DE60104270T2

DE60104270T2 - Phasenschieber

Info

Publication number: DE60104270T2
Application number: DE2001604270
Authority: DE
Inventors: Noel Croydon McDonald; Charlie G. Ferntree Gully Williams
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2000-12-08
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2021-12-08
Also published as: US20020089394A1; DE60104270D1; AUPR196300A0; ATE271263T1; US6816668B2; EP1215752B1; EP1215752A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung eines Phasenschieberelements, insbesondere für eine Anordnung zum elektrischen Abwärtsschwenken des elektromagnetischen Strahlungsdiagramms einer Sendeantennengruppe oder zum elektrischen Neuausrichten des Diagramms einer Empfangsantennengruppe.
Allgemeiner Stand der Technik
Zuweilen ist es erwünscht, die Ausrichtung des elektromagnetischen Strahlungsdiagramms einer Sendeantennengruppe, insbesondere in Abwärtsrichtung, typischerweise 0 Grad bis 15 Grad unter die Horizontale, zu verstellen, wenn die Antenne höher gelegen ist als die anderen Antennen, die mit der Sendeantennengruppe in Verbindung stehen. Durch das Abwärtsverstellen des Strahlungsdiagramms ändert sich das Ausleuchtgebiet und kann die Kommunikation mit mobilen Teilnehmern, die sich in der Nähe oder in Abschattungsgebieten unterhalb der Sendeantennengruppe befinden, verbessert werden.
Neben dem mechanischen Schwenken der gesamten Antennenanordnung ist es bekannt, das Strahlungsdiagramm elektrisch nach unten zu schwenken, indem die relative Phase oder relativen Phasen zwischen zwei oder mehr Elementen der Antennengruppe gesteuert verändert werden.
Ein bekanntes Verfahren zur Änderung der relativen Phase oder Phasen zwischen zwei oder mehr Antennenelementen besteht darin, die relativen Längen der jeweiligen Speiseleitungen zwischen dem gemeinsamen Speisepunkt der Antenne und jedem Antennenelement zu verändern. Typischerweise sind verschiedene vorgegebene Längen von Rangierkabeln vorgesehen, die selektiv zwischen dem gemeinsamen Speisepunkt und jedem Element eingefügt werden, um eine gewünschte Neigung zu erhalten. Die Rangierkabel enthalten koaxiale Steckverbinder, um den Anschluss zu erleichtern. Werden Streifenleitungen für die Verbindung zwischen dem gemeinsamen Speisepunkt und den jeweiligen Elementen der Antennengruppe verwendet, dann ist irgendeine Art von Übergangsmittel erforderlich, um die Koaxialverbindungen des Rangierkabels an die Streifenleitung zu koppeln. Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens ist, dass es aufwendig, unzuverlässig und anfällig für die Erzeugung von Intermodulationsprodukten ist.
Ein anderes bekanntes Verfahren zur Änderung der relativen Phase zwischen zwei oder mehr Antennenelementen besteht darin, die Ausbreitungsgeschwindigkeit in der den gemeinsamen Speisepunkt mit mindestens einem der Elemente der Antennengruppe verbindenden Speiseleitung zu verändern. Typischerweise wird dies dadurch erreicht, dass die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums der Speiseleitung selektiv verändert wird. Ist der aktive Leiter der Speiseleitung in Form einer Leiterbahn ausgeführt, kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit dadurch verändert werden, dass zwischen der Leiterbahn und der zugehörigen Masseebene ein dielektrisches Material eingefügt wird.
Es ist jedoch offensichtlich, dass durch die Einfügung von dielektrischem Material unter einer solchen Leiterbahn die Impedanz der Leiterbahn gestört wird. Wird zum Beispiel eine Leiterbahn mit einer bestimmten Breite oberhalb einer Masseebene in einem bestimmten Abstand so angeordnet, dass sich ein Wellenwiderstand von 50 Ohm ergibt, dann verringert sich durch die Einfügung eines dielektrischen Materials zwischen der Leiterbahn und der Masseebene der Wert dieses Widerstandes auf einen Wert, der von der effektiven Dielektrizitätskonstanten des dielektrischen Materials abhängig ist. Die daraus resultierende Impedanzfehlanpassung würde zu einer Verschlechterung des Rückflussdämpfungsverhaltens der Antenne führen.
