DE19722742C2 - Dualpolarisierte Antennenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine dualpolarisierte Antennenanordnung zum Abstrah­ len und Empfangen von elektromagnetischen Wellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Horizontal oder auch vertikal polarisierte Strahleranord­ nungen, beispielsweise in Form von in der Polarisations­ ebene angeordneten Dipolen, quer dazu angeordneten Schlit­ zen oder in Form von planaren Strahlerelementen, wie Patchstrahlern, sind hinlänglich bekannt. Im Fall von ho­ rizontal polarisierten Strahleranordnungen sind dabei die Dipole horizontal angeordnet. Entsprechende Strahleranord­ nungen in Form von Schlitzen sind in diesem Fall vertikal angeordnet. Ebenfalls sind Strahleranordnungen bekannt, welche zum gleichzeitigen Abstrahlen und Empfangen von Wellen mit zwei orthogonalen Polarisationen verwendet wer­ den können, die nachfolgend auch als dualpolarisierte An­ tennen bezeichnet werden. Entsprechende Strahleranordnungen, beispielsweise aus mehreren Elementen in Form von Di­ polen, Schlitzen oder Planarstrahlelementen, sind aus der EP 0 685 900 A1 oder aus der Vorveröffentlichung "Anten­ nen", 2. Teil, Bibliographisches Institut Mannheim/Wien/­ Zürich, 1970, Seiten 47 bis 50 bekannt.

Zur Erhöhung der Richtwirkung werden diese Strahleranord­ nungen üblicherweise vor einer reflektierenden Fläche, dem sogenannten Reflektor angeordnet. Weiterhin hat sich für. Mobilfunkanwendungen eine schiefwinklige Anordnung von dual polarisierten Strahleranordnungen, beispielsweise + oder -45°, als günstig erwiesen, so dass jedes System eine lineare Polarisation von +45° oder -45° abstrahlt und beide wiederum orthogonal zueinander sind.

Als nachteilig erweist sich bei den verschiedenen Strah­ lertypen, dass bei +/-45° Polarisation diese nur in der Hauptstrahlrichtung diese exakte Ausrichtung aufweist. Je nach Strahlertyp wird die Ausrichtung der Polarisation bei großer Winkelabweichung von der Hauptstrahlrichtung mehr oder weniger von den gewünschten +45° oder -45° abweichen und ist somit abhängig von der Ausbreitungsrichtung. Ist der Strahlertyp beispielsweise ein +45° oder -45° ausge­ richteter Dipol, so ist dies anschaulich nachvollziehbar. Da in der jeweiligen Abstrahlrichtung nur die Projektion des Dipols in Erscheinung tritt, ist beispielsweise senk­ recht zur Hauptstrahlrichtung die Polarisation nahezu ver­ tikal.

Bei +45°/-45° dual polarisierten Antennen ist es aber er­ wünscht, dass die Ausrichtung der linearen Polarisation unabhängig, d. h. zumindest weitgehend unabhängig von der Abstrahlrichtung ist. Dies bedeutet bei schiefwinkligen Polarisationsebenen, die beispielsweise mit +45° und -45° ausgerichtet sein können, dass auch bei der vektoriellen Zerlegung des Feldstärkevektors in einen horizontalen und einen vertikalen Anteil die Strahlungsdiagramme der verti­ kalen und horizontalen Einzelkomponenten die gleiche Halb­ wärtsbreite wie die Summenkomponente aufweisen sollen.

Bei Mobilfunkanwendungen wird vorzugsweise mit großen ho­ rizontalen Halbwertsbreiten von 60°-120° gearbeitet; so­ mit bewirkt hierbei der angeführte Effekt der Abhängigkeit der Polarisationsausrichtung von der Abstrahlrichtung bei den meisten Strahlertypen, dass bei den horizontalen Strahlungsdiagrammen der vertikalen und horizontalen Ein­ zelkomponenten die Halbwertsbreite der vertikalen Kompo­ nente größer ist als die Halbwertsbreite der horizontalen Komponente.

Als nachteilig erweist sich somit bei Antennen mit schief­ winkliger Polarisation, insbesondere mit einer Ausrichtung der Polarisationsebene von +45° und -45°, dass es mit ein­ fachen Mitteln nicht möglich ist, Halbwertsbreiten von mehr als 85°-90° realisieren zu können und weiterhin es mit den bisher bekannten Mitteln nicht möglich ist, eine nahezu konstante Ausrichtung der Polarisation zu errei­ chen.

