CH694950A5 - Phasenschieber fuer eine Mobilfunkantenne. - Google Patents

Description

  



   Die Erfindung betrifft einen Phasenschieber für eine Mobilfunkantenne.                                                         



   Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Phasenschiebern  bekannt. Die US-A-5 949 303 beschreibt eine planare Leitungsstruktur,  unterhalb von der eine dielektrische Platte verschoben wird. Diese  verändert die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Leitung und damit die  Phasendifferenz. Gleichzeitig wird aber auch der Wellenwiderstand  der Leitung verändert. Dies wäre ohne Einfluss auf die Anpassung,  wenn die Leitungslänge der Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht.  Die gewünschte Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit bedeutet  jedoch auch, dass die elektrische Leitungslänge verändert wird. Dies  geht mit einer Verschlechterung der Anpassung einher. Ein grosser  Einstellungsbereich für die Phase kann nicht mit einer gleichzeitig  guten Anpassung für einen grossen Frequenzbereich einhergehen. 



   Die WO 95/10862 beschreibt einen variablen Phasenschieber in koaxialer  Technik für Frequenzen um 900 MHz. Die Vielzahl der Bauteile führt  zu einer aufwendigen Fertigung und relativ grossem Raumbedarf. 



   Im Mobilfunk geht die Entwicklung hin zu immer kleineren Zellengrössen.  Um dabei Interferenzen zwischen verschiedenen Zellen zu vermeiden,  wird die Strahlungskeule der Mobilfunkantennen abgesenkt. Diese Absenkung  kann mechanisch durch Neigen der Antenne geschehen. Dies ist optisch  auffälliger als eine elektrische Absenkung. Bei elektrischer Absenkung  ist die ausgeleuchtete Flä   che am Boden günstiger als bei mechanischer  Absenkung. Damit wird das Funknetz effizienter. Anstelle einer fixen  Absenkung ist eine variable elektrische Absenkung zu bevorzugen.  Die variable elektrische Absenkung bietet den Vorteil der Reduktion  der Typenvielfalt. Ferner sind bei einer Änderung der Netzplanung  lediglich die vorhandenen Antennen neu einzustellen und es sind insbesondere  keine neuen Genehmigungen erforderlich.

   Diese Erfordernisse sind  in ersichtlicher Weise mit den bekannten Phasenschiebern nur unvollkommen  zu erfüllen. 



   Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher  die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten, leicht einstellbaren Phasenschieber  mit reduziertem Platzbedarf und gleichwohl hervorragenden Eigenschaften  anzugeben. 



   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit den Merkmalen des Anspruchs  1 gelöst. 



   Die elektrische Absenkung der Hauptkeule der Antenne wird durch verschiedene  Phasenbelegung der Einzelstrahler innerhalb einer Anordnung erreicht.                                                          



   Es ist ferner möglich, die Einstellung der Antenne elektrisch auszulesen  und die Absenkung ferngesteuert durch einfaches Verschieben der beweglichen  Elemente gegenüber dem festen vorzunehmen. Dabei ist es für Netzbetreiber  interessant, die Absenkung der Strahlungskeule der aktuellen Auslastung  der Zellen anzupassen. 



   Aufgrund der verschiedenen Frequenzbereiche der Mobilfunknetze wie  GSM und UMTS ist es für die universelle Nutzung einer Antenne vorteilhaft,  dass diese sehr breitbandig ist. Die Forderung der grossen Bandbreite  gilt damit auch für den Phasenschieber in    der Antenne. Diese Anforderung  wird mit der erfindungsgemässen Ausgestaltung erfüllt. 



   Die Erfindung wird nun in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf  die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:      Fig. 1 eine  schematische Draufsicht auf die Leiter eines einzelnen Phasenschiebers  in der zusammengefahrenen Position,     Fig. 2 eine schematische  Draufsicht auf die Leiter eines einzelnen Phasenschiebers in der  ausgefahrenen Position,     Fig. 3 eine Schnittansicht gemäss Linie  III-III durch den Phasenschieber nach Fig. 1 oder Fig. 2,     Fig.

