DE60217694T2

DE60217694T2 - Einstellbares antennenspeisenetzwerk mit integriertem phasenschieber

Info

Publication number: DE60217694T2
Application number: DE60217694T
Authority: DE
Inventors: Victor Aleksandrovich Sledkov
Original assignee: Andrew LLC
Current assignee: Commscope Technologies LLC
Priority date: 2001-08-24
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2022-08-24
Also published as: EP1428295A1; JP4118235B2; AU2002330797B2; US7026889B2; ATE352110T1; JP2005501450A; ES2280571T3; EP1428295B1; CN1547788A; MXPA04001616A; KR100889443B1; KR20040027980A; CN1547788B; NZ513770A; DE60217694D1; EP1428295A4; WO2003019723A1; US20040239444A1; CA2457913A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspeisen von Signalen zwischen einer gemeinsamen Leitung und zwei oder mehr Anschlüssen. Die Erfindung betrifft außerdem einen dielektrischen Phasenschieber und ein Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Phasenschiebers.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Traditionell bestehen abstimmbare Antennenelemente aus Energieteilern, Transformatoren und Phasenschiebern, die in der Antennenanordnung in Kaskade geschaltet sind. In Hochleistungsantennen wirken diese Komponenten stark wechselseitig aufeinander ein, wodurch eine wünschenswerte Strahlenform manchmal unrealisierbar ist.
Eine Reihe von kanonischen Netzwerken zur Strahlenformung wurde in der Vergangenheit vorgeschlagen, um diese Probleme zu beheben.
1 zeigt eine Draufsicht eines Teils eines Phasenschiebers, der in US5949303 beschrieben ist. Ein Eingangsanschluss 100 ist an eine Eingangsspeiseleitung 101 gekoppelt. Eine Speiseleitung 102 zweigt vom Knotenpunkt 103 ab und führt zu einem ersten Ausgangsanschluss 104. Ein zweiter Ausgangsanschluss 105 ist am Knotenpunkt 110 durch eine mäanderförmige Schleife 106 an die Speiseleitung 102 gekoppelt. Eine dielektrische Platte 107 bedeckt teilweise die Speiseleitung 102 und die Schleife 106 und ist entlang der Länge der Speiseleitung 102 und über der Schleife 106 beweglich.
Die vordere Kante 108 der Platte 107 ist mit einer stufenähnlichen Vertiefung 109 ausgebildet, wie in 2 dargestellt. Die stufenähnliche Vertiefung 109 ist dimensioniert, um Reflexion der Funkwellenenergie, die sich entlang der Speiseleitungen fortpflanzt, zu minimieren.
Diese Anordnung leidet unter mehreren Nachteilen.
Erstens operiert die Vertiefung 109 des beweglichen dielelektrischen Körpers 107 wie ein Transformator, der die Wellenimpedanz in der Richtung vom Eingangsanschluss 100 zu den Ausgangsanschlüssen erhöht. Um gleiche Impedanz am Eingang und allen Ausgängen zu haben, erfordert die in US5949303 dargestellte Vorrichtung zusätzliche Transformatoren zwischen dem Knotenpunkt 110 und dem Ausgangsanschluss 104.
Zweitens kreuzen alle Speiseleitungen außer 101, die die erste vom Eingangsanschluss 100 ist, die Kante der dielektrischen Platte zweimal. Daher können die Reflexionen an zwei Vertiefungen in Abhängigkeit von der Position der dielektrischen Platte sich auf bis das Doppelte der Reflexion an einer Vertiefung summieren.
Drittens werden der Anordnung durch die relativen Positionen der Ausgangsanschlüsse Einschränkungen auferlegt, die mit physikalischen Realisationen von Strahlenformungsnetzwerken für einige Anwendungen unkompatibel sein können.
Viertens kann es schwierig sein, die Vertiefung 109 in der Platte 107 genau und konsistent zu fertigen.
Fünftens ist dieses Konzept nicht geeignet für eine lineare Anordnung, die eine ungerade Zahl von Ausgangsanschlüssen enthält.
US5940030 offenbart ein Speisenetzwerk mit einer dreieckigen elektrischen Platte, die sich quer über eine Speiseleitung bewegt, um die Phase eines Signals in dieser Speiseleitung anzupassen. Dieses Dokument beschreibt jedoch nicht eine Platte, die sich entlang einer Speiseleitung bewegt. Dieses Dokument offenbart außerdem nicht eine Platte, die Räume oder Regionen niedriger Permittivität hat, die angeordnet sind, um Reflexionen von Signalen in dem Speisenetzwerk zu reduzieren.
OFFENLEGUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sich mit einem oder mehreren dieser Nachteile des Stands der Technik zu befassen oder zumindest eines brauchbare Alternative bereitzustellen.
Ein erster Aspekt der Erfindung stellt ein Antennenspeisenetzwerk zum Einspeisen von Signalen zwischen einer gemeinsamen Leitung und zwei oder mehr Anschlüssen nach Anspruch 1 bereit.
Gewöhnlich weist mindestens eine der Speiseleitungen einen Transformatorabschnitt variierender Breite zum Reduzieren von Reflexionen von Signalen, die durch das Netzwerk laufen, auf. Die Erfindung stellt dann ein Mittel zum Integrieren von zwei Arten von Transformatoren in dieselbe Vorrichtung bereit. Als ein Ergebnis kann die Wellenimpedanz an der gemeinsamen Leitung dann besser an die Wellenimpedanz an den Anschlüssen unter Beibehaltung einer relativ kompakten Konstruktion angepasst werden.
Gewöhnlich enthält der Speiseleitungs-Transformator eine Stufenänderung in der Breite der Speiseleitung.
