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Die Erfindung betrifft eine Sende-und/oder Empfangsantenne für die Mobilkommunikation bestehend aus einer oder mehreren modifizierten Yagiantennen, welche über eine oder mehrere Speiseleitungen mit einem Senderausgang bzw. Empfangereingang verbunden sind.
Antennen sind ein wesentliches Element einer Funkübertragungsstrecke, insbesondere in der Mobilkommunikation. Die Anforderungen an die Antennen auf der Basisstation und der Mobilstation, insbesondere den Handfunktelefonen sind in bezug auf geringe Kosten sowie einfacher und modularer Aufbau gleich.
Bei Basisstationsantennen kann ein etwas grösserer Aufwand betrieben werden, jedoch ergibt sich für Netzbetreiber die Notwendigkeit, kommerziell gefertigte Antennen vor Ort und nachträglich an die gewünschten Versorgungsgebiete anpassen zu können. Das kann in einer Horizontalschwenkung der Richtcharakteristik, in einer Absenkung der Vertikalcharakteristik, in der Unterdrückung von Nebenkeulen oder der Verbesserung des Vor-Rück-Verhältnisses liegen, jedenfalls in einer nachträglichen Formung. Bei tragbaren Handfunktelefonen wiederum wird in Hinkunft das Hauptaugenmerk darauf liegen müssen, das Richtdiagramm vom Körper des Benutzers abzuwenden, sei es um wertvolle Hochfrequenzleistung zu sparen, sei es, um die Bestrahlung des Körpers zu minimieren oder sei es, dem Effekt der Abschattung durch den Körper aus dem Wege zu gehen.
Wenn auch für Basisstationsantennen gültig, so gilt es Insbesondere bei Mobilstationsantennen, Platz und Kosten zu sparen. Rundstrahlende Antennen oder Sektorantennen für Basisstationen werden zum Beispiel In den Antennenkatalogen der Firma Kathrein, Antennas for Communications Equipment, 790 - 960 MHz, 7/89 und der Firma Huber+Suhner, Provisional Data Sheet 08. 92 beschrieben. Ihnen zugrunde liegt die Theorie der Gruppenantennen, mit vorwiegend direkt gespeisten Elementen, wie sie z. B. in dem Buch Antenna Theory and Design, von Warren L. Stutzman und Gary A. Thiele, John Wiley & Sons, 1981 beschrieben sind. Solche kommerziell erhältlichen Antennenanordnungen sind gross und schwer, vor allem aber ist ihre Richtcharakteristik vor Ort nicht mehr veranderbar.
Sie können zwar mit einer Absenkung des Vertikaldiagramms von einigen Grad bestelt werden, doch ist diese Einstellung fix. Eine Absenkung des Richtdiagramms durch mechanische Mittel ist nur schwierig aufgrund der schweren Gesamtantenne durchzuführen, von ästhetischen Nachteilen abgesehen. In der Druckschrift von Yamada, Y., Kijima, M. und Kimura, H., A wide-band and slender base-station antenna for mobile radio, erschienen in IEEE Antennas and Propagation Society, Chicago, IL (1992) 1057- 1060, wird eine Mobilfunkantenne beschrieben, bei der eine Veränderung des Vertikaldiagramms durch variable Längen einer oder mehrerer Speiseleitungen verändert werden kann. Diese Antennen sind jedoch sehr voluminös und aufgrund ihrer Grosse nicht mechanisch schwenkbar.
Die einzelnen Elemente von Antennengruppen sind nicht einfach direkt über Leitungen anzuspeisen.
Die Yagistruktur mit parasitären Elementen, wie sie z. B. von Ehrenspeck und Pöhler in Eine neue Methode zur Erzielung des grössten Gewinns bei Yagi-Antennen, NTF 12 - 1958, Seiten 47-54, beschrieben worden ist, umgeht dieses Problem in eleganter Weise durch Strahlungsspeisung. Dort wird eine Yagistruktur als "ein aus zwei Teilen bestehendes Gebilde, aus der Kombination Erreger-Reflektor und aus der Reihe der Wellenrichterelemente" betrachtet.