    4 eine Draufsicht auf ein Speisenetzwerk einer Antenne mit sechs  Phasenschiebern mit dem beweglichen Element in einer ersten Position  und sechs weiteren in einer zweiten Position,     Fig. 5 eine Draufsicht  auf das Speisenetzwerk nach Fig. 4 mit den beweglichen Elementen  in der jeweils anderen Position,     Fig. 6 eine Draufsicht auf  das ortsfeste Element aus Fig. 4 oder Fig. 5, und     Fig. 7 eine  Unteransicht des in den Fig. 4 und 5 dargestellten beweglichen Elementes.  



   Die Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen einzelnen Phasenschieber  41 in der zusammengefahrenen Position. Dieser Phasenschieber 41 bildet  eine planare Leitung mit ausziehbarer Länge. Die Tore befinden sich  am ortsfesten Element 1, an dem zwei gerade Leiterbahnen 31 und 32  vorgesehen sind. Das bewegliche Element 2 verfügt über bewegliche  Leiterbahnen 81 und 82, die in der Draufsicht U-förmig sind. Das  bewegliche Element 2 und das ortsfeste Element 1 weisen einen Überlappungsbereich  8 auf. Die beweglichen Leiterbahnen 81, 82 sind von den beiden zugeordneten    ortsfesten Leiterbahnen 31 und 32 isoliert, wie es in der Fig.  3 noch genauer zu sehen sein wird. Der Überlappungsbereich 8 beträgt  zum Beispiel ungefähr ein Viertel der Wellenlänge und stellt einen  Leitungskoppler dar.

   Das Verhältnis Überlappungslänge zu Wellenlänge  wird hier durch zwei Faktoren beeinflusst: 1.) Unterschied zwischen  höchster und niedrigster Betriebsfrequenz und 2.) Position des Phasenschiebers.                                                



   Die Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den einzelnen Phasenschieber  41 nach Fig. 1 in der ausgefahrenen Position. Durch Verschieben des  beweglichen Elementes 2, welches die Leiterbahnen 81, 82 in U-Form  trägt, wird nun die gesamte Leitungslänge zwischen den Punkten 38  und 39 verändert und der Überlappungsbereich 9 verkleinert sich.  Durch die Änderung der Leitungslänge wird eine einstellbare Phasenverschiebung  zwischen den Toren erhalten. Die Abstimmelemente 37 kompensieren  den Einfluss des veränderlichen Überlappungsbereichs auf die Anpassung.  Damit auch bei den extremen Kombinationen eine gute Anpassung erreicht  wird, sind die kapazitiv wirkenden Abstimmelemente eingefügt. Deren  Grösse ist experimentell an Mustern ermittelbar.

   Durch ein Anpressen  zwischen dem beweglichen 2 und dem ortsfesten, stationären 1 Teil  werden definierte Koppeleigenschaften und Wellenwiderstände einstellbar.                                                       



   Die Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht gemäss Linie III-III aus Fig.  1 oder Fig. 2 durch den Phasenschieber nach Fig. 1 oder Fig. 2. Gleiche  Merkmale sind durchgehend mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. 



   Ein Beispiel für einen derartigen Phasenschieber für den Frequenzbereich  GSM-1800 und UMTS kann die folgenden Dimensionen aufweisen. Bei einer  Frequenz zwischen 1720 und 2170 MHz weisen die Leiterplattenelemente  1 und 2 eine Stärke von 0,5 Millimeter    und eine relative Dielektrizitätszahl  von 2,17 auf. Der Überlappungsbereich 8 in der Fig. 1 verfügt über  eine Länge von 35,5 Millimeter und der Überlappungsbereich 9 in der  Fig. 2 über eine Länge von 24 Millimeter. Die Breite der ortsfesten  Leitung 31, 32 beträgt ungefähr 1,4 Millimeter und die Breite der  verschiebbaren Leitung 81, 82 beträgt ungefähr 1,7 Millimeter. Das  Abstimmelement 37 kann eine Länge von 3 Millimeter und eine Breite  von 3,3 Millimeter aufweisen. Es ist erkennbar, dass die Breite der  ortsfesten Leitungen 31, 32 etwas geringer als die Breite der verschiebbaren  Leitungen 81, 82 ist.

