EP1434300A2 - Breitband-Antenne mit einem 3-dimensionalen Gussteil - Google Patents

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EP1434300A2
EP1434300A2 EP03028038A EP03028038A EP1434300A2 EP 1434300 A2 EP1434300 A2 EP 1434300A2 EP 03028038 A EP03028038 A EP 03028038A EP 03028038 A EP03028038 A EP 03028038A EP 1434300 A2 EP1434300 A2 EP 1434300A2
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EP
European Patent Office
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antenna according
reflector
supply
antenna
conductive
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EP03028038A
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English (en)
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EP1434300B1 (de
EP1434300A3 (de
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Uhland Goebel
Mischa Gräni
Jan Hesselbarth
Peter Nüchter
Martin Wagner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huber and Suhner AG
Original Assignee
Huber and Suhner AG
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Publication date
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Publication of EP1434300A3 publication Critical patent/EP1434300A3/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/1207—Supports; Mounting means for fastening a rigid aerial element
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H01Q21/26—Turnstile or like antennas comprising arrangements of three or more elongated elements disposed radially and symmetrically in a horizontal plane about a common centre
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q7/00—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/26—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole with folded element or elements, the folded parts being spaced apart a small fraction of operating wavelength
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    • H01Q9/26—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole with folded element or elements, the folded parts being spaced apart a small fraction of operating wavelength
    • H01Q9/265—Open ring dipoles; Circular dipoles

Definitions

  • the present invention relates to antennas that include a Include radiation element, which is arranged in front of a reflector surface.
  • Crossed dipole antennas for generating linear or circular Polarizations are known.
  • a crossed dipole antenna is from the article "A wide-band aerial system for circularly polarized waves, suitable for ionospheric research ", G.J. Phillips, IEE Proc., Vol. 98 III, 1951, pp. 237-239.
  • Turnstile antennas are described in various U.S. patents. An example is shown in U.S. Patent No. 2,086,976, issued in 1935. The one shown Antenna comprises a mast on which several crossed antennas are arranged are. There are also numerous textbooks dealing with turnstile antennas deal.
  • the antenna elements often arranged in front of a metallic reflector surface. This approach is known and is used in the following two antennas.
  • Polarized dipole antenna is US Pat. No. 6,313,809 (corresponds essentially to German Offenlegungsschrift DE 198 60 121 A1) from Kathrein. This distinguishes this dipole antenna from that it consists of a number of individual dipole elements that precede a reflector are arranged. The dipole elements are in plan view as Arranged dipole square and each dipole element is symmetrical Line fed individually.
  • a dual polarized multi-range dipole antenna is the US patent US 6,333,720 from Kathrein.
  • the bandwidth of a dipole antenna can be improved by thick dipoles or so-called bow-tie dipole structures used.
  • Such a broadband dipole antenna is from the article "Broadband half-wave dipole ", M.C. Bailey, IEEE Trans. Antennas Prop., Vol. 32, 1984, Pp. 410 - 412 known.
  • a broadband antenna with a thick dipole structure is in the Antenna Engineering Handbook, R.C. Johnson and H. Jasik, editors, 2. Edition, McGraw Hill, 1984, mentioned on pp. 28-11.
  • an antenna with a radiation element is prepared placed in front of a conductive reflector and a three-dimensional Casting includes.
  • the casting has at least two Levels of symmetry, is conductive and has a closed Circular structure with alternating constrictions and Bulges.
  • the orbital structure preferably spans an imaginary surface that is intersected by the planes of symmetry of the casting.
  • There are at least two fasteners are present, which are essentially extend perpendicular to the surface of the conductive reflector and at two Bases - which are preferably but not necessarily on intersection lines the planes of symmetry with the imaginary surface lie - the circular structure wear.
  • the at least two fastening elements run essentially parallel to each other and lie in the cylinder surface of an imaginary cylinder, the longitudinal axis of the cylinder perpendicular to the surface of the conductive reflector stands.
  • the planes of symmetry intersect in one common straight line that coincides with the longitudinal axis of the cylinder.
  • the fastening elements are preferably symmetrical Reference to the planes of symmetry, or in the limit in the planes of symmetry. On their (lower) ends are the fasteners with the conductive Connected reflector, at least one of the fastening elements for electrical excitation of the beam element is used.
  • plastic injection molding compounds can be used to manufacture the molded parts.
  • plastics are listed below: PA (polyamide); POM (Polyacetal); PET (polyethylene terephthalate); PS (polystyrene); TPE (thermoplastic polyester elastomer); LCP (Liquid Crystal Polymer); PBT (Polybutylene terephthalate); SB (styrene / butadiene); SAN (styrene acrylonitrile); SECTION (Acrylic Buadien styrene); PPE (modified polyether); PVC (polyvinyl chloride); CA (Cellulose acetate); CAB (cellulose acetate butyrate); CP (cellulose propionate); PE (Polyethylene); PP (polypropylene); PMMA (polymethyl methacrylate); PC (Polycarbonate); PSO (polyarylsulfone); PES (polyether sulf
  • Polymer blends can also be used. This is what it is about are combinations of two or more miscible polymers. blending is a process, a mixture, or a reaction of two or more Polymers to get improved product properties.
  • Modified plastics with filler particles can also be used be used, which are the construction of adhesive or electrodeless easier galvanically deposited metal layers.
  • the filler particles can be made from electrically conductive metals (e.g. palladium) or from electrically non-conductive metal pigments exist, as in spray paints for electromagnetic shielding can be used. These metal pigments serve as a catalyst for the electrodeless deposition of a metallic Starting layer, which can then be galvanically reinforced.
  • the Spray paint reaches only a limited and strong of the plastic material dependent adhesive strength. By embedding the particles in the plastic mass a significant improvement in the adhesive strength is achieved by the particles are only superficially exposed through a short pickling process, otherwise but remain enclosed by the plastic mass.
  • metals can also be used to manufacture the cast parts be used.
  • Aluminum is particularly suitable Aluminum injection molding process can be processed.
  • Molded parts made of zinc, magnesium (e.g. producible using thixo injection molding), or made of titanium aluminum.
  • Plastic injection molded parts can also be used or contain several metals.
  • the molded parts are characterized by the fact that a minimum of Postprocessing effort is necessary. In addition, the dimensions of the Moldings very precise.
  • Reflectors can be used, preferably one have conductive surface. This conductive surface can be grounded.
  • the reflector surface can be flat or curved.
  • An antenna 10 according to the invention comprises a three-dimensional one Beam element, which is arranged in front of a conductive reflector 13.
  • the The blasting element is a cast part.
  • the casting is designed to be conductive Antenna can be used.
  • the casting can be made with either be provided metallic layer that completely or partially covers the casting.
  • the cast part can comprise electrically conductive particles, which are thus integrated into one Guest material are embedded that the casting at least in the Surface area is electrically conductive.
  • the casting can also be made from Be made of material that is conductive in itself. Metals or are well suited Metal alloys.
  • the cast part also includes a closed circulation structure 11 alternating constrictions and bulges.
  • the Circular structure 11 has the shape of a cross in the example shown an imaginary surface 14 spanned by at least two planes of symmetry is cut. The planes of symmetry intersect the imaginary surface 14 and thus form intersection lines 15.1 and 15.3, as shown in FIG. 1B with dashed lines Lines shown.
  • the actual circulation structure 11 points in addition to the two intersection lines 15.1 and 15.3 also two axes of symmetry on the are designated in Fig. 1B with 15.2 and 15.4.
  • fastening elements 12.1, 12.2 There are at least two fastening elements 12.1, 12.2 provided which is substantially perpendicular to the surface of the conductive Extend reflector 13.
  • the fastening elements 12.1, 12.2 are on two Bases - those on the intersection line in the embodiment shown 15.1 lie - connected to the circulation structure 11.
  • the at least two Fastening elements 12.1, 12.2 run essentially parallel to one another and lie in the cylindrical surface of an imaginary cylinder 9, the Longitudinal cylinder axis 8 is perpendicular to the surface of the conductive reflector 13.
  • the mentioned planes of symmetry 15.1 and 15.3 intersect in one common line of intersection, which coincides with the cylinder longitudinal axis 8.
  • the fastening elements 12.1, 12.2 are on two Bases that lie on the intersection line 15.1 with the circular structure 11 connected and carry the circulation structure 11. At their other ends 16 are the fasteners 12.1, 12.2 connected to the reflector 13. additionally at least one of the fastening elements 12.1, 12.2 serves for the supporting function for electrical excitation of the beam element.
  • the radiating element has a mushroom-like shape in which the area 14 spanned by the circular structure 11 the mushroom hat and the imaginary cylinder 9 form the foot of the mushroom.
  • the comparison of the Beam element with a mushroom-like shape only serves the better Illustration of the invention.
