DE29512952U1 - Antenneneinrichtung mit zwei Abstrahlelementen, die einen einstellbaren Phasenunterschied zwischen den Abstrahlelementen hat - Google Patents

Antenneneinrichtung mit zwei Abstrahlelementen, die einen einstellbaren Phasenunterschied zwischen den Abstrahlelementen hat

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Description

PATENTANWALT:
J DR. HANS UUKIClH M&Agr;.&Ugr; : * "; ;
EUROPEANPATENTATTORNEY
THIERSCHSTR. 27, D-80538 MÜNCHEN
TELEFON (089) 225051, FAX (+49J-89-2947 94
TELEGRAMME: MAYPATENT MÜNCHEN
22551-DE/EN/AS A-58-G-1/3161 &Pgr; .August 1995
Dr.M/MS
Allgon AB in S-18425 Äkersberga/Schweden
Antenneneinrichtung mit zwei Abstrahlelementen, die einen einstellbaren Phasenunterschied zwischen den Abstrahlelementen hat
Technischer Hintergrund
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antenneneinrichtung für Funkverbindungen mit zwei Abstrahlelementen oder Gruppen von Abstrahlelementen, deren Phasenunterschied einstellbar ist. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Antenneneinrichtung mit zwei Abstrahlelementen oder Gruppen von Abstrahlelementen, die zusammenwirken, um einen gerichteten Funkstrahi zu erzeugen, dessen Richtung durch das Einstellen des besagten Phasenunterschiedes einstellbar ist. Die Erfindung kann sogar dazu verwendet werden, um Strahlen von allseitig abstrahlenden Abstrahlelementen auszurichten.
Bei Antenneneinrichtungen zur Erzeugung von gerichteten Strahlen z.B. in einem zellulären Funktelefonsystem kann es wünschenswert sein, Antennen zu verwenden, die auf eine vorbestimmte Strahlrichtung oder -neigung eingestellt oder festgestellt werden können, um eine effiziente Nutzung der abgestrahlten Energie zu bewirken und um einen effizienten Empfang der einfallenden Strahlung zu erhalten. Eine mechanisch/geometrische Einstellbarkeit des Antennenmittels ist möglich, jedoch ist in dem Fall einer Antenneneinrichtung mit mehreren Abstrahlern eine elektrische Einstellbarkeit im Hinblick z.B. auf eine feststehende Montage der Antenneneinrichtung geeigneter. Dies er-
• * m &Lgr;
fordert jedoch einen sehr komplizierten Aufbau und erlaubt in der Herstellung und im Zusammenbau der Antenneneinrichtung nur geringe Veränderungen.
Beschreibung der Erfindung
Es ist eine Hauptaufgabe der Erfindung, eine Antenneneinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bereitzustellen, bei der eine elektrische Einstellbarkeit erreicht wird, und bei der die Anzahl der Verbindungskabel/Übertragungszuführleitungen vermindert ist. Die Verminderung der Anzahl der Kabel führt im allgemeinen auch zu einer geringeren Anzahi von benötigten Transformatorgehäusen. Eine weitere Aufgabe ist es, die Anzahl der Komponenten der Antenneneinrichtung durch eine Integration von Komponenten zu vermindern. Eine weitere Aufgabe ist es, eine mechanisch dauerhafte und elektrisch wohldefinierte Antenneneinrichtung bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe ist es, (identische oder eine vordefinierte Menge von) modularen Antenneneinrichtungen bereitzusteiien, die zu einer Vielfalt von Antennenkonfigurationen zusammengebaut werden könne, die unterschiedliche Parameter und Leistungen zeigen. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Antenneneinrichtung bereitzustellen, die für Funkverbindungen geeignet ist, wie z.B. für Zellulär- bzw, Mobiltelefonsysteme, die bei ultrahohen Frequenzen oder höher arbeiten, bei denen bei der Auswahl und Aufstellung der Komponenten eine große Sorgfalt notwendig ist. Eine Antenneneinrichtung mit einer Kombination der oben genannten Merkmale ist hinsichtlich Materialien, Herstellung und Zusammenbau effizienter als Antenneneinrichtungen des Standes der Technik.
