SE453702B - Mikrostripantenn for ett riktningsdiversitetskommunikationssystem - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 40 453 702 som lätt brytes. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att övervinna nackdelarna och begränsning- arna hos tidigare kända riktningsskíllnadssystem genom att åstadkomma en ny mikrostrip- antenn (mikroremsaantenn) för ett riktningsdiversitetskommunikationssystem (riktnings- skillnadssystem).

Ett ändamål med uppfinningen är också att åstadkomma ett riktningsskillnadssystem där antennen kan installeras i själva mottagarhöljet. Ytterligare ett ändamål med upp- finningen är att åstadkomma ett riktningsskillnadssystem som använder en antenn med liten storlek.

Ovanstående och andra ändamål uppnås medelst en mikrostripantenn för ett riktninga- diversitetskommunikationssystem innefattande en skillnadsmottagare för mottagning av signaler på ett par ingångskontakter, vilka var och en är kopplad till en av ett par matníngspunkter, varvid var och en av signalerna på en ingångskontakt kombineras med en annan på en annan ingångskontakt genom en diversitetsteknik.

Enligt uppfinningen är antennen en mikrostripantenn, som har ett dielektriskt lager anordnat mellan ett ledande jordplan och ett cirkulärt strålningsledarplan, vilket cir- kulära strålningsledarplan har ett flertal slitsar anordnade kring hela sin omkrets, varvid nämnda par av matningspunkter är anordnade på strålningsledarplanet och placerade så att en linje mellan en första matningspunkt och strålníngsledarplanets centrum är väsentligen vinkelrät mot en linje mellan en andra matningspunkt och strålningsledar- planets centrum, så att ett strålningsmönster från den första matningspunkten är vinkel- rätt mot ett strålningsmönster från den andra matningspunkten.

Ovanstående och andra ändamål, särdrag och tillhörande fördelar med föreliggande uppfinning framgår bättre av nedanstående beskrivning under hänvisning till bifogade ritningar. Därvid visar fig. 1 en enkel princip för ett tidigare känt skillnadsmottagar- system, fig. ZA visar en konstruktion hos en tidigare känd antenn för ett skillnadsmot- tagarsystem. Fig. 28 visar riktningskurvorna för antennen i fig. ZA. Fig. 3A visar huvudsakligen idén för skillnadsmottagarsystemet enligt föreliggande uppfinning. Fig. 35 visar ett annat skillnadsmottagarsystem enligt föreliggande uppfinning. Fig. 4 visar kurvor över frekvensegenskaperna hos antennen enligt föreliggande uppfinning som visas i fig. 3A och 38. Fig. SA visar ytterligare en utföringsform av skillnadsmottagarsystemet enligt föreliggande uppfinning. Fig. SB visar ytterligare en utföringsform av skillnads- mottagarsystemet enligt föreliggande uppfinning. Fig. 6 visar detaljkonstruktioner hos strålningsledningsplanet med slitsar enligt föreliggande uppfinning. Fig. 7A visar kurvor över frekvensegenskaperna hos antennen enligt fig. SA och 3B. Fig. 7B visar kurvor över frekvensegenskaperna hos antennen enligt fig. SÅ och SB. Fig. B innehåller en kurva som visar förbättringen av kopplingsförlusterna genom närvaron av en slits i antennen enligt fig. 6. Fig. 9A visar koordinatsystemet för förklaring av riktningsegenskaperna hos föreliggande antenn. Fig. 98 visar typiska strålningsmönster hos den första grenen av antennen i fig. 3A och 35. Fig. 9C visar typiska l0 l5 20 25 30 35 453 702 - strålningsmönster för den andra grenen av antennen i fig. 3A och 3B. Fig. 10 visar en kurva över förbättringen med avseende på fadning i föreliggande skillnads- system. Fig. ll visar konstruktionen hos ett portabelt kommunikationssystem som använder föreliggande uppfinning.