Basisstationsantennen mit einem Erreger und mehreren von ihm angespeisten YAGI-Antennen sind in der Offenlegungsschrift DE-A1-3 405 879 (Bundespost) beschrieben. Das vorgestellte Konzept dient zur
Herstellung von Sektorantennen, benötigt einen fixen, mehrere Wellenlangen grossen, flachenhaften Reflektor und ist nicht adaptiv, d. h. das Diagramm kann vor Ort nicht mehr verändert werden.
Eine mechanisch drehbare Empfangsantenne ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE-A1-3 938
512 (SEL) beschrieben, doch sind Drehständer für Basisstationen im Mobilfunk ungeeignet.
In der europäischen Patentanmeldung EP-A1-540 899 (Televes) wird erwähnt, dass ein Reflektor einer
YAGI-Antenne eine doppelte Funktion erfüllen kann. Und zwar ist er zu gleich Dipol einer VHF Antenne und
Reflektor einer UHF Antenne. Dieses Prinzip funktioniert jedoch nur, wenn die Umschaltung zwischen 2
Frequenzen von höchst unterschiedlicher Wellenlange durchgeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kosten für Antennen auf Basisstationen und Mobilstatio- nen zu minimieren, die Windlast herabzusetzen, ein möglichst kleines Volumen für die Antennen vorzuse- hen und vor allem die Richtcharakteristik der Antennen vor Ort und nachträglich zu formen. Diese
Beeinflussung kann in einer Schwenkung der Hauptkeule im Horizontaldiagramm In einer Absenkung der
Hauptkeule des Vertikaldiagramms, in einer Unterdrückung von Nebenkeulen und in einer Verbesserung des Vor-Rück-Verhältnisses von Antennen liegen.
Die ersten beiden Punkte werden dadurch erreicht, dass einfache Yagiantennenelemente als Ausgangs- punkt der Konstruktion dienen. Die Aufgabe der Erfindung wird gem. 1 dadurch gelöst, dass zur Beeinflus- sung der Richtcharakteristik einzelne Elemente wahlweise als gespeistes Element (Erreger), als Reflektor (kurzgeschlossenes parasitäres Element) oder als Direktor (leerlaufende parasitäres Element) geschaltet werden. Eine Umschaltung von Leerlauf auf Kurzschluss, beispielsweise durch eine Unterbrechung der
Speiseleitung in einem Abstand von \/4 oder X/2 vom Speisepunkt alleine bewirkt schon eine Schwenkung
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des Richtdiagramms, wie Simulationen mit Computerprogrammen überraschenderweise ergaben.
Auf diese Art kann aus einem ursprünglich gespeisten Element ein parasitäres Element mit den genannten gewünschten Eigenschaften geschaffen werden. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass parasitäre Elemente gemeinsam für mehrere direkt gespeiste Antennenelemente zugeordnet werden können, so dass mit einer möglichst geringen Anzahl parasitärer Elemente mehrere Yagiantennen gleichsam kombiniert werden können.
Die parasitären Elemente können entweder als Direktoren oder als Reflektoren ausgebildet sein. Ein Vorteil der erfindungsgemässen Konstruktion ist eine überraschende Erhöhung des Gewinns gegenüber dem bekannten Fall zweier nebeneinander gespeister Elemente, wie ebenfalls durch Computersimulationen gefunden wurde. Werden hingegen, bei gemeinsamen Direktoren, Reflektoren den einzelnen gespeisten Elementen individuell zugeordnet. so kann damit ein im wesentlichen linearer Schwenkbereich der Hauptkeule in Abhängigkeit der relativen Phase der gespeisten Elemente erzielt werden. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der leichten Herstellbarkeit können die Einzelelemente, selen sie direkt gespeist oder strahlungsgespeist. im wesentlichen die Länge einer halben Wellenlänge der Mittenfrequenz des zu übertragenden Sende-Empfaugsbandes haben.