Diese und weitere Aufgaben werden bei einer Antenneneinrichtung gemäß dem kennzeichnenden Teil der anliegenden Ansprüche gelöst. Genaugenommen werden bei der Antenneneinrichtung der Erfindung verglichen mit den Antenneneinrichtungen des Standes der Technik nur die Hälfte der Anzahl oder weniger von Übetragungszufuhrleitungen benötigt. Nachfolgend werden Details und Vorteile der vorliegenden Erfindung genannt und/oder weiter erläutert. Die ersten und zweiten Abstrahleiemente können wie ange-
geben jeweils aus mehr ais einem Abstrahlelement bestehen. Jedes der ersten und zweiten Abstrahlmittel kann aus einer Gruppe von Abstrahlmitteln bestehen. Signale in den Abstrahleiementen einer derartigen Gruppe sind vorzugsweise miteinander in Phase, aber sie können für unterschiedliche Wechselwirkungen in der Phase voneinander abweichen.
Obwohl die Antenneneinrichtung mit einem ersten und einem zweiten Abstrahlelement oder Gruppen von Elementen beschrieben ist, kann es vorteilhaft sein, zwei oder mehrere der Antenneneinrichtungen gemäß der Erfindung oder andere Abstrahielemente anzuordnen, um eine Wechselwirkung zu erhalten, die z.B. in einem konzentrierteren Funkstrahl mit einer größeren Reichweite resultiert. Die Prinzipien des Anordnens einer Antenneneinrichtung mit mehreren Abstrahlern sind für sich bekannt, aber die Antenneneinrichtung gemäß der Erfindung bietet, wie oben herausgestellt, große Verbesserungen.
Die Antenneneinrichtung soll auf bekannte Weise über die erste Übertragungsleitung mit einer Funkübertragungs- und/oder mit einer Funkempfangseinrichtung verbunden werden, jedoch ist die Verbindung zwischen der ersten Übertragungsleitung und der zweiten Übertragungsleitung bei einer Antenneinrichtung gemäß der Erfindung wichtig. Diese Verbindung bildet im wesentlichen eine reine Stromteilung, da die erste Übertragungsleitung die Hälfte der charakteristischen Impedanz der zweiten Übertragungsleitung hat. Folglich wird die Energie eines sich in der ersten Übertragungsleitung zum Kontaktpunkt hin ausbreitenden Signals in gleiche Hälften aufgesplittet, die sich umgekehrt in jeder Richtung von dem Kontaktpunkt in der zweiten Übertragungsleitung ausbreiten.
Dies bedeutet, daß die Wahl des Kontaktpunktes im wesentlichen die Länge des Signalpfades nur von dem Kontaktpunkt zu dem jeweiligen Abstrahlelement (oder zu der Gruppe von Abstrahlelementen) beeinflußt. Offensichtlich gibt es eine lineare Beziehung zwischen der Position des Kontaktpunktes auf der zweiten Übertragungsleitung und dem Phasenunterschied zwischen der Signalphase in den Abstrahlelementen.
Das leitende Erdungsmittel (Reflektor), das eine kontinuierliche Metallplattenerdebene sein kann, hat eine vorbestimmte Orientierung und Position bezüglich der ersten und zweiten Abstrahleiemente, damit sich durch die Abstrahleiemente eine wohldefinierte Strahlrichtung und wohldefinierte Abstrahlelement-lmpedanzeigenschaften ergeben.
Die ersten und zweiten Impedanztransformatormittel führen eine Übereinstimmung der Impedanz des Abstrahleiements zu der Impedanz der zweiten Übertragungsleitung durch, und zwar in Kombination mit dem Symmetriergiiedmittel, wo es anwendbar ist.
Jeder Impedanztransformator kann durch ein erstes langgestrecktes (und möglicherweise Kurven oder Biegung beinhaltendes), leitendes Element (das möglicherweise durch einen Teil des besagten leitenden Erdungsmittels gebildet wird) und durch ein sich entlang diesem erstreckendes oder durch ein sich im wesentlichen zu diesem parallel und von diesem getrennt erstreckendes zweites langgestrecktes, leitendes Element gebildet werden, wobei sie zusammen Abschnitte mit unterschiedlichen charakteristischen Impedanzen entlang ihrer Erstreckung festlegen.
Das zweite leitende Element weist eine Stufe in den Querschnittsabmessungen zwischen zwei nebeneinanderlegenden Abschnitten auf, so daß ein Wechsel der charakteristischen Impedanz erhalten wird. Der Wechsel in der charakteristischen impedanz kann ebenso durch einen Wechsel eines Dielektrikums zwischen den leitenden Elementen erreicht werden.
