DE60127438T2

DE60127438T2 - Hochfrequenz-isolationskarte

Info

Publication number: DE60127438T2
Application number: DE60127438T
Authority: DE
Inventors: Joseph R. Flower Mound IPPOLITO
Original assignee: Andrew LLC
Current assignee: Commscope Technologies LLC
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2001-11-15
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2021-11-16
Also published as: EP1334537A4; US6515633B2; EP1334537B1; CA2429184C; US20030214452A1; ES2284728T3; US6933905B2; WO2002041451A1; AU2002227047A1; CA2429184A1; US20020101388A1; EP1334537A1; ATE357752T1; DE60127438D1

Description

Stellungnahme bezüglich verwandter Anmeldungen
Die vorliegende Anwendung beansprucht Vorrang vor der vorläufigen Anmeldung mit dem Titel "Hochfrequenz-Isolationskarte" eingereicht am 17. November 2000 und bezeichnet mit der U.S. Anmeldungsseriennummer 60/249,531.
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Antennen zum Übertragen von elektromagnetischen Signalen und spezieller auf eine Verbesserung der Empfindlichkeit einer dual polarisierten Antenne durch Erhöhung der Isolierungseigenschaft der Antenne.
Hintergrund der Erfindung
Viele Typen von Antennen befinden sich heute im breiter Anwendung überall in der Kommunikationsindustrie. Die Antenne ist eine im speziellen kritische Komponente geworden für ein effektives drahtloses Kommunikationssystem auf Grund von jüngsten Fortschritten der Technologie in Bereichen wie Personalkommunikationsnetzen (PCS) und kommerzieller öffentlicher Mobilfunk (CMRS). Ein Antennentyp, der vorteilhafte Eigenschaften zur Verwendung bei der heutigen Mobilfunkindustrie besitzt ist die dual polarisierte Antenne, die einen Dipol-Strahler mit zwei strahlenden Unter-Elementen verwendet, die polaritätsspezfisch sind, um Signale bei zwei unterschiedlichen Polarisationen zu übertragen und zu empfangen. Dieser Antennentyp wird zunehmend vorherrschend bei der Drahtlos-Kommunikationsindustrie auf Grund der Polarisationsdiversity-Eigenschaften, welche der Antenne inhärent sind und die verwendet werden, um die Kapazität der Antenne zu erhöhen und die schädlichen Effekte von Schwund und Ausbuchen zu vermindern, welche sich oft aus den heutigen komplexen Ausbreitungsumgebungen ergeben.
Dual polarisierte Antennen werden üblicherweise in der Form von einer Antennengruppe ausgelegt und besitzen ein Verteilnetz verknüpft mit jedem der beiden Unterelemente des Dipols. Eine dual polarisierte Antenne ist gekennzeichnet dadurch, dass sie zwei Antennenverbindungsendstellen oder -anschlüsse besitzt zur Übertragung von Signalen an die Antenne, die übermittelt werden sollen und zur Ausgabe von Signalen von der Antenne, die empfangen wurden. Somit dienen die Verbindungsanschlüsse jederzeit sowohl als Eingabeanschlüsse wie als Ausgabeanschlüsse oder beide gleichzeitig, abhängig von dem Übertragungs- oder Empfangsbetriebsmodus der Antenne.
Ein unerwünschtes Streusignal kann an einem dieser Anschlüsse als einen Ergebnis eines Signals, das an dem entgegengesetzten Anschluss vorhanden ist auftreten und ein Teil dieses Signals kann unerwünscht mit dem entgegengesetzten Anschluss elektrisch gekoppelt sein. Ein Streusignal kann auch durch eine selbstinduzierte Kopplung erzeugt werden, wenn sich ein Signal durch einen Stromteiler und ein Speisenetz fortpflanzt.
Die Messung von Streusignalen ist entsprechend der konventionellen Technik in 1 dargestellt. Eine Hauptübertragungssignal a1 kann bei Anschluss 35 eingegeben werden. Dieses Übertragungssignal a1 wird durch die Antennenelemente 11 fortgepflanzt, die mit dem Anschluss 35 gekoppelt sind, wenn diese Antennenelemente 11 in einem Übertragungsmodus arbeiten. Ein unerwünschtes Streusignal b1 kann an Anschluss 35 gemessen werden als ein Ergebnis davon, dass ein Übertragungssignal a1 Teile des Speisenetzes wie ein Verteilnetz 15 erregt.
Bei einem anderen Beispiel kann ein unerwünschtes Streusignal b1 an dem Anschluss 35 gemessen werden, wenn ein Übertragungssignal a2 bei dem Anschluss 40 eingegeben wird. Das Übertragungssignal a2 kann Teile des Speisenetzes wie ein Verteilnetz 17 anregen, welches wiederum Antennenelemente 11, 12 oder das Verteilnetz 15 oder beides anregen kann. Man beachte, dass andere Streusignale (nicht gezeigt) an dem Anschluss 40 gemessen werden können, welche durch das Übertragungssignal a2 selbst oder Signale, die bei Anschluss 35 eingegeben werden verursacht werden.
Die Leistung einer dual polarisierten Antenne im Sinne der Übertragung des eingegebenen Signals mit einem geringen Antennenverlust des Signals oder in dem Sinne, dass sie ein Signal empfängt und einen geringen Antennenverlust besitzt bei der Antennen ausgabe von dem empfangenen Signal kann zum großen Teil gemessen werden durch die elektrische Isolierung des Signals zwischen den beiden Verbindungsanschlüssen der Antenne, d.h. die Anschluss/Anschluss-Isolierung an den Verbindungen oder durch die Minimierung des Streusignals b1. Dual polarisierte Antennen können auch Strahlungsisolierungen definiert im Fernfeld der Antenne besitzen, die sich von den Anschluss/Anschluss-Isolierungen unterscheiden, die bei den Antennenarmaturen definiert sind. Der Brennpunkt dieser Erfindungen liegt nicht bei der Fernfeldisolierung, sondern vielmehr bei den Anschluss/Anschluss-Isolierungen bei den Armaturenanschlussstellen einer dual polarisierten Antenne.
Während eine dual polarisierte Antenne unter Verwendung eines einzigen strahlenden Elements ausgebildet werden kann, ist die allgemeinere Struktur eine Antenne mit einer Anordnung von dual polarisierten strahlenden Elementen 10. In der Praxis treten sowohl die Übermittlungs- als auch die Empfangsfunktionen oft gleichzeitig auf und die übertragenen und empfangenen Signale können auch bei der gleichen Frequenz liegen. Somit kann ein beträchtlicher Umfang an einer Aktivität elektrischer Wellen an den Antennenarmaturen oder Anschlüssen stattfinden, was manchmal als Signalsummierungspunkte bezeichnet wird.
Der beträchtliche Umfang an einer Aktivität elektrischer Wellen während gleichzeitiger Übertragung und Empfang von Hochfrequenzsignalen kann wie folgt erklärt werden. Eine schlechte Empfangsempfindlichkeit und eine schlecht abgestrahlte Ausgabe ergeben sich oft auf Grund eines verschlechterten inneren Antennenverlustes, wenn ein Teil von einem der Signale an einem Eingabeanschluss (Anschluss 1) streut oder auf andere Weise als ein Streusignal mit dem anderen Anschluss (Anschluss 2) koppelt. Eine solche Streuung oder unerwünschte Kopplung eines Signals von einem Anschluss zu dem anderen kombiniert sich ungünstig mit dem Signal an dem anderen Anschluss und vermindert die Stärke von beiden Signalen und reduziert somit die Wirkung der Antenne. Wenn eine Anschluss/Anschluss-Isolierung minimal ist, d.h. die Steuerung maximal ist, wird sich das Antennensystem in dem Empfangsmodus schlecht verhalten, dahingehend, dass der Empfang von eingehenden Signalen nur auf die stärksten eingehenden Signale begrenzt sein wird und ihm die Empfindlichkeit fehlt schwache Signale aufzunehmen auf Grund des Vorhandenseins von Streusignalen, die mit den schwächeren erwünschten Signalen interferieren. In dem Übertragungsmodus verhält sich die Anten ne schlecht auf Grund von Streusignalen, welche die Stärke der abgestrahlten Signale herabsetzen.
