DE69507387T2

DE69507387T2 - Antennenstruktur für Kommunikationssystem

Info

Publication number: DE69507387T2
Application number: DE69507387T
Authority: DE
Inventors: Dean Chelmsford Essex Cm2 Otw Kitchener
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1994-07-09
Filing date: 1995-07-05
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2015-07-06
Also published as: EP0691703B1; US5757333A; GB2291271B; CA2153465A1; EP0691703A1; CA2153465C; DE69507387D1; GB9413881D0; GB2291271A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Zellular-Kommunikationssysteme und insbesondere auf eine Basisstations-Antennenstruktur für ein derartiges System. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Basisstation, die die Antennenstruktur beinhaltet.
Es werden Zellular-Kommunikationssysteme zur Verwendung in örtlichen Bereichen entwickelt, beispielsweise in einer Fabrik oder in einem Bürogebäude, um einen drahtlosen Kommunikationsdienst zu schaffen. Bei einem derartigen System erfolgt die Kommunikation über eine Funkschnittstelle zwischen den Handapparaten der Benutzer und einer oder mehreren Basisstationen. Jede Basisstation ist mit einer Antennenstruktur versehen, über die eine Kommunikation mit den Handapparaten der Benutzer in dem speziellen Dienstbereich der Basisstation erfolgt. Eine Forderung an die Antennenstruktur besteht darin, daß sie eine Polarisation und Raumdiversity ergibt, d. h. ein im wesentlichen gleichförmiges Strahlungsdiagramm liefert, derart, daß sich keine "toten" Stellen in dem Bereich ergeben, der von der Basisstation versorgt wird, und daß die Ausrichtung eines Handapparates eines Benutzers im wesentlichen keine Auswirkung auf die Gesprächsqualität hat.
Eine weitere Forderung an die Antennenstruktur einer Basisstation besteht darin, daß ein ausreichender Gewinn erzielt wird, damit ein ausreichend großer Bereich versorgt wird. Es ist verständlich, daß, weil Basisstationen in der Herstellung und im Unterhalt relativ kostspielig sind, sich ein beträchtlicher Kostenvorteil ergibt, wenn wirkungsvolle Versorgungsbereiche derart geschaffen werden, daß die Anzahl der für eine bestimmte Installation erforderlichen Basisstationen zu einem Minimum gemacht wird. Es hat sich als schwierig herausgestellt, diesen Gewinn in einer kompakten Antennenstruktur zu erzielen.
Die übliche Lösung des Problems der Erzielung eines Diversity- Betriebsweise besteht in der Schaffung einer einfachen Dipolstruktur, die sich für viele Anwendungen als ausreichend herausgestellt hat. Bei den betreffenden Frequenzen (typischerweise 948 MHz) können die Abmessungen des üblichen Dipols jedoch unzweckmäßig groß sein. Städtische Planungsbehörden fordern heute, daß Basisstationen, die von der Öffentlichkeit gesehen werden können, in einem relativ wenig störenden Kunstestoffgehäuse eingeschlossen sind, das allgemein zu klein ist, um sowohl einen üblichen Dipol als auch die elektrischen Geräte aufzunehmen, die für den Betrieb der Basisstation erforderlich sind. Es wurde eine Anzahl von kleinen Antennenstrukturen beschrieben, beispielsweise eine gekreuzte schräge Dipolstruktur, wie sie in der US-A-4 686 536 beschrieben ist, und eine integrale Diversity-Antenne, die in der US-A-5 138 328 beschrieben ist. Eine Technik zur Antennenselektionsdiversity ist in der EP-A- 0 364 190 beschrieben. Keine dieser Anordnungen ergibt jedoch die gewünschte Kombination von sowohl einer Verstärkung als auch einem Diversity-Betrieb für einen erfolgreichen Einsatz als Basisstationsantenne.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, diesen Nachteil zu einem Minimum zu machen oder zu beseitigen:
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine kompakte Antennenstruktur zu schaffen, die sowohl einen Gewinn als auch Diversity-Eigenschaften aufweist.
