DE60120174T2

DE60120174T2 - Ineinander geschachtelte Kreuzdipolantenne

Info

Publication number: DE60120174T2
Application number: DE60120174T
Authority: DE
Inventors: Clark H. Chatsworth BELL
Original assignee: NavCorn Technology Inc
Current assignee: NavCorn Technology Inc
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: EP1301967A1; BR0109678A; CN100420094C; EP1301967B1; AU2001255820B2; AU5582001A; CA2404406A1; RU2258286C2; EP1301967A4; CN1432206A; DE60120174D1; RU2002129103A; WO2001076012A1; US6342867B1; ATE328375T1; CA2404406C; AU2001255820C1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein zirkular polarisierte (CP) Funkantennen und insbesondere eine Antenne, welche wenigstens zwei Paar gekreuzte Dipol-Antennen umfasst.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Konventionelle CP-Funkantennen in einer gekreuzten Dipol- oder „Drehkreuz"-Konfiguration sind technisch bekannt. Eine beispielhafte herkömmliche CP-Funkantenne umfasst gekreuzte Dipol-Antennen, die durch eine symmetrische vierphasige Übertragungsbahn gespeist werden und über einem reflektierenden Schirm angeordnet sind. Die Dipol-Beine der gekreuzten Dipol-Antennen neigen sich abwärts zu dem Schirm, um die CP-Strahlung bei geringeren Erhebungswinkeln bezüglich der Ebene des Schirms zu verstärken. Antennen dieses Typs können unter Verwendung einfacher Drähte, Stäbe oder Leiterplatten für die Dipol-Beine konstruiert sein. Eine CP-Funkantenne mit den oben beschriebenen Merkmalen ist in 28-7 der dritten Ausgabe des von McGraw-Hill veröffentlichten Antenna Engineering Handbook dargestellt, von welchem relevante Teile hier als Referenz einbezogen werden.
In dem US-Patent Nr. 5,519,407 ist eine CP-Dualfrequenzantenne beschrieben. Diese CP-Antenne umfasst vier identische Antennenelemente, von welchen jedes einen Induktor-Kondensator-Ableiter umfasst, der entlang der Länge jedes Antennenelements positioniert ist. Diese Konfiguration ermöglicht, dass die offenbarte CP-Antenne mit zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen betrieben wird.
Ferner ist in dem US-Patent Nr. 5,526,009 eine linear polarisierte (LP) Dualfrequenz-Antenne beschrieben. Diese LP-Antenne umfasst eine Antennenanordnung, welche vier Antennenelemente umfasst. Jedes Antennenelement umfasst eine Spule und einen länglichen Arm. Paare der länglichen Arme bilden Dipole, welche unterschiedliche Längen besitzen, sodass jedes Paar Antennenelemente bei einer unterschiedlichen Frequenz schwingt.
Das US-Patent Nr. 4,686,536 beschreibt eine Dipol-Antenne mit sich schneidenden Leiterplatten, wobei jede Platte eine Mikrostreifenausführung einer ausgelenkten Dipol-Antenne aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht eine verschachtelte Drehkreuzantennenstruktur vor, welche CP-elektromagnetische Wellen in mehr als einem Frequenzband senden und/oder empfangen kann. Die Antenne der vorliegenden Erfindung besitzt ferner die Fähigkeit, gewünschte Elevationsstrahlungsmuster in jedem Frequenzband zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung wird vorzugsweise beim Empfang von CP-Signalen von Global-Positioning-System (GPS)-Satelliten verwendet und für die Übertragung und den Empfang von CP-Signalen von L-Band-Kommunikationssatelliten (z.B. von Signalen, die innerhalb des International Maritime Satellite System (INMARSAT)-Dienstes verwendet werden), ist jedoch nicht auf die Verwendung mit den oben genannten Systemen beschränkt. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auch für Mehrfrequenz-Kommunikationen, die CP-Signale verwenden, genutzt werden, für welche kugelförmige Drehfunkmuster mit speziell angepasstem Höhenwinkel erforderlich sind.