Das Australische Patent Nr. 664625 offenbart eine Anordnung eines einstellbaren Phasenschiebers mit dielektrischen Phasenschieberelementen, die verschiebbar zwischen Antennenelemente verbindenden Leiterbahnen angeordnet sind, und mit einer gemeinsamen Masseebene. Die Phasenschieberelemente weisen eine charakteristische Konfiguration auf, welche die Impedanzstörung über einen bestimmten, aber begrenzten Frequenzbereich minimiert. Bei dieser Anordnung ergeben sich Beschränkungen bezüglich des erzeugten Phasenverschiebungsbereichs, sodass auch der Neigungsbereich begrenzt ist.
Die Australische Patentanmeldung Nr. 14278/99 offenbart eine Anordnung eines einstellbaren Phasenschiebers mit einer Übertragungsleitung in Form einer einseitig mit leitenden Elementen versehenen Leiterplatte, und mit einer Masseebene, die mit Abstand unterhalb der anderen Seite der Leiterplatte angeordnet ist. Ein verschiebbares dielektrisches Element ist nahe den leitenden Elementen angeordnet. Das verschiebbare dielektrische Element ist entlang gegenüberliegenden Kanten mit einer Vielzahl von Zähnen versehen, welche die leitenden Elemente selektiv überlappen. Diese Anordnung bildet einen einstellbaren Phasenschieber, der stabile Impedanzeigenschaften und im Vergleich mit dem Stand der Technik eine relativ große Phasenverschiebung aufweist.
Es sind neue Hochfrequenzbereiche vergeben worden, um eine größere Anzahl von Kanälen für den schnell wachsenden zellularen Mobilfunkbereich bereit zu stellen. Anstelle von separaten Basisstationsantennen für unterschiedliche Frequenzbereiche sind Mehrbandantennen erwünscht. So kann es zum Beispiel wünschenswert sein, das DCS-Band von 1710 bis 1880 MHz mit dem UMTS-Band von 1920 bis 2170 MHz zu vereinigen, und zwar mit einer Gesamtbandbreite von 460 MHz, die größer ist als in früheren Systemen. Um das Strahlungsdiagramm einer solchen Mehrbandantenne elektrisch nach unten zu schwenken, ist ein Phasenschieber erforderlich, der einen größeren Betriebsfrequenzbereich als die oben erwähnten bekannten Phasenschieberanordnungen aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bildung eines Phasenschieberelements zur Verwendung in einer einstellbaren, einen größeren Betriebsfrequenzbereich als bekannter Anordnungen aufweisenden Hochfrequenzphasenschieberanordnung aufzuzeigen, wie in den beigefügten Ansprüchen angegeben.
Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass, da eine Phasenverschiebung im Allgemeinen proportional zur Länge eines hinzugefügten oder eingefügten Dielektrikums ist, und wenn die für eine bestimmte Phasenverschiebung erforderliche dielektrische Gesamtlänge in eine Vielzahl von Segmenten aufgeteilt wird, es möglich ist, alle Längen und Abstände dieser Segmente so zu optimieren, dass die gesamte Signalreflexion bei mehreren Frequenzen oder über einen Frequenzbereich reduziert wird. Deshalb wird für einen bestimmten Frequenzbereich oder für eine erforderliche elektrische Phasenverschiebung eine Optimierung mittels Computer durchgeführt, um die optimalen Längen einer Vielzahl von dielektrischen Segmenten und die Abstände zwischen diesen zu ermitteln. Dieselbe Prozedur wird für andere Phasenverschiebungswerte wiederholt, um ein optimales Profil für das verschiebare dielektrische Element zu erzeugen.
Zur Erleichterung der Ausführung der Erfindung werden im Folgenden Ausführungsbeispiele unter Zurhilfenahme der Figuren der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Draufsicht auf ein planares dielektrisches Element, das mit einer Vielzahl von davon ausgehenden, im Abstand angeordneten charakteristischen Segmenten versehen ist.
2 zeigt eine Seitenansicht der 1.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine Phasenschieberanordnung mit einem dielektrischen Element gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine Seitenansicht der Anordnung nach 3.
