DE19901179A1

DE19901179A1 - Basisstationsantenne für doppelte Polarisation

Info

Publication number: DE19901179A1
Application number: DE19901179A
Authority: DE
Inventors: Joseph R Ippolito; Henry Villegas; John S Wilson
Original assignee: Andrew AG; Andrew LLC
Current assignee: Commscope Technologies AG; Commscope Technologies LLC
Priority date: 1998-01-15
Filing date: 1999-01-14
Publication date: 1999-07-22
Also published as: GB9900664D0; BR9900064A; US6072439A; GB2333400A; GB2333400B; CN1154201C; CN1231527A

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet von Antennen. Mehr im einzelnen betrifft die Erfindung eine doppelt polarisierte Basisstationsantenne für Funktelekommunikationssysteme.

In drahtlosen Telekommunikationssystemen verwendete ortsfeste Basisstationen weisen die Fähigkeit auf, linear polarisierte elektromagnetische Signale zu empfangen. Diese Signale werden dann durch einen Empfänger bei der Basisstation verarbeitet und in das Telefonnetz eingespeist. In der Praxis kann die gleiche Antenne, welche die Signale empfängt, auch dazu verwendet werden, Signale zu senden. Typisch liegen die gesendeten Signale bei anderen Frequenzen als die empfangenen Signale.

Ein Funktelekommunikationssystem leidet an dem Problem des Mehrwegeschwundes. Diversityempfang wird häufig verwendet, um das Problem von starkem Mehrwegeschwund zu überwinden. Eine Diversitytechnik erfordert wenigstens zwei Signalwege, welche die gleiche Information befördern, aber unkorrelierte Mehrwegeschwunde aufweisen. Verschie dene Arten von Diversityempfang werden bei Basisstationen in der Telekommunikationsindustrie verwendet, umfassend Raumdiversity, Richtungsdiversity, Polarisationsdiversity, Frequenzdiversity und Zeitdiversity. Ein Raumdiversitysystem empfängt Signale von ver schiedenen Punkten im Raum, was zwei durch einen bedeutenden Abstand getrennte Anten nen erfordert. Polarisationsdiversity verwendet aufeinander senkrecht stehende Polarisatio nen zum Bilden unkorrelierter Wege.

Wie allgemein bekannt, wird der Sinn oder die Richtung der Polarisation einer Antenne von einer feststehenden Achse gemessen und kann je nach den Systemanforderungen variieren. Insbesondere kann der Polarisationssinn von vertikaler Polarisation (0 Grad) bis zu horizontaler Polarisation (90 Grad) reichen. Gegenwärtig umfassen die am meisten vorherr schenden Typen linearer Polarisation, die in Systemen verwendet werden, diejenigen, wel che vertikale/horizontale und +45°/-45°-Polarisation (Neigung 45°) verwenden. Es können jedoch andere Polarisationswinkel verwendet werden. Wenn eine Antenne Signale von zwei normalerweise senkrecht aufeinanderstehenden Polarisationen empfängt oder sendet, sind die Antennen auch als doppelt polarisierte Antennen bekannt.

Eine Anordnung von unter 45° geneigten Strahlungselementen wird aufgebaut unter Ver wendung einer linearen oder ebenen Anordnung gekreuzter Dipole, die über einer Erdungs platte (? ground plane) angeordnet sind. Ein gekreuzter Dipol umfaßt ein Paar Dipole, deren Zentren zusammenfallen, und deren Achsen senkrecht aufeinanderstehen. Die Achsen der Dipole sind so angeordnet, daß sie parallel zu dem geforderten Polarisationssinn liegen.

Anders ausgedrückt ist die Achse jedes Dipols unter dem gleichen Winkel zu der vertikalen Achse der Antennenanordnung positioniert.

Ein mit einer gekreuzten Dipolkonfiguration verknüpftes Problem besteht in der Wechsel wirkung des elektromagnetischen Feldes jedes gekreuzten Dipols mit den Feldern der ande ren gekreuzten Dipole und den umgebenden Aufbauten, welche die gekreuzten Dipole tra gen, aufnehmen und speisen. Wie allgemein bekannt, übertragen die ausgestrahlten elektro magnetischen Felder, welche die Dipole umgeben, Energie aufeinander. Diese gegenseitige Kopplung beeinflußt die Korrelation der zwei senkrecht zueinander (orthogonal) polarisier ten Signale. Das Gegenteil von Kopplung ist Entkopplung, das heißt, eine Kopplung von -30 dB ist äquivalent einer Entkopplung von 30 dB.

Doppelt polarisierte Antennen müssen eine bestimmte Port-zu-Port-Entkopplungs-Spezi fikation erfüllen. Die typische Port-zu-Port-Entkopplungs-Spezifikation beträgt 30 dB oder mehr. Die Erfindung schafft ein Mittel zum Erhöhen der Port-zu-Port-Entkopplung doppelt polarisierter Antennensysteme mit einem einfachen passiven Zusatzelement, das quer zu einer vertikalen Achse der Oberseite der Tragplatte positioniert ist, etwa auf halbem Wege in Längsrichtung der Tragplatte. Die Erfindung schafft ferner ein Mittel zum Verbes sern der Port-zu-Port-Entkopplung und der Kreuzpolarisation doppelt polarisierter Anten nensysteme mit einer einfachen Platte, die allgemein quadratische Öffnungen aufweist, und die über die Oberseite der Tragplatte versetzt ist. In beiden Ausführungsformen mit dem Zusatzelement sowie der Platte mit quadratischen Öffnungen resultiert die Entkopplung aus der phasenabgeglichenen zurückgestrahlten Energie, welche sich aufhebt mit der gegenseiti gen Kopplungsenergie der Dipole.

Im allgemeinen müssen doppelt polarisierte Antennen die 30-dB-Entkopplungsspezifikation erfüllen, um marktfähig zu sein. Das Nichterfüllen der Spezifikation bedeutet, daß der Systemintegrator eventuell höhere Gütefilter verwenden muß, welche mehr kosten und den Antennengewinn verringern. Die Erfindung überwindet diese Sorge, da sie die 30-dB-Ent kopplungsspezifikation erfüllt oder übertrifft.

