RU2173009C2

RU2173009C2 - Antenna

Info

Publication number: RU2173009C2
Application number: RU97104231A
Authority: RU
Inventors: Оливер Пол Лейстен
Original assignee: СимметриКом, Инк.
Priority date: 1994-08-25
Filing date: 1995-08-21
Publication date: 2001-08-27

Abstract

FIELD: antennas operating at microwave and higher frequencies. SUBSTANCE: antenna has cylindrical ceramic core 12 whose relative dielectric constant equals at least 5. Three-dimensional structure of radiating elements built up of helical antenna radiating elements 10A through 10D mounted on cylindrical surface of core 12 and used to interconnect radial elements 10AR through 10DR located on distant end surface 12D of core is formed by conducting tracks deposited directly on core surface. Elements mounted on distant surface of core are connected to feeder structure running in axial direction and mounted in lined channel 14 of core 12. Antenna radiating elements are connected through plated coaxial screen 20 that covers part of core 12 closest to point of connection which forms, together with feeder structure, built-in balancing device for matching with unbalanced feeder. EFFECT: reduced size and stiffness of antenna; improved electrical stability. 49 cl, 6 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к антенне для работы на частоте более 200 МГц, в частности, к антенне, имеющей трехмерную конструкцию из антенных элементов. The present invention relates to an antenna for operating at a frequency of more than 200 MHz, in particular, to an antenna having a three-dimensional structure of antenna elements.

В литературе [GB 2258776] описана антенна, имеющая трехмерную структуру из антенных элементов, в силу того, что она содержит множество спиральных элементов, расположенных вокруг общей оси. Такие антенны в особенности пригодны для приема сигналов со спутников, например в принимающих устройствах систем глобального ориентирования (СГО). Антенна способна принимать сигналы, имеющие круговую поляризацию, от источников, которые могут находиться непосредственно над антенной, т.е. на ее оси, или в месте, расположенном на несколько градусов выше плоскости, перпендикулярной оси антенны и проходящей через антенну, или от источников, расположенных в любой точке телесного угла между этими двумя крайними положениями. The literature [GB 2258776] describes an antenna having a three-dimensional structure of antenna elements, due to the fact that it contains many spiral elements located around a common axis. Such antennas are particularly suitable for receiving signals from satellites, for example, in receivers of global orientation systems (GPS). The antenna is capable of receiving signals having circular polarization from sources that can be directly above the antenna, i.e. on its axis, or in a place located several degrees above the plane perpendicular to the axis of the antenna and passing through the antenna, or from sources located at any point in the solid angle between these two extreme positions.

Хотя такие антенны предназначены главным образом для приема сигналов с круговой поляризацией, благодаря трехмерной структуре они также подходят в качестве ненаправленных антенн для приема вертикально и горизонтально поляризованных сигналов. Although such antennas are primarily intended for receiving circularly polarized signals, due to their three-dimensional structure, they are also suitable as omnidirectional antennas for receiving vertically and horizontally polarized signals.

Одним из недостатков таких антенн является то, что для некоторых областей применения они имеют недостаточно жесткую конструкцию и их нелегко модифицировать с тем, чтобы преодолеть этот недостаток без ухудшения эксплуатационных свойств. По этой причине антенны для приема сигналов с воздуха в неблагоприятных условиях, например расположенные снаружи на фюзеляже самолета, часто являются накладными антеннами, представляя собой просто пластинки (обычно металлические квадратные пластинки с покрытием) из проводящего материала, установленные впотай на изолирующей поверхности, которая может быть частью фюзеляжа самолета. Однако такие антенны имеют слабое усиление при малых углах подъема. Были предприняты попытки преодолеть этот недостаток, включая использование множества различно ориентированных антенн-накладок, сигнал с которых поступает на один приемник. Такая методика дорога не только вследствие необходимости использования большого числа элементов, но также в связи со сложностью объединения полученных сигналов. One of the drawbacks of such antennas is that for some applications they are not rigid enough and not easy to modify in order to overcome this disadvantage without compromising performance. For this reason, antennas for receiving signals from the air in adverse conditions, such as those located outside on the fuselage of an aircraft, are often patch antennas, representing simply plates (usually metal square plates with a coating) of conductive material, which are installed on an insulating surface, which can be part of the aircraft fuselage. However, such antennas have low gain at low elevation angles. Attempts have been made to overcome this drawback, including the use of many differently oriented antenna overlays, the signal from which is fed to one receiver. This technique is expensive not only due to the need to use a large number of elements, but also due to the complexity of combining the received signals.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения антенна для работы на частоте более 200 МГц содержит сердечник антенны из неэлектропроводного материала, имеющего относительную диэлектрическую постоянную выше 5, трехмерную конструкцию из антенных элементов, расположенную на или вблизи внешней поверхности сердечника и образующую внутренний объем, и конструкцию фидера, соединенную с конструкцией из антенных элементов и проходящую через сердечник, при этом материал сердечника занимает большую часть указанного внутреннего объема. In accordance with one aspect of the present invention, an antenna for operating at a frequency of more than 200 MHz comprises an antenna core of a non-conductive material having a relative dielectric constant higher than 5, a three-dimensional antenna element structure located on or near the outer surface of the core and forming an internal volume, and a feeder structure connected to the structure of the antenna elements and passing through the core, while the core material occupies most of the specified internal volume.

Как правило, в конструкцию из элементов входит множество антенных элементов, образующих оболочку, в центре которой находится конструкция фидера, расположенная на центральной продольной оси антенны. Сердечник предпочтительно выполнен в форме цилиндра, а антенные элементы образуют цилиндрическую оболочку, коаксиальную с сердечником. Сердечник может быть выполнен в виде цилиндрического тела, которое является твердым, за исключением узкого осевого канала для размещения конструкции фидера. Предпочтительно объем твердого материала сердечника составляет по меньшей мере 50% от внутреннего объема оболочки, образованной антенными элементами, при этом элементы лежат на внешней цилиндрической поверхности сердечника. Антенные элементы могут быть выполнены в виде металлических проводящих дорожек, связанных с внешней поверхностью сердечника и полученных, например, путем осаждения или протравливания предварительно нанесенного металлического покрытия. Typically, a structure of elements includes a plurality of antenna elements forming a shell, in the center of which is a feeder structure located on the central longitudinal axis of the antenna. The core is preferably in the form of a cylinder, and the antenna elements form a cylindrical shell, coaxial with the core. The core can be made in the form of a cylindrical body, which is solid, with the exception of a narrow axial channel to accommodate the feeder structure. Preferably, the volume of solid core material is at least 50% of the internal volume of the sheath formed by the antenna elements, with the elements lying on the outer cylindrical surface of the core. Antenna elements can be made in the form of metal conductive paths connected with the outer surface of the core and obtained, for example, by deposition or etching of a previously applied metal coating.

С тем, чтобы обеспечить физическую и электрическую стабильность, сердечник может быть изготовлен из керамического материала, например керамического материала для микроволновых печей, такого как материал на основе титаната циркония, титаната магния-кальция, танталата бария-циркония, титаната бария-неодимия или их сочетаний. Предпочтительно относительная диэлектрическая постоянная материала сердечника составляет более 10 или фактически более 20, причем она может достигать и 36 при использовании материала на основе титаната циркония. Такие материалы имеют до такой степени пренебрежимые диэлектрические потери, что Q (добротность) антенны в большей степени зависит от электрического сопротивления антенных элементов, чем от потерь в сердечнике. In order to ensure physical and electrical stability, the core may be made of a ceramic material, for example a ceramic material for microwave ovens, such as a material based on zirconium titanate, magnesium-calcium titanate, barium-zirconium tantalate, barium-neodymium titanate, or combinations thereof . Preferably, the relative dielectric constant of the core material is more than 10 or actually more than 20, and it can reach 36 when using a material based on zirconium titanate. Such materials have negligible dielectric losses to such an extent that the Q (quality factor) of the antenna is more dependent on the electrical resistance of the antenna elements than on core loss.

В особенности предпочтительный вариант реализации изобретения содержит цилиндрический сердечник из твердого материала с осевой протяженностью, равной по меньшей мере ее внешнему диаметру, при этом диаметрическая протяженность твердого материала составляет по меньшей мере 50% от внешнего диаметра. Таким образом, сердечник может быть выполнен в форме трубки, имеющей сравнительно узкий осевой канал диаметра меньшего, чем половина общего диаметра сердечника. При этом осевой канал может иметь проводящую облицовку, которая является частью конструкции фидера или экранирует эту конструкцию, определяя радиальное расстояние между конструкцией фидера и антенными элементами. Это способствует достижению хорошей воспроизводимости при производстве. Этот предпочтительный вариант содержит множество по существу спиральных антенных элементов, выполненных в форме металлических дорожек на внешней поверхности сердечника, имеющих, как правило, одинаковую протяженность в осевом направлении. Один конец каждого спирального элемента соединен с конструкцией фидера, а другой конец - по меньшей мере с одним другим спиральным элементом, при этом соединения с конструкцией фидера выполнены с использованием, как правило, радиальных проводящих элементов, и каждый спиральный элемент соединен с землей или общим для всех спиральных элементов проводом. A particularly preferred embodiment of the invention comprises a cylindrical core of solid material with an axial extent equal to at least its outer diameter, the diameter of the solid material being at least 50% of the outer diameter. Thus, the core can be made in the form of a tube having a relatively narrow axial channel of a diameter smaller than half the total diameter of the core. In this case, the axial channel may have a conductive lining, which is part of the feeder structure or shields this structure, determining the radial distance between the feeder structure and antenna elements. This contributes to good reproducibility in production. This preferred embodiment comprises a plurality of substantially helical antenna elements made in the form of metal tracks on the outer surface of the core, typically having the same axial extent. One end of each spiral element is connected to the feeder structure, and the other end to at least one other spiral element, while the connections to the feeder structure are made using, as a rule, radial conductive elements, and each spiral element is connected to the ground or common to all spiral elements by wire.

