты выполнения, когда радиусы намотки различны. В последнем случае спиральные проводники 14 и 18 будут намотаны так, чтобы быть ортогональными в тех горизонтальных плоскостях, в которых проводники пересекались бы, если бы они имели одинаковый радиус намотки. Этот принцип иллюстрируется на видах сверху в сечении двойных спиральных антенн, соответствующих изобретению, представленных на фиг. 2A-2B и 3A-3B. В частности, на фиг. 2A представлен вид антенны 10 сверху в сечении горизонтальной плоскостью H₁ (фиг. 1). В этой горизонтальной плоскости H₁ проводники 14 и 18 пересекаются ортогонально один другому (т.е. образуют прямой угол в вертикальной плоскости) на поверхности элемента намотки 20 с радиусом намотки г. На фиг. 2B показаны проводники 14 и 18, находящиеся с противоположных сторон от вертикальной оси V при пересечении их горизонтальной плоскостью H₂.

Виды сверху в сечении, представленные на фиг. 3A и 3B, иллюстрируют пространственное соотношение между ортогонально намотанными спиральными проводниками 14" и 18" с различными радиусами намотки. Как показано на фиг. 3A и 3B, спиральный проводник 14" намотан вокруг внутреннего элемента намотки 20a с радиусом намотки r₁, а спиральный проводник 18" намотан вокруг внешнего элемента намотки 20b с радиусом намотки r₂. Поскольку проводники 14" и 18" намотаны ортогонально в противоположных направлениях вышеописанным способом, то эти проводники 14" и 18" будут ортогональны в вертикальной плоскости при пересечении их горизонтальной плоскостью H₁ (фиг. 3A). Как показано на фиг. 3A, расстояние между проводниками 14" и 18" минимально (равно h_min) по горизонтали в плоскости H₁. В противоположность этому проводники 14" и 18" отделены максимальным расстоянием по горизонтали при прохождении их через плоскость H₂ (фиг. 3B). Следовательно, в варианте осуществления, представленном на фиг. 3A и 3B, проводники 14" и 18" могут быть охарактеризованы как ортогональные один другому, если расстояние между ними в горизонтальной плоскости равно минимальному расстоянию h_min. Как показано на фиг. 2A, пересечение проводников 14 и 18 приводит к минимальному расстоянию (h_min) между ними в горизонтальной плоскости, равному нулю.

На фиг. 4 представлена блок-схема, иллюстрирующая подсоединение двойной спиральной антенны, соответствующей изобретению, в двухдиапазонном устройстве связи. Как пояснено выше, двойная спиральная антенна, соответствующая настоящему изобретению, может быть использована в двухдиапазонном устройстве связи (например, в двухдиапазонном портативном телефоне) таким образом, чтобы снизить требования к фильтрации, предъявляемые к антенному дуплексору. В примере по фиг. 4 первый спиральный проводник 14 антенны 10 соединен с центральным проводником фидерной линии 82 верхнего диапазона передачи. Аналогичным образом, второй спиральный проводник соединен с центральным проводником фидерной линии 84 нижнего диапазона передачи. Фидерные линии 82 и 84 могут быть выполнены, например, в виде полосковых линий передачи, в которых внешние проводники электрически связаны с экраном 86 или иной заземляющей поверхностью двухдиапазонного устройства связи. Дуплексор 102 верхнего диапазона передачи обеспечивает соосное разветвление энергии сигнала в верхней полосе частот в каналы передачи и приема, которые используются передатчиком 108 и приемником 110 верхней полосы частот соответственно. Аналогично, дуплексор нижнего диапазона 104 разделяет энергию сигнала нижней полосы частот между каналами передачи и приема нижней полосы частот, в которой работают передатчик 118 и приемник 120 нижней полосы соответственно.

Как показано на фиг. 4, спиральный проводник 14 имеет длину, соответствующую ширине полосы антенны, которая включает в себя верхнюю полосу частот, пропускаемую дуплексором 102. Аналогичным образом, длина спирального проводника 18 выбрана так, чтобы соответствовать излучению с шириной полосы, центрированной относительно полосы пропускания дуплексора 104 нижней полосы частот. Поскольку между спиральными проводниками имеет место минимальная взаимная связь, то благодаря этому минимизируется требование ослабления внеполосных излучений, предъявляемое к дуплексорам 102 и 104. В противоположность этому, в традиционных системах, в которых дуплексоры 102 и 104 в типовом случае связаны с одной гибкой штыревой антенной, к дуплексорам 102, 104 предъявляются существенно более высокие требования ослабления внеполосных излучений.

Двойная спиральная антенна, соответствующая изобретению, может обеспечивать аналогичные преимущества и при использовании в однодиапазонных устройствах связи, например в портативных телефонах. Как показано на фиг. 5, антенна 10 используется в однодиапазонном устройстве связи, содержащем передатчик 152 и приемник 154. В качестве примера выбрана существующая система сотовой телефонной связи, в которой выделенный диапазон частот разделен на спектры передачи и приема в пределах от 824 до 892 МГц. В данном случае длины спиральных проводников 14 и 18 несколько различаются для облегчения отдельного доступа к передающей и приемной частям диапазона частот сотовых систем.