Die Leistung eines dual polarisierten Antennensystems wird oft durch die Isolierungseigenschaft des Systems und die Minimierung und Eliminierung von Streusignalen diktiert.
US 5 952 983 legt eine Antenne zum Empfang von elektromagnetischen Signalen offen, welche eine Massefläche mit einer Vielzahl von strahlenden Dipolelementen umfasst, die aus orthogonalen Dipolen bestehen. Träger werden mit der Massefläche verbunden, sind senkrecht zu der vertikalen Achse und sind zwischen ausgewählten Dipolstrahlungselementen angebracht. Parasitäre Metallelemente werden auf ausgewählten Trägern angebracht und Ströme, welche erste elektromagnetische Felder anregen an den parasitären Metallelementen angelegt, die zweite elektromagnetische Felder erzeugen. Diese zweiten elektromagnetischen Felder heben Teile der ersten elektromagnetischen Felder auf.
Konventionelle Isolierungstechniken
Eine bekannte Technik zur Minimierung dieses Streusignalproblems besteht in einem Einschließen einer passenden Impedanzanpassung innerhalb des Verteilnetzes von den jeweiligen beiden Signalen. Eine Impedanzfehlanpassung kann das Auftreten von Streusignalen und eine Verschlechterung der Anschluss/Anschluss-Isolierung bewirken, wenn (1) ein Kreuzkopplungsmechanismus innerhalb des Verteilnetzes oder bei den strahlenden Elementen vorhanden ist, oder wenn (2) Reflexionserscheinungen jenseits der strahlenden Elemente vorhanden sind. Eine Impedanzanpassung minimiert den Betrag der Impedanzfehlanpassung, den ein Signal erfährt, wenn es durch ein Verteilnetz läuft und erhöht somit die Anschluss/Anschluss-Isolierung.
Allgemein wird, wenn Impedanzfehlanpassungen vorliegen ein Teil eines Signals zurück reflektiert und nicht durch das Gebiet der Impedanzfehlanpassung geführt. Bei einem dual polarisierten Antennensystem kann das reflektierte Signal ein Streusignal bei dem gegenüberliegenden Anschluss oder bei dem gleichen Anschluss ergeben und es kann eine bedeutende Verschlechterung bezüglich der Gesamt-Isolierungseigenschaft und Leistung des Antennensystems verursachen. Während eine Impedanzanpassung dabei hilft die Anschluss/Anschluss-Isolierung zu erhöhen, versagt sie dabei den hohen Grad an Isolierung zu erreichen, der jetzt bei der Drahtlos-Kommunikationsindustrie benötigt wird.
Eine andere Technik zur Erhöhung der Isolierungseigenschaft besteht darin, die einzelnen strahlenden Elemente der Anordnung genügend weit voneinander zu beanstanden. Die physikalischen Abmessungen und die Dimensionsbeschränkungen, die den Antennenauslegungen heutzutage für den Gebrauch bei Mobilfunk-Basisstationstürmen allgemein auferlegt werden, machen jedoch die physikalische Trenn-Technik in allen Fällen mit wenigen Ausnahmen unzweckmäßig.
Eine andere Technik zur Verbesserung der Isolierungseigenschaft einer Antenne besteht darin, eine physikalische Wand zwischen jedes der strahlenden Elemente zu platzieren. Noch eine andere besteht darin, die Massefläche 30 des Antennensystems so zu modifizieren, dass die Massefläche 30, die mit jedem Anschluss verbunden ist entweder durch einen physikalischen Raum oder durch ein nichtleitendes Hindernis getrennt ist, welches dazu dient eine mögliche Streuung zwischen den beiden Signalen zu vermindern, welche ansonsten durch Kopplung verursacht würde, weil die beiden Anschlüsse eine gemeinsame Massefläche 30 teilen. Diese Techniken können teilweise helfen aber lösen nicht das Ausmaß des Signalstreuproblems.
Noch eine andere konventionelle Technik zur Verbesserung der Isolierungseigenschaft einer Antenne besteht darin, ein Rückführelement zu verwenden, um ein Rückführsignal zu Paaren von Strahlern in der Antennenanordnung zu liefern. Das Rückführelement kann die Form eines leitfähigen Streifen annehmen, der oben auf einem Schaumstoffblock, der zwischen den Strahlern positioniert ist angebracht ist. Während die Leiter in Übereinstimmung mit dieser Technik die Isolierungseigenschaft erhöhen können, besitzen die Schaumstoffblöcke, welche die leitfähigen Streifen tragen mechanische Eigenschaften, die nicht förderlich bezüglich der Betriebsumgebung der Antenne sind. Die Schaumstoffblöcke zum Beispiel sind typischerweise aus nichteinleitendem Polyethylenschaum oder Kunststoff hergestellt. Solche Materialien sind üblicherweise sperrig und schwierig hinsichtlich der genauen Positionierung zwischen den Antennenelementen.
Zusätzlich besitzen diese Trägerblöcke thermische Expansionskoeffzienten, die typischerweise nicht förderlich sind gegenüber extremen Temperaturschwankungen in der Außenwelt, in welcher die Antenne arbeitet und sie expandieren und kontrahieren leicht abhängig von der Temperatur und Feuchtigkeit. Zusätzlich zu den Problemen mit der thermischen Expansion sind die Trägerblöcke nicht förderlich für eine schnelle und genaue Herstellung. Außerdem liefern diese Typen von Trägerblöcken keine genaue Platzierung der leitfähigen Streifen oder Rückführelemente auf dem Verteilnetz-Board.
Das Dokument US 5,952,983 legt ein dual polarisiertes Antennensystem mit starker Isolierung unter Verwendung von strahlenden Dipolelementen mit einem parasitären Element dazwischen offen.
Ein anders Problem mit diesem konventionellen Typ von Rückführelement besteht darin, dass das Element typischerweise "schwebend" über seiner jeweiligen Massefläche ist. Das heißt, es ist nicht mit der Massefläche verbunden oder "geerdet". Ein solches nicht geerdetes Rückführsystem ist empfänglich für elektrostatische Aufladung. Die elektrostatische Aufladung dieser Typen von leitfähigen Elementen kann Blitze anziehen oder Ströme, die von Blitzen gebildet werden.
Als Folge besteht ein Bedürfnis in der Technik für ein Verfahren und ein System, welches die Auslegung eines dual polarisierten Antennensystems mit einem hohen Grad an Isolierung zwischen zwei entsprechenden Antennenverbindungsanschlüssen vereinfacht, das vollständiger alle Anschluss/Anschluss-Streusignale aufhebt und gleichzeitig einer Hochgeschwindigkeitsherstellung und einem hohen Ausmaß an präziser Wiederholgenauigkeit förderlich ist. Es besteht ebenfalls ein Bedürfnis in der Technik für ein Antennenisolierungsverfahren und ein System, das extremen Betriebsumgebungen widerstehen kann, denen eine Mobilfunk-Basisstationsantenne unterworfen ist und eines, das ebenfalls ausgelegt ist, jegliche Potenzialprobleme, die sich aus einem Blitz oder weiterer Streuung aus einem elektrischen Ladungsaufbau ergeben zu eliminieren.
Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist nützlich zur Verbesserung der Leistung einer Antenne durch Steigerung der Anschluss/Anschluss-Isolierungseigenschaft der Antenne, wie man sie an den Anschlussarmaturen misst. Allgemein erzielt die vorliegende Erfindung diese Verbesserung bezüglich der Empfindlichkeit durch Verwendung eines Rückführsystems, das Rückführelemente umfasst zur Erzeugung eines Rückführsignals als Antwort auf ein übertragenes Signal, das durch jeden Strahler der dual polarisierten Antenne ausgegeben wird. Dieses Rückführsignal wird von jedem Strahler, auch beschrieben als strahlendes Element empfangen und mit jedem Streusignal kombiniert, das an dem Ausgabeanschluss der Antenne vorhanden ist. Weil das Rückführsignal und das Streusignal auf die gleiche Frequenz gesetzt sind und etwa um 180° phasenverschoben sind, dient diese Signalsummierungsoperation dazu, um beide Signale an dem Ausgabeanschluss aufzuheben und dadurch die Anschluss/Anschluss-Isolierungseigenschaft der Antenne zu verbessern.