В соответствии с другим аспектом изобретения антенна для работы на частоте более 200 МГц содержит сердечник антенны из неэлектропроводного твердого материала, имеющий центральную продольную ось и выполненный из материала, имеющего относительную диэлектрическую постоянную выше 5, конструкцию фидера, проходящую через сердечник вдоль центральной оси, и размещенную на внешней поверхности сердечника конструкцию из излучающих элементов, содержащую множество антенных элементов, соединенных с конструкцией фидера с одного конца сердечника и проходящих в направлении противоположного конца сердечника к общему соединительному проводу. Сердечник предпочтительно имеет постоянный внешний профиль в осевом направлении, а антенные элементы являются проводниками, нанесенными на поверхность сердечника. Антенные элементы могут включать множество проводящих элементов, проходящих в продольном направлении над частью сердечника, имеющей постоянный внешний профиль, и множество радиальных проводящих элементов, соединяющих проходящие в продольном направлении элементы с конструкцией фидера на указанном одном конце сердечника. Выражение "конструкция из излучающих элементов" употребляется в общепринятом значении, понятном специалисту, т.е. оно необязательно означает, что элементы должны излучать энергию, как они излучали бы при соединении с передатчиком, и, следовательно, означает, что элементы либо воспринимают, либо излучают электромагнитную энергию. Соответственно, антенные устройства, предлагаемые в настоящем изобретении, можно использовать в средствах, которые предназначены только для приема сигналов, а также в средствах, способных как к передаче, так и к приему сигналов. In accordance with another aspect of the invention, an antenna for operating at a frequency of more than 200 MHz comprises an antenna core of non-conductive solid material having a central longitudinal axis and made of a material having a relative dielectric constant higher than 5, a feeder structure extending through the core along the central axis, and placed on the outer surface of the core, a structure of radiating elements comprising a plurality of antenna elements connected to a feeder structure at one end of the core and rohodyaschih towards the opposite end of the core to a common connecting wire. The core preferably has a constant external profile in the axial direction, and the antenna elements are conductors deposited on the surface of the core. Antenna elements may include a plurality of conductive elements extending in the longitudinal direction above a core portion having a constant external profile, and a plurality of radial conductive elements connecting the longitudinally extending elements with a feeder structure at said one end of the core. The expression "construction of radiating elements" is used in the generally accepted meaning understood by a specialist, i.e. it does not necessarily mean that the elements must radiate energy as they would when coupled to a transmitter, and therefore means that the elements either perceive or emit electromagnetic energy. Accordingly, the antenna devices proposed in the present invention can be used in means that are intended only for receiving signals, as well as in means capable of both transmitting and receiving signals.

Предпочтительно антенна содержит встроенное симметрирующее устройство, образованное проводящим трубчатым элементом, проходящим над частью сердечника от места соединения с конструкцией фидера к указанному противоположному концу сердечника. Трубчатый элемент симметрирующего устройства образует общий проводник для проходящих в продольном направлении проводящих элементов, а конструкция фидера содержит коаксиальную линию, имеющую внутренний проводник и внешний экранирующий проводник, при этом проводящий трубчатый элемент симметрирующего устройства соединен на указанном противоположном конце сердечника с внешним экранирующим проводником конструкции фидера. Preferably, the antenna comprises an integrated balancing device formed by a conductive tubular element extending over a portion of the core from the junction with the feeder structure to the indicated opposite end of the core. The tubular element of the balancing device forms a common conductor for the longitudinally extending conductive elements, and the feeder structure contains a coaxial line having an internal conductor and an external shielding conductor, while the conducting tubular element of the balancing device is connected at the indicated opposite end of the core with an external shielding conductor of the feeder structure.

Предпочтительно антенна с сердечником, выполненным в виде твердого цилиндра, содержит антенные элементы, включающие по меньшей мере четыре проходящих по цилиндрической внешней поверхности сердечника в продольном направлении элемента и соответствующие радиальные элементы на дальней торцевой поверхности сердечника, соединяющие продольно проходящие элементы с проводниками конструкции фидера. Предпочтительно эти проходящие в продольном направлении элементы имеют различную длину. В частности, в том случае, если антенна содержит четыре проходящих в продольном направлении элемента, два из них имеют длину больше, чем другие два, за счет того, что они имеют извилистый путь по внешней поверхности сердечника. В случае антенны для сигналов с круговой поляризацией все четыре элемента следуют вдоль, как правило, спирального пути, при этом каждый более длинный из двух элементов проходит вдоль соответствующего извилистого пути, который отклоняется, предпочтительно в форме синусоиды, в обе стороны от центральной спиральной линии. Проводящие элементы, соединяющие продольные элементы с конструкцией фидера на дальнем конце сердечника, предпочтительно являются простыми радиальными дорожками, которые могут быть закруглены внутрь. Preferably, the antenna with the core made in the form of a solid cylinder contains antenna elements comprising at least four elements extending along the cylindrical outer surface of the core in the longitudinal direction and corresponding radial elements on the far end surface of the core connecting the longitudinally extending elements with the conductors of the feeder structure. Preferably, these longitudinally extending elements have different lengths. In particular, if the antenna contains four longitudinally extending elements, two of them have a length greater than the other two, due to the fact that they have a winding path along the outer surface of the core. In the case of an antenna for circularly polarized signals, all four elements follow, as a rule, along the spiral path, with each longer of the two elements passing along the corresponding winding path, which deviates, preferably in the form of a sinusoid, on both sides of the central spiral line. The conductive elements connecting the longitudinal elements to the feeder structure at the far end of the core are preferably simple radial tracks that can be rounded inward.

Используя вышеописанные признаки, можно изготовить антенну, которая будет иметь высокую жесткость благодаря малому размеру и элементам, нанесенным на твердый сердечник из жесткого материала. Такая антенна может быть ненаправленной при малых углах к горизонту аналогично известной антенне, которая, как правило, имеет воздушный сердечник, но при жесткости, достаточной для ее использования в некоторых областях применения в качестве замены антеннам-накладкам. Малый размер и жесткость делают такую антенну пригодной для установки на обычных средствах передвижения и для использования в устройствах, которые держат в руке. В некоторых случаях возможно даже монтировать ее непосредственно на печатной плате. Using the above-described features, it is possible to manufacture an antenna that will have high stiffness due to its small size and the elements deposited on a solid core from a rigid material. Such an antenna can be omnidirectional at small angles to the horizon, similar to the known antenna, which usually has an air core, but with a rigidity sufficient to be used in some applications as a replacement for patch antennas. The small size and rigidity make such an antenna suitable for installation on conventional vehicles and for use in devices that are held in the hand. In some cases, it is even possible to mount it directly on a printed circuit board.

Поскольку антенна пригодна для приема не только сигналов с круговой поляризацией, но также вертикально и горизонтально поляризованных сигналов, ее можно использовать не только в приемниках космической навигации, но также в различных типах радиокоммуникационных устройств, например в ручных мобильных телефонах, т. е. в таких областях применения, для которых она особенно подходит, учитывая непредсказуемую природу принимаемых сигналов, как с точки зрения направления, откуда они могут быть получены, так и в отношении изменений поляризации, обусловленных отражением. Since the antenna is suitable for receiving not only circularly polarized signals, but also vertically and horizontally polarized signals, it can be used not only in space navigation receivers, but also in various types of radio communication devices, for example, hand-held mobile phones, i.e., in such applications for which it is particularly suitable, given the unpredictable nature of the received signals, both in terms of the direction from which they can be obtained, and in relation to changes in polarization, referred to by reflection.

