DE19722742A1 - Antennenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zum Abstrah­ len und Empfangen von elektromagnetischen Wellen, insbe­ sondere eine dualpolarisierte Antenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Horizontal oder auch vertikal polarisierte Strahleranord­ nungen, beispielsweise in Form von in der Polarisations­ ebene angeordneten Dipolen, quer dazu angeordneten Schlit­ zen oder in Form von planaren Strahlerelementen, wie Patchstrahlern, sind hinlänglich bekannt. Im Fall von ho­ rizontal polarisierten Strahleranordnungen sind dabei die Dipole horizontal angeordnet. Entsprechende Strahleranord­ nungen in Form von Schlitzen sind in diesem Fall vertikal angeordnet. Ebenfalls sind Strahleranordnungen bekannt, welche zum gleichzeitigen Abstrahlen und Empfangen von Wellen mit zwei orthogonalen Polarisationen verwendet wer­ den können, die nachfolgend auch als dualpolarisierte An­ tennen bezeichnet werden. Entsprechende Strahleranordnun­ gen, beispielsweise aus mehreren Elementen in Form von Di­ polen, Schlitzen oder Planarstrahlelementen, sind aus der EP 0 685 909 A1 oder aus der Vorveröffentlichung "Anten­ nen", 2. Teil, Bibliographisches Institut Mannheim/Wien/­ Zürich, 1970, Seiten 47 bis 50 bekannt.

Zur Erhöhung der Richtwirkung werden diese Strahleranord­ nungen üblicherweise vor einer reflektierenden Fläche, dem sogenannten Reflektor angeordnet. Weiterhin hat sich für Mobilfunkanwendungen eine schiefwinklige Anordnung von dual polarisierten Strahleranordnungen, beispielsweise + oder -45°, als günstig erwiesen, so daß jedes System eine lineare Polarisation von +45° oder -45° abstrahlt und beide wiederum orthogonal zueinander sind.

Als nachteilig erweist sich bei den verschiedenen Strah­ lertypen, daß bei ± 45° Polarisation diese nur in der Hauptstrahlrichtung diese exakte Ausrichtung aufweist. Je nach Strahlertyp wird die Ausrichtung der Polarisation bei großer Winkelabweichung von der Hauptstrahlrichtung mehr oder weniger von den gewünschten +45° oder -45° abweichen und ist somit abhängig von der Ausbreitungsrichtung. Ist der Strahlertyp beispielsweise ein +45° oder -45° ausge­ richteter Dipol, so ist dies anschaulich nachvollziehbar. Da in der jeweiligen Abstrahlrichtung nur die Projektion des Dipols in Erscheinung tritt, ist beispielsweise senk­ recht zur Hauptstrahlrichtung die Polarisation nahezu ver­ tikal.

Bei +45°/-45° dual polarisierten Antennen ist es aber erwünscht, daß die Ausrichtung der linearen Polarisation unabhängig, d. h. zumindest weitgehend unabhängig von der Abstrahlrichtung ist. Dies bedeutet bei schiefwinkligen Polarisationsebenen, die beispielsweise mit +45° und -45° ausgerichtet sein können, daß auch bei der vektoriellen Zerlegung des Feldstärkevektors in einen horizontalen und einen vertikalen Anteil die Strahlungsdiagramme der verti­ kalen und horizontalen Einzelkomponenten die gleiche Halb­ wärtsbreite wie die Summenkomponente aufweisen sollen.

Bei Mobilfunkanwendungen wird vorzugsweise mit großen ho­ rizontalen Halbwertsbreiten von 60°-120° gearbeitet; so­ mit bewirkt hierbei der angeführte Effekt der Abhängigkeit der Polarisationsausrichtung von der Abstrahlrichtung bei den meisten Strahlertypen, daß bei den horizontalen Strah­ lungsdiagrammen der vertikalen und horizontalen Einzel­ komponenten die Halbwertsbreite der vertikalen Komponente größer ist als die Halbwertsbreite der horizontalen Kompo­ nente.

