dr. ing. HEINRICH GEITZ Patentanwalt 7500 Karlsruhe &igr;. Postfach 2708
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Anmelderin: IBP Pietzsch GmbH
Erzbergerstr . 115/117
76133 Karlsruhe
Vorrichtung zur richtungsselektiven Abstrahlung elektromagnetischer Wellen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur richtungsselektiven
Abstrahlung elektromagnetischer Wellen.
Bedingt durch die Ausbreitungseigenschaften elektromagnetischer Wellen in der Atmosphäre steht für die terrestrische
Funkkommunikation mit flächendeckenden Versorgungsgebieten
nur ein Frequenzband zwischen 30 MHz und 3000 MHz zur Verfügung. Die zunehmende Bedeutung der Funkkommunikation
führt zu der Notwendigkeit, diesen begrenzt zur Verfügung stehenden Bereich möglichst effektiv zu nutzen. Bei bestehenden
Funkkommunikationssystemen werden spezielle, sogenannte Muliplexverfahren zur verbesserten Ausnutzung des
Zeit- bzw. Frequenzbereiches sowie im Bereich der Codierung eingesetzt bzw. erprobt. Jedoch ist in diesen Bereichen nur
noch eine beschränkte Erweiterung der Kapazität möglich. Einen Ausweg böte die richtungsselektive Abstrahlung der
Informationen .
Es sind Antennen mit Richtwirkung bekannt, die aufgrund ihrer speziellen Geometrie eine azimutal anisotrope Strahlungscharakteristik
aufweisen. Im obengenannten Frequenzbereich werden als Richtstrahler vorwiegend sogenannte Aperturantennen
oder Gruppenanordnungen mehrerer Einzelantennen verwendet, die mittels eines umfangreichen Speisenetzwerkes
angesteuert werden. Soll die Hauptstrahlrichtung
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einer Antennengruppe veränderlich sein, müssen im Speisenetzwerk elektronisch steuerbare Stellglieder für Amplitude
und/oder Phase verwendet werden. Der Einsatz derartiger Stellglieder ist jedoch teuer und mit Leistungsverlusten
verbunden. Aus diesem Grunde wird die richtungsselektive Abstrahlung elektromagnetischer Wellen im Funkkommunikationsbereich
bislang kaum zum Zwecke der Kapazitätserweiterung
genutzt.
Ein hiervon abweichender Weg zur Erzeugung von Richtstrahlen wird in der US-4,947,178 beschritten. Gegenstand dieser
Druckschrift ist eine Antennenanordnung, bei der mehrrere kreisscheibenförmige Einzelantenennen koaxial, jedoch
in vertikaler Hinsicht äquidistant voneinander beabstandet angeordnet sind, und die unabhängig voneinander durch
separate Speiseleitungen angeregt werden. Die Einzelantennen
weisen jeweils unterschiedliche Durchmesser auf, die so gewählt sind, daß auf einer Einzelantenne jeweils eine
vorbestimmte elektromagnetische Schwingungsmode resonant eingekoppelt werden kann. Die von den angeregten Einzelantennen
abgestrahlten Felder überlagern sich zu einem Gesamtstrahlungsfeld,
dessen Geometrie der Geometrie einer linearen Superposition der eingekoppelten Schwingungsmoden
der Einzelantennen entspricht.
Die angestrebte freie Überlagerung vorbestimmter Schwingungsmoden ist bei diesem Gegenstand jedoch nur unvollkommen,
da von einer angeregten Einzelantenne Störfelder ausgehen, die die Modenentwicklung in benachbarten Einzelantennen
empfindlich beeinträchtigen. Da zudem jede der Einzelantennen mit einer eigenen Speiseleitung sowie mit
Amplituden- und Phasenschiebern versehen sein muß, ist der bauliche Aufwand dieser Anordnung sehr hoch; zugleich ist
die Gesamtzahl der Einzelantennen, die zur Antennenanordnung zusammengefügt werden können, begrenzt, mit der FoI-
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ge, daß nur eine geringe Zahl unterschiedlicher Schwingungsmoden
miteinander kombiniert werden können und somit die maximal erreichbare Richtwirkung insgesamt recht unbefriedigend
ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung
zur richtungsselektiven Abstrahlung elektromagnetischer Wellen zu schaffen, bei der die Richtcharakteristik
auf eine gegenüber dem Stand der Technik vereinfachte Weise gewählt und beeinflußt werden kann.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst.