Протяженность антенных элементов в осевом направлении, выраженная в величинах рабочих длин волн в воздухе, обычно составляет от 0,03 λ до 0,06 λ, а диаметр сердечника - от 0,02 λ до 0,03 λ. Ширина дорожки элементов составляет обычно от 0,0015 λ до 0,0025 λ, при отклонении извилистых дорожек от спирального пути, составляющем от 0,0035 λ до 0,0065 λ с каждой стороны от среднего пути, при измерении до середины извилистой дорожки. Длина проводящего трубчатого элемента симметрирующего устройства составляет от 0,03 λ до 0,06 λ.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения антенна для работы на частотах выше 200 МГц содержит антенный элемент, выполненный в форме по меньшей мере двух пар спиральных элементов, имеющих вид спиралей с общей центральной осью, и расположенную по существу в осевом направлении конструкцию фидера, содержащую внутренний питающий проводник и внешний экранирующий проводник, при этом один конец каждого спирального элемента соединен с дальним концом конструкции фидера, а другой конец соединен с общей землей или общим проводником, симметрирующее устройство содержит проводящий трубчатый элемент, расположенный коаксиально вокруг конструкции фидера, при этом проводящий трубчатый элемент отделен от внешнего экранирующего проводника фидера коаксиальным слоем изолирующего материала, имеющего относительную диэлектрическую постоянную выше 5, а ближайший конец проводящего трубчатого элемента соединен с внешним экранирующим проводником фидера. Предпочтительно длина спиральных элементов в осевом направлении больше длины проводящего трубчатого элемента симметрирующего устройства. Проводящий трубчатый элемент симметрирующего устройства может образовывать общий проводник, при этом каждый спиральный элемент оканчивается на дальнем крае проводящего трубчатого элемента. Альтернативно, дальний край проводящего трубчатого элемента представляет собой незамкнутый контур, а общий проводник является наружным экраном конструкции фидера.The length of the antenna elements in the axial direction, expressed in values of the working wavelengths in the air, is usually from 0.03 λ to 0.06 λ, and the core diameter is from 0.02 λ to 0.03 λ. The width of the track of the elements is usually from 0.0015 λ to 0.0025 λ, when the winding paths deviate from the spiral path, from 0.0035 λ to 0.0065 λ on each side of the middle path, when measured to the middle of the winding track. The length of the conductive tubular element of the balancing device is from 0.03 λ to 0.06 λ.
In accordance with another aspect of the invention, an antenna for operating at frequencies above 200 MHz comprises an antenna element made in the form of at least two pairs of spiral elements having the form of spirals with a common central axis and an essentially axially arranged feeder structure comprising an internal feeder a supply conductor and an external shielding conductor, while one end of each spiral element is connected to the far end of the feeder structure, and the other end is connected to a common ground or common conductor, symmetrically uyuschee device comprises a conductive tubular member disposed coaxially around the feeder structure, the conductive element is separated from the tubular outer shield conductor coaxial feeder layer of insulating material having a relative dielectric constant greater than 5, and the proximal end of the conductive tubular member is connected to the outer shielding conductor of the feeder. Preferably, the length of the spiral elements in the axial direction is greater than the length of the conductive tubular element of the balancing device. The conductive tubular element of the balancing device can form a common conductor, with each spiral element ending at the far edge of the conductive tubular element. Alternatively, the distal edge of the conductive tubular member is an open loop, and the common conductor is an outer shield of the feeder structure.

В изобретении предложен также способ получения антенны, как описано выше, включающий формование сердечника антенны из диэлектрического материала и металлизацию наружной поверхности сердечника в соответствии с заданным рисунком. Операция металлизации может включать нанесение на наружную поверхность сердечника металлического материала и удаление части покрытия для создания заданного рисунка или, альтернативно, создание трафарета, представляющего собой негатив указанного заданного рисунка, и осаждение металлического материала на наружную поверхность сердечника с использованием трафарета для маскирования части сердечника с тем, чтобы нанести металлический материал в соответствии с заданным рисунком. Можно использовать также другие способы осаждения рисунка из электропроводного материала требуемого вида. The invention also provides a method for producing an antenna as described above, comprising forming an antenna core from dielectric material and metallizing the outer surface of the core in accordance with a predetermined pattern. The metallization operation may include applying a metallic material to the outer surface of the core and removing part of the coating to create a predetermined pattern or, alternatively, creating a stencil that is a negative of the specified predetermined pattern, and depositing metallic material on the outer surface of the core using a stencil to mask a part of the core so to apply metallic material in accordance with the specified pattern. You can also use other methods of deposition of a pattern of conductive material of the desired type.

В особенности предпочтительный способ получения антенны, содержащей трубчатый элемент симметрирующего устройства и множество антенных элементов, образующих часть конструкции из излучающих элементов, включает получение партии диэлектрического материала, приготовление из этой партии по меньшей мере одного пробного антенного сердечника, формирование симметрирующего устройства предпочтительно без конструкции из излучающих элементов путем металлизации на сердечнике трубчатого элемента симметрирующего устройства, имеющего заданные номинальные размеры, что оказывает влияние на резонансную частоту оболочки. Затем проводят измерение резонанасной частоты этого пробного резонатора и измеренную частоту используют для получения уточненного значения размеров трубчатого элемента симметрирующего устройства для получения требуемой резонанасной частоты симметрирующего устройства. Эта же измеренная частота может быть использована для получения по меньшей мере одного размера антенных элементов, обеспечивающего их требуемые частотные характеристики. Затем осуществляют получение из той же партии материала множества антенн с симметрирующим устройством и антенными элементами, имеющими вычисленные таким образом размеры. A particularly preferred method for producing an antenna comprising a tubular element of a balancing device and a plurality of antenna elements forming part of a structure from radiating elements includes obtaining a batch of dielectric material, preparing at least one test antenna core from this batch, and forming a balancing device preferably without a radiating structure elements by metallization on the core of the tubular element of a balancing device having specified nominal dimensions, which affects the resonant frequency of the shell. Then, the resonance frequency of this test resonator is measured and the measured frequency is used to obtain an accurate dimension of the tubular element of the balancing device to obtain the desired resonant frequency of the balancing device. The same measured frequency can be used to obtain at least one size of the antenna elements, providing their desired frequency characteristics. Then, a plurality of antennas are obtained from the same batch of material with a balancing device and antenna elements having dimensions thus calculated.

Изобретение далее будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые фигуры. The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying figures.

На фиг. 1 изображен вид антенны согласно изобретению в перспективе. In FIG. 1 is a perspective view of an antenna according to the invention.

На фиг. 2 представлен схематичный осевой разрез антенны. In FIG. 2 is a schematic axial section through an antenna.

На фиг. 3 представлен частичный вид части антенны в перспективе. In FIG. 3 is a partial perspective view of a portion of the antenna.

На фиг. 4 представлено изображение пробного резонатора с частичным вырезом. In FIG. 4 is a partial cutaway image of a test resonator.

На фиг. 5 представлена схема испытательного стенда с резонатором, изображенным на фиг. 4. In FIG. 5 is a diagram of a test bench with the resonator shown in FIG. 4.

На фиг. 6 представлен другой вариант схемы испытательного стенда. In FIG. 6 shows another embodiment of a test bench layout.

Согласно фигурам четырехнитевая антенна в соответствии с изобретением содержит конструкцию из антенных элементов с четырьмя проходящими в продольном направлении антенными элементами 10A, 10B, 10C и 10D, выполненными в виде металлических проводящих дорожек на внешней цилиндрической поверхности керамического сердечника 12. Сердечник имеет осевой канал 14 с внутренней металлической облицовкой 16, в котором размещен внутренний проводник 18. Внутренний проводник 18 и облицовка 16 в данном случае образуют конструкцию фидера для соединения питающей линии с антенными элементами 10A-10D. Конструкция из антенных элементов содержит также соответствующие радиальные антенные элементы 10AR, 10BR, 10CR и 10DR, выполненные в виде металлических дорожек на дальней торцевой поверхности 12D сердечника 12 и соединяющие концы соответствующих продольных элементов 10A-10D с конструкцией фидера. Другие концы антенных элементов 10A-10D соединены с общим виртуально заземленным проводником 20 в виде нанесенного трубчатого элемента, окружающего ближнюю концевую часть сердечника 12. Этот трубчатый элемент 20 в свою очередь соединен с облицовкой 16 осевого канала 14 посредством покрытия 22, нанесенного на ближнюю торцевую поверхность 12P сердечника 12. According to the figures, a four-wire antenna in accordance with the invention comprises a structure of antenna elements with four longitudinally extending antenna elements 10A, 10B, 10C and 10D made in the form of metal conductive tracks on the outer cylindrical surface of the ceramic core 12. The core has an axial channel 14 with an inner metal cladding 16, which houses the inner conductor 18. The inner conductor 18 and cladding 16 in this case form a feeder structure for connecting the supply research with antenna elements 10A-10D. The design of the antenna elements also contains the corresponding radial antenna elements 10AR, 10BR, 10CR and 10DR, made in the form of metal tracks on the far end surface 12D of the core 12 and connecting the ends of the respective longitudinal elements 10A-10D with the feeder structure. The other ends of the antenna elements 10A-10D are connected to a common virtually grounded conductor 20 in the form of a deposited tubular element surrounding the proximal end portion of the core 12. This tubular element 20 is in turn connected to the lining 16 of the axial channel 14 by means of a coating 22 deposited on the proximal end surface 12P core 12.