Der Transformatorabschnitt in dem dielektrischen Glied kann durch eine Vertiefung in der Kante des Glieds bereitgestellt werden, wie in 2 dargestellt. In den nachstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen wird der Transformatorabschnitt jedoch in der Form eines Raums oder einer Region reduzierter Permittivität bereitgestellt.
Der erste Aspekt der Erfindung stellt außerdem eine alternative Anordnung zu der Anordnung von 1 bereit. Im Kontrast zum System von 1 (in der das dielektrische Glied den Knotenpunkt 103 überlappt) überlappt das dielektrische Glied den Knotenpunkt nicht. Dies kann erreicht werden, indem ein Raum in dem dielektrischen Glied ausgebildet wird.
Gewöhnlich wird das dielektrische Glied mit einem Transformatorabschnitt zum Reduzieren von Reflexionen von Signalen, die die vordere oder hintere Kante des Raums oder der Region reduzierter Permittivität passieren, ausgebildet. Im Gegensatz zu der Anordnung von 1 kann die Wellenimpedanz an dem Transformatorabschnitt in der Richtung der Anschlüsse abnehmen.
Eine Vielzahl von Transformatorabschnitten kann verwendet werden. Beispielsweise können die vordere und/oder hintere Kante des Raum oder der Region reduzierter Permittivität ausgebildet werden, wie in 2 dargestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das dielektrische Glied jedoch mit mindestens einem Raum oder einer Region relativ niedriger Permittivität angrenzend an einer Kante des ersten Raums oder der ersten Region ausgebildet, wobei der oder jeder zweite Raum oder die oder jede zweite Region im Vergleich zu dem ersten Raum oder der ersten Region in der Bewegungsrichtung des dielektrischen Glieds relativ kurz ist und wobei die Position und Größe des oder jedes zweiten Raums oder der oder jeder zweiten Region so ausgewählt sind, dass der oder jeder zweite Raum oder die oder jede zweite Region als ein Impedanztransformator wirkt.
Vorzugsweise wird das dielektrische Glied mit einem ersten Raum oder einer ersten Region relativ niedriger Permittivität und mindestens einem zweiten Raum oder einer zweiten Region relativ niedriger Permittivität angrenzend an und mit Zwischenraum zu einer Kante des ersten Raums oder der ersten Region ausgebildet, wobei der oder jeder zweite Raum oder die oder jede zweite Region im Vergleich mit dem ersten Raum oder der ersten Region in der Bewegungsrichtung des dielektrischen Glieds relativ kurz ist und wobei die Position und Größe des oder jedes zweiten Raums oder der oder jeder zweiten Region so ausgewählt sind, dass der oder jeder zweite Raum oder die oder jede zweite Region als ein Impedanztransformator wirkt.
Diese bevorzugte Transformatorform ist einfacher herzustellen als der Transformator von 2. Der Transformator lässt sich außerdem einfach gemäß den Anforderungen des Speisenetzwerks (durch Auswahl der Position und Größe des zweiten Raums oder der zweiten Region) abstimmen.
Gewöhnlich enthält die Vorrichtung eine erste Erdungsebene, die an einer Seite des Netzwerks angeordnet ist. Vorzugsweise hat die Vorrichtung außerdem eine zweite Erdungsebene, die an einer gegenüberliegenden Seite des Netzwerks angeordnet ist.
Gewöhnlich sind die Speiseleitungen Streifen-Speiseleitungen.
Das dielektrische Glied kann gebildet werden, indem eine Zahl von dielektrischen Körpern verbunden wird. Vorzugsweise wird das dielektrische Glied jedoch als ein Einzelteil gebildet.
Gewöhnlich ist das dielektrische Glied länglich (zum Beispiel in der Form eines rechtwinkligen Stabs) und entlang seiner Länge in einer Richtung parallel zu einer angrenzenden Speiseleitung beweglich.
Gewöhnlich hat die Vorrichtung drei oder mehr Anschlüsse, die entlang einer im Wesentlichen geraden Linie angeordnet sind.
Eine Vielzahl von Verzögerungsstrukturen wie Mäander oder Stichleitungen können in den Speiseleitungen ausgebildet sein.
Die Vorrichtung kann in einer Tafelantenne einer zellularen Basisstation oder dergleichen verwendet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden jetzt unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen:
1 eine schematische Draufsicht einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik zeigt;
2 eine Seitenansicht der Kante der Vorrichtung nach dem Stand der Technik, die in 1 dargestellt ist, zeigt;
3a bis 3c drei Draufsichten (Breite reduziert 1/3 der Längenreduktion) einer 10-Anschluss-Vorrichtung für ein Antennenstrahlenformungs-Netzwerk mit integriertem abstimmbaren Mehrkanal-Phasenschieber zeigen, wobei die beweglichen dielektrischen Stäbe in drei verschiedenen Positionen sind;
4 einen Querschnitt entlang einer Linie A-A in 3a zeigt;
5 einen Querschnitt entlang einer Linie B-B in 3b zeigt;
6 eine vergrößerte Draufsicht (Breite reduziert 1/3 der Längenreduktion) der rechten Seite der Vorrichtung von 3b zeigt;
7 einen Graphen zeigt, der die Variation in der Permittivität εder beweglichen dielektrischen Stäbe 47a und 47b entlang eines Abschnitts der Speiseleitung 16 darstellt;
8 einen Graphen zeigt, der die Variation in der Permittivität ε der beweglichen dielektrischen Stäbe 47a und 47b entlang eines Abschnitts der Speiseleitung 17 darstellt;
9 eine schematische Draufsicht eines Segments eines alternativen beweglichen dielektrischen Stabs zeigt;
10a bis 10c drei Draufsichten (Breite reduziert 1/3 der Längenreduktion) einer 5-Anschluss-Vorrichtung für ein Antennenstrahlenformungs-Netzwerk mit integriertem abstimmbaren Mehrkanal-Phasenschieber zeigen, wobei die beweglichen dielektrischen Stäbe in drei verschiedenen Positionen sind;
11 einen Querschnitt entlang einer Linie C-C in 10a zeigt;
12 einen Querschnitt entlang einer Linie D-D in 10c zeigt;
13 eine schematische Draufsicht (Breite reduziert um 1/2 der Längenreduktion) des beweglichen dielektrischen Stabs zeigt;
14 eine schematische Draufsicht einer 3-Anschluss-Vorrichtung mit einer Streifenleitung, die mit Stichleitungen ausgebildet ist, zeigt;
15 eine schematische Draufsicht einer 3-Anschluss-Vorrichtung mit einer Streifenleitung, die als Mäanderleitung ausgebildet ist, zeigt; und
16 einen Querschnitt einer Vorrichtung, wie in 10 dargestellt, mit einer asymmetrischen Streifenleitungs-Anordnung zeigt.
