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Die
Erfindung betrifft doppelt polarisierte Antennen.
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Heute
nutzt eine zunehmende Zahl von drahtlosen Telekommunikationssystemen
ein Polarisations-Diversity-System, um die unerwünschte Wirkung des Mehrwegeschwunds
zu überwinden,
der durch vielfache Reflektierung von Funksignalen in einer Mobilfunkumgebung
verursacht wird. Mehrwegeschwund bewirkt unvorhersehbare Veränderungen der
Phasen- und Polarisationskennlinien der Signale und führt oft
zu einer Verstärkung
oder in einigen Fällen
zu einer Aufhebung von Signalen an bestimmten Orten. Diese durch
Mehrwegeschwund verursachte zufällige
und starke Schwankung der Signalstärke kann daher die Leistung
und Zuverlässigkeit
eines Systems stark beeinflussen und führt in Extremfällen zu
kurzzeitigem Verlust der Kommunikation zwischen mobilen Einheiten
und Basisstationen.
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Bei
einem Polarisations-Diversity-System sind die nicht korrelierten
Funkwege durch zwei orthogonale Polarisationen vorgesehen, die üblicherweise
entweder Polarisationen in vertikaler und horizontaler Ebene oder
in um +45° und –45° geneigten Ebenen
sind. Einer der Hauptvorteile der Verwendung von Polarisations-Diversity
liegt darin, dass die Antennenelemente, die nötig sind, um die beiden Polarisationen
zu liefern, physisch einteilig sein und als einzelne Antenneneinheit
hergestellt werden können. Dieser
Antennentyp wird üblicherweise
als doppelt polarisierte Antenne bezeichnet.
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Eine
doppelt polarisierte Antenne muss bestimmten elektrischen Bestimmungen
entsprechen, von denen die Port-zu-Port-Isolation zwischen den beiden
Polarisationen für
Systembediener von besonderer Bedeutung ist, da sie den Vorteil
bietet, dass die Leistung, die andere teure Systemkomponenten in
einer Basisstation erbringen müssen,
verringert wird.
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Die
veröffentlichte
PCT-Patentbeschreibung WO 99/05754 zeigt verschiedene Arrays von
doppelt polarisierten Antennen, bei denen die Port-zu-Port-Isolation
verbessert wird, wobei parasitäre
Elemente verwendet werden, die die Antennenelemente umgeben oder
flankieren und die seitlich von den Antennenelementen beabstandet
angeord net sind und einen offenen rahmenartigen Aufbau haben, und
offenbart den Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Viele
doppelt polarisierte Antennen sind so aufgebaut, dass Mikrostreifen-Übertragungsleitungen verwendet
werden, um das Speise-/Empfangsnetz zu bilden, das Signale der beiden
Polarisationen zu den abstrahlenden Elementen in der Antenne und von
diesen weg trägt.
Die abstrahlenden Elemente, die in der Lage sind, doppelt polarisierte
Signale abzustrahlen und zu empfangen, sind mit einer Feldtechnologie
aufgebaut, weil damit geringere Herstellungskosten und das gewünschte schlanke
Profil der Antenne verbunden sind. Diese abstrahlenden Felder sind
mit den Speise-/Empfangskanälen verbunden,
wobei Öffnungskopplungstechniken
oder andere Formen der Kopplung verwendet werden.
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Erfindungsgemäß wird eine
Antenne für
die Übertragung/den
Empfang von doppelt polarisierten Funksignalen zur Verfügung gestellt,
wobei die Antenne Speiseleitungen, ein abstrahlendes Feld, eine Tafel
und ein parasitäres
Element umfasst, wobei die Speiseleitungen HF-Signale zu dem abstrahlenden Feld
hin und von diesem weg speisen, wobei das abstrahlende Feld von
quadratischer oder kreisförmiger Gestalt
ist und das Feld parallel zu der Tafel befestigt ist, wobei die
Tafel oder eine leitende Oberfläche
darauf als eine Masseebene wirkt und wobei das parasitäre Element
als ein abstrahlendes Element zum Aufheben unerwünschter Kreuzkopplungen durch
Strahlung in der Nähe
des Felds wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das parasitäre Element
in dem Raum zwischen dem abstrahlenden Feld angeordnet ist.