Dabei ist ein Resonator mit wenigstens einem Kopplungsanschluß zum Einkoppeln eines elektromagnetischen Feldes versehen.
Der Resonator muß dabei obermodig betreibbar sein, d.h. daß neben der TEM-Mode auch höhere elektromagnetische
Schwingungsmoden erzeugt werden können. Bei geeigneter Erregung bildet sich ein aus einem Modengemisch bestehendes
elektrisches Feld im Resonator aus, das zur Anregung einer Antenne verwendet wird. Die von der Antenne abgestrahlte
elektromagnetische Welle weist eine Richtcharakteristik entsprechend
des im Resonator erzeugten Modengemisches auf. Im Unterschied zum Gegenstand der US-4,947,178 ist also
eine bestimmte, die Ausbildung einzelner elektromagnetischer Feldmoden begünstigende Antennengeometrie nicht erforderlich
.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dient als Antenne eine einfach-konische oder bi-konische Antenne. Derartige
Antennen sind bekannt und zeichnen sich durch eine azimutal über 360° Grad gleichmäßige Sendungs- bzw. Empfangsbereitschaft
aus. Sie wurden bislang für die Rundumstrahlung eingesetzt. Durch die Anregung einer solchen Antenne mit einem
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richtungsselektiven Erregungsfeld erfolgt auch die Abstrahlung
mit einer entsprechenden richtungsselektiven Strahlungscharakteristik.
Der Einsatz einer solchen Antenne ist vor allem deshalb
vorteilhaft, weil sie eine Abstrahlung in fast beliebiger azimutaler Richtung lediglich in Abhängigkeit von der
durch einfache elektronische Maßnahmen veränderbaren Geometrie des Erregerfeldes ermöglicht, ohne daß die Antennenanordnung
dabei in irgendeiner Weise verändert werden müßte. Die beiden Hälften der einfach-konischen oder bikonischen
Antenne können dabei auch einen unterschiedlichen Radialdurchmesser aufweisen oder es können die Innenwinkel
der beiden konischen Hälften unterschiedlich sein.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist der Resonator, in dem die elektromagnetischen Schwingungsmoden
erzeugt werden, etwa durch die Veränderung seiner Länge verstimmbar ausgebildet. Dadurch ist das Verhältnis, in dem
sich die einzelnen Schwingungsmoden im Resonator zueinander ausbilden, variierbar.
Ein besonders einfacher und insbesondere im Zusammenwirken mit einer einfach-konischen oder bi-konischen Antenne vorteilhafter
Resonator ist durch einen koaxialen Wellenleiter gegeben, der zur Erzeugung höherer elektromagnetischer
Schwingungsmoden obermodig betreibbar ist. Innen- bzw. Außenleiter
eines koaxialen Wellenleiters lassen überdies sich problemlos mit den beiden Konen einer bi-konischen Antenne
verbinden.
Zur Ausbildung wohldefinierter elektromagnetischer Schwingungsmoden
ist es notwendig, daß der koaxiale Wellenleiter an seinem dem Anschluß zur Antenne entgegengesetzten Ende
einen Abschluß aufweist. Dieser Abschluß kann entweder in einem Kurzschluß bestehen, etwa in Form einer beide Leiter
elektrisch verbindenden metallischen Platte oder aber der Abschluß wird durch eine vollkommen reflexionsfreie Anordnung
hergestellt .
