EP4622000A1 - Schaltbare breitbandantenne - Google Patents

Schaltbare breitbandantenne

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Publication number
EP4622000A1
EP4622000A1 EP24165238.7A EP24165238A EP4622000A1 EP 4622000 A1 EP4622000 A1 EP 4622000A1 EP 24165238 A EP24165238 A EP 24165238A EP 4622000 A1 EP4622000 A1 EP 4622000A1
Authority
EP
European Patent Office
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antenna
circuit
divider
divider circuit
electronically controllable
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24165238.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lukas Walter Mayer
Andreas DEMMER
Leopold Resel
Martin Schiefer
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.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Priority to CN202510325016.8A priority patent/CN120691113A/zh
Priority to US19/083,618 priority patent/US20250300370A1/en
Publication of EP4622000A1 publication Critical patent/EP4622000A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
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    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
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    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
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    • H01Q3/24—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the orientation by switching energy from one active radiating element to another, e.g. for beam switching
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    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/307—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way
    • H01Q5/314—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way using frequency dependent circuits or components, e.g. trap circuits or capacitors
    • H01Q5/335—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way using frequency dependent circuits or components, e.g. trap circuits or capacitors at the feed, e.g. for impedance matching
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    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/50—Feeding or matching arrangements for broad-band or multi-band operation

Definitions

  • the invention relates to a switchable broadband antenna.
  • Such broadband data transmissions should be well adapted to a wide variety of applications and have a switchable antenna directional characteristic in order to achieve optimal adaptation of an application to an environment.
  • an antenna should be integrable, i.e. it should not have any external antennas and should be easy to manufacture.
  • broadband antennas have a fixed directional characteristic, whereby the directional characteristic can be switched between different antennas (antenna diversity).
  • the antenna to achieve a very broadband response in the frequency range, for example 4 - 7 GHz, and to switch the dipoles to obtain an adjustable antenna characteristic.
  • the two dipole antenna elements are arranged at a distance of approximately half the wavelength or an integer multiple of half the wavelength of the input signal from each other.
  • the directional characteristic can be switched automatically, i.e. adaptively.
  • the existing polarization modes can increase diversity compared to separate antennas.
  • Switchable directional characteristics are particularly advantageous for different applications.
  • the directional characteristic can be adjusted only after the antenna has been installed, thus facilitating operation and maintenance and offering a high degree of diversity.
  • signals can be generated with at least two such groups that offer a high degree of polarization and spatial diversity.
  • an electronically controllable impedance for example, a PIN diode, a varactor diode, a field-effect transistor or a MEMS (microelectromechanical system, for example a high-frequency switch) with a corresponding circuit can be used.
  • a PIN diode for example, a PIN diode, a varactor diode, a field-effect transistor or a MEMS (microelectromechanical system, for example a high-frequency switch) with a corresponding circuit
  • MEMS microelectromechanical system, for example a high-frequency switch
  • the two electronically controllable impedances each switch between at least two predetermined reflection states of the controllable impedance with respective, different reflection factors using the control voltages provided by the control circuit.
  • the respective control voltage is directly related to the desired impedance, which is used to set a respective reflection factor at the location of the controllable impedance on the line.
  • the reflection factors on both divider lines serve to control the dipole antenna accordingly and thus obtain an adjustable antenna characteristic.
  • the respective required control voltage is predetermined in connection with the respective controllable impedance implemented and optionally with a necessary circuit for controlling the selected controllable impedance, which is included in the control circuit.
  • reflection factor or reflection coefficient is the amplitude ratio between reflected and incident wave at the transition to another propagation medium, such as a change in the characteristic impedance in a line, or at a disturbance point, which can be formed by the controllable impedance.
  • the reflection factors of the respective controllable impedance can also be in a range between "-1" and "+1", which represent a short circuit or an open circuit, in order to ensure that the reflections of the signal in the divider lines overlap constructively or destructively.
  • a reflection factor of "-1" corresponds to a short circuit, i.e. a total reflection with a phase inversion at the short-circuited end of a line.
