PT94909B

PT94909B - Dispositivo de antenas espirais aperfeicoado

Info

Publication number: PT94909B
Application number: PT94909A
Authority: PT
Inventors: Laurent Maury
Original assignee: Dassault Electronique
Priority date: 1989-08-03
Filing date: 1990-08-03
Publication date: 2000-03-31
Also published as: PT94909A; SE510274C2; DE4032891A1; SE9002555D0; NL9001759A; FR2751470A1; CA2023210C; DE4032891C2; FR2751470B1; GB2316231B; BE1011665A5; NL194817B; CA2023210A1; GB2316231A; NL194817C; US6166708A; IT9067789A1; IT1283982B1; SE9002555L; IT9067789A0

Description

invento refere-se a antenas espirais.

Uma antena espiral compreende sobre um suporte, dois fios de comprimento idêntico, enrolados de modo adjacente para formar, em conjunto, uma espiral, cujo valor da frequência inferior de funcionamento está relacionado, numa primeira aproxima ção, com o do seu diâmetro externo.

Se se pretender limitar a radiação à porção de espaço situada em torno da espiral, pode-se colocar a outra face do suporte em contacto com uma cavidade cheia de um material electromagneticamente absorvente. Uma antena deste tipo, correctamente alimentada com sinais eléctricos de alta frequência, radia na porção de espaço desejada, numa banda de frequência mui. t o larga.

Pretendia-se dispor de tais antenas em rede. No entanto, uma tal configuração levanta, como se verá mais em detalhe a seguir, problemas de funcionamento ligados nomeadamente às propriedades das redes, em particular quando se pretende um funcionamento numa banda de frequências muito larga.

invento visa proporcionar uma solução para este problema .

Uma finalidade do invento é a de propor um dispositivo com preendendo uma pluralidade de antenas espirais dispostas em rede, podendo funcionar numa banda de frequências muito larga sem alterações de funcionamento ligadas à estrutura em rede.

Segundo uma característiea geral do invento, o dispositivo de antena proposto compreende, sobre um substrato, pelo menos dois elementos radiantes e um par de bornes de alimentação de sinais eléctricos de alta frequência, para cada um destes elementos; cada um deles compreende uma zona conformada em espiral e, pelo menos um deles possui um prolongamento dos fios da sua espiral tendo características geométricas diferentes das da dita espiral.

Outras vantagens e características do invento, evidenciar -se-ão do exame à descrição pormenorizada, que se segue, e dos

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-3desenhos anexos, nos quais:

- a figura 1 e 2 ilustram, muito esquematicamente, uma antena espiral clássica, isolada;

- a figura 3 ilustra, esquematicamente, três antenas espirais reagrupadas segundo uma configuração que apresenta problemas de funcionamento, e

- a figura 4 é uma representação, esquemática, parcial, de um modo de realização de um dispositivo de acordo com o invento.

Os desenhos compreendem os elementos de carácter definido indispensáveis. A este título, fazem parte integrante da descri ção e poderão não somente servir para melhor compreensão da descrição pormenorizada que se segue, mas também contribuir, se necessário, para a definição do invento.

Tal como ilustrado esquematicamente nas figuras 1 e 2, uma antena espiral impressa compreende, sobre uma face de um suporte (por exemplo um diélectrico) SU, dois fios metálicos BI e B2, de comprimento idêntico, enrolados mutuamente de modo adjacente para formar uma espiral SP. Por outras palavras, com excepção da vizinhança das extremidades do fio, cada porção de fio está rodeada por duas porções do outro fio.

E conveniente salientar que se ilustra aqui uma espiral di. ta de Arquimedes, isto é, uma espiral na qual cada fio tem uma espessura constante e um espaçamento constante em relação ao ou tro fio. Contudo, são previsíveis outros tipos de espirais, tais comò as espirais ditas logarítmicas, nas quais está prevista uma taxa de expansão para as larguras dos fios, bem como um espaçamento crescente entre estes. No contexto da presente descrição, os termos espirais ou antenas espirais devem ser interpretados num sentido muito lato, cobrindo todos os tipos de espirais.

Uma tal antena é susceptível de funcionar numa banda de frequências muito larga, de tal modo que a relação entre a frequência superior e a frequência inferior seja, por exemplo, da ordem de quatro. A sua frequência inferior de funcionamento é então dada, numa primeira aproximação, pela fórmula seguinte:

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-4ρΐ.Ίλ ·= c/ϊΊ = lambdal na qual pi designa o número real sensivelmente igual a 3,14,

D designa o diâmetro externo da espiral SP, c designa a velocidade da luz,

Fl designa a frequência inferior de funcionamento, e lambdal designa o comprimento de onda associado à frequência Fl.

Uma antena espiral apresenta igualmente, a particularidade de radiar, tanto na porção de espaço situada em frente da espiral SP, como na porção de espaço situada em frente da outra face, ou face traseira, do suporte SU. Igualmente, se se preten der limitar esta radiação à porção de espaço situada em frente da face dianteira do suporte, pode-se colocar a outra face deste último em contacto com uma cavidade CA, preenchida com material absorvente de ondas electromagnéticas de alta frequência, numa banda larga.