Aus der gattungsbildenden Vorveröffentlichung US 5,481,272 ist eine zirkularpolarisierte Antennenanordnung bekannt geworden. Das Strahlermodul besteht aus zwei kreuzförmig zueinander angeordneten Dipolen, welche in Diagonalaus­ richtung in einer in Draufsicht quadratischen Reflektorbox angeordnet sind. Mit anderen Worten bildet der parallel zu den Dipol-Flächen angeordnete Reflektorbox-Boden die eigentliche Reflektorebene, welche umlaufend mit senkrecht zur Reflektorebene ausgerichteten leitenden Begrenzungs­ wänden versehen ist. Diese Vorveröffentlichung beschreibt somit eine Kreuzdipolanordnung für Zirkularpolarisationen.

Aus der DE VITO, G. et al.: Improved Dipol-Panel for Cir­ cular Polarization. In: IEEE Transactions an Broadcasting, Vol. BC-28, No. 2, June 1982, Seiten 65 bis 72 ist eine Kreuzdipolanordnung ebenfalls für Zirkularpolarisationen als bekannt zu entnehmen, bei welcher die Form des Reflek­ tors für die Beeinflussung des Strahlungsdiagramms benutzt wird. Das Reflektorblech ist hier ebenfalls wieder in Draufsicht zu dem darüber diagonalförmig ausgerichteten Dipolkreuz quadratisch geformt und von beispielsweise im 45° Winkel zur Reflektorebene ausgerichteten umlaufenden Reflektorwänden umgeben.

Aus der DE-GM 71 42 601 ist ein typisches Richtstrahler­ feld für zirkulare oder elektrische Polarisationen zum Aufbau von Rundstrahlantennen bekannt.

Schließlich beschreibt die Vorveröffentlichung EP 0 730 319 A1 eine Antennenanordnung mit zwei in Vertikalaus­ richtung im Abstand übereinander angeordneten Dipolanten­ nen, die vor einem Reflektorblech sitzen. Das Reflektor­ blech ist dabei mit zwei seitlichen außenliegenden Reflek­ torabschnitten bzw. Reflektorflügel versehen, die um eine vertikal und parallel zu den Dipolen verlaufende Knickkan­ te nach vorne abgewinkelt sind. Dadurch soll, die Antennen­ charakteristik verändert werden, um eine seitliche Ab­ strahlung zu unterbinden. Dazu wird bevorzugt ein Kantwin­ kel für die Seitenreflektorteile verwendet, der zwischen 45° bis 90° beträgt, also bei 90° senkrecht zur Reflektorebene steht.

Zudem ist diese Antenne ferner noch mit zwei zusätzlichen auf der Reflektorfläche aufgesetzten und zwischen den abgewinkelten seitlichen Reflektorabschnitten und den in Vertikalausrichtung sitzenden Dipolen liegenden Reflektor­ schienen versehen, die in der Mitte mit einem Längsschlitz ausgestattet sind. Der Längsschlitz liegt dabei zwischen den beiden Vertikal-Dipolen und wird in Seitenansicht über die außenliegenden Reflektorblechabschnitte überdeckt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend von einer nach dem gattungsbildenden Stand der Technik bekann­ ten dualpolarisierten Antenne, deren lineare Polarisatio­ nen in einem Winkel von +45° und -45° bezogen auf die Ver­ tikale ausgerichtet sind, eine deutliche Verbesserung dahingehend zu schaffen, dass eine Verbreiterung der Strahlungscharakteristik in der gewünschten Ausstrahlungs­ ebene, d. h. insbesondere in der horizontalen Ausstrah­ lungsebene ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im An­ spruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange­ geben.

Es ist höchst überraschend, dass bei einer dualpolarisier­ ten Antennenanordnung durch Verwendung von seitlichen Reflektorwänden, in denen ein Längsschlitz eingebracht wird, eine Verbesserung der seitlichen Abstrahlcharakte­ ristik erzielbar ist!

Dazu ist vorgesehen, dass in den Seitenwandabschnitten der zumindest jeweils eine Schlitz so angeordnet ist, dass er in der Höhe der auf das betreffende Strahlermodul bezoge­ nen horizontalen Schnittebene liegt. Mit anderen Worten liegt der Schlitz bei zwei übereinander angeordneten sepa­ raten Strahlermodulen nicht in Höhe des Abstandes zwischen den beiden Strahlermodulen, sondern jeweils in Höhe des betreffenden Strahlermoduls, also seitlich zu diesem lie­ gend.