Bei der vorliegenden Erfindung teilen zwei oder mehr Drehkreuzantennenstrukturen eine gemeinsame Symmetrieachse und einen gemeinsamen Reflektor. Verschiedene Konstruktionsmerkmale (z.B. Längen, ihre Positionen entlang der Symmetrieachse, Neigungen zu einem Reflektor und Ähnliches) von ausstrahlenden Elementen gekreuzter Dipol-Paare werden vorzugsweise selektiert, um die zuvor genannten Strahlungsmerkmale zu erzielen.
Insbesondere die vorliegende Erfindung sieht eine zirkular polarisierte Multifrequenzantenne vor. Die Antenne umfasst einen Reflektor mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, ein erstes gekreuztes Dipol-Paar mit einer ersten Resonanzfrequenz und ein zweites gekreuztes Dipol-Paar mit einer zweiten Resonanzfrequenz. Das erste und das zweite Dipol-Paar sind symmetrisch an der ersten Seite des Reflektors angeordnet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den beiliegenden Zeichnungen offenbart, wobei ähnliche Bezugszeichen ähnliche Elemente in den verschiedenen Ansichten darstellen und wobei gilt:
1 ist eine Draufsicht einer Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Rissansicht der Antenne aus 1, welche einen der zwei Sätze gekreuzter Dipole zeigt;
3 ist ein schematisches Diagramm, welches die relative Phase zwischen den Dipol-Elementen in der Anordnung in 1 zeigt; und
4 ist eine perspektivische Ansicht der Antenne in 1.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit Bezug zu den 1–3 umfasst eine erfindungsgemäße Antenne vorzugsweise einen Reflektor 10, der ein Paar Leiterplatten 40a und 40b trägt. Der Reflektor 10 ist vorzugsweise planar. Es wird darauf hingewiesen, dass der Reflektor 10 nicht planar sein muss. In alternativen Ausführungsformen kann der Reflektor daher gekrümmte oder hohle Flächen oder anders geformte technisch bekannte Flächen aufweisen. Die Antenne ist zum Wetterschutz in einem Radom (nicht gezeigt) aufgenommen.
Der Reflektor 10 weist vorzugsweise die Form eines Kreises auf, wie in 1 gezeigt ist. Der Durchmesser des kreisförmigen Reflektors beträgt ungefähr 8 Zoll. Alternativ kann der Reflektor 10 jede quadrantalsymmetrische Form, wie beispielsweise ein Quadrat oder ein Achteck, aufweisen. Eine zu dem Reflektor 10 orthogonale, vertikale Achse verläuft durch dessen Mitte. Die vertikale Achse ist auch die Symmetrieachse der Antenne. Die Sende- und Empfangsmerkmale der Antenne betreffen primär den „Halbraum" über einer den Reflektor 10 umfassenden Ebene. Der Reflektor 10 bestimmt auch eine Grundebene unter der Antenne für elektromagnetische Isolierungsschaltkreise und andere Strukturen unterhalb des Reflektors 10 der Antenne.