Fig. 3A och 3B visar den första utföringsformen av föreliggande riktnings- skillnadssystem, som använder en cirkulär mikroremsaantenn 26 med två grenar eller matningspunkter 22 och 23. I dessa figurer anger hänvisningsbeteckningen l ett dielektriskt lager eller ett luftlager, hänvisningsbeteckningen 2 är ett strâlnings- ledarplan och hänvisningsbeteckningen 3 är ett ledande jordplan. Dessa plan 2 och 3 är belägna på ömse sidor om det dielektriska lagret l. Ett genomgående hål 4 är anordnat i jordplanet 3 och koaxialkablar 9, l0 är kopplade till matningspunkterna 22 och 23 genom hålen 4.

Hänvisningsbeteckningarna 22 och 23 är den första och den andra grenen (mat- ningspunkterna) hos den cirkulära mikroremsaantennen 26. Hänvisningsbeteckningen 2l är en skillnadsmottagare, som har en nivåkomparator 27 för att jämföra. nivån hos den första grenen 22 med nivån hos den andra grenen 23 samt en omkopplarkrets 28 för att välja en av grenarna 22 och 23. Mottagaren har vidare en omkopplingsregler- krets 29 för att reglera omkopplingskretsen 28 så att grenen med högre nivå väljes, samt en mottagarförstärkare 30, som kan innefatta en detektor. Utgångssignalen från mottagarförstärkaren 30 tillföres till en yttre krets (ej visad) genom utgångskon- takten (OUT). Själva mottagaren 2l är känd för en fackman och många modifikationer av denna är möjliga.

Grenarna eller matningspunkterna 22 och 23 är anordnade på strâlningsledar- planet 22, och koaxialkablarna 9 och l0 är förbundna med dessa punkter genom smala hål 4 i jordplanet 3. Dessa koaxialkablar 9 och 10, som är anslutna till matnings- punkterna 22 och 23 är också anslutna till omkopplingskretsen 28 och komparatorn 27.

De två matningspunkterna 22 och 23 är belägna på strålningsledarplanet 2 så att linjen mellan centrum C hos strålningsledarplanet 2 och den första matnings- punkten 22 är vinkelrät mot linjen mellan centrum C och den andra matningspunkten 23. I den visade utföringsformen är den första matningspunkten 22 belägen på X-axeln och den andra matningspunkten 23 är belägen på Y-axeln. Naturligtvis är X-axeln vinkelrät mot Y-axeln. Med ovannämnda vinkelräta samband blir strâlningsmönstret (riktningsverkan) hos den första grenen vinkelrät mot strâlningsmönstret hos den andra grenen.

Det inre elektromagnetiska fältets dominanta mod (TM]10-moden) hos en cirkulär mikroremsaantenn anges i ekvation (l) nedan i koordinatsystemet enligt Fig. 9A Ez: 5011 C05 Hf-Jkeå-'f- EOJJ/W) safmfuør (1) H-ffl ~ [oli/(ky) Co: (bf-o 10 l5 20 25 30 35 40 455 702 4 I ovanstående ekvation är E0 fältstyrkan hos excitationen, ha är vinkel- frekvensen, 5 är dielektricitetskonstanten hos ett dielektriskt lager, J](x) är första ormfingens Bessel-funktion,l<är en konstant (=l,84l) och Ö är vinkeln vid matningspunkten.

När den första antenngrenen 22 är matad utmed X-axeln och den andra antenn- grenen 23 är matad utmed Y-axeln gives funktionen hos dessa grenar av ekvation (l), varvid $Ü= 0 och $=1T/2 skall uppfyllas för respektive gren.

Den mod som exciteras av den första grenen 22 på X-axeln ger EZ=0 på Y-axeln och därför pâverkas inte denna mod av en matning på Y-axeln. På liknande sätt ger moden exciterad av den andra grenen på Y-axeln EZ=0 på X-axeln och denna mod pâ- verkas inte av en matning pâ X-axeln. Således är den första grenen 22 inte kopplad till den andra grenen 23 och dessa grenar fungerar oberoende av varandra.

Den teoretiska strâlningsriktverkan D(6) hos moden exciterad av den första och den andra grenen 22 och 23 visas av ekvation (2) pâ x-y-planet enligt Fig. 3A och 38.

Första grenen 22: D(9)X C05 6 (2) Dfê) OC tfn 9 Således är strålningsriktverkan hos den första grenen vinkelrät mot den hos ' Andra grenen 23: den andra grenen och således inses att dessa två grenar är lämpliga för användning i ett riktningskillnadsmottagarsystem.