  • a reflection factor of "+1" corresponds to an open circuit, i.e. a total reflection without phase inversion at the open end of a line.
  • a reflection factor of "0" corresponds to an ideal match to the characteristic impedance of the line, so no reflection occurs.
  • more than two predetermined reflection factors can also be set, such as three, four or more predetermined reflection factors.
  • a "logical" state for the controllable impedance corresponds to a predetermined reflection state or reflection factor of the controllable impedance, which includes a reflection magnitude and a reflection phase value.
  • controllable reflection factor can be approximately the same in magnitude and preferably have a magnitude greater than 0.5.
  • a "counter-rotating arrangement" of PIN diodes as electronically controllable impedances means that the two reflection factors of the electronically controllable impedances differ by the sign, thus causing a reflection in the signals fed into the two divider lines with a difference of 180° compared to the respective other signal of the other divider line, in order to achieve that the reflections of the signal in the two divider lines respectively overlap constructively or destructively.
  • signals fed into the two divider lines are reflected in opposite directions at the electronically controllable impedances, which can be achieved with oppositely modulated reflection factors of the electronically controllable impedances in the respective divider lines.
  • the control circuit provides, for example, predefined control voltages to the respective electronically controllable impedance, which configure the electronically controllable impedance so that a predetermined reflection factor is set, for example "-1" and "+1".
  • the divider circuit is realized on a circuit carrier with a first side and a second side, and the two divider lines are arranged on the first side and the common reference surface on the second side.
  • a conventional circuit carrier material for a double-sided printed circuit board such as FR4 can be used.
  • the dipole antenna elements are also arranged on the circuit carrier of the divider circuit.
  • the dipole antenna elements are arranged on the second side of the circuit carrier in the respective antenna path.
  • the dipole antenna elements are connected to the reference surface of the divider circuit.
  • the reference surface of the divider circuit has an electrically non-conductive separating strip which extends between the output points of the two divider lines towards the input point.
  • a feed circuit for feeding and controlling the two electronically controllable impedances of the control circuit is inserted into the respective antenna path.
  • the feed circuit in the divider circuit is inserted before the feed point in the respective antenna path.
  • the output points of the divider circuit are each connected to the dipole antenna element via an ohmic resistor.
  • AE antenna paths connected in parallel with respect to the antenna feed point are arranged, each with a matching circuit (AS), a divider circuit (TS), a control circuit (SS) and a dipole antenna element (DP).
  • AS matching circuit
  • TS divider circuit
  • SS control circuit
  • DP dipole antenna element
  • Fig. 1 shows a circuit with a switchable broadband antenna ANT according to the invention.
  • the antenna ANT has an antenna feed point SP for feeding in an input signal, for example in the form of a corresponding radio frequency connector.
  • the antenna paths AE each have a matching circuit AS, a divider circuit TS, a control circuit SS and a dipole antenna element DP.
  • Two dipole antenna elements are arranged in a first polarization direction and at a distance of approximately an integer multiple of half the wavelength of the input signal from each other.
  • the other two dipole antenna elements are arranged in a second polarization direction, which is aligned normal to the first polarization direction, and at a distance of approximately an integer multiple of half the wavelength of the input signal from each other.
  • the dipole antenna DP has differential feed points on its antenna elements.
  • the electronically controllable impedances D1, D2 in the form of PIN diodes activate one of the two signal paths of the divider circuit TS and deactivate the other.
  • two electronically controllable impedances are used, one or the other of which is activated and switched as a short circuit.
  • one of the signal paths i.e. the respective divider line TL1, TL2, is deactivated by line transformations starting from the activated PIN diode D1, D2 generating suitable impedances at the node point and at the respective side of the differential antenna feed point.
  • the optimal parameters of the signal paths depend on the impedance of the antenna feed point and the desired input impedance at the node.
  • the activated path then carries the signal from the node to the other side of the differential feed point, unaffected by the deactivated path.
