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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Antennensystem zur Übertragung
elektromagnetischer Signale, das auf dem Gebiet der drahtlosen Übertragungen
verwendet werden kann, insbesondere im Fall von Übertragungen in einer geschlossenen
oder halbgeschlossenen Umgebung wie etwa häuslichen Umgebungen, Turnhallen,
Fernsehstudios, Kinos und Theater oder dergleichen.
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Bei
bekannten drahtlosen Übertragungssystemen
mit hoher Bitrate erreichen die vom Sender gesendeten Signale den
Empfänger
auf mehreren verschiedenen Wegen. Wenn sie im Empfänger kombiniert
werden, führen
die Phasendifferenzen zwischen den verschiedenen Strahlen, die sich
auf Wegen verschiedener Länge
ausgebreitet haben, zu einem Interferenzmuster, das wahrscheinlich
Fading oder signifikante Verschlechterung des Signals verursacht.
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Des
weiteren ändert
sich der Ort des Fading mit der Zeit abhängig von Änderungen in der Umgebung, wie
zum Beispiel der Anwesenheit neuer Objekte oder dem Vorbeigehen
von Personen. Dieses Fading aufgrund der mehreren Wege kann zu einer
signifikanten Verschlechterung sowohl im Hinblick auf die Qualität des empfangenen
Signals als auch die Systemleistung führen.
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Um
dem Fading entgegenzuwirken, ist die am häufigsten verwendete Technik
eine Technik mit räumlicher
Diversität.
Diese Technik besteht u. a. aus der Verwendung eines Paars von Antennen
mit großer
räumlicher
Abdeckung, wie etwa zwei Antennen des Patch-Typs, kombiniert mit
einem Schalter. Die beiden Antennen werden um eine Länge getrennt,
die größer oder
gleich λ0/2 sein muß, wobei λ0 die
der Betriebsfrequenz der Antenne entsprechende Wellenlänge ist.
Mit dieser Art von Antenne ist es möglich, zu zeigen, daß die Wahrscheinlichkeit,
daß sich
beide Antennen gleichzeitig in einer Region mit Fading befinden,
sehr niedrig ist. Mittels des Schalters ist es des weiteren möglich, den
Zweig zu wählen,
der mit der Antenne verbunden ist, die den höchsten Signalpegel aufweist,
indem das empfangene Signal über
eine Steuerschaltung untersucht wird.
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Die
obige Lösung
hat den Hauptnachteil, daß sie
relativ sperrig ist. Folglich hat der Anmelder verschiedene alternative
Lösungen
zu der obenbeschriebenen Lösung
vorgeschlagen. Diese Lösungen
sind auf Antennen des Schlitztyps anwendbar, die durch einen Übergang
von Leitung/Schlitz versorgt werden, und die es ermöglichen,
Strahlungsdiversität
zu erhalten. Ringförmige
Schlitzantennen sind bereits zum Beispiel aus dem folgenden Artikel
bekannt: „HIROSEK
et al „DUAL-LOOP
SLOT ANTENNA WITH SIMPLE FEED" Electronic Letters
IEEE STEVENAGE, GB, Band 25, Nr. 18, 31.08.1989, Seiten 1218–1218, worin
eine Zweischleifen-Schlitzantenne mit einfacher Speisung beschrieben
wird, wobei die Schleifen durch ein gerades Schlitz-Segment verbunden
werden. Das Umschalten von Zuführungsleitungen
wird in
WO-A-02/069446 beschrieben,
aber diese Schrift wurde nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung
veröffentlicht.
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Außerdem sind
Nachforschungen an einer Antenne des Schlitztyps ausgeführt worden,
wie zum Beispiel mit einem ringförmigen
Schlitz, der durch einen Tangential-Leitungs/Schlitz-Übergang versorgt wird, siehe
zum Beispiel T. Dusseux, „Etudes
d'antennes fentes
annulaires imprimees Applications: Antennes melangeues reseaux" These de doctoral,
Universite de Rennes I, 1987. Eine Antenne dieses Typs ist in 1 gezeigt.