5 zeigt eine schematische Anordnung einer Antennengruppe mit einer Phasenschieberanordnung nach 3.
6 zeigt eine Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Phasenschieberanordnung mit dem dielektrischen Element gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt eine schematische Anordnung einer Antennengruppe mit der Phasenschieberanordnung nach 6.
Die 1 und 2 der Zeichnungen zeigen ein planares dielektrisches Element 1 mit einem rechteckigen Grundkörperteil 2 und fünf Segmenten 3, 4, 5, 6 und 7, die von einer langen Kante des Grundkörperteils 2 ausgehen. Die Segmente sind durch vier Luftspalte 8, 9, 10 und 11 getrennt. Die Segmente liegen in derselben Ebene wie das Grundkörperteil. Zur Verbesserung der Struktursteifigkeit des dielektrischen Elements können die Luftspalte durch ein dielektrisches Material mit einer von der Dielektrizitätskonstanten des Materials des dielektrischen Elements 1 verschiedenen Dielektrizitätskonstanten ersetzt werden. Alternativ können die Luftspalte durch dünnere Teile aus demselben Material wie das dielektrische Element ersetzt werden.
Wie in den 3 und 4 gezeigt, ist das dielektrische Element 1 verschiebbar und nahe der Oberseite eines Verteilungsbauteils angeordnet, welches eine Planare dielektrische Leiterplatte 12 mit einem auf einer ersten Oberfläche 12a angeordneten leitenden Element 13 umfasst. Das leitende Element und die dielektrische Leiterplatte bilden eine Übertragungsleitung, deren entfernte Enden durch jeweilige Anschlüsse T und B gebildet werden. Das Verteilungsbauteil ist im Abstand von einer Masseebene 14 angeordnet. Die zweite Oberfläche 12b der dielektrischen Leiterplatte und die Masseebene liegen einander gegenüber. Alternativ können die zweite Oberfläche der Leiterplatte und die Masseebene aneinander angrenzen (nicht gezeigt). Das dielektrische Element 1 ist oberhalb der ersten Oberfläche 12a der Leiterplatte 12 über zwei parallele, mit der Masseebene verbundene Stangen 15, 16 linear verschiebbar gelagert.
Es ist offensichtlich, dass das verschiebbare dielektrische Element eine phasenverschiebende Wirkung hat, ob es nun nahe der ersten Oberfläche 12a oder nahe der zweiten Oberfläche 12b des Verteilungsbauteils angeordnet ist, d. h., ob es nicht zwischen dem leitenden Element 13 und der Masseebene 14 eingefügt oder dort eingefügt ist. Die mit jedem dieser beiden Anordnungen erzielte Phasenverschiebung ist unterschiedlich; tatsächlich hat das verschiebbare dielektrische Element eine größere Wirkung, wenn es zwischen dem leitenden Element 13 und der Masseebene 14 angeordnet ist.
Es ist weiter offensichtlich, dass die Planare dielektrische Leiterplatte zum Tragen des leitenden Elements 13 nicht erforderlich ist, wenn letzteres eine ausreichende mechanische Steifigkeit aufweist.
Je größer die Anzahl der vom Grundkörperteil des Elements 1 ausgehenden Segmente ist, um so kleiner kann die durch das dielektrische Element verursachte Gesamtsignalreflexion gemacht werden. Eine größere Anzahl von Segmenten erfordert jedoch eine größere Gesamtlänge des Elements. Allerdings ist zur Vermeidung von Konstruktionsproblemen die Länge des Elements bei der wirkungsmäßigen Zuordnung des Elements zur Antennengruppe zu berücksichtigen. Deshalb ist die Wahl der Anzahl der Segmente ein Kompromiss zwischen elektrischen Betriebseigenschaften und praktikablen Abmessungen.