Ein weiteres Problem bei Antennen nach dem Stand der Technik betrifft die Anfügung der Schutzhaube an die Tragplatte der Antenne. Wegen der Art der Anfügung von Schutzhau ben nach dem Stand der Technik lassen herkömmliche Schutzhaubenkonstruktionen es zu, daß Wasser und andere Umgebungselemente in die Antenne eindringen, was zur Korrosion der Antenne beiträgt. Ferner lassen diese Schutzhauben nach dem Stand der Technik, da sie lose und nicht fest an der Tragplatte angebracht sind, es zu, daß sich die Schutzhaube be züglich der Tragplatte verschiebt und damit das Eindringen von Wind und Wasser in die Antenne zuläßt.

Außerdem ist der visuelle Eindruck von Basisstationstürmen auf Gemeinden zu einer gesell schaftlichen Besorgnis geworden. Es ist erstrebenswert geworden, die Größe dieser Türme zu reduzieren und dadurch den visuellen Eindruck der Türme auf die Gemeinde zu mindern. Die Größe der Türme kann reduziert werden unter Verwendung von Basisstationstürmen mit weniger Antennen. Dies kann erreicht werden, wenn doppelt polarisierte Antennen und Polarisationsdiversity verwendet werden. Solche Systeme ersetzen Systeme, welche Raum diversity verwenden, was Paare vertikal polarisierter Antennen erfordert. Einige Studien zeigen, daß für städtische Umgebungen Polarisationsdiversity eine der Raumdiversity äquivalente Signalqualität bietet. Da die Mehrzahl von Basisstationsstandorten in städtischen Umgebungen gelegen ist, ist es wahrscheinlich, daß doppelt polarisierte Antennen an Stelle der herkömmlichen Paare vertikal polarisierter Antennen verwendet werden.

Das Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung einer Antennenanordnung, welche doppelt polarisierte Signale erzeugt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Antenne, die zu einer Port-zu-Port-Ent kopplung von wenigstens 30 dB imstande ist.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Antennenanordnung mit einer Schutz haube, die imstande ist, das Eindringen von Wasser und anderen Umgebungselementen in die Antenne zu verhindern, wodurch eine Korrosion der Antenne vermieden wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Antenne, die imstande ist, die un symmetrische Übertragungsleitung des Speisenetzwerkes an die symmetrischen Dipolele mente anzupassen.

Noch ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Antennenanordnung, welche die Anzahl benötigter Antennen minimiert, wodurch eine ästhetisch ansprechende Basisstations struktur geschaffen wird, die eine minimale Größe aufweist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer relativ kostengünstigen Antennenan ordnung.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Antenne mit hohem Gewinn.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Antenne, welche die Intermodulati onsverzerrung (IMD) minimiert.

Diese und andere Ziele der Erfindung werden erreicht durch ein verbessertes Antennensy stem zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Signale, mit einer Tragplatte, die eine Länge und eine vertikale Achse entlang der Länge aufweist. Eine Mehrzahl von Dipol strahlungselementen ragt von einer Oberfläche der Tragplatte nach außen vor. Jedes dieser Elemente umfaßt ein symmetrisches, senkrecht aufeinander stehendes Paar von Dipolen, die unter ersten und zweiten vorbestimmten Winkeln zu der vertikalen Achse ausgerichtet sind, wobei sie gekreuzte Dipolpaare bilden. Ein unsymmetrisches Speisenetzwerk erstreckt sich entlang der Tragplatte und ist mit den Strahlungselementen verbunden. Ein Schaltungsplat ten-Symmetrierglied ist an jeden Dipol angefügt. Die Antenne kann auch ein passives Zusat zelement umfassen, das entlang der vertikalen Achse so positioniert ist, daß primäre elektromagnetische Felder Ströme an dem Zusatzelement induzieren, und diese induzierten Ströme sekundäre elektromagnetische Felder zurückstrahlen, welche Anteile der primären elektromagnetischen Felder auslöschen, wodurch die Entkopplung verbessert wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbei spiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Oberseite einer Tragplatte mit sechs Strahlungs elementen;

Fig. 2 eine Draufsicht der Oberseite der Tragplatte von Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht der Tragplatte von Fig. 1;

Fig. 4a eine Seitenansicht von zwei Halbdipolen;

Fig. 4b eine Draufsicht der zwei Halbdipole;

Fig. 4c eine Draufsicht von zwei Halbdipolen; die flach liegen, bevor jeder Halbdipol um etwa 90° gebogen wird, wie in den Fig. 4a und 4b gezeigt;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Strahlungselementes, die das angefügte PCB-Symmetrier glied darstellt;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Strahlungselementes, die das angefügte PCB-Symmetrier glied und einen allgemein Z-förmigen Verbinder darstellt;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht des nahen Endes der in Fig. 1 gezeigten Tragplatte, welche die Schutzhaube mit abgenommener Endkappe zeigt;

Fig. 8 ein Diagramm der Kopplung der Antenne der Fig. 1-3;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht der Oberseite einer Tragplatte mit sechs Strahlungs elementen und einer Platte mit Öffnungen zum Aufnehmen der Strahlungselemente;

Fig. 10 eine Seitenansicht der Tragplatte von Fig. 9;

Fig. 11 eine Draufsicht der Oberseite der Tragplatte von Fig. 9;

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht eines Strahlungselementes, die das angefügte PCB-Symmetrier glied darstellt;

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht eines Strahlungselementes, die das angefügte PCB-Symmetrier glied und einen allgemein Z-förmigen Verbinder darstellt;

Fig. 14 eine perspektivische Ansicht des nahen Endes der in Fig. 9 gezeigten Tragplatte, welche die Schutzhaube mit abgenommener Endkappe zeigt; und

Fig. 15 ein Diagramm der Kopplung der Antenne der Fig. 9-11.

