DE19823750A1 - Antennenarray mit mehreren vertikal übereinander angeordneten Primärstrahler-Modulen - Google Patents

Abstract

Ein verbessertes Antennenarray umfaßt zumindest zwei vertikal übereinander angeordnete Primärstrahler-Module (1, 3), welche sich vor einem Reflektor (5) befinden. Die Verbesserung besteht in den folgenden Merkmalen: DOLLAR A - es ist zumindest ein erstes Primärstrahler-Modul (1) ersten Typs und zumindest ein zweites Primärstrahler-Modul (3) zweiten Typs vorgesehen, die im Abstand vertikal übereinander angeordnet sind, DOLLAR A - das zumindest eine oder die mehreren Primärstrahler-Module (1) ersten Typs weisen gegenüber dem zumindest einen oder den mehreren Primärstrahler-Modulen (3) zweiten Typs eine unterschiedliche horizontale Halbwertsbreite auf, wodurch eine davon unterschiedliche horizontale Gesamthalbwertsbreite der Gesamtantenne erzielbar ist, und DOLLAR A - das zumindest eine oder die mehreren Primärstrahler-Module (1) ersten Typs weisen gegenüber dem zumindest einen oder den mehreren Primärstrahler-Modulen (3) zweiten Typs eine unterschiedliche konstruktive Gestaltung auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antennenarray mit mehreren vertikal übereinander angeordneten Primärstrahler-Modulen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Antennenarrays mit vertikal übereinander angeordneten Pri­ märstrahlern als solche sind bekannt. Im Falle von dual polarisierten Antennen können diese übereinander angeordneten Primärstrahler zwei orthogonale Polarisatio­ nen abstrahlen oder empfangen. Des weiteren können diese Primärstrahler, welche zu einem Array angeordnet werden, auch als Primärstrahler-Module bezeichnet werden. Der­ artige Module können beispielsweise aus einfachen Dipolen, Schlitzen, Planarstrahlerelementen oder sogenannten Patch­ strahlern bestehen, wie sie beispielsweise aus der EP 0 685 900 A1 oder aus der Vorveröffentlichung "Antennen, 2. Teil, Bibliographisches Institut, Mannheim/ Wien/Zürich, 1970, S. 47 bis 50" bekannt sind. Bei den Dipolanordnungen werden bevorzugt kreuzförmig angeordnete Dipole (Kreuzdi­ pole) oder Doppeldipolanordnungen, welche in der Drauf­ sicht eine quadratische Struktur aufweisen (Dipolquadrat) verwendet.

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

Bei dem erwähnten Stand der Technik werden jeweils Primärstrahler-Module mit gleicher Strahlungscharakteri­ stik zu Arrays zusammengefaßt. Demgegenüber wird die Zu­ sammenschaltung von Antennen mit unterschiedlicher Strah­ lungscharakteristik eingesetzt, um verschiedene Gebiete zu versorgen. Hierbei wird bewußt der Nachteil in Kauf genom­ men, daß in dem Überlappungsbereich beider Strahlungs­ diagramme eine undefinierte Phasenlage vorliegt, welche wechselweise zur Auslöschung oder additiven Überlagerung führt. Das daraus resultierende Strahlungsdiagramm im Überlappungsbereich ist dabei nicht bekannt.

Schließlich sind auch Mehrbereichsantennen bekannt, bei denen verschiedene Primärstrahler für verschiedene Fre­ quenzbereiche zusammengeschaltet werden, mit dem Ziel der Frequenzbereichserweiterung der Antenne. Hier wirkt jedoch jeder Strahler bei einer anderen Frequenz.

Schließlich ist auch die Zusammenschaltung von unter­ schiedlichen Primärstrahlern mit kontinuierlich verlaufen­ der Größenausdehnung zum Zwecke der Frequenzbereichserwei­ terung (beispielsweise logarithmische Antennen oder Leck­ wellantennen) bekannt.

Insbesondere im Mobilfunkbereich ist es ein Erfordernis, die Antennen so zu konzipieren und einzustellen, daß ihr Strahlungsdiagramm einer gewünschten vorgegebenen Halb­ wertsbreite entspricht. Die Einstellung der horizontalen Halbwertsbreite von linearen, vertikal gestockten Arrays, welche der typischen Ausführung von derartigen Basissta­ tions-Antennen für den Mobilfunk entsprechen, erfolgt da­ bei entsprechend den bekannten Mitteln und Maßnahmen durch die Wahl der Halbwertsbreite der Primärstrahler und durch die entsprechende Abstimmung mit dem Reflektor. Hierbei werden wiederum Primärstrahler mit gleicher Ausführung verwendet.

