Компактная двухрежимная интегрированная система антенн для наземных сотовых и спутниковых телекоммуникаций
Настоящее изобретение представляет интегрированный комплект антенн, содержащий антенну сотовой связи и антенну спутниковой связи. Такой комплект антенн, следовательно, может быть использован для связи в пределах любого частотного диапазона. Техническим результатом является то, что радиотелефон с использованием этого комплекта может работать с наземной системой сотовой связи или с системой спутниковой связи. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения антенной спутниковой связи является квадрофилярная спиральная антенна, а антенной сотовой связи является симметричная вибраторная антенна с коаксиальным экраном. Штыревая часть симметричной вибраторной антенны с коаксиальным экраном позиционирована вдоль оси по центру квадрофилярной спиральной антенны. Такая ориентация обеспечивает работу в частотном диапазоне спутниковой связи и частотном диапазоне сотовой связи с незначительной электромагнитной связью. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Представленное изобретение относится к антенной технике. Конкретно, настоящее изобретение касается объединения многих антенн для обеспечения связи в пределах многих частотных диапазонов.
Уровень техники
В последние годы значительно возросли доступность и использование услуг наземной сотовой радиосвязи. В то же время становится доступным новое поколение систем телефонной связи, основанных на использовании спутников. В результате имеется растущая потребность в устройствах радиосвязи, типа радиотелефонного оборудования, обеспечивающих доступ к услугам, предлагаемым наземными сотовыми телекоммуникационными системами и телекоммуникационными системами на основе использования спутников. Следовательно, используемые этим оборудованием антенны должны обеспечивать двухрежимную двухчастотную работу.
При попытке удовлетворить эту потребность возникает ряд проблем, связанных с существующими методиками в антенной технике. Проектируемая апертура одной антенны, охватывающая и частотный диапазон сотовой связи (приблизительно от 824 до 960 МГц) и стандартные полосы частот спутниковой связи (например, от 2484 до 2500 МГц), будет требовать работы мультиоктавной ширины полосы частот. Дополнительно для апертуры будет требоваться возможность двойной поляризации, так как для каждого режима предпочтительная поляризация различна. Для сотовой связи обычно используется вертикальная поляризация, а для спутниковой связи обычно используется круговая поляризация. Обеспечение обоих видов связи при наличии одного комплекта антенн чрезвычайно затруднительно. Возможно использование многоярусных микрополосковых излучательных антенн, так как они потенциально обеспечивают работу в двух полосах частот. Однако рассмотрению реализации таких антенн в портативных устройствах радиосвязи или телефонах препятствуют их размеры для частот сотовой связи.
Если для обслуживания каждой полосы частот используются отдельные антенны проволочного типа, такие как симметричные вибраторные антенны, несимметричные вибраторные антенны, или спиральные антенны, то электромагнитная связь между двумя антеннами может вызвать неблагоприятное искажение в соответствующих диаграммах направленности антенн, таким образом уменьшая эффективность каждой антенны. Для портативных телефонов это означает, что для минимизации вредных эффектов электромагнитной связи одна антенна должна быть убрана при использовании другой. Для стационарных и автомобильных применений отдельные антенны подразумевают много мест установки с одной антенной, физически размещенной достаточно далеко от другой для минимизации взаимосвязи между ними. Многие установки антенн увеличивают размер, стоимость и сложность установки телефона.
Следовательно, имеется потребность в комплекте антенн, который обеспечивает связь по частотному диапазону сотовой связи и частотному диапазону спутниковой связи, и физически является компактным, но не страдает из-за проблем электромагнитной связи при работе в любом диапазоне.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение представляет интегрированный комплект антенн, содержащий антенну сотовой связи и антенну спутниковой связи. Следовательно, такой комплект антенн может использоваться для связи в пределах любого частотного диапазона. Использующий такой комплект радиотелефон, таким образом, может работать с наземной системой сотовой связи или системой спутниковой связи. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения антенна спутниковой связи является квадрофилярной спиральной антенной, а антенна сотовой связи является симметричной вибраторной антенной с коаксиальным экраном. Штыревая часть симметричной вибраторной антенны с коаксиальным экраном позиционирована вдоль оси по центру квадрофилярной спиральной антенны. Такая ориентация обеспечивает работу в частотном диапазоне спутниковой связи и в частотном диапазоне сотовой связи с незначительной электромагнитной связью.
