DE19933723A1 - Integrierte Satelliten- und terrestrische Antenne - Google Patents

Abstract

Integrierte bimodale Antenne, umfassend eine vierfädige Antenne und eine gemeinsam mit dieser angeordnete Monopolantenne. Die integrierte Antenne weist eine kompakte Bauweise auf. Störungen durch Signalblockierung oder Isolationsprobleme werden nicht beobachtet.

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Antenne, insbesondere ein bimodales Antennensystem.

Im Stand der Technik sind Satellitenantennen, terrestrische Antennen sowie integrierte Antennen dieser beiden Typen vorge­ schlagen worden. Um zu Beginn auf die Satellitenantennen aus dem Stand der Technik einzugehen, ist hier die vierfädige Helix seit mehreren Jahrzehnten bekannt. Diese Antenne umfaßt vier helixförmige Windungen, die mit 90° Phasenverschiebung betrieben werden. Diese Anordnung zeigt verschiedene Eigen­ schaften, die sie für eine Kommunikation über Satellit beson­ ders geeignet machen, wie ein halbkugelförmiges, sich in alle Richtungen erstreckendes Strahlungsmuster mit einer ausge­ zeichneten Zirkularpolarisation im gesamten Strahlungsmuster, wie auch einen kompakten und einfachen Aufbau.

Für mobile terrestrische Kommunikation bestehen dieselben An­ forderungen an die Rundstrahlung, wobei das Strahlungsmuster jedoch wegen der Grenzwertbedingungen der terrestrischen Kom­ munikation durch die Position des Nutzers relativ zu einer Ba­ sisstation nur in Bezug auf den Horizont rundstrahlend sein muß. Die im Stand der Technik am weitesten verbreitete Anord­ nung ist die Monopolantenne, die einen einfachen Draht ober­ halb der Ebene des Grundes umfaßt.

Unter den moderneren Antennen gibt es auch bimodale Systeme. Diese Systeme umfassen sowohl eine Satellitenantenne wie auch eine terrestrische Antenne. Bei diesen Systemen treten erheb­ liche Schwierigkeiten im Aufbau auf, insbesondere bei der Iso­ lation der beiden Antennen, bei der Verminderung der Signalblockierung und bei den Anforderungen an eine kompakte Bauweise.

Um diese Schwierigkeiten beim Aufbau zu überwinden, wurden bei Antennen aus dem Stand der Technik einfach eine Satellitenan­ tenne und eine terrestrische Antenne in möglichst geringem Ab­ stand zueinander angeordnet, so daß die Anforderungen an die Isolation und die Blockierung erfüllt werden konnten. Obwohl dies ein allgemein anwendbarer Ansatz ist, ist ein deutlicher Abstand zwischen den Antennen erforderlich, um eine gute Funk­ tion zu erreichen. Dadurch konnten die Anforderungen an einen kompakten Aufbau nicht erfüllt werden. Vielmehr wurde in Bezug auf die Anforderungen an einen kompakten Aufbau nur ein Kom­ promiß geschlossen.

Im am 4. Februar 1997 veröffentlichten US-Patent 5,600,341 von Thilletal wird ein bimodaler Antennenaufbau zum Senden und Empfangen in einer ersten und einer zweiten Betriebsart vorge­ schlagen. Die in diesem US-Patent vorgeschlagene Vorrichtung ist jedoch eine Antenne, die bei zwei Frequenzen betrieben werden kann, im Gegensatz zu einer bimodalen Antenne für zwei Betriebsarten. Der Lehre dieses Patents ist daher nichts über eine gemeinsame Anordnung von zwei bestimmten Antennen zu ent­ nehmen und entsprechend konnten auch die Schwierigkeiten, die bei einer gemeinsamen Anordnung von zwei bestimmten Antennen auftreten nicht erkannt oder diskutiert werden. Der Aufbau stellt zwei Empfangsstellen für zwei Felder zur Verfügung, bleibt jedoch eine einzelne Antenne für zwei Frequenzen. Bei dieser Anordnung müssen keine der Komplikationen gelöst wer­ den, die bei der gemeinsamen Anordnung von zwei Antennen auf­ treten, wie die Abschirmung des Signals von der Antenne, wo­ durch der Empfang der gemeinsam angeordneten Antennen blockiert wird.

Als weiterer Stand der Technik, der für die vorliegende Erfin­ dung von Bedeutung ist, ist das am 25. September 1990 veröf­ fentlichten US-Patent 4,959,657 von Mochizuki zu nennen. Dort wird eine rundstrahlende Antenne mit einem Reflektor gelehrt. Dieser Schrift ist keine Anregung für eine Isolation einer Monopolantenne und einer vierfädigen Antenne zu entnehmen.

Dieses Zitat lehrt also nur eine Abwandlung dessen, was bereits aus dem Stand der Technik bekannt war.