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Bevorzugt
werden das Feld und das parasitäre
Element durch Metallbereiche gebildet, die auf zueinander gegenüberliegenden
Oberflächen
einer Feldtafel ausgebildet sind, die zweckmäßigerweise auf der Stütztafel
in einer beabstandeten parallelen Beziehung dazu angebracht ist.
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Der
Metallbereich, der das parasitäre
Element bildet, hat bevorzugt die Form eines länglichen Streifens, zweckmäßigerweise
eines gekrümmten Streifens.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist das parasitäre
Element ein teilweise kreisförmiger Metallstreifen,
der einem Winkel von etwa 270°,
der bezüglich
des abstrahlenden Felds symmetrisch angeordnet ist, gegenüberliegt.
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Der
Metallbereich des Felds ist bevorzugt durch unbeschichtete Metallbereiche
kapazitiv an zwei metallbeschichtete Bereiche gekoppelt, die entlang
orthogonaler Achsen ausgerichtet sind, um die orthogonal polarisierten
Funksignale zu verarbeiten, wobei die beiden metallbeschichteten
Bereiche einen Teil der Speise-/Empfangsmittel bilden.
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Das
abstrahlende Feld und das parasitäre Element können eine
Feldanordnung bilden, und die Antenne kann eine Vielzahl solcher
Feldanordnungen aufweisen, wobei in diesem Fall die Speise-/Empfangsmittel
bevorzugt die Form eines Speise-/Empfangsnetzes in Form von leitfähigen Bahnen annehmen,
die durch auf der Stütztafel
aufgebrachte leitfähige
Metallbereiche gebildet werden.
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Das
Vorsehen des parasitären
Elements erzielt eine hohe Port-zu-Port-Isolation einer doppelt polarisierten
Antenne.
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Eine
bevorzugte Antenne umfasst einen Array von vier getrennten abstrahlenden
und empfangenden Feldanordnungen, die in der Lage sind, zwei unabhängige und
orthogonal polarisierte Signale gleichzeitig zu verarbeiten. Es
gibt zwei Eingabeports für
jede Feldanordnung, und die Ports, die den beiden Polarisationen
entsprechen, sind kapazitiv mit den entsprechenden Bahnen des Speise-/Empfangsnetzes
gekoppelt. Die parasitären
Elemente, die einen Teil der Feldanordnungen bilden, sehen einen Mechanismus
vor, der die unerwünschten
Kreuzpolarisationskopplungen, die durch Abstrahlung in der Nähe der Feldanordnungen
verursacht werden, wirksam reduziert.
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Eine
erfindungsgemäße Antenne
wird nun beispielartig unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 eine
isometrische Ansicht der Antenne ist,
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2 die
Antenne mit ihren Hauptbauteilen in Explosionsansicht zeigt, wobei
jedoch bestimmte Einzelheiten der Klarheit halber weggelassen sind,
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3 eine
Ansicht der unteren Tafel und der oberen Tafel einer Feldanordnung
der Antenne von 2 ist, und
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4 eine
Einzelheit einer Feldanordnung der Antenne zeigt,
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5 eine
Draufsicht auf die Antenne ist, gesehen in der Richtung des Pfeils
II von 2, wobei jedoch bestimmte Einzelheiten der Klarheit
halber weggelassen sind, und
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6 in
Explosionsansicht die Teile einer vereinfachten, ebenfalls erfindungsgemäßen Antenne
zeigt.
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Die
in der Zeichnung gezeigte Antenne ist eine doppelt polarisierte
Flachform-Breitbandantenne,
die in der Lage ist, orthogonal polarisierte Funksignale zu empfangen
und zu übertragen
(entweder sequenziell oder simultan). Die Antenne umfasst einen
Array von vier Feldanordnungen 1, 2, 3, 4 und eine
längliche
geerdete Tafel 5. Die Tafel 5 und die Feldanordnungen 1, 2, 3, 4 sind
dielektrische Materialien in vorher bestimmten Mustern auf einer
oder beiden Oberflächen,
die mit Kupfer plattiert werden, bevorzugt durch einen Ätzvorgang.