I fig. 3A och 3B är radien (a) hos strålningsledarplanet 2 utformad för att uppfylla nedanstående ekvation (3) för att åstadkomma resonans: o. = 1,341 o/.ifft/É? (3) där c är ljushastigheten, f är frekvensen, E; är en relativ dielektricitetskonstant och konstanten 1,841 är egenvärdet för TM110-moden. Också tjockleken (d) hos det dielektriska lagret l måste vara dimensionerad så att d å Å/IG , där Ä är våg- längden. Sträckan q mellan centrum C hos strålningsledarplanet 2 och matningspunkten 22 eller 23 bestämmes så att impedansen hos antenngrenen har det önskade värdet.

Företrädesvis är en ledande tapp l2 anordnad för att kortsluta centrum hos strålningsledarplanet 2 till jordplanet l för att utsläcka icke-önskade högre moder.

Eftersom den dominanta moden TM110 saknar elektriskt fält vid centrum av strâlnings- ledarplanet pâverkas inte den dominanta moden av denna tapp l2.

Fig. 3B är en modifikation av fig. 3A och skillnadsmottagaren 2l enligt fig. 3B har ett par mottagare 30 och en kombinerare 31, som kombinerar signalerna från de två grenarna 22 och 23 och den kombinerade signalen tillföres till en yttre krets (ej visad) genom utgângskontakten (OUT).

Det inses att utformningen av skillnadsmottagaren 2l kan modifieras på många sätt såsom är uppenbart för en fackman, och utföringsformerna enligt fig. 3A och 3B visas endast såsom exempel. lO l5 20 25 30 35 40 5 453 702 Fig. 4 visar de karaktäristiska kurvorna hos mikroremsaantennen enligt fig. 3A eller fig. 3B, varvid den horisontella axeln visar frekvensen och den vertikala axeln visar returförlusterna i dB och kopplingsförlusterna i dB. Returförlusterna definieras som förhållandet mellan ingångseffekten och reflekterad effekt i en antenn och när returförlusterna är O dB innebär detta, att all ingångseffekt reflekteras av en antenn, och när returförlusterna är negativa visar det att en del av ingângseffekten utstrâlas. Kopplingsförlusterna definieras som förhållandet mellan ingångseffekt till den första grenen och utgängseffekten hos den andra grenen. När kopplingsförlusterna är 0 dB avges all ingångseffekt från den första grenen till den andra grenen. Därför föredrages små kopplingsförluster i en skill- nadsantenn och när en antenn används gemensamt för en sändare och en mottagare före- drages kopplingsförluster mindre än -30 dB.

I fig. 4 visar kurvan 32 returförlusterna hos den första grenen 22 medan kurvan 33 visar returförlusterna hos den andra grenen 23, och kurvan 34 visar kopp- lingsförlusten mellan den första och den andra grenen. Konstruktionsdata för mikro- remsaantennen för kurvorna i fig. 4 är att den relativa dielektriska konstanten hos det dielektriska lagret l ärêr =l0.3, tjockleken hos det dielektriska lagret l är d=l,27 mm, raden (a) hos strålningsdelarplanet 2 är a=2,95 cm, storleken hos jord- planet 3 är ll,2xll,2 cm (rektangulärt). Det bör noteras att i fig. 4 är kopplings- förlusterna vid varje frekvens mindre än -20 dB, vilket är tillräckligt för ett skillnadsmottagarsystem.

Fig. 5A och 5B visar en annan utföringsform av skillnadskommunikationssystemet enligt föreliggande uppfinning. Särdraget hos utföringsformen enligt fig. 5A och SB är förekomsten av ett flertal slitsar 5 anordnade periodiskt utmed periferin av ett cirkulärt strålningsledarplan. övriga konstruktionsdetaljer i fig. 5A och SB är desamma som de föregående utföringsformerna enligt fig. 3A och 3B.