Die nachstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen stellen einen abstimmbaren Mehrkanal-Phasenschieber, der mit einem Strahlenformungsnetzwerk integriert ist, für eine lineare Antennenanordnung bereit. Um die Strahlenrichtung und Strahlenform dieser Antennenanordnung zu steuern, müssen wir bestimmte Phasenverhältnisse zwischen den Strahlungselementen vorsehen. Zur anschließenden Steuerung und Änderung der Strahlenrichtung sollten diese Phasenverhältnisse in einer spezifischen Weise variiert werden. Das Strahlenformungsnetzwerk enthält außerdem Schaltungsanpassende Elemente zur Minimierung von Signalreflexion und Maximierung der abgestrahlten Felder.
Ein 10-Anschluss-Speiseleitungsnetzwerk mit integriertem Phasenschieber für eine phasengesteuerte Antennengruppe ist in den 3 bis 6 dargestellt. Die Leiterstreifen 1 bis 18 bilden ein Speiseleitungsnetzwerk (der gepunktete Bereich in 3). Diese Leiterstreifen können aus leitenden Blechen (z. B. Messing oder Kupfer) oder Leiterplattenlaminat durch beispielsweise Ätzen, Prägen oder Laserschneiden hergestellt werden. Es ist zu beachten, dass aus Gründen der Verdeutlichung die Breitenabmessung der Vorrichtung um 1/3 der Längenreduktion in der Repräsentation der 3a-3c reduziert wurde. Als ein Ergebnis ist die Ansicht der Speiseleitung stellenweise etwas verzerrt.
Wie in den 4 und 5 dargestellt, ist das Speiseleitungsnetzwerk 1 bis 18 zwischen festen dielektrischen Blöcken 43a, 43b, 46a und 46b und beweglichen dielektrischen Stäben 47a und 47b angeordnet. Die gesamte Baugruppe ist in einem leitenden Gehäuse eingeschlossen, das aus den Metallblöcken 48a und 48b besteht. Die gesamte Baugruppe bildet eine dielelektrische geladene Streifenleitungs-Anordnung.
Das Paar von gleitenden dielektrischen Stäben 47a und 47b ist zwischen den Metallblöcken 48a und 48b in dem Raum zwischen den festen dielektrischen Blöcken 43a, 43b, 46a und 46b untergebracht. Zur Verdeutlichung ist die Kontur des oberen Stabs 47a in den drei Draufsichten von 3 durch eine fette Linie umrissen. Der Stab 47a ist in den 3a, 3b und 3c in drei verschiedenen Positionen dargestellt. Der untere Stab 47b hat ein zum oberen Stab 47a identisches Profil. Die Stabprofile werden gebildet, indem Materialabschnitte aus einem einzelnen Teil von dielektrischem Material geschnitten werden.
4 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A in 3a, in der die Stäbe 47a und 47b keine Aussparungen aufweisen und den Raum zwischen den Metallblöcken 48a, 48b und den dielektrischen Blöcken 43a, 43b, 46a und 46b vollständig füllen. 5 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie B-B in 3b, in der die Stäbe 47a und 47b Aussparungen 49a und 49b aufweisen und den Raum zwischen den Metallblöcken 48a, 48b und den dielektrischen Blöcken 43a, 43b, 46a und 46b teilweise füllen. Alle Aussparungen in den Stäben 47a und 47b weisen genau festgelegte Positionen und Abmessungen auf, die von den gewünschten Phasen- und Energieverhältnissen an den Anschlüssen 20 bis 28 abhängen. Gleichzeitig dienen die Aussparungen als Schaltungs-anpassende Transformatoren für das Speiseleitungsnetzwerk.
Die Stäbe 47a und 47b können kontinuierlich entlang ihrer Länge bewegt werden, um eine gewünschte Phasenverschiebung bereitzustellen. Die Bewegung der Stäbe 47a und 47b bietet gleichzeitige Anpassung der Phasenverschiebung an allen Anschlüssen 20 bis 28. Die Positionen und Abmessungen der Aussparungen werden so ausgewählt, dass die Bewegung der Stäbe 47a und 47b innerhalb von bestimmten Grenzen die Phasenverhältnisse zwischen den Anschlüssen 20-28 in einer spezifizierten Weise ändern, ohne die Impedanzanpassung am Eingangsanschluss 19 zu ändern.