Nachteilig an den bisher bekannten Ausführungen ist, daß eine undefinierte Phasenlage der Primärstrahler vorliegt und weiterhin eine definierte Zusammenschaltung von unter­ schiedlichen Primärstrahlern zu Arrays zum Zwecke der de­ finierten Beeinflussung der Strahlungscharakteristik u. a. aus dieser Schwierigkeit heraus nicht bekannt ist.

Ausgehend von dem zuletzt genannten Stand der Technik liegt von daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Antennenarray zu schaffen, welches zumindest zwei vertikal übereinander angeordnete Primärstrahler-Module umfaßt, und bei welchem mit vergleichsweise einfachen Mitteln eine verbesserte Realisierung einer gewünschten horizontalen Halbwertsbreite des Antennenarrays möglich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im An­ spruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Es muß als überaus überraschend bezeichnet werden, daß es durch die erfindungsgemäße Lösung möglich ist, durch ent­ sprechende Auswahl unterschiedlicher Primärstrahler-Module eine Abstimmung der Halbwertsbreite eines derartigen An­ tennenarrays vorzunehmen. Hervorzuheben ist auch, daß da­ bei eine Zusammenschaltung mit definierter Phasenlage durch entsprechende Auslegung des Speisenetzwerkes möglich ist.

Überraschend ist weiterhin, daß die erfindungsgemäße Kom­ bination der Module zur Optimierung des Vertikaldiagram­ mes, beispielsweise zur gezielten Verringerung der Neben­ zipfel, angewendet werden kann. Erfindungsgemäß wird dies dadurch ermöglicht, daß die zumindest beiden verwendeten primärstrahler-Module unterschiedliche horizontale und vertikale Halbwertsbreiten besitzen. Durch Zusammenschal­ tung dieser zumindest beiden verschiedenen Primärstrahler- Module zu einem linearen, vertikal gestocken Array wird die Einstellung der horizontalen Halbwertsbreite der Ge­ samtantenne ermöglicht.

Die erfindungsgemäßen Antennen können unter Verwendung von Primärstrahler-Modulen aufgebaut werden, die aus Doppeldi­ polen und Einzeldipolen bestehen.

Die Erfindung ist genauso bei dual polarisierten Antennen anwendbar, die beispielsweise mit einer ± 45° Polarisa­ tionsausrichtung arbeiten (sogenannte X-Arrays).

Wird beispielsweise eine Kombination aus drei Einzeldi­ polen mit einer typischen Halbwertsbreite von 90°und drei Doppeldipolen mit einer typischen Halbwertsbreite von 65° entsprechend der Erfindung vertikal übereinander angeord­ net (mit anderen Worten also zu einem sogenannten linea­ ren, vertikal gestockten Antennenarray zusammengefügt), so ergibt sich dadurch eine resultierende horizontale Halb­ wertsbreite von ca. 75°.

Im Falle von dual polarisierten Antennen mit beispiels­ weise ± 45° Polarisationsausrichtung kann durch eine der­ artige Kombination von Kreuzdipolen (horizontale Halb­ wertsbreite von beispielsweise ca. 85°) und Dipolquadraten (mit einer horizontalen Halbwertsbreite von beispielsweise ca. 65°) eine resultierende horizontale Halbwertsbreite von ca. 75° erzeugt und genutzt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen dabei die unterschiedlichen Gruppen von Primärstrahler Modulen deutlich unterschiedliche horizontale Halbwerts­ breiten auf, die sich also mehr als 5°, insbesondere mehr als 10°, 15° oder 20° voneinander unterscheiden.

Ebenso möglich ist es aber auch, daß die erfindungsgemäßen Antennenarrays unter Verwendung von Primärstrahlern in Form von Patchstrahlern mit deutlich unterschiedlicher Halbwertsbreite gebildet werden.

Die Primärstrahler können in einer bevorzugte Ausführungs­ form der Erfindung aus dual polarisierten Strahlern beste­ hen. Die Primärstrahler können aus Dipolquadraten und Kreuzdipolen gebildet sein.

Die erfindungsgemäße Antenne kann zum Senden oder Emp­ fangen in unterschiedlichsten Frequenzbereichen eingesetzt werden. Üblicherweise im Mobilfunkbereich wird eine der­ artige Antenne in einem Frequenzbandbereich von 1,71 bis 1,90 GHz betrieben, also bei einer Mittenfrequenz von ca. 1,80 GHz.