Das zweite leitende Element kann eine Stufe in den Querschnittsabmessungen zwischen zwei nebeneinanderliegenden Abschnitten aufweisen, so daß ein Wechsel der charakteristischen Impedanz erhalten wird.
Die zweite Übertragungsleitung kann durch ein drittes langgestrecktes (möglicherweise Kurven oder Biegungen beinhaltendes), leitendes Element (das möglicherweise durch einen Teil des besagten leitenden Erdungsmitteis gebildet wird) und durch ein entlang diesem oder im wesentlichen zu diesem parallel und von diesem getrennt angeordnetes viertes !anggestrecktes, leitendes Element gebildet werden.
·:■
Die zweite Übertragungsleitung hat einen gekrümmten (bogenförmigen) Pfad in einer Ebene, die senkrecht zu besagter ersten Übertragungsleitung ist und die einen Leiter der besagten ersten Übertragungsleitung teilweise einkreist.
Die Abstrahlelemente der Antenneneinrichtung oder der Gruppe von Antenneneinrichtungen können in einer im Wesentlichen ebenen und orthogonalen Matrix angeordnet werden und zwar mit einem Mittenabstand zwischen den Abstrahiern, der in einer Dimension ungefähr eine Wellenlänge oder weniger beträgt, wobei 0,9 bis 1,0 Wellenlängen ein bevorzugter Wert ist.
Das erste und das zweite Abstrahlelement, besagte erste und zweite Tranformatoren und besagte zweite Übertragungsleitung können zusammen eine Baueinheit bilden, die auf besagten leitenden Erdungsmitteln montiert ist.
Die ersten und dritten Verbindungsmittel des besagten ersten Impedanztransformators können jeweils über ein erstes und zweites Symmetriergliedmitte! mit besagten ersten und zweiten Abstrahlelementen verbunden sein.
Die Abstrahielemente und/oder besagte langgestreckte leitende Elemente können aus einem einzelnen Metaiiplattenelement bestehen, bzw. aus einzelnen Metallplattenelementen zusammengesetzt sein.
Die zweite Übertragungsleitung ist mit Markierungen versehen, die mögliche Positionen des besagten Kontaktpunktes angeben, wobei jeder in besagtem Signal der besagten ersten und zweiten Abstrahlelemente einen vorbestimmten Phasenunterschied ergibt.
Die zweite Übertragungsleitung kann eine elektrische Länge von mindestens im Wesentlichen gleich oder weniger als einem Achtel einer Wellenlänge haben.
Die Abstrahlelemente können vorteilhafterweise in der gleichen Richtung (der Polarisierung oder der Phase) orientiert sein.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
W:
Figur 1 zeigt eine Draufsicht einer Antenneneänrichtung gemäß der Erfindung, die auf einer (nicht gezeigten) Erdebene montiert ist, und die mit einer ersten Übertragungsleitung, die zwei Gruppen Dipolabstrahlelemente, Symmetriergiiedmittel, Impedanztransformatoren und einer zweiten Übertragungsleitung, die aus im wesentlichen zwei geformten Metallpiattenelementen gebildet wird, verbindbar ist.
Figur 2 zeigt eine erste Seitenansicht der Antenneneinrichtung aus Figur 1.
Figur 3 zeigt eine zweite Seitenansicht der Antenneneinrichtung aus Figur 1, wobei ebenso die Erdebene, auf der die Antenneneinrichgung montiert ist, angegeben ist.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht mit einem weggeschnittenem Abschnitt und eine teilweise Vergrößerung einer weiteren Antenneinrichtung gemäß der Erfindung, die mit einer ersten Übertragungsleitung verbunden werden soll, die eine Erdebene, zwei abstrahlende Mikrostrip-Patch-Elemente auf einem zur Erdebene parallelen und mit einem Abstand von dieser angeordneten Substrat, Impedanztransformatoren und eine zweite Übertragungsleitung beinhaltet.
Mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 wird eine Antenneneinrichtung beschrieben, die zwei erste Dipoiabstrahlmittel 1, die in Phase gespeist werden und durch weniger als eine halbe Wellenlänge voneinander getrennt sind und parallel zueinander sind, und zwei zweite Dipolabstrahimittel 2 hat, die in Phase gespeist werden und die jedes mit einem entsprechenden der ersten Abstrahlelemente 1 ausgerichtet sind, und zwar mit einem Mittenabstand in der Größenordnung einer halben Wellenlänge. Jeder Dipol 1, 2 hat eine Länge von ungefähr einer halben Wellenlänge und ist parallel zu einem leitenden Erdebenenrefiektor 5 orientiert, und zwar mit einem Abstand von ungefähr einer Viertel-Wellenlänge.