Die Tafel 5 und die vier Feldanordnungen 1, 2, 3, 4 sind
auf einer länglichen
Stützbasistafel 6 aus
Aluminium angebracht.
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Die
Feldanordnungen 1, 2, 3 und 4 sind
in diesem Fall identisch, und jede umfasst ein Paket aus zwei kreisförmigen Tafeln.
Alternativ können
die Tafeln entweder quadratisch oder eine Kombination aus kreisförmig und
quadratisch sein. Die untere kreisförmige Tafel 11 wird
bezüglich
der Tafel 5 direkt unter ihr durch einen isolierendes Abstandselement in
beabstandeter paralleler Beziehung gehalten. Die untere Oberfläche der
unteren kreisförmigen
Tafel 11 weist ein parasitäres abstrahlendes Element 12 auf, das
durch eine Kupferbahn gebildet wird, die auf der unteren Oberfläche der
Tafel 11 aufgebracht ist. Die obere Oberfläche der
unteren kreisförmigen
Tafel 11 ist kreisförmig
mit Kupfer beschichtet, mit Ausnahme zweier bogenförmiger Schlitze 13, 14.
Die beiden Schlitze 13, 14 sind unbedeckte Bereiche
auf der ansonsten kupferbeschichteten Oberfläche, die die beiden Kupferbereiche 15, 16,
die von den beiden Schlitzen 13, 14 gebildet werden,
von dem übrigen Bereich 17 der
Kupferbeschichtung trennen. Die beiden Schlitze 13, 14 sind
nah an dem Rand der kreisförmigen
Tafel und symmetrisch bei 45° bezüglich der Symmetrieachse
angeordnet, die mittig zwischen den beiden Bereichen 15 und 16 hindurchgeht.
Das parasitäre
Element 12 ist bezüglich
dieser Achse ebenfalls symmetrisch, wobei es einem Winkel von 135° auf jeder
Seite der Achse gegenüberliegt.
Außerdem
ist das Element 12 vollständig innerhalb des Raums angeordnet,
der zwischen dem Beschichtungsbereich 17 und der Tafel 6 gebildet
wird. In diesem Fall ist das Element 12 vollständig innerhalb
des Raums angeordnet, der zwischen dem Beschichtungsbereich 17 und
der Tafel 5 gebildet wird, und liegt innerhalb des planen
Bereichs oder der „Bodenfläche" des Bereichs 17.
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Die
obere kreisförmige
Tafel 18 jeder Feldanordnung wird durch ein isolierendes
Abstandselement in beabstandeter paralleler Beziehung bezüglich der
unteren kreisförmigen
Tafel 11 direkt unter ihr gehalten. Die obere kreisförmige Tafel 18 ist
aus dielektrischem Material mit einem kreisförmigen Muster aus einer Kupferbeschichtung 19 auf
der unteren Oberfläche
der Tafel hergestellt. Diese obere kreisförmige Tafel kann aus einem
festen Metall wie Aluminium hergestellt sein.
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Es
ist klar, dass sowohl die Oberfläche 19 als auch
der Bereich 17 als abstrahlende Felder wirken.
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Die
obere Oberfläche
der Tafel 5 ist kupferbeschichtet, während die untere Oberfläche ein
Speise-/Empfangsnetz aufweist, das zwei Kanäle 20 und 21 umfasst,
die jeder in einem jeweiligen Ausgang 22 oder 23 enden.
Die Kanäle 20 und 21 sind
im Wesentlichen Spiegelbilder zueinander und sind durch Kupferbahnen
gebildet, die auf der unteren Oberfläche der Tafel 5 aufgebracht
sind. Jeder Kanal teilt sich in vier getrennte Speiseleitungen 20a, 20b, 20c, 20d bzw. 21a, 21b, 21c und 21d.