Zur Bereitstellung der gewünschten Aufteilung von Energie an jedem Knotenpunkt des Speiseleitungsnetzwerks sind Schaltungs-anpassende Transformatoren in dem Speiseleitungsnetzwerk integriert. Ein Beispiel derartiger Schaltungs-anpassender Elemente sind die Abschnitte 11 und 12 nahe dem Hauptknotenpunkt 33 und der Abschnitt 29 im Streifenleiter 2. Hier wird die Schaltungsanpassung durch Variieren der Breite des Speiseleitungsabschnitts erreicht. Die Länge und Breite dieser Schaltungsanpassender Abschnitte 11 und 12 wird ausgewählt, um Signalreflexionen an dem Hauptknotenpunkt 33 zu minimieren. In einer bevorzugten Anordnung weisen die Abschnitte 11 und 12 beide Längen von ungefähr λ/4 auf (wobei λ die Wellenlänge in der Speiseleitung korrespondierend mit der Mitte des intendierten Frequenzbands ist). Diese Arten von Schaltungs-anpassenden Transformatoren werden nachstehend als feste Transformatoren bezeichnet.
Ein anderes Beispiel eines Schaltungs-anpassenden Elements in dieser Vorrichtung ist in 6 dargestellt. Die Aussparung 52 und der Überstand 51 auf dem beweglichen dielektrischen Stab dienen als ein Impedanzanpassungstransformator für das Speiseleitungssegment 17 zwischen den Knotenpunkten 37 und 38. Dieser Transformator passt die Wellenimpedanz zwischen dem Teil der Streifenleitung 17, an dem sie die linke Kante des Überstands 51 kreuzt, und dem Teil der Streifenleitung 17, an dem sie die rechte Kante der Aussparung 52 kreuzt, an. Diese Art von Schaltungs-anpassendem Transformator wird nachstehend als beweglicher Transformator bezeichnet. Die Länge der Speiseleitung zwischen dem Knotenpunkt 38 und der rechten Kante der Aussparung 52 sowie die Länge der Speiseleitung zwischen dem Knotenpunkt 37 und der linken Kante des Überstands 51 variieren mit der Bewegung der Stäbe 47a, 47b. Die Summe der beiden Längen bleibt jedoch unabhängig von der Position der Stäbe 47a und 47b (innerhalb ihres Arbeitsbereichs) konstant, so dass die richtige Anpassung aufrechterhalten wird.
Sämtliche der beweglichen und festen Transformatoren in der Vorrichtung verringern die Wellenimpedanz entlang des Speiseleitungsnetzwerks in der Ausgangsrichtung. Daher sind die Stufen der Breitenvariation in den festen Transformatoren kleiner und die Längen der festen Transformatoren kürzer im Vergleich mit einer ähnlichen Vorrichtung, die keine beweglichen Transformatoren aufweist. Die reduzierte Länge der festen Transformatoren ermöglicht eine größere Bewegung der beweglichen Stäbe entlang einer Länge der Streifenleitung gleicher Breite, wodurch eine stärkere Phasenverschiebung möglich ist. Die kleineren Stufen in der Breitenvariation in den festen Transformatoren resultieren in kleineren Reflexionsverlusten.
Eine alternative Ausführung eines beweglichen Transformators ist zwischen den Knotenpunkten 33 und 37 angeordnet (6). Der Transformator ist ähnlich dem beweglichen Transformator zwischen den Knotenpunkten 37 und 38, wird aber in diesem Fall durch zwei Überstände 41, 42 und zwei Aussparungen 44, 45 gebildet.
Die beweglichen Transformatoren wirken als in Kaskade geschaltete Impedanztransformatoren, wie in den 7 und 8 dargestellt, die Variation von & entlang der Speiseleitungen angrenzend an den Aussparungen/Überständen 41, 42, 44, 45, 51 und 52 darstellen.
Die Muster der Streifenleiter in 3 dienen als ein Energieverteilungsnetzwerk für Antennen-Strahlungs-/Empfangselemente (nicht dargestellt), die an den Anschlüssen 20 bis 28 angeschlossen sind. Das Leitermuster enthält mehrere Teiler und Schaltungs-anpassende Elemente. Damit kann die Vorrichtung ein eingehendes Signal vom gemeinsamen Anschluss 19 mit spezifizierter Phasen- und Stärkenverteilung an die Anschlüsse 20 bis 28 liefern (Übertragungsmodus). Außerdem kann die Vorrichtung alle eingehenden Signale von den Anschlüssen 20 bis 28 mit einem vordefinierten Phasen- und Amplitudenverhältnis zwischen dem eingehenden Signalen zum gemeinsamen Anschluss 19 kombinieren (Empfangsmodus).
Eine alternative Topologie für die beweglichen dielektrischen Stäbe 47a und 47b ist in 9 dargestellt. In 9 sind die Aussparungen der Stäbe 47a und 47b mit einem dielektrischen Material 80 einer anderen Permittivität als das Stabmaterial gefüllt, zum Beispiel Polymethacrylimit.
Ein 5-Anschluss-Speiseleitungsnetzwerk mit einem integrierten Mehrkanal-Phasenschieber für eine phasengesteuerte Antennengruppe ist in den 10 bis 13 dargestellt. Der Querschnitt ist im Prinzip ähnlich dem für die 10-Anschluss-Vorrichtung, wie in den 4 und 5 dargestellt. Im Gegensatz zur Anordnung der 10-Anschluss-Vorrichtung ist der Eingangsanschluss 60 jedoch in Reihe mit den Ausgangsanschlüssen 61 bis 64 angeordnet.
Leiterstreifen (als gepunkteter Bereich in 10 dargestellt) bilden das Leitermuster des Speiseleitungsnetzwerks. Diese Leiterstreifen können aus leitenden Blechen (z. B. Messing oder Kupfer) oder Leiterplattenlaminat durch beispielsweise Ätzen, Prägen oder Laserschneiden hergestellt werden. Wie in den 11 und 12 dargestellt, ist das Speiseleitungsnetzwerk zwischen den festen dielektrischen Blöcken 67a und 67b und den beweglichen dielektrischen Stäben 68a und 68b angeordnet. Die gesamte Baugruppe ist in einem leitenden Gehäuse, das aus den Metallblöcken 69a und 69b besteht, eingeschlossen. Die gesamte Baugruppe bildet eine dielektrische geladene Streifenleitungs-Anordnung.