Diese Antenne wird auf einem Substrat 1 produziert, wie
zum Beispiel dem Substrat Chukoh Flo CGP500 mit Er = 2,6, TanD =
0,0018 und der Höhe
h = 0,76 mm. Sie umfaßt
einen ringförmigen
Schlitz 2, dessen Umfang in der Größenordnung von k'λs liegt,
wobei k' eine ganze
Zahl und λs die in dem Schlitz geführte Wellenlänge ist.
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Wie
in
1 gezeigt, wird dieser ringförmige Schlitz
2 durch
einen Übergang
von Leitung/Schlitz versorgt, der im wesentlichen an dem Punkt P
tangential ist. Der Übergang
von Leitung/Schlitz besteht aus einer auf dem Substrat
1 hergestellten
Mikrostreifenleitung
3, wobei sich diese Mikrostreifenleitung
in einer Distanz y von dem Tangierpunkt des Schlitzes
2 befindet.
Die Länge
der Mikrostreifenleitung
3 zwischen ihrem Ende
3' und dem Punkt
P beträgt
etwa kλ
m/4, wobei k eine ungerade ganze Zahl und λ
m die
in der Mikrostreifenleitung geführte
Wellenlänge
ist. Ferner wird die charakteristische Impendanz der Mikrostreifenleitung
so gewählt,
daß an
dem Port 1 50 Ohm bereitgestellt werden. In diesem Fall ist die
Kopplung zwischen dem Schlitz und der Mikrostreifenleitung vom elektromagnetischen
Typ. Um maximale Kopplung zwischen der erregenden Mikrostreifenleitung
und dem Schlitz zu bekommen, ist es notwendig, in einer Kurzschlußebene für die Mikrostreifenleitung
anzuordnen. Somit wird die Kopplung optimiert durch Justieren der
Distanz y zwischen dem Schlitz
2 und der erregenden Leitung
3.
Da die Kopplung über
eine bestimmte Region auf jeder Seite der Kurzschlußebene für die Mikrostreifenleitung
stattfindet, erhält
man das Breitbandverhalten für
die auf diese Weise erregte Antenne wie in der nachfolgenden Tabelle
1 gegeben: Tabelle 1
Y
(mm) | –0,25 | 0 | +0,25 | +0,5 |
angepaßte Bandbreite
(%) | 14,3 | 14 | 12 | 9,5 |
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2 zeigt
auch den Reflexionskoeffizienten S11 eines ringförmigen Schlitzes als Funktion
der Frequenz für
verschiedene Werte von y wie in Tabelle 1 gegeben. Diese Kurven
ergeben die Anpassung des ringförmigen
Schlitzes an die Werte. Bei diesen Nachforschungen wird einfach
erwähnt,
daß zwei
symmetrisch durch eine tangentiale Versorgungsleitung erregte ringförmige Schlitze
in Phasenopposition strahlen. Dies führt deshalb zu Strahlung in
der Nullachse.
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Entgegen
dieser Behauptung hat der Anmelder jedoch bemerkt, daß in einer
Struktur des obigen Typs mit einer Einrichtung der Mikrostreifenleitung
mit Bezug auf die Schlitze dergestalt, daß sich einer in einer Kurzschlußebene der
Mikrostreifenleitung befindet, die beiden ringförmigen Schlitze phasengleich
strahlen, wodurch sich konstruktive Strahlung entlang der Achse
mit linearer Polarisation mit sehr hoher Reinheit ergibt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft deshalb ein Antennensystem zur Übertragung
elektromagnetischer Signale unter Verwendung. von Antennen des Schlitztyps,
die durch einen Übergang
von Leitung/Schlitz wie oben beschrieben versorgt werden, wodurch
es möglich
wird, kompakte Antennen mit breitem Frequenzband und mit linearer
Polarisation sehr hoher Reinheit zu erhalten.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine neuartige Topologie
von Antennen wie oben beschrieben, wodurch es möglich wird, eine kompakte Einrichtung
mit Strahlungsdiversität
zu erhalten.
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Die
Erfindung wird in Anspruch 1 definiert.