I fig. 5A och SB visas ett dielektriskt lager eller ett luftlager l, som är tunnare än en våglängd, strâlningsledarplanet 2, det ledande jordplanet 3, ett genomgående hål 4 anordnat i jordplanet 3. Vidare finns slitsar 5 och hänvisnings- beteckningen 6 anger centrum för strålningsledarplanet 2. Matningspunkter 7 och 8 är anordnade i strâlningsledarplanet 2 och är anslutna till koaxialkablar 9 och l0, vilka med fristående ledningsdelar l3 och l4 är anslutna till matningspunkterna 7 och 8 och vid sina andra ändar är anslutna till matningskontakter ll, l2 på mottagar- enheten 2l.

Fig. 5A motsvarar utföringsformen av omkopplingsskillnadssystemet enligt fig. 3A och fig. SB motsvarar utföringsformen av skillnadssystemet enligt fig. 38.

I fig. 5A och 5B har strålningsledarelementet 2 ett flertal slitsar 5 an- ordnade utmed periferin av elementet 2 så att alternativa arrangemang av en slits 5 och en utskjutning 2a finns. Antalet N av slitsar är större än 4, och centrum- vinkeln för varje slits är 3600/(ZN), så att N antal-slitsar är anordnade repetetivt 10 l5 20 25 30 35 740 453 702 6 med lika vinkelintervall. Således är formen hos varje slits sektorformad. Djupet och längden hos varje slits definieras av den första radien aï, som sträcker sig ut till den yttre änden av en slits, och den andra radien az, som sträcker sig till den inre änden av en slits. Med ovan angivna beteckningar uppfylles sambandet a1>-az. En förstorad vy av slitsarna visas i fig. 6.

Resonansfrekvensen fo hos mikroremsaantennen med slitsar är beroende av an- talet slitsar N och värdena a] och az enligt ovanstående ekvation (3), och följande samband är uppfyllda: 115 f.<{, (ag/agopf) fo < Muvff, ,{,) (aa/a, < 0,1) där f] är resonansfrekvensen hos en mikroremsaantenn med ett strålningsledarplan med radien a1, fz är resonansfrekvensen hos en mikroremsaantenn med ett strålnings- ledarplan med radien az, och MIN (f1, f2) är det mindre värdet av f1 och f2.

Fig. 7A och 7B visar frekvensegenskaperna hos mikroremsaantennen, där tjock- leken hos det dielektriska lagret är d=l,6 mm, och den relativa dielektriska kon- stanten är Er =4,34. Fig. 7A visar fallet att az/a]=l, dvs. ingen slits är anordnad såsom visas i fig. 3A och 3B, och fig. 7B visar fallet att az/a1=0,9 och N=l8 med konstruktionen enligt fig. 5A eller fig. SB. I dessa figurer anger den horisontella axeln frekvensförhållandet f/fo, och den vertikala axeln visar returförlusterna (dB) eller kopplingsförlusterna (dB). I dessa figurer visar kurvan l5 returför- lusterna vid matningspunkten ll, kurvan l6 visar returförlusterna vid matnings- punkten l2, och kurvan l7 visar frekvensegenskaperna hos kopplingsförlusterna mellan matningspunkterna ll och 12.

Vid en jämförelse av fig. 7B med fig. 7A bör noteras att fig. 7B med slitsarna utmed periferin av strålningsledarplanet åstadkommer kopplingsförluster som är större än 40 dB i driftfrekvensbandet, och att kopplingsförlusterna hos fig. 7B är avsevärt förbättrade jämfört med de enligt fig. 7A, som åstadkommer endast ca 20 dB kopplingsförluster. Det bör också noteras att nämnda värde på 40 dB kopplings- förluster är tillräckligt för att använda en enda antenn för både ett sändarsystem och ett mottagarsystem.

Kopplingsförlusten beror på antalet (N) av slitsar och radierna a] och az.

Fig. 8 visar en kurva över sambandet mellan antalet (N) av slitsar och kopp- lingsförlusten (dB) när förhållandet az/a1=O,9. Kurvan i fig. 8 visar de minimala kopplingsförlusterna i driftfrekvensbandet som åstadkommer ett spännings-stående vâgförhâllande V.S.w.R.:å 1,5.