Die Leiterplatten 40a und 40b umfassen ein Paar gegenüberliegender Schlitze (nicht gezeigt), die wenigstens halb durch die Mitte der zwei Leiterplatten geschnitten sind und ermöglichen, dass die zwei Platten ineinander gesteckt werden, was zu einer ineinander greifenden Struktur führt. Jede Leiterplatte ist vorzugsweise aus Hochfrequenzleitermaterial gefertigt, 0,031 Zoll dick, mit galvanischem Kupfer an beiden Seiten (z.B. Typ RO4003 von Rogers Corporation, Chandler, AZ). Andere Leiterplattenmaterialien können abhängig von den elektrischen Eigenschaften des Materials und den gewünschten Betriebsfrequenzen verwendet werden. Bei der Verwendung von üblicher Leiterplattentechnologie sind die Leiterplatten 40a und 40b geätzt, um den galvanischen Kupfer zu entfernen. Dies hinterlässt Kupferbahnen an entgegen gesetzten Seiten der Leiterplatten 40a und 40b, welche die Strahlungselemente 20a–d, 30a–d und die Versorgungsbahnen 22a–d, 32a–d bilden. Die Breite der Kupferbahnen entspricht im Wesentlichen 0,1 Zoll. Um ein gleiches elektrisches Feldpotenzial zwischen den Leitern an entgegen gesetzten Seiten der Platten zu erhalten, sind plattierte Löcher 50 vorzugsweise alle 0,2 Zoll entlang der Mitte der Kupferbahnen angebracht, wie in 2 durch schwarze Punkte gezeigt. Entsprechend sind die Kupferbahnen auf den Leiterplatten 40a und 40b zur Korrosionsprävention Zinn-Blei-plattiert. Die oben genannten Werte für die Leiterplattendicke, die Leiterbahnenbreite und die Abstände der plattierten Löcher können je nach Wunsch gewählt werden, sollten jedoch vorzugsweise nicht mehr als 5% der Wellenlänge der höchsten Betriebsfrequenz der Antenne betragen.
Die Kupferbahnen (d.h. Leiter) auf den Leiterplatten 40a und 40b bilden eine erste Drehkreuzantenne (d.h. ein erstes Paar gekreuzter Dipol-Antennen), die innerhalb eines ersten Frequenzbands arbeitet, und eine zweite Drehkreuzantenne (d.h. ein zweites Paar gekreuzter Dipol-Antennen), die innerhalb eines zweiten Frequenzbands arbeitet. Die erste Antenne umfasst Strahlungselemente 20a–d, die mit den Versorgungsbahnen 22a–d verbunden sind. Die zweite Antenne umfasst Strahlungselemente 30a–d, die mit den Versorgungsbahnen 32a–d verbunden sind. In dem Reflektor 10 ermöglichen Löcher 24a–d für die erste Drehkreuzantenne und Löcher 34a–d für die zweite Drehkreuzantenne eine Verbindung der entsprechenden Versorgungsbahnen mit den unter dem Reflektor 10 befindlichen Schaltkreisen (nicht gezeigt).
Strahlungselemente 20a–d der ersten Drehkreuzantenne und zugehörige Versorgungsbahnen 22a–d und Strahlungselemente 30a–d der zweiten Drehkreuzantenne und zugehörige Versorgungsbahnen 32a–d sind in 90°-Abständen um die vertikale Achse des Reflektors 10 herum angeordnet. Dies ermöglicht, dass jede der ersten und der zweiten Drehkreuzantenne in Kombination mit dem Reflektor, Quadrantalsymmetrie zur vertikalen Achse zeigt. Wenn sich als Resultat Signale gleicher Größe, wie in 4 gezeigt, in der relativen Phasenrotation von 0°, 90°, 180° und 270° entweder auf Versorgungsbahnen 22a–d in Kombination oder auf Versorgungsbahnen 32a–d in Kombination verbreiten, überträgt oder empfängt die entsprechende erste oder zweite Drehkreuzantenne eine CP-elektromagnetische Welle entlang der vertikalen Achse.
Es gibt viele bekannte Trennungs-/Synchronisierungsschaltkreise, welche ein Signal in vier Signale gleicher Amplitude mit relativen Phasen von 0°, 90°, 180° und 270° trennen können. Beispiele geeigneter Trennungs-/Synchronisierungsschaltkreise umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf einen 180°-Hybridkoppler, welcher zwei 90°-Hybridkoppler versorgt, oder einen 90°-Hybridkoppler, welcher zwei 180°-Hybridkoppler versorgt; und einen 4-Wege-in-Phase-Trenner, welcher vier Übertragungsbahnen versorgt, welche jeweils progressiv um 90° in der Länge zunehmen.