Как видно на фиг. 1, четыре проходящих в продольном направлении элемента 10A-10D имеют разную длину, при этом два элемента 10B и 10D длиннее, чем два других 10A и 10C за счет того, что они имеют извилистый путь. В этом варианте реализации, предназначенном для сигналов, имеющих круговую поляризацию, более короткие продольные элементы 10A и 10C являются простыми спиралями, каждая из которых делает полвитка вокруг оси сердечника 12. В отличие от этого более длинные элементы 10B и 10D имеют соответственно извилистый путь синусоидальной формы, отклоняющийся в обе стороны от центральной спиральной линии. Каждая пара, состоящая из продольно проходящего и соответствующего радиального элементов (например, 10A и 10AR), образует проводник, имеющий заданную электрическую длину. В настоящем примере реализации общая длина каждой более короткой пары элементов 10A, 10AR и 10C, 10CR соответствует задержке распространения примерно 135^o на рабочей длине волны, в то время как каждая пара элементов 10B, 10BR и 10D, 10DR дают большую задержку, соответствующую по существу 225^o.As seen in FIG. 1, the four longitudinally extending members 10A-10D have different lengths, with two members 10B and 10D longer than the other two 10A and 10C due to the winding path. In this embodiment, designed for signals having circular polarization, the shorter longitudinal elements 10A and 10C are simple spirals, each of which makes a half turn around the axis of the core 12. In contrast, the longer elements 10B and 10D have a sinuous waveform, respectively deviating in both directions from the central spiral line. Each pair, consisting of a longitudinally extending and corresponding radial elements (for example, 10A and 10AR), forms a conductor having a given electrical length. In the present exemplary embodiment, the total length of each shorter pair of elements 10A, 10AR and 10C, 10CR corresponds to a propagation delay of about 135 ^° at the operating wavelength, while each pair of elements 10B, 10BR and 10D, 10DR give a large delay corresponding essentially 225 ^o .

Таким образом, средняя задержка распространения составляет 180^o, что эквивалентно электрической длине λ/2 на рабочей длине волны. Различие в длинах обеспечивает требуемый фазовый сдвиг четырехнитевой спиральной антенны для сигналов с круговой поляризацией, описанных в литературе [Kilgus "Resonant Quadrifilar Helix Design", The Microwave Journal, Dec. 1970, p.p. 49-54]. Две пары элементов 10C, 10CR и 10D, 10DR (т.е. одна пара длинных элементов и одна пара коротких элементов) соединены с внутренних концов радиальных элементов 10CR, 10DR с внутренним проводником 18 конструкции фидера на дальнем конце сердечника 12, в то время как радиальные элементы двух других пар элементов 10A, 10AR и 10B, 10BR соединены с экранирующим проводником конструкции фидера, образованным металлической облицовкой 16. На удаленном от центра крае конструкции фидера сигналы во внутреннем проводнике 18 и экранирующем проводнике 16 фидера примерно сбалансированы так, что антенные элементы соединены с приблизительно сбалансированным источником или нагрузкой, как будет более подробно показано ниже.Thus, the average propagation delay is 180 ^o , which is equivalent to the electric length λ / 2 at the working wavelength. The difference in lengths provides the required phase shift of the four-wire helical antenna for circularly polarized signals described in the literature [Kilgus "Resonant Quadrifilar Helix Design", The Microwave Journal, Dec. 1970, pp 49-54]. Two pairs of elements 10C, 10CR and 10D, 10DR (i.e., one pair of long elements and one pair of short elements) are connected to the inner ends of the radial elements 10CR, 10DR with the inner conductor 18 of the feeder structure at the far end of the core 12, while the radial elements of two other pairs of elements 10A, 10AR and 10B, 10BR are connected to the shield conductor of the feeder structure formed by the metal cladding 16. At the edge of the feeder structure remote from the center, the signals in the inner conductor 18 and the shield conductor of the feeder 16 are approximately balanced They are such that the antenna elements are connected to an approximately balanced source or load, as will be shown in more detail below.

Эффект извилистости элементов 10B и 10D заключается в том, что в них распространение сигналов, имеющих круговую поляризацию, в направлении спирали замедляется по сравнению со скоростью распространения сигналов в простых спиралях 10A и 10C. Коэффициент уплотнения, в соответствии с которым длина пути увеличивается благодаря извилистости, может быть рассчитан на основе следующего уравнения:

где Ф - расстояние вдоль центральной линии извилистой траектории, выраженное в радианах,
a - амплитуда извилистой траектории, также в радианах,
n - число периодов изгиба.The tortuosity effect of the elements 10B and 10D is that in them the propagation of signals having circular polarization in the direction of the spiral slows down compared to the speed of propagation of signals in

simple spirals

10A and 10C. The compaction coefficient, according to which the path length is increased due to tortuosity, can be calculated based on the following equation:

where f is the distance along the center line of the winding trajectory, expressed in radians,
a is the amplitude of the winding path, also in radians,
n is the number of bending periods.

При использовании проходящих в продольном направлении элементов 10A-10D в форме левосторонних спиралей антенна имеет максимальное усиление для сигналов с правосторонней круговой поляризацией. When using longitudinally extending elements 10A-10D in the form of left-handed spirals, the antenna has maximum gain for signals with right-handed circular polarization.

Наоборот, если антенна предназначена для приема сигналов с левосторонней круговой поляризацией, направление спиралей меняют на обратное и схему соединения радиальных элементов разворачивают на 90^o. В случае создания антенны, пригодной для работы с сигналами, имеющими как правостороннюю, так и левостороннюю круговую поляризацию, хотя и с меньшим усилением, можно использовать продольно проходящие элементы, по существу параллельные оси. Такие антенны можно использовать также для вертикально и горизонтально поляризованных сигналов.On the contrary, if the antenna is designed to receive signals with left-side circular polarization, the direction of the spirals is reversed and the connection diagram of the radial elements is rotated 90 ^° . In the case of creating an antenna suitable for working with signals having both right-handed and left-handed circular polarization, albeit with lower gain, longitudinally extending elements essentially parallel to the axis can be used. Such antennas can also be used for vertically and horizontally polarized signals.

Согласно предпочтительному примеру реализации проводящий трубчатый элемент 20 закрывает ближнюю часть антенного сердечника 12, в результате чего фидерная конструкция 16,18 изолируется материалом сердечника 12, заполняющего пространство между проводящим трубчатым элементом 20 и металлической облицовкой 16 осевого канала 14. Проводящий трубчатый элемент 20 имеет форму цилиндра длины l_B, как показано на фиг. 2, и соединяется с металлической облицовкой 16 посредством покрытия 22 ближней торцевой поверхности 12P сердечника 12. Проводящий трубчатый элемент 20 и покрытие 22 образуют симметрирующее устройство, так что сигналы в линии распространения, образованной фидерной конструкцией 16, 18, преобразуются между несбалансированным состоянием на ближайшем к точке закрепления торце антенны и сбалансированным состоянием приблизительно в плоскости верхнего края 20U экрана 20 по оси антенны. Для достижения этого эффекта длина l_B должна быть такой, что в присутствии нижележащего материала сердечника, имеющего относительно высокую относительную диэлектрическую постоянную, симметрирующее устройство имеет электрическую длину λ/4 на рабочей частоте антенны. Поскольку материал сердечника антенны имеет укорачивающее действие, а кольцевое пространство вокруг внутреннего проводника 18 заполнено изолирующим диэлектрическим материалом 17, имеющим относительно невысокую диэлектрическую постоянную, фидерная конструкция на удалении от проводящего трубчатого элемента 20 имеет малую электрическую длину. Следовательно, сигналы на периферии фидерной конструкции 16, 18 по меньшей мере приблизительно сбалансированы. (Диэлектрическая постоянная изолятора полужесткого кабеля обычно гораздо ниже, чем сердечника из керамического материала, указанного выше. Например, относительная диэлектрическая постоянная ∈_r политетрафторэтилена (ПТФЭ) составляет около 2,2.According to a preferred embodiment, the conductive tubular element 20 covers the proximal portion of the antenna core 12, as a result of which the feeder structure 16,18 is isolated by the core material 12 filling the space between the conductive tubular element 20 and the metal lining 16 of the axial channel 14. The conductive tubular element 20 has the shape of a cylinder length l _B , as shown in FIG. 2, and is connected to the metal cladding 16 by coating 22 of the proximal end surface 12P of core 12. The conductive tubular member 20 and coating 22 form a balancing device so that the signals in the propagation line formed by the feeder structure 16, 18 are converted between the unbalanced state at the nearest the fixing point of the antenna end and a balanced state approximately in the plane of the upper edge 20U of the screen 20 along the axis of the antenna. To achieve this effect, the length l _B must be such that, in the presence of the underlying core material having a relatively high relative dielectric constant, the balancing device has an electric length λ / 4 at the operating frequency of the antenna. Since the antenna core material has a shortening effect, and the annular space around the inner conductor 18 is filled with an insulating dielectric material 17 having a relatively low dielectric constant, the feeder structure at a distance from the conductive tubular element 20 has a small electric length. Therefore, the signals at the periphery of the feeder structure 16, 18 are at least approximately balanced. (The dielectric constant of an insulator of a semi-rigid cable is usually much lower than the core of ceramic material mentioned above. For example, the relative dielectric constant ∈ _{r of} polytetrafluoroethylene (PTFE) is about 2.2.