Dabei ist überraschend und interessant, dass die seitlich von den Strahlermodulen vorgesehenen Schlitze gleichzeitig von den +45°-Polarisationskomponenten wie auch den -45°- Polarisationskomponenten angeregt werden. Obgleich man erwarten sollte, dass dies zu einer Verringerung der Ent­ kopplung zwischen den +45°-Polarisationskomponenten und den -45°-Polarisationskomponenten führen könnte, tritt jedoch dies nicht ein. Dabei ist es erfindungsgemäß mög­ lich die Schlitze und Abmaße derart zu bestimmen, dass der Strahlungsbeitrag der Schlitze keine oder nur eine gering­ fügige Phasenverschiebung gegenüber dem vertikalen Polari­ sationsanteil bewirkt und somit zu einer deutlichen Ver­ besserung der Polarisationsausrichtung der +45°/-45° pola­ risierten Antennen beiträgt. Die optimale Abstrahlcharak­ teristik wird dann erzielt, wenn, wie erfindungsgemäß vorgesehen ist, die Schlitze in den Seitenwandabschnitten derart gewählt sind, dass diese außerhalb ihrer Resonanz strahlen.

Zwar ist grundsätzlich aus der obengenannten EP 0 730 319 A1 bekannt, dass auf einem Reflektorblech seitliche Wand­ abschnitte ausgebildet sein können, in denen Längsschlitze eingebracht sind. Allerdings handelt es sich bei dieser Vorveröffentlichung nicht um eine dualpolarisierte Anten­ ne, sondern nur um eine Antenne mit vertikaler Polarisation, bei welcher übereinander in vertikalem Abstand zwei Dipole in Vertikalausrichtung sitzen. Der vorgesehene Schlitz in einem seitlich dazu angeordneten Seitenwand­ abschnitt ist aber abweichend von dem Erfindungsgegenstand nicht in Höhe der Strahlermodule, sondern zwischen diesen liegend ausgebildet. Dabei kann es zu keiner gezielten Anregung des Schlitzes wie bei der vorliegenden Erfindung kommen. Vor allem ist völlig überraschend, dass ein erfin­ dungsgemäß vorgesehener Schlitz im Fall einer dualpolari­ sierten Antenne nicht zu einer Verringerung der Entkopp­ lung zwischen den +45° und -45° Polarisationen führt.

Zudem ist völlig überraschend, dass bei der erfindungsge­ mäßen Antennenanordnung die Schlitze durch Abmaße und Lage derart abgestimmt werden können, dass der Strahlungsbei­ trag der Schlitze keine oder nur eine geringfügige Phasen­ verschiebung gegenüber dem vertikalen Polarisationsanteil bewirkt und somit zu einer deutlichen Verbesserung der Polarisationsausrichtung der +45°/-45° polarisierten Anten­ ne beiträgt (bei andersartiger Abstimmung und Lage würden zirkulare Anteile entstehen).

Schließlich ergeben sich die erfindungsgemäßen Vorteile auch dann, wenn bei einem vorgesehenen Reflektor aus der Reflektorebene vorstehende Seitenwände vorgesehen sind, in welche etwa in Höhe des Primärstrahlers gegenüberliegend Schlitze eingebracht sind. Hierdurch erfolgt eine elek­ tromagnetische Verkopplung mit dem Primärstrahler, wodurch nunmehr in unerwarteter Weise das Strahlungsdiagramm ver­ breitert werden kann.

Durch die erfindungsgemäß am Reflektor vorgesehenen und aus der Reflektorebene vorzugsweise vorstehenden Seitenwände mit den darin eingebrachten Schlitzen kann überra­ schenderweise die Amplitude und Phase der durch die ange­ koppelten Schlitze abgestrahlten Wellen in positiver Weise beeinflusst werden. Erreicht werden kann dadurch, dass in Hauptstrahlrichtung und in rückwärtiger Richtung Auslö­ schungen erfolgen, und dass orthogonal zur Hauptstrahlrichtung additive Überlagerungen erzielt werden und somit eine Verbreiterung der Strahlungscharakteristik erfolgt.