Jedes Rückführelement kann einen fotografisch geätzten Metallstreifen umfassen, der durch eine dielektrische Karte, die aus einem Leiterplattenmaterial hergestellt ist getragen werden. Solche Rückführelemente können ein hohes Ausmaß an Wiederholgenauigkeit und Zuverlässigkeit dadurch in liefern, dass die Herstellung von solchen Rückführelementen genau gesteuert werden kann. Die Größe, die Form und der Ort des Rückführelements auf den dielektrischen Trägem zum Beispiel kann durch Verwendung von fotografischen Ätz- oder Fräsprozessen hergestellt werden. Solche Rückführelemente sind förderlich für Produktionsumgebungen mit hohem Ausstoß unter Beibehaltung von hohen Qualitätsstandards. Die Herstellungsprozesse für solche Rückführelemente liefern den Vorteil von kleinen Toleranzen.
Eine andere wichtige Eigenschaft der vorliegenden Erfindung ist das hohe Ausmaß der Steuerbarkeit von Materialeigenschaften der Trägerstruktur des Rückführelements. Jede Trägerstruktur des Rückführelements besteht typischerweise aus einem isolierenden Material, das elektrische und mechanische Eigenschaften besitzt, welche den extremen Betriebsumgebungen von Antennenanordnungen förderlich sind. Solche Trägerstrukturen des Rückführelements können z.B. ausgewählt werden, um geeignete dielektrische Konstanten (relative Permeabilität), Tangensverlust (Leitfähigkeit) und Koeffizienten der thermischen Expansion zu liefern, um die Isolierung zwischen entsprechenden Antennenelementen bei einer Antennenanordnung zu optimieren.
Die Eigenschaften des Rückführsignals einschließlich von Amplitude und Phase können eingestellt werden durch Veränderung der Position des Rückführelements im Verhältnis zu dem strahlenden Element, um dadurch den Betrag der Kopplung zwischen ihnen zu beeinflussen und somit den Betrag der Anschluss/Anschluss-Isolierung. Das Rückführsignal kann ferner durch eine Anordnung von zusätzlichen Rückführelementen in das dual polarisierte Antennensystem bis ein spezieller Betrag an Rückführkopplung erzeugt ist eingestellt werden, um die Aufhebung von allen Streusignalen, die von Anschluss 1 zu Anschluss 2 gelangen zu ermöglichen.
Noch ein anderer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Rückführelemente geätzte Metallstreifen umfassen können, die auf einem planen dielektrischen Träger angeordnet sind und ferner Erdungselemente umfassen, welche die geätzten Metallstreifen mit der Netzmassefläche der Antennenanordnung verbinden. Bei einer beispielhaften Ausführung kann das Masseelement eine Mäanderleitung umfassen, welche den entsprechenden geätzten Metallstreifen mit der Massefläche eines Strahls, der das Netz bildet verbindet. Bei einer anderen beispielhaften Ausführung kann das Erdungselement einen geradlinigen geätzten Metallstreifen einer geeigneten Breite umfassen.
Man bemerke ferner, dass die Rückführelemente mit einer Vielzahl von Anordnungen wie einem nicht einheitlichen Rückführelementzwischenraum (nicht symmetrische Muster) und schrägen Rückführelementen (unter Einführung eines Drehwinkels) mit dem gleichem Erfolg angeordnet werden können. Man bemerke ferner, dass das leitfähige Element in verschiedenen Formen oder Gestalten vorhanden sein kann, zum Beispiel können die Elemente sowohl in Form von Streifen als auch von kreisfömigen Flecken vorhanden sein.
Bei einer beispielhaften Ausführung können die Rückführelemente mit dual polarisierten Antennenstrahlern kombiniert werden. Bei einer solchen beispielhaften Ausführung können die Rückführelemente die Isolierungseigenschaft von Signalen zwischen zwei unterschiedlichen Polarisationen verbessern.
Bei einer alternativen beispielhaften Ausführung können die Rückführelemente mit Antennenelementen kombiniert werden, die in mehreren Bändern strahlen. Auf diese Wei se können Signale zwischen unterschiedlichen Betriebsfrequenzen voneinander isoliert werden.
Mit Blick auf das Vorausgehende kann man leicht einsehen, dass die vorliegende Erfindung zuträglich ist für das Design und das Abstimmungsverfahren eines dual polarisierten Antennensystems oder eines Antennensystems mit mehreren Bändern mit einer starken Anschluss/Anschluss-Isolierungseigenschaft und damit die Empfindlichkeitsprobleme überwinden, die mit früheren Antennendesigns verbunden waren. Andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden Spezifikation offensichtlich, wenn man sie im Zusammenhang mit den Zeichnungen und den beigefügten Patentansprüchen sieht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm, welches einige der Hauptkomponenten einer konventionellen dual polarisierten Antenne aus einer Gruppe darstellt und die Unterelemente des Strahlers, die Speisenetze, die beiden Armaturenanschlüsse des Antennensystems und Signale, abgebildet an beiden Anschlüssen zeigt.
2 ist eine Darstellung, welche eine Draufsicht der Konstruktion einer beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt, welche die Isolationskarte mit ihren Rückführelementen zeigt.
3 ist eine Darstellung, welche eine Längsseitenansicht der beispielhaften Ausführung, die in 2 gezeigt ist und die relativen Positionen der Isolationskarten mit den strahlenden Elementen der Antenne zeigt.
4 ist eine Endseitenansicht der in den 2 und 3 gezeigten Antenne und stellt die relative Größe des Rückführelements und eines Dipolstrahlers dar.
5 ist eine Darstellung, welche eine isometrische Ansicht der in den 2 und 3 gezeigten beispielhaften Ausführung zeigt.
6 ist eine Seitenansicht des in den 2 und 3 gezeigten Antennensystems.
7 ist eine Ansicht von unten eines Teils des Antennensystems in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführung, welche eine Aufnahmeöffnung für die Trägerstruktur eines Rückführelements zeigt.
8 ist eine isometrische Ansicht eines vergrößerten Teils des Antennensystems in Übereinstimmung mit einer anderen beispielhaften Ausführung, welche Mehrfachschlitze für die Aufnahme der Trägerstrukturen des Rückführelements zeigt.
9 ist eine andere isometrische Ansicht einer Antenne, welche die Positionierung eines Rückführelements darstellt, das mit dem ersten beispielhaften Typ eines Erdungselements versehen ist.
10 ist eine andere isometrische Ansicht einer Antenne, welche die Positionierung eines Rückführelements darstellt, das mit dem zweiten beispielhaften Erdungselement versehen ist.
11 ist eine Darstellung, welche eine Draufsicht der Konstruktion einer alternativen beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der Isolationskarten zwischen Strahlern mehrerer Bänder positioniert sind.
12 ist eine andere isometrische Ansicht, welche Mehrfach-Rückführelemente darstellt, die auf einer Isolationskarte vorgesehen sind.
13 ist ein Funktionsblockdiagramm, welches verschiedene Ausrichtungen von Isolationskarten relativ zu den strahlenden Antennenelementen darstellt.
Detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungen
Die Isolationskader der vorliegenden Erfindung kann die vorher erwähnten Probleme hinsichtlich der Streusignale, speziell bei einer dual polarisierten Antenne lösen und ist nützlich zur Erhöhung einer Antennenleistung bei drahtlosen Kommunikationsanwendungen wie Basisstationen von Mobilfunkanlagen.