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

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Antennenarrays;

Fig. 2 eine Seitenansicht auf das Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines abgewandelten erfindungsgemäßen An­ tennenarrays in Form von Linearstrahlern;

Fig. 4 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispie­ les gemäß Fig. 3; und

Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Antennenarrays in Form eines Patchstrahlers.

In den Fig. 1 und 2 ist in schematischer perspektivi­ scher Draufsicht bzw. in horizontaler Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Anten­ nenarrays mit mehreren vertikal übereinander angeordneten Primärstrahler-Modulen gezeigt, wobei dieses Antennenarray nachfolgend teilweise auch als lineares, vertikal gestock­ tes Antennenarray bezeichnet wird.

Dieses Antennenarray umfaßt also Strahlermodule 1 und 3, die vor einem, im gezeigten Ausführungsbeispiel rechteck­ förmig geformten Reflektor 5 angeordnet sind, der mit sei­ ner größeren Längserstreckung in Vertikalrichtung ausge­ richtet ist.

Der Reflektor ist leitend. Auf der Rückseite des Reflek­ tors kann sich ein Speisenetzwerk befinden, worüber das erste wie auch das zweite Strahlermodul elektrisch an­ geschlossen sind. In der Regel ist dazu ein gemeinsames Speisenetzwerk vorgesehen, worüber die erste und zweite Gruppe der Strahlermodule 1, 3 mit einer definierten Lei­ stung und Phase zur Ausformung der vertikalen Strahlungs­ charakteristik gespeist werden. Dabei übernimmt hierbei das Speisenetzwerk zusätzlich auch den Ausgleich bezüglich der unterschiedlichen Phasenlage der verschiedenen Pri­ märstrahler-Module. Das erste Strahlermodul 1 besteht da­ bei aus mehreren Dipolen 1a, nämlich im gezeigten Aus­ führungsbeispiel aus vier Dipolen 1a, die nach Art eines Dipolquadrates angeordnet sind. Die Dipole 1a werden über eine sogenannte Symmetrierung 7 gegenüber dem Reflektor oder einer dahinter befindlichen Platine mechanisch ge­ halten und über das erwähnte Speisenetzwerk elektrisch kontaktiert, also gespeist.

Sowohl die zur ersten wie zur zweiten Gruppe gehörenden Primärstrahler-Module, also die Strahlermodule 1 und 3, sind so konzipiert, daß die Länge der Dipolelemente in etwa gleich ist und auf den gewünschten Frequenzbereich abgestimmt ist. Durch die orthogonale Ausrichtung der Dipolelemente 1a (für das erste Strahlermodul 1) bzw. 3a (für das zweite Strahlermodul 3, worauf nachfolgend noch eingegangen wird) wird in bekannter Weise eine dual pola­ risierte Antenne (kurz auch x-polarisierte Antenne ge­ nannt) geschaffen, bei der die Dipole 1a und 3a jeweils in einem Winkel von +45° und -45° gegenüber der Vertikalen (bzw. gleichermaßen gegenüber der Horizontalen) ausge­ richtet sind.

Das Reflektorblech selbst weist in horizontaler Abstrahl­ richtung jeweils einen, im gezeigten Ausführungsbeispiel sich senkrecht von der Ebene des Reflektorbleches 5 in einer gewissen Höhe erhebenden Reflektorrand 6 auf, wo­ durch das Abstrahlungsdiagramm in vorteilhafter Weise mit beeinflußt werden kann.

Versetzt zwischen den nach Art eines Dipolquadrates ge­ bildeten Strahlermodulen 1 befinden sich nunmehr Strah­ lermodule 3. Diese zweiten Strahlermodule 3 sind im ge­ zeigten Ausführungsbeispiel nicht als Dipolquadrate, son­ dern in Form eines Kreuzdipoles gebildet. Die beiden or­ thogonal aufeinander stehenden Dipole 3a werden ebenfalls wieder, wie die ihnen zugeordnete Symmetrierung 9, gegen­ über dem Reflektor oder einer dahinter befindlichen Plati­ ne mechanisch abgestützt und elektrisch gespeist.

Der Vertikalabstand zwischen zwei benachbarten Strahlermo­ dulen 1 und 3 entspricht immer dem halben Abstand zwischen zwei Strahlermodulen 1 bzw. zwei Strahlermodulen 3. Mit anderen Worten ist immer ein Strahlermodul der einen Grup­ pe mittig zwischen dem Vertikalabstand zweier Strahlermo­ dule der anderen Gruppe angeordnet.

