DE69620168T2

DE69620168T2 - Antenne mit zwei strahlerelementen mit einer einstellbaren phasendifferenz zwischen den strahlerelementen

Info

Publication number: DE69620168T2
Application number: DE69620168T
Authority: DE
Inventors: Mario Arias; Stefan Jonsson
Original assignee: Allgon AB
Current assignee: Allgon AB
Priority date: 1995-05-16
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2016-05-15
Also published as: AU5785396A; KR19990014810A; AU707610B2; CN1184563A; EP0826250B1; JPH11505388A; DE69620168D1; SE503722C2; BR9608819A; DE29512952U1; WO1996037009A1; SE9501830D0; BR9608819B1; CN1094261C; SE9501830L; EP0826250A1

Description

GEBIET UND HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Funkantenneneinrichtung mit zwei Strahlungselementen oder Gruppen aus Strahlungselementen, deren Signalphasendifferenz einstellbar ist. Spezieller betrifft die Erfindung eine Antenneneinrichtung mit zwei Strahlungselementen oder Gruppen aus Strahlungselementen, die in Wechselbeziehung stehen, um einen gerichteten Strahl zu erzeugen, dessen Richtung durch Einstellen der Phasendifferenz wählbar oder einstellbar ist. Die Erfindung kann auch zum Richten von Strahlen aus omnidirektionalen oder 360º- Strahlungselementen eingesetzt werden.

STAND DER TECHNIK

Eine phasenvariable Antenneneinrichtung der Bauart, wie sie im Oberbegriff im Anspruch 1 angegeben ist, ist bekannt aus der US-A-4,427,984. Die bekannte Einrichtung umfaßt eine zweite Übertragungsleitung, die zwischen den Impedanzwandlern angeschlossen ist und mit einer ersten Übertragungsleitung verbunden ist.
In Richtstrahlantenneneinrichtungen, z. B. in einem Mobilfunk-Telefonsystem, kann es jedoch wünschenswert sein, Antennen zu verwenden, die auf eine bestimmte Strahlrichtung oder -Neigung eingestellt oder voreingestellt werden können, um die abgestrahlte Energie wirksam auszunutzen und einen wirkungsvollen Empfang der einfallenden Strahlung vorzusehen. Eine mechanische/geometrische Einstellbarkeit der Antenneneinrichtung ist im Stand der Technik bekannt, im Falle einer Antenneneinrichtung mit mehreren Strahlern ist jedoch eine elektrische Einstellbarkeit im Hinblick auf z. B. eine stabile Montage der Antenneneinrichtung besser angebracht. Die elektrisch einstellbaren Einrichtungen des Standes der Technik erfordern jedoch einen relativ komplizierten Entwurf und lassen nur kleine Abwandlungen bei der Herstellung und Montage der Antenneneinrichtung zu. Eine Antenneneinrichtung mit elektrisch einstellbarem Strahl ist offenbart in Patent Abstracts of Japan in bezug auf die japanische Patentanmeldung Nr. 63-134241. Diese Einrichtung umfaßt Mittel zum Variieren der Verzögerung in Zuführleitungen zu verschiedenen Strahlungselementen in einem Feld.