Als nachteilig erweist sich somit bei Antennen mit schief­ winkliger Polarisation, insbesondere mit einer Ausrichtung der Polarisationsebene von +45° und -45°, daß es mit ein­ fachen Mitteln nicht möglich ist, Halbwertsbreiten von mehr als 85°-90° realisieren zu können und weiterhin es mit den bisher bekannten Mitteln nicht möglich ist, eine nahezu konstante Ausrichtung der Polarisation zu errei­ chen.

Ferner ist bekannt, daß vertikal angeordnete Schlitzstrah­ ler, welche beispielsweise mittels eines Koaxialkabels oder einer Streifenleitung oder einer Triplate-Struktur angeregt werden, eine horizontal polarisierte Strahlungs­ charakteristik mit einer vergleichsweise großen horizonta­ len Halbwertsbreite aufweisen können.

Zur Erzielung definierter Halbwertsbreiten wird beispiels­ weise gemäß der EP 0 527 417 A1 vorgeschlagen, mehrere versetzte Schlitze, welche mittels einer Streifenleitung gespeist werden, zur Diagrammformung zu nutzen. Nachteilig bei dieser Ausführung ist allerdings, daß diese Schlitze eine kleinere Halbwertsbreite als der Einzelstrahler auf­ weisen, d. h. eine weitere Vorbündelung erfolgt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher, bei einem dualpolarisierten Strahlermodul, dessen lineare Po­ larisationen in einem Winkel von +45° und -45° bezogen auf die Vertikale ausgerichtet sind, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu überwinden und eine demgegenüber ver­ besserte Antennenanordnung zu schaffen, welche eine Ver­ breiterung der Strahlungscharakteristik in der gewünschten Ausstrahlungsebene, d. h. insbesondere in der horizontalen Ausstrahlungsebene bewirkt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im An­ spruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange­ geben.

Durch die vorliegende Erfindung wird mit relativ einfachen Mitteln gegenüber allen bisher bekannt gewordenen Lösungen die Konstanz der Polarisationsausrichtung des Feldstärke­ vektors in einer gewünschten Ausbreitungsebene deutlich verbessert und damit das Strahlungsdiagramm in dieser Aus­ breitungsebene deutlich verbreitert.

Aus der EP 0 739 051 A1 ist zwar eine aus mehreren Schich­ ten aufgebaute Antenne bekannt, die durch in der Grund­ platte eingebrachte rechteckförmige Ausnehmungen, soge­ nannte Aperturen festgelegt ist. In diese primären Apertu­ ren ragen jeweils gegenüberliegend vertikal und quer dazu um 90° versetzt liegend horizontal ausgerichtete Anre­ gungsstifte, worüber die Anregung der Antenne erfolgt.

Um nunmehr die Halbwertsbreite der Strahlungskeule in ho­ rizontaler Hauptausbreitungsrichtung zu verbessern, sind in der Antennenebene liegend seitlich neben der primären Apertur jeweils ein weiterer rechteckförmiger Schlitz ein­ gebracht, in die bevorzugt ebenfalls noch weitere hori­ zontale Ankoppelstifte ragen können. Hierdurch soll die Halbwertsbreite der Strahlungskeule in der Schnittebene der Ankoppelstifte vergrößert werden.

Völlig andersartig ist jedoch die erfindungsgemäße Anten­ nenanordnung aufgebaut. Zwar werden bei der erfindungsge­ mäßen Lösung ebenfalls seitlich liegende Schlitze vorge­ sehen. Diese Schlitze finden aber keine Anwendung bei einer Antenne mit Schichtaufbau, sondern bei einer Dipol­ anordnung oder einem Patchstrahler. Vor allem aber ist die erfindungsgemäße Antenne mit einer Polarisationsausrich­ tung von +45° und -45° gegenüber der Vertikalen ausgerich­ tet. Völlig überraschend ist dabei, daß durch die erfin­ dungsgemäße Lösung eine Verbesserung der Breitencharakte­ ristik in Hauptstrahlrichtung erzielt werden kann, ohne daß es zu einer Verschlechterung der Entkopplung beider Polarisationen kommt. Denn bei der erfindungsgemäßen Lö­ sung werden die seitlich von den Strahlermodulen vorgese­ henen Schlitze gleichzeitig von den +45°-Polarisations­ komponenten und den -45°-Polarisationskomponenten ange­ regt. Dabei sollte man erwarten, daß dies zu einer Verrin­ gerung der Entkopplung zwischen den +45° und -45° Polarisationen führen würde.