Moore et al. lehren im am 22. Juli 1997 veröffentlichten US-Patent 5,657,792 eine Kombination einer GPS und einer VHF-Antenne. Diese Antenne umfaßt eine Kombination eines Spi­ ralgehäuses oder einer vierfädigen Antenne mit einem Monopol. Obwohl sie die einzelnen Elemente umfaßt, sind die beiden An­ tenne doch nicht gemeinsam angeordnet, was keine kompakte Bau­ weise der Antenne ermöglicht. Bei einer beabstandeten Anord­ nung der beiden Antennen treten Interferenzerscheinungen nicht auf. Die Offenbarung dieser Entgegenhaltung ermöglicht es nicht, die Vorteile einer gemeinsamen Anordnung zu erkennen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Antenne für ei­ nen bimodalen Betrieb zur Verfügung zu stellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfah­ ren zur Herstellung einer integrierten bimodalen Antenne zur Verfügung zu stellen.

Die Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 13 gelöst; die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestal­ tungen.

Die erfindungsgemäße integrierte Antenne umfaßt:
eine vierfädige Antenne, sowie
eine Monopolantenne, die innerhalb der vierfädigen Antenne an­ geordnet ist und unabhängig von der Monopolantenne ist.

Die bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen bestehenden Schwierigkeiten mit der Isolation spielen bei die­ sen System keine Rolle. Da eine Monopolantenne in ihrem Zen­ trum ein Feld von Null besitzt, tritt eine Wechselwirkung oder eine Blockade des Monopols nicht auf. Die Antenne funktioniert also so, als ob sie vollkommen isoliert wäre. Diese Eigen­ schaft erleichtert es, die Antennen an einem gemeinsamen Ort anzuordnen, ohne eine Einschränkung ihrer Funktion hinnehmen zu müssen.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die Schritte:
Vorsehen einer vierfädigen Antenne zum Senden und Empfangen von zirkularpolarisierten Feldern;
Vorsehen einer Monopolantenne zum Senden und Empfangen von linear polarisierten Feldern;
Anordnung der Monopolantenne innerhalb der und unabhängig von der vierfädigen Antenne; und
Kopplung der Phasen von Monopolantenne und vierfädiger An­ tenne.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels in Verbindung mit einer Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bimodalen Antenne nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Vorderansicht der Antenne gemäß einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung;

Fig. 2a einen Schnitt gemäß Fig. 2;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Echodämpfung der vierfädigen Helix;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Sendeleistung der vierfädigen Helix;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Echodämpfung der Monopolantenne;

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Höhenschnitts der Monopolantenne;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Seitenwinkelabtastung der Monopolantenne; und

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Frequenzisolierung zwi­ schen den beiden Antennenanschlüssen.

Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche Gegen­ stände.

Fig. 1 zeigt eine konventionelle bimodale Antenne mit einer be­ abstandet zu einer Monopolantenne 12 angeordneten zylinderför­ migen vierfädigen Antenne 10. Die Antennen sind auf einer Grundplatte 14 befestigt und zur Isolierung und Verminderung der Signalblockierung in einem Abstand D angeordnet.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Antennensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Bei der gezeigten Ausführungs­ form ist die Monopolantenne 12 zentral (koaxial) in der vier­ fädigen Antenne 10 angeordnet. Es sind ein Kondensator und ein Erdungsanschluß vorgesehen, die allgemein mit 18 bezeichnet sind. Weiter ist eine Verbindung 20 zum Anschluß der vierfädi­ gen Antenne an eine (nicht gezeigte) Quelle vorgesehen. Eine ähnliche Verbindung 22 ist für die Monopolantenne 12 vorgese­ hen. Unterhalb der Grundplatte 14 kann eine Klammer 24 ange­ ordnet sein, um das System festklammern zu können. Die zylin­ drische vierfädige Antenne zeigt nicht ein Feld Null in ihrem Zentrum. Das Feldmuster der vierfädigen Antenne wird durch ihre Windungen 16 bestimmt. Wie oben erwähnt, verringert dies deutlich die durch die Gegenwart der Monopolantenne 12 verur­ sachten Auswirkung auf die Eigenschaften. In dem Fall, daß die Frequenzebene des bimodalen Systems so liegt, daß die Frequenz der Satellitenkommunikation annähernd ein geradzahliges Viel­ faches der Frequenz für die terrestrische Kommunikation ist, zeigt die Monopolantenne 12 eine hohe Impedanz, was die Iso­ lierung zwischen den beiden Antennen 10 und 12 weiter verbes­ sert.

In Fig. 2A ist ein Schnitt durch die Antenne gezeigt, wobei ein steifes Schaumstoffmaterial 17 zwischen der Innenseite der vierfädigen Antenne und der Monopolantenne 12 angeordnet ist. Wie gezeigt, wird die Monopolantenne 12 vollständig vom Mate­ rial 17 umschlossen. In den Fällen, in denen eine Steifheit der gesamten Antenne nicht erforderlich ist, kann der steife Schaumstoff ohne weiteres durch ein halbsteifes oder weiches Material ersetzt werden. Als Schaumstoffmaterial kann bei­ spielsweise Polyurethanschaum, Polystyrol, Polyvinylchlorid­ schaum und andere verwendet werden. Wie in Fig. 2 darge­ stellt, umfaßt die vierfädige Antenne vier Windungen, wobei die Windungen einen Winkel von 45° zur Monopolantenne ein­ schließen. Es hat sich gezeigt, daß eine Anordnung in einem Winkel von 45° zu den besten Ergebnissen führt, vergleichbare Ergebnisse werden jedoch auch für Steigungen der Windungen im Bereich von 36° bis 48° erhalten. Wie in den Fig. 2 und 2A gezeigt, sind die Windungen der vierfädigen Antenne auf ei­ nem Zylinder aus einem Polymeren befestigt, wobei jedes geeig­ nete Polymer verwendet werden kann, wie zum Beispiel Kapton™, Mylar™ usw.