ABRISS DER ERFINDUNG

Es ist eine Hauptaufgabe der Erfindung, eine Antenneneinrichtung gemäß dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1 vorzusehen, bei der die Phasendifferenz wählbar ist und die Anzahl und/oder Längen der Verbindungskabel/Zuführübertragungsleitungen reduziert ist. Die Reduktion der Anzahl der Kabel führt im allgemeinen auch zu einer geringeren erforderlichen Anzahl der Wandlergehäuse. Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Anzahl der Komponenten in der Antenneneinrichtung durch Integration der Komponenten zu verringern. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine mechanisch beständige und elektrisch genau definierte Antenneneinrichtung vorzusehen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, (identische oder eine vordefinierte Gruppe aus) modulare(n) Antenneneinrichtungen vorzusehen, die in einer Vielzahl von Antennenkonfigurationen zusammengesetzt werden können, welche unterschiedliche Parameter und Leistungsmerkmale haben. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Antenneneinrichtung vorzusehen, die sich für die Funkübertragung eignet, z. B. für Mobilfunk- Telefonsysteme, die bei Ultrahochfrequenzen oder darüber arbeiten, wo große Sorgfalt bei der Auswahl und Anordnung der Komponenten erforderlich ist. Eine Antenneneinrichtung mit einer Kombination der obigen Merkmale ist effizienter in bezug auf Materialien, Herstellung und Montage als die Antenneneinrichtungen des Standes der Technik.
Diese sowie weitere Aufgaben werden durch eine Antenneneinrichtung gemäß dem kennzeichnenden Teil der folgenden Ansprüche gelöst. Tatsächlich ist nur die Hälfte oder weniger der Zuführübertragungsleitungen in der Antenneneinrichtung gemäß der Erfindung notwendig, wenn man diese mit Antenneneinrichtungen des Standes der Technik vergleicht. Im folgenden werden Einzelheiten und Vorteile der Erfindung angegeben und/oder näher erläutert.
Das erste und das zweite Strahlungselement kann, wie angegeben, jeweils aus mehr als einem Strahlungselement bestehen. Das erste und das zweite Strahlungselement können jeweils aus einer Gruppe Strahlungselemente bestehen. Signale in den Strahlungselementen einer solchen Gruppe sind vorzugsweise phasengleich, können in ihrer Phase jedoch aufgrund von Wechselwirkungen variieren.
Obwohl beschrieben ist, daß ein erstes und ein zweites Strahlungselement, oder Elementengruppe, vorgesehen sind, kann es vorteilhaft sein, zwei oder mehr der Antenneneinrichtungen der Erfindung oder weitere Strahlungselemente anzuordnen, um eine Wechselwirkung zu erhalten, die z. B. zu einem stärker konzentrierten Strahl mit einer längeren Reichweite führt. Die Grundsätze der Anordnung einer Mehrfachstrahler-Antenneneinrichtung an sich sind bekannt. Die Antenneneinrichtung gemäß der Erfindung bietet jedoch die oben umrissenen Verbesserungen.
Die Antenneneinrichtung wird über die erste Übertragungsleitung mit einer Funkübertragungs- und/oder Empfangseinrichtung auf bekannter Weise verbunden. Die Verbindung zwischen der ersten Übertragungsleitung und der zweiten Übertragungsleitung ist jedoch bei der Antenneneinrichtung gemäß der Erfindung wichtig. Diese Verbindung bildet im wesentlichen einen reinen Stromteiler, da die erste Übertragungsleitung die halbe Kennimpedanz der zweiten Übertragungsleitung aufweist. Die Energie eines Signals, das sich über die erste Übertragungsleitung in Richtung des Kontaktpunktes ausbreitet, wird somit in gleiche Hälften aufgeteilt, die sich von dem Kontaktpunkt in der zweiten Übertragungsleitung in jede Richtung ausbreiten, und umgekehrt.
Dies impliziert, daß die Wahl des Kontaktpunktes die Länge des Signalweges nur von dem Kontaktpunkt zu dem entsprechenden Strahlungselement (oder Gruppe aus Strahlungselementen) erheblich beeinflußt. Offensichtlich gibt es eine lineare Beziehung zwischen der Position des Kontaktpunktes an der zweiten Übertragungsleitung und der Phasendifferenz zwischen den Signalphasen in den Strahlungselementen.
Die leitende Masseeinrichtung (Reflektor), die eine Masseebene mit einer durchgehenden Metallplatte sein kann, hat eine vorgegebene Orientierung und Position in bezug auf das erste und das zweite Strahlungselement, damit die Strahlungselemente genau definierte Strahlrichtungen und Impedanzeigenschaften erhalten.
Die erste und die zweite Impedanzwandlereinrichtung führen, in Kombination mit einer Impedanzanpassungswandler-Einrichtung oder Symmetrieübertrager (Balun), soweit anwendbar, einen Abgleich der Impedanz des Strahlungselements an die Impedanz der zweiten Übertragungsleitung aus.