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Gemäß einem
zusätzlichen
Merkmal der Erfindung beträgt
die Länge
jeder Versorgungsleitung zwischen der Komponente und dem Symmetriepunkt
etwa kλm/4, wobei k eine ganze Zahl und λm die
in der Leitung geführte
Wellenlänge
ist, um so abhängig
von dem Zustand der Komponente in der die Symmetriepunkte enthaltenden
Ebene eine elektrische Kurzschluß- oder offene Ebene wiederherzustellen.
Wenn in diesem Fall die Leitung kλm/4 mit k = 2 mißt, reicht es aus, den Diodenzustand
umzukehren, um dasselbe Verhalten zu finden. Für k = 1 ergibt also eine Ein-Diode
(CC) plus einer Viertelwellenlängenleitung
einen offenen Schaltkreis CO am Übergang
und für
k = 2 ergibt eine Aus-Diode (CO) plus einer Halbwellenlängenleitung
einen offenen Schaltkreis.
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Gemäß der Erfindung
bestehen die Mittel zur Übertragung
elektromagnetischer Wellen des Schlitzantennentyps, die durch einen Übergang
von Leitung/Schlitz versorgt werden, aus einem Schlitz ringförmiger oder
polygonaler Form, wobei es möglich
ist, daß die
polygonale Form ein Recheck oder Quadrat oder eine beliebige andere
bekannte polygonale Form ist.
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Ferner
muß der
Umfang des Schlitzes eine Wellenlänge von etwa k'λs aufweisen,
wobei k' eine ganze Zahl
und λs die in dem Schlitz geführte Wellenlänge ist.
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Gemäß einem
zusätzlichen
Merkmal der vorliegenden Erfindung umfaßt die Einrichtung ferner eine dritte
Versorgungsleitung, die mit einem Übertragungsmittel verbunden
und elektromagnetisch mittels eines Übergangs von Leitung/Schlitz
mit dem zentralen elektromagnetischen Wellenübertragungsmittel gekoppelt ist.
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Gemäß bevorzugten
Ausführungsformen
besteht die Komponente aus einer Diode, einem Transistor, einem
elektronischen Schalter und einem mikroelektromechanischen System.
Ferner werden die Versorgungsleitungen unter Verwendung von Mikrostreifen-technologie
oder koplanarer Technologie produziert.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei Durchsicht
verschiedener Ausführungsformen
ersichtlich, wobei diese Durchsicht mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
erfolgt. Es zeigen:
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1 (bereits
beschrieben) eine schematische obere Draufsicht eines tangential
versorgten ringförmigen
Schlitzes gemäß dem Stand
der Technik.
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2 Kurven
des Reflexionskoeffizienten S11 als Funktion der Frequenz eines
ringförmigen
Schlitzes für
verschiedene Werte von y für
die Einrichtung von 1.
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3 eine
schematische obere Draufsicht zweier ringförmiger Schlitze mit tangentialer
Versorgung.
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3A und 3B eine
Kurve des Reflexionskoeffizienten S11 als Funktion der Frequenz
bzw. des Strahlungsmusters eines Antennensystems gemäß 3.
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4 eine
schematische obere Draufsicht einer Topologie eines Antennensystems
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5 eine
Kurve des Reflexionskoeffizienten S11 als Funktion der Frequenz
für die
in 4 gezeigte Topologie.
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6 die
Strahlung der drei Zustände
des Antennensystems von 4.
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7 eine
schematische obere Draufsicht einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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8 eine
Kurve der Reflexionskoeffizienten der Antenne von 7 als
Funktion der Frequenz, wenn sich die Dioden 25 und 26 von 7 im
Ein-Zustand und die Diode 33 im Aus-Zustand befinden, und
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9 das
Strahlungsmuster der Antenne von 7, als Funktion
der Frequenz, wenn sich die Dioden 25 und 26 von 7 im
Ein-Zustand und die Diode 33 im Aus-Zustand befinden.
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Um
die Beschreibung zu vereinfachen, tragen dieselben Elemente dieselben
Bezugszeichen. In der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „Mittel
zur Übertragung
elektromag-netischer Wellen" beliebige Mittel,
die elektromagnetische Wellen senden und/oder empfangen können, wobei
diese Mittel als der Ausdruck „Antenne" bekannt sind.