Wenn das Element 1, wie in 1 gezeigt, fünf Segmente (und entsprechend vier Luftspalte) aufweist, dann umfasst eine elektrische Ersatzschaltung neun in Reihe geschaltete Ersatzleitungen. Für den gewünschten Betriebsfrequenzbereich und eine spezielle Phasenverschiebung sind die Längen der neun Elemente so einzustellen oder zu optimieren, dass gleichzeitig die gewünschte Phasenverschiebung erzielt und die Gesamtsignalreflexion minimiert wird. Unter Verwendung eines handelsüblichen Hochfrequenzanalysewerkzeugs wird ein Optimierungsalgorithmus, wie z. B. eine Gradientensuche, durchgeführt, um die Längen der Ersatzleitungen so einzustellen, dass gleichzeitig die gewünschte Phasenverschiebung erzielt und die Gesamtsignalreflexion minimiert wird. Die Längen der Ersatzleitungen stellen dann die optimalen Längen der dielektrischen Segmente und die optimale Breite der Spalte da, die den konkreten Leiter für die jeweilige Phasenverschiebung überlappen. Derselbe Vorgang wird dann für die verschiedenen gewünschten Phasenverschiebungswerte immer wieder wiederholt. Zur Bildung der Mittel, mit denen eine lineare Querbewegung des dielektrischen Elements in eine veränderliche Phasenverschiebung umgewandelt wird, werden dann die verschiedenen Längen von dielektrischen Segmenten und Breiten von die Übertragungsleitung überlappenden Spalten zusammengefügt, um die erforderlichen Profile der Segmente zu erzeugen. Aus diesen Profilen werden Informationen auf bekannte Weise abgeleitet und in einer geeigneten, numerisch gesteuerten Schneideinrichtung dazu verwendet, die komplex geformten Segmente des dielektrischen Elements zu erzeugen.
6 der Zeichnungen zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Verwendung in einer dreiteiligen Antennengruppe (siehe 7). Das Planare dielektrische Element 17 ist mit Segmenten versehen, die von gegenüberliegenden langen Kanten des Grundkörperteils des dielektrischen Elements ausgehen. Das dielektrische Element 17 ist verschiebbar gelagert und nahe einer Oberfläche eines Planaren Verteilungsbauteils 18 angeordnet, das zwei leitende Elemente 19 und 20 trägt. Die leitenden Elemente und die dielektrische Leiterplatte bilden ein Leitungsnetz zur Aufteilung eines an einen Signaleingangsanschluss I angelegten Hochfrequenzsignals auf drei Wege, die in drei Anschlüssen T, B bzw. C zur Einspeisung des Eingangsignals in das Oberteil (T), Unterteil (B) bzw. Mittelteil (C) einer dreiteiligen Antennengruppe (7) enden. Das Verteilungsbauteil 18 ist im Abstand von einer leitenden Masseebene 20 gelagert. Das dielektrische Element 17 ist über zwei parallele, mit der Masseebene 20 verbundene Stangen 21 und 22 linear verschiebbar gelagert.
Es versteht sich von selbst, dass die Anordnung, mit der das dielektrische Element zur Veränderung der Phase des Signals selektiv in Bezug auf die Übertragungsleitung verschoben werden kann, nicht auf die in den unter Bezugnahme auf die 1 und 6 beschriebenen Ausführungsbeispiele benutzten parallelen Stangen beschränkt ist. Es können verschiedene bekannte Anordnungen verwendet werden, wie zum Beispiel rotierende Anordnungen. Weiterhin können ferngesteuerte Servomechanismen zum Verschieben des dielektrischen Elements eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zur Bildung eines einen großen Betriebsfrequenzbereich aufweisenden Phasenschieberelements, das geeignet ist, mit einer ein von einem Masseelement beabstandetes aktives Leitungselement enthaltenden Übertragungsleitung zusammen zu arbeiten und das ein verschiebbares, planares dielektrisches Element mit vorgegebener Dielektrizitätskonstante enthält, welches mit drei oder mehr diskreten, von mindestens einer seiner Kanten ausgehenden diskreten dielektrischen Segmenten versehen ist, wobei die Verschiebung des planaren dielektrischen Elements eine veränderliche Phasenverschiebung dadurch bewirkt, dass sie das Ausmaß, in dem die drei oder mehr diskreten dielektrischen Segmente das aktive Leitungssegment überlappen, verändern, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: – Ermitteln, durch Computer-Optimierungsmittel, von optimalen Abmessungen jedes der Segmente und optimalen Breiten von Lücken, die durch