DE19823749A1 - Dual polarisierte Mehrbereichsantenne - Google Patents

Abstract

Eine verbesserte dualpolarisierte Mehrbereichsantenne, mit einem ersten und zweiten Strahlermodul (1, 3) zum Senden bzw. Empfangen eines vom ersten Frequenzband und einem dazu versetzt liegenden zweiten Frequenzband, zeichnet sich durch die folgenden Merkmale aus DOLLAR A - das für den oberen Frequenzbereich vorgesehene weitere zweite Strahlermodul (3) ist in Draufsicht auf die Antenne innerhalb des Dipolquadrates des ersten Strahlermoduls (1) angeordnet, DOLLAR A - das zweite Strahlermodul (3) besteht aus Dipolelementen (3a), die orthogonal zueinander ausgerichtet sind, DOLLAR A - die Dipolelemente (3a) des zweiten Strahlermoduls (3) sind parallel bzw. senkrecht zu den Dipolelementen (1a) des ersten Strahlermoduls (1) in Form eines Dipolquadrates ausgerichtet, und DOLLAR A - das Verhältnis der Mittenfrequenz des oberen zum unteren Frequenzband liegt zwischen 1,5 und 4.

Description

Die Erfindung betrifft eine dual polarisierte Mehrbe­ reichsantenne nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Dual polarisierte Mehrbereichsantennen dienen zum Abstrah­ len (oder Empfangen) von zwei linearen orthogonal ausge­ richteten Polarisationen, welche beispielsweise vertikal und horizontal ausgerichtet sein können. In der Praxis sind aber insbesondere auch solche Einsatzfälle von Bedeu­ tung, in denen die Polarisationen um +45° und -45° zur Vertikalen (bzw. gegenüber der Horizontalen) ausgerichtet sind. Im Falle von dual polarisierten Mehrbereichsantennen werden diese in mindestens zwei Frequenzbändern, in der Regel mit zwei weit auseinanderliegenen Mittenfrequenzen betrieben. Hierbei sollte die obere Mittenfrequenz zu­ mindest das 1,5-fache der unteren Mittenfrequenz betragen.

Bei einem derartig großen Frequenzabstand werden üblicher­ weise zwei räumlich voneinander getrennt angeordnete An­ tennenmodule oder Antennenarrays, nämlich zur Ausstrahlung bzw. zum Empfang in dem einen und zur Ausstrahlung bzw. zum Empfang in dem anderen Frequenzbandbereich (Frequenz­ band) verwendet.

Dual polarisierte Antennen als solche sind bekannt. Sie dienen zum gleichzeitigen Abstrahlen oder Empfangen von zwei orthogonalen Polarisationen. Dabei können derartige Strahleranordnungen beispielsweise aus mehreren Elementen in Form von Dipolen, Schlitzen, Planarstrahlelementen oder sogenannten Patchstrahlern bestehen, wie sie beispiels­ weise aus der EP 0 685 900 A1 oder aus der Vorveröffentli­ chung "Antennen, 2. Teil, Bibliographisches Institut, Mannheim/ Wien/Zürich, 1970, S. 47 bis 50" bekannt sind. Bei den Dipolanordnungen werden bevorzugt kreuzförmig angeordnete Dipole (Kreuzdipole) oder Doppeldipolanordnun­ gen, welche in der Draufsicht eine quadratische Struktur aufweisen (Dipolquadrat) verwendet.

Dual polarisierte Antennen sind ferner beispielsweise auch aus der WO 98/01923 bekannt.

Dual polarisierte Antennen sind ebenfalls aus der Ver­ öffentlichung "Dual-Frequency Patch Antennas", IEEE AP Magazine, Seite 13 ff. bekannt. Darin werden dual polari­ sierte Mehrbereitsantennen beschrieben, welche verschiede­ ne Patchstrukturen verwenden, jedoch eine Reihe von Nach­ teilen aufweisen. So ist beispielsweise eine unzureichende Entkopplung für beide Polarisationen typisch. Die be­ schriebenen Ausführungen ermöglichen nur eine horizon­ tale/vertikale Positionsausrichtung. Es ist mit einfachen Mitteln beispielsweise nicht möglich, eine Mehrfach-Array- Anordnung mit einer +45°/-45°-Ausrichtung zu erzeugen.