Основная резонансная частота антенны составляет 500 МГц или выше и определяется эффективной электрической длиной антенных элементов и, в меньшей степени, их шириной. Длины элементов, при данной резонансной частоте, могут зависеть также от относительной диэлектрической постоянной материала сердечника, при этом размеры антенны существенно меньше по сравнению с размерами антенны аналогичной конструкции с воздушным сердечником. The main resonant frequency of the antenna is 500 MHz or higher and is determined by the effective electric length of the antenna elements and, to a lesser extent, their width. The lengths of the elements, at a given resonant frequency, can also depend on the relative dielectric constant of the core material, while the dimensions of the antenna are significantly smaller compared to the dimensions of an antenna of a similar design with an air core.

Предпочтительным материалом сердечника является материал на основе титаната циркония. Этот материал имеет, как указано выше, относительную диэлектрическую постоянную, равную 36, а также отличается электрической стабильностью и постоянством размеров при изменениях температуры. Диэлектрические потери пренебрежимо малы. Сердечник может быть изготовлен экструзией или прессованием. A preferred core material is zirconium titanate based material. This material has, as indicated above, a relative dielectric constant of 36, and is also characterized by electrical stability and dimensional stability with temperature changes. Dielectric loss is negligible. The core may be extruded or extruded.

Антенные элементы 10A-10D, 10AR-10DR представляют собой металлические проводящие дорожки, связанные с внешней цилиндрической и торцевой поверхностями сердечника 12, причем ширина каждой дорожки по меньшей мере в четыре раза превышает ее толщину по всей рабочей длине. Дорожки могут быть получены путем нанесения металлического покрытия на поверхность сердечника 12 и затем избирательного удаления части покрытия в соответствии с трафаретом, нанесенным фотографическим способом аналогично тому, как это делают при травлении печатных схем. Альтернативно, металлическое покрытие может быть нанесено путем селективного осаждения или методом печати. В каждом из этих случаев формирование дорожек в виде наружного слоя на поверхности сердечника, имеющего стабильные размеры, позволяет получить антенну с антенными элементами, также имеющими постоянные размеры. Antenna elements 10A-10D, 10AR-10DR are metal conductive tracks associated with the outer cylindrical and end surfaces of the core 12, and the width of each track is at least four times its thickness over the entire working length. The tracks can be obtained by applying a metal coating to the surface of the core 12 and then selectively removing part of the coating in accordance with a stencil applied by a photographic method similar to that used for etching printed circuits. Alternatively, the metal coating may be applied by selective deposition or by printing. In each of these cases, the formation of tracks in the form of an outer layer on the surface of the core, which has stable dimensions, makes it possible to obtain an antenna with antenna elements also having constant dimensions.

При изготовлении сердечника из материала, имеющего более высокую, чем воздух, относительную диэлектрическую постоянную, составляющую ∈_r = 36, описанная выше антенна, используемая для приема сигналов глобальной системы ориентирования в диапазоне 1120 - 1700 МГц на частоте 1575 МГц, как правило, имеет сердечник диаметром около 5 мм при осевой протяженности (т.е. параллельной центральной оси) проходящих в продольном направлении антенных элементов 10A-10D примерно 8 мм. Ширина элементов 10A-10D составляет около 0,3 мм, а величина отклонения извилистых элементов 10B, 10C от спирального пути составляет до 0,9 мм с каждой стороны от средней линии спирали, считая от центра извилистой дорожки. Как правило, каждый элемент 10B, 10C включает пять полных синусоид с тем, чтобы обеспечить требуемый фазовый сдвиг, равный 90^o, между короткими и длинными элементами 10A-10D. При частоте 1575 МГц длина трубчатого элемента симметрирующего устройства 22 обычно составляет 8 мм или меньше. Эти размеры, выраженные в рабочей длине волны λ в воздухе, составляют, соответственно, 0,042 λ для продольной протяженности элементов 10A-10D, 0,026 λ - для диаметра сердечника, 0,042 λ или меньше - для длины экрана симметрирующего устройства, 0,002 λ для ширины дорожки, и 0,005 λ для величины отклонения извилистых дорожек. Точные размеры антенных элементов 10A-10D могут быть определены на стадии разработки методом проб и ошибок путем измерения собственного значения запаздывания до тех пор, пока не будет получен требуемый фазовый сдвиг.In the manufacture of a core from a material having a relative dielectric constant higher than air, component ∈ _r = 36, the antenna described above, used to receive signals from the global orientation system in the range 1120 - 1700 MHz at a frequency of 1575 MHz, usually has a core with a diameter of about 5 mm with an axial extension (i.e. parallel to the central axis) of the antenna elements 10A-10D extending in the longitudinal direction of about 8 mm. The width of the elements 10A-10D is about 0.3 mm, and the deviation of the tortuous elements 10B, 10C from the spiral path is up to 0.9 mm on each side of the midline of the spiral, counting from the center of the tortuous path. Typically, each element 10B, 10C includes five full sine waves in order to provide the required phase shift of 90 ^° between the short and long elements 10A-10D. At a frequency of 1575 MHz, the length of the tubular element of the balancing device 22 is usually 8 mm or less. These dimensions, expressed in operating wavelength λ in air, are respectively 0.042 λ for the longitudinal extent of the elements 10A-10D, 0.026 λ for the core diameter, 0.042 λ or less for the screen length of the balun device, 0.002 λ for the track width, and 0.005 λ for the deflection of the winding paths. The exact dimensions of the antenna elements 10A-10D can be determined at the design stage by trial and error by measuring the eigenvalue of the delay until the desired phase shift is obtained.

Как правило, однако, продольная протяженность элементов 10A-10D составляет от 0,03 λ до 0,06 λ, диаметр сердечника от 0,02 λ до 0,03 λ, длина трубчатого элемента симметрирующего устройства от 0,03 λ до 0,06 λ, ширина дорожки от 0,0015 λ до 0,0025 λ, отклонение извилистых дорожек до 0,06 λ. Typically, however, the longitudinal length of the 10A-10D elements is from 0.03 λ to 0.06 λ, the core diameter is from 0.02 λ to 0.03 λ, the length of the tubular element of the balun device is from 0.03 λ to 0.06 λ, track width from 0.0015 λ to 0.0025 λ, deviation of winding tracks to 0.06 λ.

Вследствие того, что антенна имеет очень небольшие размеры, производственные допуски могут быть такими, что точность поддержания резонансной частоты антенны может оказаться недостаточной для некоторых областей применения. Due to the very small size of the antenna, manufacturing tolerances may be such that the accuracy of maintaining the resonant frequency of the antenna may not be sufficient for some applications.

В этих случаях резонансную частоту можно устанавливать путем удаления с поверхности сердечника части нанесенного на него металлического материала, например, лазерной эрозией части трубчатого элемента симметрирующего устройства 20 в месте стыка с одним или более антенными элементами 10A-10D, как показано на фиг. 3. Как видно на фиг. 3, в экране 20 образованы вырезы 28 с каждой стороны соединения с антенным элементом 10A для удлинения элемента с тем, чтобы понизить резонансную частоту. Альтернативно, металлический материал можно удалить химическим способом путем травления с использованием, например, защитного покрытия с апертурой или апертурами соответственно материалу, травление которого проводят. Можно использовать метод эрозии мелкими частицами абразивного материала, которые эжектируют из узкого сопла на участок поверхности, который надо подвергнуть эрозии. Для защиты соседних участков покрытия можно использовать трафарет, имеющий апертуры. In these cases, the resonant frequency can be set by removing part of the metal material deposited on it from the core surface, for example, by laser erosion of a part of the tubular element of the balancing device 20 at the junction with one or more antenna elements 10A-10D, as shown in FIG. 3. As seen in FIG. 3, cutouts 28 are formed on the screen 20 on each side of the connection to the antenna element 10A to extend the element so as to lower the resonant frequency. Alternatively, the metal material can be chemically removed by etching using, for example, a protective coating with an aperture or apertures corresponding to the material being etched. You can use the method of erosion by small particles of abrasive material that are ejected from a narrow nozzle onto a surface area that must be eroded. To protect neighboring areas of the coating, you can use a stencil having apertures.

Существенным источником отклонений резонансной частоты, которые могут возникнуть при производстве, являются изменения относительной диэлектрической постоянной материала сердечника в зависимости от партии. В соответствии с предпочтительным способом получения описанной выше антенны, из каждой новой партии керамического материала изготавливают небольшие образцы опытных резонаторов, каждый из которых предпочтительно содержит антенный сердечник, имеющий размеры, соответствующие номинальным размерам антенного сердечника, на который нанесено только покрытие симметрирующего устройства, как показано на фиг. 4, Как видно на фиг. 4, опытный сердечник 12T в дополнение к нанесенному трубчатому элементу 20T симметрирующего устройства имеет также покрытый ближайший к месту прикрепления торец 12PT. На осевой канал 14T сердечника 12T может быть нанесено покрытие между ближайшей к месту прикрепления поверхностью 12PT и уровнем верхнего края 20UT трубчатого элемента 20T симметрирующего устройства или, как показано на фиг. 4, металлическая облицовка 16T может быть нанесена по всей длине осевого канала. Внешние поверхности сердечника 12T, удаленные от трубчатого элемента 20T симметрирующего устройства, предпочтительно оставлены без покрытия. A significant source of deviations of the resonant frequency that may occur during production are changes in the relative dielectric constant of the core material depending on the batch. In accordance with the preferred method for producing the antenna described above, small samples of experimental resonators are made from each new batch of ceramic material, each of which preferably contains an antenna core having dimensions corresponding to the nominal dimensions of the antenna core, which is coated only with a balancing device, as shown in FIG. 4, As can be seen in FIG. 4, the prototype core 12T, in addition to the applied tubular element 20T of the balancing device, also has a coated 12PT end closest to the attachment point. The axial channel 14T of the core 12T may be coated between the surface 12PT closest to the attachment point and the level of the upper edge 20UT of the tubular element 20T of the balancing device or, as shown in FIG. 4, a metal cladding 16T can be applied along the entire length of the axial channel. The outer surfaces of the core 12T, remote from the tubular element 20T of the balancing device, are preferably left uncoated.

