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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung der Strahlrichtung
an einer Antenne. Besonders ist die Vorrichtung von der Art wie
im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert.
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Stand der Technik und Hintergrund
der Erfindung
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Eine
solche Vorrichtung ist bereits bekannt aus dem Dokument
WO 96/37922 (Allgon AB).
Die bekannte Vorrichtung weist eine Speiseleitungsstruktur auf,
die mit einer stationären
Anordnung von Antennenelementen integriert ist, um eine Einstellung der
Richtung des von der Anordnung ausgestrahlten Strahls zu ermöglichen.
Die Speiseleitungsstruktur schließt ein Speiseleitungsmuster
ein, das auf einer festen Trägerplatte
in einem Abstand von und parallel zu einer festen Grundplatte angeordnet
ist, und eine dazwischen angeordnete bewegliche dielektrische Platte.
Das Speiseleitungsmuster ist länglich
in der gleichen Richtung wie die Bewegungsrichtung der dielektrischen
Platte. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signalkomponenten wird
durch die Anwesenheit der dielektrischen Platte zwischen der jeweiligen Speiseleitung
und der Grundplatte verringert. Demgemäß kann durch Verschiebung der
dielektrischen Platte in der Längsrichtung
die Phasendifferenz zwischen den verschiedenen Signalkomponenten
gesteuert werden.
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In
der bereits bekannten Vorrichtung ist das Speiseleitungsmuster im
Grund in meanderähnlichen Schleifen
mit mehreren Schleifenabschnitten konfiguriert, die sich in der
Längsrichtung
vor und zurück erstrecken.
Demgemäß sind die
Signalwege verhältnismäßig lang
und die Verluste an Mikrowellenleistung, die in der Vorrichtung übertragen
wird, sind verhältnismäßig hoch.
Darüber
hinaus ist wegen der verschiedenen meanderähnlichen Schleifen, die sich parallel
zueinander erstrecken, die Vorrichtung notwendigerweise verhältnismäßig breit
in einer Querrichtung. Daher sind die Gesamtabmessungen der Vorrichtung
verhältnismäßig groß.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Vor
diesem Hintergrund ist ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung
eine Vorrichtung mit einer Speiseleitungsstruktur zu schaffen, bei
der von Haus aus geringe Verluste eintreten und die kleiner und
billiger herzustellen ist als die bisher bekannte Vorrichtung.
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Dieses
Ziel wird für
eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 definierten Merkmalen erreicht.
Demgemäß ist die
Speiseleitungsstruktur im Ganzen als ein Stern mit wenigstens vier
Leitungssegmenten konfiguriert, die sich von einem Quellenverbindungsanschluß am Mittelpunkt
des Sterns zu den jeweiligen Speiseverbindungsanschlüssen erstrecken.
Wenigstens zwei Leitungssegmente erstrecken sich im Ganzen in einer
ersten Richtung längs
der Hauptrichtung der Vorrichtung und zwei weitere Leitungssegmente
erstrecken sich im Ganzen in einer entgegengesetzten Richtung. Der
dielektrische Körper
ist in verschiedene Abschnitte unterteilt, die verschiedene effektive
dielektrische Werte haben. Ein erster Körperabschnitt ist neben einem
ersten Paar von Leitungssegmenten angeordnet, die sich in entgegengesetzten
Richtungen erstrecken, und ein zweiter Körperabschnitt ist neben einem
zweiten Paar von Leitungssegmenten angeordnet, die sich ebenfalls
in entgegengesetzten Richtungen erstrecken. Auf diese Weise ist
es möglich,
eine Phasenwinkeldifferenz zu erhalten, selbst wenn die Leitungssegmente
im wesentlichen die gleiche Länge
haben. Vorzugsweise ist die Speiseleitungsstruktur wie der Buchstabe „H" mit vier Leitungssegmenten
von im wesentlichen gleicher Länge
konfiguriert.
