DE4308604A1 - Lineare Gruppenantenne mit Rundstrahlcharakteristik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft lineare Gruppenantennen mit über­ wiegend kreisrundem Horizontaldiagramm mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattungsmerkmalen, wie sie als ortsfeste Sende- und Empfangsantennen z. B. in zellularen Mobilfunknetzen eingesetzt werden.

Die Verwendung von rohrförmigen Bauteilen in koaxialer Anordnung und von Rohren als Funktionsträger der elektrischen und oft gleichzeitig der mechanischen Aufgaben bei vertikal gestockten Gruppenantennen ist bei Frequenzen ab 100 MHz interessant und im UHF-Bereich allgemein üblich. Im UHF- Bereich bewegen sich die Frequenzbänder der modernen Mobil­ funknetze, wie die Netze C, D und E in Deutschland.

Die Antennen können nach dem Dipol- oder dem Schlitzstrahler­ prinzip aufgebaut sein.

Die Schlitzgrupppen-Antenne besteht meist aus einem Rohr, das selbst das tragende Element darstellt und in axialer Reihung mit orthogonal zur Achse verlaufenden Schlitzen - als Strahler - versehen ist. Das Speisenetzwerk kann mit im Rohr geführten Koaxialkabeln aufgebaut sein, oder das Rohr mit den Schlitzen dient direkt als Hohlleiter für die HF-Energie, und die für die Querstrahlung erforderliche gleichphasige Speisung der in Wellenausbreitungsrichtung aneinander­ gereihten Schlitze wird durch verzögernde Maßnahmen, wie eine dielektrische Füllung, Rillen an der Rohr-Innenseite oder die sogenannte Doppelhelix, erreicht [1].

Die Schlitze umfassen aus Gründen der Stabilität des tragenden Rohrs jeweils nur einen Teil des Rohrumfangs und sind über den Rohrumfang gegeneinander versetzt, damit Rundstrahlung erzielt wird.

Ein Rundstrahler, der auch nach dem Schlitzantennenprinzip arbeitet und dabei quasi 360°-Schlitze hat, ist in der Patentanmeldung DE 42 25 298 beschrieben: Auf einem zentralen Tragrohr sind koaxial zum Tragrohr und koaxial zueinander Rohrhülsenpaare - jeweils als Innen- und Außenhülse - angeordnet. Sie bilden Resonatoren, von denen jeweils der innere galvanisch mit dem Innenleiter eines speisenden Koaxialkabels verbunden ist und der äußere parasitär gespeist wird.

Das für Schlitzstrahler charakteristische Feld bildet sich an den voll umlaufenden stirnseitigen Kanten der Hülsenpaare.

Die Rundstrahler mit vertikal gestockten Dipolgruppen bestehen im allgemeinen aus einem zentralen Trag- und Standrohr und den dazu koaxialen rohr- bzw. hülsenartigen Strahlerelementen. Die Dipole werden über meist aus Koaxialkabeln aufgebaute Netzwerke gespeist, die, soweit möglich, im Tragrohr untergebracht sind.

Die bekannten Rundstrahler der hier beschriebenen Ausfüh­ rungen haben konstruktive und technologische Nachteile. Bedingt durch die Gruppenbauweise, ist die Gesamtzahl der Bauelemente und Zubehörteile meist recht hoch. Die Elemente werden durch Löten und Schrauben verbunden und müssen dabei mit recht geringen Toleranzen justiert werden.

Das Speiseleitungsnetzwerk aus Koaxialkabeln zum parallelen und damit gleichphasigen Anschluß der Strahler ist teuer und erfordert eine präzise Verbindungstechnik. Der Impedanz­ anpassung sind Grenzen gesetzt, weil nur die genormten 50-Ω und 75-Ω-Kabel zur Verfügung stehen.

Für das Leitungsnetz aus Koaxialkabeln wird mit zunehmender Zahl der Strahlergruppen viel Platz benötigt; dem sind jedoch durch die angestrebte Anordnung des kompletten Leitungsnetzes innerhalb des Tragrohrs räumliche Grenzen gesetzt. Auch wird der Einbau des Leitungsnetzes in das Tragrohr und die Verbindung mit den Strahlern mit zunehmender Stockung komplizierter.