  • Fastening elements which are a particularly suitable have a columnar structure.
  • the fastening elements are preferably one integral part of the circulation structure 11. In this case, both the Circumferential structure 11 as well as the fastening elements in one piece and thus without additional assembly steps and assembly tolerances are produced.
  • the fasteners are preferably cylindrical Shape with a round cross-section, but can also have other cross-sectional shapes exhibit.
  • the fasteners 12.1, 12.2 for example with a snap mechanism or one Be provided connector that allow the fasteners Insert 12.1, 12.2 into holes in the reflector 13 and snap them into place.
  • a snap connection screw, solder or other - connections are provided. Connections that are next to one are ideal mechanical connection also establish an electrically conductive connection.
  • the reflector 13 on the front 17.2 i.e. on the side of the reflector 13 which faces the circulating structure 11
  • the reflector 13 on the front 17.2 is made conductive, as indicated in Fig. 1C.
  • At least one of the Fastening elements 12.1 must thus be able to be fastened in the reflector 13, that there is no conductive connection to the conductive side 17.2 of the reflector 13 forms. Otherwise, both fasteners 12.1, 12.2 would be over the conductive reflector 13 shorted and the antenna could not can be controlled.
  • the fastener 12.1 comprises a cylinder, the wall 19.1 of which has a conductive layer 18 is provided.
  • the reflector 13 is made of an electrically conductive layer 17.4 formed on the front 17.2 of a dielectric plate 17.5.
  • the Reflector 13 has a hole in which the lower end 16 of the Fastening element 12.1 is performed.
  • a falling out of the Fastening element 12.1 is prevented by nose-like projections 19.2, which enable the assembly process by compression.
  • a distance between the conductive surface 17.4 and the fastening element 12.1 prevents one Short circuit of the supply signal.
  • the feed signal is, for example, by a strip line is created on the back of the reflector 13, which in is electrically conductive connection to the conductive layer 18.
  • the fastening element 12.1 comprises a cylinder, the wall 19.1 of which a conductive layer 18 is provided.
  • the reflector 13 is made from a electrically conductive layer 17.4 on the front 17.2 of a dielectric Plate 17.5 formed.
  • the reflector 13 has a hole in which the lower End 16 of the fastener 12.1 is guided, a mechanical Stop is formed by a gradation 19.3 of the cylinder diameter.
  • On Falling out of the fastener 12.1 is by nose-like projections 19.2 prevented, which allow the assembly process by compression. A prevents annular recess 17.7 of the electrically conductive layer 17.4 a short circuit in the supply signal.
  • the feed signal is given by a Strip line 17.6 formed on the back of the reflector 13, which in is electrically conductive connection to the conductive layer 18.
  • the particularly advantageous embodiment shown is the stripline 17.6 and by the annular recess 17.7 of the electrically conductive Layer 17.4 separated area 17.8 by a by the reflector 13th passing electrically conductive layer 17.9, a so-called Vias, interconnected.
  • this is the casting facing side 17.2 of the reflector 13 made conductive. It can also do that rear side 17.1 be made conductive.
  • the leading side of the reflector 13 completely or partially covered with a non-conductive layer be to protect the reflector 13 from environmental influences.
  • This non-conductive Layer can be a plastic layer that is used for the electromagnetic fields is transparent.
  • Some of the antennas according to the invention are characterized by that the imaginary surface 14 spanned by the circular structure 11 in the Extends substantially parallel to the reflector 13.
  • the imaginary surface 14 can be flat or curved.
  • the reflector 13 can be slightly curved.
  • a Has supply circuit This supply circuit can be used for dining the antenna.
  • the Supply circuit include a network, which has a supply input connects with the two fasteners 12.1, 12.2 so that they can be controlled in opposite phases.
  • FIG. 2A Such an antiphase control is schematic in FIG. 2A shown.
  • the antenna 20 comprises a circular structure 21 similar to that in FIG. 1A and 1B, however, four fastening elements 22.1 to 22.4 are provided. Both the two fasteners 22.1 and 22.3 as well as the two Fastening elements 22.2 and 22.4 are driven in opposite phases. The two fastening elements 22.1 and 22.2 are excited in phase. As indicated by the three arrows in Fig. 2A, arises from the symmetrical design of the beam element 21 an E-field in the x-direction is linearly polarized (vertical polarization).
  • FIG. 2B Another control is shown schematically in FIG. 2B. Again, both the fasteners 22.1 and 22.3 as also the two fasteners 22.2 and 22.4 each in opposite phase driven. Now, however, the two fasteners 22.1 and 22.4 excited in phase. As indicated by the three arrows in Fig. 2B, an E field is created due to the symmetrical design of the beam element 21, which is linearly polarized in the y direction (horizontal polarization).
  • FIG. 2C A simplified control is shown schematically in FIG. 2C.
  • the fastener 22.4 becomes out of phase with the fastener 22.2 excited, as indicated by the arrow in Fig. 2C.
  • the Symmetrical design of the beam element 21 creates an E-field that is -45 ° is linearly polarized (-45 ° slant polarization).
  • the fasteners 22.1 and 22.3 without essential effects on the antenna function are omitted, however, which may affect mechanical stability.
  • the Fastening elements 22.1 and 22.3 can in a further modification of the Excitation to be electrically connected to the reflector 13 or 23.
  • Polarizations for example analogous to Fig. 2A or 2B by phase-shifted excitation of the fastener pairs 22.1, 22.3 and 22.2, 22.4 can be achieved.
  • a network 30 according to the invention is shown in FIG. 3A as an example.
  • the network shown is on the back of a reflector surface and has two supply inputs 32.1 and 32.2.
  • There are four goals 31.1 to 31.4 provided with the fasteners (not shown in Fig. 3A) of the Beam element are connected.
  • Between the feed input 32.1 and A 180 ° hybrid 33.1 is arranged in the two ports 31.4 and 31.2.
  • the 180 ° hybrid 33.2 includes a ⁇ / 4 Delay line between points A and C and a 3 ⁇ / 4 Delay line between points A and B.
  • the line between B and C in turn represents a ⁇ / 2 delay line.
  • the delay lines are designed for the center frequency of the feed signals.
  • Ports 31.1 to 31.4 are via line sections with the two 180 ° hybrids 33.1 and 33.2 connected, each causing the same phase shift.
  • the network 30 ensures that the diagonally opposite ports are 180 ° out of phase, that is, out of phase, are controlled, whereby the the other two ports are each in a virtual short circuit level.
  • the Feed inputs 32.1 and 32.2 thus have a high mutual Decoupling on. This gives a particularly pure polarization of the radiated wave, or a strongly suppressed Cross-polarization component.
  • 180 ° power dividers for feeding those lying on the corners of a square Supply inputs 31.1 to 31.4 of FIG.
  • connection point B on the 31.1 through the supply inputs and 31.4 given straight line.
  • the position of the connection point C can be chosen freely.
  • the Network input corresponding to the connection point A of the 180 ° hybrid in FIG. 3A can be positioned anywhere.
  • the second's stripline layout The 180 ° power divider can now be obtained by two mirror images: in the first Step mirrors the layout of the first 180 ° power divider on the Axis of symmetry, which feed points 31.1 and 31.2 in the feed points 31.4 and 31.3 transferred. In the second step you just mirror the layout of the Connection line between the feed point 31.4 and connection point B of the second 180 ° power divider around the axis 31.1 - 31.4.
  • the two Power inputs 32.1 and 32.2 controlled so that S1 (t) compared to S2 (t) is phase shifted by + 90 ° or -90 °. They can also be elliptical Generate polarizations if the phase shift occurs at + 90 ° or - 90 ° Amplitude of S1 (t) is different from the amplitude of S2 (t) or / and Phase shift deviates from 0 °, + 90 °, -90 ° and 180 °.
  • the control of the beam element can also be done by others Supply circuits, for example (combination) networks and Delay lines.
  • the supply circuit can be in planar, coaxial or waveguide line technology.
  • the supply circuit can be designed so that it is off one signal (e.g. S1 (t)) up to four different control signals for Driving the radiation element generated.
  • FIG. 3B Another example of a supply circuit is in Fig. 3B shown.
  • the supply circuit has a supply input 34, the a signal S1 (t) is supplied.
  • a divider 35 follows, the first of which Output signal is applied to a gate 37.4.
  • the second output signal of the Divider 35 is phase shifted via a 180 ° phase shifter 36 and then a gate 37.2 fed.
  • the two ports 37.1 and 37.3 are grounded.
  • the Supply circuit in Fig. 3B enables a single linear polarization.
  • a third example of a supply circuit is in Fig. 3C shown.
  • the supply circuit has a supply input 34, the a signal S1 (t) is supplied.
  • a 180 ° hybrid 39 feeds two Connecting lines 40a, 40b in push-pull.