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Der
Unterschied im „effektiven
dielektrischen Wert" kann
auf verschiedene Weise erhalten werden. Die zwei Körperabschnitte
können
aus verschiedenen Materialien mit zwei verschiedenen dielektrischen
Konstanten hergestellt sein. Statt dessen oder zusätzlich können die
zwei Körperabschnitte
verschiedene geometrische Querschnitte längs wenigstens eines Hauptteils
ihrer jeweiligen Längen
haben, z. B. einen Unterschied in der Dicke. Vorzugsweise können als
eine weitere Alternative die zwei Körperabschnitte der eine zum
anderen verschiedene geometrische Unregelmäßigkeiten aufweisen, wodurch die
effektiven dielektrischen Werte verschieden sind. Solche Unregelmäßigkeiten
können
Löcher
umfassen, die sich z. B. in einer Querrichtung von den jeweiligen
Leitungssegmenten zur Grundebene erstrecken.
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Vorteilhafterweise
kann die Speiseleitungsstruktur Streifenleitungssegmente aufweisen,
die zwischen der oberen und unteren Wand (Deckelwand und Bodenwand)
eines geschlossenen länglichen
Gehäuses
angeordnet sind, wobei die Deckelwand und Bodenwand als eine Grundebene
dienen. Dann kann jeder Körperabschnitt
obere und untere Teile aufweisen, die jeweils oberhalb und unterhalb der
Streifenleitungssegmente angeordnet sind.
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Diese
und andere Merkmale werden erläutert
durch die detaillierte folgende Beschreibung, welche die Erfindung
weiter erläutert
mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen, die einige bevorzugte Ausführungsformen zeigen.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt
die erfindungsgemäße Vorrichtung
in einer perspektivischen Ansicht;
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2 zeigt
die Vorrichtung der 1 in einer Endansicht;
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3 zeigt
einen Längsmittelschnitt
durch die Vorrichtung der 1;
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4 zeigt
eine Draufsicht der Vorrichtung der 1 mit abgenommener
Deckelwand des Gehäuses;
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5 zeigt
ein Querschnitt durch die Vorrichtung der 1;
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6 zeigt
ein Querschnitt durch eine abgewandelte Version der Vorrichtung
der 1; und
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7 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der Vorrichtung mit einer anderen Speiseleitungsstruktur.
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Genauere Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
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Die
in 1 und 2 gezeigte Vorrichtung weist
ein längliches
kastenförmiges
Gehäuse 10 mit einem
oberen Teil 20, einem unteren Teil 30, Endstücken 40, 50 und
einer im Ganzen mit 100 bezeichneten Speiseleitungsstruktur
im Gehäuse 10 auf.
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Das
Gehäuse 10 ist
im Ganzen von der Art wie in der gesonderten schwedischen Patentanmeldung
mit dem Titel „Abgeschirmtes
Gehäuse" beschrieben, die
gleichzeitig vom gleichen Anmelder eingereicht wurde. Die Offenbarung
dieser „Abgeschirmtes
Gehäuse"-Anmeldung wird hier
durch Bezugnahme eingeschlossen.
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Der
obere Teil 20 des Gehäuses
weist eine im wesentlichen ebene obere oder Deckelwand 21 und
mit dieser integriert zwei nach unten gerichtete sich längs erstreckende äußere Seitenflansche 22, 23 auf.
Der untere Teil 30 des Gehäuses weist eine im wesentlichen
ebene Boden wand 31 und mit den Längskantenabschnitten der Bodenwand 31 integriert
innere Seitenflansche 32 und 33 auf. Diese inneren
Seitenflansche 32, 33 sind so bemessen, daß sie im
wesentlichen über
ihre gesamte Außenfläche die
Innenflächen
der äußeren Seitenflansche 22, 23 berühren. Wie
in der gesonderten „Abgeschirmtes Gehäuse"-Anmeldung erläutert, wird
eine solche Oberflächenberührung unabhängig von
den genauen Abmessungen der oberen und unteren Teile erhalten innerhalb
gewisser Grenzen, die während
der Herstellung der Vorrichtung eingehalten werden. Die Deckel-
und Bodenwände 21 und 31 des
Gehäuses werden
in einem vorbestimmten gut definierten gegenseitigen Abstand gehalten,
der durch das jeweilige Endstück 40, 50 definiert
ist, wie im einzelnen in der Anmeldung „Abgeschirmtes Gehäuse" erläutert.