   Dies ergibt einen konstanten Wellenwiderstand.  Der Abstand zwischen den beiden Leitungen 31 zu 81 bzw. 32 zu 82  ist sehr viel kleiner als die Breite der im Wesentlichen flachen  Leitungen, wobei kleiner Abstand starke Kopplung bedeutet. 



   Der Vorteil des erfindungsgemässen Phasenschiebers liegt auch in  seiner sehr geringen Grösse und der planare Aufbau erfordert nur  ein Minimum an Bauteilen und Bauhöhe. Die Verwendung von Lötstopplack  als Schichten 98 bzw. 99 als Isolator bringt die isolierende Funktion  und die Möglichkeit des Anpressens der Elemente 1 und 2 gegeneinander  ohne den Einsatz eines weiteren Bauteiles. Die Montage ist unproblematisch  und kostengünstig. Mit dem Bezugszeichen 97 ist eine auf der Rückseite  des ortsfesten Elementes 1 aufgebrachte elektrisch leitende Fläche  bezeichnet. 



   Die Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf ein Speisenetzwerk für eine  vollständige Antenne mit fünf Strahlern mit zwei Polarisationen gemäss  einem Ausführungsbeispiel. Dabei werden zwei mal sechs Phasenschieber  eingesetzt und die beweglichen Elemente 2 sind in Bezug auf das ortsfeste  Element 1 in einer ersten Position, in der die einen sechs Phasenschieber  eingefahren sind und die anderen sechs Phasenschieber ausgefahren  sind. 



     Eine Antenne verfügt über mehrere Einzelstrahler und erfordert  mehrere Phasenschieber und Leistungsteiler. Die planare Struktur  gestattet die Integration von Phasenschieber und Leistungsteiler  mit den entsprechenden Kostenvorteilen. Die Fig. 4 und 5 zeigen ein  Ausführungsbeispiel mit sechs Phasenschiebern je Seite 11, 21 und  acht Leistungsteilern, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht  alle Leistungsteiler und Verzögerungsleitungen des Speisenetzwerkes  gekennzeichnet sind. Manche Transformationsleitungen von Leistungsteilern  sind optisch auch nicht von Verzögerungsleitungen zu unterscheiden.                                                            



   Die Fig. 5 speziell zeigt eine Draufsicht auf das Speisenetzwerk  nach Fig. 4, wobei die beweglichen Elemente 2 in Bezug auf das ortsfeste  Element 1 in einer zweiten Position sind, in der die anderen Phasenschieber  eingefahren sind und die oben zuerst genannten Phasenschieber ausgefahren  sind. 



   Die Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf das ortsfeste Element aus Fig.  4 oder Fig. 5 ohne abdeckende bewegliche Elemente 2. 



   Die Fig. 7 schliesslich zeigt einen beweglichen Print für die in  der Fig. 6 dargestellte Antenne, der zweimal benötigt wird. 



   Das ortsfeste Element 1 besteht aus einer rechtwinkligen Leiterplatte,  auf der eine Vielzahl von Leiterbahnen aufgebracht sind. Das Element  1 kann in drei Bereiche 10, 11 und 21 unterteilt werden. Der mittlere  Bereich 10 bildet das Speisenetzwerk der Antenne. Die seitlichen  Bereiche 11 und 21 bilden den einen, ortsfesten Teil der jeweils  sechs Phasenschieber 41, 42, 43, 44, 45, 46. In diesen seitlichen  Bereichen 11 und 21 sind jeweils zwei Langlöcher 3, 4 zur Aufnahme  von Führungsstiften des beweglichen Elements angeordnet, das in Fig.  7 dargestellt ist. Ferner sind zwei Fixierungspunkte 5, 6 vorgesehen.  Jedes bewegliche    Element 2 ist an zwei Punkten 13, 14 für eine  longitudinale Verschiebung gelagert. Da das Printmaterial weich ist,  sind alle Leiterplatten 1, 2 in einem (in den Zeichnungen nicht dargestellten)  Rahmen über je zwei Stifte gelagert.

   Diese Rahmen sind longitudinal  verschiebbar und beinhalten auch eine Anpressung der Leiterplatten  1, 2 aneinander. Die hervorstehenden Stifte zur Fixierung der einen  Platte sind in den Langlöchern/Schlitzen der jeweils anderen Leiterplatte  frei beweglich. 