Jeder Impedanzwandler kann durch ein erstes längliches leitendes Element (das möglicherweise Kurven oder Biegungen aufweist und möglicherweise durch einen Teil der leitenden Masseeinrichtung gebildet ist) gebildet sein, wobei sich ein zweites langgestrecktes leitendes Element an diesem entlang oder im wesentlichen parallel und mit Abstand zu diesem erstreckt, wobei die beiden Elemente gemeinsam Abschnitte mit unterschiedlichen Kennimpedanzen entlang ihrer Erstreckung definieren.
Das zweite leitende Element kann in seinem Querschnitt zwischen zwei benachbarten Abschnitten eine Stufe aufweisen, um eine Änderung der Kennimpedanz zu erhalten. Die Änderung der Kennimpedanz kann auch durch eine Änderung eines Dielektrikums zwischen den leitenden Elementen erreicht werden.
Die zweite Übertragungsleitung kann durch ein drittes langgestrecktes leitendes Element (das möglicherweise Kurven oder Biegungen aufweist und möglicherweise durch einen Teil der leitenden Masseeinrichtung gebildet ist) gebildet sein, wobei sich entlang dieses Elements oder im wesentlichen parallel und mit Abstand zu diesem ein viertes langgestrecktes leitendes Element erstreckt.
Die zweite Übertragungsleitung kann einen gekrümmten (gebogenen) Weg in einer Ebene aufweisen, die senkrecht zu der ersten Übertragungsleitung ist, und einen Leiter der ersten Übertragungsleitung teilweise einschließen.
Die Strahlungselemente der Antenneneinrichtung oder Gruppe aus Antenneneinrichtungen können in einer im wesentlichen ebenen und orthogonalen Matrix angeordnet sein, wobei der Abstand der Mittelpunkte der Strahler in einer Dimension ungefähr eine Wellenlänge oder kleiner ist, wobei 0,9-1,0 Wellenlängen ein bevorzugter Wertebereich ist.
Das erste und das zweite Strahlungselement, der erste und der zweite Wandler und die zweite Übertragungsleitung können zusammen eine strukturelle Einheit bilden, die auf der leitenden Masseeinrichtung montiert ist.
Die erste und die zweite Verbindungs- oder Anschlußvorrichtung des ersten und des zweiten Impedanzwandlers können über eine erste und eine zweite Symmetrieübertrager-Einrichtung mit dem ersten bzw. dem zweiten Strahlungselement verbunden sein.
Die Strahlungselemente und/oder die langgestreckten leitenden Elemente können aus einem oder mehreren einzelnen Metallplattenelementen gebildet sein.
Die zweite Übertragungsleitung kann Markierungen aufweisen, welche mögliche Positionen des Kontaktpunktes angeben, bei dem sich jeweils eine vorgegebene Phasendifferenz in dem Signal zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlungselement ergibt.
Die zweite Übertragungsleitung kann wenigstens eine elektrische Länge haben, die im wesentlichen gleich oder kleiner als ein Achtel einer Wellenlänge ist.
Die Strahlungselemente können vorteilhaft in die gleiche Richtung (der Polarisation oder der Phase) ausgerichtet sein.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Antenneneinrichtung gemäß der Erfindung, die auf einer Masseebene (nicht gezeigt) aufgebaut ist und mit einer ersten Übertragungsleitung zu verbinden ist, mit zwei Gruppen aus Dipol-Strahlungselementen eine Impedanzanpassungswandler-Einrichtung, Impedanzwandlern und einer zweiten Übertragungsleitung, die aus im wesentlichen zwei geformten Metallplattenelementen gebildet sind.
Fig. 2 zeigt eine erste Seitenansicht der Antenneneinrichtung der Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine zweite Seitenansicht der Antenneneinrichtung der Fig. 1, wobei auch die Masseebene angedeutet ist, auf der die Antenneneinrichtung montiert ist.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht mit weggeschnittenen Teilen und eine teilweise Vergrößerung einer weiteren Antenneneinrichtung gemäß der Erfindung, die mit einer ersten Übertragungsleitung zu verbinden ist, mit einer Masseebene, zwei Mikrostreifenfeld-Elementen auf einem Substrat, das parallel und mit Abstand zu der Masseebene angeordnet ist, einem Impedanzwandler und einer zweiten Übertragungsleitung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 wird eine Antenneneinrichtung mit zwei ersten Dipol- Strahlungsvorrichtungen 1 gezeigt, die in Phase versorgt werden und weniger als eine halbe Wellenlänge getrennt und parallel zueinander sind, und zwei zweiten Dipol- Strahlungsvorrichtungen 2, die in Phase versorgt und so orientiert sind, daß sie in bezug auf eines der ersten Strahlungselemente 1 mit einem Abstand von Mitte zu Mitte in der Größenordnung von einer halben Wellenlänge ausgerichtet sind. Jeder Dipol 1, 2 hat eine Länge von ungefähr einer halben Wellenlänge und ist parallel zu einem leitenden Masseebenen-Reflektor 5 mit einem Abstand von ungefähr einer Viertel Wellenlänge ausgerichtet.