Bezogen nun auf die Zeichnungen, bei welchen die gleichen Referenzzahlzeichen sich auf gleiche Elemente beziehen ist 1 ein Diagramm, welches die grundlegende Komponenten einer konventionellen dual polarisierten Antenne 5 darstellt. Eingabe/Ausgabe-Anschlüsse 35 und 40 sind die Verbindungsanschlüsse oder Antennenendstellen zur Eingabe und/oder zum Empfang von Signalen 20. Jeder Anschluss ist mit seinem entsprechenden Verteilnetzwerk 15, 17 verbunden, welches das Signal zu einem der beiden unterschiedlich polarisierten Unter-Elemente 11 und 12 in einem dual polarisierten Strahler der Antenne überträgt. Bei einer beispielhaften Ausführung umfasst der dual polarisierte Strahler einen gekreuzten Dipol 10. Die Signale der Anschlüsse 35 und 40 kommunizieren mit einer Anordnung aus vier Elementen bestehend aus Dipolstrahlerelementen 10, auch wenn es einsichtig ist, dass jedwede Anzahl an Strahlern die Antennengruppe ausbilden kann.
Grundlegend für den Betrieb der Antenne ist das Prinzip der Reziprozität. Eine Antenne arbeitet mit einer Reziprozität dahingehend, dass die Antenne verwendet werden kann Signale entweder zu übertragen oder zu empfangen, Signale zur gleichen Zeit zu übertragen und zur empfangen und sogar Signale parallel bei der gleichen Frequenz zu übertragen und zu empfangen. Es ist deshalb einzusehen, dass die beschriebene Erfindung auf eine Antenne anwendbar ist, die entweder im Übertragungs- oder Empfangsmodus arbeitet oder wie es normalerweise bei einer Mobilfunk-Antennenbasisstation der Fall ist in beiden Moden gleichzeitig arbeitet. Die Erfindung arbeitet grundsätzlich auf die gleiche Weise ohne Rücksicht darauf, ob die Antenne dual polarisierte Signale an ihren strahlenden Elementen 10 überträgt oder empfängt.
Zu Vereinfachung wird bei der folgenden Beschreibung das Antennensystem allgemein in einem Übertragungsmodus arbeitend beschrieben. Die Isolationskarte 45 der Erfindung arbeitet wie die dual polarisierte Antenne von einer beispielhaften Ausführung grundsätzlich auf die gleiche Weise ohne Rücksicht darauf, ob die Antenne dual polarisierte Signale an ihren strahlenden Elementen 10 überträgt oder empfängt. Die Abbildung von 1 zeigt somit auch die gesamte Antenne wie sie Signale 20 überträgt oder empfängt.
Ebenfalls zu Erläuterungszwecken der vorliegenden Erfindung wird die bevorzugte Ausführung beschrieben im Sinne ihrer Anwendung auf eine Antenne mit dual polarisierten Dipol-Strahlerelementen 10, wobei es einzusehen ist, dass die Verwendung dieser Erfindung nicht auf diese Art von Antenne begrenzt ist.
2 ist eine Darstellung, welche eine Draufsicht von einer beispielhaften Ausführung zeigt, welche die Isolationskarte 45 der Erfindung darstellt, die bei einer dual polarisierten Antenne 5 installiert ist, die durch zehn Dipol-Strahlerelemente 10 in einer einzigen Säulenanordnung ausgebildet ist. Die Isolationskarten 45 sind entlang einer senkrechten Ebene der Antenne positioniert, normal gesehen entlang der Längsebene der Antenne. Die gezeigte Antenne 5 dient zur Übertragung von elektromagnetischen Signalen mit Hochfrequenzspektren, die mit konventionellen drahtlosen Kommunikationssystemen verknüpft sind.
Die Antenne 5, die elektromagnetische Signale übertragen und empfangen kann, kann strahlende Elemente 10, eine Massefläche 30 und Verteil-Speisenetze 15, 17 umfassen, die mit jedem der entsprechenden Unterelemente 11, 12 der strahlenden Elemente 10 verbunden sind. Die Antenne 5 umfasst ferner eine Leiterplatte (printed circuit board (PCB)) 26, zwei endständige Antennenverbindungsanschlüsse 35 und 40 zur Eingabe und zum Empfang der dual polarisierten Signale und das Rückführsystem der Isolationskarte umfasst Isolationskarten 45, die zwischen den strahlenden Elementen 10 beabstandet sind.
Das Rückführsystem, welches die Isolationskarten 45 umfasst, liefert die elektrische Kopplung der Rückführsignale zu und von den strahlenden Elementen 10 auf eine solche Weise, dass sie unerwünschte Streusignale aufhebt und damit eine Verbesserung der Isolierungseigenschaft der Antenne ermöglicht.
Jeder gekreuzte Dipol-Strahler 10 in der Anordnung umfasst zwei Dipol-Unterelemente 11 und 12 (1 und 5) welche die dual polarisierte Eigenschaft bei sowohl dem Übertragungs- als auch Empfangsmodus liefern. Dipol-Unterelement 11 von jedem gekreuzten Dipol-Strahler 10 ist mit allen anderen ähnlichen Dipol-Unterelementen 11 verbunden und dementsprechend ist Dipol-Unterelement 12 von jedem gekreuzten Dipol mit allen anderen ähnlichen Dipol-Unterelementen 12 verbunden und sie sind mit den beiden entsprechenden Verteilnetzwerken 15, 17 verbunden, um dem dual polarisierten Signal (entweder Übertragung oder Empfang) das an den Antennenanschlüssen 35, 40 anliegt jeweils zu entsprechen (1 und 2).
Die dual polarisierten strahlenden Elemente 10 sind in einer schrägen Anordnung (45 Grad) relativ zu der Anordnung (Längsachse) ausgerichtet, um die beste Ausgewogenheit bezüglich der Elementmustersymmetrie beim Vorhandensein der gegenseitigen Kopplung zwischen den Elementen zu erzielen.
In Kombination mit den strahlenden Elementen 10 unterstützt ein leitender Oberflächenfunktionsbereich als eine radioelektrische Massefläche 30 (2) die Erzeugung von im Wesentlichen rotationssymmetrischen Mustern über ein weites Gesichtsfeld für die Antenne. Die Massefläche 30 ist unter und benachbart zu den Verteilnetzwerken 15, 17 angebracht und über diese sind die strahlenden Elemente 10 relativ dazu gekoppelt. 3 zeigt auch, dass die Isolationskarten 45 innerhalb des dual polarisierten Antennensystems relativ zu den strahlenden Elementen 10 funktionell so positioniert sind, dass sie das erwünschte Ausmaß an Kopplung zwischen den strahlenden Elementen 10 und den Rückführelementen 55 erreichen.
Verteilnetze 15, 17 schließen jeweils ein strahlbildendes Netz (beam forming network (BFN)) 20, 22 ein, das jeweils ein Stromverteilernetz 25, 27 zur Erleichterung der Anregung der Anordnung (2) einschließt.
Bezogen nun auf 5 kann jedes Rückführelement 55 einen fotografisch geätzten Metallstreifen umfassen, der durch einen planen dielektrischen Träger 65 aus einem Leiterplattenmaterial getragen wird. Das Rückführelement 55 auf jeder Isolationskarte 45 kann räumlich getrennte fotografisch geätzte leitfähige Streifen mit vielen unterschiedlichen räumlichen Anordnungen umfassen mit dem gleichen Erfolg bei dem Erzielen der verbesserten Anschluss/Anschluss-Isolierungseigenschaft für die Antenne.
Solche Rückführelemente 55 können ein hohes Ausmaß an Wiederholgenauigkeit und Zuverlässigkeit dahingehend liefern, dass die Herstellung von solchen Rückführelementen 55 genau gesteuert werden kann. Zum Beispiel kann die Größe, die Form und die Position der Rückführelemente 55 auf dem dielektrischen Träger hergestellt werden unter Verwendung von fotografischen Ätz- und von Fräsprozessen. Solche Rückführele mente 55 sind förderlich für Produktionsumgebungen mit hohem Ausstoß, wobei sie gleichzeitig hohe Qualitätsstandards beibehalten. Die Herstellungsprozesse für solche Rückführelemente 55 liefern den Vorteil von engen Toleranzen.