  • the respective matching circuit AS is configured to produce an impedance match for the input signal between the antenna feed point SP and the divider circuit TS.
  • the respective divider circuit TS has two divider lines TL1, TL2 between an input point EP and two output points AP1, AP2 of the divider circuit TS with a common reference surface BF.
  • the divider circuit TS is further configured to symmetrically divide a signal provided to the input point EP via the matching circuit AS and to supply it to the respective output point AP1, AP2 of the divider circuit TS, which is connected to the respective dipole antenna element DP.
  • the two output points AP1, AP2 of the divider circuit TS are connected by a connecting line TV, creating a signal divider.
  • the control circuit SS has two electronically controllable impedances D1, D2, wherein one of the two divider lines TL1, TL2 of the divider circuit TS is connected to the reference surface BF of the divider circuit TS via one of the two electronically controllable impedances D1, D2.
  • the two PIN diodes D1, D2 are arranged in opposite directions.
  • the control circuit SS is configured to provide a control DC voltage SS to the respective electronically controllable impedances D1, D2 in order to switch the signal provided by the matching circuit AS and thus to control the antenna characteristic of the switchable broadband antenna ANT.
  • the antenna ANT has four antenna paths AE which are connected in parallel.
  • the divider circuit TS is realized on a circuit carrier with a first side and a second side, for example FR4.
  • the two divider lines TL1, TL2 are arranged on the first side and the common reference surface BF is arranged on the second side.
  • the dipole antenna elements DP are also arranged on the circuit carrier of the divider circuit TS, namely on the second side of the circuit carrier, and the dipole antenna elements DP are connected to the reference surface BF of the divider circuit TS.
  • the reference surface BF of the divider circuit TS has an electrically non-conductive separating strip ST, i.e. a slot, which extends between the output
  • Points AP1, AP2 of the two divider lines TL1, TL2 to the input point EP are Points AP1, AP2 of the two divider lines TL1, TL2 to the input point EP.
  • a feed circuit ES for feeding and controlling the two electronically controllable impedances D1, D2 of the control circuit SS is inserted into the respective antenna path AE, in this example between the matching circuit AS and the divider circuit TS, i.e. before the feed point EP in the respective antenna path AE.
  • the output points AP1, AP2 of the divider circuit TS can each be connected to the dipole antenna element DP via an ohmic resistor.
  • Fig. 2 represents an equivalent circuit diagram for an antenna element of the antenna according to the invention.
  • An input signal is fed into the antenna feed point SP.
  • the matching circuit AS adjusts the impedances between the antenna feed point SP and the divider circuit TS accordingly and also takes into account a total of four antenna paths AE connected in parallel.
  • the matching circuit AS transforms the characteristic impedance of the divider circuit TS from 50 ohms to an amount of 200 ohms for a single antenna path AE.
  • the four antenna paths each with an input resistance of 200 ohms, are connected in parallel, which in turn results in an input resistance of 50 ohms for the antenna ANT at the antenna feed point SP.
  • the ES supply circuit enables the supply and control of the two electronically controllable impedances D1, D2 in the form of PIN diodes by means of a control voltage (bias).
  • the control voltage is provided by the control circuit SS in the form of a DC voltage.
  • the divider is formed by two divider lines TL1, TL2 and a connecting line TV between the input point EP and the output points AP1, AP2.
  • the dipole halves of the dipole DP are each connected to one of the output points AP1, AP2.
  • Fig. 3a shows a spatial representation of the antenna ANT with the antenna feed point SP.
  • Fig. 3b shows a spatial representation of the circuit carrier at the transition between an adaptation circuit AS and a feed-in circuit ES.
  • Fig. 3c shows a representation of simulated field strengths of the circuit carrier in the area of an antenna element.
  • Fig. 3d shows a representation of the divider circuit TS, comprising two electronically controllable impedances D1, D2 of the control circuit SS.
  • Each of the two divider lines TL1, TL2 of the divider circuit TS is connected to the reference surface BF of the divider circuit TS via one of the two electronically controllable impedances D1, D2.