Mit Bezug zu den Leiterplatten 40a und 40b entsprechen die Abstände der Zentren der ersten Antennenversorgungsbahnen 22a–d und der zweiten Antennenversorgungsbahnen 32a–d von der oben im Zusammenhang mit dem Reflektor 10 beschriebenen vertikalen Achse im Wesentlichen 0,1 Zoll und 0,3 Zoll. Die Längen der ersten und der zweiten Antennenversorgungsbahnen 22a–d und 32a–d entsprechen im Wesentlichen 3,762 und 3,562 Zoll und die Längen der ersten und des zweiten Antennenstrahlungselemente 20a–d und 30a–d entsprechen im Wesentlichen 2,593 und 2,360 Zoll. Die Strahlungselemente 20a–d der ersten (Niedrigband) Drehkreuzantenne sind vorzugsweise in einem Winkel geneigt, der im Wesentlichen 12,5° unter der Horizontale entspricht, und die Strahlungselemente 30a–d der zweiten (Hochband) Drehkreuzantenne sind vorzugsweise in einem Winkel geneigt, der im Wesentlichen 60° unter der Horizontale entspricht.
Es wird darauf hingewiesen, dass Fachleute erkennen werden, dass es abhängig von den Betriebsfrequenzen und der gewünschten Leistung eine große Bandbreite möglicher Maße gibt, welche eine nützliche Multifrequenz-CP-Antenne aufweisen kann. Die resultierenden Antennenimpedanzen können zusätzliche, zur Impedanz zugehörige Strukturen erforderlich machen. Die Längen der Strahlungselemente werden bei den entsprechenden Betriebsfrequenzen nominell 0,25λ betragen, können jedoch abhängig von den anderen Maßen und von der Tatsache, ob Impedanz-angleichende Schaltkreise inbegriffen sind oder nicht, um wesentliche Werte länger oder kürzer sein. Beispielsweise können sie im Bereich von 0,20λ–0,35λ liegen. In ähnlicher Weise betragen die Längen der Versorgungsbahnen nominell 0,5λ, können jedoch wesentlich variieren. Beispielsweise können sie im Bereich von 0,35λ–0,55λ liegen. Die Neigungswinkel der Strahlungselemente und die Abstände der Versorgungsbahnen von der vertikalen Achse beeinflussen die Leistung ebenfalls und können einen wesentlichen Bereich von Werten aufweisen.
Obgleich die oben beschriebenen gekreuzten Dipol-Paare der vorliegenden Erfindung lineare Dipolelemente verwenden, können andere Typen von Elementen in verschiedenen Kombinationen ebenfalls verwendet werden, wie beispielsweise, aber nicht ausschließlich, segmentierte, lineare, bogenförmige, gefaltete Dipol-Elemente sowie Elemente mit weniger spezifischen, zweidimensionalen Formen. Ferner ist die Erfindung nicht auf die Geometrie der bevorzugten Ausführungsform beschränkt, bei welcher die gekreuzten Dipol-Antennen drehbar ausgerichtet sind. Beispielsweise können die gekreuzten Dipol-Antennen zueinander in einem Drehwinkel von 45° zu der gemeinsamen Drehachse (d.h. der oben in Zusammenhang mit dem Reflektor 10 beschriebenen vertikalen Achse) angeordnet sein. Ferner kann eine Übertragungsversorgungsbahn, wie hierin beschrieben, mit Quadrantalsymmetrie und vier Leiterbahnen zusätzlich beispielsweise einen an dem Reflektor geerdeten einzelnen Schirm umfassen, der alle Versorgungsbahnenleiter umgibt, oder geerdete Schirme umfassen, die jeweils einen Versorgungsbahnleiter umgeben, sodass jedes Leiter-Schirm-Paar eine koaxiale Übertragungsbahn bildet.
Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Drehkreuzantennen in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sein können, wodurch eine Betriebsfähigkeit bei entsprechenden zusätzlichen Frequenzen vorgesehen wird. Darüber hinaus können die gekreuzten Dipol-Paare und die Übertragungsbahnversorgungen in verschiedenen Kombinationen verbunden sein, was bei der Verwendung in Kombination mit speziellen Systemkomponenten einschließlich Transmitter, Empfänger, Multiplexer und Phasennetzwerken vorteilhafter erscheint. Beispielsweise kann ein Satz Versorgungsbahnen mit zwei Sätzen von Strahlungselementen verbunden sein.
Die Antenne der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise in einem System verwendet, welches von einem terrestrischen Fahrzeug aus arbeitet, wobei die Antenne oben auf dem Fahrzeug angebracht ist, sodass der Reflektor 10 parallel zum Boden ist, wenn das Fahrzeug waagerecht steht. Da das Fahrzeug in einer beliebigen Richtung ausgerichtet sein kann, ist es wünschenswert, dass das Antennenstrahlungsmuster eine im Wesentlichen kugelförmige Ausrichtung aufweist (d.h. mit geringer Variation in Azimut) und dass es ferner für einen Betrieb vom Äquator bis zu höheren Breitengraden eine vernünftige Abdeckung vom Zenith abwärts zu niedrigen Erhebungswinkeln gibt.
Die bevorzugten Betriebsfrequenzen der Antenne der vorliegenden Erfindung sind:
Es wird darauf hingewiesen, dass eine zufriedenstellende Leistung durch den Betrieb der Antenne in zwei Frequenzbändern erzielt werden kann – einem niedrigen Band für das GPS L2-Signal und einem hohen Band, das den L-Band-Empfang, GPS L1 und L-Band-Empfangssignale einschließt. Die erste Drehkreuzantenne mit den Strahlungselementen 20a–d arbeitet vorzugsweise im niedrigen Band und die zweite Drehkreuzantenne mit den Strahlungselementen 30a–d arbeitet vorzugsweise im hohen Band.
Der Betrieb im hohen Band führt zu einer starken Signalkopplung von der zweiten Drehkreuzantenne zu der ersten Drehkreuzantenne, was zu einer starken Verstimmung oder einem Verlust der Signalstärke durch das Koppeln von Hochbandsignalen mit den Niedrigbandschaltungen unterhalb des Reflektors 10 führen kann.
Diese Effekte werden durch die Verwendung eines Satzes Blindübertragungsleitungen abgemildert. Jede Stichleitung ist im hohen Band ungefähr eine viertel Wellenlänge lang. Eine Stichleitung ist im Shunt mit jeder der Niedrigbandschaltungen unter dem Reflektor 10 in der Nähe jedes der Löcher 24a–d verbunden, durch welche die zugehörigen Niedrigband-Versorgungsbahnen 22a–d verbunden sind. Jede Stichleitung weist eine sehr geringe Shunt-Impedanz im hohen Band auf, wodurch die zugehörige Niedrigbandschaltung entkoppelt wird. Der Betrieb im niedrigen Band führt zu einer vernachlässigbaren Signalkopplung von der ersten Drehkreuzantenne zu der zweiten Drehkreuzantenne, und daher sind entsprechende Niedrigband-Entkopplungsstichleitungen nicht erforderlich.