Insbesondere ist jedoch eine erfindungsgemässe Ausführung eine solche, dass die direkt gespeisten Elemente unterschiedliche Länge besitzen, und/oder die strahlunggespeisten Elemente (Direktoren, Reflektoren) eine von im wesentlichen \/2 unterschiedliche Länge besitzen sowie untereinander von unterschiedlicher Länge sind. Die Aufgabe der Absenkung des vertikalen Richtdiagramms nachträglich und vor Ort wird dadurch erreicht, dass einzelne oder mehrere Elemente der Anordnung in der Höhe zueinander versetzt angeordnet sind. Zur Verbesserung der Richtcharakteristik. in vertikaler oder horizontaler Richtung können im wesentlichen gleiche Anordnungen wie bisher beschrieben über-bzw. nebeneinander angeordnet werden.
Die Aufgabe der Kosten- und Platzersparnis kann unter anderem dadurch erreicht werden, dass die Speiseleitungen innerhalb bzw. hinter den als Reflektoren wirkenden parasitären Elemente geführt werden. Die Optimierung des Antennendiagramms vor Ort wurde in der Vergangenheit durch die unvermeidliche Einbeziehung von Gebäude- und Metallstrukturen erschwert.
Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass vorhandene leitfähige Strukturen, wie z. B Antennenmasten oder Gebäudeverkleidungen als die Richtcharakteristik beeinflussende parasitäre Elemente in die Anordnung einbezogen werden.
Die Erfindung wird anhand von fünf Ausführungsbeispielen und von Zeichnungen näher erläutert Es zeigen :
Fig. 1 eine Darstellung eines einfachen Ausführungsbeispieles mit einem strahlungsgespeisten Direktor,
Fig. 2 eine Darstellung eines Ausführungsbeispieles mit individuell den direkt gespeisten Elementen zugeordneten Reflektoren,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit einem gemeinsamen Reflektor,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit mehreren Reflektoren, die mehreren direkt gespeisten Elementen zugeordnet sind und
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel mit in der Höhe zueinander versetzten Elementen.
Fig. 6 die drei wesentlichen Schnitte durch die Richtcharakteristik nach Fig. 2 bzw. Fig. 5
In den folgenden Ausführungsbeispielen werden Antennen beschrieben, die aufgrund ihrer Bandbreite entweder als Basisstationsantennen oder als Mobilstationsantennen für das paneuropäische digitale Mobilkommunikationssystem GSM verwendbar sind. Durch einfache Skalierung der Frequenz in den Frequenzbereich um 2 GHz für Funkdienste wie beispielsweise DECT (Digital European Cordless Telecommunications) und UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) können die Antennen auch für künftige "Perso- nal Communications"-Systeme mit Vorteil verwendet werden. Die kleinere Wellenlänge lässt die Vorteile der Erfindung noch stärker zur Wirkung kommen, nämlich Kosten- und Platzersparnis sowie Veränderbarkeit des Richtdiagramms vor Ort.
Der Aufbau eines ersten Ausführungsbeispieles ist in Fig. 1 dargestellt. Die beiden Elemente 10,11 sind direkt gespeist und befinden sich im Abstand dion voneinander. Ein strahlungsgekoppeltes, als Direktor wirkendes Element 20 befindet sich im Abstand d, 020 vom Element 10 und im Abstand du 20 vom Element 11, wobei jede Einzelanordnung aus direkt gespeistem und strahlunggekoppeltem Element auf maximalen Gewinn abgestimmt ist.
Der Abstand d, 0" ist so bemessen, dass die Gesamtanordnung maximalen Gewinn aufweist und liegt im allgemeinen zwischen 0. 02X und 0. 25 > ', vorzugsweise aber bei 0. 18 > .. Das parasitäre Element 20 ist elektrisch gleichermassen den gespeisten Elementen 10 und 11 zugeordnet und erhöht den Gewinn der Anordnung beträchtlich, wie durch Computersimulationen gefunden wurde. Die Abstände du oxo und d1120 liegen im allgemeinen in der Grösse zwischen 0. 05X und 0. 2 > ., vorzugsweise aber in der Grössenordnung von 0. 15X. Der Abstand dien liegt in einer
Entfernung von zo bis 0. 4 > ., vorzugsweise jedoch 0. 2X.
In Fig. 2 sind zusätzlich zu den Elementen der Fig. 1 Reflektoren 30 und 31 vorgesehen, die sich im Abstand dito30 vom Element 10 bzw. Abstand d1131 vom Element 11 befinden. Durch die individuelle
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