  • the lines of the two divider lines TL1, TL2 are located on the first side of the circuit board, and the reference surface BF and the dipole DP are located on the second side of the circuit board.
  • the reference surface BF of the divider circuit TS has an electrically non-conductive separating strip ST, i.e. a slot.
  • the slot extends between the output points AP1, AP2 of the two divider lines TL1, TL2 to the input point EP.
  • the length of the slot can be only approximately the width of the dipole DP, or it can extend to the input point EP.
  • the two PIN diodes D1, D2 are each arranged in opposite directions with respect to the reference surface BF and are connected to it, for example with a through-hole.
  • Fig. 4a to Fig. 4d represent radiation patterns of the antenna in different radiation characteristics.
  • At least two such groups can generate signals that offer a high degree of polarization and spatial diversity.
  • Fig. 4a a narrow radiation characteristic of the antenna can be seen.
  • Fig. 4c The antenna's radiation pattern can be seen in the form of a horizontal stripe.
  • Fig. 4d The antenna's radiation pattern can be seen in the form of a vertical stripe.
  • the electronic switching of the directional characteristics and polarization modes makes it very easy to select the best antenna configuration, which can also be done after installation.
  • the result is a controllable antenna in a small design that can be easily integrated into radio products.
  • 5 GHz and 6 GHz WLAN Due to the high bandwidth, 5 GHz and 6 GHz WLAN, for example, can be covered with the same antenna.
  • Fig. 5a and Fig. 5b show passband diagrams of the antenna in different radiation configurations.
  • the desired frequency ranges for the target applications are also shown in the diagrams.
  • Fig. 5a The antenna's passband S-parameters can be seen in a stripe configuration.
  • the transmission S-parameters between a first antenna (first part of the index) with vertical stripe configurations V1, V2 or horizontal stripe configuration H1, H2, and a second antenna (second part of the index) with vertical stripe configurations V1, V2 or horizontal stripe configuration H1, H2 are shown.
  • Fig. 5b The antenna's passband S-parameters are visible in a narrow/wide configuration.
  • Fig. 6a and Fig. 6b show isolation diagrams of the antenna in different radiation configurations for an antenna bandwidth of approximately 4-7 GHz.
  • the transmission S-parameters between a first antenna (first part of the index) with vertical stripe configurations V1, V2 or horizontal stripe configuration H1, H2, and a second antenna (second part of the index) with vertical stripe configurations V1, V2 or horizontal stripe configuration H1, H2 are shown.
  • Fig. 7a and Fig. 7b show emitted power diagrams of the antenna in different radiation configurations for an antenna bandwidth of approximately 4-7 GHz.
  • Fig. 8a to Fig. 8f show radiation patterns of the antenna at different frequencies.
  • Fig. 8a shows a radiation field distribution at a frequency of 4 GHz.
  • Fig. 8b shows a radiation field distribution at a frequency of 5.1 GHz.
  • Fig. 8c shows a radiation field distribution at a frequency of 5.9 GHz.
  • Fig. 8d shows a radiation field distribution at a frequency of 6.5 GHz.
  • Fig. 8e shows a radiation field distribution at a frequency of 7.2 GHz.
  • Fig. 8f shows a radiation field distribution at a frequency of 7.5 GHz.
  • Fig. 9a and Fig. 9b show simulated field strength distributions of the antenna in different radiation configurations, in which two spatially distributed maxima (spatial diversity) and different radiation directions (pattern diversity) are recognizable.
  • Fig. 9c and Fig. 9d show simulated field strength distributions of the previous figures in an enlarged view, in which different polarizations (polarization diversity) can be seen, whereby the antennas have the same polarization or the opposite polarization (left hand circular polarization, LHCP for short, or right hand circular polarization, RHCP for short).
