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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Antennen Anordnungen und insbesondere
kollineare Antennen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Serielle
kollineare Antennensegmente sind aus dem Gebiet des Antennendesigns
bekannt (zum Beispiel die US Patentschrift
GB 20 30 778 A , die eine
Antenne beschreibt, die für
eine Multifrequenznutzung geeignet ist). Sie haben auf Grund der
Einfachheit ihres Aufbaus und der damit verbundenen Erschwinglichkeit
eine Reihe von Vorteilen gegenüber
anderen Kollinear-Antennen-Strategien,
wie z.B. einer Kollinearantenne mit gemeinsamer Speisung. Sie bestehen
aus einer Anzahl von sich abwechselnden Abstrahlelementen und dazwischen
liegenden Phasenabgleichsabschnitten, was eine phasenabgeglichene
Array-Antenne ergibt.
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Jedes
Abstrahlelement wird optimal in Phase gespeist, so dass jedes der
Abstrahlelemente übereinstimmend
abstrahlt. Das ermöglicht
das Fokussieren der Antennen-Abstrahlcharakteristik. Jedes einzelne
Abstrahlelement hat eine spezifische Länge, um für eine bestimmte Wellenlänge die
effektivste Leistungsabstrahlung zur Verfügung zu stellen. Auf jedes
aktive Abstrahlelement folgt ein Zwischen-Element-Phasenabgleichs-Abschnitt,
in dem die Strahlung der Antenne unterdrückt wird, bis der nächst korrekte
Phasenpunkt der Wellenfront erreicht wird, in dem ein anderes Abstrahlelement
seriell gespeist wird.
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Der
ideale theoretische Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt würde die
Unterdrückung
von ½ λ (180 Grad
in der Phase) der Wellenfront sehen, wobei λ die designte Wellenlänge der Antenne
ist. Außerdem
sollte idealer Weise die physikalische Länge des Abstrahlelements ½ λ sein. Ferner
wäre der
ideale theoretische physikalische Abstand zwischen den zwei Abstrahlelementen ½ λ, gemessen
vom Anfang eines Abstrahlelements zum Ende des nächsten Abstrahlelements. Natürlich gibt es
auch konkurrierende Auslegungsgrenzen, die die Umsetzung des theoretischen
Ideals erschweren. Außerdem
brauchen die Benutzer in der Praxis eine Abdeckung eines Wellenlängenbereichs.
Wenn die benutzte Wellenlänge
von der designten Wellenlänge abweicht,
treten die Nebenkeulen der Abstrahlcharakteristik der Antenne mehr
hervor. Außerdem
wird eine Verkippung der Abstrahlcharakteristik (elevation tilt)
verursacht, wenn die einzelnen Abstrahlelemente nicht genau in Phase
miteinander gespeist werden.
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Es
gibt etliche Herangehensweisen im Stand der Technik, die versuchen
dieses theoretische Ideal zu erzielen. Die üblichste Herangehensweise ist
das kollineare Franklin-Array. Die meisten dieser Franklin-Antennen
werden unter Verwendung eines Koaxialkabels als Speiseleitung hergestellt
und die Ausbreitungsgeschwindigkeit vρ des
Koaxialkabels kann dem Designer helfen, näher an das theoretische Ideal
zu kommen. Indem man sich ein reduziertes vρ im Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt
zu Nutze macht, kann die zu einer ½ λ Phasendifferenz zugehörige physikalische
Länge einigermaßen reduziert
werden. Diese Herangehensweise ist allerdings ein Kompromiss und
wenn mehr Abstrahlelemente zu dem seriellen kollinearen Antennensegmente
hinzugefügt
werden, werden die eingeschleppten Fehler verstärkt.
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Ein
anderer Ansatz ist es, eine ½ λ Phasenabgleichs-Spule
für den
Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt zu verwenden. Spulenbasierte serielle
kollineare Antennensegmente wie dieses haben ½ λ Phasenelemente, die durch den
idealen physikalischen Abstand von ½ λ getrennt sind. Obwohl dass
diese Spulen sowohl induktive als auch kapazitive Bestandteile enthalten,
ist ihre Kapazität
und damit der Q-Faktor hoch, und deshalb ist die Wellenlängenabhängigkeit
groß.
Das bedeutet, dass die eingeführte
Phasendifferenz bei der designten Wellenlänge genau 180° sein kann,
sich aber dann im Vergleich mit einem koaxialen Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt,
wie er beim Franklin-Ansatz angewendet wird, mit der Wellenlänge signifikant
verändert.
Daher sind diese Ausgestaltungen notwendigerweise schmalbandig.