Als positiv und überraschend kann ferner angemerkt werden, dass die erfindungsgemäße Antennenanordnung eine breit­ bandige Charakteristik aufweist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1 ein erstes schematisches Ausführungsbei­ spiel einer dualpolarisierten Antennenan­ ordnung;

Fig. 2 eine schematische horizontale Quer­ schnittsdarstellung durch das Ausführungs­ beispiel nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung eines Strah­ lungsdiagramms bei Verwendung einer her­ kömmlichen Anordnung; und

Fig. 4 ein entsprechendes Diagramm zu Fig. 3 unter Verwendung einer erfindungsgemäßen dualpolarisierten Antennenanordnung.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 ist ein dualpolarisiertes Antennenarray 1 mit mehreren Primär­ strahlern in Vertikalausrichtung gezeigt, dessen Strah­ lermodule 3 nach Art von Kreuzmodulen 3a gebildet sind. Andere kreuzmodulförmige Konstruktionen sind ebenso mög­ lich, z. B. in Form von quadratisch angeordneten Dipolmodu­ len.

Dieses Antennenarray ist so aufgebaut, dass die Strah­ lermodule 3 nach Art von Kreuzmodulen 3a so ausgerichtet sind, dass sie lineare Polarisationen mit einem Winkel von +45° und -45° bezogen auf die Vertikale (bzw. bezogen auf die Horizontale) empfangen oder abstrahlen. Ein derartiges Antennenarray wird nachfolgend auch kurz als X-polarisier­ tes Antennenarray bezeichnet.

Die Strahlermodule 3 sitzen im gezeigten Ausführungsbei­ spiel vor einer reflektierenden Fläche, dem sogenannten Reflektor 7, wodurch die, Richtwirkung erhöht wird. Sie werden durch ihre Strahlerfüße oder -symmetrierungen 3b am Reflektor 7 befestigt und gehalten.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Dipolebene in +45° bzw. -45° gegenüber der Vertikalen ausgerichtet, d. h. gegenüber der horizontalen Schnittebene 9.

Quer zu dieser horizontalen Schnittebene 9 und quer zur Reflektorebene 11 sind in horizontaler Richtung beabstan­ det im Seitenbereich 13 des Reflektors 7 zwei Seitenwand­ abschnitte 15 vorgesehen, die sich im gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel parallel zueinander erstrecken. Die Seitenwandabschnitte 15 sind im gezeigten Ausführungsbei­ spiel Teil des Reflektors 7 und können Teil eines Reflek­ torelementes oder -bleches sein, bei welchem die Seitenwandabschnitte durch Hoch- oder Umbiegen gebildet sind.

Die Seitenwandabschnitte 15 sind somit quer, d. h. im ge­ zeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zur Reflektorebene 11 ausgerichtet und stehen über die Reflektorebene 11 vor, und zwar auf der Seite, auf der die Strahlermodule 3 ange­ ordnet sind, die in Frontansicht des Antennenarrays 1 zwi­ schen den beiden parallel zueinander verlaufenden Seiten­ wandabschnitten 15 zu liegen kommen.

In Höhe der Strahlermodule 3 sind jeweils in den Seiten­ wandabschnitten 5 Schlitze 17 eingebracht, die sich paral­ lel zur Reflektorebene 11 und damit parallel zur Dipol­ ebene 19 erstrecken, die aus der Ebene, in der die Dipole 3, 3a zu liegen kommen, festgelegt ist.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist der Abstand zwischen der Dipolebene 19 und der Reflektorebene 11 größer als der Abstand 21 zwischen den Schlitzen 17 und der Reflektor­ ebene 11.

Die Lage und Maße der Schlitze, insbesondere deren Längs­ erstreckung sowie deren Breite, sind unterschiedlich wähl­ bar und werden bevorzugt so abgestimmt, dass die Amplitude und Phase der durch die angekoppelten Schlitze abgestrahl­ ten Welle bzw. abgestrahlten horizontalen Polarisations­ komponente der elektromagnetischen Welle dergestalt sind, dass in Hauptstrahlrichtung 23 und in rückwärtiger Rich­ tung eine Auslöschung erfolgt und orthogonal zur Haupt­ strahlrichtung additive Überlagerungen erzielt werden, sowie eine möglichst geringe Phasenverschiebung zur verti­ kalen Polarisationshauptkomponente erreicht wird.

Ferner wird dadurch das Strahlungsdiagramm in der bereits erwähnten Weise verändert, dass in der zur Hauptstrahlrichtung orthogonal stehenden und zur Hauptausbreitungs- oder horizontalen Schnittebene 9 par­ allel verlaufenden bzw. in dieser Hauptausbreitungsebene 9 liegenden Seitenstrahlrichtung 25, d. h. im gezeigten Ausführungsbeispiel in horizontaler Seitenabstrahlrich­ tung, die Strahlungscharakteristik deutlich verbreitert wird. Der durch die Dipolausrichtung definierte und in die Hauptausbreitungsebene 9 fallende Feldstärkevektor wird mit anderen Worten in seiner Seitenstrahlrichtung 25 mit deutlich größerer Halbwärtsbreite auch in den seitlichen von der Hauptstrahlrichtung 23 abweichenden Seitenbereich ausgestrahlt.