Die ersten und zweiten Abstrahlelemente 1, 2 werden aus einem ersten und einem zweiten Impedanztransformator 3, 4 gespeist, und zwar jeweils über erste und zweite Symmetriergiiedmittel 12 und 14 sowie 13 und 15.
Diese ersten und zweiten Impedanztransformatoren sind durch eine zweite Übertragungsleitung 8 miteinander verbunden.
Die Dipole 1, 2, Teile 14, 15 der Symmetriergüedmittel und Erdsignalleiter der Impedanztransformatoren 3, 4 und die zweite Übertragungsleitung 8 werden aus einer ersten Metallplatte gebildet (gestanzt), die einen Bodenteil der Antenneneinrichtung bildet. Dieser Bodenteil ist mit relativ niedrigen, nach unten vorstehenden Warzen 6 versehen, die mit Schrauben und Muttern (nicht gezeigt) am Reflektor 5 befestigt sind, um wohldefinierte elektrische Kontaktpunkte bereitzustellen, von denen nebeneinanderliegende mit weniger als einer halben Wellenlänge voneinander getrennt sind.
Teile 12, 13 der Symmetriergliedmittel, signalübertragende Teile der Impedanztranformatoren 3, 4 und der zweiten Übertragungsleitung 8 werden aus einer zweiten Metallplatte gebildet (gestanzt), die ein oberes Teilstück der Antenneneinrichtung bildet, die an einem unteren Teilstück des Bodenteils befestigt ist und die über nicht leitende Befestigungselemente 17 parallel zu diesem und mit einem Abstand von diesem getrennt an einem unteren Teil des Bodenteils befestigt ist und die mit leitenden Befestigungseiementen 17 an dem Symmetriergliedmittel befestigt ist.
Der obere Teil der ersten und zweiten Impedanztransformatoren 3, 4 hat Breiten, die jeweils in Stufen 18, 19 entlang ihrer Erstreckung variieren, wobei sie in Abschnitten unterschiedliche charakteristische Impedanz liefern, was es erlaubt, eine effektive Impedanzübereinstimmung zwischen den Symmetriergliedmittein, die mit der Antenne verbunden sind, und der zweiten Übertragungsleitung 8 herbeizuführen, die eine charakteristische impedanz von 100 Ohm hat. Eine erste Übertragungsleitung (nicht gezeigt), die mit dem Antennenmittel verbunden werden soii, ist eine Koaxialleitung mit 50 Ohm. Sie soll in einem Erdungs- und Befestigungsblock (nicht gezeigt) montiert werden, der an irgendeinem Punkt entlang eines Schlitzes 7 in dem Bodenteil befestigt und geerdet werden kann. Der Mittenleiter der Koaxialleitung soll an irgendeiner Position entlang des oberen Teils der zweiten Übertragungsleitung 8 angelötet werden, wobei diese Position den Phasenunterschied des Signals
•8 : ": i;
an den ersten und zweiten Abstrahlementen 1, 2 bestimmt. Es gibt Markierungen 9 auf der zweiten Übertragungsleitung 8, um die Auswahl eines beabsichtigten Phasenunterschiedes zu lenken.
Weitere Antenneneinrichtungen des in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Typs können auf derselben Erdebene (Reflektor) angeordnet sein, um mit den Abstrahiern der ersten Antenneneinrichtung auf eine ähnliche Weise zusammenzuwirken, wie diese untereinander zusammenwirken.
Mit Bezug auf Figur 4 wird eine Antenneneinrichtung beschrieben, die durch teilweise als Mikrostrips ausgeführte gedruckte Schaltkreise auf einem ebenen, nicht leitenden Substrat 42 gebildet wird. Die Antenneneinrichtung beinhaltet: ein erstes Patch-Abstrahlelement 31, das bei 40 durch einen ersten Impedanztransformator 33 gespeist wird, der das erste Patch-Element 31 mit einer bogenförmigen Übertragungsleitung 38 mit 100 Ohm verbindet und in Übereinstimmung bringt, wobei die Übertragungsleitung 38 mit einem zweiten impedanztransformator 34 verbunden ist, der die zweite Übertragungsleitung 38 und ein zweites Patch-Abstrahielement 32 in Übereinstimmung bringt, das bei 40 verbunden ist, ein zweites Patch-Abstrahlelement 32, das bezüglich des ersten Patch-Abstrahielements 31 spiegelbildlich orientiert angeordnet ist, und teilweise einen leitenden Reflektor 35, der das Substrat 42 auf gleichen Trenn- und Befestigungsmitteln 46, 47 unterstützt. Eine Koaxial-Zuführleitung ist senkrecht zu dem Substrat eingeführt und über ihren Mittenleiter 36 mit der Übertragungsleitung und ein Segment 37 mit einem Punkt 39 verbunden, der den Phasenunterschied bestimmt, und zwar alles auf ähnliche Weise wie es oben dargestellt ist.

