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TECHNISCHER
BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung zur drahtlosen Übertragung
von Information unter Einsatz elektromagnetischer Signale mit zwei
unterschiedlichen Polarisationen.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Bei
Systemen für
das drahtlose Übertragen von
Information unter Einsatz elektromagnetischer Signale, zum Beispiel
Zelltelefonie, ist die Zone, die von dem System gedeckt wird, oft
in kleinere Zonen, so genannte Zellen unterteilt.
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In
jeder Zelle gibt es eine zentral liegende so genannte Basisstation,
mit der jeder Benutzer des Systems in der Zelle kommuniziert. Es
ist erforderlich, dass die Antennen der Basisstationen in Positionen
installiert sind, die hoch über
dem Boden liegen, und daher in Städten deutlich sichtbar sind,
zum Beispiel auf Dächern,
Wänden
usw. Aus ästhetischen Gründen schafft
das natürlich
das Erfordernis, die Basisstationen so kompakt wie möglich zu
gestalten.
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Eine
weitere Anforderung an die Basisstationen besteht darin, dass sie
so wenig Energie wie möglich
brauchen. Bisher wurden weitgehend Basisstationen verwendet, die
im Wesentlichen Allrichtungsbasisstationen sind, die mit anderen
Worten, die gleiche Mengen an Energie in alle Richtungen übertragen.
Moderne Technologie erlaubt jedoch das Bauen so genannter „lenkbarer
Antennen", was bedeutet,
dass der Strahl oder die Keule der Antenne nur in die Richtung gerichtet
ist, in der sich in diesem Augenblick ein Abonnent befindet. Der
Strahl kann dann gesteuert werden, um dem Abonnenten während seiner
Bewegung in der Zelle zu folgen.
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Die
gleiche moderne Technologie erlaubt es ein und derselben Antenne,
eine Mehrzahl gelenkter Strahlen zu haben, die dann in die Richtungen
gelenkt werden, in welchen in diesem Augenblick Abonnenten sind.
Es ist klar, dass, wenn Energie nur in Richtungen übertragen
wird, in welchen sich in diesem Augenblick Abonnenten befinden,
dies erlaubt, Energie zu sparen. Dieser „Energiegewinn" kann entweder verwendet
werden, um den Bereich in die Richtungen, in welchen Übertragung
besteht, zu steigern, oder die Ausgangsleistung der Antenne zu senken,
während
der gleiche Bereich aufrechterhalten wird.
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Ein
allgemeines Verfahren zum Bauen lenkbarer Antennen sind die so genannten
Gruppenantennen. Wie ihr Name andeutet, handelt es sich eigentlich
um Antennengruppen, die oft in Säulen
angeordnet sind, mit mehreren Säulen
nebeneinander. Jede getrennte Antenne in einer solchen Säule kann aus
einem Antennenelement bestehen, das gewöhnlich in so genannter Mikrostriptechnologie
konzipiert ist, die durch Öffnungen
in einer Masseplatte erregt wird. Die Öffnungen sind in Gruppen angeordnet, eine
für jedes
Antennenelement, mit einer oder mehreren Öffnungen in jeder Öffnungsgruppe,
und werden mittels eines Speisenetzes gespeist, das in einer weiteren
Ebene angeordnet ist. Das Speisenetz ist ebenfalls in Mikrostriptechnologie
konzipiert. Das Speisenetz kann nur die Öffnungen in den Verbindungspunkten,
den so genannten Speisepunkten kreuzen. Das bedeutet, dass die Entfernung
des Speisenetzes von der Mitte der Öffnungsgruppen weitgehend von
der Ausdehnung der Öffnungen
bestimmt wird.
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Die
Speisenetze für
verschiedene Säulen können sich
natürlich
nicht gegenseitig kreuzen.
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Um
so genannte Gitterkeulen zu vermeiden, das heißt Keulen in unerwünschte Richtungen,
sollten die Säulen
der Gruppenantenne so nahe aneinander positioniert sein wie möglich, insbesondere
in Systemen, in welchen eine oder mehrere Keulen zu einem großen Winkel
relativ zu der Senkrechten der Antennenoberfläche gelenkt werden. Der Mittenabstand
zwischen den Säulen
sollte signifikant kleiner sein als eine Wellelänge λ, er sollte vorzugsweise kleiner
sein als 0,5 λ.