Durch die erwähnten Schlitze 17 erfolgt also eine Ver­ breiterung der Strahlungscharakteristik in zielgerichteter Weise, wobei die verbesserte Strahlungscharakteristik nicht nur schmal- sondern auch breitbandig ist.

Größe und Lage der Schlitze 17 werden dabei bevorzugt so optimiert abgestimmt, dass die nach Art von Schlitzen ge­ bildeten schwach strahlenden parasitären Strahler nicht in Resonanz und nicht gleichphasig, sondern gegenphasig strahlen.

Die verbesserte Strahlungscharakteristik ist aus den Dia­ grammen 3 und 4 ersichtlich, wobei aus dem Diagramm gemäß Fig. 4 zu ersehen ist, dass die Übereinstimmung der Halb­ wertsbreiten der vertikalen, horizontalen und +45°/-45°- Komponenten und somit die Konstanz der Polarisation in Halbwertsbreite bei dem erfindungsgemäßen Antennenarray beispielsweise entsprechend Fig. 1 und 2 gegenüber einer herkömmlichen Anordnung deutlich verbessert ist. Dabei ist aus der Diagrammdarstellung gemäß Fig. 3 und 4 auch er­ sichtlich, dass die vorteilhafte verbesserte Strahlungs­ charakteristik über einen breitbandigen Bereich realisier­ bar ist.

Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die Seitenwand­ bereiche mit den Schlitzen jeweils ein separates Bauteil sein können, bevorzugt aber mit dem Reflektor fest verbun­ den sind. Insbesondere bei Verwendung eines Reflektorble­ ches oder einem sonstigen kant- oder biegbaren Materials mit einer leitenden und damit reflektierenden Oberfläche können die Seitenwandabschnitte durch Kanten und Biegen des Reflektorbleches hergestellt werden.

Dabei müssen die Seitenwandabschnitte nicht zwingend am Außenrandbereich 31 des Reflektors 7 angeordnet sein. Sie können demgegenüber außen oder, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, auch weiter innenliegend von der äuße­ ren Kante 31 weggesetzt angeordnet sein, und zwar unter Bildung eines äußeren Randstreifens 41.

Bevorzugt ist der Abstand zwischen den Schlitzen 17 zur Reflektorebene 11 geringer als der Abstand der Dipol- oder Kreuzmodulebene 19 zur Reflektorebene 11.

Claims (5)

1. Dualpolarisierte Antennenanordnung zum Abstrahlen oder Empfangen von orthogonal polarisierten Wellen in einem Betriebsfrequenzbereich, wobei die beiden Polarisationen in einem Winkel von +45° bzw. -45° gegenüber der Vertikalen ausgerichtet sind, mit folgenden Merkmalen:

• - es ist zumindest eine Strahleranordnung (3) in Form von Dipolen oder in Form von Patchstrahlern vorgesehen,
• - mit einem gegenüber der zumindest einen Strahler­ anordnung (3) rückwärtig angeordneten leitenden Reflektor (7), und
• - mit an den Vertikalseitenbereichen am Reflektor (7) vorgesehenen und quer zur Ebene des Reflektors (7) ausgerichteten Seitenwandabschnitten (15)

gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale:

• - in den Seitenwandabschnitten (15) ist jeweils zu­ mindest ein Schlitz (17) vorgesehen,
• - der zumindest eine Schlitz (17) ist in den Seiten­ wandabschnitten (15) benachbart zur Strahleranord­ nung (13) vorgesehen und
• - die Lage und/oder Bemaßung der Schlitze (17) ist derart gewählt, dass die Resonanzfrequenz der Schlitze (17) außerhalb der Betriebsfrequenz liegt.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Schlitze (17) parallel zur Strahler­ ebene (9) und/oder parallel zur Reflektorebene (11) an­ geordnet sind.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Schlitze (17) zur Reflektorebene (11) geringer ist als der Abstand zwi­ schen der Strahlerebene (19) und der Reflektorebene (11).

4. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die als sekundäre oder pa­ rasitäre Strahler wirkenden Schlitze (17) gegenphasig strahlen.

5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Strahler­ anordnungen in vertikaler Ausrichtung übereinander an­ geordnet sind.