Die Erfindung ist brauchbar in Funkkommunikationssystemen. Eine Ausführungsform der Erfindung arbeitet in dem Personal-Communication-System/Personal-Communication-Net work-Frequenzband von 1850 bis 1990 bzw. 1710 bis 1880 MHz. Allgemein senden Funktelefonbenutzer ein elektromagnetisches Signal zu einer ortsfesten Basisstation mit einer Mehrzahl von Antennen, welche das von den Funktelefonbenutzern gesendete Signal empfangen. Obzwar in Funkbasisstationen brauchbar, kann die Erfindung auch in allen Ar ten von Telekommunikationssystemen verwendet werden.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Antenne umfaßt eine Antenne mit einer 90-Grad-Azimu tal-Halbwerts-Lappenbreite (HPBW), das heißt, die Antenne erzielt eine 90-Grad- 3dB-Strahlungslappenbreite. Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine Richtantennenanordnung 10 gekreuzter, doppelt polarisierter Dipolstrahlungselemente 11a-f, die durch Schrauben mit einer Rückfläche oder Tragplatte 12 verbunden sind. Die Tragplatte 12 umfaßt eine Metall- Erdungsplatte und weist eine erste Seite 14 und eine zweite Seite 16 auf (in Fig. 7 ge zeigt). Die Zusammensetzung und die Abmessungen der Strahlungselemente 11a-f und der Tragplatte 12 tragen bei zu der Strahlungscharakteristik, der Lappenbreite und der Impe danz der Antenne. Vorzugsweise bestehen die Strahlungselemente 11a-f und die Tragplatte 12 aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium. Es können jedoch auch andere Metalle wie Kupfer oder Messing dazu verwendet werden, die Strahlungselemente und die Tragplatte 12 aufzubauen.

Es versteht sich für den Fachmann, daß der Gewinn der Antenne proportional der Anzahl der in der Anordnung vorhandenen beabstandeten Strahlungselemente ist. Mit anderen Worten erhöht eine Zunahme der Anzahl von Strahlungselementen in der Anordnung den Gewinn, wogegen eine Abnahme der Anzahl von Strahlungselementen den Antennengewinn verringert. Obwohl nur sechs Strahlungselemente dargestellt sind, kann daher die Anzahl von Strahlungselementen auf eine beliebige Anzahl erhöht werden, um den Gewinn zu ver größern. Umgekehrt kann die Anzahl von Strahlungselementen auf eine beliebige Anzahl vermindert werden, um den Gewinn zu verringern.

Die Strahlungselemente 11a-f senden und empfangen elektromagnetische Signale und bestehen aus Paaren von Dipolen 18a und 18b, 20a und 20b, 22a und 22b, 24a und 24b, 26a und 26b bzw. 28a und 28b. Wie durch die Dipole 18a und 18b dargestellt, aus denen das Strahlungselement 11a besteht, ist jedes Dipolpaar gekreuzt und gestaltet mit Schrägwinkeln von 45 Grad (zu einer Achse 13 der Anordnung 10). Das heißt, die Achsen der Dipole sind so angeordnet, daß sie parallel liegen zu dem benötigten Polarisationssinn. Wie gezeigt, betragen die Schrägwinkel +α und -α +45 Grad bzw. -45 Grad. Obwohl mit Schrägwinkeln von +45 Grad und -45 Grad gezeigt, versteht es sich für den Fachmann, daß diese Winkel verändert werden können, um die Leistung der Antenne zu optimieren. Ferner brauchen die Winkel +α und -α nicht gleich groß zu sein. Zum Beispiel können die Winkel +α und -α +30 Grad bzw. -60 Grad betragen.

Jeder Dipol besteht aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium und weist die in den Fig. 4a-c gezeigte Gestalt auf. Fig. 4a zeigt eine Seitenansicht einer Hälfte des Dipols 18a und eine Hälfte des Dipols 18b. Jeder der Halbdipole weist ein allgemein axtförmiges Profil auf, wie in Fig. 4a dargestellt. Jeder Halbdipol ist physisch Bestandteil des gleichen Metallstücks und befindet sich auf Erdschluß bei Gleichspannung. Jedoch arbeitet jeder Halbdipol bei Funkfrequenz unabhängig von dem anderen. Fig. 4b zeigt, wie jeder Halbdi pol an den anderen Halbdipol angefügt ist. Ein Loch 82 gestattet es einem Befestigungs mittel wie beispielsweise einer Schraube, jedes Halbdipolpaar an der Tragplatte 12 zu befe stigen. Fig. 4c zeigt die Halbdipolpaare flachliegend, bevor jeder Halbdipol um etwa 90 Grad nach oben gebogen wird bezüglich der Tragplatte 12.

Jedes der Strahlungselemente 11a-f empfängt Signale mit Polarisationen von +45 Grad und -45 Grad. Das heißt, ein Dipol in dem Strahlungselement empfängt Signale, die Polarisatio nen von +45 Grad aufweisen, während der andere Dipol Signale empfängt, die Polarisatio nen von -45 Grad aufweisen. Die empfangenen Signale von parallelen Dipolen 18a, 20a, 22a, 24a, 26a und 28a oder 18b, 20b, 22b, 24b, 26b und 28b werden auf einem Empfänger verteilt, der ein Schaltungsplatten(PCB)-Speisenetzwerk 30 (dargestellt in Fig. 7) für jede Polarisation verwendet. Das PCB-Speisenetzwerk 30 ist an die zweite Seite 16 der Trag platte 12 angefügt durch Kunststoffnieten 32, welche die Intermodulationsverzerrung (IMD) minimieren. Das PCB-Speisenetzwerk 30 ist auf der zweiten Seite 16 angeordnet, um das PCB-Speisenetzwerk 30 von den Strahlungselementen 11a-f zu isolieren. Das PCB-Speise netzwerk 30 verteilt die empfangenen Signale von der Anordnung von Strahlungselemente 11a-f auf der ersten Seite 14 der Tragplatte 12 auf einen Diversityemp fänger zur weiteren Verarbeitung. Jedes der Strahlungselemente 11a-f kann auch als eine Sendeantenne wirken.