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Ein
effizientes Konzept von Gruppenantennen bedeutet mit anderen Worten
daher Anforderungen an ein kompaktes. Antennenkonzept, bei dem das
Speisenetz so nahe wie möglich
an der Mitte der Öffnungsgruppe
angeordnet werden kann.
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Um
die Verfügbarkeit
des Systems zu steigern, wird oft so genannte Polarisationsdiversität verwendet,
was bedeutet, dass jede Antenne in der Gruppenantenne in zwei Polarisationsrichtungen
verwendet wird. Das ermöglicht
es zum Beispiel, Signale zu empfangen, deren Polarisation aufgrund
von Reflexionen gegen umgebende Objekte verschoben wurde, eine Erscheinung,
die insbesondere in Städten
schwierig sein kann. Um eine gute Isolation zwischen den Polarisationsrichtungen
zu erzielen, ist es extrem wichtig, dass die Antenne symmetrisch
ist.
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US 4 903 033 zeigt ein Konzept
für doppelt polarisierte
Antennen mit einem Speisenetz, das, wenn zwei oder mehrere solcher
Antennen miteinander zu verbinden sind, raumaufwändig genannt werden kann.
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In „Proceedings
of 16th ESA Workshop on Dual Polarization Antennas" gibt es auf Seite
87, 13, ein Konzept für doppelt
polarisierte Antennen, das einen hohen Isolationsgrad zwischen den Polarisationsrichtungen
erlaubt, aber wenn die Säulen
von zwei oder mehreren solcher Antennen verbunden werden sollen,
kann man sagen, dass die Entfernungen zwischen den Speisenetzen
bewirken, dass die Säulen
weiter beabstandet angeordnet werden als erstrebenswert ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine doppelt
polarisierte Antenne zu erzielen, die dazu bestimmt ist, Teil einer
Gruppenantenne zur drahtlosen Übertragung
von Information zu sein, die elektromagnetische Signale verwendet,
wobei die Antenne kompakt ist, einen hohen Symmetriegrad hat und
es erlaubt, dass das Speisenetz näher an der Mitte der Öffnungsgruppen
angeordnet wird als zuvor.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird mittels einer Öffnungskonfiguration
in einer Masseplatte verwirklicht, wobei die Öffnungen aus einem oder mehreren Öffnungsabschnitten
bestehen und sich zwischen zwei Endpunkten erstrecken. Die Öffnungen
sind in Öffnungsgruppen
angeordnet, eine für
jedes Antennenelement, wobei jede Öffnungsgruppe zu beiden der
Ebenen, die von den zwei Polarisationen definiert werden, für welche
die Antenne bestimmt ist, symmetrisch ist. Jede Öffnungsgruppe besteht aus mindestens
einer Öffnung,
die sich zentral in der Gruppe befindet und für eine der Polarisationen bestimmt
ist, und aus mindestens zwei äußeren Öffnungen,
die für
die andere Polarisation bestimmt sind, wobei zwei Öffnungen
symmetrisch jeweils auf einer Seite der zentralen Öffnung,
zu welcher sie senkrecht sind, positioniert sind.
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Die
Zone, die von einer Öffnungsgruppe
umschlossen ist, wird mittels der Erfindung verringert, da die Entfernung
entlang einer geraden Linie zwischen den Endpunkten mindestens einer
der Öffnungen
jeder Gruppe, gesehen entlang einer Linie, die zu der Hauptrichtung
der Öffnung
parallel ist, kleiner ist als die Summe der Längen der Abschnitte, welche
die Öffnung
umfasst. Da die Zone, die umschlossen ist, daher verringert ist,
kann das Speisenetz näher
an die Mitte der Öffnungsgruppe
gebracht werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird unten mittels eines Beispiels einer Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in
welchen:
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1 eine
schematische Draufsicht einer Öffnungsgruppe
mit einem entsprechenden Speisenetz gemäß dem früheren Stand der Technik ist,
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2 eine
Draufsicht der Vorrichtung der 1 zeigt,
angeordnet als ein Teil einer Gruppenantenne,
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3 in einer Draufsicht einen Vergleich zwischen
dem früheren
Stand der Technik und der Erfindung zeigt,
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4 eine
Draufsicht einer Antenne mit einer erfindungsgemäßen Öffnungsgruppe als Teil einer
Gruppenantenne angeordnet zeigt,
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5 schematisch
eine Endansicht einer erfindungsgemäßen Antenne in einer bevorzugten Ausführungsform
zeigt,
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6 eine
Draufsicht einer Gruppenantenne mit erfindungsgemäßen Öffnungsgruppen
zeigt.