Weitere bekannt gewordene Antennenformen nutzen wiederum zwei übereinander getrennt angeordnete Antennen für den jeweiligen Frequenzbereich.

Schließlich ist beispielsweise eine Microstrip-Antenne aus der DE-A1 3 62 079 bekannt, die zur Ausstrahlung in zwei Frequenzbereichen allerdings mit nur einer Polarisation geeignet ist. Diese Antennenanordnung weist nicht nur einen niedrigen Gewinn auf, sondern es erweist sich ferner als nachteilig, daß die mit einer derartigen Antenne er­ zielbaren Strahlungsdiagramme nicht für Arrayantennen ein­ setzbar sind.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine dual polarisierte, insbesondere eine sogenannte x-polarisierte Mehrbereichsantenne zu schaffen, die die oben genannten Nachteile vermeidet. Diese soll also zumindest in zwei vorzugsweise weit auseinanderliegenden Frequenz­ bereichen betreibbar sein. Zudem soll sie bevorzugt eine hohe Entkopplung zwischen beiden Polarisationen besitzen.

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

Die erfindungsgemäße dual polarisierte Mehrbereichsantenne weist bisher ungeahnte Vorteile und Merkmale auf. Diese Vorteile betreffen sowohl die Entkopplung, die Bandbreite, die Empfindlichkeit als auch die Flexibilität der Antenne. Die erfindungsgemäße Antenne zeichnet sich dadurch aus, daß sie zumindest ein kreuzdipolförmiges Strahlermodul nach Art eines Dipolquadrates aufweist, welches sich vor einem Reflektor befindet und welches mit dualer Polarisa­ tion in zwei orthogonal zueinander stehenden Ausrichtungen betrieben werden kann, die in der Regel, d. h. vorzugsweise eine Ausrichtung von +45° und -45° gegenüber der Vertika­ len bzw. Horizontalen einnehmen. Dieses Strahlermodul in Form eines Dipolquadrates kann in einem unteren Frequenz­ bereich betrieben werden. Erfindungsgemäß sind aber nun­ mehr weitere Dipole zum Betrieb in einem zweiten oberen Frequenzband mit dualer Polarisation vorgesehen, wobei die weiteren Dipole innerhalb des Dipolquadrates angeordnet sind. Zudem sind die weiteren Dipole vorzugsweise als Kreuzdipol ausgebildet. Die Dipolelemente sind dabei par­ allel bzw. senkrecht zu den Dipolelementen des Dipolqua­ drates ausgerichtet, weisen also bei einer X-Antenne eben­ falls eine Ausrichtung von +45° und -45° gegenüber der Vertikalen bzw. Horizontalen auf.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die jeweilige Halterung der Dipole des unteren Frequenz­ bereiches, welche gleichzeitig als sogenannte Symmetrie­ rung arbeiten, so gestaltet und/oder angeordnet und/oder dimensioniert ist, daß dadurch keine Resonanz im oberen Frequenzbereich oder zumindest keine relevante Resonanz im oberen Frequenzbereich auftritt.

Es hat sich ferner als günstig erwiesen, wenn die Höhe der Dipole entsprechend der ihnen zugeordneten frequenzabhän­ gigen Wellenlänge nicht weiter als eine Wellenlänge von dem Reflektor bzw. der Reflektorebene entfernt angeordnet sind. Günstige Werte liegen in einem Bereich von 1/8 bis 1/2 der jeweiligen Betriebs-Wellenlänge.

Überraschend ist bei der erfindungsgemäßen Antenne vor allem, daß sie zum einen breitbandig ist und zum anderen dabei eine hohe Entkopplung zwischen beiden Polarisationen besitzt. Sie zeichnet sich vor allem auch dadurch aus, daß es mit der erfindungsgemäßen Antenne möglich ist zu ge­ währleisten, daß die horizontalen Halbwertsbreiten beider Strahlermodule sowohl im unteren als auch im oberen Fre­ quenzbandbereich identisch oder nahezu identisch sind, also im wesentlichen gleich groß sind.

Die erfindungsgemäßen Vorteile lassen sich vor allem auch dann realisieren, wenn die erfindungsgemäße Antenne nicht nur mit einem Dipolquadrat und einem darin angeordneten Kreuzdipol, sondern nach Art eines Antennenarrays mit meh­ reren derartigen Quadratdipolen mit jeweils weiteren in­ nenliegenden Dipolen, vorzugsweise in Form von Kreuzdipo­ len aufgebaut ist. Insbesondere bei dieser Ausführungsform ist es möglich, zwischen den beiden Dipolquadraten zum Senden und Empfangen des unteren Frequenzbandes jeweils ein weiteres Strahlermodul zur Ausstrahlung des oberen Frequenzbandes vorzusehen.