   Das ortsfeste Element 1 ist bezüglich seiner Längsachse symmetrisch  aufgeteilt in zwei Hälften 12 und 22 für die zwei dualen Polarisationen  der Antenne. In jeder Hälfte 12 oder 22 sind sechs Leitungen 31,  32, 33, 34, 35, 36 für drei Paare 41, 42 und 43 (bzw. 44, 45, 46)  von festen Leitungen von drei (bzw. weiteren drei) Phasenschiebern  parallel zueinander angeordnet. Jede Leitung 31, ..., 36 verfügt  über ein Abstimmelement 37. 



   In der Herstellung kann auf ein Material der Platte 1 von beispielsweise  0,5 Millimeter Stärke beidseitig eine Kupferauflage von beispielsweise  35 Mikrometer aufgebracht sein. Die eine Seite dient als geerdete  Fläche 97, wohingegen die gegenüberliegende Seite, die in den Fig.  4, 5 und 6 zu erkennen ist, geätzt ist, um die dargestellte Leiterbahnkonfiguration  zu erreichen. Anschliessend ist auf der hier dargestellten Seite  zumindest auf den Leiterbahnen 31, 32, ..., 81, 82 ein Lötstopplack  98, 99 einer Dicke von beispielsweise 20 Mikrometer aufgebracht,  so dass die Leiterbahnen mit nichtleitendem Material abgedeckt sind  und bei dem in der Fig. 3 dargestellten Kontakt nicht leitend verbunden  sind.

   Die elektrische Isolation von Leiterbahnen auf dem fest stehenden  Element gegenüber den Leiterbahnen auf dem beweglichen Element muss  gewährleistet sein, und dies über Schiebeoperationen in der Grössenordnung  von 20 000 aufwärts. Bei einer einfacheren Ausgestaltung könnte auch  nur eine Isolation 98    oder eine Isolation 99 vorgesehen sein.  Für die Funktionssicherheit wird die beidseitige Isolation bevorzugt.                                                          



   Für die Ansteuerung der Strahler sind Verzögerungsleitungen, z.B.  mit den Bezugszeichen 51 bzw. 52, für den Phasenausgleich vorhanden.  Ferner sind Leistungsteiler, z.B. hier mit Bezugszeichen 61 und 62  versehen, mit Transformationsleitungen vorgesehen. Wie bereits erwähnt  sind die Leitungen 51, 52, 61, 62 Beispiele; einige Verzögerungsleitungen  und Leistungsteiler sind nicht dargestellt. In jeder Hälfte 12, 22  sind fünf Anschlüsse 71, 72, 73, 74, 75 für koaxiale Kabel zu den  Strahlern vorgesehen. Ferner ist ein Anschluss 76 für ein koaxiales  Kabel zum Anschlusspunkt der Antenne vorgesehen. 



   Die Fig. 7 zeigt eines der zwei beweglichen Elemente 2 zum Einsatz  mit dem ortsfesten Element 1 der Fig. 1. Es kann sich insbesondere  um eine Leiterplatte 2 aus demselben Material wie das der Leiterplatte  der Fig. 1 handeln. Die Leiterplatte 2 ist einseitig mit einer Kupferauflage  von zum Beispiel 35 Mikrometern belegt, aus der die in der Fig. 7  sichtbare Leiterbahnstruktur herausgeätzt ist. Es handelt sich dabei  um sechs U-förmige Leiterbahnen. Zwischen den beiden äusseren U-förmigen  Leiterbahnen sind für Stifte vorgesehene Bohrungen 13 und 14 vorhanden,  die mit den beiden Langlöchern 3 und 4 des ortsfesten Elementes 1  zusammenwirken. 



   Das Verschieben der beiden beweglichen Teile 2 gegenüber dem ortsfesten  Teil 1 hat keinen Einfluss auf den Wellenwiderstand der Leitungen.  Das ermöglicht grosse Phasenverschiebungen mit einer linearen Abhängigkeit  vom Schiebeweg. 