  • LHCP left hand circular polarization
  • RHCP right hand circular polarization

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Schaltbare Breitbandantenne (ANT) mit einem Antennen-Einspeisepunkt (SP) zur Einspeisung eines Eingangs-Signals, ferner umfassend vier bezüglich des Antennen-Einspeisepunkts parallelgeschaltete Antennenpfade (AE) mit jeweils einer Anpassungs-Schaltung (AS), einer Teiler-Schaltung (TS), einer Steuer-Schaltung (SS) und einem Dipol-Antennenelement (DP), wobei jeweils zwei Dipol-Antennenelemente in einer ersten Polarisationsrichtung angeordnet sind, und
- die jeweilige Anpassungs-Schaltung (AS) konfiguriert ist, zwischen dem Antennen-Einspeisepunkt (SP) und der Teiler-Schaltung (TS) eine Impedanz-Anpassung für das Eingangs-Signal herzustellen, und
- die jeweilige Teiler-Schaltung (TS) zwei Teiler-Leitungen (TL1, TL2) zwischen einem Eingangs-Punkt (EP) und zwei Ausgangs-Punkten (AP1, AP2) aufweist, und die Teiler-Schaltung (TS) ferner so konfiguriert ist, ein über die Anpassungs-Schaltung (AS) dem Eingangs-Punkt (EP) bereitgestelltes Signal symmetrisch zu teilen und dem jeweiligen Ausgangs-Punkt (AP1, AP2) der Teiler-Schaltung (TS) zuführen, welche mit dem jeweiligen Dipol-Antennenelement (DP) verbunden ist, und
- das Steuer-Schaltung (SS) zwei elektronisch steuerbare Impedanzen (D1, D2) aufweist, , wobei die beiden elektronisch steuerbaren Impedanzen (D1, D2) jeweils gegenläufig angeordnet sind, und die Steuer-Schaltung (SS) dazu eingerichtet ist, jeweilige Steuerspannungen den jeweiligen elektronisch steuerbaren Impedanzen (D1, D2) bereitzustellen, sodass unterschiedliche Reflexionsfaktoren zwischen den beiden elektronisch steuerbaren Impedanzen (D1, D2) eingestellt sind, um das durch die Anpassungs-Schaltung (AS) bereitgestellte Signal zu schalten und damit die Antennencharakteristik der schaltbaren Breitbandantenne (ANT) zu steuern.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein schaltbare Breitbandantenne.
  • Für den Mobilfunk der fünften oder sechsten Generation und WLAN der neuesten Generation sollen breitbandige Datenübertragungen unter Verwendung zahlreicher Frequenzbänder eingesetzt werden.
  • Dabei sollen derartige breitbandige Datenübertragungen für unterschiedlichste Anwendungen gut angepasst sein und eine umschaltbare Richtcharakteristik der Antenne aufweisen, um auch eine optimale Anpassung einer Anwendung an eine Umgebung zu erreichen.
  • Zusätzlich soll eine Antenne integrierbar sein, also keine externen Antennen aufweisen und einfach herzustellen sein.
  • All diese Anforderungen werden im Stand der Technik noch nicht von einer einzigen Antenne erfüllt.
  • Derzeit weisen breitbandige Antennen eine feste Richtcharakteristik auf, wobei die Richtcharakteristik zwischen unterschiedlichen Antennen umgeschaltet werden kann (engl. "antenna diversity").
