DE69827471T2

DE69827471T2 - Annähernd flaches, aperturgekoppeltes antennenelement

Info

Publication number: DE69827471T2
Application number: DE69827471T
Authority: DE
Inventors: Björn LINDMARK
Original assignee: Allgon AB
Current assignee: Allgon AB
Priority date: 1997-01-24
Filing date: 1998-01-16
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2018-01-17
Also published as: EP0954886B1; SE507076C2; SE9700208L; WO1998033234A1; CN1244297A; BR9806975B1; JP2001509341A; BR9806975A; ID19743A; SE9700208D0; EP0954886A1; US6018319A; JP3990735B2; AU5786698A; DE69827471D1; CN1126192C

Description

Die Erfindung betrifft ein Antennenelement der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art, besonders zur Verwendung in Basisstationantennen für mobile Kommunikationen.
Solche Antennenelemente sind bereits bekannt, z. B. aus US-A-S 030 961 (Tsao) und einem Artikel in Electronic Letters Vol. 30, Nr. 22, Seiten 1814–1815, 1994 (Yamazaki). Um eine relativ breite Bandweite und duale Polarisation mit einem hohen Grad von Isolation zwischen den zwei Kanälen zu erhalten war es bisher notwendig, eine Luftbrücke in einem planaren Speisenetz anzuordnen (wie von Tsao vorgeschlagen) oder zwei verschiedene dielektrische, durch die Erdungsebene-Schicht getrennte dielektrische Platten vorzusehen, (wie von Yamazaki vorgeschlagen). Diese Maßnahmen führen zu erheblichen Komplikationen beim Entwurf und der Herstellung oder Erhöhen die Kosten wegen der zwei getrennten dielektrischen Platten mit zugeordneten Speisenetzen.
Vor diesem Hintergrund ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfacheres und billigeres Antennenelement bereitzustellen, wobei das vorteilhafte Merkmal einer kreuzförmigen, in Beziehung auf das Patch zentrierten Apertur erhalten bleibt. Besonders ist eine spezifische Aufgabe, eine Antennenstruktur anzugeben, die eine einzige dielektrische Platte mit einem zugehörigen Speisenetzwerk hat.
Solche Antennenelemente sind bekannt aus z. B. US-A-S 241 321.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben erfüllt, indem die Mehrlagenstruktur eine einzige dielektrische Platte aufweist, die mit einem planaren Speisenetzwerk versehen ist, das ein erstes Speiseelement mit einem Paar von Speiseleitungen hat, die sich symmetrisch auf jeder Seite des Aperturzentrums erstrecken, und ein zweites Speiseelement mit einer einzigen Speiseleitung hat, die unsymmetrisch an einer Seite des Aperturzentrums angeordnet ist, ohne das erste Speiseelement zu kreuzen, wobei die zwei Speiseelemente so ausgerichtet und dimen sioniert sind, daß jedes einen der Schlitze getrennt von einem jeweiligen Mikrowellenkanal erregt.
Das entscheidende Merkmal ist die Anordnung, wo nur ein Speiseelement symmetrisch ist, während das andere Speiseelement mit Bezug auf das Zentrum der kreuzförmigen Apertur unsymmetrisch ist, was es ermöglicht, jeden Kreuzungspunkt zwischen den Speiseleitungen zu vermeiden, obgleich das Speisenetzwerk sich in einer einzigen ebenen Konfiguration erstreckt. Wegen der unsymmetrischen Speiseanordnung ist es unmöglich, eine vollkommen ausgeglichene Erregung des zugehörigen Schlitzes zu erreichen. Jedoch hat sich gezeigt, daß das Ungleichgewicht des erregten Feldes in diesem Schlitz auf ein annehmbares Niveau begrenzt werden kann, besonders wenn ein Speiseelement recht nahe bei dem Aperturzentrum und vorzugsweise näher beim Zentrum als das symmetrische Speiseelement, welches in zwei Speiseleitungen aufgeteilt ist, angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Speiseleitungen, besonders in Form von Mikrostreifen, des ersten Speiseelements im wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zum zugehörigen Schlitz, während das zweite Speiseelement zwischen jedoch in einem Abstand von den Endabschnitten der Speiseleitung des ersten Speiseelements angeordnet ist.
Diese und andere Merkmale werden in den beigefügten Ansprüchen angegeben und erscheinen in der folgenden detaillierten Beschreibung.
Die Erfindung wird nun weiter erläutert mit Bezug auf die Zeichnungen, welche eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen.
1 zeigt in einer perspektivischen Explosionsansicht ein erfindungsgemäßes Antennenelement;
2 zeigt in einer Draufsicht (von oben) die zwei Speiseelemente und die in 1 gezeigte kreuzförmige Apertur; und
3 ist ein Diagramm, das die Echodämpfung und die Isolation zwischen den zwei Kanälen der dual polarisierten Mikrowellen zeigt.