Det föredrages att förhållandet az/a] befinner sig i området mellan 0,2 och l,0 och att antalet slitsar (N) är större än 4. Om förhållandet az/a] är mindre än 0,2, dvs. om slitsarna är alltför djupa, kan matningspunkterna inte placeras på en cirkulär yta hos strâlningsledaren utan matningspunkterna skulle bli placerade 10 15 20 25 30 35 40 7 453 702 på de utskjutande partierna och egenskaperna hos antennen skulle förstöras.

Naturligtvis inses att de numeriska exempel på N, a] och az som givits ovan inte begränsar omfattningen av föreliggande uppfinning till endast dessa numeriska värden.

Fig. 9A, 98 och 9C visar experimentellt erhållna riktvärden hos den cirkulära mikroremsaantennen enligt fig. 3A och 3B enligt föreliggande uppfinning. Fig. 9A visar koordinatsystemet för antennen medan fig. 9B visar riktverkan hos den första antenngrenen och fig. 90 visar riktverkan hos den andra antenngrenen. I dessa figurer anger symbolen P i fig. 9A mätpunkten med koordinaterna (x, y, z) och vinkeln mellan OP och OZ är 65 , medan vinkeln mellan OP' och OX ärif . Hänvisnings- beteckningen 35 visar riktegenskaperna hos den första antenngrenen, medan hänvis- ningsbeteckningen 36 visar riktegenskaperna hos den andra antenngrenen, och hän- visningsbeteckningen 40 visar riktegenskaperna vid en vertikalt polariserad våg, medan hänvisningsbeteckningen 4l visar riktegenskaperna vid en horisontellt polari- serad våg. Det bör noteras i riktegenskaperna i x-y-planet enligt fig. 9B och 9C (kurvorna 40 och 41) att riktegenskaperna hos den första grenen är vinkelrät mot riktegenskaperna hos den andra grenen för både vertikalt polariserade vågor och horisontellt polariserade vågor. Även om fig. 9B och 9C visar egenskaperna hos en cirkulär mikroremsaantenn enligt fig. 3A och 3B erhålles liknande egenskaper vid en slitsförsedd mikroremsaantenn enligt fig. 5A och 58.

Fig. 10 visar de kumulativa fördelningskurvorna hos den mottagande signalen för varje gren av mikroremsaantennen enligt fig. 3A och 38, varvid den horisontella axeln visar skillnadsnivån (dB) från medianvärdet och den vertikala axeln visar sannolikheten (%) att nivån är lägre än motsvarande nivå på den horisontella axeln.

I fig. 10 är sannolikheten för medianvärdet (0 dB) 50 %, och när nivån är lägre än medianvärdet är sannolikheten mindre än 50 %. I fig. 10 anger kurvan 42 den teore- tiska kurvan hos Rayleigh-fördelningen, medan kurvan 43 visar den teoretiska kurvan när korrelationen mellan antenngrenarna är g =0,03. De vita ringarna 44 visar den uppmätta kumulativa fördelningen av mottagna nivåer hos den första grenen, medan ¿ fyllda punkter 45 visar den uppmätta kumulativa fördelningen hos den andra grenen. I Symbolen (+) 46 visar den uppmätta kumulativa fördelningen av mottagna nivåer, när den högre nivån hos den första grenen och den andra grenen väljes. Det bör noteras i fig. 10 att markeringarna 44 och 45 hos den första och den andra mottagnings- grenen när ingen skillnadsomkoppling utföres följer Rayleigh-kurvan 42, medan markeringarna 46 där skillnadsomkoppling utförts är avsevärt förbättrade jämfört I med markeringarna 44 och 45. Enligt utförda experiment är korrelationkoefficienten ' mellan den första och den andra grenen y =0,03, vilket är ett mycket litet värde, och den uppmätta kumulativa-fördelningen 46 visar en god överensstämmelse med den teoretiska kurvan 43, varför den första grenen är i det närmaste oberoende av den andra grenen. Enligt experimenten är vidare medianvärdet för mottagna signaler hos 10 15 20 453 702 a den första och den andra grenen 33,7 dgu och 31,4 däu. , varför bägge grenarna har ungefär 1ika stor käns1ighet.