Das erste und das zweite Strahlungselement 1, 2 werden von einem ersten und einem zweiten Impedanzwandler 3, 4 über eine erste und eine zweite Symmetrieübertrager-Einrichtung (Balun) 12 und 14 bzw. 13 und 15 gespeist. Der erste und der zweite Impedanzwandler sind über eine zweite Übertragungsleitung 8 miteinander verbunden.
Die Dipole 1, 2, Teile 14, 15 der Symmetrieübertrager-Einrichtung und Masseleiter der Impedanzwandler 3, 4 und die zweite Übertragungsleitung 8 werden aus einer ersten Metallplatte gebildet (gestanzt), die einen Bodenabschnitt der Antenneneinrichtung bildet. Dieser Bodenabschnitt weist relativ niedrige, nach unten abstehende Vorsprünge 6 auf, die an dem Reflektor 5 mit Schrauben und Muttern (nicht gezeigt) befestigt sind, um genau definierte elektrische Kontaktpunkte zu bilden, wobei benachbarte Kontaktpunkte weniger als eine halbe Wellenlänge getrennt sein sollen.
Die Teile 12 und 13 der Symmetrieübertrager-Einrichtung, Signalteile der Impedanzwandler 3 und 4 und der zweiten Übertragungsleitung 8 werden aus einer Metallplatte gebildet, die einen oberen Abschnitt der Antenneneinrichtung bildet, die mit einem unteren Abschnitt des Bodenteils, parallel und mit Abstand zu dem Bodenteil, über nicht leitende Befestigungselemente 17 und an der Symmetrieübertrager-Einrichtung mit leitenden Befestigungselementen angebracht ist. Für die Massenherstellung kann die zweite Platte vorzugsweise durch Stanzen hergestellt werden.
Der obere Teil des ersten und des zweiten Impedanzwandlers 3, 4 hat eine Breite, die in Schritten 18 bzw. 19 entlang ihrer Erstreckung variiert, wodurch unterschiedliche Kennimpedanzen in den Abschnitten vorgesehen werden, was eine effektive Impedanzanpassung zwischen der Symmetrieübertrager-Einrichtung, die mit der Antenne verbunden ist, und der zweiten Übertragungsleitung 8, die eine Kennimpedanz von 100 Ohm hat, erlaubt. Eine erste Übertragungsleitung (nicht gezeigt), die mit der Antenneneinrichtung verbunden werden soll, ist ein koaxiales Kabel von 50 Ohm. Es soll an einem Erdungs- und Befestigungsblock (nicht gezeigt) angebracht werden, der bei jedem Punkt entlang eines Schlitzes 7 in dem Bodenabschnitt befestigt und geerdet werden kann. Der Mittelleiter des koaxialen Kabels kann bei einer beliebigen Position entlang des oberen Teils der zweiten Übertragungsleitung 8 angelötet werden, wobei diese Position die Phasendifferenz des Signals bei dem ersten und dem zweiten Strahlungselement 1, 2 bestimmt. Es gibt Markierungen 9 an der zweiten Übertragungsleitung 8 zur Unterstützung der Auswahl einer gesuchten Phasendifferenz.
Weitere Antenneneinrichtungen der in der Fig. 1 bis 3 gezeigten Art können (in einer Matrix) auf derselben Masseebene (Reflektor) angeordnet werden, um mit den Strahlern der ersten Antenneneinrichtung auf ähnliche Weise in Wechselwirkung zu treten, wie diese miteinander in Wechselwirkung sind.
Mit Bezug auf Fig. 4 ist eine Antenneneinrichtung beschrieben, die teilweise durch gedruckte Mikrostreifen-Schaltkreise auf einer Ebene eines nicht leitenden Substrats 42 gebildet ist, mit einem ersten Strahlungsfeldelement 31, das bei 40 von einem ersten Impedanzwandler 33, 43 gespeist wird, der das erste Feldelement 31 mit einer gebogenen Übertragungsleitung 38 von 100 Ohm verbindet und an diese anpaßt, welche ihrerseits mit einem zweiten Impedanzwandler 34 verbunden ist, der die zweite Übertragungsleitung 38 und ein zweites Strahlungsfeldelement 32, die bei 41 verbunden sind, abgleicht, wobei das zweite Strahlungsfeldelement 32 in bezug auf das erste Strahlungsfeldelement 31 spiegelbildlich ausgerichtet ist, und teilweise durch einen leitenden Reflektor 35, der das Substrat 42 mit gleichen Abständen und Befestigungsmittel 46, 47 trägt. Eine koaxiale Speiseleitung wird senkrecht zu dem Substrat eingeführt und mit der zweiten Übertragungsleitung über ihren Mittelleiter 36 und ein Segment 37 an einem Punkt 39 in Kontakt gebracht, wodurch die Phasendifferenz bestimmt wird, auf ähnliche Weise wie oben erläutert. Der Klarheit halber umfaßt Fig. 4 einen weggeschnittenen Teil 44 und einen vergrößerten Abschnitt 45.

