DE3508929C2

DE3508929C2 - Antenne für Satelliten-Mobilfunk für eine Wellenlängen λ im L-Band

Info

Publication number: DE3508929C2
Application number: DE3508929A
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing. Raab (FH), 8031 Seefeld
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1985-03-13
Filing date: 1985-03-13
Publication date: 1987-01-29
Also published as: EP0195356A2; EP0195356B1; EP0195356A3; DE3675669D1; DE3508929A1

Abstract

Zur Erzeugung eines konischen, weitgehend zirkular polarisierten Strahlungsdiagramms für einen Satelliten-Mobilfunk im L-Band ist eine Schlitzrohrantenne zu einer gut leitenden Reflexionsebene senkrecht angeordnet; hierbei wird das senkrecht zur Reflexionsebene ausgerichtete, zylindrische Antennenrohr bestimmter Länge als vertikal polarisierter Linearstrahler erregt, während gleichzeitig, aber getrennt hiervon ein in dem zylindrischen Antennenrohr ausgebildeter Längsschlitz vorgegebener Länge als horizontal polarisierter Dipol in einer bestimmten Höhe über der Reflexionsebene angeregt ist. Durch eine entsprechende Dimensionierung des Antennenrohrs sowie des in diesem ausgebildeten Schlitzes und durch eine entsprechende Anordnung des Antennenschwerpunkts über der gut leitenden Reflexionsebene ist ein zirkular polarisierter Gesamtstrahler mit einer für den Satelliten-Mobilfunk optimalen Strahlungscharakteristik mit einem Rundumdiagramm in der Azimutebene und einer Bündelung in der Elevationsebene mit einem Strahlungsmaximum der Keule bei einem Erhebungswinkel von etwa 30° geschaffen, was beispielsweise für die Verhältnisse in Europa ausreichend ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Antenne für Satelliten-Mobilfunk für eine Wellenlänge λ im L-Band nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Antennen für den Satelliten-Mobilfunk zu mobilen Teilnehmern werden gegenüber Antennen für einen stationären Betrieb nach unterschiedlichen Gesichtspunkten ausgelegt. Bei Mobilantennen sind insbesondere die maximal zulässigen Dimensionen maßgebend, wie Einbauhöhe, Breite und Länge der Antenne. Ferner sind ein geringer Luftwiderstand, eine hohe mechanische Festigkeit bei geringem Gewicht sowie niedrige Herstellungskosten anzustreben.
Ferner hängen Antennengewinn und Strahlungscharakteristik weitgehend von der Antennenapertur ab. Mit kleiner werdender Apertur wird der Öffnungswinkel breiter, so daß wegen der begrenzten Antennenabmessungen bei mobilem Funkbetrieb auf ein aufwendiges elektronisches oder mechanisches Stabilisierungsund Nachführungssystem verzichtet werden kann.
Eine optimale Strahlungscharakteristik für eine Satelliten-Mobilfunkantenne sollte neben den vorstehend angeführten Einschränkungen möglichst folgende Eigenschaften aufweisen, nämlich ein Rundumdiagramm in der Azimutebene, eine Bündelung in der Elevationsebene mit einem Strahlungsmaximum der Keule, das beispielsweise für Europa bei einem Erhebungswinkel von etwa 30° liegt, eine möglichst geringe Strahlung in und unterhalb der Horizontalebene, um eine Mehrwegeausbreitung zu vermeiden, und eine weitgehend zirkulare Polarisation innerhalb der konischen Strahlungscharakteristik. Ein konisches, weitgehend zirkular polarisiertes Strahlungsdiagramm kann jedoch nur erzeugt werden, wenn bei Einbeziehung der Reflexionsebene die räumlichen Strahlungscharakteristiken einer horizontal polarisierten und einer vertikal polarisierten Linearantenne amplitudenmäßig gleich sind und wenn eine richtigte Phasenzuordnung der Ströme vorliegt.
Toroidförmige, horizontal polarisierte Freiraumdiagramme werden bekanntlich mit Ringantennen konstanter Stromverteilung über dem Umfang oder mit den sogenannten Alford-Loop-Antennen mit einer Seitenlänge von λ/₄ oder λ/₂ erhalten. (Siehe hierzu Kraus, J. D.: "Antennas" McGraw-Hill Book Company, Inc., 1950, S. 420 bis 432, insbesondere Fig. 14-34 und 14-39 mit zugehörigem Text.) Eine etwa gleiche Strahlungsverteilung liefert auch eine schlanke Schlitzrohrantenne oder eine Anordnung aus zwei oder mehr Schlitzrohrantennen, deren jeweilige zylindrische Rohre im allgemeinen als Linearstrahler erregt werden, wie beispielsweise in "Electronics", September 1948, auf den Seiten 103 bis 107 beschrieben ist. Durch das Vorsehen einer gut leitenden Reflexionsebene in der Symmetrieebene einer Anordnung von Linearstrahlern bzw. auch eines einzigen Linearstrahlers verschiebt sich dann jedoch das Maximum der Strahlung infolge des Wegunterschieds zwischen direktem und reflektiertem Strahl nach oben. Eine ähnliche Strahlungsverteilung, die jedoch vertikal polarisiert ist, kann mit einer gegen Erde als gut leitender Reflexionsebene erregten Ganzwellenantenne, einem sogenannten Monopol, erzeugt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Antenne für Satelliten-Mobilfunk für eine Wellenlänge λ mit L-Band zu schaffen, welche durch eine entsprechende Dimensionierung und Einspeisung einer Schlitzrohrantenne eine Bündelung in der Elevationsebene mit einem Strahlungsmaximum unter einem Elevationswinkel von 30° hat, und die darüber hinaus eine möglichst geringe Strahlung in und unterhalb der Horizontalebene aufweist, um auf diese Weise Reflexionen des Satellitensignals am Erdboden in ihren Auswirkungen auf die Empfangsqualität zu mindern.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Antenne für Satelliten-Mobilfunk für eine Wellenlänge λ im L-Band der im Oberbegriff genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Antenne gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein Einspeisungsnetzwerk in Form einer Koaxialkabel-Brücke und