3 und 4 zeigen auch, dass die Isolationskarten 45 auf eine reproduzierbare Weise verteilt sind, wobei eine Karte 45 jeweils zwischen zwei strahlenden Elementen 10 positioniert ist, ausgerichtet entlang einer Senkrechten zu der Mittellinie 13 (2) der Antenne 5 und relativ mittig positioniert zwischen jeweils zwei benachbarten Strahlern 10. Das heißt die Entfernung X (3) zwischen einem entsprechenden Strahler 10 und einer Isolationskarte 45 wird so maximiert, dass jede Isolationskarte 45 so weit weg wie möglich von einem benachbarten Paar an strahlenden Elementen 10 liegt. Mit einer solchen Anordnung wird die Möglichkeit, dass die Isolationskarten 45 die Impedanz der strahlenden Elemente 10 verzerren im Wesentlichen eliminiert.
Aus der mittigen Positionierung der Isolationskarten 45 folgt, dass der relative Abstand S1 zwischen entsprechenden Karten 45 im Wesentlichen gleich dem Abstand S2 zwischen entsprechenden strahlenden Elementen 10 ist, wenn die strahlenden Elemente 10 auf eine einheitliche Weise positioniert sind. Bei dieser beispielhaften Ausführung beträgt der Abstand S2 zwischen den strahlenden Elementen 10 ungefähr drei Viertel (3/4) der Betriebswellenlänge. Dementsprechend beträgt der entsprechende Abstand S1 der Isolationskarten 45 ebenfalls ungefähr drei Viertel (3/4) der Betriebswellenlänge. Andere Abstände können jedoch verwendet werden basierend auf der erwünschten Kopplung und Variationen von der drei Viertel Wellenlänge, die bei der bevorzugten Ausführung verwendet wird befinden sich im Rahmen der Erfindung. Mit anderen Worten können einheitliche und nicht einheitlich Abstände zwischen entsprechenden Isolationskarten 45 selbst oder Abstände zwischen den Isolationskarten 45 und den Antennenelementen 10 angewandt werden.
Eine bedeutende Eigenschaft der vorliegenden Erfindung ist das hohe Ausmaß an Steuermöglichkeit bezüglich der Materialeigenschaften der Trägerstruktur des Rückführelements. Jede Isolationskarten-Trägerstruktur besteht typischerweise aus einem isolierenden Material, das elektrische und mechanische Eigenschaften besitzt, die extreme Betriebsumgebungen von Antennenanordnungen ertragen. Zum Beispiel kann eine solche Trägerstruktur ausgewählt werden, um geeignete Dielektrizitätskonstanten (relative Permeabilität), Tangensverlust (Leitfähigkeit) und thermische Expansionskoeffizienten zu liefern, um die Isolierung zwischen entsprechenden Antennenelementen in einer Antennengruppe zu optimieren.
Bezogen zurück auf 5 besteht die Isolationskarte 45 aus einem dielektrischen Material, das einen planen dielektrischen Träger 65 mit einem schmalen unteren Ende 70 zur Verbindung mit der Leiterplatte (PCB) ausbildet. Das dielektrische Material der Isolationskarte 45 kann eines der vielen dielektrischen Materialien mit niedrigen Verlust umfassen, das bei Radioschaltungen verwendet wird. Bei der bevorzugten Ausführung besteht es aus einem Material das in der Technik als MC3D bekannt ist (ein dielektrisches Laminat für mittlere Frequenzen hergestellt von Gill Technologies). MC3D ist ein Material mit relativ niedrigen Verlust und ist ziemlich kostengünstig. Die Dielektrizitätskonstante von MC3D beträgt ungefähr 3,86. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Dielektrizitätskonstante und auf dieses spezielle dielektrische Material beschränkt. Andere Dielektrizitätskonstanten können allgemein innerhalb des Bereiches von 2,0 bis 6,0 liegen. Der verwendete dielektrische Träger besitzt einen Verlustfaktor von 0,019. Andere dielektrische Materialien des Niedrigverlust-Typs mit anderen Verlustfaktoren sind jedoch nicht jenseits des Rahmens der vorliegenden Erfindung.
Die Isolationskarte 45, die bei dieser beispielhaften Ausführung verwendet wird, besitzt eine Dicke von 31 Tausendstelzoll. Andere Dicken können jedoch ebenfalls verwendet werden. Der schmale Abschnitt 70 ist typischerweise eine Funktion der Größe der Öffnung 50 auf der Leiterplatte. An ihrem gegenüberliegenden Ende besitzt die Isolationskarte 45 einen breiten Abschnitt 80 der typischerweise eine Funktion der Länge L (5) des Rückführelements 55 ist. Jedoch können andere Formen, die von der in 5 gezeigten unterschiedlich sind ausgewählt werden, abhängig sowohl von der Herstellungsfreundlichkeit als auch von dem wirkungsvollen und ökonomischen Gebrauch des dielektrischen Materials, welches die Isolationskarte 45 bildet. Zum Beispiel könnte, um die Menge des verwendeten dielektrischen Materials zu minimieren der Träger in einer "T"-Form ausgebildet werden. Die Form sollte gewählt werden, um die mechanische Steifigkeit der Isolationskarte 45 zu maximieren bei gleichzeitiger Minimierung eines unnötigen Ausmaßes an dielektrischem Material, das nicht zu der mechanischen Steifigkeit oder Festigkeit der Karte beiträgt.
Das Rückführelement 55 auf der Isolationskarte 45 ist in der Nähe des oberen Bereich davon positioniert und bei der bevorzugten Ausführung umfasst es einen leitfähigen Streifen, der parallel zu der PCB 26 verläuft, wie in 5 dargestellt ist. Der leitfähige Streifen kann aus elektrolytisch abgeschiedenen oder gerolltem Kupfer bestehen. Bei einer beispielhaften Ausführung ist der leitfähige Streifen auf dem dielektrischen Material fotografisch geätzt (unter Verwendung von Fotolithographie). Dieses Verfahren ist sehr förderlich für präzisionsgesteuerte Herstellungsmittel mit hoher Geschwindigkeit und hohem Ausstoß. Die Rückführelemente 55 können auch an dem dielektrischen Material der Isolationskarte 45 befestigt werden, indem sie an Metallanschlussstellen, die auf die Isolationskarte 45 geätzt werden gelötet werden oder durch Verwendung eines Klebstoffs.
Bezogen nun auf 6 beträgt die Länge L des leitfähigen Streifens drei Fünftel (3/5) der Betriebswellenlänge. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Resonanzlänge beschränkt. Die Länge eines leitfähigen Streifens kann etwa 0,4 bis 0,6 der Wellenlänge bei dieser Ausführung betragen. Als eine allgemeine Daumenregel beträgt die Länge des leitfähigen Streifens typischerweise eine ungleiche Zahl der halben Wellenlänge.
Die Höhe H des leitfähigen Streifens ist in 6 relativ zu der Massefläche 30 der Antenne dargestellt und ist etwa gleich wie die Höhe des strahlenden Elements 10. Das heißt der leitfähige Streifen kann auf eine parallele Weise zu seinen benachbarten strahlenden Elementen 10 ausgerichtet werden. Dieser beispielhafte Höhenparameter kann jedoch geändert werden, um das Ausmaß der Kopplung in Abhängigkeit von der speziellen vorliegenden Anwendung zu optimieren.