Nicht zuletzt ergibt die traditionelle Bauweise relativ hohe Antennengewichte, die auch ihrerseits zu besonderen Stabi­ litätsanforderungen beitragen und entsprechende Aufwendungen auf der mechanischen Seite und für Aufstellung und Langzeit­ sicherung der Anlagen notwendig machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Material-. den Teile- und den Fertigungsaufwand für die Erstellung leistungsfähiger Rundstrahler zu senken und gleichzeitig die Voraussetzungen speziell für eine erhöhte Variabilität und für die weitere Optimierung der HF-Parameter in Aufbau und Zusammenwirken der einzelnen Baugruppen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. Der Unteranspruch enthält bevorzugte Ausführungsdetails.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Prinzips liegen auf der Hand. Mit der Erfindung lassen sich Rundstrahler- Konstruktionen mit koaxialem Aufbau und linearer Stockung in vielfältigen Varianten kostengünstig realisieren. Die Herstellung der Kunststoff-Folie mit der kompletten Leitungs- und Strahlerstruktur der Antenne oder der fall­ weise gewünschten Teilstruktur bereitet keinerlei Schwierigkeiten, ebenso der galvanische Anschluß dieser Strukturen an weiterführende Leitungen und Netzwerke. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, daß das Speise­ leitungsnetz vollkommen frei - entsprechend den jeweiligen Erfordernissen und mit dem Ziel der Optimierung der Antennenparameter - gestaltet werden kann. Es ist jede denkbare Variante in bezug auf Länge und Breite von Leitungsabschnitten und in bezug auf Leitungs­ diskontinuitäten und die Bildung von Stichleitungen, Kapazitäten und Induktivitäten usw. realisierbar und mit hoher Genauigkeit reproduzierbar, um Phase und Amplitude zu beeinflussen und jeden punktuell erforderlichen Wellen­ widerstandswert zu erzielen.

Die Erfindung gewährleistet in bisher nicht möglichem Maß die Einzel- und Serienfertigung breitbandiger Rundstrahler mit gleichphasiger Speisung, aber auch von Antennen mit jeder anderen gewünschten Strahlungscharakteristik und mit dem höchstmöglichen Gewinn in gleichbleibender Qualität. Dabei werden der Material- und Teileaufwand und damit auch das Gewicht der Konstruktionen auf ein Minimum gesenkt und damit gleichzeitig der Aufwand zur Gewährleistung der Statik reduziert.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Erfindungsgemäße Dipolgruppen-Antenne mit beidseitig bedruckter Leiterfolie,

• a) Querschnitt,
• b) Abwicklung der Leiterfolie,

Fig. 2 Dipolgruppenantenne mit einseitig bedruckter Leiterfolie,

• a) Querschnitt,
• b) Abwicklung der Leiterfolie,

Fig. 3 Antenne in quasi-Schlitzgruppenanordnug

• a) Querschnitt,
• b) Abwicklung der Leiterfolie, (Bei allen drei Bildern ist der Umfangsmaßstab der Abwicklung kleiner als der Maßstab des Querschnitts gewählt.)

Die in Fig. 1 und 2 gezeigten Varianten können als Grund­ formen der Realisierung des erfindungsgemäßen Prinzips bezeichnet werden. Dabei sind

1 zentrales Tragrohr aus Metall,
2 Durchführung für ein Koaxialkabel zum Anschluß des Speiseleitungsnetzes,
3, 4, 5 Distanzschalen aus einem Dielektrikum,
6 radialer Längsschlitz,
7 Leiterfolie mit den Streifenleiter-Strukturen,
8 Masse-Windungslage,
9 Windungslage mit dem Speiseleitungsnetz,
10 Windungslage als Strahler,
11 Abschlußverbindung,
12 Gesamtbreite der Leiterfolie im abgewickelten Zustand,
13 Leitungsanschluß an das Speiseleitungsnetz,
14 Masseanschluß-Leitung,
15 durchmetallisierte Löcher,
16 kurze Masseleitung.