Dieses weitere Strahlermodul ist dann jedoch bevorzugt nicht als Dipolkreuz, sondern ebenfalls als Dipolquadrat ausgebildet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf ein er­ findungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer dual polarisierten Mehrbereichsantenne;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht parallel zum Reflektor;

Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstel­ lung des in Fig. 1 und Fig. 2 wiederge­ gebenen Ausführungsbeispieles;

Fig. 4 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit mehreren zu einem Array zusammengestellten Antennenmodul;

Fig. 5 ein zu Fig. 4 abgewandeltes Ausführungs­ beispiel;

Fig. 6 eine Draufsicht auf das Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 5; und

Fig. 7 eine Seitenansicht auf das Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 5 und 6.

In den Fig. 1 und 2 ist in schematischer Draufsicht bzw. Seitenansicht parallel zu einem Reflektor einer dual polarisierten Mehrbereichsantenne wiedergegeben, die ein erstes Strahlermodul 1 für einen ersten Frequenzbereich und ein zweites Strahlermodul 3 für einen zweiten Fre­ quenzbereich umfaßt.

Die beiden Strahlermodule 1, 3 sind vor einem, im gezeig­ ten Ausführungsbeispiel nahezu quadratisch geformten Re­ flektor 5 angeordnet. Der Reflektor ist leitend. Auf der Rückseite des Reflektors kann sich ein Speisenetzwerk befinden, worüber das erste wie auch das zweite Strah­ lermodul getrennt elektrisch angeschlossen sind. Das erste Strahlermodul 1 besteht dabei aus mehreren Dipolen 1a, nämlich im gezeigten Ausführungsbeispiel aus vier Dipolen 1a, die nach Art eines Dipolquadrates angeordnet sind. Die Dipole 1a werden über eine sogenannte Symmetrierung 7 ge­ genüber dem Reflektor oder einer dahinter befindlichen Platine mechanisch gehalten und über das erwähnte Speise­ netzwerk elektrisch kontaktiert, also gespeist.

Das Reflektorblech selbst weist in horizontaler Abstrahl­ richtung jeweils einen, im gezeigten Ausführungsbeispiel sich senkrecht von der Ebene des Reflektorbleches 15 in einer gewissen Höhe erhebenden Reflektorrand 6 auf, wo­ durch das Abstrahlungsdiagramm in vorteilhafter Weise be­ einflußt werden kann.

Die Länge der Dipolelemente des ersten Strahlermoduls ist so abgestimmt, daß darüber in einem unteren Frequenzbe­ reich entsprechende elektromagnetische Wellen gesendet oder empfangen werden können. Durch die orthogonale Aus­ richtung der Dipolelemente wird dadurch in bekannter Weise eine dualpolarisierte Antenne geschaffen. Die Ausrichtung der Dipole 1a erfolgt im Ausführungsbeispiel jeweils in einem Winkel von +45° und -45° gegenüber der Vertikalen (bzw. gleichermaßen gegenüber der Horizontalen), und zwar unter Bildung einer auch kurz als X-polarisierten bezeich­ neten Antenne.

Innerhalb des ersten nach Art eines Dipolquadrates ge­ bildeten Strahlermodules 1 befindet sich nunmehr das zwei­ te Strahlermodul 3. Dieses zweite Strahlermodul 3 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel nicht als Dipolquadrat, sondern in Form eines Kreuzdipoles gebildet. Die beiden orthogonal aufeinanderstehenden Dipole 3a werden ebenfalls wieder über die ihnen zugeordnete Symmetrierung 9 gegen­ über dem Reflektor oder einer dahinter befindlichen Plati­ ne mechanisch abgestützt und elektrisch gespeist.