Das in 1 schematisch gezeigte Antennenelement weist eine Mehrlagenstruktur auf mit einer oberen verhältnismäßig dicken dielektrischen Schicht 1, die mit einem rechteckigen Patch 2 versehen ist, das den strahlenden Teil des Antennenelements bildet, einer elektrisch leitenden Erdungsebene-Schicht 3 mit einer in der Mitte angeordneten kreuzförmigen Apertur 4 in Register mit dem Patch 2 und einer unteren dielektrischen verhältnismäßig dünnen Platte oder Träger 5 mit einem Speisenetzwerk 6 in einer planaren Konfiguration an ihrer Unterseite, d. h. an der von der kreuzförmigen Apertur 4 abgewandten Seite, um einen Abstand dazwischen zu gewährleisten, welcher der Dicke der Platte 5 entspricht.
Im dargestellten Beispiel hat die obere Schicht 1 eine Dicke von etwa 15 mm und besteht aus Rohacell-Schaumstoff. Das Patch 2 besteht aus Aluminiumfolie und hat eine Dicke von 50 μm und eine Größe von 54 × 50 mm.
Die kreuzförmige Apertur 4 ist unter dem Patch 2 zentriert und besteht aus zwei zueinander senkrechten Schlitzen 4a, 4b, die einander an einem Punkt 4c kreuzen, der in der Mitte unter dem Patch 2 angeordnet ist. Ein Schlitz 4a ist ebensolang wie die längere Seite des Patch, d. h. 54 mm, während der andere Schlitz 4b etwas kürzer als die kürzere Seite des Patch, das sind 44 mm ist. Die Breite jedes Schlitzes 4a, 4b beträgt 2 mm. Man vergleiche auch 2, wo die rechteckige Konfiguration dem Patch 2 entspricht.
Das in den 1 und 2 gezeigte Speisenetzwerk 6 besteht aus Mikrostreifenleitungen, die in einer einzigen Ebene an der Unterseite der Platte 5 angeordnet sind. Die Platten 5 besteht aus einem dielektrischen Material (DiClad) und hat eine Dicke von 0,7 mm entsprechend dem Abstand zwischen dem Speisenetzwerk und der kreuzförmigen Apertur 4.
Das Speisenetzwerk 6 weist zwei Speiseelemente 7 und 8 auf, die so angeordnet und bemessen sind, daß ein elektrisches Feld im jeweiligen Aperturschlitz 4b, 4a erregt wird, wobei jedes Speiseelement jeweils einem der zwei dual polarisierten Mikrowellenkanäle des Antennenelements zugeordnet ist.
Das erste Speiseelement 7 ist in einer an sich bekannten Weise aufgebaut mit einer gabelähnlichen Konfiguration mit zwei parallelen Mikrostreifenleitungen 7a, 7b (jede 100Ω) die von einer gemeinsamen Speiseleitung 7c (50Ω) abzweigen. Die freien Endabschnitte oder Stichleitungen 7aa und 7bb erstrecken sich jede über einen Abstand von etwa 15 mm jenseits des zugehörigen Schlitzes 4b. Wie 2 klar zeigt sind die Speiseleitungen 7a, 7b symmetrisch bezüglich einer linearen Achse, die durch den Mittelpunkt 4c geht (längs des Schlitzes 4a). Wie ebenfalls an sich bekannt, sind die Endabschnitte 7aa, 7bb zur Seite gebogen, um die gewünschte Impedanzabstimmung zu sichern.
Andererseits ist das zweite Speiselement 8 (50Ω) unsymmetrisch an einer Seite des Mittelpunkts 4c in einem Abstand von diesem angeordnet. Auf diese Weise wird nur ein Zweig des Schlitzes 4a mit Mikrowellenenergie versorgt. Dennoch ist die Kopplung zum Patch 2 ausreichend, um auch einen guten Betrieb des zugehörigen Kanals zu erreichen. Die zweite Speiseleitung 8 ist zum Mittelpunkt 4c hin versetzt in ihrem aktiven Abschnitt 8a in der Nähe des Schlitzes 4a. So ist der Abschnitt 8a näher am Mittelpunkt 4c angeordnet als die Speiseleitungen 7a, 7b und erstreckt sich zwischen diesen ohne einen Kontakt herzustellen. In diesem aktiven Abschnitt 8a erstreckt sich die Speiseleitung in einem Abstand von etwa 7 mm jenseits des zugehörigen Schlitzes 4a.
Entsprechend sind die Speiseleitungen 7a, 7b, 8 alle in einer gemeinsamen einzigen Ebene angeordnet und kreuzen oder berühren einander an keinem Punkt. Das macht den Entwurf und die Herstellung verhältnismäßig einfach. Selbstverständlich führt die Maßnahme, daß nur eine einzige dielektrische Platten 5 mit einem zugehörigen Speisenetzwerk 6 vorgesehen ist, zu einer erheblichen Kostenersparung im Vergleich mit den heutzutage normalerweise verwendeten Netzwerken mit doppelter Speisung.
Praktische Tests haben gezeigt, daß ein Antennenelement wie beschrieben ausgezeichnete Eigenschaften in Bezug auf effektive abgestrahlte Leistung in beiden Kanälen sowie eine gute Isolation zwischen diesen zeigt. Das in 3 dargestellte Diagramm zeigt die Echodämpfung, die größer als 19 dB für beide Kanäle (S11, S22) ist, und eine Isolation (S21) von etwa 35 dB im Frequenzband 1,85–1,99 GHz (d. h. dem PCS-Band).
Das oben beschriebene Antennenelement kann modifiziert werden. Beispielsweise müssen die Speiseleitungen keine Mikrostreifenleitungen sein sondern können gewöhnliche Koaxialkabel mit einem Mittelleiter und einer äußeren Abschirmung sein, wobei der Leiter und die Abschirmung in Kontakt mit den entgegengesetzten Ecken des zugehörigen Schlitzes gelötet sind. Es ist selbstverständlich auch möglich, mehr als ein strahlendes Patch in einem Antennenelement zu stapeln.