Zur Verdeutlichung ist die Kontur des oberen Stabs 68a in den drei Draufsichten von 10 durch eine fette Linie umrissen. Der Stab 68a ist in den 10a, 10b und 10c in drei verschiedenen Positionen dargestellt. Der untere Stab 68b hat ein zum oberen Stab 68a identisches Profil. Die Stabprofile werden gebildet, indem Teile von Stabmaterial entfernt werden, wie in 13 dargestellt.
11 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie C-C in 10a, in der die beweglichen Stäbe 68a und 68b Aussparungen 92a und 92b aufweisen und den Raum zwischen den Metallblöcken 69a, 69b neben den festen dielektrischen Blöcken 67a, 67b teilweise füllen. 12 zeigt einen Vorrichtungs-Querschnitt entlang der Linie D-D in 10c, in der die Stäbe 68a und 68b keine Aussparungen aufweisen und den Raum zwischen den Metallblöcken 69a, 69b neben den festen dielektrischen Blöcken 67a, 67b vollständig füllen. Alle Aussparungen in den Stäben 68a und 68b weisen genau festgelegte Positionen und Abmessungen auf, die von den gewünschten Phasen- und Energieverteilungen an den Anschlüssen 61 bis 64 abhängen. Gleichzeitig dienen die Aussparungen als Anpassungstransformatoren für die Speiseleitungen.
Die Stäbe 68a und 68b können kontinuierlich entlang ihrer Länge bewegt werden, um eine gewünschte Phasenverschiebung bereitzustellen. Die Bewegung der Stäbe 68a und 68b ermöglicht gleichzeitige Anpassung der Phasenverschiebung an allen Anschlüssen 61 bis 64. Die Positionen und Abmessungen der Aussparungen werden so ausgewählt, dass die Bewegung der Stäbe 68a und 68b innerhalb von bestimmten Grenzen die Phasenverhältnisse zwischen den Anschlüssen 61 bis 64 in einer spezifizierten Weise ändern und eine geeignete Anpassung am Eingangsanschluss 60 bereitstellen.
Alternativ könnten die in 13 dargestellten Aussparungen mit einem dielektrischen Material einer anderen Permittivität als das Stabmaterial gefüllt werden. Alternative Topologien für die Stäbe 68a und 68b sind in dem Abschnitt mit der Beschreibung der 10-Anschluss-Vorrichtung beschrieben.
Zur Bereitstellung der gewünschten Teilung der Energie an jedem Knotenpunkt des Streifenleiters sind Schaltungs-anpassende Transformatoren in das Verteilungsnetzwerk, das durch die Streifenleiter in 10 gebildet wird, integriert. Beispiele für derartige feste Schaltungs-anpassende Elemente sind die Abschnitte 65 und 66 nahe dem Knotenpunkt 69, die Abschnitte 72 und 73 nahe dem Knotenpunkt 70 und die Abschnitte 74 und 75 nahe dem Knotenpunkt 71. Hier wird die Schaltungsanpassung durch Variieren der Abmessungen des Speiseleitungsabschnitts erreicht. Die Länge und Breite dieser Schaltungsanpassenden Abschnitte 65, 66 und 72 bis 75 wird ausgewählt, um Signalreflexionen an den Knotenpunkten 69 bis 71 zu minimieren. Die Aussparungen 90 bis 93 in dem dielektrischen Stab 68a bewegen sich entlang einem gleichförmigen Abschnitt des Speiseleitungsnetzwerks.
Die Aussparungen 90 und 92 ändern die Phasenverschiebung zwischen den Ausgängen 61 bis 64, wenn der dielektrische Stab 68a sich bewegt. Die Aussparungen 91 und 93 sind die beweglichen Transformatoren, die die Wellenimpedanz in der Ausgangsrichtung vom Eingang 60 zu den Ausgängen 61 bis 64 verringern. Um gleiche Wellenimpedanzen an dem Eingang und allen vier Ausgängen zu haben, müssen die Transformatoren der 5-Anschluss-Vorrichtung die Wellenimpedanz entlang der Wege von dem Eingang zu jedem Ausgang 61 bis 64 um einen Faktor 1/4 verringern. Die festen und beweglichen Transformatoren der in 10 dargestellten 5-Anschluss-Vorrichtung erleichtern diese Verringerung in der folgenden Weise. Die Abschnitte 65 und 66 verringern die Wellenimpedanz auf 3/4, die Abschnitte 72 und 73 auf 10/16, die Aussparungen 91 auf 2/3 und die Aussparungen 93 auf 4/5 der Werte am Anfang jedes Abschnitts.
Es ist möglich, die Phasenverschiebung pro Einheit der Stabbewegung zu erhöhen, indem die Anordnung des Speiseleitungsnetzwerks verändert und eine Verzögerungsleitung erzeugt wird. Diese Verzögerungsleitung kann mit kurzen Stichleitungen gebildet (in 14 dargestellt) oder in einem Mäandermuster angeordnet werden (in 15 dargestellt). Die in den 14 und 15 dargestellten Anordnungen resultieren in einer nichtlinearen Abhängigkeit von Phasenverschiebung und Stabposition, die immer noch für Antennen mit variabler Abwärtsneigung geeignet ist.
Damit stellt die vorgeschlagene Vorrichtung ein Strahlenformungsnetzwerk für eine Antennenanordnung mit elektrisch steuerbarem Strahlungsmuster, Strahlenform und -richtung bereit. Die neue Anordnung integriert den anpassbaren Mehrkanal-Phasenschieber und die Energieverteilungsschaltung in ein einzelnes Streifenleitungsgehäuse.
