DE69433176T2

DE69433176T2 - Antennen für tragbare kommunikationsgeräte

Info

Publication number: DE69433176T2
Application number: DE69433176T
Authority: DE
Inventors: Victor David THIEL; Gregory Steven O'KEEFE; Wei Jun Lu
Original assignee: Griffith University
Current assignee: Griffith University
Priority date: 1993-05-27
Filing date: 1994-05-20
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2014-05-21
Also published as: JPH10502220A; EP0954050A1; DE69433176D1; ATE250809T1; EP0700585A4; JP3442389B2; EP0700585B1; US6034638A; WO1994028595A1; EP0700585A1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf Antennenanlagen zur Verwendung in tragbaren Kommunikationsgeräten. Ausführungsformen davon beziehen sich speziell auf physisch kleine Antennen, Richtantennen und auf elektronisch schwenkbare Antennen.
Unter tragbaren oder in der Hand gehaltenen Kommunikationsgeräten werden mobile Funktelefone, Funk-Personenrufempfänger (radio pager) und Zweiwegfunkgeräte (Walkie-Talkies) verstanden. Andere Anwendungen für Antennen, die in der Erfindung inbegriffen sind, finden sich in geophysikalischen (wie Radar zur Bodensondierung und Schichtaufnahme von Bohrlöchern) und anderen Radarsystemen (wie Radar gegen Zusammenstöße für Fahrzeuge in Bewegung).
Beschreibung des Standes der Technik
Antennen werden in einer großen Mannigfaltigkeit von Anwendungen sowohl als Sender wie als Empfänger elektromagnetischer Energie verwendet. In vielen dieser Anwendungen ist es wünschenswert, die Richtwirkung der Antenne zu maximieren. Nach dem Stand der Technik wurde dies durch Verfahren wie die Verwendung von Reflektorschirmen (zum Beispiel Parabolschüsselantennen, Winkelreflektoren), Reflektorelementen (zum Beispiel Antennenwände, passive Yagi-Elemente), Langsamwellenstrukturen (zum Beispiel Yagi-Antennen) und mehrfache Antennengruppen erreicht.
Als ein spezielles Beispiel ist es in der mobilen Funktelefonie wünschenswert, die Richtwirkung der Antenne eines mobilen Handgerätes zu verbessern, damit der Energieverbrauch verringert wird, folglich die Anforderung an die Batterie verkleinert wird. Verbesserte Richtwirkung ist auch von Nutzen bei der Erhöhung der Reichweite von Funktelefonen in Bezug auf einen Funkzonenstandort, und bei der Verringerung der Interferenz zwischen benachbarten Funkzonen.
Gegenwärtig gibt es auch Besorgnisse betreffend die Sicherheit von mobilen Funktelefonen für Anwender. Menschliches Gewebe ist ein sehr guter Leiter von Elektrizität, sogar bei hohen Frequenzen, und es wurde behauptet, dass bei anhaltendem Gebrauch solcher Geräte Gehirntumore auftreten können, da die Antenne sehr nahe an dem Schädel des Anwenders ist, was elektromagnetische Felder sehr hoher Stärke, die um die Antenne herum konzentriert sind und den Schädel durchdringen und Gehirngewebe schädigen, zur Folge hat. Die IEEE hat die technische Richtlinie Nr. C95.3 in Bezug auf das Empfehlen maximaler Aussetzung an von Antennen empfangene und durch diese verbreitete elektromagnetische Strahlung veröffentlicht. Eine Richtantenne neigt dazu, die zum Anwender hin gerichtete Strahlung zu minimieren, und ist unter diesem Gesichtspunkt äußerst wünschenswert.
Abschirmung ist ebenfalls ein bewährtes Verfahren um die Bestrahlung zu verringern. Es existiert jedoch ein Kompromiss, weil die Nähe einer Abschirmung zu einer Antenne den Wirkungsgrad der Antenne nachteilig beeinflussen kann. Als eine Daumenregel muss sich eine Abschirmung mindestens ¼ Wellenlänge von der Antenne entfernt befinden.