Sie werden aufgrund der Leistungsverschlechterung bei der Stabilität der Charakteristik,
die aus der Schwankung der Phasendifferenz mit der Wellenlänge resultiert,
nicht verwendet wenn ausgedehnte Bandbreiten benötigt werden. Ein weiterer erheblicher
Nachteil ist, dass die physische Anordnung der Spulen, besonders
bei der Auslegung für
kurze Wellenlängen,
sehr streng kontrolliert werden muss, was die Herstellungskosten
erhöht.
Außerdem
müssen
die Spulen selbst aus einem Material sein, das stabil genug ist,
sich selbst physisch zu tragen.
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Eine
natürliche
Erweiterung zu diesem Spulen-Auslegungsansatz ist, die physischen
Spulen mit einer zu ersetzen, die komplett auf einer Platine nachgebildet
ist. Solche Ansätze
schließen
eine helixförmige
Spule, die auf die Außenseite
einer runden Hülse
gedruckt ist, und einfach die physische Spule nachbildet, mit ein.
Dieser Ansatz simuliert wirksam eine physische Spule ist aber auch
teuer und fand keine Akzeptanz. Außerdem verfehlt es dieser Ansatz,
die große
Phasenabweichung zu behandeln, die als Funktion der Wellenlänge einfließt.
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Ein
weiterer Ansatz, um eine Spule anzunähern ist es, einen Mäander auf
einer flachen Platine anzuwenden. Das stellt eine hohe Induktivität, einen Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt
mit geringerer Kapazität
aufgrund der geringen Kapazität der
Bahnen auf der Platine zur Verfügung,
aber infolgedessen ist die Abgleichsmöglichkeit eines flachen Mäanders deutlich
herabgesetzt. Das ist so, da die Abstrahl-Elemente und der flache
Mäander
nicht gut voneinander entkoppelt sind und daher die Begrenzung zwischen
diesen beiden Elementen eines seriellen kollinearen Antennensegments
schlecht ist, was in einer geringeren Bandweite und Leistung resultiert.
Folglich wird dieser Ansatz nur für kleinere Antennen mit geringerem
Gewinn verwendet, bei denen die Leistung nicht kritisch ist. Andere
elektrische Komponenten können
zu seriellen kollinearen Antennensegmenten, die einen Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt
mit einem flachen Mäander benutzen,
hinzugefügt
werden um die erwünschte Kapazität einzubringen.
Wie auch immer führt
das zu erheblich angestiegenen Produktionskosten.
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Folglich
ist es ein Ziel der Erfindung, serielle kollineare Antennensegmente
und Antennen mit verbesserten Breitbandeigenschaften bereitzustellen.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, serielle kollineare Antennensegmente
und Antennen mit verbesserten Breitbandeigenschaften bereitzustellen, die
im Vergleich zu den Designs aus dem Stand der Technik einfach und
günstig
herzustellen sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein serielles kollineares Antennensegment
bereit, umfassend eine Vielzahl von Abstrahlelementen und Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitten,
die auf einem einseitigen gestreckten Substrat abwechselnd ange ordnet
sind, wobei das besagte Segment dazu angepasst ist, um im Anwendungsfall
entlang einer Längsachse,
die im Wesentlichen längs
des Segments verläuft,
operativ gebogen zu sein, und dass die besagten Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitte
operativ so angepasst sind, um den Abstrahlelementen zu erlauben,
elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen gleichphasig über einen vorgesehenen
Frequenzbereich abzustrahlen.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
im Vergleich zum Stand der Technik die Umsetzung einer Anzahl von
Vorteilen. Die vorliegende Erfindung hat im Vergleich zu seriellen
kollinearen Antennensegmenten des Standard-Designs, die in einer
flachen Ausführung
auf einem Standard PCB-Substrat umgesetzt werden, verbesserte Breitbandeigenschaften.
Die Biegung des Substrats stellt eine erhöhte Kapazität bereit, die einen weiter
verbesserten Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt bereitstellt.
Durch die Nutzung eines einzigen flexiblen Substrats können gut
bekannte, kosteneffiziente Herstellungstechniken verwendet werden.
Es gibt keinen Bedarf, sekundäre
Elemente aufzunehmen, die die Komplexität und damit die Herstellungskosten
der Antenne erhöhen.
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Bevorzugt
sind die Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitte und die Abstrahlelemente
so angeordnet, dass sie senkrecht zueinander wirkend gegenüberstehen.
Dies bietet eine hervorragende Entkopplung zwischen den abstrahlenden
und den passiven Abschnitten eines seriellen kollinearen Antennensegments
und verbessert des Weiteren die Leistung.
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Vorzugsweise
beinhalten die Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitte eine leitende Bahn,
die so angeordnet ist, dass sie einem serpentinenförmigen Pfad
folgt. Das ist eine kostenef fektive Technik, um Phasendifferenzen
zwischen Abstrahlelementen zu erzeugen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Eine
erklärende
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1 eine
Draufsicht eines seriellen kollinearen Antennensegments in einer
ebenen Anordnung darstellt.