Die Breite W des leitfähigen Streifen (5) kann auf verschiedene Breiten angepasst oder abgestimmt werden. Diese Breite W ist speziell gewählt, um eine genügende Betriebsimpedanzbandbreite zu liefern, die ähnlich jener des strahlenden Elements 10 ist. Die Resonanzlänge des leitfähigen Streifens kann variieren, wenn die Breite des leitfähigen Streifens angepasst wird. Mit anderen Worten kann das Rückführelement 55 aus dem leitfähigen Streifen mit verschiedenen Breiten und Längen hergestellt werden, um den benötigten Resonanzeffekt zu liefern, abhängig von den einbezogenen Frequenzen und der speziellen vorliegenden Anwendung. Man bemerke ferner, dass die Breite direkt das Ausmaß der Kopplung beeinflusst, die durch jedes Rückführelement 55 erzielt werden kann und somit kann die Breite (wie die Länge) von einer Anwendung zur nächsten variieren abhängig von dem Betrag der benötigten Kopplung.
Eine Verbindung der Isolationskarte 45 zu der PCB wird üblicherweise ausgeführt unter Verwendung einer Öffnung in der PCB 26, wie in 5 gezeigt ist. Die Öffnung 50 nimmt den unteren Abschnitt 70 der Isolationskarte 45 auf und gestattet es, dass die Karte präzise zwischen den entsprechenden Paaren von strahlenden Elementen 10 positioniert wird.
Bezogen auf 7 ist eine Armatur 110 in der Öffnung positioniert, tritt durch die PCB und enthält Öffnungen 112 zur Ausbildung von elektrischen Verbindungen zu der Massefläche 30, wenn es gewünscht wird. Die Öffnungen 50 in Kombination mit den Armaturen 110 liefern eine schnelle und reproduzierbare Anordnung der Isolationskarten 45 zwischen den strahlenden Elementen 10. Zusätzliche Montageoptionen sind möglich unter Verwendung der Öffnungen, um die mechanische Steifigkeit der Isolationskarten 45 zu erhöhen wie zum Beispiel durch ein Hinzufügen von "Kippständern" zu der Trägerstruktur.
Weitere Details der Armatur, welche die Öffnung 50 ausbildet sind in 7 dargestellt und zeigen eine Ansicht der Öffnungsarmatur von unten. Verbindungsmechanismen 100, wie Lötkontaktstellen sind auf einer Seite der Armatur angebracht, um der Isolationskarte 45 eine zusätzliche mechanische Stabilität zu verleihen. Bei dieser beispielhaften Ausführung dient der Verbindungsmechanismus 100 keinem elektrischen Zweck. Auf der gegenüberliegenden Seite der Armatur gibt es zusätzliche Verbindungsmechanismen 110, welche die elektrischen Verbindungen über plattierte Durchgangslöcher umfassen.
8 stellt eine alternative Ausführung dar, welche zusätzliche Öffnungen 50 mit Verbindungsmechanismen 110 zeigt, welche in die PCB 26 für alternative Antennenanordnungen eingearbeitet sein können, welche die Isolationskarten 45 mit dem gleichen Typ an Speisenetz verwenden. Die zusätzlichen Schlitze 50 gestatten eine präzise Positionierung der Isolationskarten 45. Die Öffnungen 50 können mit bekannten Fräsprozessen ausgebildet werden.
Wendet man sich nun der Funktion der Isolationskarte 45 zu, so wird diese Isolationskarte an eine Position relativ zu benachbarten Dipolen gesetzt, um Rückführsignale über die mitschwingenden Rückführelemente 55 auf jeder Isolationskarte 45 zu erzeugen, um Streusignale, die an den Antennenverbindungsanschlüssen 35, 40 vorhanden sind aufzuheben. Ein Rückführsignal kann durch ein Rückführelement 55, das als Antwort auf das erste polarisierte Signal an dem Dipol-Unterelement 11 mitschwingt erzeugt werden. Dieses Rückführsignal kann dann zurück zu dem zweiten polarisierten Signal bei dem Unterelement 12 auf dem gleichen Dipolstrahler gekoppelt werden. Das Rückführsignal kann das Streusignal aufheben, weil das Rückführsignal hinsichtlich der Frequenz identisch ist und von dem Quellensignal um 180° phasenverschoben ist.
Ähnlich kann ein anderes Rückführsignal durch ein Rückführelement 55 erzeugt werden, das als Antwort auf ein zweites polarisiertes Signal, welches an dem Dipol-Unterelement 12 erzeugt wird mitschwingt. Dieses Rückführsignal kann zurück zu dem ersten polarisierten Signal bei dem Unterelement 11 gekoppelt werden.
Um ein vollständiges Aufheben eines Streusignals zu erhalten, muss das Rückführsignal üblicherweise eine Amplitude besitzen, welche der Amplitude des entsprechenden Streusignals gleich ist. Die exakte Positionierung der Rückführelemente 45 kann empirisch bestimmt werden und ist oft eine Funktion der Rückführelemente 55, welche elektromagnetische Signale einer bestimmten Amplitude oder Stärke, die von jenen Signalen, die durch die strahlenden Elemente 10 übertragen (oder empfangen) werden empfangen.
Empirische Messungen können ausgeführt werden, um die richtige Anzahl an Isolationskarten 45 und die richtige Orientierung von jeder Karte relativ zu den Strahlern 10 zu bestimmen, um ein Rückführsignal mit einer geeigneten Amplitude zu erhalten, um die vollständige Auslöschung des Streusignals an jedem der beiden Verbindungsanschlüsse der Antenne zu erzielen. Durch "Abstimmung" der Antenne mit dem geeigneten Betrag an Kopplung wird ein Rückführsignal mit der richtigen Amplitude erzeugt, welche wiederum erreicht, dass der erwünschte Betrag an Isolierung innerhalb des Antennensystems erzielt wird.
Diese Abstimmung ist eine Funktion des Designs des Rückführelements 55 auf der Isolationskarte 45 sowie der Höhe und des Abstandes der Karte bei relativ zu den benachbarten Strahlern. Zuletzt wird die aktuelle Beabstandung und Anordnung der Rückführelemente 55 von der speziellen vorliegenden Anwendung abhängen, um eine Stärke oder Amplitude des Rückführsignals zu erzeugen, die benötigt werden, um alle Streusignale an den Anschlüssen 35, 40 aufzuheben.
Jedes Rückführsignal trägt zu der Erzeugung eines Gesamtrückführsignals mit den erwünschten Amplituden- und Phaseneigenschaften bei. Somit werden, wenn sich die beiden Rückführsignale mit dem Streusignal an beiden Antennenarmaturanschlüssen 35, 40 summieren die Streusignale bei der Phasendifferenz von 180° des Rückführsignals aufgehoben.
Eine alternative Ausführung der Isolationskarte 45' ist in 9 dargestellt, bei der ein anderes Rückführelement 55' ein Erdungselement 90A einschließt. Das Erdungselement 90A kann als eine Mäanderieitung mit hoher Impedanz ausgebildet werden, die eine Gleichstrom(DC)-Verbindung zwischen Rückführelement 55' und der Massefläche 30 ergibt.
Dieses Erdungselement 90A ist im Grunde ein Draht mit einer sehr hohen Induktivität und bei dieser Ausführung besitzt es die Breite von ca. 10 Tausendstelzoll. Diese Breite wird typischerweise so gewählt, dass es nicht schwierig ist sie auf dem dielektrischen Trägem 65 zu ätzen. Die Dicke des Erdungselements 90A sowie die des leitfähigen Streifens 60 beträgt ungefähr 1,5 Tausendstelzoll. Es können jedoch andere Dicken dieses Materials verwendet werden und immer noch innerhalb des Rahmens der Erfindung verbleiben.
Die Funktion des Erdungselements 90A besteht darin, alle Ladungen abzuleiten, die sich auf dem leitfähigen Streifen 60 während eines Betriebs des Antennensystems aufbauen können. Dies stellt sicher, dass der leitfähige Streifen sich auf dem gleichen Spannungspotenzial wie die Massefläche 30 befindet, um die Möglichkeit zu reduzieren, dass der leitfähige Streifen aufgeladen wird und einen Blitz anzieht. Deshalb ist das Erdungselement 90A ausgelegt, um als Masseschluss Gleichströme und keine Hochfrequenzströme zu übertragen.