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Zuallererst
wird ein Beispiel, das es ermöglicht,
ein Breitband-Antennensystem mit sehr reiner linearer Polarisation
zu erhalten, mit Bezug auf 3, 3A und 3B beschrieben.
Wie in 3 gezeigt, umfaßt das Antennensystem Antennen
des Schlitztyps, die aus zwei ringförmigen Schlitzen 10, 11 bestehen,
die auf jeder Seite einer Mikrostreifen-Versorgungsleitung 12 angeordnet
sind, die an einem Punkt P' die
beiden Schlitze 10 und 11 tangiert. In diesem
Fall werden die beiden ringförmigen
Schlitze durch einen Übergang
von Leitung/Schlitz versorgt, der magnetische Kopplung zwischen
der Versorgungsleitung (12) und den Schlitzen ergibt. Die
Länge der
Versorgungsleitung zwischen ihrem von dem Eingangsport weggehenden
Ende und dem Tangierungspunkt beträgt etwa kλm/4,
wobei k eine ungerade ganze Zahl und λm die
durch die Mikrostreifenleitung geführte Wellenlänge ist.
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Wie
im Fall von 1 ist der Umfang jedes ringförmigen Schlitzes 10, 11 im
wesentlichen gleich k'λs, wobei
k' eine ganze Zahl
und λs die in dem Schlitz geführte Wellenlänge ist.
Da die elliptischen Polarisierungen jedes Schlitzes 10, 11,
der sich auf jeder Seite der Mikrostreifenleitungs 12 befindet,
entgegensetzten Sinn aufweisen, führen sie mit dieser Struktur
zu linearer Polarisation sehr hoher Reinheit, insbesondere in der
Achse der Antenne. Um die Mittenfrequenz der Antenne zu erhalten,
ist in diesem Fall der Umfang jedes ringförmigen Schlitzes etwas kleiner
als k'λs,
wobei λs die in dem isolierten Schlitz geführte Wellenlänge ist.
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3B zeigt
die Strahlungsmuster des Antennensystems von 3 in der
E- und H-Ebene bei einer Mitten-Betriebsfrequenz
von 5,7 GHz. Da das System auf derselben Art von Substrat wie das
System von 1 produziert wird, ist ersichtlich,
daß die
Kreuzpolarisation insbesondere in der Achse der Antenne kleiner als –19,1 dB
ist.
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3A zeigt
den Reflexionskoeffizienten S11 des Systems von 3 als
Funktion der Frequenz für eine
Messung und für
eine Simulation. Das Antennensystem ist bei –10 dB bei Simulation über 15,7%
und bei Messung 22% angepaßt.
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Diese
Art von Einrichtung kann zum Beispiel durch Verwendung von Dreiplattentechnologie
auf zwei Substraten der Permittivität εr1 und εr2 produziert
werden. Somit werden die beiden ringförmigen Schlitze auf der Oberseite
des ersten Substrats geätzt.
Die in Mikrostreifentechnologie ausgeführte Versorgungsleitung wird
zwischen den beiden Substraten produziert, und die Erdfläche wird
auf der Unterseite des zweiten Substrats gebildet.
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Gemäß einem
zusätzlichen
Merkmal können
die beiden ringförmigen
Schlitze mit Perturbationen ausgestattet werden, die auf bekannte
Weise eine lineare Polarisation in eine kreisförmige transformieren. Genauer
gesagt wird jeder ringförmige
Schlitz mit zwei diagonal entgegengesetzten Perturbationen ausgestattet,
wobei die Perturbationen in einem Winkel von etwa 45 oder 135 Grad
von der durch die Mitte des Mittels zur Übertragung und dem ersten Symmetriepunkt
verlaufenden Ebene angeordnet sind. Die Perturbationen können durch
Schnitte oder durch Projektionen verschiedener Formen auf in der
Technik bekannte Weise durchgeführt werden.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die es ermöglicht, Strahlungsdiversität zu erhalten, wird
als nächstes
mit Bezug auf 4, 5 und 6 beschrieben.