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BEVORZUGTE
AUSFÜHRUNGSFORM
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Die 1 und 2 zeigen
Beispiele von Konzepten, die bekannt sind. Die Öffnungen 110, 120 und 140 sind
in einer Öffnungsgruppe
angeordnet. Die Öffnungen 110, 120 sind
für eine
erste Polarisation bestimmt und werden unter Einsatz eines Speisenetzes 130 in
den Speisepunkten 170 und 180 gespeist. Die Öffnung 140 ist
für eine
zweite Polarisation bestimmt, die zu der ersten senkrecht ist. Die Öffnung 140 wird
mittels eines zweiten Speisenetzes 150 in einen Speisepunkt 190 gespeist.
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2 zeigt
eine Öffnungsgruppe
gemäß 1,
die angeordnet ist, um zu einer Gruppenantenne zu gehören. wie
oben angegeben, bestimmt die Ausrichtung der Öffnungen die Polarisation.
Beim Gebrauch von doppelter Polarisation hat es sich oft herausgestellt,
dass es vorteilhaft ist, wenn die zwei Polarisationen bei ± 45° in Bezug
zu einer imaginären senkrechten
Linie liegen, weshalb die Öffnungen
in dem Beispiel derart ausgerichtet sind. Die Speisenetze 230, 250 haben
hier eine etwas unterschiedliche Form im Vergleich zu den Speisenetzen
der 1 erhalten, weil sie dazu bestimmt sind, mit einer
Vielzahl von Öffnungsgruppen
verbunden zu werden.
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Der
Kreis 260 der 2 ist dazu bestimmt, den Einschränkungsfaktor
zu zeigen für
wie nahe das Speisenetz an der Mitte der Öffnungsgruppe liegen kann.
Die Speisenetze können
nur die Öffnungen
in den Speisepunkten 270, 280 und 290 kreuzen.
Das gleiche Problem ergibt sich natürlich für beide Speisenetze 230, 250.
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3b ist
dazu bestimmt zu veranschaulichen, wie die Aufgabe der Erfindung
verwirklicht wird. Die Gesamteinschlusszone A, welche die linke Öffnungsgruppe 301 der 3a,
die gemäß der früheren bekannten
Technik konzipiert ist, definiert, wurde mittels der Öffnungsgruppe 302 der 3b,
die gemäß der Erfindung
konzipiert ist, auf die Umschließungszone 3B verringert.
Das wird erzielt, weil die Öffnungen 315, 325, 345 der Öffnungsgruppe 302 aus
einer Vielzahl von Öffnungsabschnitten
bestehen. Die Öffnungen 315, 325, 345 werden
von den Öffnungsabschnitten
derart gebildet, dass, entlang einer imaginären geraden Linie 355, 365,
die zu der Hauptrichtung jeder Öffnung
parallel ist, die Entfernung zwischen den Endpunkten jeder Öffnung 315, 325, 345 kleiner
ist als die Summe der Längen der Öffnungsabschnitte,
aus welchen jede Öffnung
besteht. Der Begriff „Endpunkte" bezieht sich hier
auf die Punkte jeder Öffnung,
die voneinander auf den Linien 355, 365 am weitesten
entfernt sind, mit anderen Worten die Punkte 327-328 und 347-348 in 3.