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2 eine
perspektivische Ansicht des seriellen kollinearen Antennensegments,
wenn es in ein Radom eingebracht ist, darstellt, und die gebogene Anwendungsanordnung
veranschaulicht.
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3 eine
vergrößerte Ansicht
der Übergangsregion
zwischen einem Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt und einem
Abstrahlelement in der Anwendungsanordnung darstellt.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Bezug
nehmend auf 1 ist dort ein serielles kollineares
Antennensegment 10 dargestellt. Das Segment besteht aus
einem ersten Abstrahlelement 20, einem Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt 30 und
einem weiteren Abstrahlelement 40, mit den gleichen Abmessungen
wie das erste Abstrahlelement 20. Es ist selbstverständlich,
das weitere Phasenabgleichsabschnitte und Abstrahlelemente nach
Bedarf hinzugefügt
werden können.
Diese Elemente bestehen aus einem leitenden Material, wie z. B.
Kupfer, das auf einem einseitigen flexiblen fortlaufenden Substrat 1 angeordnet
ist. Ein Beispiel für
ein geeignetes Substrat ist ein Standard PCB Material. In anderen
Ausgestaltungen kann das leitende Material Gold sein.
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Zuerst
werden die Abstrahlelemente 20 und 40 betrachtet.
Die Geometrie eines Abstrahlelements ist in erster Linie von der
Ziel-Design-Wellenlänge λ abhängig, die
für das
serielle kollineare Antennensegment vorgesehen ist. In diesem Ausführungsbeispiel
wird ein Segment beschrieben, das geeignet ist für den Einsatz in einer Antenne,
die für
eine Wellenlänge
von 34 cm (entsprechende Frequenz 890 MHz) und eine Bandbreite von
15 ausgelegt ist. Solch eine Antenne ist geeignet, eine befriedigende
Leistung sowohl im CDMA als auch im GSM Wellenlängenband bereitzustellen. Es
ist leicht ersichtlich, dass die hier beschriebene Erfindung in
vielen verschiedenen Kombinationen von Zielwellenlängen und
Bandbreitenbereichen eingesetzt werden kann.
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Wie
zuvor angegeben, besagen theoretische Anforderungen, dass die vertikale
Länge der
Abstrahlelemente 20 und 40 etwa ½ λ ist. Allgemein
gesprochen, um ein Bandbreitenziel von 15 % zu erreichen, legen
umfassende Design Prinzipien fest, dass die benötigte horizontale Weite der
Abstrahlelemente 20 und 40 etwa 1/16 λ sein sollte.
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Der
Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt 30 umfasst einen
Einspeisepunkt 31. Zwischen dem Abstrahlelement 20 und
dem Einspeisepunkt 31 erstreckt sich vertikal eine Zuleitungsbahn 38.
Außerdem
umfasst der Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt 30 einen
Ausspeisepunkt 32, von dem aus sich eine Anschlussbahn 39 von
dem Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt 30 zum Abstrahlelement 40 erstreckt.
Zwischen dem Einspeisepunk 31 und dem Ausspeisepunkt 32 folgt die
Leiterbahn einem serpentinenförmigen
Pfad, der mit einem ersten horizontalen Abschnitt 34 beginnt, dem
ein vertikaler Abschnitt 35 und dann ein horizontaler Abschnitt 36 folgt,
der zu einer zentralen Position zurückkehrt, die durch eine Linie
definiert ist, die sich zwischen dem Einspeisepunkt 31 und
dem Ausspeisepunkt 32 erstreckt. Dieser Pfad wiederholt
sich einige Male, bis der Ausspeisepunkt 32 erreicht ist. Die
Läge des
vertikalen Abschnitts zwischen jedem horizontalen Bahnabschnitt 33 ist
so groß wie
die Breite der Bahn. Die Bahnbreiten des Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitts 30,
der Zuleitungsbahn 38 und der Anschlussbahn 39 sind
im Wesentlichen gleich. Die horizontale Ausdehnung des Pfads ist
vergleichbar zur horizontalen Ausdehnung des Abstrahl-Abschnitts.
Die vertikale Länge
des Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitts (definiert als die
Länge zwischen
Einspeisepunkt 31 und Ausspeisepunkt 32) ist etwa ¼ λ.
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Es
ist leicht einzusehen, dass während
die theoretischen Anforderungen, die hier beschrieben werden, umfassende
Rahmenbedingungen bieten, einen darüber hinausgehende detaillierte
Modellierung des seriellen kollinearen Antennensegments im Anwendungsfall
notwendig ist, um die exakten Abmessungen zu verfeinern. Computer-Modellierungs-Pakete,
um diese detaillierte elektromagnetischen Simulation und Optimierung
durchzuführen, sind
jederzeit verfügbar.