Настоящее изобретение обладает свойством обеспечения пропускной способности частот сотовой связи и спутниковой связи в одном комплекте антенн.
Настоящее изобретение обладает дополнительным свойством обеспечения защиты от электромагнитных помех схем, встроенных в комплект антенн, например схемы фильтрации сигналов и схемы малошумящего усилителя.
Настоящее изобретение имеет преимущество обеспечения двухчастотной работы таким образом, что электромагнитная связь между антеннами является минимальной.
Настоящее изобретение имеет дополнительное преимущество обеспечения двухчастотной работы в комплекте антенн, который является относительно компактным.
Описанные выше и другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего, более конкретного, описания предпочтительного варианта осуществления изобретения, который иллюстрируется прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 иллюстрирует комбинацию симметричной вибраторной антенны с коаксиальным экраном и квадрофилярной спиральной антенны согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 иллюстрирует комбинацию симметричной вибраторной антенны с коаксиальным экраном и двух квадрофилярных спиральных антенн согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3 иллюстрирует комбинацию несимметричной вибраторной антенны и квадрофилярной спиральной антенны согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
I. Краткий обзор
Настоящее изобретение касается комплекта антенн, обеспечивающего сотовую связь и спутниковую связь, который может быть реализован в одном компактном устройстве. Это осуществляется посредством использования симметричной вибраторной антенны с коаксиальным экраном или несимметричной вибраторной антенны для обеспечения возможности сотовой связи, и посредством использования квадрофилярной спиральной антенны для обеспечения возможности спутниковой связи. Проводная (или "штыревая") часть антенны сотовой связи позиционирована по оси в центре квадрофилярной спиральной антенны. Такая конфигурация минимизирует электромагнитную связь между двумя антеннами, при этом минимизируя размер всего комплекта. Ниже описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения.
II. Комбинация симметричной вибраторной антенны и квадрофилярной спиральной антенны
Согласно настоящему изобретению антенна сотовой связи может быть реализована в виде симметричной вибраторной антенны. Как будет описано в этом разделе, симметричная вибраторная антенна с коаксиальным экраном особенно эффективна в комбинации с квадрофилярной спиральной антенной, причем последняя используется для спутниковой связи. Такая комбинация минимизирует электромагнитную связь и обеспечивает рациональную физическую упаковку. Относительно спутниковой связи, если комплект антенн должен применяться для работы только на прием, то может быть использована одна квадрофилярная спиральная антенна. В комплект также может быть добавлена вторая квадрофилярная спиральная антенна. Это позволяет обеспечить выделение первой квадрофилярной спиральной антенны на прием спутниковых РЧ - сигналов, в то время как вторая квадрофилярная спиральная антенна может быть использована для передачи спутниковых РЧ - сигналов.
А. Симметричная вибраторная антенна с коаксиальным экраном с квадрофилярной спиральной антенной, работающей только на прием
Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения содержит симметричную вибраторную антенну с коаксиальным экраном и квадрофилярную спиральную антенну. Такой комплект антенн при соединении с телекоммуникационным устройством, например переносным телефоном, обеспечивает работу телекоммуникационного устройства в пределах частот сотовой связи и частот спутниковой связи. Фиг.1 иллюстрирует признаки этого варианта осуществления. Комплект 100 антенн в основном является цилиндрическим и показан в продольном сечении. Комплект 100 антенн соединен с телекоммуникационным устройством (не показано) двумя кабелями, коаксиальным кабелем 102 и кабелем 118 спутниковой связи. Центральный провод 104 коаксиального кабеля 102 проходит вдоль оси по центру верхней части устройства 100. Экран коаксиального кабеля 102 заземляется на верхнюю часть электропроводного коаксиального экрана 106. Центральный провод 104 и электропроводный коаксиальный экран 106 совместно составляют симметричную вибраторную антенну с коаксиальным экраном для сотовой связи. Осевая длина электропроводного коаксиального экрана 106 и центрального провода 104 составляет каждая номинально одну четвертую длины волны на частотах сотовой связи. Эта антенна осуществляет излучение с диаграммой направленности, имеющей нулевую проекцию на ось, что идеально подходит для применений сотовой связи, и обеспечивает зону обслуживания с вертикальной поляризацией по всем азимутам с пиковым усилением около горизонта.