Die Einkopplung des elektromagnetischen Feldes erfolgt vorteilhafterweise
über wenigstens einen Kopplungsanschluß, der radialaußenseitig am koaxialen Wellenleiter angeordnet ist.
Auf die Weise wird eine zuverlässige Einkopplung der elektromagnetischen
Moden in den Resonator erzielt. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung mehrer Kopplungsanschlüsse, die
in Umfangsrichtung des koaxialen Wellenleiters mit gleichen
Winkelabständen angeordnet sind. Bei dieser Anordnung lassen sich Strahlungscharakteristiken mit jeweils unterschiedlichen
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Hauptstrahlungsriehtungen in einfacher Weise ohne eine Veränderung der Resonatoranordnung dadurch erzielen, daß,
je nach gewünschter Abstrahlrichtung, verschiedene Kopplungsanschlüsse angesprochen werden.
Alternativ zur lateralen Einkopplung der vorhergehenden Ansprüche
des elektromagnetischen Feldes in den Resonator erfolgt die Einkopplung nach Anspruch 8 durch einen Kopplungsanschluß,
der an dem zur Verbindung zur Antenne entgegengesetzten Ende des Resonators angeordnet ist. Auf diese Weise
wird eine axiale Einkopplung bewirkt.
Als zuverlässige und strahlungsarme Kopplungsanschlüsse bieten sich koaxiale Buchsen an.
Die Einkopplung des elektromagnetischen Feldes erfolgt nach Anspruch 10 über kapazitive und/oder induktive Kopplungselemente.
Als kapazitive Kopplungselemente kommen dabei Koppelstifte oder Stichleitungen, als induktive Kopplungselemente
Koppelschleifen oder Spulen in Frage. Besonders vorteilhaft
sind diese Kopplungselemente als Leiterbahnen auf einer Leiterplatte aufgeätzt oder in sonstiger Weise aufgebracht,
wobei die Leiterplatte im Resonator in geeigneter Weise angeordnet ist.
Alternativ oder ergänzend zur Einkopplung der elektromagnetischen
Welle in den Resonator mittels kapazitiver und/ oder induktiver Kopplungselemente erfolgt nach Schutzanspruch
12 die Einkopplung des elektromagnetischen Feldes mittels eines oder mehrerer Hohlleiter, die an Koppelschlitzen
und/oder Koppellöchern mit dem Resonator verbunden sind.
Zweckmäßigerweise sind die zur Einkopplung der elektromagnetischen
Welle in den Resonator vorgesehenen Kopplungsanschlüsse mit einem Speisenetzwerk verbunden, mittels dessen
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auch die Ansteuerung der Amplituden und/oder Phasen der eingekoppelten
Schwingungsmoden möglich ist. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Feldverteilung der durch die Überlagegerung
der Schwingungsmoden entstehenden Mischmode und damit die Richtcharakteristik der infolge der Anregung durch
ein Feld dieser Mischmode von der Antenne abgestrahlten elektromagnetischen
Welle besonders empfindlich vom Amplitudenbzw, dem Phasen verhältnis der zugrundeliegenden Schwingungsmoden
abhängig ist. Durch die separate Ansteuerbarkeit der Amplituden bzw. Phasen der eingekoppelten Stimmungsmoden steht
somit eine große Variationsbreite einstellbarer Richtcharakteristiken zur Verfügung.