Dieses zweite Strahlermodul 3 wird in einem oberen Fre­ quenzbereich betrieben, wobei im gezeigten Ausführungsbei­ spiel die obere Mittenfrequenz etwa das doppelte der unteren Mittenfrequenz des ersten Strahlermoduls 1 beträgt. Mittels dieser Anordnung lassen sich horizontale Halb­ wertsbreiten in beiden Frequenzbereichen von ca. 60° er­ zeugen und gleichzeitig hohe Entkopplungswerte bezüglich der unterschiedlichen ±45° Polarisationen erreichen. Denk­ bar ist aber ebenfalls eine vergleichbare Anordnung nicht mit einer X-förmigen Ausrichtung, sondern mit einer Aus­ richtung vertikal/horizontal, bei der die einen Dipol­ elemente 1a bzw. 3a horizontal und die orthogonalen Dipol­ elemente dazu vertikal ausgerichtet sind.

Wie es sich aus der Seitendarstellung gemäß Fig. 2 er­ gibt, ist ersichtlich, daß sowohl das erste wie auch das zweite Strahlermodul 1, 3 in Abstand vor dem Reflektor 5 angeordnet sind, und zwar in unterschiedlichem Abstand. - Die Höhe der Dipole über dem Reflektor soll nicht mehr als die Betriebswellenlänge der zugehörigen Betriebsfrequenz betragen, vorzugsweise nicht mehr als der halben zugehöri­ gen Betriebswellenlänge. Bevorzugt beträgt der Abstand aber mehr als 1/16, insbesondere mehr als 1/8 der zugehö­ rigen Betriebswellenlänge.

Das überraschende ist, daß trotz der ineinander verschach­ telten Anordnung der Strahlermodule, wobei das erste Strahlermodul aus einem Dipolquadrat besteht und bevorzugt das zweite Strahlermodul 3 aus einem Kreuzdipol, die so gebildete Antenne derart überragende charakteristischen Eigenschaften aufweist. Daß sich für beide Strahlermodule für beide Frequenzbereiche ein ähnliches an sich nicht zu erwartendes Abstrahlungsdiagramm ergibt, läßt sich eventu­ ell unter anderem damit erklären, daß die Dipolelemente 1a des ersten Strahlermoduls als Reflektoren bezüglich des zweiten Strahlermoduls 3 wirken.

Anhand von Fig. 4 ist eine erweitere dualpolarisierte Mehrbereichsantenne gezeigt, die eine Ausführungsform für höhere Gewinnwerte der Antenne wiedergibt.

Dazu ist es notwendig, mehrere der anhand der Fig. 1 bis 3 erläuterten Dipolanordnungen entsprechend zu kaska­ dieren. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die so gebildete dualpolarisierte Mehrbereichsantenne aus zwei anhand der Fig. 1 bis 3 erläuterten Antennenanordnun­ gen, bei denen die Strahlermodule wieder in ±45° Richtung zueinander ausgerichtet sind und die Anbaurichtungen der beiden in Fig. 1 einzeln wiedergegebenen Antennenanord­ nungen in Vertikalrichtung übereinander angeordnet sind. Genauso können die Antennenmodule aber auch in horizonta­ ler Anbaurichtung zu einem Antennenarray zusammengebaut werden. Schließlich können auch in mehreren Reihen und Spalten mehrere Antennenmodule seitlich neben- und über­ einander kaskadiert werden.

In den dabei entstehenden Zwischenräumen zwischen den je­ weils ersten Strahlermodulen 1 für den unteren Frequenz­ bereich werden entsprechende Strahleranordnungen für den oberen Frequenzbereich, also mit zusätzlichen zweiten Strahlermodulen 31 aufgefüllt. Mit anderen Worten sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Strahlermodule 1 und ein zweites Strahlermodul 3 mit Dipolelementen 3b vor einem Reflektorblech angeordnet. Die dadurch erzeugte Antenne weist einen hohen vertikalen Gewinn auf, wobei für beide Strahlermodule die gleiche horizontale Halbwerts­ breite von ca. 60° erzielbar ist.

Schließlich ist anhand des Ausführungsbeispieles von Fig. 5 gezeigt, daß die in den ersten Strahlermodulen 1 an­ geordneten Strahlermodule 3 sich vom zweiten Strahlermodu­ len 3' unterscheiden können, die in den Zwischenräumen 15 zwischen den ersten Dipolquadraten 1 angeordnet sind. Denn wie aus den Fig. 4 und 5 zu ersehen ist, besteht das zwischen zwei Strahlermodulen 1 angeordnete zusätzliche Strahlermodul 3 in Fig. 4 aus einem Kreuzdipol, d. h. einer kreuzförmigen Dipolanordnung, und bei der Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 5 aus einem Dipolquadrat, d. h. all­ gemein einer dipolquadratähnlichen Dipolanordnung 3'' mit Dipolelementen 3b. Durch diese Feinanpassung und Abstim­ mung kann eine verbesserte Angleichung der Halbwärtsbreite der Strahleranordnung für den oberen und unteren Frequenz­ bereich erzielt werden.