Claims

Ein flaches, aperturgekoppeltes Antennenelement der Art mit einer Mehrschichtstruktur mit einem strahlenden Patch (2), das auf einer dielektrischen Schicht (1) angeordnet ist, einer elektrisch leitenden Erdungsebeneschicht (3) mit einer kreuzförmigen Apertur (4) mit zwei sich kreuzenden Schlitzen (4a, 4b), die in Bezug auf das Patch im wesentlichen zentriert sind, und einer einzigen dielektrischen Platte (5), die mit einem Speisenetz (6) zum Einspeisen von Mikrowellenenergie über Speiseelemente (7, 8) und die kreuzförmige Apertur (4) zum Patch (2) versehen ist, so daß letzteres einen vom Antennenelement ausgehenden dual polarisierten Mikrowellenstrahl erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrschichtstruktur die genannte einzige dielektrische Platte (5) aufweist, die mit einem planaren Speisenetzwerk (6) versehen ist, das ein erstes Speiseelement (7) mit einem Paar von symmetrisch auf jeder Seite des Aperturzentrums (4c) verlaufenden Speiseleitungen und ein zweites Speiselement (8) mit einer einzigen unsymmetrisch an einer Seite des Aperturzentrums angeordneten Speiseleitung, die das erste Speiseelement nicht kreuzt, aufweist, wobei die zwei Speiseelemente (8, 7) so orientiert und bemessen sind, daß jedes einen der Schlitze (4a, 4b) getrennt von einem jeweiligen Mikrowellenkanal erregt.
Antennenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Speiseelement (8) näher am Aperturzentrum angeordnet ist als das erste Speiseelement (7).
Antennenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Speiseleitungen (7a, 7b) des ersten Speiseelements sich im wesentlichen parallel zueinander und senkrecht bezüglich des zugehörigen Schlitzes (4b) erstrecken.
Antennenelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Speiseleitungen (7a, 7b) im wesentlichen gerade sind und von einer im Netzwerk (6) eingeschlossenen zugehörigen Kanalleitung (7c) abzweigen.
Antennenelement nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelne Speiseleitung (8) des zweiten Speiseelements zwischen jedoch in einem Abstand von den Endabschnitten (7aa, 7bb) der Speiseleitung des ersten Speiseelements angeordnet ist.
Antennenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das planare Speisenetzwerk (6) aus Mikrostreifenleitungen besteht, die auf der von der Erdungsebene-Schicht (3) abgewandten Seite der dielektrischen Platte (5) angeordnet sind.
Antennenelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitungen des ersten und zweiten Speiseelements Stichleitungsabschnitte (7aa, 7bb, 8a) haben, die sich jenseits des Punktes und in einem Abstand davon erstrecken, wo die jeweiligen Speiseelemente den zugehörigen Schlitz kreuzen.
Antennenelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stichleitungsabschnitte (7aa, 7bb, 8a) innerhalb der vom Speisenetzwerk (6) definierten Ebene in einem Winkel gebogen sind.