Fig. 11 visar det yttre utseendet hos ett tråd1öst kommunikationssystem som använder före1iggande riktningsski11nadssystem, innefattande ett hus 100, mikro- remsaantenner 90a och 90b utförda en1igt fig. 3A och 38 e11er fig. 5A och SB, en högta1are 110, rattar 120a, 120b och 120c för instä11ning av apparaten och en strömbrytare 130. Såsom visas i fig. 11 kan hö1jet 100 innefatta inte endast en mottagkrets utan också en antenn för ski11nadsfunktionen, varför ett kompakt kommunikationssystem kan erhå11as.

Här ovan har beskrivits en mikroremsaantenn, som har två grenar med 1iten korre1ationskoefficient, ungefär 1ika stor känsïighet och fu11ständig iso1ering me11an de tvâ matningspunkterna, vi1ken antenn är förde1aktig att använda som en riktningsski11nadsantenn. Vidare har antennen en1igt uppfinningen förde1en att en enda konstruktion av antennen är ti11räck1ig för ett par ski11nadsgrenar och höjden hos antennen är mycket 1åg. Därför kan före1iggande antenn innefattas i ett hölje hos en mottagande e11er sändande utrustning, varigenom erhâ11es ett 1itet och mycket portabe1t kommunikationssystem med hög funktionsti11för1it1ighet och som använder riktningsski11nadssystemet (directivity diversity system). Sâ1edes är före1iggande uppfinning användbar vid ett riktningsskii1nadskommunikationssystem vid mobi1 kommunikation.

Av det ovanstående framgår att ett nytt och förbättrat ski11nadsmottagarsystem har uppfunnits. Natur1igtvis inses att den beskrivna utföringsformen har visats i i11ustrativt syfte och inte begränsar uppfinningens omfång. Uppfinningen begränsas endast av nedanstående patentkrav.

...Mt-u .i...__.... 1,»

Claims (5)

10 15 20 25 30 35 40 fi 455 702 PATENTKRAV

1. Mikrostripantenn för ett riktníngsdíversitetskommunikationssystem innefattande en skíllnadsmottagare för mottagning av signaler på ett par ingångskontakter, vilka var och en är kopplad till en av ett par matnings- punkter, varvid var och en av signalerna på en ingångskontakt kombineras med en annan på en annan ingångskontakt genom en diversitetsteknik; k ä n n e - t e c k n a d av att antennen är en míkrostrípantenn, som har ett dielektriskt lager anordnat mellan ett ledande jordplan och ett cirkulärt strålningsledarplan, vilket cirkulära strålningsledarplan har ett flertal slitsar anordnade kring hela sin omkrets, varvid nämnda par av matnings~ punkter är anordnade på strålningsledarplanet och placerade så att en linje mellan en första matningspunkt och strålningsledarplanets centrum är väsentligen vinkelrät mot en linje mellan en andra matníngspunkt och strålningsledarplanets centrum, så att ett strålningsmönster Från den Första matningspunkten är vinkelrätt mot ett strålningsmönster från den andra matningspunkten.

2. Míkrostripantenn för ett riktningsdiversitetskommunikationssystem enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda dielektriska lager är tunnare än en våglängd, att nämnda strålningsledarplan har mera än Fyra slitsar kring sin omkrets med lika avstånd, och av att nämnda par av mat- ningspunkter är anordnade på nämnda strålníngsledarplan genom ett par genom- gående hål hos jordplanet.

3. Mikrostripantenn För ett riktningsdíversitetskommunikationssystem enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att kvoten (az/a1) mellan en inre radie (az) mellan strålningsledarplanets centrum och en innerkant av slitsarna och en yttre radie (aï) mellan strålningsledarplanets centrum och en ytterkant av slitsarna är större än eller lika med 0,2 och mindre än 1,0.

4. Mikrostripantenn för ett riktningsdiversitetskommunikationssystem enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda kvot (az/a1) är 0,9 och antalet (N) slítsar är 18.

5. Mikrostripantenn För ett riktningsdíversitetskommunikationssystem enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att centrumvinkeln för varje slits är 3600/(ZN) och centrumvinkeln för avståndet mellan två slitsar också är 3eo°/(2N), där N är antalet sntsar.