Claims (9)

• · &iacgr; SCHUTZANSPRUCHE
1) Antenneneinrichtung, die mit einer ersten Übertragungsleitung mit einer ersten charakteristischen Impedanz zu verbinden ist, wobei besagte Antenneneinrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
- wenigstens ein erstes Abstrahielement;
- wenigstens ein zweites Abstrahielement;
- ein erstes !mpedanztransformatormittel, das erste und zweite Verbindungsmittel hat, wobei das erste Verbindungsmitte! mit dem ersten Abstrahlelement gekoppelt ist;
- ein zweites Impedanztransformatormittel, das dritte und vierte Verbindungsmittel hat, wobei das dritte Verbindungsmitte! mit dem zweiten Abstrahielement gekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- das erste Impedanztransformatormittel bei dem zweiten Verbindungsmittel und das zweite Impedanztransformatormittel bei dem vierten Verbindungsmittel eine im wesentliche gleiche und im wesentlichen resistive erste Impedanz aufweisen;
- das zweite und vierte Verbindungsmittel durch eine zweite Übertragungsleitung mit einer zweiten charakteristischen Impedanz, die im wesentlichen gleich der ersten Impedanz, und die im wesentlichen gleich zweimal der ersten charakteristischen Impedanz ist, miteinander verbunden sind;
- die erste Übertragungsleitung mit der zweiten Übertragungsleitung bei einem Kontaktpunkt verbindbar ist, der einen Signaiphasenunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Abstrahlelement bestimmt.
2) Antenneneinrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem der abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenneneinrichtung weiterhin ein leitendes Erdungsmittel aufweist, wobei das erste Abstrahleiement eine vorbestimmte Trennung vom leitenden Erdungsmittel hat, und wobei das
zweite Abstrahlelement eine vorbestimmte Trennung vom leitenden Erdungsmittel hat.
3) Antenneneinrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem der abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Impedanztransformator durch ein erstes langgestrecktes, leitendes Element und entlang diesem und von diesem getrennt durch ein zweites langgestrecktes, leitendes Element gebildet wird, die zusammen Abschnitte mit unterschiedlicher charakteristischer impedanz entlang ihrer Erstreckung festlegen.
4) Antenneneinrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem der abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zweite Übertragungsleitung durch ein drittes langgestrecktes, leitendes Element und entlang diesem und von diesem getrennt durch ein viertes langgestrecktes, leitendes Element gebildet wird.
5) Antenneneinrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem der abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Übertragungsleitung einen in einer zur ersten Übertragungsleitung senkrechten Ebene gekrümmten Pfad hat, der einen Leiter der ersten Übertragungsleitung teilweise einkreist.
6) Antennenfeld, das aus wenigstens einer Antenneneinrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem der abhängigen Ansprüche zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Abstrahleiemente der besagten Antenneneinrichtung bzw. Antenneneinrichtungen in einer im wesentlichen ebenen und orthogonalen Matrix angeordnet ist, wobei der Mittenabstand in einer Dimension in der Größenordnung einer Wellenlänge ist.
7) Antenneneinrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem der abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Abstrahlelement, der erste und zweite Transformator und die zweite Übertragungsleitung zusammen eine Baueinheit bilden, die auf dem leitenden Erdungsmittel montiert ist.
8) Antenneneinrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem der abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und dritte Verbindungsmittel des ersten Impedanztransformators über ein erstes und zweites Sym-
': &Iacgr; 5"· O
metriergliedmittel jeweils mit dem ersten und zweiten Abstrahlelement gekoppelt sind.
9) Eine Antenneneinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlelemente und/oder langgestreckten leitenden Elemente einzelne Metaiipiattenelemente aufweisen.
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