Bei anderen Anwendungen, wie geophysikalischen Systemen, tritt durch Mehrweginterferenz verursachter schwerwiegender tiefer Schwund auf, wenn zwei Signale auf der gleichen Antenne mit ungefähr gleichen Feldstärken und mit ungefähr 180° Phasendifferenz einfallend sind. Eine schwenkbare Richtantenne kann die Auswirkung eines derartigen Schwundes minimieren.
Ein Beispiel einer Antennenstruktur, bei der die Gesichtspunkte der Richtwirkung und der Schwenkbarkeit berücksichtigt sind, ist die in dem Robert Milne erteilten US-Patent Nr. 4 700 197 offenbarte.
Eine weitere Antennenstruktur wird in dem US-Patent Nr. 3 996 592 offenbart.
Auch die Größe ist ein wichtiger Gesichtspunkt, besonders weil elektronische Kommunikationsgeräte immer stärker miniaturisiert werden. Zum Teil steht die Verringerung der Größe von Antennen im Widerspruch zum Erreichen verbesserter Richtwirkung. Im freien Raum ist der Abstand zwischen abstrahlenden Elementen/Reflektoren ein wesentlicher Teil einer Freiraumwellenlänge der Strahlung in Luft. Das heißt, die Antennen können in mehr als einer Richtung verhältnismäßig groß sein, wenn Richtwirkung verlangt wird. Große Antennenanlagen sind auch aus Gründen des Aussehens und der mechanischen Stabilität nicht wünschenswert.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung richtet sich in einer Hinsicht auf eine Antenne, die ausrichtbar und außerdem kompakt ist.
Deshalb wird gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung eine Richtantennenanlage, wie in Anspruch 1 dargelegt, bereitgestellt.
Bevorzugte Merkmale dieses Gesichtspunktes der Erfindung werden in den Ansprüchen 2 bis 10 dargelegt.
In den erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird eine Antenne bereitgestellt, die effizienter als die im Stand der Technik bekannten ist, da es einen verminderten Energieverbrauch der elektronischen Ausstattung an die die Antenne gekoppelt ist, gibt (z. B. ein Funktelefon (cellular telephone)). Der Grund dafür ist, dass es weniger Absorption durch den Kopf des Anwenders gibt, dass die Signalstärke durch verbesserte Bündelung gesteigert wird, dass es weniger Kreuzpolarisation und einen geringeren Wechsel in der Antennenimpedanz durch die Kopfposition des Anwenders auftritt.
Die Antenne stellt außerdem eine erhöhte Reichweite bereit und bietet eine verbesserte Leistung unter Bedingungen des Mehrwege-Schwundes. Ferner geht damit ein Nutzen für die Gesundheit einher, da durch den Kopf des Anwenders weniger elektromagnetische Energie absorbiert wird als im Stand der Technik.
Ein anderer besonderer Vorteil ist, dass die Antenne unmittelbar Antennen nach dem Stand der Technik in tragbaren Kommunikationsgeräten ersetzen kann. In einem Beispiel kann eine physisch kleinere Antenne mit verbesserter Richtwirkung eine bestehende Antenne in einem Funktelephon ersetzen. Daher kann die Größe des Telephongehäuses weiter reduziert werden, so dass sie für den Anwender besser transportierbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Die 1a, 1b und 1c ein eine abgeschirmte Antennenstruktur enthaltendes Funktelephon zeigen;
Die 2 eine perspektivische Ansicht einer passive Elemente enthaltenden Gruppenrichtantenne zeigt;
3 eine perspektivische Ansicht einer Gruppenrichtantenne zusammen mit verbundener Schaltelektronik zeigt;
4 ein Polar-Koordinatendiagramm für eine Grenzkonfiguration der in 3 gezeigten Antenne zeigt;
5 ein Polar-Koordinatendiagramm für eine abgewandelte Form der in 3 gezeigten Antenne zeigt;
6 ein Polar-Koordinatendiagramm für eine spezielle geschaltete Anordnung der in 3 gezeigten Antenne zeigt;
7 ein Polar-Koordinatendiagramm für eine andere geschaltete Anordnung der in 3 gezeigten Antenne zeigt;
8 eine weitere Ausführungsform zeigt, die sich auf Radar zur Bodensondierung bezieht.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Die Ausführungsformen werden mit Bezug auf mobile zelluläre Telekommunikationen beschrieben. Selbstverständlich ist jedoch die Erfindung genauso gut auf Funkkommunikationen im Allgemeinen anwendbar, einschließlich elektromagnetische Geophysik, Radarsysteme und dergleichen, wie vorstehend erwähnt.