  • Connecting line 40a connects the neighboring gates 38.1 and 38.2, connecting line 40b the neighboring ones Goals 38.3 and 38.4.
  • the connecting lines 40a and 40b each of two identical, mirror-symmetrical to the connection point of the 180 ° hybrids 39 arranged arms and are identical.
  • Each dipole element of the crossed dipole antenna is preferred fed symmetrically.
  • FIGS. 4A to 4D Various regular circulation structures are shown in FIGS. 4A to 4D schematically indicated, it should be noted that there are numerous others There are shapes that are also suitable as a circular structure. This regular Orbital structures have four levels of symmetry.
  • FIG. 4E Further circulation structures according to the invention, now with three Planes of symmetry are shown in Figures 4E and 4F.
  • the orbital structure of Fig. 4E has three wing elements, which are rotated by 120 ° against each other are arranged.
  • 4F also shows a Generation of circularly polarized radiation suitable circulation structure.
  • FIGS. 5A and 5B Various irregular orbital structures are in the figures 5A and 5B schematically indicated. These irregular circulation structures have at least two planes of symmetry and are preferred with one Circuit driven according to Fig. 3C. Another beneficial one The use of the circulation structures in FIGS. 5A and 5B is the simplified one Generation of circular polarization by applying phase signals in phase opposition two opposing constrictions.
  • the circulation structure is preferably designed such that Wing elements are present which result in at least one resonance circuit, which is burdened by the radiation.
  • the fastening elements are preferably designed such that transformers from the excitation impedances to the Result in resonator impedances.
  • the fasteners designed as a transformer have in an advantageous design on such a large diameter that it against the conductive reflector surface represent an interfering capacitive load.
  • Example fasteners are used, which are towards the reflector rejuvenate that there is an inductive initial stage.
  • An example of one such fastener is in Fig. 6 in a schematic side view shown.
  • a fastener is shown having a first cylindrical Has area 62 which has a first diameter.
  • a second cylindrical area 61 is provided in the first area 62 thereof Diameter is smaller than the diameter of the first area 62.
  • the first The area does not necessarily have to be centered on the second area be arranged.
  • the fastener shown is designed so that it is easy to remove from the mold after casting.
  • the radiation characteristic is essentially determined by the distance of the beam element from the reflector.
  • the distance of the beam element from the reflector is preferred chosen between 1/10 and 1/3 of the emitted wavelength in air.
  • a metallic screen arrangement can be provided, all, part or not at all with the senior Reflector surface is connected.
  • the screen arrangement preferably has the same planes of symmetry as the beam element surrounded by them. she can be in one piece or taking into account the planes of symmetry from a corresponding number of individual elements.
  • a special one advantageous arrangement consists of a circumferential electrically conductive Wall, which depending on the desired beam concentration below or above the point of the most distant from the reflector surface 23 Beam element ends.
  • the screen arrangement can also be used to the mutual coupling between neighboring Reduce beam elements in a group antenna.
  • a group antenna according to the invention is characterized in that that several antennas are arranged in rows and columns.
  • a exemplary array antenna 70 is shown in FIG. 7.
  • the group antenna 70 comprises two columns with three antennas 71 each.
  • the antenna radiation elements 71 are arranged rotated 45 degrees in the example shown.
  • the Beam elements can also have any other orientation.
  • the horizontal distance may be necessary or useful to choose between the individual antennas other than the vertical distance.
  • a reflector surface 73 is arranged behind the steel elements. It is one Supply matrix (not visible in Fig. 7) available, which allows the Combine antennas in rows and / or columns.
  • each antenna 71 comprises a beam element and an individual one Supply circuit.
  • the supply matrix mentioned then represents the necessary connections between total inputs of the group antenna and the supply inputs of the supply circuits.
  • the Supply matrix, the supply circuit and the supply signal is in the example shown so that there is a linear polarization in vertical direction results, as indicated by the E-fields.
  • the antennas described and shown are particularly suitable for operation in the gigahertz frequency range, with the supply inputs Signals are applied that have a center frequency that is greater than Is 1 GHz.
  • the antennas are particularly suitable for mobile radio and others Communication systems.
  • the upper frequency limit can be about 25 GHz, where the diameter of the beam elements according to the invention is about 5 millimeters assumes and the distance between the circulation structure and the reflector plane can be smaller than 3 millimeters.
  • the beam elements can be designed as SMD (Surface Mounted Device), which is directly connected to a dielectric boards carrying the supply circuits are soldered on.
  • the lower ends 16 of the fasteners 12.1 to 12.4 are therefor preferably with a galvanic that is easily wettable by the solder used Provided surface, whereas the remaining three-dimensional structure of the Beam element is preferably covered by a solder-repellent layer.
  • This can be done, for example, by dip painting, plasma coating with a dielectric layer or by selectively depositing one from the used solder wettable metal are generated.
  • the reflector surface is preferably by a large-area conductive layer on the Beam elements facing away from the dielectric plate is formed.
  • a particularly advantageous method for solder assembly is the use of Solder balls with low mechanical tolerances, which with professional, from the Ball Grid Array (BGA) technology known dimensioning a reliable Cause self-centering of the blasting element.
  • BGA Ball Grid Array
  • the beam elements are large Number of pieces can be produced, whereby great shape accuracy is guaranteed.
  • shape retention expresses that a low tolerance representation of the Tool cavity can be achieved through the molded part.
  • the beneficial one-piece design of the casting forming the blasting element guaranteed in particular, the exact adherence to achieve a high Cross polarization decoupling necessary mirror symmetries.
  • Beam element made up of several (preferably identical) parts composed this property is due to the assembly tolerances harder to achieve.
  • the weight of a radiating element very low. Depending on the material and frequency range, a weight can be achieved be that for use at cellular frequencies below 20g lies.
  • the single and group antennas described are very good compact. If the supply circuit is provided on the reflector, the wiring effort is significantly reduced.

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Abstract

Antenne (10) mit einem Strahlelement, das vor einem leitenden Reflektor (13) angeordnet ist und ein drei-dimensionales Gussteil aufweist. Das Gussteil ist leitend ausgeführt und hat eine geschlossene Umlaufstruktur (11) mit einander abwechselnden Einschnürungen und Ausbuchtungen. Die Umlaufstruktur (11) spannt eine imaginäre Fläche (14) auf, die von mindestens zwei Symmetrieebenen (15.1, 15.3) des Gussteils geschnitten wird. Es sind mindestens zwei Befestigungselemente (12.1, 12.2) vorgesehen, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der imaginären Fläche (14) erstrecken und an zwei Punkten, die auf einer der Symmetrieebenen (15.1; 15.3) liegen, die Umlaufstruktur (11) tragen. An den unteren Enden (16) sind die Befestigungselemente (12.1, 12.2) mit dem Reflektor (13) verbunden, wobei die Befestigungselemente (12.1, 12.2) auch zum elektrischen Anregen des Strahlelements dienen. <IMAGE> <IMAGE> <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Antennen, die ein Abstrahlelement umfassen, das vor einer Reflektorfläche angeordnet ist.
Gekreuzte Dipolantennen zum Erzeugen linearer oder zirkularer Polarisierungen sind bekannt. Eine gekreuzte Dipolantenne ist aus dem Artikel "A wide-band aerial system for circularly polarized waves, suitable for ionospheric research", G.J. Phillips, IEE Proc., Vol. 98 III, 1951, S. 237 - 239 bekannt. Drehkreuzantennen sind in verschiedenen US-Patenten beschrieben. Ein Beispiel ist in dem US-Patent US 2,086,976 aus dem Jahr 1935 gezeigt. Die gezeigte Antenne umfasst einen Mast an dem mehrere gekreuzte Antennen angeordnet sind. Es gibt auch zahlreiche Lehrbücher, die sich mit Drehkreuzantennen befassen.
Um die Richtwirkung zu verbessern, werden die Antennenelemente häufig vor einer metallischen Reflektorfläche angeordnet. Dieser Ansatz ist bekannt und findet bei den folgenden beiden Antennen Anwendung. Eine dual-
polarisierte Dipolantenne ist dem US-Patent US 6,313,809 (entspricht im Wesentlichen der Deutschen Offenlegungsschrift DE 198 60 121 A1) der Firma Kathrein zu entnehmen. Diese Dipolantenne zeichnet sich dadurch aus, dass sie aus einer Anzahl von einzelnen Dipolelementen besteht, die vor einem Reflektor angeordnet sind. Die Dipolelemente sind in der Draufsicht als Dipolquadrat angeordnet und jedes Dipolelement wird über eine symmetrische Leitung individuell gespeist.
Eine zweifach polarisierte multi-range Dipolantenne ist dem US-Patent US 6,333,720 der Firma Kathrein zu entnehmen.