Diese Strahlungsmode verwendet die obenbeschriebene grundlegende
Struktur.
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Wie
in 4 gezeigt, besteht die neuartige Topologie des
elektromagnetischen Signalübertragungssystems
aus drei Antennen 20, 21, 22 des ringförmigen Schlitztyps.
Diese Schlitze sind an den Punkten P1 und P2 paarweise tangential.
Genauer gesagt sind die ringförmigen
Schlitze 20 und 21 an dem Punkt P1 tangential,
während
die Schlitze 21 und 22 an dem Punkt P2 tangential
sind. Die Punkte 21 und P2 sind deshalb Symmetriepunkte,
durch die eine Ebene, insbesondere eine Tangentialebene, verlaufen
kann.
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Wie
in 4 gezeigt, werden die Schlitze 20, 21, 22 durch
Mikrostreifenleitungen 23, 24 versorgt, die sich
jeweils in den durch die Punkte P1 und P2 verlaufenden Tangentialebenen
befinden.
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Wie
in 4 gezeigt, werden die Mikrostreifen-Versorgungsleitungen 23, 24 zur
Verbindung mit einer (nicht gezeigten) Versorgungsschaltung durch
ein T-förmiges
Verbindungselement mit dem Port 1 verbunden.
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Die
Länge de
r Leitung 23 oder 24 zwischen dem Punkt P1 oder
P2 und dem Ende 23' oder 24' von dem Port
1 weg beträgt
des weiteren vorzugsweise etwa kλm/4, wobei k eine ganze Zahl und λm die
in der Versorgungsleitung geführte
Wellenlänge
ist.
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Wie
in
4 gezeigt, wird eine elektronische Komponente,
die es ermöglicht,
einen Kurzschluß oder einen
Leerlauf an dem Ende einer der Leitungen und einen Leerlauf oder
einen Kurzschluß an
dem Ende der anderen Leitung zu simulieren, an dem Ende jeder der
Leitungen
23,
24 angebracht. Genauer gesagt, wird eine
Diode
25 zwischen dem Ende
23' und der Erde in Rückwärtsrichtung
angebracht, während
eine Diode
26 zwischen dem Ende
24' und der Erde in Vorwärtsrichtung
angebracht wird. Diese Anbringung ermöglicht ein Umschalten der Strahlungsmuster
zwischen den drei Zuständen
abhängig
von dem Vorspannungszustand der Dioden
25 und
26,
wobei diese Vorspannung auf Fachleuten bekannte Weise produziert
wird. Die verschiedenen Schaltzustände sind in der nachfolgenden
Tabelle 2 gezeigt: Tabelle 2
| Diodenzustand |
Angelegte
Spannung | Diode 25 | Diode 26 |
–V | Aus | Ein |
0 | Aus | Aus |
+V | Ein | Aus |
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Aus
der Struktur von 4 erhält man eine Kurve, die einen
Reflexionskoeffizienten S11 als Funktion der Frequenz gibt, wie
in 5 gezeigt. Auf der Basis dieser Kurve ist ersichtlich,
daß die
angepaßte
Bandbreite bei –10
dB 22% beträgt,
wenn eine einzige Diode ausgeschaltet ist, und 17,8%, wenn beide
Dioden ausgeschaltet sind.
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Des
weiteren zeigt 6 die drei Strahlungszustände der
Antenne gemäß den Zuständen zweier
idealer Dioden bei einer Betriebsfrequenz von 5,4 GHz. Somit wird
Strahlungsdiversität
der Ordnung 3 für
die Antenneneinrichtung erhalten.
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Um
einen Übertragungskanal
mit der in 4 gezeigten Antennentopologie
zu erhalten, wird wie in 7 gezeigt vorgeschlagen, den
mittleren ringförmigen
Schlitz, das heißt
den Schlitz 21, durch eine Mikrostreifenleitung 27 zu versorgen,
die so angeordnet ist, daß wie
von Knorr beschrieben ein herkömmlicher Übergang
von Leitung/Schlitz produziert wird. Diese Leitung wird durch eine
Diode 33 abgeschlossen, die im Empfangsmodus am Ende der
Leitung 27 einen Kurzschluß wiederherstellt.