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine breitbandige, in der Charakteristik umschaltbare Antenne bereitzustellen, welche einfach herzustellen und einfach zu integrieren ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine schaltbare Breitbandantenne mit einem Antennen-Einspeisepunkt zur Einspeisung eines Eingangs-Signals gelöst, ferner umfassend vier bezüglich des Antennen-Einspeisepunkts parallelgeschaltete Antennenpfade mit jeweils einer Anpassungs-Schaltung, einer Teiler-Schaltung, einer Steuer-Schaltung und einem Dipol-Antennenelement, wobei jeweils zwei Dipol-Antennenelemente in einer ersten Polarisationsrichtung angeordnet sind, und die weiteren zwei Dipol-Antennenelemente in einer zweiten Polarisationsrichtung, welche normal auf die erste Polarisationsrichtung normal ausgerichtet ist, angeordnet sind, und
    • die jeweilige Anpassungs-Schaltung konfiguriert ist, zwischen dem Antennen-Einspeisepunkt und der Teiler-Schaltung eine Impedanz-Anpassung für das Eingangs-Signal herzustellen, und
    • die jeweilige Teiler-Schaltung zwei Teiler-Leitungen zwischen einem Eingangs-Punkt und zwei Ausgangs-Punkten der Teiler-Schaltung mit einer gemeinsamen Bezugsfläche aufweist, und die Teiler-Schaltung ferner so konfiguriert ist, ein über die Anpassungs-Schaltung dem Eingangs-Punkt bereitgestelltes Signal symmetrisch zu teilen und dem jeweiligen Ausgangs-Punkt der Teiler-Schaltung zuführen, welche mit dem jeweiligen Dipol-Antennenelement verbunden ist, und
    • die Steuer-Schaltung zwei elektronisch steuerbare Impedanzen aufweist, für welche jeweils zumindest zwei vorbestimmte Reflexionsfaktoren einstellbar sind, wobei jeweils eine der beiden Teiler-Leitungen der Teiler-Schaltung mit der Bezugsfläche der Teiler-Schaltung über jeweils eine der beiden elektronisch steuerbaren Impedanzen verbunden sind, , und die Steuer-Schaltung dazu eingerichtet ist, jeweilige Steuerspannungen den jeweiligen elektronisch steuerbaren Impedanzen bereitzustellen, sodass unterschiedliche Reflexionsfaktoren zwischen den beiden elektronisch steuerbaren Impedanzen eingestellt sind, um das durch die Anpassungs-Schaltung bereitgestellte Signal zu schalten und damit die Antennencharakteristik der schaltbaren Breitbandantenne zu steuern.
  • Dadurch wird erreicht, dass die Antenne ein im Frequenzbereich sehr breitbandiges Verhalten erlangt, beispielsweise 4 - 7 GHz, sowie die Dipole schalten kann, um eine anpassbare Antennen-Charakteristik zu erhalten.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die jeweils zwei Dipol-Antennenelemente in einem Abstand von etwa der halben Wellenlänge oder eines ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge des Eingangs-Signals zueinander angeordnet sind.
  • Bei schwierigen Umgebungen kann die Umschaltung der Richtcharakteristik automatisch, das heißt adaptiv erfolgen.
  • Durch die vorhandenen Polarisationsmoden kann die Diversität im Vergleich zu separaten Antennen erhöht werden.
  • Umschaltbare Richtcharakteristiken sind für unterschiedliche Anwendungsfälle besonders vorteilhaft.
  • Darüber hinaus kann eine Anpassung der Richtcharakteristik erst nach einer Montage der Antenne erfolgen, und somit den Betrieb und die Wartung erleichtern, und ein hohes Maß an Diversität bieten.
  • Es können ferner mit zumindest zwei solcher Gruppen Signale erzeugt werden die ein hohes Maß an Polarisations-, und Raumdiversität bieten.
  • Als elektronisch steuerbare Impedanz kann beispielsweise eine PIN-Diode, eine Varactor-Diode, ein Feldeffekt-Transistor oder ein MEMS (mikroelektromechanisches System, beispielsweise eine Hochfrequenz-Schalter) mit einer entsprechenden Schaltung verwendet werden.
  • Die beiden elektronisch steuerbaren Impedanzen schalten jeweils zwischen zumindest zwei vorgegebenen Reflexions-Zuständen der steuerbaren Impedanz mit jeweiligen, unterschiedlichen Reflexionsfaktoren mithilfe der Steuerspannungen, welche von der Steuer-Schaltung bereitgestellt werden, um.
  • Die jeweilige Steuerspannung steht in direktem Verhältnis zu der gewünschten Impedanz, welche dazu verwendet werden, um einen jeweiligen Reflexionsfaktor am Ort der steuerbaren Impedanz auf der Leitung einzustellen.