gegenüberliegende Kanten von benachbarten Segmenten so definiert sind, dass sie einem gewünschten Betriebsfrequenzbereich und einer bestimmten Phasenverschiebung entsprechen und die Gesamtreflexion von in der Übertragungsleitung übertragenen Signalen minimieren, und –Verbinden der verschiedenen Abmessungen jedes der Segmente und der Breiten von Lücken, um das Profil von Segmenten und Lücken zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, dass folgende Schritte einschließt: – Implementieren eines Hochfrequenzanalyse- und Optimierungs-Rechenprogramms zur Berechnung von Daten; und – Steuern von Schneidgerätemitteln unter Verwendung der berechneten Daten, um die dielektrischen Segmente mit optimalen Abmessungen und optimalen Breiten dazwischen zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Lücken Luftspalte sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine oder mehrere der Lücken zumindest teilweise mit Material gefüllt sind, dessen Dielektrizitätskonstante von der Dielektrizitätskonstanten der dielektrischen Segmente verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine oder mehrere der Lücken zumindest teilweise mit demselben Material wie dem der dielektrischen Segmente gefüllt sind und bei dem die Dicken der Füllungen kleiner sind als die Dicken der Segmente.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Computer-Optimierungsmittel ein Hochfrequenzanalyse- und Optimierungs-Rechenprogramm umfasst, das dazu dient, Daten zur Steuerung von Schneidgerätemitteln zu berechnen, um die dielektrischen Segmente mit optimalen Abmessungen und optimalen Breiten dazwischen zu erzeugen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das planare dielektrische Element ein rechteckiges Grundkörperteil umfasst, wobei die dielektrischen Segmente von einer langen Seite des rechteckigen Grundkörperteils ausgehen.
Verfahren zur Bildung eines Phasenschiebers zum gesteuerten Verändern der effektiven elektrischen Länge eines Übertragungsleitungsabschnitts, der ein von einem Masseelement beabstandetes aktives Leitungselement enthält, mit folgenden Schritten: Bilden eines Phasenschieberelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, verschiebbares Lagern des Phasenschieberelements und Ausrichten von dessen Segmenten in der Weise, dass sie die Übertragungsleitung überlappen oder sich mit dieser verflechten.
Verfahren zur Bildung eines Phasenschiebers nach Anspruch 8, bei dem eine weitere Übertragungsleitung vorgesehen und das Phasenschieberelement zwischen den Übertragungsleitungselementen angeordnet ist.
Verfahren zur Bildung eines Phasenschiebers nach Anspruch 8, bei dem das Phasenschieberelement auf der von dem Masseelement abgewandten Seite des aktiven Leitungselements angeordnet ist.
Verfahren zur Bildung eines Phasenschiebers nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Übertragungsleitung einer Antennengruppe wirkungsmäßig zugeordnet ist.
Verfahren zur Bildung eines Phasenschiebers nach Anspruch 8, bei dem der Übertragungsleitungsabschnitt ein von einer planaren dielektrischen Leiterplatte getragenes aktives Übertragungsleitungselement von vorgegebener elektrischer Länge enthält, wobei die Leiterplatte im Abstand von einem Masseelement angeordnet ist.
Verfahren zur Bildung eines Phasenschiebers nach Anspruch 12, bei dem das verschiebbare Phasenverschieberelement zwischen der dielektrischen Leiterplatte und dem Masseelement angeordnet ist.
Verfahren zur Bildung eines Phasenschiebers nach Anspruch 12, bei dem das verschiebbare Phasenschieberelement oberhalb der dielektrischen Leiterplatte und entfernt von dem Masseelement angeordnet ist.
Verfahren zur Bildung eines Phasenschiebers nach einem der Ansprüche 8 bis 14, mit Einstellmitteln, um das Phasenschieberelement so in Bezug auf den Übertragungsleitungsabschnitt gesteuert zu verschieben, dass die Segmente und die Lücken sich mit den Übertragungsleitungselementen beweglich überlappen oder verflechten, um die Phase von auf dem Übertragungsleitungsabschnitt übertragenen Signalen zu verändern.
Verfahren zur Bildung eines Phasenschiebers nach Anspruch 15, bei dem das Einstellmittel einen fernsteuerbaren Servomechanismus enthält.