Es ist bekannt, daß die Windungen der vierfädigen Antenne 16 die Strahlungscharakteristik der Monopolantenne gegenüber der Umgebung beeinflussen oder blockieren kann. Die vorliegende Erfindung weist den Vorteil auf, daß dieser "Käfigeffekt" mi­ nimiert werden kann. Dies wird erreicht, indem die Windungen 16 der vierfädigen Antenne 10 in bestimmter Weise angeordnet werden. Es hat sich gezeigt, daß bei einer zu steilen Anord­ nung der Windungen eine Abschirmung der Monopolantenne 12 auf­ tritt. Schwierigkeiten treten durch eine Verformung der Strah­ lungscharakteristik sowie bei der Abstimmung der Eingangsimpe­ danz auf. Ist die Steigung der Windungen 16 zu gering, nähern sich die Windungen 16 stark an und dies führt zu einer Ausbil­ dung einer elektrischen Wand, die die Strahlung von dem unte­ ren Abschnitt der Monopolantenne 12 abschirmt. Es hat sich ge­ zeigt, daß eine Steigung der Windungen von 45° zu sehr guten Ergebnissen führt.

Da die Monopolantenne 12 und die Windungen 16 der vierfädigen Antenne 10 in Phase gekoppelt sind, bewirkt die Phasenver­ schiebung von 90° bei der vierfädigen Antenne zu einer Phasen­ löschung der gekoppelten Energie. Dies trägt zur hohen Isola­ tion bei der terrestrischen Betriebsfrequenz bei.

Für die Figuren wurden die folgenden Frequenzen verwendet:

Satellit RX: 1525-1575.42 MHz
Satellit TX: 1610-1660.5 MHz
terrestrisch RX: 806-825 MHz
terrestrisch TX: 851-870 MHz.

Die Fig. 3 bis 8 zeigen die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung. Diese Ergebnisse wurden unter Verwendung einer vierfädigen Antenne erhalten, deren Windungen eine Steigung von 45° aufwiesen.

Zusammengefaßt weist die integrierte Antenne eine kompakte Bauweise auf. Sie weist keine Störungen durch Signalblockie­ rung oder Isolationsprobleme auf.

Claims (15)

1. Integrierte bimodale Antenne, umfassend:
eine vierfädige Antenne;
und eine in der vierfädigen Antenne angeordnete und unabhängig von dieser operierende Monopolantenne.

2. Integrierte Antenne nach Anspruch 1, wobei die vierfädige Antenne eine Vielzahl von Windungen aufweist.

3. Integrierte Antenne nach Anspruch 2, wobei die Windungen beabstandet zueinander angeordnet sind.

4. Integrierte Antenne nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Win­ dungen in einem Winkel von 45° zur Monopolantenne ange­ ordnet sind.

5. Integrierte Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wo­ bei der Monopol koaxial in der vierfädigen Antenne ange­ ordnet ist.

6. Integrierte Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wo­ bei die Windungen der vierfädigen Antenne auf einem Zylin­ der aus einem Polymer befestigt sind.

7. Integrierte Antenne nach Anspruch 1, wobei ein Polymer­ schaumstoff zwischen der vierfädigen Antenne und der Mono­ polantenne angeordnet ist.

8. Integrierte Antenne nach Anspruch 7, wobei der Polymer­ schaumstoff die Monopolantenne umschließt.

9. Integrierte Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wo­ bei die vierfädige Antenne vier Windungen umfaßt.

10. Integrierte Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, wobei die Monopolantenne und die vierfädige Antenne in Phase gekoppelt sind.

11. Integrierte Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, wobei die vierfädige Antenne zirkularpolarisierte Felder sendet und empfängt und die Monopolantenne linear polarisierte Felder unabhängig von der vierfädigen Antenne sendet und empfängt.

12. Integrierte Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wo­ bei die Windungen in gleichem Abstand zueinander angeord­ net sind.

13. Verfahren zur Herstellung einer bimodalen Antenne, umfas­ send die Schritte:
Vorsehen einer vierfädigen Antenne, um zirkularpolari­ sierte Felder zu senden und zu empfangen;
Vorsehen einer Monopolantenne, um linear polarisierte Fel­ der zu senden und zu empfangen;
Anordnen der Monopolantenne innerhalb und unabhängig von der vierfädigen Antenne; und
Koppeln der Phasen der Monopolantenne und der vierfädigen Antenne.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei in einem weiteren Schritt ein steifer Polymerschaum zwischen der Monopolan­ tenne und der vierfädigen Antenne angeordnet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Polymerschaumstoff die Monopolantenne vollständig umgibt.