In Fig. 5 ist ein PCB-Symmetrierglied (balun) 33 angefügt an das Strahlungselement 11a gezeigt. Die allgemeine Arbeitsweise eines Symmetriergliedes ist wohlbekannt und ist be schrieben in einem Artikel von Brian Edward & Daniel Rees: A Broadband Printed Dipole with Integrated Balun, MICROWAVE JOURNAL, Mai 1987, S. 339-344, der hier durch Bezugnahme eingeschlossen wird. Ein Symmetrierglied 33 ist lei tend verbunden mit jedem Dipol 18a, 18b, 20a, 20b, 22a, 22b, 24a, 24b, 26a, 26b, 28a und 28b. Das Anfügen des Symmetriergliedes 33 an die Metalldipole bietet mechanische Voll ständigkeit für das Symmetrierglied 33. Die Symmetrierglieder 33 passen die unsymmetri schen Übertragungsleitungen des PCB-Speisenetzwerks 30 an die symmetrischen Paare von Dipolelementen 18a und 18b, 20a und 20h, 22a und 22b, 24a und 24b, 26a und 26b bzw. 28a und 28b an. Jedes Symmetrierglied 33 ist wie ein umgehrtes U geformt. Um jedoch, wie in Fig. 6 zu sehen, ein symmetrisches Paar gekreuzter Dipole zu erzielen, ist ein Schenkel des umgekehrten U wesentlich länger als der andere Schenkel. Jedes Symmetrierglied 33 umfaßt eine Leiterplatte 73 und einen Anschlußdraht 75 zum Anpassen des unsymmetri schen PCB-Speisenetzwerks 30 an jedes symmetrische Dipolpaar. Ein PCB-Symmetrier glied vermeidet den Bedarf für kleine Metall- und Kunststoffteile bei dem Aufbau des Sym metriergliedes. Das PCB-Symmetrierglied 33 ist mit dem PCB-Speisenetzwerk 30 verbun den durch einen allgemein Z-förmigen Verbinder 80, der teilweise in Fig. 6 dargestellt ist. Der Z-förmige Verbinder 80 umfaßt zwei parallele Abschnitte, die durch einen abgeschräg ten Abschnitt im Abstand angeordnet sind. Diese Gestaltung läßt eine Toleranzbildung zwi schen dem Dipolelement, der Tragplatte und dem PCB-Speisenetzwerk 30 zu.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 ist ein nicht angeschlossenes, passives (parasitic) Zusatzelement 34 quer zu der vertikalen Achse 13 etwa auf halbem Wege in Längsrichtung der Tragplatte 12 angeordnet. Damit Ströme induziert werden, ist das Zusatzelement 34 aus Metall gebildet. Dieses Metall umfaßt vorzugsweise Aluminium, wenn auch andere Metalle wie Kupfer und Messing verwendet werden können. Eine primäre elektromagnetische Welle oder ein primäres elektromagnetisches Feld, das auf den Anordnungsaufbau einfällt, indu ziert Strome an den Oberflächen der gekreuzten Dipole jedes Strahlungselementes 11a-f, des Zusatzelementes 34 und der umgebenden Metallkonstruktion. Diese induzierten Ströme erzeugen ein schwächeres sekundäres elektromagnetisches Feld, das sich mit dem primären elektromagnetischen Feld zusammensetzt. Ein Gleichgewichtszustand tritt auf, derart, daß das endgültige elektromagnetische Feld sich von dem primären elektromagnetischen Feld unterscheidet. Die Abmessungen und die Position des Zusatzelementes 34 sind Faktoren bei der Bestimmung des endgültigen Feldes. Die verbesserte Entkopplung der Erfindung wird erzielt durch an dem Zusatzelement 34 induzierte Ströme, die Energie zurückstrahlen, wel che die Energie auslöscht, welche von einer Polarisation zu der anderen koppelt, wobei eine Zunahme an Entkopplung bewirkt wird. Speziell induzieren primäre elektromagnetische Felder Ströme in dem metallischen Zusatzelement 34, wobei diese induzierten Ströme se kundäre elektromagnetische Felder zurückstrahlen, die sich mit Anteilen des primären elek tromagnetischen Feldes aufheben, wodurch die Entkopplung verbessert wird.

Das passive Zusatzelement 34 ist wie eine Krawattenfliege geformt und ist quer zu der ver tikalen Achse 13 etwa auf halbem Wege in Längsrichtung der Tragplatte 12 angeordnet. Das Zusatzelement 34 ist an einem dielektrischen Abstandhalter 35 montiert, der an der Tragplatte 12 befestigt ist durch eine vertikale Schraube, die in dem Abstandhalter 35 ange ordnet ist. Das Zusatzelement 34 ist in einer allgemein zu der Tragplatte 12 horizontalen Ebene positioniert in einer Höhe, die etwa der Höhe der Mitte der vertikalen krawattenflie genförmigen gekreuzten Dipole 18a und 18b, 20a und 20b, 22a und 22b, 24a und 24b, 26a und 26b sowie 28a und 28b entspricht. Es hat sich herausgestellt, daß diese Höhe die Ent kopplung für diese Anordnungskonfiguration optimiert. Die Höhe des Zusatzelementes 34 kann jedoch variieren je nach der Anordnungskonfiguration. Ein Netzwerkanalysator wird dazu verwendet, die optimale Positionierung des Elementes zu bestimmen. Der Netzwerka nalysator mißt die Entkopplung einer gegebenen Konfiguration von Strahlungselementen 11a-f und des Zusatzelementes 34. Der dielektrische Abstandhalter 35 ist in einem Schlitz 70 angeordnet, der die Justierung des Abstandhalters 35 bezüglich der Achse 13 zuläßt. Dies gestattet die optimale axiale Verstellung des Zusatzelementes 34. Die Abmessungen des Zusatzelementes 34 steuern die Größe des erzeugten Stromes. Also kann das Leistungs verhalten des Systems durch Verändern der Abmessungen des passiven Zusatzelementes 34 optimiert werden.