Die Bandbreite einer Dipolantenne kann verbessert werden indem man dicke Dipole oder sogenannte fliegenförmige (bow-tie) Dipolstrukturen verwendet. Eine solche breitbandige Dipolantenne ist aus dem Artikel "Broadband half-wave dipole", M.C. Bailey, IEEE Trans. Antennas Prop., Vol. 32, 1984, S. 410 - 412 bekannt. Eine breitbandige Antenne mit dicker Dipolstruktur ist in dem Antenna Engineering Handbook, R.C. Johnson und H. Jasik, editors, 2. Auflage, McGraw Hill, 1984, auf S. 28-11 erwähnt.
Es ist ein Problem der bekannten Antennenanordnungen, die im Bereich der Kommunikation und insbesondere der Mobilfunkkommunikation eingesetzt werden, dass die Antennen kostspielig und schwer sind. Das führt zu teuren und komplizierten Gruppenantennen.
Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik stellt sich die Aufgabe, eine breitbandige Dipolantenne zu schaffen, die einfach und kostengünstig ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Dipolantenne bereit zu stellen, die sich für den Einbau in eine Gruppenantenne eignet.
Gemäss Erfindung wird eine Antenne mit einem Strahlelement bereit gestellt, das vor einem leitenden Reflektor angeordnet ist und ein drei-dimensionales Gussteil umfasst. Das Gussteil hat mindestens zwei Symmetrieebenen, ist leitend ausgeführt und hat eine geschlossene Umlaufstruktur mit einander abwechselnden Einschnürungen und Ausbuchtungen. Die Umlaufstruktur spannt vorzugsweise eine imaginäre Fläche auf, die von den Symmetrieebenen des Gussteils geschnitten wird. Es sind mindestens zwei Befestigungselemente vorhanden, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der Fläche des leitenden Reflektors erstrecken und an zwei Stützpunkten - die vorzugsweise aber nicht notwendigerweise auf Schnittgeraden der Symmetrieebenen mit der imaginären Fläche liegen - die Umlaufstruktur tragen. Die mindestens zwei Befestigungselemente verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander und liegen in der Zylinderfläche eines imaginäre Zylinders, dessen Zylinderlängsachse senkrecht auf der Fläche des leitenden Reflektors steht. Die genannten Symmetrieebenen schneiden einander in einer gemeinsamen Schnittgerade, die mit der Zylinderlängsachse zusammen fällt.
Vorzugsweise liegen die Befestigungselemente symmetrisch in Bezug auf die Symmetrieebenen, oder im Grenzfall in den Symmetrieebenen. An ihren (unteren) Enden sind die Befestigungselemente mit dem leitenden Reflektor verbunden, wobei zumindest eines der Befestigungselemente zum elektrischen Anregen des Strahlelements dient.
Weitere erfindungsgemässe Ausführungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 13 zu entnehmen.
Gemäss Erfindung wird eine Gruppenantenne mit mehreren Strahlelementen bereit gestellt, wie in Anspruch 14 beansprucht. Weitere erfindungsgemässe Ausführungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen 15 und 16 zu entnehmen.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele ausführlich beschrieben. Symmetrieebenen werden in den Zeichnungen durch gestrichelten Linien und imaginäre Flächen durch gepunktete Linien angedeutet, wo dies zur deutlicheren Darstellung der Erfindung notwendig ist. Es zeigen:
Fig. 1A
eine Antenne gemäss Erfindung in einer schematischen Seitenansicht;
Fig. 1B
die Antenne gemäss Fig. 1A in einer schematischen Draufsicht;
Fig. 1C
einen Ausschnitt der Antenne gemäss Fig. 1A in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 1D
einen Ausschnitt eines weiteren Befestigungselements gemäss Erfindung in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 2A
eine weitere Antenne gemäss Erfindung in einer schematischen Draufsicht, wobei die Abstrahlung vertikal linear polarisiert ist;
Fig. 2B
eine weitere Antenne gemäss Erfindung in einer schematischen Draufsicht, wobei die Abstrahlung horizontal linear polarisiert ist;
Fig. 2C
eine weitere Antenne gemäss Erfindung in einer schematischen Draufsicht, wobei die Abstrahlung 45° linear polarisiert ist;
Fig. 3A
eine Versorgungsschaltung gemäss Erfindung, die sich auf der Rückseite eines Reflektors befindet;
Fig. 3B
eine weitere Versorgungsschaltung gemäss Erfindung, in schematischer Blockansicht;
Fig. 3C
eine weitere Versorgungsschaltung gemäss Erfindung, in schematischer Blockansicht;
Fig. 4A-4F
verschiedene regelmässige Umlaufstrukturen, gemäss Erfindung;
Fig. 5A-5B
verschiedene unregelmässige Umlaufstrukturen, gemäss Erfindung;
Fig. 6
einen Ausschnitt eines Befestigungselements gemäss Erfindung in einer schematischen Seitenansicht;
Fig. 7
eine Gruppenantenne gemäss Erfindung in einer schematischen Draufsicht.
Detaillierte Beschreibung:
Im Folgenden werden Begriffe erläutert und definiert, die in der Beschreibung und den Patentansprüchen mehrfach auftauchen.
Im Folgenden Text ist von Gussteilen die Rede. Gemäss Erfindung sind unter dem Begriff Gussteil Formteile zu verstehen, die im (automatischen) Spritzgussverfahren hergestellt wurden. Dabei werden thermoplastisch verarbeitbare Kunststoffe mittels eines Spritzgießverfahrens verarbeitet.
Es können gemäss Erfindung verschiedene Kunststoff-Spritzgussmassen verwendet werden, um die Formteile herzustellen. Einige Beispiele von Kunststoffen sind im Folgenden aufgeführt: PA (Polyamid); POM (Polyacetal); PET (Polyethylenterephthalat); PS (Polystyrol); TPE (thermoplastisches Polyester-Elastomer); LCP (Liquid Crystal Polymer); PBT (Polybutylenterephthalat); SB (Styrol/Butadien); SAN (Styrol-Acrylnitril); ABS (Acryl-Buadien-Styrol); PPE (modifizierte Polyether); PVC (Polyvinylchlorid); CA (Celluloseacetat); CAB (Celluloseacetatbutyrat); CP (Cellulosepropionat); PE (Polyethylen); PP (Polypropylen); PMMA (Polymethylmethacrylat); PC (Polycarbonat); PSO (Polyarylsulfon); PES (Polyethersulfon); PEI (Polyetherimid); PAI (Polyamidimid); PVDF (Polyvinylidenfluorid).
Es können auch Polymerblends eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um Kombinationen aus zwei oder mehreren mischbaren Polymeren. Blending ist ein Prozess, eine Mischung, oder eine Reaktion von zwei oder mehr Polymeren, um verbesserte Produkteigenschaften zu erhalten.
Es können auch modifizierte Kunststoffe mit Füllstoffpartikeln verwendet werden, welche den Aufbau von haftfesten elektrodenlos oder galvanisch abgeschiedenen Metallschichten erleichtern. Die Füllstoffpartikel können aus elektrisch leitenden Metallen (z. B. Palladium) oder aus elektrisch nicht leitfähigen Metallpigmenten bestehen, wie sie in Spritzlacken für elektromagnetische Abschirmung verwendet werden. Diese Metallpigmente dienen als Katalysator zur elektrodenlosen Abscheidung einer metallischen Startschicht, welche anschliessend galvanisch verstärkt werden kann. Der Spritzlack erreicht nur eine begrenzte und stark vom Kunststoff-Material abhängige Haftfestigkeit. Durch Einbetten der Partikel in die Kunststoffmasse wird eine wesentliche Verbesserung der Haftfestigkeit erzielt, indem die Partikel durch einen kurzen Beizprozess nur oberflächlich freigelegt werden, ansonsten aber von der Kunststoffmasse umschlossen bleiben.
Anstatt Kunststoff können auch Metalle zum Herstellen der Gussteile verwendet werden. Besonders geeignet ist Aluminium, das im Aluminiumspritzgussverfahren verarbeitet werden kann. Auch geeignet sind Formteile aus Zink, Magnesium (z.B. mittels Thixospritzgiessen herstellbar), oder aus Titan Aluminium.
Es können auch Kunststoffspritzgussteile verwendet werden, die ein oder mehrere Metalle enthalten.
Die Formteile zeichnen sich dadurch aus, dass ein Minimum an Nachbearbeitungsaufwand notwendig ist. Ausserdem sind die Dimensionen der Formteile sehr präzise.
Es können Reflektoren eingesetzt werden, die vorzugsweise eine leitende Fläche aufweisen. Diese leitende Fläche kann auf Masse gelegt werden. Die Reflektorfläche kann eben oder gekrümmt ausgeführt sein.