Eine Methode, den Einfluss des Kopfes des Anwenders auf die Empfangs- und Sendeleistung einer mit einem transportablen Kommunikationsgerät verbundenen Antenne zu verringern, ist die Antenne von dem Kopf abzuschirmen. In Anordnungen nach dem Stand der Technik kann jedoch eine als eine Abschirmung wirkende leitfähige Folie nicht näher als eine Viertelwellenlänge von einer Antenne angebracht werden, ohne den Wirkungsgrad der Antenne zu verschlechtern.
Die 1a, 1b und 1c zeigen eine abgeschirmte Antennenanlage für ein Mobiltelephon, die es der Abschirmung erlaubt, physisch nahe der Antenne zu sein, im Gegensatz zu Anlagen nach dem Stand der Technik.
Die Antennenanlage ist als eine Verbund- oder sandwichartig eingeschobene Struktur 12 konstruiert, wie am besten in der teilweisen Ansicht im Querschnitt der 1c gezeigt wird. Die Struktur 12 umfasst eine leitfähige Folie 22, eine dazwischenliegende Schicht aus verlustarmem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante 24 und eine Einpolantenne 14. Die leitfähige Folie 22 wird typischerweise aus einer dünnen Kupferfolie ausgeführt, wogegen das dielektrische Material 24 typischerweise aus Aluminiumoxid ist, das eine relative Dielektrizitätskonstante ε_r > 10ε₀ hat.
Die leitfähige Folie 22 befindet sich am nächsten zu der „Anwender"-Seite des Mobiltelephons 10, welche die Seite mit dem Mikrophon 16, dem Ohrlautsprecher 18 und den Bedienungsteilen für den Anwender 20 ist, und schirmt deshalb den Kopf des Anwenders beim Gebrauch des Mobiltelephons ab.
Die Wirkung des dielektrischen Materials 24 ist es, der leitfähigen hinteren Fläche 22 zu erlauben, der Antenne 12 physisch nahe zu sein, ohne den Wirkungsgrad der Antenne nachteilig zu beeinflussen. Indem ein Material mit einer relativen Dielektrizitätskonstante > 10ε₀ verwendet wird, und indem die Dicke des dielektrischen Materials 24 als < λ/(2√ε_r) betragend gewählt wird, ist die „imaginäre" Antenne in Phase mit der abstrahlenden Antenne 14 in der von der leitfähigen Folie 22 fort weisenden Richtung. Auf diese Weise hat die Struktur 12 die Wirkung, den Durchgang von elektromagnetischer Strahlung zum Kopf des Anwenders in der Nähe der Antenne 14 zu versperren, und nützlicher Weise die reflektierte Strahlung auf additive Art wirken zu lassen, um empfangene oder gesendete Signale zu maximieren.
Die Struktur 12 kann entweder so, dass sie auf das Oberteil des Mobiltelefons 10 zusammengeklappt wird, oder so, dass sie gleitend in den Körper des Telephons 10 hineingeschoben wird, mechanisch angeordnet werden. Die Abschirmstruktur kann auch anders als wie eine ebene Fläche geformt sein; zum Beispiel kann sie in der Art eines Halbzylinders gekrümmt sein.
2 zeigt eine Antennenanlage 30, die als direkter Ersatz für bekannte Antennenkonfigurationen verwendet werden kann, zum Beispiel bei Funktelefonen. Die Antenne 30 hat vier gleich beabstandete Viertelwellen-Einpolelemente 32–38, die auf der äußeren Oberfläche eines dielektrischen Zylinders 40 angebracht sind. In bevorzugter Ausführungsform ist der Zylinder 40 massiv.