В варианте осуществления, показанном на фиг.1, центральный провод 104 окружен квадрофилярной спиральной антенной 108. Квадрофилярная спиральная антенна 108 обеспечивает работу присоединенного телекоммуникационного устройства в полосе частот спутниковой связи. Квадрофилярная спиральная антенна 108 обеспечивает зону обслуживания с круговой поляризацией верхней полусферы, более подходящую для применений спутниковой связи. В показанном варианте осуществления центральный провод 104 и квадрофилярная спиральная антенна 108 разделены диэлектрическим сердечником 109.
В некоторых применениях настоящего изобретения квадрофилярная спиральная антенна 108 используется в режиме только на прием. Это может иметь место, к примеру, если желательна возможность подключения к глобальной системе позиционирования (местоопределения) (ГСП, GPS). В таком применении сигнал, принятый квадрофилярной спиральной антенной 108, может требовать обработки для улучшения общей чувствительности приемника. В варианте осуществления, иллюстрируемом фиг.1, выход квадрофилярной спиральной антенны 108 соединен микрополосковой линией 110 со схемами, установленнными на печатной плате 112 (ПП), или подобного типа известной основе. Эти схемы содержат фильтр 114 предварительного усилителя и малошумящий усилитель (МШУ) 116. Конструкция этих составляющих хорошо известна специалистам в данной области техники. Далее выход МШУ 116 направлен к кабелю 118 спутниковой связи, соединенному с телекоммуникационным устройством.
В варианте осуществления, показанном на фиг.1, электропроводный коаксиальный экран 106 защищает МШУ 116 и фильтр 114 от внешних электромагнитных помех и дополнительно служит в качестве нижней части симметричной вибраторной антенны. Кроме того, открытый конец электропроводного коаксиального экрана 106 проявляет высокий импеданс к токам, текущим на внешней части электропроводного коаксиального экрана 106. Следовательно, электрический ток на конце электропроводного коаксиального экрана 106 является минимальным. Это приводит к минимальной связи с кабелем 118 спутниковой связи и коаксиальным кабелем 102, которые выступают из электропроводного коаксиального экрана 106. Действительная длина коаксиального экрана может быть скорректирована с учетом эффектов нагрузки МШУ 116 и фильтра 114 внутри электропроводного коаксиального экрана 106.
Электромагнитная связь квадрофилярной спиральной антенны 108 с центральным проводом 104 уменьшена благодаря характеру электромагнитных полей в центре квадрофилярной спиральной антенны 108. Так как каждое ответвление ветви диаметрально противоположной пары ветвей возбуждается фазой, ток в каждом ответвлении ветви пары течет в противоположных направлениях. В результате имеется тенденция к погашению направленных по оси электрических полей, индуцированных этими токами, вдоль оси квадрофилярной спиральной антенны 108. Следовательно, связь с центральным проводом 104 является минимальной. Диаграммы направленности и усиление квадрофилярной спиральной антенны 108, следовательно, испытывают минимальное влияние от наличия установленного по оси центрального провода 104.
Связь центрального провода 104 непосредственно с витками ветвей уменьшена тем, что витки не являются полностью параллельными направленному по оси центральному проводу 104. К примеру, максимальная связь может возникнуть при ориентации ответвлений ветвей параллельно центральному проводу 104. Минимальная связь может возникнуть, если ветви ортогональны центральному проводу 104. Так как ветви не являются полностью параллельными и не являются полностью ортогональными центральному проводу 104 из-за шаблона или формы спиральной намотки, а иногда из-за переменного шага, то ток, индуцируемый в ветвях, является слабым по сравнению с током в симметричной вибраторной антенне. В результате диаграммы направленности не испытывают влияния первого порядка. Длина центрального провода 104 может быть скорректирована с учетом многих возникающих эффектов нагрузки ветвей.