Gemäß der Erfindung wird eine Antennenstruktur für eine Funk- Kommunikationsbasisstation geschaffen, wobei die Struktur eine Erdebene und erste und zweite gebogene planare gefaltete Monopol-Antennenelemente umfaßt, die auf der Erdebene befestigt sind und allgemein senkrecht zu deren Ebene angeordnet sind, wobei die Elemente einen gegenseitigen Abstand voneinander aufweisen und mit ihren jeweiligen Ebenen unter einem Winkel von 45º bis 70º zueinander angeordnet sind, um auf diese Weise sowohl eine Polarisationsdiversity als auch eine Raumdiversity für die Antennenstruktur zu schaffen.
Wir haben festgestellt, daß die Verwendung eines Paares von zweidimensionalen gebogenen gefalteten Monopol-Antennenelementen ein wirkungsvolles Diversity-Verhalten und Verstärkung in einer Struktur ergibt, die ausreichend klein ist, um in einem Basisstationsgehäuse untergebracht zu werden. Wir haben weiterhin festgestellt, daß eine derartige Struktur eine ausreichende Bandbreite zur Verwendung in Kommunikationsanwendungen ergibt. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine allgemeine Ansicht einer Kommunikationsbasisstation ist, die eine Antennenstruktur beinhaltet,
Fig. 2 ein Schaltbild der Basisstation nach Fig. 1 ist,
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Antennenstruktur der Basisstation nach Fig. 1 ist,
Fig. 4 ein Antennenelement der Struktur nach Fig. 3 mit weiteren Einzelheiten zeigt,
Fig. 5 eine abgeänderte Antennenstruktur zeigt,
Fig. 6 und 7 die Azimut-Strahlungsdiagramme der linken bzw. rechten Antennenelemente der in Fig. 3 gezeigten Antennenstruktur zeigen, und
Fig. 8 und 9 die Elevations-Strahlungsdiagramme der linken bzw. rechten Antennenelemente der in Fig. 3 gezeigten Antennenstruktur zeigen.
Gemäß Fig. 1 schließt die Basisstation eine Befestigungsplatte 11 ein, die eine Eingangs-/Ausgangs-Moduleinheit 12, eine Batterie 13, eine Funkschnittstellen- und Basisstationssteuermodulplatte 14, eine Netzschnittstellen- und Leistungsversor gungsmodulplatte 15 und eine Antennenbaugruppe 16 haltert. Im Gebrauch sind die Basisstationsbauteile zum Schutz gegen die Umgebung in einem (nicht gezeigten) Kunststoffgehäuse eingeschlossen.
Fig. 2 zeigt die Funktionsanordnung der Basisstation. Die Station unterstützt eine Zelle mit zwei Hochfrequenzkanälen. Die Betriebsweise der Station wird durch die Basisstations- Steuermoduleinheit 24 gesteuert, wobei diese Moduleinheit mit ersten und zweiten Funkmoduleinheiten 22R, 22L gekoppelt ist, die zweckmäßigerweise auf der gleichen Platte 14 (Fig. 1) wie die Steuermoduleinheit befestigt sind. Die Funkmoduleinheiten sind mit der Antennenbaugruppe 16 über ein gemeinsames Eingangsteil 23 gekoppelt. Die Steuermoduleinheit ist weiterhin mit der Netzschnittstellenmoduleinheit 25 gekoppelt, wobei diese Schnittstellenmoduleinheit zweckmäßigerweise auf der Leistungsversorgungsplatte 15 (Fig. 1) angeordnet ist. Der Netzzugriff auf die Basisstation erfolgt über die Eingangs-/ Ausgangs-Moduleinheit 12. Die beiden die Antennenbaugruppe bildenden Antennen sind mit beiden Funkkanälen über ein Paar von (nicht gezeigten) Teilern/Kombinierern verbunden. Jeder Kanal bildet einen Diversity-Algorithmus aus, um zwischen den Antennen auszuwählen.
Wie dies aus Fig. 3 zu erkennen ist, umfaßt die Antennenstruktur eine leitende Erdebene 21, beispielsweise eine Kupferfolienbeschichtung auf einer Kunststoffplatte, auf der zwei planare gefaltete Monopol-Antennenelemente 22R, 22L befestigt sind, wobei jedes Element mit seiner Ebene allgemein senkrecht zu der der Erdebene 21 angeordnet ist. Die Antennenelemente 22R, 22L sind mit Abstand voneinander angeordnet und derart angeordnet, daß ihre jeweiligen Ebenen unter einem Winkel zueinander stehen. Die beiden Elemente 22R und 22L haben einen Abstand voneinander, der vorzugsweise gleich einer halben Wellenlänge ist. Beispielsweise kann der Abstand zwischen den Antennenelementen für einen Betrieb bei einer Frequenz von 948 MHz ungefähr 17,5 cm