Man beachte auch, dass eine Form anders als ein Zylinder ebenso verwendet werden kann. Auf gleiche Weise brauchen die Elemente 32–38 nicht regelmäßig angeordnet zu werden. Die einzige praktische Bedingung ist, dass die dielektrische Struktur anstoßend sein muss. Die Elemente 32–38 können auch innerhalb des dielektrischen Zylinders 40 eingebettet sein, oder im Fall eines hohlen Zylinders auf der Oberfläche der Innenseite angebracht sein. Wichtig ist, dass kein Luftspalt zwischen jedem der Elemente und dem dielektrischen Zylinder vorhanden sein darf.
Nur eines der Einpolelemente 32 ist aktiv zum Empfangen und Aussenden von elektromagnetischer Strahlung (Radiofrequenz-Signale). Die anderen drei Einpolelemente 34–48 sind passiv/parasitär, und gemeinsam mit der Erde verbunden. Die Antennenanlage 30 weist ein hohes Ausmaß an Richtwirkung in einer Richtung radial nach außen in Übereinstimmung mit dem aktiven Element 32 auf, wobei die drei passiven Elemente dazu neigen, als Reflektoren/Direktoren für einfallende Funkfrequenzsignale zu wirken, sowie eine Art Abschirmung zu bilden. Die diese Leistungsvorteile begründenden wissenschaftlichen Grundsätze werden jetzt erklärt, und insbesondere mit Bezug auf die in 3 gezeigte Antennenanordnung.
Die Antenne 30 ist geeignet zur Anwendung in mobilen Funktelefonen wie vorstehend angemerkt, und kann vollständig in das Gehäuse von herkömmlichen Mobiltelefonen eingebaut werden. Dies ist wegen der (hinsichtlich des Standes der Technik) verringerten Größe der Antenne möglich, und erlaubt außerdem die direkte Ersetzung üblicher Antennenanordnungen.
Die Größe ist ein wichtiger Konstruktionsgesichtspunkt bei Funktelefonen. Eine lange Einzeldrahtantenne (zum Beispiel ein Dipol zur Spannungsspeisung (end feed dipol) oder eine Dipolantenne mit ¾-Wellenlänge) verteilt die Funkfrequenz-Energie so, dass Absorption durch den Anwender am Kopf verringert wird. Die Antenne ist außerdem effizienter wegen einer größeren wirksamen Apertur. Je länger die Antenne ist, desto weniger wünschenswert ist sie jedoch unter dem Blickwinkel der Tragbarkeit und der mechanischen Stabilität. Die in 2 gezeigte Antenne kann die gleichen Leistungsmerkmale erreichen wie die erwrähnten bekannten größeren Antennentypen, hat aber den zusätzlichen Vorteil, physisch klein zu sein.
Die in 3 gezeigte Antennenanlage 50 hat vier gleich beabstandete Viertelwellenlängen-Einpolelemente 62–68, die auf der äußeren Oberfläche eines massiven dielektrischen Zylinders 60 angebracht sind. Die Einpole 62–68 können wiederum in der Oberfläche des dielektrischen Zylinders eingebettet sein, oder die dielektrische Struktur kann als ein hohler Zylinder gebildet und die Einpolelemente können auf der inneren Oberfläche davon angebracht sein, obwohl eine solche Anordnung eine geringere Richtwirkung haben wird, weil die relative Dielektrizitätskonstante von 1,0 des Luftkerns die Gesamt-Dielektrizitätskonstante verringert.
Der Zylinder 60 ist aus Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante und einer niedrigen Verlusttangente konstruiert, wie Aluminiumoxid, das eine relative Dielektrizitätskonstante ε_r > 10ε₀ hat.