Claims

1. Antenneneinrichtung, welche mit einer ersten Übertragungsleitung mit einer ersten Kennimpedanz Z1 verbindbar ist, wobei die Antenneneinrichtung folgende Merkmale aufweist:

wenigstens ein erstes Strahlungselement (1),

wenigstens ein zweites Strahlungselement (2),

wenigstens eine Impedanzwandlereinrichtung (3), die eine erste und eine zweite Anschlußeinrichtung aufweist, wobei die erste Anschlußeinrichtung mit dem ersten Strahlungselement verbunden ist,

eine zweite Impedanzwandlereinrichtung (4) mit einer dritten und einer vierten Anschlußeinrichtung, wobei die dritte Anschlußeinrichtung mit dem zweiten Strahlungselement verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

die erste Impedanzwandlereinrichtung (3) an der zweiten Anschlußeinrichtung und die zweite Impedanzwandlereinrichtung (4) an der vierten Anschlußeinrichtung eine im wesentlichen gleiche und im wesentlichen ohmsche erste Impedanz R1 zeigt, die im wesentlichen gleich oder zweimal die erste Kennimpedanz Z1 ist,

wobei die zweite und die vierte Anschlußeinrichtung über eine längliche zweite Übertragungsleitung (8) verbunden sind, die eine zweite Kennimpedanz Z2 hat, die im wesentlichen gleich der ersten Impedanz R1 ist und

die erste Übertragungsleitung mit der länglichen zweiten Übertragungsleitung bei einem Kontaktpunkt bei einer beliebigen Position entlang der zweiten Übertragungsleitung verbindbar ist, wobei der Kontaktpunkt so gewählt ist, daß eine gewünschte Signalphasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlungselement erreicht wird.

2. Antenneneinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenneneinrichtung ferner eine leitende Masseeinrichtung (5) aufweist, die eine vorgegebene Orientierung und Position in bezug auf das erste und das zweite Strahlungselement (1, 2) aufweist.

3. Antenneneinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Impedanzwandler (4) durch ein erstes längliches leitendes Element und an dessen Längsseite und getrennt von diesem ein zweites längliches leitendes Element gebildet ist, die gemeinsam Abschnitte mit verschiedenen Kennimpedanzen entlang ihrer Erstreckung definieren.

4. Antenneneinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite längliche Übertragungsleitung (8) gebildet ist durch ein drittes längliches leitendes Element und an dessen Längsseite und mit Abstand zu diesem ein viertes längliches leitendes Element.

5. Antenneneinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite längliche Übertragungsleitung (38) einen gekrümmten Weg in einer Ebene aufweist, die senkrecht zu der ersten Übertragungsleitung (36, 37) ist, und einen Leiter der ersten Übertragungsleitung teilweise umgibt.

6. Antennenanordnung bestehend aus wenigstens einer Antenneneinrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem der abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselemente der Antenneneinrichtung(en) in einer im wesentlichen ebenen und orthogonalen Matrix mit einem Abstand von Mitte zu Mitte angeordnet sind, der eine Abmessung in der Größenordnung einer Wellenlänge aufweist.

7. Antenneneinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Strahlungselement (1, 2), der erste und der zweite Wandler (3, 4) und die zweite Übertragungsleitung (8) zusammen eine strukturelle Einheit bilden, die auf der leitenden Masseeinrichtung (5) angebracht ist.

8. Antenneneinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und dritte Verbindungseinrichtung des ersten und des zweiten Impedanzwandlers (3, 4) über eine erste und eine zweite Symmetrieübertrager-Einrichtung (12, 14, 13, 15) mit dem ersten bzw. dem zweiten Strahlungselement (1, 2) verbunden ist.

9. Antenneneinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturelle Einheit ein einzelnes Metallplattenelement(e) umfaßt.