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Hier
muss darauf hingewiesen werden, dass, obwohl die Länge einer Öffnung den
Frequenzbereich bestimmt, in welchem die Öffnung funktioniert, die Summe
der Längen
der Öffnungsabschnitte,
aus welchen jede Öffnung 315, 325, 345 besteht,
nicht notwendigerweise gleich sein muss wie die Länge der
entsprechenden Öffnungen 310, 320 und 340 gemäß dem früheren Stand
der Technik. Es hat sich gezeigt, dass mit zwei Öffnungen, die im Wesentlichen innerhalb
des gleichen Frequenzbereichs funktionieren, und wobei eine der Öffnungen
aus einem geraden Abschnitt besteht und die andere aus einer Vielzahl
von Abschnitten, die zueinander in unterschiedlichen Winkeln stehen,
die Summe der Längen
der Abschnitte der „nicht
geraden" Öffnungen
nicht gleich der Länge
der geraden Öffnung
sein muss.
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4 zeigt
wie eine erfindungsgemäße Öffnungsgruppe
angeordnet wurde, um Teil einer Gruppenantenne zu sein. Der Kreis 460 ist
dazu bestimmt zu zeigen, dass mittels der Erfindung mindestens das Speisenetz 430 für eine der
Polarisationen näher
an der Mitte der Öffnungsgruppe
angeordnet werden kann als früher.
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Wie
aus 3 und 4 ersichtlich,
hat eine erfindungsgemäße Öffnungsgruppe
eine verringerte Mantelzone mit kompletter Symmetrie in den Ebenen,
die von den zwei Polarisationsrichtungen definiert werden. Zu bemerken
ist, dass die Anforderungen an die Symmetrie auch für die Speisepunkte 470, 480 und 490 gelten,
die, mit anderen Worten, symmetrisch entlang der zwei Polarisationsrichtungen
positioniert sein müssen.
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Ferner
sollte betont werden, dass die Forderung der Symmetrie nur für die Teile
der Antenne gilt, die zum Strahlen bestimmt sind, mit anderen Worten die Öffnungsgruppe
und die Speisepunkte in 4 und die in 4 nicht
gezeigten Antennenelemente.
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5 zeigt
eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung 500 in
einer bevorzugten Ausführungsform.
Die ganze Antennenvorrichtung 500 ist U-förmig
angeordnet und stützt die
Struktur 511 aus einem elektrisch leitenden Material. In
dieser Struktur gibt es Rillen 517, in welche eine Stützplatte 521 eingefügt ist.
Da die Stützstruktur 511 U-förmig ist,
wird in der hinteren Richtung ein Isoliereffekt erzielt. Die Wände 513 isolieren
seitlich, was insbesondere wichtig ist, wenn gewünscht wird, eine Gruppenantenne
mit mehreren Säulen
benachbarter Antennen zu konzipieren. Eine solche Gruppenantenne
wird mit einer Tragstruktur ausgebildet, die im Prinzip ähnlich ist
wie die in 5, mit einem gemeinsamen hinteren
Abschnitt und Trennwänden, welche
die Säulen
voneinander mechanisch und elektrisch trennen.
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In
dem gezeigten Beispiel gibt es eine Antennenebene 533,
die aus einem Antennenelement 531 besteht. Ferner gibt
es wie oben erwähnt
eine Stützplatte 521,
die aus einem dielektrischen Werkstoff konzipiert ist. Die Speisenetze
bestehen aus einer elektrisch leitenden Schicht 519, die
auf der Seite der Platte 521 angeordnet ist, die von der
Antennenebene 533 wegzeigt. Die erfindungsgemäße Öffnungsgruppe
wird in einer Masseplatte 523 hergestellt, die auf der
Seite der Platte 521 angeordnet ist, die zu der Antennenebene 533 zeigt.
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Das
Antennenelement 531 und die Masseplatte 523 sind
voneinander mittels der Entfernungen 525, 527 getrennt,
die aus einem dielektrischen Material bestehen.
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Der
Grund für
den Einsatz dielektrischer Entfernungen besteht darin, dass in vielen
Fällen
vorgezogen wird, dass Luft als ein trennendes dielektrisches Material
verwendet wird. Die Leistungsverluste in Luft sind zum Beispiel
kleiner als in den meisten anderen dielektrischen Materialien.