Die Einpole 52–58 bilden die Scheitel eines Rechtecks beziehungsweise sie sind in einer regelmäßigen Anordnung, und senkrecht zu einer kreisförmigen leitfähigen Erdungsfläche 62 ausgerichtet. Die Einpole 52–58 liegen nahe an dem Mittelpunkt der Erdungsfläche 62. Die Erdungsfläche ist nicht unabdingbar für den Betrieb der Antenne 50, dient aber bei Vorhandensein dazu, die Länge der Einpolelemente zu verringern.
Ein in ein dielektrisches Material eingebetteter Leiter hat eine um einen Faktor proportional zur Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials verringerte elektrische Länge. Für einen auf der Oberfläche eines unendlichen dielektrischen Halbraumes mit einer relativen Dielektrizitätskonstante ε_r liegenden Leiter ist die effektive Dielektrizitätskonstante, ε_e _ff, durch den Ausdruck ε_eff = (1 + ε_r)/2 gegeben.
Wenn der Leiter auf der Oberfläche eines dielektrischen Zylinders und parallel zu dessen Achse liegt und andere leitfähige Elemente parallel zu ihm vorhanden sind, wird die effektive Dielektrizitätskonstante noch weiter abgewandelt. Faktoren, die die effektive Dielektrizitätskonstante beeinflussen, umfassen den Radius des Zylinders und die Anzahl und die Nähe der zusätzlichen Elemente.
In dem Fall einer relativen Dielektrizitätskonstante ε_r = 100 kann die Länge der Einpole 52–58 physisch um den Faktor von ungefähr sieben verringert werden, wenn der Durchmesser des Zylinders größer als 0,5 Freiraumwellenlängen ist. Beispielsweise hat für eine bei 1 GHz betriebene Antenne ein Viertelwellenlängen-Einpol in freier Luft eine physische Länge von etwa 7,5 cm, wenn er jedoch auf der Oberfläche eines dielektrischen Zylinders mit ε_r = 100 liegt, kann der Einpol an körperlicher Größe auf etwa 1,1 cm verringert werden.
Jeder der Einpole 52–58 ist mit jeweils einem Festkörperschalter 64–70 verbunden. Die Schalter werden von einer elektronischen Steuerung 74 und einem 1-von-4 Decoder 72 gesteuert, die zusammen die jeweiligen Einpole schalten. Einer der Einpole 52 wird geschaltet, aktiv zu sein, während die übrigen Einpole 54–58 durch ihre jeweiligen Schalter 66–70 und den Hauptschalter 76 geschaltet sind, gemeinsam mit der Erde verbunden zu sein. Dies ist in der Tat die in 2 gezeigte Konfiguration. Der Hauptschalter 76 hat einen zweiten Schaltzustand, der wenn er aktiviert ist zur Folge hat, dass die nicht aktiven Einpole miteinander kurzgeschlossen sind, ohne mit der Erde verbunden zu sein. In dieser Konfiguration wirken die passiven Einpole 54–58 als parasitäre Reflektorelemente, und die Antenne 50 ist von gerichteter Art.
Richtwirkung wird wegen einer Anzahl von Gründen erzielt. Ein in einiger Entfernung von dem Mittelpunkt eines dielektrischen Zylinders, jedoch noch innerhalb des Zylinders angeordneter Leiter hat ein asymmetrisches Abstrahlungsmuster. Ferner wirken passive Leiter einer Größe nahe einer Resonanzlänge und befindlich innerhalb einer Wellenlänge eines aktiven Elementes als Reflektoren, beeinflussen das Abstrahlungsmuster der Antenne und verringern ihre Resonanzlänge.
Durch geeignete Veränderungen in der Länge der Einpolantennen können die Eingangsimpedanz und die Richtwirkung der Antenne 50 gesteuert werden. Zum Beispiel ist für eine Antenne aus zwei Elementen mit einem aktiven Element und dem anderen zur Erde kurzgeschlossenen Element für die kleinste Resonanzlänge (das heißt, wenn der Blindwiderstand der Antenne Null ist) das Polar-Koordinatendiagramm der H-Ebene ähnlich dem Bild einer Acht, vorausgesetzt der Radius des dielektrischen Zylinders ist klein. Für Antennenlängen geringförmig größer als dieser Wert steigt das Vor-Rückverhältnis (die Richtwirkung) bedeutend an.