В. Симметричная вибраторная антенна с коаксиальным экраном с квадрофилярной спиральной антенной, работающей на прием и на передачу
Существуют другие возможные варианты осуществления, реализующие основной способ согласно фиг.1. Если требуется возможность передачи сообщений спутниковой связи, и частота передачи отлична от частоты входящих сообщений спутниковой связи, то к верхней части передающей квадрофилярной спиральной антенны может быть пристыковано устройство, аналогичное комплекту 100 антенн, как иллюстрируется фиг.2.
Примером системы, в которой требуется такой комплект антенн, является система спутниковой связи на низкой околоземной орбите (НОО). Одна такая система НОО использует около 48 спутников в восьми различных орбитальных плоскостях. Эта система использует полосу частот восходящей линии связи (передачи) от 1610 до 1626 МГц, в то время как частотный диапазон нисходящей линии связи (приема) составляет от 2484 до 2500 МГц. Для специалистов в данной области техники очевидно, что, не отступая от сущности и объема настоящего изобретения, могут быть использованы другие группы спутников и/или другие полосы частот.
Согласно фиг.2 подкомплект 201 соответствует непосредственно комплекту антенн 100, показанному на фиг.1. Подкомплект 201 содержит квадрофилярную спиральную антенну 202, работающую на прием, которая служит для приема сообщений спутниковой связи. Подкомплект 201 также содержит центральный провод 203 и коаксиальный экран 204, которые совместно формируют симметричную вибраторную антенну с коаксиальным экраном, обеспечивающую сотовую связь. Вторая квадрофилярная спиральная антенна 205 функционирует как антенна, работающая на передачу, для передачи РЧ - сигналов к спутнику. Коаксильный кабель 206 соединяет телекоммуникационное устройство с симметричной вибраторной антенной 204 с коаксиальным экраном. Первый кабель 208 спутниковой связи соединяет телекоммуникационное устройство с квадрофилярной спиральной антенной 202, работающей на прием. Второй кабель 210 спутниковой связи соединяет телекоммуникационное устройство с квадрофилярной спиральной антенной 205, работающей на передачу.
Диаграммы направленности и усиление квадрофилярной спиральной антенны 205, работающей на передачу, испытывают минимальное влияние от наличия квадрофилярной спиральной антенны 202, работающей на прием, и симметричной вибраторной антенны 204 с коаксиальным экраном, что обеспечивается центрированием кабелей, подающих питание на последние антенны, по оси квадрофилярной спиральной антенны 205, работающей на передачу. Этот "трехрежимный" вариант осуществления является идеальным для применений антенн, устанавливаемых на крыше автомобилей, используемых на магистралях, где должно быть минимальным заменение антенны, работающей на прием, крышей автомобиля.
Следует отметить, что если бы квадрофилярная спиральная антенна 205, работающая на передачу, располагалась на верхней части комплекта, то электромагнитная связь могла бы стать проблемой. В этой конфигурации (не иллюстрируемой) электромагнитная связь симметричной вибраторной антенны 204 с коаксиальным экраном с кабелем 210 спутниковой связи могла ухудшить диаграмму направленности и усиление симметричной вибраторной антенны 204 с коаксиальным экраном, так как симметричная вибраторная антенна 204 с коаксиальным экраном и кабель 210 спутниковой связи, оба были бы ориентированы вдоль оси.
III. Комбинация несимметричной вибраторной антенны и квадрофилярной спиральной антенны
Вариант осуществления настоящего изобретения, хорошо подходящий для установки на крыше автомобилей, показан на фиг.3. Этот вариант осуществления обеспечивает одновременный прием спутниковых сигналов (например, сигналов от ГСП) и доступ к услугам наземной сотовой связи. В этом варианте осуществления для сотовой связи используется несимметричная вибраторная антенна вместо симметричной вибраторной антенны с коаксиальным экраном.
Комплект 300 антенн соединяется коаксиальным кабелем 301 с телекоммуникационным устройством радиосвязи аналогично описанным выше вариантам осуществления. Как прежде, центральный провод 302 исходит из коаксильного кабеля 301 и располагается в центре комплекта 300 антенн. Центральный провод 302 служит в качестве несимметричной вибраторной антенны для сотовой связи. Экран коаксильного кабеля 301 соединен с плоской электропроводящей верхней пластиной 304. Квадрофилярная спиральная антенна 306 окружает центральный провод 302 и отделяется от центрального провода 302 диэлектрическим сердечником 307. Квадрофилярная спиральная антенна 306 соединена микрополосковой линией 308 со схемами, установленными на ПП 310. Эти схемы содержат фильтр 312 предварительного усилителя и МШУ 314, которые служат для улучшения общей чувствительности приемника, как в случае вариантов осуществления согласно фиг.1 и 2. Выходной сигнал этой схемы подается в кабель 315 спутниковой связи.