A alimentação dos dois fios de uma tal antena efectua-se por meio de fios FI1 e F12 ligados às extremidades respectivas dos dois fios situados no centro da espiral. A alimentação de sinais eléctricos de alta frequência efectua-se, geralmente, com a ajuda de um cabo coaxial CO, que é, por natureza, assimétrico, uma vez que compreende uma alma central e um revestimento. Um bom funcionamento de uma antena espiral, requer devido às suas caracteristicas geométricas simétricas, uma alimentação de sinais eléctricos do tipo simétrico, isto é idêntica para os dois fios. E, igualmente, necessário prevêr, na traseira da cavidade. CA, um elemento electrónico simetrizador SY, que assegu, que ra esta função de simetrizaçâo. Convém salientar aqui/os dois fios FIl e FI2, que atravessam a cavidade de material absorvente CA, não pertubam a radiação da antena, uma vez que aquela está inibida na porção de espaço traseira.

Com a finalidade de, nomeadamente, beneficiar as proprieda des de funcionamento, numa banda muito larga, das antenas espirais, prevê-se o reagrupamento destas em rede. Uma solução pode ria consistir em dispor estas espirais lado a lado, tal como ilustrado muito esquematicamente na figura 3. Contudo uma tal

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-5soluçâo não é satisfatória pelas razões que se invocam agora.

Com efeito, sabe-se que o bom funcionamento de uma rede com uma dada frequência depende intimamente do passo de espaça mento das antenas elementares, que constituem esta rede. Assim, para um comprimento de onda lambda, correspondente a uma dada frequência de funcionamento, é necessário que o passo p da rede seja inferior ou igual a metade do valor deste comprimento de onda. Efectivamente, se o passo p exceder metade desse valor, o diagrama de radiação da rede pode apresentar um lobo parasita ou lobo de rede, desfasado em relação ao lobo principal útil desta rede, perturbando o funcionamento desta última.

passo p de uma tal rede é mínimo quando as espirais estão próximas umas das outras, de tal modo que o seu diâmetro externo D, respectivo, é sensivelmente igual ao passo ρ. A fre quência baixa de funcionamento, Fl, correspondente ao comprimen to de onda lambdal, o passo p, igual aliás ao diâmetro D, toma então, por aplicação da fórmula dada anteriormente, o valor (lambdal/pi). Não se põe, portanto, a esta frequência nenhum problema de funcionamento, uma vez que o passo p é inferior a (lambdal/2).

No entanto, se se pretende fazer esta rede funcionar numa banda de frequências muito larga, indo até uma frequência alta de funcionamento F2, igual a, por exemplo, quatro vezes a fre, quência baixa de funcionamento Fl, apercebemo -nos de que o passo p é então igual ao produto do comprimento de onda lambda2, correspondente à frequência F2, por um factor igual a 4/pi. 0 funcionamento da rede é, então, alterado à frequência F2, devi do à presença de um lobo de rede, uma vez que o passo p é sup£ rior a lambda2 e portanto, a fortiori, a (lambda2/2).

invento traz uma solução para este problema.

Com efeito, a requerente observou que, num dispositivo com preendendo uma pluralidade de elementos radiantes (pelo menos dois) possuindo, cada um, uma zona conformada em espiral, convi nha que pelo menos um deles possuísse um prolongamento dos fios da sua espiral tendo características geométricas diferentes das

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-6da dita espiral.

A partir desta observação muito geral, a requerente concebeu o invento num modo de realização particular ilustrado na fi. gura 4.

Nesta figura, com a finalidade de simplificação, não foram representadas senão as configurações geómetricas dos fios das diferentes espirais, estando previsto, naturalmente um par de bornes de alimentação de sinais eléctricos de alta frequência, para cada um dos elementos radiantes desta rede.

Seesta rede, tiver que funcionar a partir de uma frequência baixa Fl, o comprimento dos dois fios de cada elemento radiante da rede, comprimento idêntico para todos os elementos radiantes, é determinado de modo que uma antena espiral elementar, formada por estes dois fios, tenha um diâmetro externo D que permita o funcionamento a esta frequência baixa Fl.

Na rede que tiver que funcionar numa banda de frequências muito larga até uma frequência elevada F2 igual a, por exemplo, quatro vezes a frequência baixa, escolhe-se um passo de rede p2 geralmente inferior, e de preferência igual, a metade do valor do comprimento de onda lambda2. Os dois fios de cada elemento radiante da rede são, em seguida, enrolados de modo adjacente para formar uma zona conformada em espiral, possuindo um diâmetro externo D2 sensivelmente igual ao passo p2. Todas estas zonas conformadas em espirais SP1-SP7, são, em seguida, alinhadas lado a lado, sobre o substrato, de modo a formar uma fileira.

excesso de comprimento dos fios, Bli, e B2i, de um elemento radiante é, em seguida, disposto sobre a superfície livre do substrato e forma um prolongamento BBli e PB2i, possuindo características geométricas diferentes das da espiral correspon dente SPi.