Eine erste Antenne 10 gemäss Erfindung ist in den Figuren 1A und 1B gezeigt. Eine erfindungsgemässe Antenne 10 umfasst ein drei-dimensionales Strahlelement, das vor einem leitenden Reflektor 13 angeordnet ist. Das Strahlelement ist ein Gussteil. Das Gussteil ist leitend ausgeführt, damit es als Antenne einsetzbar ist. Zu diesem Zweck kann das Gussteil entweder mit einer metallischen Schicht versehen sein, die das Gussteil ganz oder teilweise abdeckt. Alternativ kann das Gussteil elektrisch leitende Partikel umfassen, die so in ein Gastmaterial eingebettet sind, dass das Gussteil zumindest im Oberflächenbereich elektrisch leitend ist. Das Gussteil kann aber auch aus Material gefertigt sein, das an sich leitfähig ist. Gut geeignet sind Metalle oder Metalllegierungen.
Das Gussteil umfasst eine geschlossene Umlaufstruktur 11 mit einander abwechselnden Einschnürungen und Ausbuchtungen. Die Umlaufstruktur 11 hat in dem gezeigten Beispiel die Form eines Kreuzes, das eine imaginäre Fläche 14 aufspannt, die von mindestens zwei Symmetrieebenen geschnitten wird. Die Symmetrieebenen schneiden die imaginäre Fläche 14 und bilden somit Schnittgeraden 15.1 und 15.3, wie in Fig. 1B anhand gestrichelter Linien dargestellt. Die eigentliche Umlaufstruktur 11 weist zusätzlich zu den beiden Schnittgeraden 15.1 und 15.3 auch noch zwei Symmetrieachsen auf, die in Fig. 1B mit 15.2 und 15.4 bezeichnet sind.
Es sind mindestens zwei Befestigungselemente 12.1, 12.2 vorgesehen, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der Fläche des leitenden Reflektors 13 erstrecken. Die Befestigungselemente 12.1, 12.2 sind an zwei Stützpunkten - die bei der gezeigten Ausführungsform auf der Schnittgeraden 15.1 liegen - mit der Umlaufstruktur 11 verbunden. Die mindestens zwei Befestigungselemente 12.1, 12.2 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander und liegen in der Zylinderfläche eines imaginären Zylinders 9, dessen Zylinderlängsachse 8 senkrecht auf der Fläche des leitenden Reflektors 13 steht. Die genannten Symmetrieebenen 15.1 und 15.3 schneiden einander in einer gemeinsamen Schnittgerade, die mit der Zylinderlängsachse 8 zusammen fällt.
Wie erwähnt, sind die Befestigungselemente 12.1, 12.2 an zwei Stützpunkten, die auf der Schnittgeraden 15.1 liegen, mit der Umlaufstruktur 11 verbunden und tragen die Umlaufstruktur 11. An ihren anderen Enden 16 sind die Befestigungselemente 12.1, 12.2 mit dem Reflektor 13 verbunden. Zusätzlich zu der Tragfunktion dient mindestens eines der Befestigungselemente 12.1, 12.2 zum elektrischen Anregen des Strahlelements.
Insgesamt weist das Strahlelement eine pilzartige Form auf, bei der die durch die Umlaufstruktur 11 aufgespannte Fläche 14 den Pilzhut und der imaginäre Zylinder 9 den Fuss des Pilzes bilden. Der Vergleich des Strahlelements mit einer pilzartige Form dient lediglich der besseren Veranschaulichung der Erfindung.
Besonders geeignet sind Befestigungselemente, die eine säulenartige Struktur haben. Vorzugsweise sind die Befestigungselemente ein integraler Bestandteil der Umlaufstruktur 11. In diesem Fall können sowohl die Umlaufstruktur 11 als auch die Befestigungselemente einstückig und damit ohne zusätzliche Montageschritte und Montagetoleranzen hergestellt werden.
Die Befestigungselemente haben vorzugsweise eine zylindrische Form mit rundem Querschnitt, können aber auch andere Querschnittformen aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Befestigungselemente am unteren Ende Befestigungsmittel auf, die es erlauben die Umlaufstruktur 11 samt den Befestigungselementen 12.1, 12.2 an dem Reflektor 13 zu befestigen. Zu diesem Zweck können die Befestigungselemente 12.1, 12.2 zum Beispiel mit einem Schnappmechanismus oder einer Steckverbindung versehen sein, die es ermöglichen, die Befestigungselemente 12.1, 12.2 in Löcher des Reflektors 13 einzusetzen und dort einrasten zu lassen. Statt einer Schnappverbindung können auch Schraub-, Löt- oder andere - verbindungen vorgesehen werden. Ideal sind Verbindungen, die neben einer mechanischen Verbindung auch eine elektrisch leitende Verbindung herstellen.
Bei dem Verbinden der Befestigungselemente 12.1, 12.2 mit dem Reflektor 13 ist zu beachten, dass der Reflektor 13 auf der Vorderseite 17.2 (d.h. auf der Seite des Reflektors 13, die zu der Umlaufstruktur 11 hingewandt ist) leitfähig ausgeführt ist, wie in Fig. 1C angedeutet. Mindestens eines der Befestigungselemente 12.1 muss somit so in dem Reflektor 13 befestigbar sein, dass es keine leitende Verbindung zu der leitfähigen Seite 17.2 des Reflektors 13 bildet. Ansonsten wären beide Befestigungselemente 12.1, 12.2 über den leitenden Reflektor 13 kurzgeschlossen und die Antenne könnte nicht angesteuert werden.
Ein Beispiel für die Befestigung und die elektrische Anregung eines der Befestigungselemente 12.1 ist in Fig. 1C gezeigt. Das Befestigungselement 12.1 umfasst einen Zylinder, dessen Wandung 19.1 mit einer leitenden Schicht 18 versehen ist. Der Reflektor 13 wird aus einer elektrisch leitfähigen Schicht 17.4 auf der Vorderseite 17.2 einer dielektrischen Platte 17.5 gebildet. Der Reflektor 13 weist ein Loch auf, in welchem das untere Ende 16 des Befestigungselementes 12.1 geführt wird. Ein Herausfallen des Befestigungselementes 12.1 wird durch nasenartige Vorsprünge 19.2 verhindert, welche den Montagevorgang durch Einfedern ermöglichen. Ein Abstand zwischen der leitenden Fläche 17.4 und dem Befestigungselement 12.1 verhindert einen Kurzschluss des Speisungssignals. Das Speisungssignal wird zum Beispiel durch eine Streifenleitung auf der Rückseite des Reflektors 13 angelegt, die in elektrisch leitender Verbindung mit der leitenden Schicht 18 steht.
Ein besonders vorteilhaftes Beispiel für die Befestigung und die elektrische Anregung eines der Befestigungselemente 12.1 ist in Fig. 1D gezeigt. Das Befestigungselement 12.1 umfasst einen Zylinder, dessen Wandung 19.1 mit einer leitenden Schicht 18 versehen ist. Der Reflektor 13 wird aus einer elektrisch leitfähigen Schicht 17.4 auf der Vorderseite 17.2 einer dielektrischen Platte 17.5 gebildet. Der Reflektor 13 weist ein Loch auf, in welchem das untere Ende 16 des Befestigungselementes 12.1 geführt wird, wobei ein mechanischer Anschlag durch eine Abstufung 19.3 des Zylinderdurchmessers gebildet wird. Ein Herausfallen des Befestigungselementes 12.1 wird durch nasenartige Vorsprünge 19.2 verhindert, welche den Montagevorgang durch Einfedern ermöglichen. Eine ringförmige Ausnehmung 17.7 der elektrisch leitfähigen Schicht 17.4 verhindert einen Kurzschluss des Speisungssignals. Das Speisungssignal wird durch eine Streifenleitung 17.6 auf der Rückseite des Reflektors 13 gebildet, welche in elektrisch leitender Verbindung mit der leitenden Schicht 18 steht. In der in Fig. 1D gezeigten besonders vorteilhaften Ausführung sind die Streifenleitung 17.6 und der durch die ringförmige Ausnehmung 17.7 von der elektrisch leitfähigen Schicht 17.4 abgetrennte Bereich 17.8 durch eine durch den Reflektor 13 hindurchgehende elektrisch leitende Schicht 17.9, eine sogenannte Durchkontaktierung, miteinander verbunden.
Es sind zahlreiche andere Befestigungsformen denkbar (z.B. mittels ringförmigem Isolatoreinsatz oder Freiätzung der Bohrung), um einen Kontakt zwischen dem Befestigungselement und der leitfähigen Fläche des Reflektors zu vermeiden.