Das passive Zusatzelement 34 ist so gelegen, daß es unangemessene Nebeneffekte vermeidet wie eine Verschlechterung des Rückflußdämpfungs-Spannungsstehwellen verhältnis (VSWR) und eine Störung der normalen Richtcharakteristik der Anordnung. Es hat sich herausgestellt, daß ein optimales Antennenbetriebsverhalten auftritt, wenn das Zu satzelement 34 parallel zu der vertikalen Achse 13 der Anordnung 10 oder senkrecht dazu plaziert wird. An einem Mustertestbereich durchgeführte Tests und/oder ein Netzwerkana lysator werden dazu verwendet, die optimale Antennenleistung für eine beliebige Antennen anordnungskonfiguration zu bestimmen.

Ein Paar Seitenwände 36 trägt bei zu der 90-Grad-Azimutakichtcharakteristik der Antenne 10. Die Seitenwände 36 sind an der Tragplatte 12 entlang ihrer Längsrichtung befestigt durch in Fig. 7 dargestellte Schrauben 38. Die Seitenwände 36 sind im Querschnitt im we sentlichen C-förmig und erstrecken sich teilweise um die Tragplatte 12 herum. Die Seiten wände 36 weisen einen Abschnitt 63 auf, der sich teilweise unter der Tragplatte 12 er streckt, wie in Fig. 7 dargestellt. Vorzugsweise bestehen die Seitenwände 36 aus einem Metall wie Aluminium. Jedoch können andere Metalle wie Kupfer oder Messing zur Kon struktion der Seitenwände 36 verwendet werden. Die Kanten 40 der Seitenwände 36 erzeu gen ein Beugungsbild, das die Strahlungslappenbreite um etwa 10 Grad erhöht im Vergleich zu ähnlichen Antennen ohne Seitenwände. Anders ausgedrückt beugen die Kanten 40 einen Teil des Signals, wobei sie das Signal ausbreiten. Die 3-dB-Lappenbreite des gesendeten oder empfangenen Signals wird also vergrößert. Ferner ist wegen der für das PCB-Speise netzwerk 30 benötigten Breite die metallene Tragplatte 12 der Antenne 10 in ihrer Breite größer als andere Tragplatten, die alternative Speisenetzwerke verwenden. Das vergrößerte Metall der Tragplatte 12 und der Seitenwände 36 tragen dazu bei, das Vor-Rück-Verhältnis zu erhöhen, wodurch die Leistung der Antenne 10 verbessert wird. Die Zusammensetzung und Abmessungen der Seitenwände 36 tragen also bei zu der Strahlungscharakteristik, der Lappenbreite und der Impedanz der Antenne.

Der Gewinn der Antenne 10 wird maximiert aufgrund der Verwendung von Dipolstrah lungselementen 11a-f, die ein effizienter Strahler sind, und unter Verwendung eines effizi enten (1,575 mm [0.062''] dicken) PCB-Speisenetzwerkes 30.

Fig. 7 zeigt auch eine Schutzhaube 60, welche die Antennenanordnung 10 umschließt. Die Schutzhaube 60 ist an der Antenne 10 befestigt durch Führungsschienen 62, die einteilig mit der Schutzhaube 60 ausgebildet sind. Die Führungsschienen 62 passen zusammen mit dem Abschnitt 63 der Seitenwände 36, der sich unter der Tragplatte 12 erstreckt. Der dichte Reibungskontakt zwischen den Führungsschienen 62 und den Seitenwänden 36 hindert die Antenne 10 daran, sich in der Schutzhaube 60 zu bewegen, und hindert auch Wasser und andere Umgebungselemente daran, in die Antenne einzudringen, womit eine Korrosion der Antenne vermieden wird. Endkappen 64 und 66, am besten in Fig. 1 dargestellt, schnappen auf die Schutzhaube auf, um die Antenne 10 abzudichten, und schützen die Antenne vor widrigen Umweltbedingungen. Die Endkappe 66 weist zwei DIN-Steckverbindungen 67 auf, die es Koaxialkabeln gestatten, jeden Dipol der Antenne 10 elektrisch zu verbinden mit einem externen Gerät wie einem Empfänger oder Sender. Dichtungen 68, dargestellt in Fig. 7, dichten die Befestigungselemente ab, welche die Antenne 10 mit einer Basisstation verbinden. Dies schützt außerdem die Antenne 10 gegen Wasser und andere Umweltele mente.

In der dargestellten Ausführungsform der Fig. 1 bis 3 wurden sechs gekreuzte Dipol strahlungselemente auf einer Tragplatte von 830,10 mm Länge und 172,67 mm Breite pla ziert, um in dem PCS/PCN-Frequenzband zu arbeiten, das 1710-1990 MHz beträgt. Die vertikale Achse 13 der Anordnung 10 erstreckte sich über die Länge von 830,10 mm. Die sechs doppelt polarisierten, gekreuzten Dipolstrahlungselemente 11a-f wurden entlang der vertikalen Achse 13 der Anordnung 10 ausgerichtet, wobei jedes Element Schrägwinkel von +45 Grad und -45 Grad zu der vertikalen Achse 13 aufwies. Das für das PCB-Speisenetz werk 30 verwendete PCB ist etwa 0,81 mm (0.032'') dick, wobei beide PCB eine dielektrische Konstante von 3,0 aufweisen. Die dargestellte Antennenkonfiguration erzielte die in Fig. 8 dargestellte Entkopplungskurve. Das Diagramm in Fig. 8 gibt tatsächlich die Kopplung wieder. Die Kopplung ist jedoch das Gegenteil von Entkopplung, das heißt, eine Kopplung von -33 dB ist einer 33-dB-Entkopplung äquivalent.