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Um
maximale Isolation zwischen Sendung und Empfang sicherzustellen,
müssen
sich die beiden Dioden
25,
26 im Sendemodus in
dem Ein-Zustand befinden, das heißt, am Ende der Mikrostreifenleitungen
23 und
24 einen
Kurzschluß aufweisen,
und die Diode
33 muß sich
im Sendemodus in dem Aus-Zustand befinden, das heißt am Ende
der Leitung
27 einen Leerlauf CO aufweisen. In diesem Fall
besitzt das in
7 gezeigte System vier Betriebszustände, wie
in der nachfolgenden Tabelle 3 erwähnt: Tabelle 3
| | Diodenzustand | |
| | Diode 25 | Diode 26 | Diode 33 |
Rx | Zustand
1 | Aus | Ein | Ein |
Zustand
2 | Aus | Aus | Ein |
Zustand
3 | Ein | Aus | Ein |
Tx | Zustand
4 | Ein | Ein | Aus |
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Die
die Verwaltung dieser vier Zustände
ermöglichende
Steuereinrichtung wird durch eine Einrichtung bereitgestellt, die
jede der drei Dioden unabhängig
steuert. Die Steuereinrichtung besteht zum Beispiel aus zwischen
dem T-Verbindungselement und den Versorgungsleitungen 23, 24 angebrachten
Blockeinrichtungen 28', 28.
Die Blockeinrichtungen bestehen aus Gleichstrom-Blöcken
bekannten Typs. Außerdem
wird zwischen der Leitung 27 und dem Port 2 ein Gleichstromblock 29 vorgesehen.
Des weiteren werden Leitungsenden oder „Stichleitungen" 30, 31, 32 zwischen
den jeweiligen Leitungen 32, 24 und 27 und
dem Anschluß zur
Vorspannung der verschiedenen Dioden 25, 26 und 33 angebracht.
Die Länge
jedes radialen Leitungsendes ist dergestalt, daß am Schnittpunkt ein Leerlauf
wiederhergestellt wird. Auf diese Weise wird die Vorspannung jeder
der Dioden zugeführt,
ohne die Hochfrequenz HF zu stören
(Transparenzbedingung). Darüber
hinaus ermöglicht es
die Gleichstromblockeinrichtung, den Gleichstrom am Antennenzugang
zu filtern.
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Mit
dem in 7 gezeigten System wird eine Kurve erhalten, die
die Amplitude der Parameter S der Einrichtung als Funktion der Übertragungsfrequenz
gibt, das heißt,
wenn sich die Dioden 25 und 26 in 8 im
Kurzschluß befinden.
Es sei erwähnt,
daß in
diesem Fall die angepaßte
Bandbreite des Übertragungskanals mehr
als 22% beträgt.
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Des
weiteren wird bei der Übertragung
ein Strahlungsmuster für
die Einrichtung wie in 9 gezeigt erhalten. Bei Betrachtung
der verschiedenen Strahlungsmuster wird ersichtlich sein, daß in der
Achse der Antenne eine hohe Qualität linearer Polarisation erhalten
wird. Des weiteren wird zwischen Sendung und Empfang ein guter Isolationsgrad
und dieselbe Polarisation für
Sendung und Empfang erhalten. Des weiteren ergibt dieser kompakte
Antennen-Stretcher Strahlungsmuster-Diversität der Ordnung 3.
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Für Fachleute
ist offensichtlich, daß die
obigen Ausführungsformen
lediglich als Beispiel angegeben werden und auf vielerlei Weise
modifiziert werden können.
Somit kann der Schlitz eine andere Form als eine ringförmige Form aufweisen;
er kann eine polygonale Form aufweisen, das heißt, eine quadratische oder
rechteckige Form oder dergleichen. Die Versorgungsleitungen können in
Mikrostreifentechnologie oder in koplanarer Technolgie produziert
werden. Die Dioden können
durch andere Komponenten ersetzt werden, wie etwa Transistoren,
elektronische Schalter und mikroelektromechanische Systeme.