In einer speziellen Ausführungsform ist die dem Gussteil zugewandte Seite 17.2 des Reflektors 13 leitend ausgeführt. Es kann auch die rückwärtige Seite 17.1 leitend ausgeführt sein. Zusätzlich kann die leitende Seite des Reflektors 13 mit einer nichtleitenden Schicht ganz oder teilweise abgedeckt sein, um den Reflektor 13 vor Umwelteinflüssen zu schützen. Diese nichtleitende Schicht kann eine Kunststoffschicht sein, die für die elektromagnetischen Felder transparent ist.
Einige der Antennen gemäss Erfindung zeichnen sich dadurch aus, dass sich die von der Umlaufstruktur 11 aufgespannte imaginäre Fläche 14 im Wesentlichen parallel zu dem Reflektor 13 erstreckt. Die imaginäre Fläche 14 kann eben oder gekrümmt sein.
Der Reflektor 13 kann leicht gekrümmt sein.
Die Vorzüge der Erfindung kommen besonders zur Geltung, wenn der Reflektor 13 auf der Seite 17.1, die von dem Gussteil abgewandt ist, eine Versorgungsschaltung aufweist. Diese Versorgungsschaltung kann zum Speisen der Antenne eingesetzt werden. Zu diesem Zweck kann die Versorgungsschaltung ein Netzwerk umfassen, welches einen Speisungseingang mit den beiden Befestigungselementen 12.1, 12.2 so verbindet, dass diese gegenphasig ansteuerbar sind .
Eine solche gegenphasige Ansteuerung ist in Fig. 2A schematisch dargestellt. Die Antenne 20 umfasst eine Umlaufstruktur 21 ähnlich der in Fig. 1A und 1B, wobei jedoch vier Befestigungselemente 22.1 bis 22.4 vorgesehen sind. Sowohl die beiden Befestigungselemente 22.1 und 22.3 als auch die beiden Befestigungselemente 22.2 und 22.4 werden jeweils gegenphasig angesteuert. Die beiden Befestigungselemente 22.1 und 22.2 werden gleichphasig angeregt. Wie durch die drei Pfeile in Fig. 2A angedeutet, entsteht aufgrund der symmetrischen Ausführung des Strahlelements 21 ein E-Feld, das in x-Richtung linear polarisiert ist (vertikale Polarisierung).
Eine andere Ansteuerung ist in Fig. 2B schematisch dargestellt. Wiederum werden sowohl die beiden Befestigungselemente 22.1 und 22.3 als auch die beiden Befestigungselemente 22.2 und 22.4 jeweils gegenphasig angesteuert. Nunmehr werden aber die beiden Befestigungselemente 22.1 und 22.4 gleichphasig angeregt. Wie durch die drei Pfeile in Fig. 2B angedeutet, entsteht aufgrund der symmetrischen Ausführung des Strahlelements 21 ein E-Feld, das in y-Richtung linear polarisiert ist (horizontale Polarisierung).
Eine vereinfachte Ansteuerung ist in Fig. 2C schematisch dargestellt. Das Befestigungselement 22.4 wird gegenphasig zu dem Befestigungselement 22.2 angeregt, wie durch den Pfeil in Fig. 2C angedeutet. Durch die symmetrische Ausführung des Strahlelements 21 entsteht ein E-Feld, das -45° linear polarisiert ist (-45° Slant Polarisierung). In Analogie zu Fig. 1B können in diesem Anwendungsfall die Befestigungselemente 22.1 und 22.3 ohne wesentliche Auswirkungen auf die Antennenfunktion weggelassen werden, worunter jedoch eventuell die mechanische Stabilität leidet. Die Befestigungselemente 22.1 und 22.3 können in einer weiteren Abwandlung der Anregung elektrisch mit dem Reflektor 13 bzw. 23 verbunden sein. Eine ebenfalls mit geringen Einschränkungen (diesmal der elektrischen Eigenschaften der Antenne) einhergehende Anregungsvariante sieht die ausschliessliche Anregung eines der Befestigungselemente 22.2, 22.4 vor, wobei das jeweils andere Befestigungselement mit dem Reflektor 13 bzw. 23 elektrisch verbunden ist. Die hiermit einhergehende Abweichung von der ideal-symmetrischen Richtcharakteristik ist zulässig, insbesondere bei der Anwendung als Strahlelement in einer Gruppenantenne.
Je nach Ansteuerung können auch zirkulare oder elliptische Polarisierungen, zum Beispiel analog zu Fig. 2A oder 2B durch phasenverschobene Anregung der Befestigungselementpaare 22.1, 22.3 und 22.2, 22.4 erzielt werden.
Ein Netzwerk 30 gemäss Erfindung ist in Fig. 3A als Beispiel gezeigt. Das gezeigte Netzwerk befindet sich auf der Rückseite einer Reflektorfläche und hat zwei Speisungseingänge 32.1 und 32.2. Es sind vier Tore 31.1 bis 31.4 vorgesehen, die mit den Befestigungselementen (in Fig. 3A nicht zu sehen) des Strahlelements in Verbindung stehen. Zwischen dem Speisungseingang 32.1 und den beiden Ports 31.4 und 31.2 ist ein 180°-Hybrid 33.1 angeordnet. Zwischen dem Speisungseingang 32.2 und den beiden Ports 31.3 und 31.1 ist ein weiteres 180°-Hybrid 33.2 angeordnet. Das 180°-Hybrid 33.2 umfasst eine λ/4 Verzögerungsleitung zwischen den Punkten A und C sowie eine 3λ/4 Verzögerungsleitung zwischen den Punkten A und B. Die Leitung zwischen B und C wiederum stellt eine λ/2 Verzögerungsleitung dar. Die Verzögerungsleitungen sind auf die Mittenfrequenz der Speisesignale hin ausgelegt. Die Ports 31.1 bis 31.4 sind über Leitungstücke mit den beiden 180°-Hybriden 33.1 und 33.2 verbunden, die jeweils gleiche Phasenverschiebung verursachen. Das Netzwerk 30 stellt sicher, dass die jeweils diagonal gegenüberliegenden Ports 180° phasenverschoben, das heisst, gegenphasig, angesteuert werden, wodurch die beiden übrigen Ports jeweils in einer virtuellen Kurzschlussebene liegen. Die Speisungseingänge 32.1 und 32.2 weisen damit eine hohe gegenseitige Entkopplung auf. Man erhält so eine besonders reine Polarisation der abgestrahlten Welle, beziehungsweise eine stark unterdrückte Kreuzpolarisations-Komponente. Es sind auch andere Ausführungsformen von 180°-Leistungsteilern zur Speisung der auf den Ecken eines Quadrates liegenden Speisungseingänge 31.1 bis 31.4 der Fig. 3A möglich, deren Streifenleitungs-Layout nach folgender verallgemeinerter Regel erfolgen kann, um grösstmögliche elektrische Symmetrie zu erzielen: Beispielsweise beginnt man mit der Festlegung eines Anschlusspunktes B auf der durch die Speisungseingänge 31.1 und 31.4 gegebenen Geraden. Unter Beachtung der Einhaltung gleicher elektrischer Leitungslänge zwischen dem Speiseeingang 31.1 und Anschlusspunkt B einerseits und dem Speisepunkt 31.3 und dem Anschlusspunkt C andererseits, kann die Lage des Anschlusspunktes C frei gewählt werden. Der dem Anschlusspunkt A des 180°-Hybrides in Fig. 3A entsprechende Netzwerk-Eingang kann beliebig positioniert sein. Das Streifenleitungs-Layout des zweiten 180°-Leistungsteilers erhält man nun durch zwei Spiegelabbildungen: im ersten Schritt spiegelt man das Layout des ersten 180°-Leistungsteilers an der Symmetrieachse, welche Speisepunkte 31.1 und 31.2 in die Speisepunkte 31.4 und 31.3 überführt. Im zweiten Schritt spiegelt man lediglich das Layout der Verbindungsleitung zwischen dem Speisepunkt 31.4 und Anschlusspunkt B des zweiten 180°-Leistungsteilers um die Achse 31.1 - 31.4.
Speist man nun den Speisungseingang 32.2 mit einem HF-Signal S2(t), so liegt an dem Port 31.3 ein Signal mit der Phasenlage 0° und an dem Port 31.1 ein Signal mit der Phasenlage 180° an. Mit dem gezeigten Netzwerk 30 kann man also aus einem HF-Signal S2(t) ein Gegentaktsignal erzeugen. Das Strahlelement baut bei der beschriebenen Speisung eine +45° Slant Polarisierung auf. Alternativ erzeugt die alleinige Speisung des Speisungseingang 32.1 am Strahlelement eine -45° Slant Polarisierung.