Как показано на фиг. 5, первый спиральный проводник 14 антенны 10 соединен с центральным проводником фидерной линии 162 передатчика, а второй спиральный проводник 18 соединен с центральным проводником фидерной линии 164 приемника. Фидерные линии 162 и 164 могут быть выполнены, например, в виде полосковых линий передачи, в которых внешние проводники электрически связаны с экраном 166 или иной заземляющей поверхностью однодиапазонного устройства связи.

В соответствии с фиг. 5, в данном случае между антенной 10 и передатчиком 152 или приемником 154 не требуется дуплексор или иная схема фильтрации. И вновь отсутствие значительной связи между спиральными проводниками 14 и 18 устраняет необходимость в дополнительных схемах развязки или фильтрации между передатчиком 152 и приемником 154. В противоположность этому, в обычных известных схемах между одноэлементной антенной и передатчиком/приемником устройства связи необходимо включать дуплексор.

На фиг. 6A и 6B представлены пространственное изображение и вид сверху другого варианта осуществления двойной спиральной антенны, выполненной так, чтобы обеспечить снижение облучения оператора энергией электромагнитного поля. Двойная спиральная антенна 200 включает в себя первый спиральный проводник 214 и второй спиральный проводник 218. Первый и второй спиральные проводники 214 и 218 показаны как намотанные в противоположных направлениях вокруг цилиндрического элемента 220 намотки и соответственно возбуждаются коаксиальными фидерными линиями 226 и 228 так, как описано ниже. Центральный проводник 227 фидерной линии 226 электрически соединен с проводником 214, а внешний проводник каждой из фидерных линий 226 и 228 соединен с электрическим заземлением.

В устройстве, показанном на фиг. 6A и 6B, цилиндрический элемент 220 намотки выполнен из проводящего материала и имеет внутреннюю поверхность 222, которая определяет продольную полость. Удлиненный проводник 224 размещен внутри продольной полости и может быть отделен от внутренней поверхности 222 диэлектрическим материалом (не показан), при этом удлиненный проводник 224 и внутренняя поверхность 222 образуют коаксиальную линию передачи. Удлиненный проводник 224 соединен со спиральным проводником 218 вблизи первого (верхнего) конца 230 цилиндрического элемента 220 намотки и тем самым связывает спиральный проводник 218 с антенно-фидерной линией 228. Коаксиальная линия передачи, образованная удлиненным проводником 224 и внутренней поверхностью 222 упомянутого элемента 220, соединена вблизи второго (нижнего) конца 226 последнего с фидерной линией 228. Более конкретно, удлиненный проводник 224 соединен с центральным проводником 229 фидерной линии 228. Как показано на фиг. 6A, спиральный проводник 218 намотан от первого конца 230 цилиндрического элемента 220 намотки на первом (S1)и третьем (S3) его сегментах. Аналогично, спиральный проводник 214 намотан от второго конца 226 цилиндрического элемента 220 намотки на втором (S2) и третьем (S3) сегментах. Таким образом, витки спиральных проводников 214 и 218 перекрываются только в пределах сегмента S3. Возможны варианты осуществления, в которых спиральные проводники 214 и 218 могут вообще нигде не перекрываться, т.е. такое перекрытие не является обязательным условием для обеспечения успешной работы антенны 200. Таким образом, видно, что проводники 214 и 218 намотаны ортогонально вокруг цилиндрического элемента 220 намотки, причем проводники 214 и 218 направлены ортогонально в каждой точке их взаимного пересечения в пределах сегмента S3. В одном из вариантов осуществления второй конец 226 цилиндрического элемента 220 намотки может быть расположен в непосредственной близости от корпуса портативного телефона (не показан) и, следовательно, первый конец 230 будет находиться на большем удалении от него.

Было обнаружено, что интенсивность электромагнитного поля, формируемого спиральными проводниками 214 и 218, наибольшая в месте подсоединения к ним фидерной линии. Поскольку соединение фидерной линии со спиральным проводником 218 осуществлено с помощью удлиненного проводника 224 вблизи первого конца 230 цилиндрического элемента 220 намотки, то следовательно, электромагнитное поле, формируемое спиральным проводником 218, также будет максимальным вблизи первого конца 230. Это приводит к существенному снижению воздействия энергией электромагнитного поля на оператора, поскольку при таком осуществлении первый (верхний) конец 230 элемента 220 удален от оператора на расстояние, равное продольной длине этого элемента. Таким образом, антенна 200 позволяет снизить влияние электромагнитного поля на оператора и при этом обеспечивает независимость качества приема от ориентации оператора за счет обеспечения всенаправленности диаграммы излучения электромагнитного поля.

Вышеизложенное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения обеспечивает возможность специалистами в данной области техники реализовать или использовать настоящее изобретение. При этом возможны различные модификации представленных вариантов осуществления, и основные принципы, определенные в настоящем описании, могут быть использованы и в других вариантах осуществления без изменения сущности изобретения. Таким образом, изобретение не ограничивается приведенными здесь вариантами осуществления, а имеет самый широкий объем, определяемый раскрытыми принципами и новыми признаками.