In einer anderen Konfiguration (nicht besonders gezeigt) können die passiven Einpole 54–58 in einem Zustand des offenen Schaltkreises gelassen werden. Dies entfernt wirkungsvoll ihren Beitrag von der Antenne (das heißt, sie werden durchlässig). In dieser Konfiguration lässt sich die Antenne in geringerem Maße ausrichten, als wenn die Einpole 54–58 zur Erde kurzgeschlossen (oder einfach zusammen kurzgeschlossen) wären, jedoch gewährt die Antenne allein wegen des dielektrischen Materials noch eine bedeutende Richtwirkung.
Der dielektrische Zylinder 60 erhöht auch den wirksamen elektrischen Trennabstand. Dies ist vorteilhaft für die Trennung eines aktiven Elementes von einem benachbarten passiven Element, das dazu neigt, die Energieübertragungsleistung der Antenne zu verschlechtern wenn es zur Erde kurzgeschlossen ist. Deshalb ist der wirksame elektrische Trennabstand zwischen dem aktiven Einpol 52 und dem diametrisch gegenüberliegenden passiven Einpol 56 durch d/(2ε_r)^0,5 gegeben, wobei d gleich dem Durchmesser des dielektrischen Zylinders 60 ist. Der wirksame elektrische Trennabstand zwischen dem aktiven Einpol 52 und den anderen passiven Einpolen 54, 58 ist durch d/(2ε_r)^0,5 gegeben.
Der dielektrische Zylinder 60 hat auch die Auswirkung, die wirksame elektrische Länge der Einpole zu verringern. Das bedeutet, dass die mechanischen Abmessungen der Antenne für jede Arbeitsfrequenz kleiner sind, als herkömmlicherweise der Fall ist; die elektrische Länge und Trennung sind deshalb länger, als die mechanischen Abmessungen nahe legen. Für eine Betriebsfrequenz von etwa 1 GHz beträgt die Größe der Einpole und des dielektrischen Zylinders typischerweise 1,5 cm an Länge beziehungsweise 2 cm an Durchmesser.
Die in 3 gezeigte Antenne 50 hat auch die Fähigkeit, elektronisch verschwenkbar zu sein. Durch Auswählen, welcher der Einpole 52–58 aktiv ist, können vier mögliche Ausrichtungen einer Richtantenne erhalten werden.
Die Verschwenkbarkeit der Antenne 50 kann bei mobilen zellulären Telekommunikationen dazu verwendet, die geeignetste Richtorientierung der Antenne in Bezug auf den aktuellen Funkzonenstandort zu erreichen. Die elektronische Steuerung 74 aktiviert jeden Einpol 52–58 nacheinander, und die Schaltkonfiguration, die die maximale empfangene Signalstärke zur Folge hat, wird beim Sende/Empfangs-Betrieb beibehalten, bis einige Zeit später eine weitere Abtastfolge durchgeführt wird, um zu bestimmen, ob eine geeignetere Ausrichtung zur Verfügung steht. Dies hat den Vorteil, Batterielebensdauer aufzusparen und eine maximale Sende- und Empfangsqualität sicherzustellen. Es kann auch die Aussetzung eines Anwenders eines Mobiltelephons an elektromagnetische Strahlung hoher Energie verringern.
Das aufeinanderfolgende Schalten der Einpole 52–58 kann in analogen zellulären Telekommunikationen sehr schnell ausgeführt werden, und kann im übrigen bei der digitalen Telephonie ein Teil des normalen Schaltvorgangs sein. Das heißt, die Umschaltung würde schnell genug erfolgen, um während der Verwendung eines Mobiltelephons, sei es für Sprache wie für Daten, nicht bemerkbar zu sein.
Es werden jetzt Beispiele von theoretischen und experimentellen Ergebnisse für eine Anzahl von Antennenanlagen beschrieben.