Speist man nun zum Beispiel den Speisungseingang 32.1 mit einem HF-Signal S1(t) und den Speisungseingang 32.2 mit einem HF-Signal S2(t), die beide zueinander gleichphasig sind, so liegt an dem Tor 31.2 ein Signal mit der Phasenlage 0°, an dem Tor 31.3 ein Signal mit der Phasenlage 0°, an dem Tor 31.4 ein Signal mit der Phasenlage 180° und an dem Tor 31.1 ein Signal mit der Phasenlage 180°. Mit dem gezeigten Netzwerk 30 kann man also aus zwei HF-Signalen S1(t) und S2(t) jeweils eine gegenphasige Anregung erzeugen. Das Strahlelement baut bei der beschriebenen Speisung eine horizontale Polarisierung auf.
Steuert man die Speisungseingänge 32.1 und 32.2 gegenphasig an (d.h. S1(t) ist gegenüber S2(t) um 180° phasenverschoben), so baut sich eine vertikale Polarisierung auf.
Um eine zirkulare Polarisation zu erzielen, werden die beiden Speisungseingänge 32.1 und 32.2 so angesteuert, dass S1(t) gegenüber S2(t) um +90° oder -90° phasenverschoben ist. Darüber hinaus lassen sich elliptische Polarisationen erzeugen, wenn bei +90° oder - 90° Phasenverschiebung die Amplitude von S1(t) verschieden ist von der Amplitude von S2(t) oder / und die Phasenverschiebung von 0°, +90°, -90° und 180° abweicht.
Es ist ein Vorteil des beispielhaft gezeigten Netzwerkes, dass die Polarisationseigenschaften der Antenne ohne Änderung des Abstrahlelements nur durch eine geeignete Ansteuerung einstellbar sind. Je nach Speisung an den Speisungseingängen ist somit die Polarisierung der von dem Strahlelement abgestrahlten Signale beeinflussbar.
Die Ansteuerung des Strahlelements kann auch durch andere Versorgungsschaltungen, zum Beispiel (Kombinations-) Netzwerke und Verzögerungsleitungen, erfolgen. Die Versorgungsschaltung kann in planarer, koaxialer oder Hohlleiter-Leitungstechnik ausgeführt sein.
Die Versorgungsschaltung kann so ausgelegt sein, dass sie aus einem Signal (z.B. S1(t)) bis zu vier verschiedene Ansteuersignale zum Ansteuern des Abstrahlelements erzeugt.
Ein anderes Beispiel einer Versorgungsschaltung ist in Fig. 3B gezeigt. Die Versorgungsschaltung weist einen Speisungseingang 34 auf, dem ein Signal S1(t) zugeführt wird. Es folgt ein Teiler (Divider) 35, dessen erstes Ausgangssignal an einen Tor 37.4 angelegt wird. Das zweite Ausgangssignal des Teilers 35 wird über einen 180°-Phasenschieber 36 phasenverschoben und dann einem Tor 37.2 zugeführt. Die beiden Ports 37.1 und 37.3 liegen auf Masse. Die Versorgungsschaltung in Fig. 3B ermöglicht eine einzelne lineare Polarisierung.
Ein drittes Beispiel einer Versorgungsschaltung ist in Fig. 3C dargestellt. Die Versorgungsschaltung weist einen Speisungseingang 34 auf, dem ein Signal S1(t) zugeführt wird. Ein 180°-Hybrid 39 speist zwei Verbindungsleitungen 40a, 40b im Gegentakt. Verbindungsleitung 40a verbindet die benachbarten Tore 38.1 und 38.2, Verbindungsleitung 40b die benachbarten Tore 38.3 und 38.4. Vorzugsweise bestehen die Verbindungsleitungen 40a und 40b aus jeweils zwei gleichen, spiegelsymmetrisch zum Anschlusspunkt des 180°-Hybrides 39 angeordneten Armen und sind identisch.
Gemäss Erfindung kann die Umlaufstruktur eine beliebige Form aufweisen, welche die folgenden Bedingungen erfüllt:
  • Die Umlaufstruktur ist eine geschlossene Umlaufstruktur mit einander abwechselnden Einschnürungen und Ausbuchtungen.
  • Die Umlaufstruktur spannt eine imaginäre Fläche auf, die durch mindestens zwei Symmetrieebenen des Gussteils geschnitten wird.
  • Die Symmetrieebenen schneiden sich in einer gemeinsamen Schnittgerade, die in etwa senkrecht zum Reflektor verläuft.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Umlaufstruktur hat vier Flügelelemente, die symmetrisch angeordnet sind. Liegen die am weitesten voneinander entfernten Punkte (Ausbuchtungen) der Umlaufstruktur etwa eine halbe Wellenlänge auseinander, wirkt dieselbe wie zwei gekreuzte Dipolelemente. Vorzugsweise liegen die zwei Symmetrieebenen des Gussteiles senkrecht zueinander.
Jedes Dipolelement der gekreuzten Dipolantenne wird vorzugsweise symmetrisch gespeist.
Verschiedene regelmässige Umlaufstrukturen sind in den Figuren 4A bis 4D schematisch angedeutet, wobei anzumerken ist, dass es zahlreiche andere Formen gibt, die auch als Umlaufstruktur geeignet sind. Diese regelmässigen Umlaufstrukturen weisen vier Symmetrieebenen auf.
Weitere erfindungsgemässe Umlaufstrukturen, nunmehr mit drei Symmetrieebenen sind in Fig. 4E und 4F dargestellt. Die Umlaufstruktur von Fig. 4E besitzt drei Flügelelemente, welche um je 120° gegeneinander verdreht angeordnet sind. Werden an den drei Einschnürungen Signale gleicher Amplitude und mit 0°, 120° und 240° Phasenverschiebung eingespeist, erhält man rechts oder links zirkular polarisierte Abstrahlung. Fig. 4F zeigt eine ebenfalls zur Erzeugung zirkular polarisierter Abstrahlung geeignete Umlaufstruktur.
Verschiedene unregelmässige Umlaufstrukturen sind in den Figuren 5A und 5B schematisch angedeutet. Diese unregelmässigen Umlaufstrukturen weisen mindestens zwei Symmetrieebenen auf und werden bevorzugt mit einer Schaltung entsprechend Fig. 3C angesteuert. Eine weitere vorteilhafte Anwendung der Umlaufstrukturen in den Figuren 5A und 5B ist die vereinfachte Erzeugung zirkularer Polarisation durch Anlegen gegenphasiger Speisesignale an zwei einander gegenüberliegenden Einschnürungen.
Vorzugsweise wird die Umlaufstruktur so konzipiert, dass Flügelelemente vorhanden sind, die mindestens einen Resonanzkreis ergeben, der durch die Abstrahlung belastet ist.
Die Befestigungselemente sind vorzugsweise so ausgeführt, dass sich Transformatoren von den Anregungsimpedanzen auf die Resonatorimpedanzen ergeben.
Die als Transformator ausgebildeten Befestigungselemente weisen in einer vorteilhaften Auslegung einen so grossen Durchmesser auf, dass sie gegen die leitende Reflektorfläche eine störende kapazitive Belastung darstellen. Um die kapazitive Belastung der Ansteuerungsschaltung zu reduzieren, können zum Beispiel Befestigungselemente eingesetzt werden, die sich zum Reflektor hin so verjüngen, dass sich eine induktive Anfangsstufe ergibt. Ein Beispiel eines solchen Befestigungselements ist in Fig. 6 in einer schematischen Seitenansicht gezeigt. Es ist ein Befestigungselement gezeigt, das einen ersten zylindrischen Bereich 62 aufweist, der einen ersten Durchmesser hat. Am unteren Ende des ersten Bereichs 62 ist ein zweiter zylindrischen Bereich 61 vorgesehen dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des ersten Bereichs 62. Der erste Bereich muss nicht zwingender weise zentrisch zu dem zweiten Bereich angeordnet sein. Das gezeigte Befestigungselement ist so ausgeführt, das es nach dem Giessen des Formteils leicht entformbar ist.
Gemäss Erfindung wird die Abstrahlcharakteristik im Wesentlichen durch den Abstand des Strahlelements gegenüber dem Reflektor bestimmt. Als Abstand des Strahlelements gegenüber dem Reflektor wird vorzugsweise zwischen 1/10 und 1/3 der abgestrahlten Wellenlänge in Luft gewählt.
Gemäss Erfindung kann eine metallische Schirmanordnung vorgesehen werden, die ganz, teilweise oder gar nicht mit der leitenden Reflektorfläche verbunden ist. Die Schirmanordnung weist vorzugsweise die gleichen Symmetrieebenen auf wie das durch sie umgebene Strahlelement. Sie kann einstückig sein oder unter Beachtung der Symmetrieebenen aus einer entsprechenden Anzahl einzelner Elemente aufgebaut sein. Eine besonders vorteilhafte Anordnung besteht aus einer umlaufenden elektrisch leitenden Wand, welche je nach gewünschter Strahlbündelung unterhalb oder auch oberhalb des am weitesten von der Reflektorfläche 23 abgewandten Punktes des Strahlelementes endet. Die Schirmanordnung kann darüber hinaus eingesetzt werden, um die gegenseitige Verkopplung zwischen benachbarten Strahlelementen in einer Gruppenantenne zu reduzieren.