Путем прессования или экструзии из партии керамического материала изготавливают сердечник 12T, имеющий номинальные размеры, на который наносят трубчатый элемент симметрирующего устройства номинальной осевой длины. Полученная конструкция образует четвертьволновый резонатор, входящий в резонанс при длине волны λ, которая приблизительно в четыре раза превышает электрическую длину экрана 20T при подаче питания на ближайший к месту прикрепления конец канала 14T там, где он пересекается с ближайшей к месту прикрепления торцевой поверхностью 12PT сердечника. By pressing or extruding from a batch of ceramic material, a core 12T having a nominal size is produced on which a tubular element of a balancing device of a nominal axial length is applied. The resulting design forms a quarter-wave resonator entering the resonance at a wavelength λ, which is approximately four times the electric length of the screen 20T when power is applied to the end of the channel 14T closest to the attachment point where it intersects with the end surface 12PT of the core closest to the attachment point.

Затем проводят измерение резонансной частоты пробного резонатора. Измерение можно провести, как схематически показано на фиг. 5, используя сетевой анализатор 30 и соединяя его источник частоты развертки 30S с резонатором, обозначенным на схеме 32T, с помощью, например, коаксиального кабеля 34, наружное экранирующее покрытие которого удалено на небольшом концевом участке 34E. Концевой участок 34E вставляют в ближайший к месту прикрепления конец осевого канала 14 (см. фиг. 4), а внешний экран кабеля 34 соединяют с металлизированным слоем 16T, смежным с ближайшей к месту прикрепления поверхностью 12PT сердечника 12T, при этом внутренний проводник кабеля 34 расположен приблизительно по центру канала 14T для того, чтобы обеспечить емкостную связь источника частоты развертки в канале 14T. Другой кабель 36, на конце которого 36E наружный экран удален аналогичным образом, соединен с эхо-сигналом 30R сетевого анализатора 30 и вставлен в дальний конец канала 14T сердечника 12. Сетевой анализатор 30 настраивают для измерения прохождения сигнала от источника 30 к приемнику 30 и наблюдают характеристическую неоднородность при четвертьволновой резонансной частоте. Альтернативно, сетевым анализатором можно измерять отраженный сигнал на источнике частоты развертки с использованием одного кабеля, как показано на фиг. 6. При этом также наблюдают резонансную частоту. Then, the resonance frequency of the test resonator is measured. The measurement can be carried out as schematically shown in FIG. 5, using a network analyzer 30 and connecting its scanning frequency source 30S to the resonator indicated in circuit 32T, using, for example, coaxial cable 34, whose outer shielding is removed at a small end portion 34E. The end portion 34E is inserted into the end of the axial channel 14 closest to the attachment point (see FIG. 4), and the outer shield of the cable 34 is connected to the metallized layer 16T adjacent to the surface 12PT of the core 12T closest to the attachment point, while the inner conductor of the cable 34 is located approximately in the center of channel 14T in order to provide capacitive coupling of the scanning frequency source in channel 14T. Another cable 36, at the end of which the outer screen 36E is similarly removed, is connected to the echo signal 30R of the network analyzer 30 and inserted into the far end of the channel 14T of the core 12. The network analyzer 30 is tuned to measure the signal passage from the source 30 to the receiver 30 and observe the characteristic heterogeneity at a quarter-wave resonant frequency. Alternatively, a network analyzer can measure the reflected signal at a scan frequency source using a single cable, as shown in FIG. 6. The resonant frequency is also observed.

Фактическая резонансная частота пробного резонатора зависит от относительной диэлектрической постоянной образующего сердечник 12T керамического материала. Полученное экспериментально или рассчитанное соотношение между размером симметрирующего экрана 20T, например, его фактической длиной, с одной стороны, и резонансной частотой, с другой, может быть использовано для определения того, как следует изменить размеры для данной партии керамического материала с тем, чтобы получить требуемую резонансную частоту. Таким образом, измеренную частоту можно использовать для расчета требуемого размера трубчатого элемента симметрирующего устройства для всех антенн, изготовленных из данной партии материала. The actual resonant frequency of the test resonator depends on the relative dielectric constant of the core material 12T of the ceramic material. The experimentally obtained or calculated ratio between the size of the 20T balancing screen, for example, its actual length, on the one hand, and the resonance frequency, on the other, can be used to determine how to resize for a given batch of ceramic material in order to obtain the required resonant frequency. Thus, the measured frequency can be used to calculate the required size of the tubular element of the balancing device for all antennas made from this batch of material.

То же измеренное значение частоты, полученное для простого пробного резонатора, может быть использовано для регулировки размеров конструкции излучающих антенных элементов, в частности, осевой длины антенных элементов 10A-10D, нанесенных на внешнюю цилиндрическую поверхность сердечника, удаленную от трубчатого элемента 20 (см. номера позиций на фиг. 1 и 2). Подобной компенсации изменений относительной диэлектрической постоянной от партии к партии можно достичь путем регулирования общей длины сердечника как функции резонансной частоты, полученной для пробного резонатора. The same measured frequency value obtained for a simple test resonator can be used to adjust the dimensions of the design of the radiating antenna elements, in particular, the axial length of the antenna elements 10A-10D, deposited on the outer cylindrical surface of the core, remote from the tubular element 20 (see numbers positions in Fig. 1 and 2). A similar compensation of changes in the relative dielectric constant from batch to batch can be achieved by adjusting the total core length as a function of the resonant frequency obtained for the test resonator.

Используя вышеописанный способ, можно в зависимости от точности, с которой требуется определить частотные характеристики антенны, обойтись без процесса лазерной подгонки, описанного выше со ссылкой на фиг. 3. Хотя в качестве испытуемого образца можно использовать антенну полностью, преимущество использования резонатора, описанного выше со ссылкой на фиг. 4, т.е. без излучающих элементов, заключается в том, что можно идентифицировать и измерить простой резонанс в отсутствие интерферирующих резонансов, связанных с излучателями. Using the method described above, depending on the accuracy with which it is necessary to determine the frequency characteristics of the antenna, it is possible to dispense with the laser fitting process described above with reference to FIG. 3. Although the antenna can be used as the test sample completely, the advantage of using the resonator described above with reference to FIG. 4, i.e. without radiating elements, it is that a simple resonance can be identified and measured in the absence of interfering resonances associated with the emitters.

Вышеописанное симметрирующее устройство антенны, нанесенное на тот же сердечник, что и антенные элементы, формируется одновременно с антенными элементами и образует единое целое с остальной частью антенны, обладая при этом такой же жесткостью и электрической стабильностью. Поскольку оно образует внешнее покрытие на удаленной части сердечника 12, оно может быть использовано для непосредственной установки антенны в печатной плате, как показано на фиг. 2. Например, если антенну следует закрепить одним концом, ближайшая к месту прикрепления торцевая поверхность 12P может быть непосредственно припаяна к основной плате с лицевой стороны печатной схемы 24 (показанной пунктиром на фиг. 2). При этом внутренний проводник 18 пропускают прямо через отверстие 26 в плате и припаивают к проводящей дорожке на нижней поверхности. Поскольку проводящий трубчатый элемент 20 образован на твердом сердечнике, имеющем высокую относительную диэлектрическую постоянную, размеры трубчатого элемента, требуемые для достижения необходимого фазового сдвига, равного 90^o, значительно ниже, чем размеры соответствующего симметрирующего устройства в воздухе. Электрическое расстояние между экранирующим проводником 16 фидера на ближайшем к месту прикрепления конце сердечника 12 и верхним краем 20U составляют λ/4. В результате край 20U электрически изолирован от земли. Токи в спиральных элементах 10A-10D протекают кольцеобразно к верхнему краю 20U и в сумме равны нулю.The antenna balancing device described above, applied to the same core as the antenna elements, is formed simultaneously with the antenna elements and forms a single unit with the rest of the antenna, while having the same rigidity and electrical stability. Since it forms an outer coating on a remote part of the core 12, it can be used to directly mount the antenna in the circuit board, as shown in FIG. 2. For example, if the antenna should be fixed at one end, the end surface 12P closest to the attachment point can be directly soldered to the main board on the front side of the printed circuit 24 (shown by the dotted line in FIG. 2). In this case, the inner conductor 18 is passed directly through the hole 26 in the board and soldered to the conductive track on the bottom surface. Since the conductive tubular element 20 is formed on a solid core having a high relative dielectric constant, the dimensions of the tubular element required to achieve the required phase shift of 90 ^° are significantly lower than the dimensions of the corresponding balancing device in air. The electrical distance between the shielding conductor 16 of the feeder at the end of the core 12 closest to the attachment point and the upper edge 20U is λ / 4. As a result, the edge 20U is electrically isolated from earth. The currents in the spiral elements 10A-10D flow annularly to the upper edge 20U and are equal to zero in total.