Fig. 3 bis 5 mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Antenne gemessene Vertikaldiagramme in jeweils zwei verschiedenen Ebenen für eine vertikale Polarisation (Fig. 3), für eine horizontale Polarisation (Fig. 4) und für eine zirkulare Polarisation (Fig. 5).
In Fig. 1 ist eine in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnete Schlitzrohrantenne dargestellt, welche senkrecht zu einer Reflexionsebene 2 angeordnet ist, deren Ausdehnung mindestens einige Wellenlängen beträgt. Die Schlitzrohrantenne 1 weist ein Antennenrohr 10 auf, welches an seinem der Reflexionsebene 2 zugewandten Ende eine konische Verjüngung 12 hat. Diese konische Verjüngung 12 geht in ein zylindrisches Rohr 13 über, dessen Durchmesser erheblich kleiner ist als derjenige des Antennenrohrs 10. Über ein nur schematisch dargestelltes Dicht- und Halterungsteil 6 ist die Schlitzrohrantenne 1 an der Übergangsstelle zwischen der konischen Verjüngung 12 und dem unteren Rohr 13 in der Reflexionsebene 2 gehaltert. In dem Antennenrohr 10 ist ein parallel zu dessen Längsachse verlaufender Schlitz 11 ausgebildet.
Das Antennenrohr 10 stellt bei der erfindungsgemäßen Antenne die vertikal polarisierte Linearantenne dar, welche eine Länge L ₁ von etwa λ und einem Durchmesser D von etwa 0,125 λ aufweist. Der Längsschlitz 11 in dem Antennenrohr 10 wirkt wie eine horizontal polarisierte Linearantenne und hat eine Länge L ₂ von etwa 0,75 λ und eine Breite S von etwa 0,02 λ. Hierbei ist der Längsschlitz 11 in dem Antennenrohr 10 so angebracht, daß die halbe Schlitzlänge L ₂/2 etwa in einer Höhe H einer halben Wellenlänge λ/₂ über der gut leitenden Reflexionsebene 2 liegt. In der Schlitzmitte beträgt die lmpedanz dieses Strahlers etwa 400 Ω. Zur Anpassung an ein niederohmiges Speisekabel 4 wird der Schlitz 11 nahe bei seinem der Reflexionsebene zugewandten, unteren Ende bei einer Stelle S _H eingespeist.
Die vertikal polarisierte Linearantenne, den sogenannten Monopol, bildet der Außenmantel des Antennenrohrs 10 mit der Länge L ₁ in Verbindung mit der gut leitenden Reflexionsebene 2 als Gegengewicht. Zur Verringerung der Fußpunktkapazität wird der verhältnismäßig dicke Vertikal- bzw. Linearstrahler zum Einspeisepunkt S _v hin konisch verjüngt.
Wegen des endlichen Schlankheitsgrades D/L ₁ muß, um eine Ganzwellenresonanz erzielen zu konnen, ein Verkürzunsfaktor V _K berücksichtigt werden, womit dann die Strahlerlänge L ₁ nunmehr gleich dem Produkt aus der Wellenlänge λ und dem Verkürzungsfaktor V _K ist. Dieser Verkürzungsfaktor V _K wird eingemessen und lag bei einer praktischen Ausführung der erfindungsgemäßen Antenne in der Größenordnung von 0,83.
Die Impedanz am Fußpunkt dieses Ganzwellen-Monopols liegt in der Größenordnung von etwa 200 Ω. Zur Anpassung an das niederohmige Speisekabel 4 dient ein unter der Reflexionsebene 2 angeordneter, koaxialer Resonanztopf 3, dessen Innenleiter 13 in Form eines Rohrs zu dem Ganzwellen-Monopol führt und bei einer Impedanz S _v gleich der Kabelimpedanz abgegriffen wird. Das koaxiale Speisekabel 4 zur Speisung des geschlitzten Antennenrohrs 10 wird im Innenleiter 13 des Resonanztopfes 3 hochgeführt.
Bei dem Viertelwellen-Resonanztopf 3 handelt es sich um einen sogenannten Impedanztransformator, der zur Anpassung des Generator- bzw. Lastwiderstandes dient.
Die Gesamteinspeisung kann beispielsweise über ein 3 dB-Hybrid oder auch über eine Koaxialkabelbrücke erfolgen, wie sie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist. Mit Koaxialzuleitungen einer Länge L von einem Brükkenpunkt B zu dem Schlitzstrahler bzw. mit einer Länge L ± 90 elektrische Grade von einem Brückenpunkt C zu dem sogenannten Monopol wird eine rechts- (RHC) bzw. eine linkszirkulare Polarisation (LHC) erreicht. Werden die Anschlüsse an den Brückenpunkten A und D vertauscht, so ergibt sich der entgegengesetzte Drehsinn. Die übrigen Abmessungen der Koaxialkabelbrükke sind in Fig. 2 im einzelnen angegeben; mit den beiden Anschlüssen A und D sind jeweils Abschlußwiderstände Z _O verbunden, welche in der Größenordnung von etwa 50 Ω liegen.
Die erfindungsgemäße Antenne kann somit bei einem annähernd gleichen Diagramm mit vier verschiedenen Polarisationen betrieben werden und ist daher besonders geeignet für Ausbreitungsuntersuchungen. Die mit einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne gemessenen Vertikaldiagramme in jeweils zwei verschiedenen Ebenen, nämlich der X-Z- und der Y-Z -Ebene, sind für eine vertikale Polarisation in Fig. 3, für eine horizontale Polarisation in Fig. 4 und für eine zirkulare Polarisation in Fig. 5 dargestellt. Hierbei betrug die Meßfrequenz 1,545 GHz. In dem in Fig. 5 dargestellten Vertikaldiagramm für eine zirkulare Polarisation ist im einzelnen angegeben, ob es sich um eine rechts- bzw. um eine linkszirkulare Polarisation handelt.
Die in Fig. 1 dargestellte Antenne für einen Satelliten-Mobilfunk ist in der Praxis von einer nicht näher dargestellten Abdeckhaube umgeben. Die bei der erfindungsgemäßen Antenne gemessenen Gewinne betragen für die vertikale, horizontale und zirkulare Polarisation jeweils ca. 6 dBi.