Beide Gruppen von Strahlermodulen 1 und 3 werden durch ein gemeinsames Speisenetzwerk mit einer definierten Leistung und Phase zur Ausformung der vertikalen Strahlungscharak­ teristik gespeist. Mit anderen Worten werden beide Strah­ lermodule in einem gleichen Frequenzbereich betrieben. Bei Verwendung von Dipolelementen, beispielsweise in Form von Kreuzdipolen, Dipolquadraten etc., weisen also die Dipole wie gewohnt in etwa gleiche Länge auf.

Wie es sich insbesondere auch aus der Seitenansicht gemäß Fig. 2 ergibt, müssen die einzelnen Dipolelemente 1a, 3a nicht in einer gleichen gemeinsamen Höhe liegen. Bevorzugt beträgt der Abstand zwischen der Ebene des Reflektors 5 und der Ebene der Dipole 1a bzw. 3a nicht mehr als eine Wellenlänge und nicht weniger als 1/20 der Wellenlänge. Besonders günstige Bereiche ergeben sich dann, wenn der Abstand zwischen dem Reflektor 5 und der Ebene der Dipol­ elemente 1a, 3a nicht mehr als 40% der Wellenlänge, vor­ zugsweise nicht mehr als 30% der Wellenlänge beträgt.

Unter der Wellenlänge ist die Betriebswellenlänge zu ver­ stehen, bezogen auf die Betriebsfrequenz bzw. den Fre­ quenzbandbereich der Antenne, in der dieser betrieben wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel würde die Antenne in einem Bereich von 1,71 GHz bis ca. 1,90 GHz betrieben werden, also eine Mittenfrequenz von ca. 1,80 GHz auf­ weisen. Derartige Antennen werden im Mobilfunkbereich eingesetzt. Als günstige untere Grenzwerte ergeben sich für den in Rede stehenden Abstand zwischen den Dipolen und der Ebene des Reflektors Werte, die 10% oder mehr, ins­ besondere 20% oder 1/4 der Wellenlänge (Betriebswellenlän­ ge) betragen sollen. Dabei müssen die Dipole 1a nicht in der gleichen Abstandsebene gegenüber dem Reflektor 5 wie die Dipole 3a liegen, wie es sich auch aus Fig. 2 ergibt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 ist auch ersichtlich, daß die die Dipole tragenden Symmetrie­ rungen 7 beispielsweise für das Dipolquadrat, wie aber auch die die Dipole 3a tragenden Symmetrierungen 9 für die zweite Gruppe der Primärstrahler-Module nicht senkrecht zur Reflektorebene, sondern schräg zu dieser verlaufen können. Gerade auch dadurch kann der Abstand der Dipol­ elemente zur Ebene des Reflektors 5 kleiner als 1/4 der Wellenlänge sein, beispielsweise weniger als 0,2 der Wel­ lenlänge betragen. Es können aber auch noch andere Halte­ rungen für die Dipole vorgesehen sein, die nicht gleich­ zeitig für die Symmetrierungen arbeiten müssen.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht also das lineare, vertikal gestockte Antennenarray aus jeweils zwei Paaren von Antennenmodulen 1 und 3, wobei die Antennenmodule 1 aus Dipolquadraten und die Antennenmodule 3 aus Kreuzdi­ polen gebildet sind.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel einer dual polari­ sierten Antenne mit beispielsweise ± 45° Polarisations­ ausrichtung führt die Kombination der Strahlermodule 1 in Form von Kreuzdipolen mit einer horizontalen Halbwerts­ breite von beispielsweise ca. 85° mit den Strahlermodulen 3 in Form der erwähnten Dipolquadrate mit einer horizonta­ len Halbwertsbreite von ca. 65° zu einer resultierenden horizontalen Halbwertsbreite der gesamten dual polarisier­ ten Antenne von ca. 75°.

Nachfolgend wird auf ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 und 4 Bezug genommen, bei welchem die er­ ste und zweite Gruppe der Strahlermodule nicht aus ± 45° dual polarisierten Primärstrahler-Modulen 1, 3, sondern aus linear polarisierten Strahlermodulen 1, 3 besteht.

Die Strahlermodule 1 bestehen dabei aus in vertikaler Richtung ausgerichteten Dipolen 1a, die in Horizontalrich­ tung mit Seitenversatz doppelt nebeneinander angeordnet sind.

Zwischen zwei jeweils so gebildeten doppelten, einfach po­ larisierten Primärstrahler-Modulen 1 sind dazwischenlie­ gend jeweils linear polarisierte Strahlermodule 3 angeord­ net, die jeweils aus einem vertikal ausgerichteten Dipol 3a bestehen.

Ferner sind aus Fig. 3 auch wieder die Symmetrierungen 7 für die Strahlermodule 1 und die Symmetrierungen 9 für die Strahlermodule 3 ersichtlich.