  • Die Reflexionsfaktoren an beiden Teiler-Leitungen dienen dazu, die Dipol-Antenne entsprechend anzusteuern und dadurch eine einstellbare Antennencharakteristik zu erhalten.
  • Die jeweilig notwendige Steuerspannung ist in Zusammenhang mit der jeweilig realisierten steuerbaren Impedanz und optional mit einer notwendigen Schaltung zu Ansteuerung der gewählten steuerbaren Impedanz, welche von der Steuer-Schaltung umfasst ist, vorab festgelegt.
  • Der Begriff Reflexionsfaktor oder Reflexionskoeffizient das Amplitudenverhältnis zwischen reflektierter und einfallender Welle beim Übergang in ein anderes Ausbreitungsmedium, wie einem Wechsel des Wellenwiderstandes bei einer Leitung, oder an einer Störstelle, die durch die steuerbare Impedanz gebildet sein kann.
  • Die Reflexionsfaktoren der jeweiligen steuerbaren Impedanz können aber auch jeweils in einem Bereich zwischen "-1" und "+1" liegen, welche einen Kurzschluss oder einen Leerlauf repräsentieren, um zu erreichen, dass sich die Reflexionen des Signals in den Teiler-Leitungen konstruktiv oder destruktiv überlagern.
  • Ein Reflexionsfaktor von "-1" entspricht einem Kurzschluss, also einer Totalreflexion mit einer Phaseninvertierung am kurzgeschlossenen Ende einer Leitung.
  • Ein Reflexionsfaktor von "+1" entspricht einem Leerlauf, also einer Totalreflexion ohne Phaseninvertierung am offenen Ende einer Leitung.
  • Ein Reflexionsfaktor von "0" entspricht einer idealen Anpassung an den Wellenwiderstand der Leitung, also entsteht keine Reflexion.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können auch mehr als zwei vorbestimmte Reflexionsfaktoren einstellbar sein, wie drei, vier oder mehr vorbestimmte Reflexionsfaktoren.
  • Bei drei vorgegebenen Reflexions-Zuständen der steuerbaren Impedanz oder deren ReflexionsFaktoren kann beispielsweise zwischen den "logischen" Zuständen "-1", "0" und "+1" je steuerbarer Impedanz umgeschaltet werden.
  • Ein "logischer" Zustand für die steuerbare Impedanz entspricht jeweils einem vorgegebenen Reflexions-Zustand oder Reflexions-Faktor der steuerbaren Impedanz, welcher einen Reflexions-Betrag und einen Reflexions-Phasenwert umfasst.
  • Dies kann verwendet werden, um eine noch variabler einstellbare Antennencharakteristik zu erhalten.
  • Vorzugsweise liegt zwischen diesen beiden Reflexions-Zuständen im Betrag der Reflexionsfaktoren eine Distanz von größer Eins vor.
  • Dies kann auf einfache Weise erreicht werden, indem sich die beiden Reflexionsfaktoren der elektronisch steuerbaren Impedanzen beispielsweise um das Vorzeichen unterscheiden, wie ein Reflexionsfaktor von "-1" und "+1", also eine inverse Phase zwischen den elektronisch steuerbaren Impedanzen vorliegen.
  • Optional kann dabei der steuerbare Reflexionsfaktor im Betrag in etwa gleich groß sein, und bevorzugt einen Betrag von größer als 0.5 aufweisen.
  • Unter einer "gegenläufigen Anordnung" von PIN-Dioden als elektronisch steuerbare Impedanzen wird im vorliegenden Kontext verstanden, dass sich die beiden Reflexionsfaktoren der elektronisch steuerbaren Impedanzen um das Vorzeichen unterscheiden, also eine Reflexion bei den, in die zwei Teiler-Leitungen eingespeisten Signalen mit einem Unterschied von 180° gegenüber dem jeweils anderen Signal der jeweils anderen Teiler-Leitung bewirken, um zu erreichen, dass sich die Reflexionen des Signals in den beiden Teiler-Leitungen jeweils konstruktiv oder destruktiv überlagern.