     Der Übergang vom ortsfesten zum beweglichen Leiter ist kontaktlos.  Dies ist preisgünstig und hat gute Intermodulations-Eigenschaften.                                                             



   Dabei wird eine Phasenverschiebung von 0 bis 70 Grad erreicht mit  einer Rückflussdämpfung von kleiner als -20 dB über eine relative  Bandbreite von 23,7 Prozent. 



   Es ist für den Fachmann klar ersichtlich, dass durch Umskalierung  der Leitungslängen entsprechend dem Verhältnis der Wellenlängen ein  Phasenschieber für ein anderes Frequenzband realisiert werden kann.                                                            



   Die Träger 1 und 2 sind bei der dargestellten Ausführungsform aus  Hochfrequenz-Printmaterial. Anstelle des hier dargestellten flächigen  Trägers können auch einzelne Stützen eingesetzt werden. 



   Die Isolation 98, 99 zwischen den beweglichen 81, 82, ... und den  ortsfesten 31, 32, ... Leiterbahnen kann beliebig realisiert werden,  z.B. durch einseitigen Lack, eine Zwischenlage mit höherem Dielektrizitätswert  oder Luft. 



   Die Form der Abstimmelemente kann variiert werden, z.B. in kürzeren,  symmetrischen Stichleitungen. 



   Die beweglichen Elemente 2 können mit Hilfe von Antrieben gegenüber  dem festen Element 1 bewegt werden. Es ist möglich, diesen Antrieb  einseitig vorzusehen und die beiden beweglichen Elemente 2 über einen  Steg miteinander zu verbinden. 



   Bei einer Mehrfach-Patch-Antenne, mit zum Beispiel fünf Patches,  kann man die beweglichen Elemente über eine Stange verbinden und    gemeinsam verschieben. Die in der Antenne unten angeordneten Strahler  erfahren dann mehr Phasenverzögerung und die oberen weniger oder  umgekehrt. Dies gestattet eine günstigere Topologie des Speisenetzwerkes.  Dies ist auch für eine höhere Anzahl von Strahlern einsetzbar, wenn  mehrere ortsfeste Prints mit integrierten Phasenschiebern vorhergesehen  sind.

Claims (7)

1. Phasenschieber für eine Mobilfunkantenne mit einem ortsfesten Element (1) und mit einem gegen-über dem ortsfesten Element longitudinal verschieblichen Element (2), wobei auf dem ortsfesten Element (1) Leitungen (31, 32) des Phasenschiebers vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem ortsfesten Element (1) vorgesehenen Leitungen (31, 32) des Phasenschiebers aus zwei im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden ersten Leitungen (31, 32) bestehen, die fluchtend mit der Bewegungsrichtung des verschieblichen Elementes (2) ausgerichtet sind, dass auf dem verschieblichen Element (2) zwei im Wesentlichen parallel verlaufende Leitungen (81, 82) vorgesehen sind, die gegenüber den ersten Leitungen (31, 32) angeordnet sind, wobei die parallel verlaufenden Leitungen (81, 82) des verschieblichen Elementes (2) U-förmig miteinander verbunden sind.

2.

Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Leitungen (31, 32, 81, 82) im Wesentlichen Flachleitungen sind, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der kleiner als die Breite der Flachleitungen ist.

3. Phasenschieber nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die ersten oder die zweiten oder die ersten und die zweiten Leitungen (31, 32, 81, 82) mit einem Isolierlack (98, 99) abgedeckt sind.

4. Phasenschieber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Isolierlack (98, 99) abgedeckten ersten und zweiten Leitungen (31, 32, 81, 82) aneinander liegen oder aneinander gedrückt werden.

5. Phasenschieber nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der ersten Leitungen (31, 32) etwas kleiner ist als die Breite der zweiten Leitungen (81, 82).

6. Mobilfunkantenne mit mindestens einem Phasenschieber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem ortsfesten Element (1) das Speisenetzwerk der Antenne und erste Leitungen (31, 32) von mindestens zwei Phasenschiebern vorgesehen sind und dass auf mindestens einem verschieblichen Element (2) zugehörige zweite Leitungen (81, 82) der mindestens zwei Phasenschieber angeordnet sind.

7. Mobilfunkantenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine bewegliche Element (2) gegenüber dem ortsfesten Element (1) mit Hilfe eines Antriebes in der besagten longitudinalen Richtung verfahrbar ist.