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Das
Gehäuse 30 nimmt
eine Speiseleitungsstruktur 100 und einen beweglichen dielektrischen Körper 111 auf,
der als eine Vorrichtung zur Einstellung der Richtung des Strahls
dient, der von einer stationären
Anordnung von Antennenelementen (nicht gezeigt) ausgestrahlt wird,
die mit der Vorrichtung gekoppelt sind.
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In
der gezeigten Ausführungsform
ist die Speiseleitungsstruktur 100 wie der Buchstabe „H" konfiguriert mit
einem zentralen Quellenverbindungsanschluß 101, ersten und
zweiten gradlinigen Segmenten 102, 103, die sich
in einer ersten Richtung längs
der Hauptrichtung A der Vorrichtung erstrecken, und dritten und
vierten gradlinigen Segmenten 104, 105, die sich
in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung erstrecken.
Jedes Speiseleitungssegment ist mit einem zugehörigen Speiseleitungsanschluß 102a bzw. 103a, 104a und 105a verbunden.
Siehe auch 4.
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Der
Quellenverbindungsanschluß 101 ist
an eine Signalquelle mittels eines Speiseleiters 106 anschließbar, der
sich mittig zwischen den zwei Leitungsabschnitten 104, 105 erstreckt
und mit einem Speiseanschluß 106a verbunden
ist.
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Im
Gebrauch ist der Speiseanschluß 106a beispielsweise über ein
Koaxialkabel mit Sender-Empfänger-Schaltkreisen
(nicht gezeigt) verbunden, die beispielsweise in einer Basisstation
eines zellularen Mobiltelefonsystems vorhanden sind. Die Speiseverbindungsanschlüsse 102a, 103a, 104a, 105a sind
andererseits beispielsweise über
vier Koaxialkabel mit zugehörigen
Antennenelementen oder Unteranordnungen beispielsweise Paare von
Antennenelementen verbunden, die in einer stationären Anordnung
normalerweise einer linearen Reihe in einer Antenne, beispielsweise
einer Basisstationsantenne angeordnet sind. Vorzugsweise haben die Übertragungsleitungen
zwischen den jeweiligen Speiseverbindungsanschlüssen und den zugehörigen Antennenelementen
solche Längen,
daß die Phasenverschiebung
vom Quellenverbindungsanschluß zum
jeweiligen Antennenelement oder zur Unteranordnung im allgemeinen
für jedes
der vier Antennenelemente oder der Unteranordnungen verschieden
ist. Darüber
hinaus können
diese Unterschiede mittels der Speiseleitungsstruktur 100 mit
einem im Gehäuse 10 verschiebbaren
dielektrischen Körper
eingestellt werden, wie im folgenden erläutert.
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In
Bezug auf die 3 und 4 wird nun ein
am Speiseanschluß 106a auftretendes
Mikrowellensignal sich längs
des mittleren Speiseleiters 106 zum mittig angeordneten
Quellenverbindungsanschluß 101 fortpflanzen.
Um allmählich
die Impedanz dem Impedanzwert am Verbindungspunkt anzugleichen,
wird der Speiseleiter 106 zum Quellenverbindungsanschluß hin stufenweise
verbreitert. Weiterhin befinden sich neben dem Anschluß 101 obere
und untere stationäre
dielektrische Elemente 109, 110, die dazu dienen,
zusätzlich
die Impedanz der vier Speiseleitungsabschnitte 102, 103, 104, 105 abzugleichen,
die sich elektrisch parallel von dem Quellenverbindungsanschluß 101 zu
den vier Speiseverbindungsanschlüsse 102a, 103a, 104a, 105a erstrecken.