Das Speiseleitungsnetzwerk, wie oben für die 5-Anschluss- und 10-Anschluss-Vorrichtung beschrieben, ist symmetrisch und enthält zwei Erdungsebenen 69a und 69b und zwei bewegliche dielektrische Stäbe 68a und 68b. Es ist möglich, eine andere Anordnung zu verwenden, die eine Erdungsebene und einen dielektrischen beweglichen Stab enthält, wie in 16 dargestellt, um einen Mehrkanal-Phasenschieber zu realisieren. Diese nicht symmetrische Anordnung bietet eine einfachere Konstruktion, obwohl sie eine geringere Phasenverschiebung und einen höheren Einfügungsverlust als in einer symmetrischen Anordnung ergibt.
OPERATIONSGRUNDSÄTZE
Die Operation des Speiseleitungsnetzwerks 2 der 10-Anschluss-Vorrichtung wird jetzt unter Bezugnahme auf den Übertragungsmodus der Antenne beschrieben. Es ist jedoch erkennbar, dass die Antenne auch im Empfangsmodus oder gleichzeitig im Übertragungsmodus und Empfangsmodus arbeiten kann.
PHASENVERHÄLTNISSE:
Ein Eingangssignal in der gemeinsamen Leitung 10 (3) pflanzt sich über Impedanzanpassungstransformatoren 11 und 12 zum Hauptknotenpunkt 33 fort. Am Hauptknotenpunkt 33 wird das Signal geteilt und pflanzt sich über nachfolgende Speiseleitungen und einer Reihe von Teilern zu neun Anschlüssen 20 bis 28 fort. Strahlungselemente (nicht dargestellt) sind im Gebrauch an den neun Anschlüssen 20 bis 28 angeschlossen. Die Amplituden- und Phasenverhältnisse zwischen den Signalen an den neun Anschlüssen 20 bis 28 bestimmen die Strahlenform und die Richtung, in die der Strahl von der Antenne ausgestrahlt wird. Der Winkel zwischen der Strahlenrichtung und dem Horizont ist herkömmlich als der Winkel der „Abwärtsneigungs"-Richtung bekannt. Der Strahl kann zur maximalen „Abwärtsneigungs"-Richtung gerichtet werden, indem die maximale Phasenverschiebung ΔP zwischen jedem Paar von benachbarten Anschlüssen erzeugt wird.
Jetzt Bezug nehmend auf 6, führt die Speiseleitung 5 vom Hauptknotenpunkt 33 zum mittleren Anschluss 24. Die Speiseleitung 5, die vom Teiler 33 abzweigt, ist durch gefaltete Längen von Streifenleitung mit einer Impedanzanpassungsstufe 32 gebildet. Unabhängig von der Position der Stäbe 47a und 47b besteht keine Änderung der Permittivität entlang des Wegs des Streifenleiters zwischen Knotenpunkt 33 und Anschluss 24 (wie aus den 3a, b und c ersichtlich). Daher bleibt die elektrische Länge der Speiseleitung zwischen dem Hauptknotenpunkt 33 und dem mittleren Anschluss 24 bei allen Positionen der dielektrischen Stäbe konstant.
Die Abmessungen dieser Vorrichtung werden in einer Weise ausgewählt, dass die Anschlüsse 20 bis 28 in Phase sind (d. h. ΔP ist null), wenn die Stäbe 47a und 47b auf die extreme linke Position eingestellt sind, wie in 3b gezeigt. Durch gleichzeitiges Bewegen der Stäbe 47a und 47b nach rechts wird die elektrische Länge von bestimmten Teilen des Speisenetzwerks zwischen den Stäben 47a und 47b geändert. Bei der Speiseleitung 16 zwischen den Knotenpunkten 33 und 37 in 6 wird durch Bewegen der Stäbe 47a und 47b nach rechts die Länge der Speiseleitung 16, die vom Überstand 40 abgedeckt ist, verringert und gleichzeitig die offene Länge der Speiseleitung 16 zwischen dem Hauptknotenpunkt 33 und der linken Kante des Überstands 41 vergrößert. Da die Permittivität & der Überstände höher ist als die Permittivität der Aussparungen, wie in 7 dargestellt, wird Bewegen der Stäbe 47a und 47b nach rechts daher die Länge der Speiseleitung 16 mit höherem & verringern und die Länge mit niedrigerem vergrößern. Als ein Ergebnis wird dies die Phasendifferenz ΔP zwischen den Knotenpunkten 33 und 37 verringern.
Bei der Speiseleitung 17 zwischen den Knotenpunkten 37 und 38 wird durch Bewegen der Stäbe 47a und 47b nach rechts die Länge dieser Speiseleitung, die vom Überstand 50 abgedeckt ist, verringert und gleichzeitig die Länge dieser Speiseleitung zwischen dem Knotenpunkt 37 und der linken Kante des Überstands 51 vergrößert.
Die Abmessungen der Vorrichtung werden so ausgewählt, dass unabhängig von den Positionen der Stäbe 47a und 47b (innerhalb ihres Arbeitsbereichs) eine Phasenverschiebung ΔP/2 zwischen jedem Paar von benachbarten Anschlüssen besteht. Wenn die Stäbe in der mittleren Position sind (3a), ist die Phasenverschiebung relativ zu Anschluss 24 gleich –2·ΔP Grad am linken Anschluss 20 und gleich +2·ΔP Grad am rechten Anschluss 28. Wenn die Stäbe in der Position ganz rechts sind (3c), ist die Phasenverschiebung relativ zu Anschluss 24 gleich –4·ΔP Grad am linken Anschluss 20 und gleich +4·ΔP Grad am rechten Anschluss 28.