Согласно изобретению возможно использовать альтернативные варианты симметрирующего устройства и конструкции фидера. Например, конструкция фидера может быть соединена с симметрирующим устройством, по меньшей мере частично установленным снаружи по отношению к сердечнику 12 антенны. Так, симметрирующее устройство может быть образовано путем разделения коаксиального питающего кабеля на две коаксиальные линии распространения, работающие параллельно, при этом одна из них должна быть длиннее другой на электрическую длину λ/2, а с других концов этих соединенных параллельно коаксиальных линий их внутренние проводники соединены с образованием пары внутренних проводников, проходящих через канал 14 сердечника 12 для соединения с соответствующими парами радиальных антенных элементов 10AR, 10DR и 10BR, 10CR. According to the invention, it is possible to use alternative versions of the balancing device and the design of the feeder. For example, the feeder structure may be coupled to a balun device at least partially mounted externally with respect to the antenna core 12. Thus, a balancing device can be formed by dividing the coaxial supply cable into two coaxial distribution lines operating in parallel, while one of them should be longer than the other by an electric length λ / 2, and from the other ends of these parallel coaxial lines their inner conductors are connected with the formation of a pair of internal conductors passing through the channel 14 of the core 12 for connection with the corresponding pairs of radial antenna elements 10AR, 10DR and 10BR, 10CR.

В другом альтернативном варианте антенные элементы 10A-10D могут быть установлены непосредственно на круговом проводнике, расположенном на ближайшем к месту прикрепления крае цилиндрической поверхности сердечника 12, при этом симметрирующее устройство получают путем удлинения конструкции фидера, имеющей коаксиальный кабель, выполненный в виде, например, спирали на ближайшей к месту прикрепления торцевой поверхности 12P сердечника, так что кабель описывает спираль, направленную наружу от осевого канала 14 сердечника до пересечения с кольцевым проводником на внешнем крае торцевой поверхности 12P, где экран кабеля соединяется с кольцевым проводником. Длина кабеля от осевого канала 14 сердечника 12 до места соединения с кольцом составляет λ/4 (электрическая длина) на рабочей частоте. In another alternative embodiment, the antenna elements 10A-10D can be mounted directly on a circular conductor located at the edge of the cylindrical surface of the core 12 closest to the attachment point, while a balancing device is obtained by lengthening the feeder structure having a coaxial cable, made in the form, for example, of a spiral at the core end surface 12P closest to the attachment point, so that the cable describes a spiral directed outward from the core axial channel 14 to the intersection with the ring a conductor at the outer edge of the end surface 12P, where the cable shield is connected to the ring conductor. The cable length from the axial channel 14 of the core 12 to the junction with the ring is λ / 4 (electrical length) at the operating frequency.

Описанное соединение элементов относится к антенне для сигналов с круговой поляризацией. Такая антенна обладает чувствительностью также к вертикально и горизонтально поляризованным сигналам, однако, если антенна специально не предназначена для сигналов с круговой поляризацией, симметрирующее устройство не обязательно. Антенна может быть соединена непосредственно с простым коаксиальным фидером, внутренний проводник которого присоединен ко всем четырем радиальным антенным элементам 10AR-10DR на верхнем торце сердечника 12, а экран коаксиального фидера соединен со всеми четырьмя продольно проходящими элементами 10A-10D посредством радиальных проводников на удаленном торце 12P сердечника 12. В действительности, в менее критичных областях применения элементы 10A-10D не обязательно должны иметь спиральную конфигурацию, достаточно, если конструкция антенных элементов в целом, включая элементы и их соединения с конструкцией фидера, является трехмерной с тем, чтобы иметь чувствительность как к вертикально, так и к горизонтально поляризованным сигналам. Возможно, например, что конструкция антенных элементов включает два или более антенных элемента, каждый из которых имеет верхнюю радиальную соединительную часть, как в приведенном примере, а также аналогичную нижнюю радиальную соединительную часть и прямую часть, соединяющую радиальные части, и проходящую параллелльно центральной оси. Возможны также другие варианты конфигураций. Указанная упрощенная конструкция в особенности удобна для сотовой мобильной телефонии. Значительное преимущество использования такой антенны в ручных мобильных телефонах заключается в том, что диэлектрический сердечник позволяет избежать разрегулировки в том случае, когда антенна подносится близко к голове пользователя. Это дополнительное преимущество к малому размеру и жесткости конструкции. The described combination of elements relates to an antenna for circularly polarized signals. Such an antenna is also sensitive to vertically and horizontally polarized signals, however, unless the antenna is specifically designed for circularly polarized signals, a balancing device is not necessary. The antenna can be connected directly to a simple coaxial feeder, the inner conductor of which is connected to all four radial antenna elements 10AR-10DR at the upper end of the core 12, and the screen of the coaxial feeder is connected to all four longitudinally passing elements 10A-10D through radial conductors at the remote end 12P core 12. In fact, in less critical applications, the elements 10A-10D need not have a spiral configuration, it is sufficient if the design of the antenna elements in a whole, including the elements and their connections to the feeder structure is three-dimensional in order to have a sensitivity to both vertically and horizontally polarized signals. It is possible, for example, that the design of the antenna elements includes two or more antenna elements, each of which has an upper radial connecting part, as in the above example, as well as a similar lower radial connecting part and a straight part connecting the radial parts and running parallel to the central axis. Other configuration options are also possible. Said simplified design is particularly convenient for cellular mobile telephony. A significant advantage of using such an antenna in hand-held mobile phones is that the dielectric core avoids misalignment when the antenna is brought close to the user's head. This is an additional advantage to the small size and structural rigidity.

Что касается конструкции фидера, расположенной внутри сердечника 12, в некоторых случаях может оказаться удобным использовать заранее отформованный в канале 14 коаксиальный кабель, конец которого выходит с противоположного по отношению к радиальным элементам 10AR-10DR конца сердечника для соединения с цепью приемного устройства, например, способом, отличным от непосредственного соединения с печатной платой, описанного со ссылкой на фиг. 2. В этом случае внешний экран кабеля следует соединить с облицовкой 16 канала в двух, а предпочтительно, более чем в двух отделенных друг от друга местах. Regarding the feeder structure located inside the core 12, in some cases it may be convenient to use a coaxial cable preformed in the channel 14, the end of which extends from the opposite end of the core with respect to the radial elements 10AR-10DR for connecting to the receiver circuit, for example, by a method different from the direct connection to the circuit board described with reference to FIG. 2. In this case, the external screen of the cable should be connected to the lining 16 of the channel in two, and preferably in more than two places separated from each other.

Во многих областях применения антенну помещают в защитную оболочку, как правило, представляющую собой тонкое покрытие из пластика, окружающее антенну, при этом вокруг антенны может оставаться или отсутствовать свободное пространство. In many applications, the antenna is placed in a protective sheath, usually a thin plastic coating surrounding the antenna, and there may or may not be free space around the antenna.

Claims

1. An antenna for operating at a frequency of more than 200 MHz, comprising a three-dimensional structure of antenna elements forming an internal volume, and a feeder structure connected to a three-dimensional structure of antenna elements, characterized in that it comprises an antenna core of a solid non-conductive material having a relative dielectric material constant above 5, and a three-dimensional structure of antenna elements is located on or near the outer surface of the core, and the feeder structure passes through the core, while The rial of the core occupies most of the indicated internal volume.

2. The antenna according to claim 1, characterized in that the three-dimensional structure of the antenna elements has a substantially balanced source or load.

3. The antenna according to claim 2, characterized in that it contains a built-in balancing device.

4. The antenna according to claim 3, characterized in that the balancing device is formed by a conductive tubular element extending over the surface of a part of the core from the junction with the three-dimensional structure of antenna elements to the junction with the feeder structure at the opposite end of the core.

5. The antenna according to claim 4, characterized in that the feeder structure is formed by an inner conductor and an insulating tube placed in the core channel, and a coaxial shielding conductor made in the form of a lining of the channel walls, and the coaxial shielding conductor is connected to the conductive tubular element on the opposite end of the core.

6. The antenna according to claim 4, characterized in that the feeder structure comprises a coaxial cable extending in the core channel, the coaxial cable having a shielding conductor connected to the conductive tubular element at the indicated opposite end.

7. The antenna according to claim 1, characterized in that it comprises a common connecting conductor for a plurality of antenna elements of a three-dimensional structure of antenna elements, wherein the connecting conductor is made in the form of a conductive tubular element covering part of the core.