Dank der dielektrischen Elemente 109, 110 kann
die Impedanzabgleichung erreicht werden, ohne den Speiseleiter 106 neben
dem Quellenverbindungsanschluß 101 außerordentlich
breit zu machen. Daher kann die Breite des Gehäuses 10 verhältnismäßig klein
sein, um so die Gesamtabmessungen der Vorrichtung zu verringern.
Diese Abmessungen werden auch aus anderen Gründen verringert, wie im folgenden
erläutert.
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Der
Speiseleiter 106 und die Speiseleitungsabschnitte 102, 103, 104, 105 sind
ausgebildet als Streifenleitungen zwischen den Deckel- und Bodenwänden 21 und 31,
wobei die letztgenannten Wände als
Grundebenen dienen. Siehe auch 5 und 6.
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Im
Vergleich mit Mikrostreifenausbildungen hat die Streifenleitungsstruktur
eine Anzahl von Vorteilen. Zuerst kann die Vorrichtung kürzer und
weniger breit gemacht werden. Die verringerte Breite wird erhalten,
da die Streifenleitungen im allgemeinen schmaler sind als entsprechende
Mikrostreifenleitungen (mit der gleichen Impedanz und dem gleichen Grundebenenabstand)
und die parallelen Leitungssegmente können näher aneinander ohne gegenseitige
Kopplung angeordnet werden, da die doppelte Grundebenenkonfiguration
die Kopplung zwischen benachbarten parallelen Leitern effektiver
begrenzt. Auch kann dielektrisches Material oberhalb und unterhalb
jedes Streifens angeordnet werden, so daß praktisch das gesamte e lektrische
Feld durch das dielektrische Material beeinflußt wird. Daher kann für eine gegebene
Phasenwinkeldifferenz die Länge
in der Längsrichtung
verringert werden.
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Zweitens
treten keine Probleme mit unerwünschter
Ausstrahlung auf, da die gesamte Struktur in einem abgeschirmten
Kasten oder Gehäuse 10 eingeschlossen
ist. Drittens kann das dielektrische Material oberhalb und unterhalb
des Streifens als Abstandselemente dienen, um die Streifenleitung
in ihrer Position zu halten.
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Erfindungsgemäß wird ein
einheitlicher Körper 111 aus
dielektrischem Material zwischen den Gehäusewänden 21, 31 und
den Speiseleitungssegmenten 102, 103, 104, 105 angeordnet,
um den Einfluß der
Fortpflanzungsgeschwindigkeit und der Phasenverschiebung der Signalkomponenten
zu beeinflussen, die längs
der jeweiligen Leitungssegmente übertragen
werden. Der dielektrische Körper 111 ist linear
längs der
Längsrichtung
A der Vorrichtung zwischen zwei Endstellungen verschiebbar, von
denen die eine die in 4 gezeigte voll ausgezogene
Stellung und die andere die durch gestrichelte Linien 111' etwas nach
rechts gezeigte ist.
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Der
dielektrische Körper 111 weist
zwei Längsseitenabschnitte
auf, die durch einen quer verlaufenden Körperabschnitt 112 verbunden
sind, nämlich
einen ersten Körperabschnitt 113,
der längs
der ersten und dritten Leitungssegmente 102, 104 angeordnet
ist, und einen zweiten Körperabschnitt 114, der
längs der
zweiten und vierten Leitungssegmente 103 und 105 angeordnet
ist. Die Gesamtlänge
des dielektrischen Körpers 111 ist
etwas größer als
der Abstand zwischen den in 4 gezeigten
Endstellungen. Auch sind die Abmessungen so, daß jeder Körperabschnitt 113, 114 stets
in einem Längsbereich nahe
bei dem Quellenverbindungsanschluß 101 angeordnet ist,
so daß seine
Endabschnitte 113', 113'' bzw. 114', 114'' neben
den sich entgegengesetzt erstreckenden Leitungssegmenten 102, 104 bzw. 103, 105 liegen.