Die beiden Ausführungen zeigen beispielhaft, wie man die Leiterfolie 7 und die Distanzschalen 3, 4 und 5 einander zuordnen kann, um eine beidseitig abgeschirmte Leitungsstruktur und Strahler zu erhalten, die an das Speiseleitungsnetz und an Masse angeschlossen sind. Bei der Antenne nach Fig. 1 beginnen die Windungslagen der Leiterfolie 7 im Punkt A mit der Masse-Lage 8 zwischen den Schalen 4 und 5. In Punkt B und C wird die Folie abge­ winkelt und folgt als Lage 9 mit dem Speiseleitungsnetz dem Spalt zwischen den Schalen 3 und 4 bis zum Punkt D. Von dort wird sie im radialen Längsschlitz 6 zu Punkt E geführt und umgibt die Schale 5 periphär als Strahler-Lage 10. Mit 11 ist in Fig. 1a eine überlappend hergestellte Abschlußverbindung bezeichnet, die gleichzeitig als Abschirmung für den Längs­ schlitz 6 dient.

Die Gesamtbreite 12 der Leiterfolie 7 im abgewickelten Zustand ist um den abgebogenen Überstand am Beginn A der Windungslagen und um die Überlappung der Abschlußverbindung 11 größer als die Summe der den Lagen entsprechenden Flächen­ segmente und der Schlitzmaße 6 der Distanzschalen.

Die Leiterfolie für die Antenne nach Fig. 1 ist beidseitig bedruckt; die Masseanschluß-Leitungen 14 werden auf der Rückseite der Folie geführt und verbinden über die durch­ metallisierten Löcher 15 jeweils eine Dipolhälften-Fläche mit der Massefläche. Dabei werden die Streifenleitungen so gelegt und die einzelnen Leitungsmaße so gestuft, daß eine eventuell denkbare gegenseitige Beeinflussung von Speise- und Masse­ leitungen minimiert wird und nicht negativ in Erscheinung tritt. (Die Variabilität in bezug auf Leitungsführung und Leitungsquerschnitte ist, wie bereits angedeutet, einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung.)
Es ist jedoch auch denkbar, den nötigen Masseanschluß durch eine Verbindung direkt zwischen den Punkten A und F in Fig. 1 herzustellen. Dann kann auf die beidseitige Leitungsführung und auf durchmetallisierte Löcher in der Leiterfolie 7 verzichtet werden.

Das Ergebnis einer nur einseitigen Leitungsführung läßt sich auch mit dem abgewandelten Windungsschema erzielen, das Fig. 2 zeigt. Hier ist die Leiterfolie 6 im Bereich der periphären Strahlerlage 10 längsgeteilt. Man erhält auf diese Weise eine kurze Verbindungsleitung 16 zwischen der Massefläche und der Strahlerfläche, die koplanar zu den beiden zu verbindenden Flächen ist.

Bei der Antenne nach Fig. 3 entspricht das Windungsschema grundsätzlich dem Schema in Fig. 1. Die Windungslage 10 ist galvanisch an das Speiseleitungsnetz der Lage 9 ange­ schlossen. Die Leiterfolie wird hier jedoch über den Punkt G weitergeführt und bildet einen nicht galvanisch angeschlos­ senen, aber über die Windungslage 10 und die dielektrische Distanzschale 17 elektromagnetisch angekopppelten Strahler 18. Diese Ausführung entspricht dem in der Patentanmeldung DE 42 25 298 beschriebenen Aufbau eines Rundstrahlers, der quasi nach dem Schlitzgruppen-Prinzip arbeitet. Bei dem Wirkprinzip dieser Antenne ist nur eine Leitung 14 zwischen dem Speiseleitungsnetz der Lage 9 und der Windungslage 10, die die innere Strahlerfläche bildet, erforderlich, und kein galvanischer Masseanschluß. Auch bei dieser Ausführung kann eine einseitig bedruckte Leiterfolie verwendet werden.