Assim, neste exemplo, os dois fios PBli e PB2i do prolonga mento da espiral SPi deixam esta última em pontos diametralmente opostos e circulam em torno de todas as zonas SP1-SP7 dos elementos radiantes, no mesmo sentido do das espirais. Por outras palavras, todos os fios de todos os prolongamentos circulam, de

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-7modo adjacente uns aos outros, para formar uma coroa periférica que rodeia completamente as espirais SP1-SP7.

Uma tal rede funciona então correctamente à frequência ele vada F2, uma vez que o passo foi determinado para isso. Funciona igualmente correctamente a todas as outras frequências, até à frequência baixa Fl, uma vez que o passo p2, calculado para a frequência elevada F2, é forçosamente inferior a metade do va lor do comprimento de onda lambdal, correspondente a esta frequência baixa de funcionamento.

Convém, igualmente, acentuar que a contribuição da radiaçã deste dispositivo de antena é fornecida, principalmente, pelas espirais SFi, no que se refere à frequência alta de funcionamen to, enquanto que a coroa periférica CF contribui, principalmente, para a frequência baixa de funcionamento.

Contudo, pode ser vantajoso que as linhas desta coroa peri férica CP sejam parcialmente ou totalmente recobertas com um material com perdas a hiperfrequência, tal como os materiais carregados com ferrite (Ferrite). Neste caso, as linhas desta coroa não participam directamente na radiação na parte inferior da banda, uma vez que amortecem a onda electromagnética a todo o comprimento do seu percurso sobre estas linhas. Em contrapartida, estas linhas permitem melhorar notavelmente os comportamentos na parte inferior da baqda, evitando muito largamente a propagação de retorno da onda electromagnética na espiral, propagação gerada pela reflexão da onda electromagnética no fim do fio.

Pode-se, bem entendido, controlar esta radiação na parte inferior da banda, por localização adequada do material de perdas, fazendo-se contudo notar que de qualquer modo esta radiação de baixa frequência se produz igualmente para uma pequena parte ao nível das espirais SPi e isto sem praticamente nenhuma perturbação.

invento não está limitado ao modo de realização descrito anteriormente, englobando todas as variantes contidas no quadro das reivindicações seguintes.

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-8Deste modo, o prolongamento dos fios das espirais pode-se situar no plano destas últimas ou então fora desse plano. Também, num caso e/ou no outro, o prolongamento pode circular ou não circular em torno das ditas espirais.

Descreveram-se anteriormente espirais tendo, todas, no seu plano a mesma configuração angular. 0 perito na arte sabe que é possível variar a fase de uma antena espiral, actuando sobre esta configuração angular. Tal consideração pode ser aplicada ao presente invento.

Bem entendido, alguns dos meios descritos acima podem ser omitidos nas variantes em que não tenham utilidade.

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Claims

1§. - Dispositivo de antena, caracterizado por compreender, sobre um suporte (SU), pelo menos dois elementos radiantes e um par de bornes de alimentação de sinais eléctricos de alta frequência para, cada um, destes elementos e por cada um destes dois elementos comportar uma zona conformada em espiral (SPi), possuindo pelo menos um deles um prolongamento (PBli , PB2i) dos fios da sua espiral tendo características geométricas diferentes das da referida espiral.

2$. - Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por cada elemento possuir um prolongamento dos fios da sua espiral tendo características geométricas diferentes das dessa espiral.

3^ê. - Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado por o passo de espaçamento (p2) das espirais ser sensivelmente inferior ou igual a metade do comprimento de onda correspondente à frequência alta de funcionamento do dispositivo.

4- . - Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por os diâmetros externos respectivos (D2) das referidas espirais, serem sensivelmente iguais.

5- , - Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o passo de espaçamento ser sensivelmente igual ao diâ metro externo das espirais,

6- . - Dispositivo de acordo com uma das reivindicações pre cedentes, caracterizado por o referido prolongamento circular, em torno de zonas conformadas em espiral dos elementos radiantes, no mesmo sentido do que o das referidas espirais, formando os dois fios deste prolongamento, mutuamente, uma coroa periférica (CP) .

7§ . - Dispositivo de acordo com as reivindicações 2 e 6 combinadas, caracterizado por todos os fios de todos os prolon gamentos circularem de modo adjacente uns dos outros, para for mar a referida coroa periférica que envolve completamente as espirais.

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-108^ã. - Dispositivo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado por comportar uma pluralidade de elementos radiantes, cujas zonas conformadas em espiral formam uma fileira .

9ê. _ Dispositivo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por todas as espirais dos elementos radiantes da referida fileira terem a mesma configuração angular.

105. _ Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 6 a 9, caracterizado por os dois fios do prolongamento de uma espiral sairem da referida espiral em pontos diametralmente opostos da referida espiral.

11-. - Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por o comprimento de todos os fios de todos os elementos radiantes ser sensivelmente idêntico e ser determi t

nado em função da frequência baixa de funcionamento do dispositivo.

12§. _ Dispositivo de acordo·com uma das reivindicações pre cedentes, caracterizado por pelo menos um prolongamento de fios ser recoberto, pelo menos parcialmente, por um material com perdas a hiperfrequências.