Eine Gruppenantenne gemäss Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mehrere Antennen in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Eine beispielhafte Gruppenantenne 70 ist in Fig. 7 gezeigt. Die Gruppenantenne 70 umfasst zwei Spalten mit je drei Antennen 71. Die Strahlelemente der Antennen 71 sind in dem gezeigten Beispiel um 45 Grad gedreht angeordnet. Die Strahlelemente können aber auch jede andere Orientierung einnehmen. Darüber hinaus kann es erforderlich oder sinnvoll sein, den horizontalen Abstand zwischen den einzelnen Antennen anders als den vertikalen Abstand zu wählen. Hinter den Stahlelementen ist eine Reflektorfläche 73 angeordnet. Es ist eine Versorgungsmatrix (nicht in Fig. 7 sichtbar) vorhanden, die es erlaubt die Antennen zeilen- und/oder spaltenweise zusammenzufassen. Vorzugsweise umfasst jede Antenne 71 ein Strahlelement und eine individuelle Versorgungsschaltung. Die genannte Versorgungsmatrix stellt dann die notwendigen Verbindungen zwischen Gesamteingängen der Gruppenantenne und den Speisungseingängen der Versorgungsschaltungen her. Die Versorgungsmatrix, die Versorgungsschaltung und das Speisungssignal ist in dem gezeigten Beispiel so ausgelegt, dass sich eine lineare Polarisierung in vertikaler Richtung ergibt, wie durch die E-Felder angedeutet.
Die beschriebenen und gezeigten Antennen eignen sich besonders für den Betrieb im Gigahertz-Frequenzbereich, wobei die Speisungseingänge mit Signalen beaufschlagt werden, die eine Mittenfrequenz aufweisen, die grösser als 1 GHz ist. Besonders geeignet sind die Antennen für Mobilfunk- und andere Kommunikationssysteme. Als obere Frequenzgrenze kann etwa 25 GHz gelten, wo der Durchmesser der erfindungsgemässen Strahlelemente etwa 5 Millimeter annimmt und der Abstand zwischen der Umlaufstruktur und der Reflektorebene kleiner als 3 Millimeter werden kann. Im Bereich zwischen etwa 10 GHz und 25 GHz bietet sich die Auslegung der Strahlelemente als SMD (Surface Mounted Device) an, welche unter Vermeidung von Durchkontaktierungen direkt auf eine die Versorgungsschaltungen tragende dielektrische Platte aufgelötet sind. Die unteren Enden 16 der Befestigungselemente 12.1 bis 12.4 sind dafür vorzugsweise mit einer leicht vom verwendeten Lot benetzbaren galvanischen Oberfläche versehen, wohingegen die restliche dreidimensionale Struktur des Strahlelementes vorzugsweise durch eine lotabweisende Schicht bedeckt ist. Diese kann zum Beispiel durch Tauchlackieren, Plasmabeschichtung mit einer dielektrischen Schicht oder durch selektives Abscheiden eines nicht vom verwendeten Lot benetzbaren Metalls erzeugt werden. Die Reflektorfläche wird vorzugsweise durch eine grossflächige leitende Schicht auf der den Strahlelementen abgewandten Seite der dielektrischen Platte gebildet. Eine besonders vorteilhafte Methode zur Lotmontage ist die Verwendung von Lotkugeln geringer mechanischer Toleranzen, welche bei fachgerechter, aus der Ball Grid Array (BGA) Technik bekannter Dimensionierung eine zuverlässige Selbstzentrierung des Strahlelementes bewirken.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass die Strahlelemente in grosser Stückzahl herstellbar sind, wobei eine grosse Formtreue gewährt wird. Der Begriff Formtreue drückt aus, dass eine toleranzarme Abbildung der Werkzeugkavität durch das Formteil erzielt werden kann. Die vorteilhafte einstückige Ausführung des das Strahlelement bildenden Gussteils garantiert insbesondere die genaue Einhaltung der zur Erzielung einer hohen Kreuzpolarisations-Entkopplung notwendigen Spiegelsymmetrien. Wird das Strahlelement aus mehreren (vorzugsweise identischen) Teilen zusammengesetzt, ist diese Eigenschaft auf Grund der Montagetoleranzen schwerer zu erzielen. Typischerweise ist das Gewicht eines Abstrahlelements sehr gering. Je nach Material und Frequenzbereich kann ein Gewicht erzielt werden, dass für die Anwendung bei Mobilfunkfrequenzen unterhalb von 20g liegt.
Die beschriebenen Einzel - und Gruppenantennen sind sehr kompakt. Falls die Versorgungsschaltung auf dem Reflektor vorgesehen wird, reduziert sich der Beschaltungsaufwand erheblich.

Claims (16)

  1. Antenne (10; 20; 70) mit einem Strahlelement, das vor einem leitenden Reflektor (13; 23; 73) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlelement ein drei-dimensionales Gussteil umfasst,
    das mindestens zwei Symmetrieebene (15.1, 15.3) aufweist,
    das leitend ausgeführt ist und eine geschlossene Umlaufstruktur (11; 21; 71) mit einander abwechselnden Einschnürungen und Ausbuchtungen aufweist, wobei die Umlaufstruktur (11; 21; 71) eine imaginäre Fläche (14) aufspannt, die von den mindestens zwei Symmetrieebenen (15.1, 15.3) geschnitten wird, und
    das mindestens zwei Befestigungselemente (12.1 bis 12.4) aufweist, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der imaginären Fläche (14) erstrecken und an Punkten, die auf mindestens einer der Symmetrieebenen (15.1, 15.3) liegen die Umlaufstruktur (11; 21; 71) tragen und an deren Enden (16) mit dem Reflektor (13) verbunden sind, wobei mindestens eines der zwei Befestigungselemente (12.1, 12.2) zum elektrischen Anregen des Strahlelements dient.
  2. Antenne nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (13; 23; 73) eine ebene Fläche umfasst, die eine leitende Seite (17.2) hat, die zu dem Gussteil hingewandt ist.
  3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass sich die durch die Umlaufstruktur (11; 21; 71) aufgespannt imaginäre Fläche (14) im Wesentlichen parallel zu dem Reflektor (13; 23; 73) erstreckt.
  4. Antenne nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Umlaufstruktur (11; 21; 71) aufgespannt imaginäre Fläche (14) eben oder gekrümmt ist.
  5. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil ein Kunststoffgussteil ist, das ganz oder teilweise mit einer leitenden Schicht versehen ist, oder dass das Gussteil ein metallisiertes Kunststoffspritzgussteil ist.
  6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil ein Metallgussteil ist.
  7. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (13; 23; 73) auf der Seite (17.1), die von dem Gussteil abgewandt ist eine Versorgungsschaltung (30) aufweist.
  8. Antenne nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsschaltung ein Netzwerk umfasst, um zwei Speisungseingänge mit den zwei Befestigungselementen (12.1, 12.2) so zu verbinden, dass diese gegenphasig ansteuerbar sind.
  9. Antenne nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsschaltung so ausgelegt ist, dass je nach Speisung an den Speisungseingängen die Polarisierung der von dem Strahlelement abgestrahlten Signale beeinflussbar ist.
  10. Antenne nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsschaltung aus zwei jeweils benachbarte Befestigungselemente (22.1, 22.2 bzw. 22.4, 22.3 oder 22.1, 22.4 bzw. 22.2, 22.3) verbindenden inphase Leistungsteilern besteht, welche ihrerseits durch ein Symmetrierglied (33.1, 33.2) gegenphasig ansteuerbar sind.
  11. Antenne nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsschaltung in planarer, koaxialer oder Hohlleiter-Leitungstechnik auf der Seite (17.1) ausgeführt ist.
  12. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil durch eine Schirmanordnung umgeben ist, die vorzugsweise metallisiert ist.
  13. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Befestigungselement in der Zylinderfläche eines imaginäre Zylinders (9) liegen, dessen Zylinderlängsachse (8) senkrecht auf dem leitenden Reflektor (13; 23; 73) steht.
  14. Gruppenantenne mit mehreren Antennen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen in Zeilen und Spalten angeordnet sind und eine Versorgungsmatrix vorhanden ist, durch welche die Antennen zeilen- und/oder spaltenweise zusammenfassbar sind.
  15. Gruppenantenne nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Antennen eine Versorgungsschaltung mit Speisungseingängen aufweist.
  16. Gruppenantenne nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Versorgungsmatrix Verbindungen zwischen Gesamteingängen der Gruppenantenne und den Speisungseingängen der Versorgungsschaltungen herstellbar sind.
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