betragen. Der Winkel zwischen diesen Ebenen der Elemente kann zwischen 45º bis 70º liegen und beträgt vorzugsweise ungefähr 65º. (Nicht gezeigte) Öffnungen sind in der Erdebene vorgesehen, und zwar jeweils eine für jedes Antennenelement, um auf diese Weise eine koaxiale Speisung jedes Elementes zu ermöglichen. Dies ist zweckmäßigerweise eine 50 Ohm-Speisung. Bei der Anordnung nach den Fig. 1 und 3 werden die Antennenelemente jeweils an einem Punkt nahe zur Kante der Erdebene gespeist, weil festgestellt wurde, daß dies eine verbesserte Überdeckung in der rückwärtigen Hemisphäre ergibt.
Die Konstruktion der Antennenelemente ist in Fig. 4 gezeigt. Jedes Element umfaßt einen zweidimensionalen gebogenen gefalteten Monopol, der so angeordnet ist, daß ein Teil der Struktur parallel zur Erdebene verläuft, und diese Struktur kann durch ein Kupferfolienmuster 31 gebildet sein, das auf einer isolierenden Trägerplatte 32 angeordnet ist. Die Trägerplatte 32 kann mit Laschen oder Zungen 320 für den Eingriff mit entsprechenden (nicht gezeigten) Schlitzen in der Erdebene versehen sein, wodurch eine korrekte Positionierung und Ausrichtung des Antennenelementes sichergestellt wird. Vorteilhafterweise ist jedes Element als eine doppelseitige Platte aufgebaut, so daß die gleiche Struktur für die linken und rechten Elemente verwendet werden kann. Alternativ kann jedes Element durch eine selbsttragende Drahtstruktur gebildet sein. Im Betrieb wird eine koaxiale Speisung zu dem längeren vertikalen Schenkel 310 der Struktur vorgesehen, während der kürzere vertikale Schenkel 311 beipielsweise über eine Lötverbindung mit der Erdebene gekoppelt ist. Die Abmessungen jedes Elementes sind derart, daß die Summe der Höhe (a) oberhalb der Platte und die Länge (b) des Elemententeils, die parallel zu der Platte liegt, angenähert einer Viertelwellenlänge bei der Betriebsfrequenz ist. Somit kann für einen Betrieb bei einer Frequenz von 948 MHz und einer Speisung aus einer Leitung mit einer Impedanz von 50 Ohm die Monopol-Antenne eine Höhe von ungefähr 2,5 cm und eine Länge von ungefähr 3,75 cm haben. Dies ergibt eine kompakte Struktur, die für eine Unterbringung in einen beschränkten Raum geeignet ist.
Eine abgeänderte Diversity-Antennenpaarkonstruktion ist in Fig. 5 gezeigt. Bei dieser Anordnung umfaßt die Erdebene zwei getrennte Abschnitte 41R, 41L, auf denen jeweils ein jeweiliges Antennenelement 42R, 42L befestigt ist. Somit befindet sich ein nichtmetallisierter Abschnitt 43 an der Mitte der Platte, auf der die Erdebene ausgebildet ist. Jedes Antennenelement wird von einem Punkt benachbart zur innenliegenden Kante des jeweiligen Erdebenenabschnittes aus gespeist. Um die Möglichkeiten der vorstehend beschriebenen Antennenstruktur zu zeigen, wurden Ausbreitungs-/Diversity-Messungen durchgeführt. Die Ergebnisse für diese Messungen für das linke und rechte Antennenelement des Antennenpaares sind in den Fig. 6 und 7, die Azimut-Strahlungsdiagramme zeigen, und in den Fig. 8 und 9 gezeigt, die die Elevationsrichtung der Strahlungsdiagramme zeigen. Bei jeder Figur ist der Winkel von der z-Achse (d. h. der vertikalen Achse) derart gemessen, daß 0º die Zielrichtung ist. In der YZ-Ebene steigt der Winkel positiv von Z zu Y an. Messungen wurden mit einer mobilen Antenne (die einen Handapparat nachbildet) durchgeführt, die mit vertikaler Polarisation, horizontaler Polarisation und geneigter (45º-) Polarisation sendete. Diese Messungen zeigen, daß die vorstehend beschriebene Antenne trotz ihrer kompakten mechanischen Abmessungen einen effektiven Gewinn und Diversity-Verhalten hat.
Obwohl die Antennenstrukturen im vorstehenden unter spezieller Bezugnahme auf Kommunikationsbasisstationen beschrieben wurden, sind sie nicht auf diese spezielle Anwendung beschränkt, sondern sie sind allgemein bei der Hochfrequenzaussendung und bei dem Hochfrequenz-Empfang anwendbar.