Zudem ist völlig überraschend, daß bei der erfindungsge­ mäßen Antennenanordnung die Schlitze durch Abmaße und Lage derart abgestimmt werden können, daß der Strahlungsbeitrag der Schlitze keine oder nur eine geringfügige Phasenver­ schiebung gegenüber dem vertikalen Polarisationsanteil be­ wirkt und somit zu einer deutlichen Verbesserung der Pola­ risationsausrichtung der +45°/-45° polarisierten Antenne beiträgt (bei andersartiger Abstimmung und Lage würden zirkulare Anteile entstehen).

Schließlich ergeben sich die erfindungsgemäßen Vorteile auch dann, wenn bei einem vorgesehenen Reflektor aus der Reflektorebene vorstehende Seitenwände vorgesehen sind, in welche etwa in Höhe des Primärstrahlers gegenüberliegend Schlitze eingebracht sind. Hierdurch erfolgt eine elektro­ magnetische Verkopplung mit dem Primärstrahler, wodurch nunmehr in unerwarteter Weise das Strahlungsdiagramm ver­ breitert werden kann.

Durch die erfindungsgemäß am Reflektor vorgesehenen und aus der Reflektorebene vorzugsweise vorstehenden Seiten­ wände mit den darin eingebrachten Schlitzen kann überra­ schenderweise die Amplitude und Phase der durch die ange­ koppelten Schlitze abgestrahlten Wellen in positiver Weise beeinflußt werden. Erreicht werden kann dadurch, daß in Hauptstrahlrichtung und in rückwärtiger Richtung Auslö­ schungen erfolgen, und daß orthogonal zur Hauptstrahlrich­ tung additive Überlagerungen erzielt werden und somit eine Verbreiterung der Strahlungscharakteristik erfolgt.

Als positiv und überraschend kann ferner angemerkt werden, daß die erfindungsgemäße Antennenanordnung eine breitban­ dige Charakteristik aufweist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1 ein erstes schematisches Ausführungsbei­ spiel einer dualpolarisierten Antennenan­ ordnung;

Fig. 2 eine schematische horizontale Quer­ schnittsdarstellung durch das Ausführungs­ beispiel nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung eines Strah­ lungsdiagramms bei Verwendung einer her­ kömmlichen Anordnung; und

Fig. 4 ein entsprechendes Diagramm zu Fig. 3 unter Verwendung einer erfindungsgemäßen dualpolarisierten Antennenanordnung.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 ist ein dualpolarisiertes Antennenarray 1 mit mehreren Primär­ strahlern in Vertikalausrichtung gezeigt, dessen Strah­ lermodule 3 nach Art von Kreuzmodulen 3a gebildet sind. Andere kreuzmodulförmige Konstruktionen sind ebenso mög­ lich, z. B. in Form von quadratisch angeordneten Dipolmodu­ len.

Dieses Antennenarray ist so aufgebaut, daß die Strahlermo­ dule 3 nach Art von Kreuzmodulen 3a so ausgerichtet sind, daß sie lineare Polarisationen mit einem Winkel von +45° und -45° bezogen auf die Vertikale (bzw. bezogen auf die Horizontale) empfangen oder abstrahlen. Ein derartiges An­ tennenarray wird nachfolgend auch kurz als X-polarisiertes Antennenarray bezeichnet.

Die Strahlermodule 3 sitzen im gezeigten Ausführungsbei­ spiel vor einer reflektierenden Fläche, dem sogenannten Reflektor 7, wodurch die Richtwirkung erhöht wird. Sie werden durch ihre Strahlerfüße oder -symmetrierungen 3b am Reflektor 7 befestigt und gehalten.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Dipolebene in +45° bzw. -45° gegenüber der Vertikalen ausgerichtet, d. h. gegenüber der horizontalen Schnittebene 9.