Die in den Fig. 9 bis 11 dargestellte Antenne umfaßt eine 65-Grad-Azimutal-HPBW-An tenne, das heißt, die Antenne erzielt eine 65-Grad-3-dB-Strahlungslappenbreite. Die Fig. 9 bis 11 zeigen eine Antennenanordnung 210 gekreuzter, doppelt polarisierter Dipol strahlungelemente 210a-f, die an eine Tragplatte 212 angefügt sind. Die Antenne 210 ar beitet in dem PCS/PCN-Frequenzband von 1850-1990 bzw. 1710-1880 MHz. Wie oben besprochen, tragen die Zusammensetzung und die Abmessungen der Tragplatte 212 und der Strahlungselemente 211a-f bei zu der Strahlungscharakteristik, der Lappenbreite und der Impedanz der Antenne. Da ein Großteil der Antenne 210 mit der oben beschriebenen An tenne 10 identisch ist, konzentriert sich die nachfolgende Beschreibung auf die Abschnitte der Antenne 210, die von der Antenne 10 verschieden sind.

Die Strahlungselemente 211a-f senden und empfangen Signale und bestehen aus Paaren von Dipölen 218a und 218b, 220a und 220b, 222a und 222b, 224a und 224b, 226a und 226b bzw. 228a und 228b. Die Dipole, welche die Strahlungselemente 211a-f umfassen, sind ge kreuzt und gestaket mit Schrägwinkeln von 45 Grad (zu einer Achse 213 der Anordnung 210.

Jedes der Strahlungselemente 211a-f empfängt Signale mit Polarisationen von +45 Grad und -45 Grad. Die empfangenen Signale von parallelen Dipolen 218a, 220a, 222a, 224a, 226a und 228a oder 218b, 220b, 222b, 224b, 226b und 228b werden auf einem Empfänger ver teilt, der ein Schaltungsplatten(PCB)-Speisenetzwerk 230 (dargestellt in Fig. 14) für jede Polarisation verwendet. Das PCB-Speisenetzwerk 230 ist an eine Unterseite 216 der Trag platte 212 angefügt durch Kunststoffnieten 232, um die Intermodulationsverzerrung (IMD) zu minimieren. Das PCB-Speisenetzwerk 230 verteilt die empfangenen Signale von der An ordnung von Strahlungselementen 211a-f auf der Oberseite 214 der Tragplatte 212 auf ei nen Diversityempfänger, welcher das stärkere der zwei Signale zur weiteren Verarbeitung auswählt. Jedes der Strahlungselemente 211a-f kann auch als eine Sendeantenne wirken.

In Fig. 12 ist ein PCB-Symmetrierglied 233 angefügt an das Strahlungselement 211a ge zeigt. Ein Symmetrierglied 233 ist leitend verbunden mit jedem Dipol 218a, 218b, 220a, 220b, 222a, 222b, 224a, 224b, 226a, 226b, 228a und 228b. Das Anfügen des Symmetrier gliedes 233 an die Metalldipole bietet mechanische Vollständigkeit für das Symmetrierglied 233. Die Symmetrierglieder 233 passen die unsymmetrischen Übertragungsleitungen des PCB-Speisenetzwerks 230 an die symmetrischen Paare von Dipolelementen 218a und 218b, 220a und 220b, 222a und 222b, 224a und 224b, 226a und 226b bzw. 228a und 228b an. Jedes Symmetrierglied 233 ist wie ein umgehrtes U geformt. Um jedoch, wie in Fig. 13 zu sehen, ein symmetrisches Paar gekreuzter Dipole zu erzielen, ist ein Schenkel des umge kehrten U wesentlich länger als der andere Schenkel. Jedes Symmetrierglied 233 umfaßt ein PCB 273 und einen Anschlußdraht 275 zum Anpassen des unsymmetrischen PCB-Speisenetzwerks 230 an jedes Paar symmetrischer Dipole. Ein PCB-Symmetrierglied vermindert die Notwendigkeit, kleine Metall- und Kunststoffteile bei dem Aufbau des Sym metriergliedes zu verwenden. Das PCB-Symmetrierglied 233 ist mit dem PCB-Speisenetz werk 230 verbunden durch einen allgemein Z-förmigen Verbinder 280, der in Fig. 13 dar gestellt ist. Der Z-förmige Verbinder 280 umfaßt zwei parallele Abschnitte, die durch einen abgeschrägten Abschnitt im Abstand angeordnet sind. Diese Gestaltung läßt eine Toleranz bildung zwischen dem Dipolelement, der Tragplatte und dem PCB-Speisenetzwerk 230 zu.

Wie in Fig. 9 gezeigt, wird eine Platte 244 mit quadratischen Öffnungen 246 gestützt und erhöht gehalten durch dielektrische Abstandhalter 248, am besten in Fig. 10 dargestellt. Metallschrauben 250 und eine nichtleitende Schraube 252 befestigen die Platte 244 und die dielektrischen Abstandhalter 248 an der Tragplatte 212. Wie in Fig. 11 dargestellt, befesti gen die Metailschrauben 250 die Platte 244 und vier dielektrische Abstandhalter 248 an den vier Ecken der Tragplatte 212. Die nichtleitende Schraube 252 befestigt den Mittelabschnitt der Platte 244 und einen dielektrischen Abstandhafter 248 an der Tragplatte 212. Die Sym metrie der Platte 244 trägt dazu bei, die Port-zu-Port-Entkopplung und die Kreuzpolarisati on der Antenne 210 zu verbessern.

Ein Paar Seitenwände 242 trägt bei zu der 65-Grad-Azimutalrichtcharakteristik der Antenne 210. Die Seitenwände 242 sind an der Tragplatte 212 entlang ihrer Längsrichtung befestigt durch in Fig. 14 dargestellte Schrauben 238. Die Seitenwände 242 sind im Querschnitt im wesentlichen L-förmig und weisen einen Abschnitt 263 auf, der sich teilweise unter die Tragplatte 212 erstreckt. Die Seitenwände 242 verschmälern die 3-dB-Lappenbreite der Antenne 210 im Vergleich zu ähnlichen Antennen ohne Seitenwände.

Der Gewinn der Antenne 210 wird maximiert aufgrund der Verwendung der Dipolstrah lungselemente 211a-f, die ein effizienter Strahler sind, und unter Verwendung eines effizi enten (1,575 mm [0.062'']dicken) PCB-Speisenetzwerkes 230.