Jede Speiseleitung endet in einem offenen Schaltkreis, wobei ein
kleiner Metallstift 24 verwendet wird, um die entsprechende Speiseleitung
durch die Tafel 5 mit der unteren kreisförmigen Tafel
einer Feldanordnung zu verbinden. Die Feldanordnungen 1, 2, 3, 4 und
die Tafel 5 werden auf der Basisstütztafel 6 durch ein
Abstandselement 25 gestützt
(4).
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Beim
Betrieb als Übertragungsantenne
werden Eingabesignale an die Ausgänge 22 und 23 angelegt,
wobei die Signale, die in einer Ebene polarisiert sind, an den Ausgang 22 angelegt
werden, und die Signale, die in der orthogonalen Ebene polarisiert sind,
an den Ausgang 23 angelegt werden. Die Eingabesignale werden
entlang der Speisekanäle 20 und 21 zu
den Speiseleitungen 20a, 20b, 20c, 20d bzw. 21a, 21b, 21c, 21d geleitet.
An dem offenen Ende jeder Speiseleitung leitet der leitende Stift 24 die
Signale von der entsprechenden Speiseleitung zu dem Bereich 15 oder 16.
Durch kapazitive Kopplung durch die Schlitze 13, 14 werden
Signale mit dem Bereich 17 der Kupferbeschichtung an der
oberen Oberfläche
der unteren kreisförmigen
Tafel gekoppelt. Die Position (d.h. der Abstand vom Rand) und die
Dimension (d.h. die Bogenlän ge)
der beiden Schlitze 13, 14 werden so gewählt, dass
sie die beste Impedanzanpassung bieten. Die relative Durchlässigkeit,
Dicke und Dimensionen der unteren Tafel und der oberen kreisförmigen Tafel
der Feldanordnung werden für eine
optimale Breitband-Impedanzanpassung gewählt, wobei die obere kreisförmige Tafel
elektromagnetisch mit dem Bereich 17 gekoppelt ist.
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Unerwünschte Kreuzkopplungen,
die durch Strahlung von innerhalb der Feldanordnungen 1, 2, 3, 4 verursacht
wird, werden durch die parasitären
Elemente 12, die an den unteren Oberflächen der unteren kreisförmigen Tafeln
ausgebildet sind, wesentlich reduziert. Jedes parasitäre Element 12 wirkt
als Abstrahlungselement, das Energie der beiden Polarisationen in
die Nähe
der Feldanordnung abstrahlt. Diese Abstrahlung kann, wenn sie richtig
eingestellt ist, aktiv unerwünschte
Kreuzkopplungsabstrahlung in dem Bereich aufheben, was zu einer
hohen Isolation zwischen den Polarisationen führt. Die Position, Form, Länge und
Breite jedes parasitären
Elements sind für
eine optimale Isolation auf den relevanten Frequenzen gewählt.
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6 stellt
eine vereinfachte Antenne dar, die nur eine Feldanordnung aufweist,
deren Aufbau einer der Feldanordnungen 1 bis 4 von 1 bis 4 entspricht.
Der Antenne von 6 fehlt die Tafel 5 und
die Speise-/Empfangsbahnen, wobei Signale durch leitfähige Kabelstäbe oder
-stifte 26 zu den entsprechenden Bereichen 15, 16 geleitet
werden. Wie zuvor sind die Bereiche 15, 16 kapazitiv
an den Hauptleitbereich 17 an der oberen Oberfläche der
unteren Tafel 11 gekoppelt, deren untere Oberfläche ein gekrümmtes parasitäres Element 12 aufweist,
das einem Winkel von ungefähr
270° gegenüberliegt
und bezüglich
der Bereiche 15 und 16 symmetrisch angeordnet
ist. Das parasitäre
Element 12 liegt vollständig innerhalb
des Raums, der zwischen dem Beschichtungsbereich 17 und
der Tafel 6 gebildet wird, und innerhalb des planen Bereichs
oder der „Bodenfläche" des Beschichtungsbereichs 17.