Der Betrag der Phasenverschiebung ΔP wird bestimmt durch die Permittivität des Materials, das für die Stäbe 47a und 47b verwendet wird, und durch die Aussparungsform. Die Permittivität des verwendeten dielektrischen Materials beeinflusst die Phasengeschwindigkeit der Signale, die sich in dem Speiseleitungsnetzwerk bewegen. Dabei gilt, dass, je höher die Permittivität ist, desto niedriger die Phasengeschwindigkeit oder desto länger die elektrische Länge der Übertragungsleitung ist. Daher ist es durch Variieren der Länge der Abschnitte der dielektrischen Stäbe, die die Streifenleiter der Speiseleitungen überlappen (gesehen aus der Perspektive von 3), möglich, die Phasenverschiebung zwischen dem Signal an den Anschlüssen 20 bis 28 zu steuern. Ein dielektrisches Material „Styrene" oder Polypropylen wird zur Herstellung der beweglichen dielektrischen Stäbe 47a, 47b verwendet.
Die Anordnung des Speiseleitungsnetzwerks und die Positionen und Größen der Aussparungen in den Stäben 47a und 47b können geändert werden, um andere Phasenverhältnisse zwischen den Anschlüssen 20 bis 28 zu erhalten.
Die Operation des Speiseleitungsnetzwerks 2 der 5-Anschluss-Vorrichtung wird jetzt unter Bezugnahme auf den Übertragungsmodus der Antenne beschrieben. Es ist jedoch erkennbar, dass die Antenne auch im Empfangsmodus oder gleichzeitig im Übertragungsmodus und Empfangsmodus arbeiten kann.
Ein Eingangssignal in der Speiseleitung 60 (10) pflanzt sich über Impedanzanpassungstransformatoren 65 und 66 zu einem Knotenpunkt 69 fort. Vom Knotenpunkt 69 wird das Signal über den Knotenpunkt 70 zu den Anschlüssen 61 und 62 geleitet und über den Knotenpunkt 71 zu den Anschlüssen 63 und 64. Strahlungselemente (nicht dargestellt) sind im Gebrauch an den vier Anschlüssen 61 bis 64 angeschlossen. Das Phasenverhältnis zwischen den Signalen an den vier Anschlüssen 61 bis 64 bestimmt die Strahlenform und die Richtung, in die der Strahl von der Antenne ausgestrahlt wird.
Die Position der dielektrischen Stäbe 68a und 68b steuert das Phasenverhältnis zwischen den Anschlüssen 61 bis 64. Das Folgende bezieht sich auf eine Vorrichtung, bei der die Aussparungen der Stäbe 68a und 68b geformt sind, wie in den 10 und 13 dargestellt. Die Position und Größe der Aussparungen werden ausgewählt, um Phasenverhältnisse zu erhalten, wie unten beschrieben.
Wenn die Stäbe 68a und 68b auf die mittlere Position eingestellt sind, wie in 10b gezeigt, haben die Anschlüsse 61 bis 64 spezifizierte Phasenverhältnisse. Beispielsweise durch Bewegen der Stäbe 68a und 68b nach links wird gleichzeitig die elektrische Länge von bestimmten Teilen des Speiseleitungsnetzwerks zwischen den Stäben 68a und 68b geändert. Wenn beispielsweise die Stäbe 68a und 68b von der mittleren Position (10b) nach ganz links (10a) bewegt werden, nimmt die Länge der Speiseleitung zwischen dem Knotenpunkt 69 und der linken Kante der Aussparung 90 zu und verringert sich gleichzeitig die Länge der Speiseleitung zwischen der linken Kante von 91 und dem Knotenpunkt 70. Die Aussparungen 92 haben eine geringere Breite als die Aussparung 90, um die variable Phasenverschiebung zwischen den Ausgängen 61 und 62 um nur den halben Betrag wie zwischen den Ausgängen 61 und 63 zu ändern. Wenn die beweglichen Stäbe 68a und 68b in der Position ganz links sind (10a), ist die Phasenverschiebung relativ zu Anschluss 61 gleich –ΔP am Anschluss 62, gleich –2·ΔP am Anschluss 63 und gleich –3·ΔP am Anschluss 64.
Der Betrag der Phasenverschiebung ΔP wird bestimmt durch die Permittivität des Materials, das für die Stäbe 68a und 68b verwendet wird, und durch die Aussparungsform. Die Permittivität der verwendeten dielektrischen Materialien beeinflusst die Phasengeschwindigkeit der Signale, die sich in dem Speiseleitungsnetzwerk bewegen. Dabei gilt, dass, je höher die Permittivität ist, desto niedriger die Phasengeschwindigkeit oder desto länger die elektrische Länge der Übertragungsleitung ist. Daher ist es durch Variieren der Länge der Abschnitte der dielelektrischen Stäbe, die die Streifenleiter der Speiseleitungen überlappen (gesehen aus der Perspektive von 1), möglich, die Phasenverschiebung zwischen dem Signal an den Anschlüssen 20 bis 28 zu steuern. Ein dielektrisches Material „Styrene" wird zur Herstellung der beweglichen dielektrischen Stäbe 68a und 68b verwendet.
Die Aussparungen in den dielektrischen Stäben können durch eine Prägungsoperation oder durch Richten eines schmalen Hochdruckstroms von Flüssigkeit auf das zu entfernende Material entfernt werden.