Quer zu dieser horizontalen Schnittebene 9 und quer zur Re­ flektorebene 11 sind in horizontaler Richtung beabstandet im Seitenbereich 13 des Reflektors 7 zwei Seitenwandab­ schnitte 15 vorgesehen, die sich im gezeigten Ausführungs­ beispiel parallel zueinander erstrecken. Die Seitenwandab­ schnitte 15 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel Teil des Reflektors 7 und können Teil eines Reflektorelementes oder -bleches sein, bei welchem die Seitenwandabschnitte durch Hoch- oder Umbiegen gebildet sind.

Die Seitenwandabschnitte 15 sind somit quer, d. h. im ge­ zeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zur Reflektorebene 11 ausgerichtet und stehen über die Reflektorebene 11 vor, und zwar auf der Seite, auf der die Strahlermodule 3 ange­ ordnet sind, die in Frontansicht des Antennenarrays 1 zwi­ schen den beiden parallel zueinander verlaufenden Seiten­ wandabschnitten 15 zu liegen kommen.

In Höhe der Strahlermodule 3 sind jeweils in den Seiten­ wandabschnitten 5 Schlitze 17 eingebracht, die sich paral­ lel zur Reflektorebene 11 und damit parallel zur Dipol­ ebene 19 erstrecken, die aus der Ebene, in der die Dipole 3, 3a zu liegen kommen, festgelegt ist.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist der Abstand zwischen der Dipolebene 19 und der Reflektorebene 11 größer als der Abstand 21 zwischen den Schlitzen 17 und der Reflektor­ ebene 11.

Die Lage und Maße der Schlitze, insbesondere deren Längs­ erstreckung sowie deren Breite, sind unterschiedlich wähl­ bar und werden bevorzugt so abgestimmt, daß die Amplitude und Phase der durch die angekoppelten Schlitze abgestrahl­ ten Welle bzw. abgestrahlten horizontalen Polarisations­ komponente der elektromagnetischen Welle dergestalt sind, daß in Hauptstrahlrichtung 23 und in rückwärtiger Richtung eine Auslöschung erfolgt und orthogonal zur Hauptstrahl­ richtung additive Überlagerungen erzielt werden, sowie eine möglichst geringe Phasenverschiebung zur vertikalen Polarisationshauptkomponente erreicht wird.

Ferner wird dadurch das Strahlungsdiagramm in der bereits erwähnten Weise verändert, daß in der zur Hauptstrahlrich­ tung orthogonal stehenden und zur Hauptausbreitungs- oder horizontalen Schnittebene 9 parallel verlaufenden bzw. in dieser Hauptausbreitungsebene 9 liegenden Seitenstrahl­ richtung 25, d. h. im gezeigten Ausführungsbeispiel in ho­ rizontaler Seitenabstrahlrichtung, die Strahlungscharakte­ ristik deutlich verbreitert wird. Der durch die Dipolaus­ richtung definierte und in die Hauptausbreitungsebene 9 fallende Feldstärkevektor wird mit anderen Worten in sei­ ner Seitenstrahlrichtung 25 mit deutlich größerer Halb­ wärtsbreite auch in den seitlichen von der Hauptstrahl­ richtung 23 abweichenden Seitenbereich ausgestrahlt.

Durch die erwähnten Schlitze 17 erfolgt also eine Ver­ breiterung der Strahlungscharakteristik in zielgerichteter Weise, wobei die verbesserte Strahlungscharakteristik nicht nur schmal- sondern auch breitbandig ist.

Größe und Lage der Schlitze 17 werden dabei bevorzugt so optimiert abgestimmt, daß die nach Art von Schlitzen ge­ bildeten schwach strahlenden parasitären Strahler nicht in Resonanz und nicht gleichphasig, sondern gegenphasig strahlen.