Ähnlich wie bei der Antenne 10 der Fig. 1 bis 3 umschließt eine Schutzhaube 260 die Antennenanordnung 210. Die Schutzhaube 260 ist an der Antenne 210 befestigt durch Füh rungsschienen 262, die einteilig mit der Schutzhaube 260 ausgebildet sind. Die Führungs schienen 262 passen zusammen mit dem Abschnitt 263 der Seitenwände 242, der sich unter der Tragplatte 212 erstreckt. Der dichte Reibungskontakt zwischen den Führungsschienen 262 und den Seitenwänden 242 hindert die Antenne 210 daran, sich in der Schutzhaube 260 zu bewegen, und hindert auch Wasser und andere Umgebungselemente an dem Eindringen in die Antenne, womit eine Korrosion der Antenne 210 vermieden wird. Endkappen 264 und 266, am besten in Fig. 9 dargestellt, schnappen auf die Schutzhaube auf, um die An tenne 210 abzudichten, und schützen die Antenne vor ungünstigen Umweltbedingungen. Die Endkappe 266 weist zwei DIN-Steckverbindungen auf, die es Koaxailkabeln gestatten, jeden Dipol der Antenne 210 elektrisch zu verbinden mit einem externen Gerät wie einem Empfänger oder Sender. Dichtungen 268 dichten die Befestigungselemente ab, welche die Antenne 210 mit einer Basisstation verbinden. Dies schützt außerdem die Antenne 210 ge gen Wasser und andere Umweltelemente.

In der dargestellten Ausführungsform der Fig. 9 bis 11 wurden sechs gekreuzte Dipol strahlungselemente auf einer Tragplatte von 830,10 mm Länge und 172,67 mm Breite pla ziert, um in dem PCS/PCN-Frequenzband zu arbeiten, das 1710-1990 MHz beträgt. Die vertikale Achse 213 der Anordnung 210 erstreckte sich über die Länge von 830, 10 mm. Die sechs doppelt polarisierten, gekreuzten Dipolstrahlungselemente 211a-f wurden entlang der vertikalen Achse 213 der Anordnung 210 ausgerichtet, wobei jedes Element Schrägwinkel von +45 Grad und -45 Grad zu der vertikalen Achse 213 aufwies. Das für das PCB-Speise netzwerk 230 verwendete PCB ist etwa 0,81 mm (0.032'') dick, wobei beide PCB eine dielektrische Konstante von 3, 0 aufweisen. Die dargestellte Antennenkonfiguration erzielte die in Fig. 15 dargestellte Entkopplungskurve. Das Diagramm in Fig. 15 gibt tatsächlich die Kopplung wieder. Die Kopplung ist jedoch das Gegenteil von Entkopplung, das heißt, eine Kopplung von -34 dB ist einer 34-dB-Entkopplung äquivalent.

Die Antenne der Erfindung umfaßt doppelt polarisierte Strahlungselemente, welche zwei senkrecht zueinander polarisierte Signale erzeugen. Die Erfindung schafft ferner eine An tennenanordnung, welche aus gekreuzten Dipolen besteht. Die vorliegende Antennenanord nung verbessert die Entkopplung zwischen den durch die gekreuzten Dipole erzeugten elektromagnetischen Feldern. Die vorliegende Antennenanordnung mimiert auch die An zahl von Antennen, die in einem drahtlosen Telekommunikationssystem benötigt werden, wodurch eine ästhetisch ansprechende Basisstation geschaffen wird, die eine minimale Grö ße aufweist. Außerdem schafft die vorliegende Antennenanordnung eine Port-zu-Port- Entkopplung von etwa 30 dB. Die Erfindung schafft auch eine weniger teure Antennenan ordnung, die zu hohem Antennengewinn imstande ist.

Die Erfindung ist zwar unter Bezug auf eine oder mehrere bevorzugte Ausfürungsformen beschrieben worden, der Fachmann erkennt aber, daß viele Änderungen daran vorgenom men werden können, ohne von dem Gedanken und Rahmen der Erfindung abzuweichen, welche in den Ansprüchen festgelegt sind.

Claims

1. Antenne zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Signale, gekennzeichnet durch
eine Tragplatte (12, 212), die eine Länge und eine vertikale Achse (13, 213) entlang der Länge aufweist,
eine Mehrzahl von Dipolstrahlungselementen (11a-f; 211a-f), die von einer Oberflä che der Tragplatte (12, 212) nach außen vorragen, wobei jedes der Elemente (11a-f, 211a-f) ein symmetrisches orthogonales Paar von Dipolen (18a, 18b-28a, 28b; 218a, 218b-228a, 228b) umfaßt, die unter ersten und zweiten vorbestimmten Winkeln zu der vertikalen Achse (13, 213) ausgerichtet sind, wobei sie gekreuzte Dipolpaare bilden,
ein unsymmetrisches Speisenetzwerk (30, 230), das sich entlang der Tragplatte (12, 212) erstreckt und an die Strahlungselemente (11a-f, 211a-f) angeschlossen ist, und
eine Mehrzahl von Leiterplatten-Symmetriergliedern (33, 233), wobei eines der Symmetrierglieder (33, 233) an jeden der Dipole (18a, 18b-28a, 28b; 218a, 218b-228a, 228b) angefügt ist.

2. Antenne zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Signale, gekennzeichnet durch
eine Tragplatte (12), die eine Länge und eine vertikale Achse (13) entlang der Länge aufweist,
eine Mehrzahl von Dipolstrahlungselementen (11a-f), die von einer Oberfläche der Tragplatte (12) nach außen vorragen, wobei jedes der Elemente (11a-t) ein symmetrisches orthogonales Paar von Dipolen (18a, 18b-28a, 28b) umfaßt, die unter ersten und zweiten vorbestimmten Winkeln zu der vertikalen Achse (13) ausgerichtet sind, wobei sie gekreuzte Dipolpaare bilden, und
ein Glied (36), das sich entlang einer Längskante der Tragplatte (12) erstreckt und eine längliche Beugungskante (40) aufweist, die zwischen der Tragplatte (12) und einem oberen Ende der Strahlungselemente (11a-t) angeordnet ist, um die azimutale Lappenbreite zu vergrößern.