Anlage A
4 zeigt ein experimentelles Polar-Koordinatendiagramm einer exzentrisch isolierten Einpolantenne. Dies ist eine Anordnung mit einem einzigen Leiter, der exzentrisch in einem Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante eingebettet ist. Sie könnte zum Beispiel durch die Antenne der 2 ohne die drei geerdeten passiven Leiter 34–38 gebildet werden. Die radiale Achse ist in Einheiten von dB angegeben, und die Umfangseinheiten sind in Grad.
Die Rundfunkwellen-Signalfrequenz ist 1,6 GHz, mit einem Durchmesser für den dielektrischen Zylinder von 25,4 mm und einer Länge von 45 mm. Die relative Dielektrizitätskonstante beträgt 3,7. Wie ersichtlich, beträgt das Vor-Rückverhältnis (die Richtwirkung) der Antenne ungefähr 10 dB.
Anlage B
Diese Anlage verwendet eine gegenüber derjenigen der 2 vereinfachte Antennenstruktur. Die Antenne hat zwei diametrisch gegenüber liegende Einpolelemente (eines aktiv, eines zur Erde kurzgeschlossen) auf einem dielektrischen Aluminiumoxidzylinder (ε_r = 10) mit einem Durchmesser von 12 mm. Die Länge jedes Einpols ist 17 mm für die erste Resonanz.
5 zeigt sowohl das theoretische wie das experimentelle Polar-Koordinatendiagramm bei 1,9 GHz für diese Antenne. Die radialen Einheiten sind wieder in dB. Die theoretische Kennlinie wird durch die geschlossene Linie wiedergegeben, während die experimentell ermittelte Kennlinie von den eingekreisten Punkten wiedergegeben wird. Bei dieser Frequenz hat die Antenne ein Vor-Rückverhältnis von 7,3 dB.
Anlage C
Eine Antenne mit vier Elementen kann unter Verwendung des numerischen elektromagnetischen Codes (NEC) konstruiert werden. 6 zeigt theoretische NEC-Ergebnisse in Polarkoordinaten, die als Funktion der Frequenz für eine zylindrische Antennenstruktur mit vier Elementen ähnlich der in 2 gezeigten (d. h. ein aktiver Einpol und drei zur Erde kurzgeschlossene passive Einpole) erhalten wurden. Der Durchmesser des Zylinders beträgt 12 mm, die Länge der Einpolelemente ist 17 mm und die relative Dielektrizitätskonstante ist ε_r = 10.
Man beachte, dass die Antenne bei 1,6 GHz resonant und das Polar-Koordinatendiagramm eine achtförmige Gestalt hat. Für Frequenzen größer als diese wird das Vor-Rückverhältnis (die Richtwirkung) der Antenne größer. Dieser Effekt kann auch durch Erhöhung der Dielektrizitätskonstante oder durch Erhöhung des Durchmessers der Antenne herbeigeführt werden.
Anlage D
7 zeigt experimentelle Daten bei einer Frequenz von 2,0 GHz für eine Antenne mit vier Elementen mit den gleichen Abmessungen wie diejenigen, die hinsichtlich 6 aufgeführt sind, was in allgemeiner Übereinstimmung mit der in 6 gezeigten entsprechenden theoretischen Kennlinie ist.
Bei einer anderen Anwendung mit Bezug auf Bodensondierungsradar verwenden kombinierte Sende/Empfangseinheiten für Radar omnidirektionelle Antennen, um Echos von in einem Kreisbogen von 180° unter dem Standort der Antenne liegenden Gegenständen zu empfangen. Wenn ein Durchlauf ausgeführt wird, erscheint jeder Gegenstand mit einer kennzeichnenden Bugwelle von Echos, die von der Seitenstreuung herrühren.
Eine andere Ausführungsform einer besonders zur Verwendung für Bodensondierungsradar geeigneten Antennenanordnung wird in 8 gezeigt. Die Antenne 90 umfasst vier Dipolelemente 92–98, die auf einem dielektrischen Zylinder 100 angeordnet und befestigt sind. In diesem Fall wird keine leitfähige Erdungsfläche benötigt.