Erfindungsgemäß haben
die zwei Körperabschnitte 113, 114 verschiedene
effektive dielektrische Werte. In der gezeigten Ausführungsform
wird das dadurch erreicht, daß der
Hauptteil des zweiten Körperabschnitts 114 massiv
ist, während
der erste Körperabschnitt 113 mit
einer Reihe von durchgehenden Löchern 115 versehen
ist, so daß der
Verzögerungseffekt
des dielektrischen Materials im zweiten Körperabschnitt 114 größer als
im ersten Körperabschnitt 113 ist.
In der gezeigten Ausführungsform hat
jeder Körperabschnitt 113, 114 einen
oberen Teil 113a, 114a bzw. einen unteren Teil 113b, 114b (5).
Diese oberen und unteren Teile diene auch als Abstandselemente zwischen
den Speiseleitungssegmenten und den oberen und unteren (Deckel und Boden)
Gehäusewänden 21, 31.
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Die
Längsendabschnitte 113', 113'', 114', 114'' der
zwei dielektrischen Körperabschnitte 113, 114 sind
jeweils mit Ausnehmungen 116, 117 bzw. Löchern 118, 119 versehen,
um eine Impedanzanpassung zwischen den dielektrisches Material enthaltenden
Mittelteilen und den luftgefüllten
Räumen an
beiden Längsseiten
des dielektrischen Körpers 111 zu
liefern.
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In
einer Weise ähnlich
wie im oben erwähnten
Dokument
WO 96/37922 (Allgon)
erläutert,
hängen
die Phasenwinkeldifferenzen zwischen den Signalkomponenten an den
Speiseverbindungsanschlüsse
102a,
103a,
104a,
105a von
der besonderen Stellung des dielektrischen Körpers
111 ab. Wenn
der dielektrische Körper
um eine bestimmte Strecke verschoben wird, werden alle Phasenverschiebungen
der vier Signalkomponenten gleichmäßig verändert. Demgemäß wird die
Phasenwinkeldifferenz zwischen den zu benachbarten Antennenelementen
(oder Unteranordnungen) gehörenden
Anschlüssen
stets untereinander die gleiche sein. So werden die Phasenwinkeldifferenzen
zwischen den Anschlüssen
103a und
102a,
zwischen den Anschlüssen
102a und
104a und
zwischen den Anschlüssen
104a und
105a einander
gleich sein. Daher wird der zusammengesetzte Strahl von den vier mit
diesen Anschlüssen
gekoppelten Antennenelementen stets eine Wellenfront im wesentlichen
in Form einer geraden Linie haben, und die Neigung dieser Wellenfront
kann durch Verschiebung des dielektrischen Körpers
111 in eine
andere Stellung in der Längsrichtung
der Vorrichtung eingestellt werden.
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Um
eine kontrollierte Verschiebung des dielektrischen Körpers 111 zu
ermöglichen,
ist ein Bewegungsübertragungsglied 120 am
dielektrischen Körper 111 befestigt
und erstreckt sich durch einen Längsschlitz 121 in
der Bodenwand 31 des Gehäuses 10. Das Element 120 ist
mit einem Schieberelement 122 verbunden, das längs geführt ist
in Profilnuten 123, die an der unteren Seite der Bodenwand 31 gebildet
sind. Selbstverständlich
kann das Schieberelement 122 mechanisch wie gewünscht aktiviert werden,
um den Neigungswinkel des Strahls von der Antenne einzustellen.
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Man
wird verstehen, daß es
verschiedene Wege gibt, um eine Differenz im effektiven dielektrischen
Wert der zwei Körperabschnitte 113 und 114 zu
erreichen. Eine Alternative zu Löchern
ist es, die Dicke der zwei Abschnitte 113, 114 unterschiedlich zu
machen, wie in 6 gezeigt, wo der zweite Körperabschnitt 214a, 214b viel
dünner
ist als der erste Körperabschnitt 213a, 213b.