Claims

Antenne für Satelliten-Mobilfunk für eine Wellenlänge λ im L-Band in Form einer über einer leitenden Reflexionsebene senkrecht angeordneten Schlitzrohrantenne zur Erzeugung eines zirkular polarisierten, konischen Strahlungsdiagramms, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) daß die Schlitzrohrantenne (1) auf der Seite der leitenden Reflexionsebene (2) eine Verjüngung (12) aufweist, ihre Gesamtlänge über der leitenden Reflexionsebene (2) gleich der elektrischen Wellenlänge λ ist und der Antennenrohrdurchmesser 0,125 λ beträgt;

b) daß ein in dem zylindrischen Antennenrohr (10) ausgebildeter Längsschlitz (11) mit einer Länge (L ₂) von etwa 0,75 g und einer Breite (S) von etwa 0,02 λ ausgebildet ist;

c) daß sich die Mitte des Längsschlitzes (11) im Antennenrohr (10) etwa in einer Höhe (H) einer halben Wellenlänge (0,5 λ) über der Reflexionsebene (2) befindet;

d) daß das der Reflexionsebene (2) zugewandte Ende der Schlitzrohrantenne (1) als Innenleiter (13) in einem Resonanztopf (3) mit einer Länge von etwa 0,25 λ mündet;

e) daß eine erste Speiseleitung (4) zur Anregung des Schlitzes (11) der Schlitzrohrantenne (1) durch den Innenleiter des Resonanztopfes (3) geführt ist;

f) daß eine zweite Speiseleitung (4&min;) zur Erregung des Rohrs (10) der Schlitzrohrantenne (1) an den Innenleiter des Resonanztopfes (3) geführt ist, und

g) daß die erste und zweite Speiseleitung (4, 4&min;) über ein Speisenetzwerk (5) amplituden- und phasenrichtig zu einem gemeinsamen Anschluß zusammengefaßt sind.