Claims

1. Antennenstruktur für eine Funk-Kommunikationsbasisstation, wobei die Struktur auf einer Erdebene (21) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur erste und zweite planare gebogene gefaltete Monopol-Antennenelemente (22R, 22L) aufweist, die auf der Erdebene (21) angeordnet und allgemein senkrecht zu deren Ebene angeordnet sind, und daß die Elemente mit Abstand voneinander angeordnet und gegeneinander unter einem Winkel von 45º bis 70º zwischen ihren jeweiligen Ebenen angeordnet sind, wodurch sowohl eine Polarisationsdiversity als auch eine Raumdiversity der Antennenstruktur geschaffen wird.

2. Antennenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdebene einen leitenden Metallfilm aufweist, der auf einer isolierenden Tragplatte angeordnet ist.

3. Antennenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Antennenelemente ein leitendes Metallfilmmuster (31) umfaßt, das auf einer jeweiligen Isolier-Tragplatte (32) angeordnet ist.

4. Antennenstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallfilmmuster auf zwei gegenüberliegenden Flächen der Platte angeordnet ist.

5. Antennenstruktur nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Antennen-Tragplatte (32) mit Befestigungslaschen oder Zungen (320) für den Eingriff in entsprechenden Öffnungen in der Erdebene versehen ist, um die räumliche Beziehung der Antennenelemente festzulegen und um eine elektrische Verbindung zwischen dem Antennenelement und der Erdebene zu bilden.

6. Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdebene in zwei getrennte Abschnitte (41L, 41R), eine für jedes Antennenelement, unterteilt ist.

7. Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente durch einen Abstand getrennt sind, der einer Hälfte einer Wellenlänge bei der Betriebs-Funkfrequenz entspricht.

8. Kommunikations-Basisstation, die eine oder mehrere Antennenstrukturen nach einem der Ansprüche 1 bis 7 beinhaltet.

9. Basisstation für ein Mobil-Kommunikationssystem, wobei die Basisstation eine allgemein schichtförmige Trägerplatte (11), Funkempfängereinrichtungen, die auf der Trägerplatte befestigt sind, Leistungsversorgungseinrichtungen (13), die auf der Trägerplatte befestigt und mit der Sendeempfängereinrichtung gekoppelt sind, Steuereinrichtungen, die der Sendeempfängereinrichtung zugeordnet sind, und eine Antennenstruktur (16) umfaßt, die mit der Sendeempfängereinrichtung gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenstruktur eine Erdebene (21), die parallel zu der Befestigungsplatte (11) angeordnet ist, und erste und zweite planare gebogene gefaltete Monopol- Antennenelemente (22R, 22L) umfaßt, die auf der Erdebene (21) angeordnet und allgemein senkrecht zu deren Ebene angeordnet sind, und daß die Antennenelemente mit Abstand voneinander angeordnet und relativ zueinander unter einem Winkel von 45º bis 70º zwischen ihren jeweiligen Ebenen angeordnet sind, wodurch sowohl eine Polarisationsdiversity als auch eine Raumdiversity der Antennenstruktur geschaffen wird.

10. Basisstation nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Funk-Sendeempfängereinrichtung erste und zweite Funkkommunikationskanäle beinhaltet.