Als eine dritte Ausführung zeigt 10 einen anderen Typ von Rückführelement 55'''. Dieses Element 55''' umfasst ein Erdungselement 90B mit einem leitfähigen Streifen, mit einem Design, das leichter induzierte Ströme als ein Ergebnis einer nicht ausgeglichenen Dipol-Symmetrietransformatorstrahlung unterstützen kann. Dieses Erdungselementdesign bietet größeren Schutz gegenüber Blitzschlag und besitzt einen größeren Hochfrequenzeintrag als der Mäanderleitungstyp 90A aus 9.
Bei jeder der Ausführungen kann das Rückführelement 55 auf beiden Seiten der Isolationskarte 45 angeordnet sein, wie durch den Funktionsblock in 8 dargestellt ist. Das Rückführelement 55 kann schwebend verbleiben oder kann zu der Netz-Massefläche 30 über plattierte Durchgangslöcher geerdet werden, wie in 10 dargestellt ist.
Zusammenfassend verwendet die Isolationskarte 45 Materialien mit gut definierten elektrischen Parametern, die bei typischen Betriebsumweltbedingungen von Antennengruppen konstant bleiben und die eine Verwendung von Rückführelementen 55 gestatten, die präzisionsgesteuerten Herstellungsmitteln von hoher Geschwindigkeit und hohem Ausstoß förderlich sind. Die Herstellung der Isolationskarte 45 und speziell der Rückführelemente 55 auf der Karte sind hochreproduzierbar und ihre Auslegungen gestatten eine einfache Steuerung und eine Designflexibilität hinsichtlich der Form des Rückführsignalpfades als Mikrostrip oder als anderes Design des leitfähigen Pfades, die auf den dielektrischen Trägem mit einer großen Präzision, welche mit Ätzprozessen möglich ist erzeugt wird.
Die Rückführelemente 55 werden typischerweise bei Basisstationen, zweipoligen, um +/–45° schrägen Antennen zur drahtlosen Kommunikation verwendet, die bei Frequenzbereichen von 2,4 Gigahertz (GHz) arbeiten. Sie liefern typischerweise eine Anschluss/Anschluss-Isolierung, die größer ist als 30 dB. Man bemerke, dass, wenn die Isolierungseigenschaften der strahlenden Elemente 10 um 1 oder 2 dB im Vergleich zu den konventionellen Rückführelementen verbessert werden, welche Leiter auf Styroporblöcken verwenden die Fernfeld-Antennenstrahlungsmuster auch sauberer waren und sich besser verhielten als jene, die mit Rückführelementen aufgebracht auf Styroporblöcken hergestellt wurden. Es ist ein zusätzlicher Vorteil, dass die Rückführelemente 55 während sie die Nahfeld-Kreuzkopplung zur Verbesserung der Isolierung bei einer dual polarisierten Antenne wesentlich reduzieren auch die Fernfeld-Strahlungseigenschaften der Antenne verbessern.
Die Position der Isolationskarte 45 kann präzise durch Öffnungen 50 gesteuert werden, welche in der PCB 26 angeordnet sind. Der dielektrische Träger 65 kann für jedes Rückführelement 45 "Klappständer" für eine zusätzliche mechanische Stütze einschließen oder nicht. Zusätzliche Öffnungen 50 können in dem Leiterplattenmaterial 26 eingearbeitet sein für alternative Antennenanordnungen, welche das gleiche strahlbildende Netz verwenden.
Bezogen nun auf 11 stellt diese Figur eine andere beispielhafte Betriebsumgebung für die Isolationskarte 45 der Erfindung dar. Bei dieser beispielhaften Ausführung sind die Isolationskarten 45 zwischen Mehrfachband-Strahlern 10' des Antennensystems 1100 positioniert. Ferner können bei dieser beispielhaften Ausführung Mehrfachisolationskarten 45 aufeinander gestapelt werden, um eine verbesserte Streusignalreduzierung und eine erhöhte Isolierung zwischen Anschlüssen des Antennensystems zu liefern. Bei dieser speziellen und beispielhaften Ausführung ist ein Satz von Isolationskarten 45 auf eine parallele Weise zu der Zentralachse 13 angeordnet, während ein anderer Satz an Isolationskarten 45 senkrecht zu der Zentralachse 13 orientiert ist.
Die Strahler 10' kann Patchantennenelemente umfassen, die in Mehrfachfrequenzbändern arbeiten können. Wie oben bemerkt ist die Erfindung jedoch nicht auf einen Typ von Antennenelement begrenzt. Deshalb sind andere Typen von strahlenden Elementen nicht jenseits des Rahmens der vorliegenden Erfindung. Andere strahlende Antennenelemente schließen einen Monopol, Microstrip, Schlitzstrahler und andere ähnliche Strahler ein, sind aber nicht beschränkt darauf. Mit den Isolationskarten 45 können Hochfrequenzsignale zwischen Mehrfachfrequenzbändern voneinander isoliert werden ähnlich wie bei dem dual polarisierten Antennensystem, das in 2 dargestellt ist.
Bezogen nun auf 12 stellt diese Figur eine andere isometrische Ansicht der Mehrfachrückführelemente 55 dar, die auf einer Isolationskarte 45 vorgesehen sind. Speziell kann eine Isolationskarte 45 ferner Mehrfachrückführelemente 55 umfassen, die be nachbart zu einander platziert werden können, um zusätzliche Rückführsignale zu liefern.
Bezogen auf 13 stellt diese Figur eine Sicht von oben oder eine Draufsicht der Antennenelemente 10 und Isolationskarten 45 dar. Der mit "A" bezeichnete Pfeil zeigt an, dass jede Isolationskarte 45 um einen gewünschten Winkel gedreht werden kann, was die Aufhebung von allen Streusignalen, die zu einem Anschluss gesendet werden können maximiert. Eine Gruppe von Antennenelementen 10 könnte Hochfrequenz-Isolationskarten 45 besitzen, die mit unterschiedlichen Winkeln orientiert sind, um die Aufhebung von allen Streusignalen zu maximieren, die zwischen den Antennenelementen einer Elementanordnung erzeugt werden.
Auch wenn die Ausführungen der vorliegenden Erfindung speziell auf verschiedene unterschiedliche Rückführmechanismen im Zusammenhang mit dual polarisierten Strahlerantennen und Mehrfachband-Strahlerantennen beschrieben wurden, kann die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf andere Typen von Antennen angewandt werden.

Claims

Antennensystem (5), das umfasst: eine Vielzahl von Antennenelementen (10), ein Speisenetz (15, 17), das mit jedem der Antennenelemente gekoppelt ist, um die elektromagnetischen Signale von und zu jedem der Antennenelemente (10) zu übertragen; und ein Rückführsystem (45), das relativ zu dem Speisenetz (15, 17) und den Antennenelementen (10) gekoppelt ist, um ein Rückführsignal zu wenigstens einem der Antennenelemente zu erzeugen, wobei das Rückführsystem (45) einen planen leitenden Streifen (55) umfasst, der an einer Seite eines planen dielektrischen Trägers angeordnet ist, und der plane leitende Streifen (55) eine Länge, eine Breite sowie eine Dicke hat und die Länge sowie die Breite größer sind als die Dicke, der leitende Streifen das Rückkopplungssignal in Reaktion auf Empfang der durch die Antennenelemente (10) gesendeten elektromagnetischen Signale erzeugt und das Rückführsignal bewirkt, dass ein Streusignal, das an dem Speisenetz (15, 17) vorhanden ist, aufgehoben wird, und so die Entkopplung der Eingänge des Antennensystems (5) verstärkt wird; dadurch gekennzeichnet, dass das Rückführsystem wenigstens einen weiteren planen leitenden Streifen (55) umfasst, der an einer Seite des planen dielektrischen Trägers angeordnet ist.
Antennensystem (5) nach Anspruch 1, wobei die Antennenelemente (10) dual polarisierte Strahler umfassen, das Rückführsystem (45) die Entkopplung zwischen Polarisationen verstärkt, so dass Streusignale, die an Eingängen des Speisenetzes (15, 17) vorhanden sind, wesentlich reduziert oder aufgehoben werden.