Anhand dieses Ausführungsbeispieles gemäß den Fig. 3 und 4 ist auch ersichtlich, daß auch der Aufbau der Anten­ ne zu einer Horizontalebene symmetrisch ist, d. h. die Anzahl der Strahlermodule 3 ungeradzahlig ist (in diesem Ausführungsbeispiel aus drei Modulen bestehend), wohinge­ gen die Strahlermodule 1 in den dazwischenliegenden Ab­ ständen nur zweimal vorkommen.

Anhand des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 5 ist eine Abwandlung für Patchstrahler gezeigt, die ebenfalls wieder über entsprechende Halterungen 7 bzw. 9 fixiert sind.

Die Strahlermodule 1 bestehen dabei aus doppelt vorgesehe­ nen und horizontal mit Seitenversatz nebeneinander ange­ ordneten Patchstrahlern, wohingegen die zur zweiten Gruppe gehörenden Patchstrahler nur einfach vorgesehen sind. Auch ansonsten ist der Aufbau des so gebildeten Antennenarrays vergleichbar mit den vorausgegangenen Ausführungsbeispie­ len, wobei der Abstand zwischen der Ebene des Reflektors 5 und der Ebene der Patchstrahler-Elemente bekanntermaßen geringer ist.

Wie aus den Ausführungsbeispielen ersichtlich ist, können entweder gleich viele Primärstrahler-Module 1 des ersten Typs und Primärstrahler-Module 3 des zweiten Typs vor­ gesehen sein, oder es kann sich diese Anzahl bevorzugt um eins unterscheiden, wodurch ein symmetrischer Antennen­ aufbau auch zu einer Horizontalebene gebildet wird.

Claims (11)

1. Antennenarray bestehend aus zumindest zwei vertikal übereinander angeordneten Strahlermodulen (1, 3), welche sich vor einem Reflektor (5) befinden und durch ein vor­ zugsweise gemeinsames Speisenetzwerk mit einer definierten Leistung und Phase gespeist werden, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale

• - es ist zumindest ein erstes Primärstrahler-Modul (1) ersten Typs und zumindest ein zweites Primärstrahler- Modul (3) zweiten Typs vorgesehen, die im Abstand verti­ kal übereinander angeordnet sind,
• - das zumindest eine oder die mehreren Primärstrahler- Module (1) ersten Typs weisen gegenüber dem zumindest einen oder den mehreren Primärstrahler-Modulen (3) zwei­ ten Typs eine unterschiedliche horizontale Halbwerts­ breite auf, wodurch eine davon unterschiedliche hori­ zontale Gesamthalbwertsbreite der Gesamtantenne erziel­ bar ist, und
• - das zumindest eine oder die mehreren Primärstrahler- Module (1) ersten Typs weisen gegenüber dem zumindest einen oder den mehreren Primärstrahler-Modulen (3) zwei­ ten Typs eine unterschiedliche konstruktive Gestaltung auf.

2. Antennenarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Halbwertsbreiten der Primärstrahler-Module (1, 3) um zumindest 10°, vorzugsweise um zumindest 20°, 25° oder 30° voneinander unterscheiden.

3. Antennenarray nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Primärstrahler-Module (1) ersten Typs und mehrere Primärstrahler-Module (3) zweiten Typs vor­ gesehen sind, die abwechselnd vertikal übereinander an­ geordnet sind.

4, Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärstrahler-Module (1, 3) line­ ar polarisierte Strahler sind.

5. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärstrahler-Module (1) aus Doppeldipolen und die Primärstrahler-Module (3) aus Ein­ zeldipolen bestehen.

6. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärstrahler-Module (1, 3) aus dual polarisierten Strahlern bestehen.

7. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem dual polarisierten Antennen­ array die Strahlermodule (1) des ersten Typs aus Dipol­ quadraten (1a) und die Strahlermodule (3) des zweiten Typs aus Kreuzdipolen (3a) bestehen.

8. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärstrahler-Module (1, 3) aus Patchstrahlern bestehen.

9. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärstrahler-Module (1) des er­ sten Typs aus Dipolen (1a, 3a) und die Primärstrahler- Module (3) des zweiten Typs aus Patchstrahlern bestehen.

10. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß das Antennenarray aus einer Kom­ bination von Primärstrahler-Modulen besteht, die mehr als zwei verschiedene, sich in konstruktiver Hinsicht unter­ scheidende Typen umfassen.

11. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Gruppen der Pri­ märstrahler-Module (1) gerade und die Anzahl der Gruppen der Primärstrahler-Module (3) ungerade ist oder umgekehrt.