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Schließlich ist
in 6 eine Draufsicht einer Gruppenantenne 600 mit
erfindungsgemäßen Öffnungsgruppen
gezeigt. Die Gruppenantenne 600 in dem gezeigten Beispiel
besteht aus zwei Antennensäulen 698, 699,
die nebeneinander angeordnet sind. Wie oben erwähnt, ist die Stützstruktur
einer solchen Gruppenantenne im Prinzip ähnlich der in 5.
Mit anderen Worten besteht sie aus einem elektrisch leitenden Material
mit einem gemeinsamen hinteren Abschnitt, und die Säulen 698, 699 sind
voneinander getrennt und nach außen von den Wänden 613 abgegrenzt.
Gemäß dieser
Beschreibung wurden die Antennenelemente über ein Speisenetz gespeist
gezeigt. Die erfindungsgemäße Antenne
ist natürlich
komplett reziprok, mit anderen Worten funktioniert sie gleich gut
während
des Sendens und des Empfangs. Der Begriff „speisen" umfasst daher sowohl „speisen
zu" als auch „speisen
von" zum Beispiel
der Antennenelemente.
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Natürlich ist
die Vorrichtung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform
beschränkt. Eine
große
Anzahl von Varianten ist möglich,
in der Hauptsache die Form der Öffnungen
betreffend, das wesentliche Konzept besteht darin, dass die Öffnungsgruppe
zu den zwei Polarisationsrichtungen symmetrisch bleibt.
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Die
zentrale Öffnung 445 wurde
in den Zeichnungen zum Beispiel immer als ein Pfeil gezeigt, der
in zwei Richtungen zeigt. Sie kann stattdessen so geformt sein,
dass die Abschnitte, die von den zwei Enden der zentralen Abschnitte
ausgehen, und die die Köpfe
der Pfeile bilden, stattdessen einen anderen Winkel zu dem zentralen Öffnungsabschnitt haben.
Die Anzahl der Abschnitte, die von den zwei Enden des zentralen
Abschnitts ausgeht, ist nicht notwendigerweise auf zwei beschränkt, aber
unter Berücksichtung
der Symmetrie sollte eine gleiche Menge von Abschnitten von beiden
Enden ausgehen.
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Die äußeren Öffnungen 415, 425 wurden
in den Figuren immer als im Wesentlichen aus drei Abschnitten bestehend
gezeigt, die zu der Hauptrichtung der zentralen Öffnung senkrecht stehen, und zwei
Abschnitten, die zu der Hauptrichtung der zentralen Öffnung parallel
sind. Ein Beispiel einer alternativen Lösung besteht darin, die äußeren Öffnungen aus
einem ersten Abschnitt, der zu der Hauptrichtung der zentralen Öffnung 445 senkrecht
ist, und zwei Abschnitten, die einen anderen Winkel zu dem ersten Abschnitt
haben, bestehen zu lassen.
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Eine
Variante der oben genannten Ausführungsform
der äußeren Öffnungen
besteht darin, dass sich von den zwei Abschnitten, die in einem Winkel
zu dem ersten Abschnitt stehen, ein weiterer Abschnitt erstreckt,
wobei dieser Abschnitt einen Winkel zu dem Abschnitt, von dem er
sich erstreckt, bildet.
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Zusätzlich wurden
in dem Beispiel die elektrischen Entfernungen 525, 527 gezeigt,
die das Antennenelement 531 und die Masseplatte 523 trennen, während die
Masseplatte 523 und die Schicht 519 für das Speisenetz
durch eine dielektrische Platte 521 getrennt sind. Angestrebt
wird, dass die Antennenelemente 531, die Masseplatte 523 und
die Schicht 519 für
Speisenetze elektrisch voneinander isoliert sind. Dazu ist eine
große
Anzahl alternativer Ausführungsformen
möglich,
die dielektrische Platten und dielektrische Entfernungen kombinieren.
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Bei
einer weiteren alternativen Ausführungsform
kann die Schicht 519 für
Speisenetze zwischen der Masseplatte 523 und dem Antennenelement
positioniert werden, da es sich herausgestellt hat, dass dies ebenfalls
eine gut funktionierende Vorrichtung bereitstellt.