Für die
hier gestellten Anforderungen wurde der folgende physikalischen
Aufbau als optimal befunden: eine Bahnbreite von 2 mm für die Zuleitung 38,
den Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt 30 und für die Anschlussbahn 39, eine
horizontale Breite von 20 mm für
die Abstrahlelemente und eine effektive horizontale Breite von 18 mm
für den
Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt.
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2 stellt
das serielle kollineare Antennensegment 1 so wie im Anwendungsfall
gebogen dar, fertig, um in ein Radom 50 mit einem Innendurchmesser
von 14 mm, was typisch für
Antennen ist, die für
den Wellenlängenbereich,
der hier von Interesse ist, entworfen wurden, eingebracht zu werden.
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Wie
leicht zu sehen ist, biegt sich das flexible Substrat im Wesentlichen
so, dass sich das Antennensegment 1 an die zylindrische
Form des Radoms 50 anpassen kann.
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Diese
Biegung des Substrats bring einen Anzahl von überraschenden Verbesserungen
der Leistung des seriellen kollinearen Antennenarraysegments 10 mit
sich.
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Erstens,
der gebogene Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt 30 bringt
einen Grad an Kapazität
ein, der die Breitband-Leistungsmerkmale gegenüber einer ähnlichen Ausführung in einer
flachen Anordnung wesentlich verbessert, während er die Gesamtkapazität auf einem
handhabbaren Niveau hält.
Als Folge hat der Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt 30 eine
geringere Wellenlängenempfindlichkeit
und besitzt daher einen geringeren Phasenwinkel für eine gegebene
Abweichung von der Betriebswellenlänge. Das kann damit verglichen
werden, wenn sich das Substrat, wie in 1 dargestellt,
in der flachen Anordnung befindet, bei der minimale parasitäre Kapazitäten zwischen den
Bahnen auftreten, was darin resultiert, dass der Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt 30 nicht
genug interne parasitäre
Kapazität
besitzt, um eine befriedigende Anpassung zu bieten.
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Zweitens
ermöglicht
die Biegung des Substrats aufgrund des hier verwendeten Layouts
auch das effektive elektrische Entkoppeln zwischen den abstrahlenden
und den passiven Elementen.
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3 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
der Übergangregion
zwischen Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt 30 und
Abstrahlelement 40, wenn sich das serielle kollineare Antennensegment in
der Anwendungsanordnung befindet. Man denke sich eine erste Konstruktionsebene 70,
die durch die gegenüberliegenden
Ecken des Abstrahlelements in der gebogenen Anwendungsanordnung
definiert ist. Man denke sich noch eine zweite Konstruktionsebene 60,
die durch die gegenüberliegenden
Ecken des Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitts definiert ist.
Die Konstruktionsebenen 70 und 60 schneiden sich
in diesem Beispiel unter etwa 90 Grad. Das liegt an der Anordnung
des Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitts 30, der
ausgehend von den Abstrahlelementen 20 und 40 zu
einer Seite des flexiblen Substrats 1 versetzt ist. Dementsprechend wird
ein gleichartiges Anordnungsverhältnis
zwischen dem Abstrahlelement 20 und dem Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt
beibehalten. Diese Anordnung garantiert eine stark verbesserte Unterdrückung im
Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt, da Ströme im Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitt
nicht wesentlich mit denen in den Abstrahlelementen wechselwirken.
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Wie
oben angemerkt, ist die Biegung des Substrats überwiegend durch die zylindrische
Form des Radoms 50 bestimmt. Als Alternative zur Verwendung
eines flexiblen Substrats zum Anbringen an ein Radom kann das kollineare
Antennensegment direkt auf der Innenseite eines Radoms angebracht werden.
Die zylindrische Form des Radoms 50 würde die gebogene Anwendungsanordnung
des kollinearen Antennensegments 1 festlegen.
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Für den Fachmann
ist es leicht ersichtlich, dass die hier beschriebene Erfindung
abhängig
von den Anforderungen weitere abwechselnd angeordnete Abstrahlelemente
und Zwischen-Element-Phasenabgleichsabschnitte
umfassen kann.
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Wenngleich
eine Ausführungsform
einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in den beigefügten Zeichnungen
dargestellt und in der vorangehenden detaillierten Beschreibung
beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung
nicht auf die offenbarte Ausführungsform
beschränkt
ist, sondern, ohne sich vom Anwendungsbereich der Erfindung zu entfernen,
für viele
Neugestaltungen, Abwandlungen und als Substitut, wie dies von den
folgenden Ansprüchen
fortgesetzt und bestimmt wird, geeignet ist.