Несимметричная вибраторная антенна, центральный провод 302, излучает диаграмму направленности, имеющую нулевую проекцию на ось, с вертикальной поляризацией, в то время как квадрофилярная спиральная антенна 306 обеспечивает зону обслуживания в виде полусферы с круговой поляризацией. По тем же причинам, что приведены в разделе II.А., антенна спутниковой связи, работающая на прием, квадрофилярная спиральная антенна 306, по существу не испытывает влияния от наличия центрального провода 302 и наоборот.
Описанное выше устройство обычно закрыто и защищено антенным колпаком 316. Основание 318 комплекта 300 антенн может содержать механизм (не показанный) для присоединения к опорной поверхности для использования. Например, присоединение может быть осуществлено с использованием набора из одного или нескольких магнитов для присоединения к металлической крыше автомобиля или подобной поверхности.
IV. Заключение
Хотя выше были описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, должно быть понятно, что они были представлены в виде примера, а не ограничения. Для специалистов в данной области техники очевидно, что в форме и деталях могут быть сделаны различные изменения, без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Следовательно, представленное изобретение не должно быть ограничено каким-либо из описанных выше возможных вариантов осуществления, а определяется только в соответствии с последующими пунктами формулы изобретения и их эквивалентами.
1. Интегрированный комплект антенн, содержащий первую антенну спутниковой связи, содержащую квадрофилярную спиральную антенну для приема РЧ сигналов от спутника, антенну сотовой связи, содержащую несимметричную вибраторную антенну, расположенную вдоль центральной продольной оси квадрофилярной спиральной антенны, и вторую антенну спутниковой связи, выполненную с возможностью работы в частотном диапазоне спутниковой связи, отличном от частотного диапазона, в котором обеспечивает работу первая антенна спутниковой связи.
2. Интегрированный комплект антенн, содержащий антенну спутниковой связи, содержащую квадрофилярную спиральную антенну для приема РЧ сигналов от спутника, и антенну сотовой связи, содержащую симметричную вибраторную антенну с коаксиальным экраном, имеющую штыревую часть, расположенную вдоль центральной продольной оси квадрофилярной спиральной антенны.
3. Комплект антенн по п.2, отличающийся тем, что дополнительно содержит вторую антенну спутниковой связи, выполненную с возможностью работы в частотном диапазоне спутниковой связи, отличном от частотного диапазона, в котором обеспечивает работу первая антенна спутниковой связи.
4. Интегрированный комплект антенн, содержащий антенну сотовой связи, выполненную с возможностью работы в частотном диапазоне сотовой связи, имеющую первую центральную ось, первую антенну спутниковой связи, выполненную с возможностью работы в частотном диапазоне спутниковой связи, расположенную рядом с антенной сотовой связи и имеющую вторую центральную ось, совмещенную с первой центральной осью, и вторую антенну спутниковой связи, выполненную с возможностью работы в частотном диапазоне спутниковой связи, отличном от частотного диапазона, в котором обеспечивает работу первая антенна спутниковой связи.
5. Комплект антенн по п.4, отличающийся тем, что антенна сотовой связи содержит симметричную вибраторную антенну с коаксиальным экраном.
6. Комплект антенн по п.4, отличающийся тем, что первая антенна спутниковой связи содержит квадрофилярную спиральную антенну для приема радиочастотных сигналов от спутника.
7. Комплект антенн по п.4, отличающийся тем, что первая антенна спутниковой связи содержит квадрофилярную спиральную антенну для приема радиочастотных сигналов от спутника, а антенна сотовой связи содержит симметричную вибраторную антенну с коаксиальным экраном, имеющую штыревую часть, расположенную вдоль центральной продольной оси квадрофилярной спиральной антенны.
8. Комплект по п.4, отличающийся тем, что вторая антенна спутниковой связи содержит квадрофилярную спиральную антенну для передачи радиочастотных сигналов к спутнику.