Die Distanzschalen 3, 4, 5 und 17 bestehen entweder aus einem geschäumten dielektrischen Material, das ein Auf- oder ein Zusammenbiegen während des Aufwickelns der Folie erlaubt, oder sie sind zweiteilig ausgeführt. Im letzten Fall ist es sinnvoll, an der dem Längsschlitz 6 gegenüberliegenden Teilung eine Kleb- oder z. B. eine formschlüssige Verbindung vorzusehen.

Ebenso ist es möglich, die Leiterfolie quer zur Antennenachse in zwei oder mehrere Flächensegmente mit jeweils einer Anzahl Strahlergruppen auf zuteilen. Die Flächensegmente bilden dann zusammen mit den ebenfalls in Längenabschnitte aufgeteilten Distanzschalen Antennensegmente, die in Reihe - axial gestockt - auf das Tragrohr geschoben werden. Man kann auf diese Weise mit einfachen Mitteln ein Baukastensystem von Rundstrahlern mit variablen Leistungsparametern und der Möglichkeit nachträglicher Änderungen gestalten. Da die Zahl derartiger Antennensegmente bei der einzelnen Antenne nicht sehr groß sein wird, ist es ausreichend, die Speiseleitungsnetze der Segmente an ein einfaches System von Koaxialkabeln in herkömmlicher Struktur anzuschließen. Es ist jedoch auch möglich - und entsprechend der vorliegenden Erfindung kostengünstig zu realisieren - daß auch für dieses Speiseleitungsnetz eine Leiterfolie vorgesehen wird.

Literatur

[1] Baumer, C., und Landstorfer, F.: Entwurf einer rund­ strahlenden Schlitzgruppenantenne für vertikale Polarisation. Vortrag zur ITG-Fachtagung 1990, München. ITG-Fachbericht Nr. 111, S. 157 bis 161.

Claims (2)

1. Lineare Gruppenantenne mit Rundumcharakteristik im horizontalen Strahlungsdiagramm, bestehend aus einem vertikalen tragenden oder Trag- und Hüllrohr und aus untereinander und zum Tragrohr koaxialen Strahlerelementen bzw. Strahlergruppen in axial gestockter Anordnung, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - Das Speiseleitungsnetzwerk und die metallische Rohr- bzw. Hülsenstruktur zur Bildung der Strahler sind nach dem Streifenleiter-Prinzip ein- oder beidseitig auf eine flexible Leiterfolie (7) aus Kunststoff gedruckt,
• - die Leiterfolie (7) ist lagenweise so um das metallische Tragrohr (1) gewickelt, daß jede 360° umfassende Windungslage (8, 9, 10, 18) vorzugsweise eine elek­ trische Funktionsgruppe des Antennenaufbaus trägt,
• - zur Abstandhaltung sind zwischen die Windungslagen der Leiterfolie (7) zylindrische Distanz-Schalen (3, 4, 5, 17) aus einem dielektrischen Material mit niedriger relativer Dielektrizitätskonstante eingefügt, die an einer Seite einen achsparallelen Schlitz (6) haben,
• - die Leiterfolie (7) ist zwischen den Distanzschalen mit jeweils konstantem Durchmesser gewickelt, und der Übergang zu einer anderen Windungslage erfolgt sprungartig, im Bereich des Längsschlitzes (6),
• - die Antenne ist unter Verwendung einer einzigen, alle Strahlergruppen umfassenden Leiterfolie (7) aufgebaut, oder sie besteht in segmentartigem Aufbau aus zwei oder mehreren Flächenabschnitten mit anteiligen Strahler­ gruppen und aus in entsprechende Längenabschnitte aufgeteilten Distanzschalen, die axial gestockt sind.

2. Lineare Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei segmentartigem Aufbau der Antenne aus axial gestockten Abschnitten der Leiterfolie (7) die Speiseleitungs-Netzwerke der Strahlergruppen auf den Teil- Leiterfolien über ein Streifenleitungs-Netzwerk auf einer zusätzlichen Leiterfolie oder über eine Koaxialkabel- Struktur mit dem Anschlußpunkt der Antenne verbunden sind.