Die verbesserte Strahlungscharakteristik ist aus den Dia­ grammen 3 und 4 ersichtlich, wobei aus dem Diagramm gemäß Fig. 4 zu ersehen ist, daß die Übereinstimmung der Halb­ wertsbreiten der vertikalen, horizontalen und +45°/-45° Komponenten und somit die Konstanz der Polarisation in Halbwertsbreite bei dem erfindungsgemäßen Antennenarray beispielsweise entsprechend Fig. 1 und 2 gegenüber einer herkömmlichen Anordnung deutlich verbessert ist. Dabei ist aus der Diagrammdarstellung gemäß Fig. 3 und 4 auch er­ sichtlich, daß die vorteilhafte verbesserte Strahlungs­ charakteristik über einen breitbandigen Bereich realisier­ bar ist.

Abschließend wird darauf hingewiesen, daß die Seitenwand­ bereiche mit den Schlitzen jeweils ein separates Bauteil sein können, bevorzugt aber mit dem Reflektor fest verbun­ den sind. Insbesondere bei Verwendung eines Reflektor­ bleches oder einem sonstigen kant- oder biegbaren Mate­ rials mit einer leitenden und damit reflektierenden Ober­ fläche können die Seitenwandabschnitte durch Kanten und Biegen des Reflektorbleches hergestellt werden.

Dabei müssen die Seitenwandabschnitte nicht zwingend am Außenrandbereich 31 des Reflektors 7 angeordnet sein. Sie können demgegenüber außen oder, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, auch weiter innenliegend von der äuße­ ren Kante 31 weggesetzt angeordnet sein, und zwar unter Bildung eines äußeren Randstreifens 41.

Bevorzugt ist der Abstand zwischen den Schlitzen 17 zur Reflektorebene 11 geringer als der Abstand der Dipol- oder Kreuzmodulebene 19 zur Reflektorebene 11.

Claims (10)

1. Dualpolarisierte Antennenanordnung zum Abstrahlen und Empfangen von elektromagnetischen Wellen, deren kreuzför­ miges Strahlermodul (3) mit einem Winkel von +45° und -45° bezogen auf die Vertikale und damit auch auf eine vorzugs­ weise horizontale Schnittebene (9) ausgerichtet ist, und vorzugsweise mit einem gegenüber dem zumindest einen Strahlermodul (3) dazu rückwärtig angeordneten Reflektor (7), gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale

• - in der horizontalen Schnittebene (9) sind seitlich ge­ genüberliegend von dem zumindest einen Strahlermodul (3) zwei Seitenwandabschnitte (15) vorgesehen,
• - die beiden Seitenwandabschnitte (15) sind quer zur horizontalen Schnittebene (9), d. h. vertikal angeord­ net, und
• - in den Seitenwandabschnitten (15) ist in Höhe der auf das betreffende Strahlermodul (3) bezogenen horizonta­ len Schnittebene (9) jeweils zumindest ein Schlitz (17) vorgesehen.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schlitze (17) parallel zur Strahlerebene (19) und/oder parallel zur Reflektorebene (11) angeordnet sind.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Seitenwandabschnitte (15), in denen die Schlitze (17) eingebracht sind, quer zur Strahlerebene (19) und/oder Reflektorebene (11) angeordnet sind.

4. Antennenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Seitenwandabschnitte (15) senkrecht zur Strahlerebene (19) und/oder Reflektorebene (11) liegen.

5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Seitenwandabschnitte (15) parallel zueinander ausgerichtet sind.

6. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Seitenwandabschnitte (15) senkrecht zur horizontalen Schnittebene (9) liegen.

7. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Abstand der Schlitze (17) zur Reflektorebene (11) geringer ist als der Abstand zwi­ schen der Strahlerebene (19) und der Reflektorebene (11).

8. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lage und/oder Bemaßung der Schlitze (17) so abgestimmt ist, daß die als sekundäre oder parasitäre Strahler wirkenden Schlitze (17) gegen­ phasig strahlen.

9. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lage und/oder Bemaßung der Schlitze (17) derart gewählt ist, daß diese außerhalb ihrer Resonanz strahlen.

10. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Strahlermodule (3) unter Bildung eines Antennenarrays in vertikaler Ausrichtung übereinander angeordnet sind.