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Die
gezeigte Ausführungsform
mit Löchern 115 in
einem der Körperabschnitte
ist aus dem Grund vorteilhaft, daß die zwei Körperabschnitte 113, 114 die
gleiche Gesamtdicke haben und als wirksame Abstandshalterelemente
zwischen den Speiseleitungsabschnitten und den Gehäusewänden dienen.
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Selbstverständlich können andere
Arten von Unregelmäßigkeiten
statt Löchern
verwendet werden, wie Ausnehmungen, die sich nur teilweise durch das
Material in einer Querrichtung erstrecken. Auch Längsschlitze
oder dergleichen sind möglich.
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Vorzugsweise
hat das dielektrische Material eine hohe Dielektrizitätskonstante.
Ein geeignetes Material ist IXEF 1032 (Hersteller: SOLVAY, Belgien), das
eine Dielektrizitätskonstante
von 4,5 hat. Vorzugsweise sollte die Dielektrizitätskonstante
des dielektrischen Materials im Bereich zwischen 2 und 6 liegen.
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Im
Ganzen machen niedrige Werte der Dielektrizitätskonstante die gesamte Struktur
länger,
da die Differenz in der elektrischen Länge zwischen einer Luftleitung
und einer Leitung mit dielektrischem Material oberhalb und unterhalb
geringer ist. Andererseits macht ein zu hoher Wert der Dielektrizitätskonstante
die Impedanzdifferenz so groß,
daß mehrfache
Transformationsabschnitte 113', 113'' usw.
erforderlich sein können,
um eine gute Impedanzabstimmung zu erreichen, bei entsprechend größerer Länge. Ein
höherer
Wert der Dielektrizitätskonstante macht
das Design auch empfindlicher für
durch Dickentoleranzen eingeführte
Luftspalte zwischen der Streifenleitung und dem dielektrischen Material.
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Der
zentrale Quellenverbindungsanschluß kann selbst als ein Speiseverbindungsanschluß zur direkten
Verbindung mit einem Antennenelement dienen. Darüber hinaus können sich
mehr als vier Speiseleitungsabschnitte in einer Sternkonfiguration
von dem zentralen Quellenverbindungsanschluß erstrecken, beispielsweise
drei Speiseleitungssegmente in jeder entgegengesetzten Richtung
mit zugehörigen dielektrischen
Körperabschnitten
mit voneinander verschiedenen effektiven dielektrischen Werten.
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Eine
modifizierte Ausführungsform
der Speiseleitungsstruktur ist in 7 gezeigt,
wo entsprechende Teile mit den Bezugszahlen 201 usw. statt 101 usw.
(3 und 4) bezeichnet sind. Der verschiebbare
dielektrische Körper 211 mit
Seitenabschnitten 213, 214 deckt (teil weise) nur
die vier Leitungsabschnitte 202, 203, 204, 205 ab,
während
der Speiseleiter 206 und ein fünfter Leitungsabschnitt 207 sich
frei im Gehäuse
mit Luftspalten zu den Deckel- und
Bodenwänden 21, 31 (2)
erstrecken.
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Der
fünfte
Leitungsabschnitt 207 ist mit einem zentral angeordneten
Antennenelement verbunden. Der Phasenwinkel der dieses zentral angeordnete
Antennenelement (nicht gezeigt) oder die Unteranordnung erreichenden
Signalkomponente ist unabhängig
von der besonderen Stellung des verschiebbaren dielektrischen Körpers 211.
Die Leitungsabschnitte 202, 203 sind beispielsweise über Koaxialkabel
mit zwei Antennenelementen oder Unteranordnungen auf einer Seite
des zentralen Elements verbunden, und die Leitungsabschnitte 204, 205 sind
mit den zwei Antennenelementen oder Unteranordnungen auf der anderen
Seite des zentralen Elements verbunden.