Claims

Zirkular polarisierte Multifrequenzantenne, umfassend: eine erste Leiterplatte (40a) mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche, wobei die erste Leiterplatte an der ersten Fläche gebildete Leitungsbahnen (20a, 20c) umfasst; eine zweite Leiterplatte (40b) mit einer dritten Fläche und einer vierten Fläche, wobei die zweite Leiterplatte an der dritten Fläche gebildete Leitungsbahnen (20b, 20d) umfasst, wobei die Leiterplatten so zusammengefügt sind, dass sie sich in einem vorbestimmten Winkel zueinander schneiden; und ein erstes, gekreuztes Dipol-Paar (20a–20d) mit einer ersten Resonanzfrequenz; dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterplatte auch an der zweiten Fläche gebildete Leitungsbahnen (20a, 20c, 30a, 30c) aufweist; die zweite Leiterplatte auch an der vierten Fläche gebildete Leitungsbahnen (20b, 20d, 30b, 30d) aufweist; das erste gekreuzte Dipol-Paar (20a–20d) einen ersten Satz der an der ersten Fläche, der zweiten Fläche, der dritten Fläche und der vierten Fläche angeordneten Leitungsbahnen (20a–20d) umfasst; und ein zweites gekreuztes Dipol-Paar (30a–30d) eine zweite Resonanzfrequenz aufweist und eine gemeinsame Symmetrieachse mit dem ersten Dipol-Paar aufweist, wobei das zweite gekreuzte Dipol-Paar einen zweiten Satz der an der ersten Fläche, der zweiten Fläche, der dritten Fläche und der vierten Fläche gebildeten Leitungsbahnen (30a–30d) umfasst.
Antenne nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Dipol-Paar so konfiguriert sind, dass sie mit gleicher Leistung in einer relativen Phasenfolge von 0°, 90°, 180° und 360° gespeist werden.
Antenne nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, welche ferner umfasst: einen Reflektor (10), wobei das erste und das zweite gekreuzte Dipol-Paar an einer Seite des Reflektors angeordnet sind.
Antenne nach Anspruch 3, wobei der Reflektor (10) eine planare, kreisförmige Form aufweist und ein Durchmesser des planaren, kreisförmigen Reflektors im Wesentlichen einer durchschnittlichen Wellenlänge zwischen der ersten und der zweiten Resonanzfrequenz entspricht.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die erste Resonanzfrequenz im Wesentlichen 1227.6 MHz entspricht und die zweite Resonanzfrequenz im Wesentlichen 1575.42 MHz entspricht.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–5, wobei das zweite gekreuzte Dipol-Paar (30a–30d) ferner zum Empfangen eines Signals mit einem Frequenzbereich, der 1520 bis 1560 MHz umfasst, und zum Übermitteln eines Signals mit einem Frequenzbereich, der 1620 bis 1660 MHz umfasst, konfiguriert ist.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–5, wobei das zweite gekreuzte Dipol-Paar (30a–30d) einen Betriebsfrequenzbereich aufweist, der 1520 bis 1560 MHz umfasst.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–7, wobei die Leitungsbahnen aus galvanisiertem Kupfer geätzt sind.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–8, wobei die Leitungsbahnen eine Vielzahl von Versorgungsbahnen (22a–22d, 32a–32d) und eine Vielzahl von Strahlungsbahnen (20a–20, 30a–30d) umfassen, von denen jede mit einer der Vielzahl von Versorgungsbahnen gekoppelt ist.
Antenne nach Anspruch 9, wobei jede Versorgungsbahn (22a–22d) der ersten gekreuzten Dipol-Antenne eine Länge in einem Bereich von 0,35 bis 0,55-mal eine Wellenlänge entsprechend einer Betriebsfrequenz der ersten gekreuzten Dipol-Antenne aufweist.
Antenne nach Anspruch 9, wobei die Vielzahl von Strahlungsbahnen (20a–20d, 30a–30d) Strahlungsbahnen (20a–20d) der ersten gekreuzten Dipol-Antenne umfasst, die verglichen mit einer planaren Fläche des planaren Reflektors um ungefähr 12.5° geneigt sind.
Antenne nach Anspruch 9, wobei die Vielzahl von Strahlungsbahnen (20a–20d, 30a–30d) Strahlungsbahnen (30a–30d) der zweiten gekreuzten Dipol-Antenne umfasst, die verglichen mit einer planaren Fläche des planaren Reflektors um ungefähr 60° geneigt sind.
Verfahren der Verwendung einer zirkular polarisierte Multifrequenzantenne gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste und das zweite Dipol-Paar mit gleicher Leistung in einer relativen Phasenfolge von 0°, 90°, 180° und 360° gespeist werden.