Claims

Antennenspeisenetzwerk zum Einspeisen von Signalen zwischen einer gemeinsamen Leitung (10) und zwei oder mehr Anschlüssen (20-28), wobei die Vorrichtung ein verzweigtes Netzwerk von Speiseleitungen (1-18) enthält, die die gemeinsame Leitung (10) mit den Anschlüssen (20-28) über einen oder mehr Knotenpunkten (33, 37, 38) koppelt, wobei der eine oder die mehreren Knotenpunkte einen Hauptknotenpunkt (33) enthalten, der die gemeinsame Leitung (10) enthält; und ein dielektrisches Glied (47a, 47b), das angrenzend an dem Netzwerk montiert ist, wobei das dielektrische Glied eine Region von relativ hoher Permittivität und eine zweite Region, die einen Raum oder eine Region von relativ niedriger Permittivität umfasst, hat, wobei das dielektrische Glied bewegt werden kann, um die Phasenverschiebung von mindestens einer der Speiseleitungen anzupassen, um die Phasenbeziehung zwischen der gemeinsamen Leitung (10) und einem oder mehr der Anschlüsse (20-28) synchron anzupassen; und das dielektrische Glied außerdem einen oder mehr Transformatorabschnitte (52) zum Reduzieren von Reflexionen von Signalen, die durch das Netzwerk passieren, hat; dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des dielektrischen Glieds (47a, 47b) entlang der mindestens einen der Speiseleitungen ist, deren Phasenverschiebung angepasst wird, und dadurch, dass die zweite Region des dielektrischen Glieds den Hauptknotenpunkt (33) überlappt.
Antennenspeisenetzwerk nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Speiseleitungen einen Transformatorabschnitt von variierender Breite zum Reduzieren von Reflexionen von Signalen, die durch das Netzwerk passieren, hat.
Antennenspeisenetzwerk nach Anspruch 2, wobei der Speiseleitungs-Transformatorabschnitt eine Stufenänderung in der Breite der Speiseleitung hat.
Antennenspeisenetzwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Region ein Raum ist, der den Hauptknotenpunkt überlappt.
Antennenspeisenetzwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das dielektrische Glied mit einem Impedanztransformator angrenzend an dem Hauptknotenpunkt ausgebildet ist.
Antennenspeisenetzwerk nach Anspruch 4 oder 5, wobei die zweite Region in einer Seite des dielektrischen Glieds ausgebildet ist.
Antennenspeisenetzwerk nach Anspruch 4 oder 5, wobei die zweite Region im Inneren des dielektrischen Glieds ausgebildet ist.
Antennenspeisenetzwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das dielektrische Glied mit mindestens einer dritten Region, die einen Raum oder eine Region von relativ niedriger Permittivität umfasst, angrenzend an und mit Zwischenraum zu einer Kante der zweiten Region ausgebildet ist, wobei die oder jede dritte Region im Vergleich mit der zweiten Region in der Bewegungsrichtung des dielektrischen Glieds relativ kurz ist, und wobei die Position und Größe der oder jeder dritten Region derart ausgewählt sind, dass die oder jede dritte Region als ein Impedanztransformator wirkt.
Antennenspeisenetzwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das dielektrische Glied mit einer vierten Region, die einen Raum oder eine Region von relativ niedriger Permittivität umfasst, und mindestens einer fünften Region, die einen Raum oder eine Region von relativ niedriger Permittivität umfasst, angrenzend an und mit Zwischenraum zu einer Kante der vierten Region ausgebildet ist, wobei die oder jede fünfte Region im Vergleich mit der vierten Region in der Bewegungsrichtung des dielektrischen Glieds relativ kurz ist, und wobei die Position und Größe der oder jeder fünften Region derart ausgewählt sind, dass die oder jede fünfte Region als ein Impedanztransformator wirkt.
Antennenspeisenetzwerk nach Anspruch 9, wobei die vierte und/oder fünfte Region in einer Seite des dielektrischen Glieds ausgebildet ist.
Antennenspeisenetzwerk nach Anspruch 9, wobei die vierte und/oder fünfte Region im Inneren des dielektrischen Glieds ausgebildet ist.
Antennenspeisenetzwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, das eine erste Erdungsebene enthält, die an einer Seite des Netzwerks angeordnet ist.
Antennenspeisenetzwerk nach Anspruch 12, das eine zweite Erdungsebene enthält, die an einer gegenüberliegenden Seite des Netzwerks angeordnet ist.
Antennenspeisenetzwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Speiseleitungen Streifen-Speiseleitungen sind.
Antennenspeisenetzwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das dielektrische Glied als ein unitäres Teil ausgebildet ist.
Antennenspeisenetzwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das dielektrische Glied langgestreckt und entlang seiner Länge in einer Richtung parallel zu einer angrenzenden Speiseleitung bewegbar ist.
Antennenspeisenetzwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung drei oder mehr Anschlüsse hat, die entlang einer im Wesentlichen geraden Linie angeordnet sind.
Antennenspeisenetzwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Speiseleitungen mit einer Verzögerungsstruktur, die die elektrische Länge der Speiseleitung vergrößert, ausgebildet ist.
Antennenspeisenetzwerk nach Anspruch 18, wobei die Verzögerungsstruktur einen oder mehr Mäander umfasst.
Antennenspeisenetzwerk nach Anspruch 19, wobei die Mäander eine Mäanderperiode haben, die kürzer ist als eine Wellenlänge der Signale, die von dem Netzwerk zu führen sind.
Antennenspeisenetzwerk nach Anspruch 18, wobei die Verzögerungsstruktur eine Pluralität von Stichleitungen umfasst.
Antennenspeisenetzwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das verzweigte Netzwerk zwei oder mehr Knotenpunkte hat.
Antennenspeisenetzwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das verzweigte Netzwerk mindestens einen Transformatorabschnitt von variierender Breite zum Reduzieren von Reflexionen von Signalen, die durch das Netzwerk passieren, hat, wobei der Transformatorabschnitt zwischen einem Antennenanschluss und einem Knotenpunkt des verzweigten Netzwerks angeordnet ist.