Besonders vorteilhaft ist die Ausführungsform nach Anspruch
14. Dabei ist eine ein fach-konische und/oder bi-konische
Antenne mit einem koaxialen Wellenleiter verbunden, der sowohl radialaußenseitig sowie an seinem dem Anschluß zur Antenne
entgegengesetzten Ende Kopplungsanschlüsse zum Einkoppeln elektromagnetischer Schwingungsmoden aufweist. Die
Kopplungsanschlüsse sind mit einem Speisenetzwerk verbunden, mittels dessen die eingekoppelten Schwingungsmoden jeweils
unabhängig voneinander in Amplitude und/oder Phase variierbar sind. Vorzugsweise dient dabei ein dem Antennenanschluß
entgegengesetzt angeordneter Kopplungsanschluß der Einkopplung
einer TEM-Grundmode, die anderen Kopplungsanschlüsse der
Einkopplung höherer, azimutal-anisotroper Schwingungsmoden. Die Überlagerung der azimutal-anisotropen Schwingungsmoden
führt zu einer Richtcharakteristik des abgestrahlten elektromagnetischen Feldes, das eine oder mehrere wohldefinierte
Hauptstrahlungsrichtungen aufweist. Insbesondere durch eine Veränderung der Phasenbeziehung zwischen den azimutal-anisotropen
Schwingungsmoden und der TEM-Grundmode ist die Hauptstrahlungsrichtung variabel einstellbar.
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Die aus Antenne und Resonator bestehende Anordnung ist nicht nur zur Abstrahlung, sondern auch zum Empfang elektromagnetischer
Wellen geeignet.
Anhand der beigefügten Zeichnung soll die Erfindung nachstehend
näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:
Fig. 1 eine mit einem koaxialen Wellenleiter verbundene bi-konische Antenne,
Fig. 2 ein Mittellängsschnitt durch die Anordnung aus
Fig. 1,
Fig. 3 eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens
anhand von Feldlinienbildern und Richtcharakteristiken und
Fig. 4 eine bi-konische Antenne mit angeschlossenem koaxialen
Wellenleiter in einer anderen Ausführungsform.
Bei der in Fig. 1 und 2 gezeigten Anordnung ist eine bi-konische
Antenne 2 auf einen koaxialen Wellenleiter 3 aufgesetzt. Die beiden Hälften 4, 5 der bi-konischen Antenne 2
sind, mit ihren konischen Aufweitungen einandergegenüberliegend, radialsymmetrisch zueinander und zum koaxialen Wellenleiter
3 angeordnet und mit dem koaxialen Wellenleiter 3 in der im folgenden beschriebenen Weise verbunden.
Die dem koaxialen Wellenleiter 3 unmittelbar benachbarte untere Hälfte 5 der bi-konischen Antenne 2 hat die ungefähre
Form eines kreisförmigen Kegelstumpfs, dessen Höhe so
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gewählt ist, daß sein kleinster Radius etwa dem Radius des Außenleiters 7 des koaxialen Wellenleiters 3 entspricht.
Die Fläche der unteren Hälfte 5 der bi-konischen Antenne 2
ist an dem Ende mit der kleinsten Radialerstreckung innenseitig umgebogen und geht in einen zylinderförmigen Innenabschnitt
8 über, dessen Radius dem des Außenleiters 7 entspricht, und ist mit diesem elektrisch verbunden. Die von
dem koaxialen Wellenleiter 3 entferntere obere Hälfte 4 der bi-konischen Antenne 2 geht nach der Art eines Trichters
in den rohrförmig ausgebildeten Innenleiter 6 des koaxialen Wellenleiters 3 über. An dem der bi-konischen Antenne 2 entgegengesetzten
Ende des koaxialen Wellenleiters 3 mündet der Außenleiter 7 in eine elektrisch leitfähige, kreisförmige Abschlußplatte
9, die auch mit dem Innenleiter 6 elektrisch verbunden ist .