3. Antenne zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Signale, gekennzeichnet durch
eine Tragplatte (212), die eine Oberseite (214), eine Länge und eine vertikale Achse (213) entlang der Länge aufweist,
ein unsymmetrisches Speisenetzwerk (230), das an die Tragplatte (212) angefügt ist,
eine Mehrzahl von Dipolstrahlungselementen (211a-f), die von einer Oberfläche der Tragplatte (212) nach außen vorragen, wobei jedes der Elemente (211a-f) orthogonale Paa re von Dipolen (218a, 218b-228a, 228b) umfaßt, die unter ersten und zweiten vorbestimmten Winkeln zu der vertikalen Achse (213) ausgerichtet sind, wobei sie gekreuzte Dipolpaare bilden, und
eine Platte (244) mit Öffnungen (246), die über die Oberseite (214) der Tragplatte (212) versetzt ist, um die Entkopplung und Kreuzpolarisation zu verbessern, wobei primäre elektromagnetische Felder Ströme an der Platte (244) induzieren und die induzierten Strö me sekundäre elektromagnetische Felder zurückstrahlen, welche Anteile der primären elektromagnetischen Felder auslöschen.

4. Antenne nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Dipolpaar aus Metallplatten gebildet ist, die an die Tragplatte (12, 212) so angefügt sind, daß die Plat ten allgemein senkrecht zu der Oberfläche der Tragplatte (12, 212) stehen, wobei eines der Leiterplatten-Symmetrierglieder (33, 233) an jeden der Dipole (18a, 18b-28a, 28b; 218a, 218b-228a, 228b) laminiert ist.

5. Antenne nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Dipole (18a, 18b-28a, 28b; 218a, 218b-228a, 228b) aus zwei halben Dipolen mit einer Basis besteht, wobei die halben Dipole an der Basis verbunden sind.

6. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Leiterplatten- Symmetrierglieder (33, 233) an jeden der Dipole (18a, 18b-28a, 28b; 218a, 218b-228a, 228b) angeklebt ist.

7. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatten-Symme trierglieder (33', 233) allgemein wie ein umgekehrtes U geformt sind.

8. Antenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von allgemein Z-förmigen Verbindern (80, 280), die einen Toleranzaufbau zulassen zwischen den Dipolen (18a, 18b-28a, 28b; 218a, 218b-228a, 228b) und dem Speisenetzwerk (30, 230), wobei die Verbinder (80, 280) die Dipole (18a, 18b-28a, 28b; 218a, 218b-228a, 228b) durch die Trag platte (12, 212) hindurch mit dem Speisenetzwerk (30, 230) verbinden.

9. Antenne nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein passives Zusatzele ment (34), das entlang der vertikalen Achse (13) so positioniert ist, daß primäre elektroma gnetische Felder Ströme an dem Zusatzelement (34) induzieren und diese induzierten Strö me sekundäre elektromagnetische Felder zurückstrahlen, welche Anteile der primären elek tromagnetischen Felder auslöschen.

10. Antenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzelement (34) annähernd quer zu der vertikalen Achse (13) positioniert ist, etwa auf halbem Weg entlang der Länge.

11. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisenetzwerk (30, 230) ein Leiterplatten-Speisenetzwerk (30, 230) umfaßt, das Mikrostrip-Übertragungs leitungen enthält.

12. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (246) im wesentlichen quadratischen sind. 13. Antenne nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Seitenwände (242), die an die Tragplatte (212) angefügt sind, um die 3-dB-Lappenbreite der Antenne zu verschmälern.

14. Verfahren zum Vorsehen einer verbesserten Entkopplungstür eine Anordnung von Strahlungselementen, gekennzeichnet durch die Schritte,
daß eine Tragplatte vorgesehen wird, die eine Länge und eine vertikale Achse ent lang der Länge aufweist,
daß eine Mehrzahl von Dipolstrahlungselementen vorgesehen wird, die von einer Oberfläche der Tragplatte nach außen vorragen, wobei jedes der Elemente ein symmetri sches orthogonales Paar von Dipolen umfaßt, die unter ersten und zweiten vorbestimmten Winkeln zu der vertikalen Achse ausgerichtet sind, wobei sie gekreuzte Dipolpaare bilden,
daß ein unsymmetrisches Speisenetzwerk vorgesehen wird, das sich entlang der Tragplatte erstreckt,
daß das unsymmetrisches Speisenetzwerk an die Strahlungselemente angeschlossen wird,
daß eine Mehrzahl von Leiterplatten-Symmetriergliedern vorgesehen wird, und
daß eines der Symmetrierglieder an jeden der Dipole angefügt wird.

15. Verfahren zum Vorsehen einer verbesserten Entkopplung für eine Anordnung von Strahlungselementen, gekennzeichnet durch die Schritte,
daß eine Tragplatte vorgesehen wird, die eine Länge und eine vertikale Achse ent lang der Länge aufweist,
daß eine Mehrzahl von Dipolstrahlungselementen vorgesehen wird, die von einer Oberfläche der Tragplatte nach außen vorragen, wobei jedes der Elemente orthogonale Paa re von Dipolen umfassen, die unter ersten und zweiten vorbestimmten Winkeln zu der verti kalen Achse ausgerichtet sind, wobei sie gekreuzte Dipolpaare bilden, und daß ein Glied vorgesehen wird, das sich entlang einer Längskante der Tragplatte erstreckt und eine längliche Beugungskante aufweist, die zwischen der Tragplatte und
einem oberen Ende der Strahlungselemente angeordnet ist, um die azimutale Lappenbreite zu vergrößern.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch den Schritt, daß ein passives Zusatzelement vorgesehen wird, das entlang der vertikalen Achse so positioniert ist, daß primäre elektromagnetische Felder Ströme an dem Zusatzelement induzieren und diese induzierten Ströme sekundäre elektromagnetische Felder zurückstrahlen, welche An teile der primären elektromagnetischen Felder auslöschen.