Claims (10)

1. Dualpolarisierte Mehrbereichsantenne, mit zumindest einem Strahlermodul (1), mit orthogonal zueinander stehen­ den Dipolen (1a) zur Abstrahlung bzw. zum Empfang elektro­ magnetischer Wellen mit zwei linearen orthogonalen Polari­ sationen, wobei die Dipolelemente (1a) nach Art eines Dipolquadrates gebildet sind, welches sich vor einem Re­ flektor (5) befindet, wobei die Dipolelemente (1a) vor­ zugsweise in einer Ausrichtung ±45° gegenüber der Vertika­ len ausgerichtet sind sowie einem weiteren Strahlermodul (3) zum Senden bzw. Empfangen eines vom ersten Frequenz­ bandbereich getrennten weiteren Frequenzbandbereiches, ge­ kennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale

• - das für den oberen Frequenzbereich vorgesehene weitere zweite Strahlermodul (3) ist in Draufsicht auf die An­ tenne innerhalb des Dipolquadrates des ersten Strah­ lermoduls (1) angeordnet,
• - das zweite Strahlermodul (3) besteht aus Dipolelementen (3a), die orthogonal zueinander ausgerichtet sind,
• - die Dipolelemente (3a) des zweiten Strahlermoduls (3) sind parallel bzw. senkrecht zu den Dipolelementen (1a) des ersten Strahlermoduls (1) in Form eines Dipolquadra­ tes ausgerichtet, und
• - das Verhältnis der Mittenfrequenz des oberen zum unteren Frequenzbandes liegt zwischen 1,5 und 4.

2. Dualpolarisierte Antenne nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Höhe oder der Maximalabstand der Di­ polelemente (1a, 3a) über dem Reflektor (5) unter der dem jeweiligen Dipolelement (1a, 3a) zugeordneten Betriebs­ wellenlänge liegt, vorzugsweise unter der halben Betriebs­ wellenlänge.

3. Dualpolarisierte Antenne nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der minimale Abstand der Dipolelemente (1a, 3a) über dem Reflektor (5) zumindest 1/16 der zugehörigen Betriebswellenlänge, vorzugsweise über 1/8 der zugehörigen Betriebswellenlänge liegt.

4. Dualpolarisierte Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen (9) der Dipolelemente (1a) des für den unteren Frequenzbereich vorgesehenen Strahlermoduls (1) so dimensioniert und/oder geformt und/oder geneigt ausgerichtet sind, daß sie zum oberen Frequenzbereich resonanzfrei arbeiten.

5. Dualpolarisierte Antenne nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halterung der Dipolelemente (1a) des ersten Strahlermoduls (1) die Symmetrierung der zugehöri­ gen Dipolelemente (1a) ist.

6. Dualpolarisierte Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne so aufgebaut ist, daß die Dipolelemente (1a, 3a) zu einer senkrecht zum Reflektor (5) stehenden und durch die Ecken des Dipolqua­ drates des ersten Strahlermoduls (1) gelegten Ebene symme­ trisch zu liegen kommen.

7. Dualpolarisierte Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Strahlermodule (1) mit im Inneren angeordnetem zweiten Strahlermodul (3) in Anbaurichtung, vorzugsweise in vertikaler Anbaurichtung übereinander vor einem Reflektor (5) angeordnet sind,

8. Dualpolarisierte Antenne nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den Zwischenräumen (15) zwischen zwei benachbarten ersten Strahlermodulen (1) ein weiteres zwei­ tes Strahlermodul (3', 3'') vorgesehen ist.

9. Dualpolarisierte Antenne nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das in den Zwischenräumen (15) sitzende weitere zweite Strahlermodul (3') aus einem Kreuzdipol besteht.

10. Dualpolarisierte Antenne nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das in den Zwischenräumen (15) angeordne­ te zweite Strahlermodul (3'') in Form eines Dipolquadrates ausgebildet ist.