Der auf diese Weise zwischen dem Innenleiter 6 und dem Außenleiter
7 bestehende Kurzschluß ermöglicht die Ausbildung vorgegebener Schwingungsmoden im koaxialen Wellenleiter 3. Bei
dieser Anordnung werden die im koaxialen Wellenleiter zwischen dem Innenleiter 6 und dem Außenleiter 7 in radialer
Richtung schwingenden elektrischen Feldvektoren durch die konischen Aufweitungen der beiden Antennenhälften 4,5 in einen
zum konischen Wellenleiter 3 achsenparallelen Schwingungsmodus überführt, ohne daß eine etwaig vorhandene azimutale
Feldabhängigkeit dabei verloren geht. Somit weist die von der bi-konischen Antenne 2 abgestrahlte elektromagnetische Welle
eine azimutale Abhängigkeit auf, die der azimutalen Richtungsabhängigkeit des elektrischen Feldes im koaxialen Wellenleiter
3 entspricht .
Zur Einkopplung elektromagnetischer Felder in den koaxialen Wellenleiter 3 sind radialaußenseitig am Außenleiter 7 - im
Ausführungsbeispiel insgesamt acht - untereinander gleichartige
Anschlußbuchsen 10 in jeweils gleichen Winkelabständen angeordnet. Zwischen den Anschlußbuchsen 10 erstreckt
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sich radial durch den gesamten koaxialen Wellenleiter 3 hindurch eine - selbst nicht leitende - Leiterplatte 11, auf
der - in der Zeichnung nicht gezeigte - kapazitive und/oder induktive Kopplungselemente in Form von eingeätzten Leiterbahnen
angeordnet sind.
Mittels der auf der Leiterplatte 11 angeordneten Kopplungselemente
wird eine elektromagnetische Welle im koaxialen Wellenleiter 3 induziert. Der koaxiale Wellenleiter 3 wird
dabei obermodig betrieben: Zusätzlich zur TEM-Grundmode werden weitere, höhere elektromagnetische Schwingungszustände
erzeugt. Die verschiedenen Schwingungsmoden des koaxialen Wellenleiters 3 führen zu entsprechenden Schwingungsmoden
in der elektrisch mit diesen verbundenen bi-konischen Antenne 2 und führen dort zur Abstrahlung entsprechender elektromagnetischer
Wellen.
Anhand der Fig. 3 wird im folgenden am Beispiel der Überlagerung
zweier elektromagnetischer Schwingungsmoden, der TEM-Grundmode und der &Tgr;&Egr;..-Mode erläutert, wie bei einer
Anordnung nach Fig. 1 oder 2 eine richtungsselektive Abstrahlung von der Antenne bewirkt wird.
Die elektrische Feldverteilung im koaxialen Wellenleiter 3
ist im Falle der TEM-Grundmode radialsymmetrisch. Die dieser Schwingungsform entsprechende azimutale Strahlungscharakteristik
20 zeigt dementsprechend einen istropen Verlauf. Demgegenüber führt die Anregung einer TE^.-Mode zu einer anisotropen
azimutalen Abhängigkeit 21 im koaxialen Wellenleiter 3 sowie zu einer anisotropen azimutalen Strahlungscharakteristik
22, die durch eine Achse maximaler radialer elektrischer Feldstärkenverteilung im koaxialen Wellenleiter 3
und eine Hauptstrahlungsrichtung in der Strahlungscharak-
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teristik 22 - in diesem Beispiel entlang der Linie 90° 270°
- gekennzeichnet ist. Längs dieser Achse schwingen die elektrischen Feldvektoren im koaxialen Wellenleiter zu beiden
Seiten des Innenleiters 6 dabei gegenphasig.
Bei der linearen Superposition einer TEM-Mode mit einer
TE^.-Mode wird daher der mit der TEM-Mode gleichphasig
schwingende Teil des elektrischen Feldes der TE11-MoOe im
koaxialen Wellenleiter 3 verstärkt, der gegenphasige Teil dagegen abgeschwächt, wie die Feldverteilung 23 der TEM-TE..-Mischmode
zeigt. Die dieser Mischmode entsprechende Strahlungscharakteristik 24 weist eine einzelne Vorzugsrichtung
maximaler Abstrahlung auf, im Beispiel in Richtung 270°.