8. The antenna according to claim 1, characterized in that the three-dimensional structure of the antenna elements contains many antenna elements forming a shell, the center of which is located on the central longitudinal axis of the antenna, and the feeder structure coincides in space with the specified axis.

9. The antenna according to claim 8, characterized in that the core is made in the form of a cylinder, and the antenna elements form a cylindrical shell, coaxial with the core.

10. The antenna according to claim 8 or 9, characterized in that the core is made in the form of a solid cylindrical body having a hollow axial channel to accommodate the feeder structure.

11. The antenna according to claim 10, characterized in that the volume of the non-conductive solid core material is at least 50% of the internal volume of the sheath formed by the antenna elements, while the antenna elements lie on the outer cylindrical surface of the core.

12. The antenna according to any one of paragraphs.8 to 11, characterized in that the antenna elements contain metal conductive paths associated with the outer cylindrical surface of the core.

13. The antenna according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the core is made of ceramic material.

14. The antenna according to item 13, wherein the relative dielectric constant of the solid non-conductive core material is more than 10.

15. The antenna according to claim 1, characterized in that it has a core in the form of a cylinder of solid non-conductive material having an axis length equal to at least the outer diameter of the core, the diameter of the solid non-conductive material being at least 50% of the outer diameter of the core.

16. The antenna according to clause 15, wherein the core is made in the form of a tube having an axial channel of a diameter smaller than half the total diameter of the core, while the axial channel has a conductive lining.

17. The antenna according to claim 1, characterized in that the three-dimensional structure of the antenna elements comprises a plurality of antenna elements extending from the junction with the feeder structure at one end of the core to a common connecting conductor that is connected to the feeder structure at the other end of the core, feeder construction runs along the central axis.

18. The antenna according to any one of paragraphs.15 to 17, characterized in that the three-dimensional design of the antenna elements contains many essentially spiral antenna elements made in the form of metal tracks on the outer surface of the core, which, as a rule, have the same axial extent.

19. The antenna according to claim 18, characterized in that one end of each spiral antenna element is connected to the feeder structure, and the other end of at least one other spiral antenna element.

20. The antenna according to claim 19, characterized in that the connections to the feeder structure are made using, as a rule, radial conductive elements, and each spiral antenna element is connected to the ground or a virtually grounded wire common to all spiral elements.

21. An antenna for operating at a frequency of more than 200 MHz, comprising a feeder structure and a plurality of antenna elements connected to a feeder structure, characterized in that it comprises an antenna core of a non-conductive solid material having a central longitudinal axis and made of a material having a relative dielectric constant above 5, and the feeder passes through the core along the central axis, and many antenna elements are placed on the outer surface of the core and connected to the feeder structure on one end of the core and extends towards the opposite end of the core to a common connecting wire.

22. The antenna according to item 21, wherein the core has a constant external profile in the axial direction, and the antenna elements are conductors deposited on the surface of the core.

23. The antenna of claim 22, wherein the antenna elements comprise a plurality of conductors extending longitudinally along a portion of the core having a constant external profile, and a plurality of radial conductive elements connecting the longitudinally conductive conductors to a feeder structure at said one end core.

24. The antenna according to claim 23, characterized in that it comprises an integrated balancing device formed by a conductive tubular element extending over part of the length of the core from the junction of the conductive tubular element with the feeder structure at the indicated opposite end of the core.

25. The antenna according to paragraph 24, wherein the conductive tubular element of the balancing device forms a common conductor for longitudinally extending conductors, and the feeder structure comprises a coaxial line having an inner conductor and an outer shielding conductor, while the conductive tubular element of the balancing device is connected on the indicated opposite end of the core with the outer shielding conductor of the feeder structure.

26. The antenna according to any one of paragraphs.21 to 25, characterized in that the core is made in the form of a solid cylinder, and the antenna elements contain at least four conductors extending in the longitudinal direction along the cylindrical outer surface of the core, and the corresponding radial conductive elements on the remote end surface of the core connecting the conductors extending in the longitudinal direction with the conductors of the feeder structure.

27. The antenna according to p. 26, characterized in that the conductors extending in the longitudinal direction have different lengths.

28. The antenna according to item 27, wherein the antenna elements contain four longitudinally extending conductor, two of which are longer than the other two, due to the winding path along the outer surface of the core.

29. The antenna according to claim 28, wherein each of the four conductors extending in the longitudinal direction follows a generally spiral path, each longer of the two conductors passing along a corresponding winding path that deviates in each direction from central spiral line.

30. The antenna according to any one of paragraphs.26-29, characterized in that the radial conductive elements are simple radial tracks, and of equal length.

31. The antenna according to any one of claims 1 to 30, characterized in that it contains many antenna elements having a length in the longitudinal direction of 0.03 - 0.06 λ, and a core diameter of 0.02 - 0.03 λ, where λ - the working wavelength of the antenna in the air.

32. The antenna according to paragraph 24 or 25, characterized in that it contains many antenna elements having a length in the longitudinal direction of 0.03 - 0.06 λ, the core diameter is 0.02 - 0.03 λ, where λ is the working the wavelength of the antenna in the air, and the length of the conductive tubular element of the balancing device is 0.03 - 0.06 λ.
33. The antenna according to item 21, wherein the connecting conductor is a conductive tubular element extending around a part of the core.

34. The antenna according to claim 33, wherein the antenna elements and the conductive tubular element are applied to the outer surface of the core.

35. The antenna according to clause 34, wherein the antenna elements comprise longitudinally extending conductors connected to the feeder structure by a plurality of connecting conductors radially diverging from the axis and deposited on the end surface of the core.

36. An antenna for operating at a frequency of more than 200 MHz, comprising a structure of antenna elements made in the form of at least two pairs of spiral elements having the form of spirals with a common central axis, and a feeder structure located essentially in the axial direction having an internal a supply conductor and an external shielding conductor, characterized in that one end of each spiral element is connected to a remote end of the feeder structure, and the other end is connected to a common ground or virtually grounded conductor, that the antenna further comprises a balun comprising a conductive tubular member that is separate from the outer shielding conductor of the feeder structure coaxial layer of insulating material having a relative dielectric constant greater than 5, and the nearest edge of coaxial conductive tubular member is connected to the outer shielding conductor of the feeder structure.

37. The antenna according to clause 36, wherein the coaxial conductive tubular element of the balancing device forms a common ground conductor, with each spiral element terminating at the remote end of the coaxial conductive tubular element.

38. The antenna according to clause 36, wherein the remote edge of the coaxial conductive tubular element is an open loop, and the common ground conductor is the outer screen of the feeder structure.

39. A radio communication device containing an antenna for operating at a frequency of more than 200 MHz, having a three-dimensional structure of antenna elements and a feeder structure connected to it, characterized in that the antenna is an antenna according to any one of claims 1 to 38.

40. The radio communication device according to claim 39, characterized in that the antenna is mounted directly on a printed circuit board that is part of this device.

41. A method of producing an antenna for operating at a frequency of more than 200 MHz, including metallization of the outer surfaces of the dielectric material determining the shape of the antenna, characterized in that the antenna core is formed from the dielectric material in the form of a solid cylindrical body having a through channel with a diameter of less than half the diameter of the specified body and the metallization of the outer surfaces of the core is carried out in accordance with a predetermined pattern, whereby an antenna according to any one of claims 1 to 38 is obtained.

42. The method according to paragraph 41, wherein the metallization operation involves applying a metallic material to the outer surface of the core and removing part of the coating to create a given pattern.

43. The method according to paragraph 41, wherein the metallization operation includes the creation of a stencil containing a negative of the specified pattern, and the deposition of metal material on the outer surface of the core using a stencil to mask part of the core in order to apply metal material in accordance with a given patterned.

44. A method for producing a plurality of antennas, including metallization of the outer surfaces of the dielectric material determining the shape of the antenna, characterized in that the method includes the use of a batch of dielectric material, preparation of at least one test antenna core from this batch, the construction of a balancing device by metallization a core having a predetermined nominal size of a conductive tubular element of a symmetrical device that affects resonance the design frequency of the balancing device, measuring the resonant frequency to obtain an updated value of the size of the conductive tubular element of the balancing device to achieve the desired resonant frequency of the design of the balancing device, and obtaining at least one size of the antenna elements providing the required frequency characteristics of the antenna elements, and obtaining the same batch of material of many antennas with conductive tubular elements of balancing devices and antennas my elements having the obtained dimensions, and receive the antenna according to any one of paragraphs.24, 25, 36 - 38.

45. The method according to p. 44, characterized in that the test core is cylindrical and made with an axial channel, the channel being metallized in that part that has the same length with the conductive tubular element of the balancing device.

46. The method according to p. 44, characterized in that the test core is cylindrical and made with an axial channel, while the channel is metallized along its entire length.

47. The method according to item 45 or 46, characterized in that the specified size of the conductive tubular element is its axial length.

48. The method according to any of paragraphs 45 to 47, characterized in that the specified size of the antenna elements is the length of at least some antenna elements.

49. The method according to any of paragraphs 45 to 47, characterized in that the specified size of the antenna elements is the axial length of the antenna elements, while the specified axial length is the same for all antenna elements.