Antennensystem (5) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dual polarisierten Strahler gekreuzte Dipole umfassen.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Antennenelemente (10) Strahler umfassen, die in mehreren Frequenzbändern betrieben werden, und das Rückführsystem (45) Entkopplung zwischen den Frequenzbändern verstärkt, so dass Streusignale, die an Eingängen des Speisenetzes (15, 17) vorhanden sind, wesentlich reduziert werden.
Antennensystem (5) nach Anspruch 4, wobei die Strahler, die in mehreren Frequenzbändern betrieben werden, Patch-Strahler umfassen.
Antennensystem (5) nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei der plane leitende Streifen (55) ein erster planer leitender Streifen (55) ist und die Seite des planen dielektrischen Trägers (65) eine erste Seite ist und der weitere plane leitende Streifen (55) an einer zweiten Seite des planen dielektrischen Trägers (65) angeordnet ist.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das des Weiteren eine Massefläche (ground plane) und eine Leiterplatte umfasst, wobei die Antennenelemente (10) mit der Leiterplatte verbunden sind und die Leiterplatte sowie die Massefläche des Weiteren einen Schlitz zum Aufnehmen eines Endabschnitts des planen dielektrischen Trägers (65) umfassen.
Antennensystem (5) nach Anspruch 7, das des Weiteren eine Vielzahl von Schlitzen umfasst, die in der Massefläche und der Leiterplatte angeordnet sind, wobei die Schlitze zwischen jeweiligen Paaren von Antennenelementen positioniert sind.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die planen leitenden Streifen (55) elektrolytisch abgeschiedenes oder gewalztes Kupfer umfassen.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die planen leitenden Streifen (55) durch Fotoätzen auf dem planen dielektrischen Träger aufgebracht werden.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Länge des planen leitenden Streifens (55) ungefähr drei Fünftel einer Betriebswellenlänge der Antennenelemente beträgt.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Länge des planen leitenden Streifens (55) ungefähr das 0,4-06,-fache einer Betriebswellenlänge der Antennenelemente beträgt.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Länge des planen leitenden Streifens (55) ungefähr eine ungleiche Zahl halber Wellenlängen ist.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die planen leitenden Streifen (55) in einer Höhe über einer Massefläche des Antennensystems (5) angeordnet ist, die im Wesentlichen einer Höhe eines Antennenelementes entspricht.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der plane dielektrische Träger (65) und die planen leitenden Streifen (55) in einem Winkel relativ zu einem der Antennenelemente (10) angeordnet sind.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, das des Weiteren eine Vielzahl planer dielektrischer Träger (65) umfasst, die jeweilige plane leitende Streifen (55) aufweisen, wobei die planen dielektrischen Träger (65) einen ungleichmäßigen Abstand zueinander haben.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, das des Weiteren eine Vielzahl planer dielektrischer Träger (65) umfasst, die jeweilige plane leitende Streifen (55) aufweisen, wobei die planen dielektrischen Träger (65) zwischen jeweiligen Paaren von Antennenelementen (10) positioniert und in verschiedenen Drehwinkeln relativ zueinander ausgerichtet sind.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, das des Weiteren eine Vielzahl planer dielektrischer Träger (65) umfasst, die jeweilige plane leitende Streifen (55) aufweisen, wobei die planen dielektrischen Träger (65) im Wesentlichen gleichmäßigen Abstand zueinander haben und ein planer dielektrischer Träger (65) zwischen einem jeweiligen Paar von Antennenelementen positioniert ist.
Antennensystem (5) nach Anspruch 18, wobei der einheitliche Abstand eine Länge von ungefähr drei Viertel einer Betriebswellenlänge umfasst.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei der plane leitende Streifen (55) ein erster planer leitender Streifen ist und der weitere plane leitende Streifen an der Seite des planen dielektrischen Trägers (65) mit dem ersten planen leitenden Streifen angeordnet ist.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, das des Weiteren eine Vielzahl geschichteter planer dielektrischer Träger umfasst, die jeweilige plane leitende Streifen aufweisen, wobei jeder übereinander geschichtete plane dielektrische Träger wenigstens zwei plane dielektrische Träger (65) umfasst, die in einem Winkel relativ zueinander positioniert sind.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der plane dielektrische Träger ein dielektrisches Material umfasst, das eine Dielektrizitätskonstante von 3,86 hat.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei der plane dielektrische Träger (65) ein dielektrisches Material umfasst, das eine Dielektrizitätskonstante innerhalb eines Bereiches zwischen ungefähr 2,0 und 6,0 hat.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei der plane dielektrische Träger (65) ein dielektrisches Material umfasst, das einen dielektrischen Verlustfaktor von ungefähr 0,019 hat.
Antennensystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, das des Weiteren eine Massefläche und ein Erdungselement umfasst, das eine Gleichstromverbindung zwischen der Massefläche und den planen leitenden Streifen (55) schafft.
Antennensystem (5) nach Anspruch 25, wobei das Erdungselement (90A, 90B) eine mäandernde Linie hoher Impedanz oder einen leitenden Streifen umfasst.
Verfahren zum Verstärken von Isolierung zwischen Anschlüssen eines Antennensystems (5), das die folgenden Schritte umfasst: Koppeln eines ersten Eingangs mit einem ersten Speisenetz (15) Koppeln des ersten Speisenetzes mit einer ersten Gruppe von Antennenelementen (10); Koppeln eines zweiten Eingangs mit einem zweiten Speisenetz (17) Koppeln des zweiten Speisenetzes mit einer zweiten Gruppe von Antennenelementen (10); elektromagnetisches Koppeln eines Rückführsystems (45) mit dem ersten und dem zweiten Speisenetz sowie mit der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe von Antennenelementen, wobei das Rückführsystem einen planen leitenden Streifen umfasst, der an einer Seite eines planen dielektrischen Trägers angeordnet ist, und ein Rückführsignal in Reaktion auf Empfangen der durch die Antennenelemente gesendeten elektromagnetischen Signale erzeugt; und Aufheben eines Streusignals an dem Speisenetz mit dem Rückführsignal, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückführsystem wenigstens einen weiteren planen leitenden Streifen (55) umfasst, der an einer Seite des planen dielektrischen Trägers angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Schritt des Koppelns des ersten Speisenetzes mit einer ersten Gruppe von Antennenelementen des Weiteren Koppeln des ersten Speisenetzes mit einer ersten Gruppe von Antennenelementen umfasst, die bei einer ersten Polarisation arbeiten und wobei der Schritt des Koppelns des zweiten Speisenetzes mit einer zweiten Gruppe von Antennenelementen des Weiteren Koppeln des zweiten Speisenetzes mit einer zweiten Gruppe von Antennenelementen umfasst, die bei einer zweiten Polarisation arbeiten.
Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, wobei der Schritt des Koppelns des ersten Speisenetzes mit einer ersten Gruppe von Antennenelementen des Weiteren Koppeln des ersten Speisenetzes mit einer ersten Gruppe von Antennenelementen umfasst, die in einem ersten Frequenzbereich betrieben werden, und wobei der Schritt des Koppelns des zweiten Speisenetzes mit einer zweiten Gruppe von Antennenelementen des Weiteren Koppeln des zweiten Speisenetzes mit einer zweiten Gruppe von Antennenelementen umfasst, die in einem zweiten Frequenzbereich betrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, das des Weiteren den Schritt des Ausbildens des planen elektrischen Streifens mit elektrolytisch abgeschiedenem oder gewalztem Kupfer umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 30, das des Weiteren den Schritt des Fotoätzens der planen leitenden Streifen auf dem planen dielektrischen Träger umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 31, das des Weiteren den Schritt des Dimensionierens der planen leitenden Streifen auf eine Länge von ungefähr drei Fünftel einer Betriebswellenlänge der Antennenelemente umfasst.