Bei bestimmungsgegemäßem Gebrauch der Anordnung 1 wird auf diese Weise eine Abstrahlung in eine vorbestimmte Richtung
erreicht. Durch eine gezielte Ansprache eines der Anschlüsse 10 kann die Richtung dabei in azimutalen Winkeln, der
Winkelabständen der einzelnen Anschlüsse 10 entspricht, variiert werden. Dabei führt jede Ansprache eines der Anschlüsse
10 zu einer gleichartigen Überlagerung der Schwingungsmoden - wie vorher beschrieben - jedoch mit einer jeweils
anderen Vorzugsrichtung. Im Falle der acht Anschlüsse der Anordnung 1 lassen sich auf diese Weise acht unterschiedliche
Vorzugsrichtungen in der Abstrahlung der elektromagnetischen Welle an der Antenne 2 erzielen.
Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung 30 weist einen gegenüber der Anordnung 1 modifizierten Aufbau auf. Die bi-konische
Antenne 2 und der koaxiale Wellenleiter 3 sind in gleicher Weise aufgebaut wie bei der Anordnung 1. Anstelle der acht
lateralen Anschlüsse 10 weist die Anordnung 30 jedoch nur zwei radiale, im Winkel von 90° zueinander angeordnete
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Anschlüsse 31, 32, die radialaußenseitig am Außenleiter 7
angeordnet sind, sowie einen axialen Anschluß 33 an dem der Antenne gegenüberliegenden Ende des koaxialen Wellenleiters
3 auf. Die Anschlüsse 31, 32, 33 sind mit einem Speisenetzwerk 35 verbunden, das die zur Einkopplung vorbestimmter
elektro-magnetischer Schwingungsmoden notwendige elektrische Energie liefert. Im Speisenetzwerk 35 sind Stellglieder 36,
37 für die Ansteuerung der Amplituden der an den lateralen
Anschlüssen 31, 32 eingekoppelten elektromagnetischen Feldmoden sowie ein Stellglied 38 zur Variierbarkeit der Phase
der über den axialen Anschluß 33 eingekoppelten Feldmoden
integriert.
Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Anordnung 30 werden
über die lateralen Anschlüsse 31, 32 jeweils eine elektromagnetische
Welle der Mode TE., eingekoppelt. Die azimutale
Richtcharakteristik der zugehörigen Mischmode vom Typ TE.. /
TE.. hat ungefähr die Form einer "Acht" und weist eine
Vorzugsachse längs einer der Winkelhalbierenden zwischen den Anschlüssen 31 und 32 entsprechenden Linie auf, längs
der maximale Abstrahlung besteht. Am axialen Anschluß 33 wird zusätzlich die TEM-Grundmode eingespeist, die mit den
von den lateralen Anschlüssen 31, 32 eingekoppelten Feldmoden zu einer TEM-TE11/TE1.,./TE11 -Mischmode überlagert
ist. Bei gleichem Phasenverhältnis zwischen den TE.'-Feldmoden,
die an den Anschlüssen 31, 32 eingekoppelt werden , und der TEM-Grundmode, die am Anschluß 33 eingekoppelt wird,
weist diese Mischmode die gleiche Vorzugsachse maximaler Feldverteilung bzw. maximaler Abstrahlung wie die vorgenannte
TEiIxZTE11 -Mode auf. Mittels des Phasenstellglieds 38
im Speisenetzwerk 35 ist das Phasenverhältnis an den Anschlüssen 31, 32 sowie am axialen Anschluß 33 gegeneinander verstellbar.
Die Änderung dieses Phasen Verhältnisses führt auch zu einer Änderung der Vorzugsachse maximaler Feldver-
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teilung bzw. maximaler Abstrahlung. Auf diese Weise wird
bei der Anordnung 30 ein elektronisch gesteuertes Verschwenken der Hauptstrahlungsrichtung der von der Antenne 2 abgestrahlten
elektromagnetischen Welle in eine beliebige azimutale Richtung bewirkt.