Bei der Durchführung von Untersuchungen mit Bodensondierungsradar werden zwei Richtorientierungen der Antenne 90 verwendet. Dies wird durch gesteuerte Umschaltung zwischen den angetriebenen Dipolelementen 92, 96 erreicht. Die Umschaltung wird von der als ein „schwarzer Kasten" veranschaulichten elektronischen Steuereinheit 102 gesteuert, die die beiden an der Einspeisung der beiden angetriebenen Dipolelemente 92, 96 angeordneten Halbleiterschaltelemente 94, 96 steuert. Im Betrieb wird jeder der beiden angetriebenen Dipole 92, 96 abwechselnd geschaltet, wobei der andere entweder ein offener Stromkreis oder zur Erde kurzgeschlossen verbleibt. Die passiven Dipolelemente 94, 98 wirken als parasitäre Reflektoren, wie vorher diskutiert.
Indem die beiden geschalteten Ausrichtungen der Antenne 90 bei der Ausführung von Bodensondierungs-Radarmessungen verwendet werden, können die Auswirkungen von Seitenstreuung mathematisch durch Verarbeitung minimiert werden. Dies führt zu einer verbesserten Brauchbarkeit des Verfahrens, und verbessert insbesondere die Deutlichkeit eines Echobildes, das durch Verringerung des typischen Bugwellen-Erscheinungsbildes empfangen wurde.
Zahlreiche Veränderungen und Abwandlungen, wie für einen Fachmann offensichtlich, können gemacht werden, ohne von dem grundlegenden erfinderischen Konzept abzuweichen.
Zum Beispiel ist die Anzahl der Antennen nicht auf vier begrenzt. Andere regelmäßige oder unregelmäßige Gruppen von Einpol- oder Dipolelementen, in enger Beziehung zu einer dielektrischen Struktur, werden in Erwägung gezogen.

Claims

Richtantennenanlage (50), umfassend mindestens zwei Drahtantennenelemente (52–58), und mit jedem Antennenelement (52–58) elektrisch verbundene Mittel zum Schalten (64–76), wobei die Mittel zum Schalten (64–76) gesteuert werden können und selektiv ein Antennenelement (52–58) einschalten können, dass es entweder aktiv oder passiv ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Antennenelement innerhalb oder auf der Oberfläche einer dielektrischen Struktur (60) angeordnet ist, und zu einer Längsachse der dielektrischen Struktur (60) parallel und versetzt von dieser ausgerichtet ist.
Antennenanlage nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Schalten (64-76) ferner gesteuert werden können und jedes passive Antennenelement (52-58) so schalten, dass es entweder elektrisch mit der Erde verbunden oder im Zustand eines offenen Stromkreises ist.
Antennenanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die relative Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Struktur (60) größer als 10ε₀ ist, wobei ε₀ die Permittivität des freien Raums ist.
Antennenanlage nach Anspruch 3, wobei die Antennenelemente (52–58) als eine nicht-ebene Gruppe ausgerichtet sind und durch einen Mindestabstand
getrennt sind, wobei λ₀ die Freiraumwellenlänge der von den Antennenelementen (52–58) auszusendenden oder zu empfangenden elektromagnetischen Strahlung ist, und ε_r die relative Permittivität der dielektrischen Struktur (60) ist.
Antennenanlage nach Anspruch 4, wobei die Mittel zum Schalten (64-76) gezielt von Steuermitteln (74) gesteuert werden, um eines oder mehrere der Antennenelemente (52–58) zu veranlassen, in Übereinstimmung mit einer Richtung der größten empfangenen Signalstärke aktiv zu sein.
Antennenanlage nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Länge der Antennenelemente (52–58) größer als
ist.
Antennenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennenelemente (52–58) in einer regelmäßigen Anordnung ausgerichtet sind.
Antennenanlage nach Anspruch 7, wobei die dielektrische Struktur (60) ein Zylinder ist.
Antennenanlage nach Anspruch 8, wobei der Zylinder (60) entweder massiv oder hohl ist.
Antennenanlage nach Anspruch 7, wobei die dielektrische Struktur (60) ein rechteckiger Körper ist.