  • Mit anderen Worten werden an den zwei Teiler-Leitungen eingespeiste Signale an den elektronisch steuerbaren Impedanzen gegenläufig reflektiert, was mit jeweils betragsmäßig entgegengesetzten Reflexionsfaktoren der elektronisch steuerbaren Impedanzen in den jeweiligen Teiler-Leitungen erreicht werden kann.
  • Durch die Steuer-Schaltung werden der jeweiligen elektronisch steuerbaren Impedanz beispielsweise vordefinierte Steuerspannungen bereitgestellt, welche die elektronisch steuerbare Impedanz so konfigurieren, dass ein vorbestimmter Reflexionsfaktor eingestellt ist, beispielweise "-1" und "+1".
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass im jeweiligen Antennenpfad die Teiler-Schaltung auf einem Schaltungsträger mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite realisiert ist, und die zwei Teiler-Leitungen auf der ersten Seite und die gemeinsame Bezugsfläche auf der zweiten Seite angeordnet sind.
  • Dadurch wird der Aufbau der Antenne erheblich vereinfacht.
  • Es kann ein herkömmliches Schaltungsträger-Material für eine doppelseitige Leiterplatte wie FR4 verwendet werden.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass im jeweiligen Antennenpfad die Dipol-Antennenelemente auch auf dem Schaltungsträger der Teiler-Schaltung angeordnet sind.
  • Dadurch wird der Aufbau der Antenne weiter vereinfacht.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass im jeweiligen Antennenpfad die Dipol-Antennenelemente auf der zweiten Seite des Schaltungsträgers angeordnet sind.
  • Dadurch wird der Aufbau der Antenne erheblich vereinfacht.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass im jeweiligen Antennenpfad die Dipol-Antennenelemente mit der Bezugsfläche der Teiler-Schaltung verbunden sind.
  • Dadurch wird der Aufbau der Antenne erheblich vereinfacht.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass im jeweiligen Antennenpfad die Bezugsfläche der Teiler-Schaltung einen elektrisch nicht-leitenden Trenn-Streifen aufweist, welcher sich ausgehend zwischen den Ausgangs-Punkten der zwei Teiler-Leitungen zum Eingangs-Punkt hin erstreckt.
  • Dadurch wird eine besonders hohe Symmetrie der Antenne erhalten, was sich positiv auf ein homogenes Antennen-Diagramm auswirkt.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Einspeise-Schaltung zum Einspeisen und Steuern der zwei elektronisch steuerbaren Impedanzen der Steuer-Schaltung in den jeweiligen Antennenpfad eingefügt ist.
  • Dadurch kann auf besonders einfache Weise die Steuer-Spannung zur Steuerung der elektronisch steuerbaren Impedanzen bereitgestellt werden.
  • Es ist klar, dass für die zwei verwendeten elektronisch steuerbaren Impedanzen jeweils unterschiedliche Steuerspannungen verwendet werden, je nachdem ob in Durchlassrichtung oder in Sperrrichtung betrieben, da die elektronisch steuerbaren Impedanzen mit unterschiedlicher Polarität betrieben werden (leitend bzw. sperrend).
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Einspeise-Schaltung in der Teiler-Schaltung vor dem Einspeise-Punkt in den jeweiligen Antennenpfad eingefügt ist.
  • Dadurch kann auf besonders einfache Weise die Steuer-Spannung zur Steuerung der elektronisch steuerbaren Impedanzen bereitgestellt werden.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass im jeweiligen Antennenpfad die Ausgangs-Punkte der Teiler-Schaltung mit dem Dipol-Antennenelement jeweils über einen Ohm'schen Widerstand verbunden sind.
  • Dadurch kann auf einfache Weise das Antennen-Diagramm zur Anpassung an eine Anwendung beeinflusst werden. Durch den Widerstand lässt sich somit erreichen, dass die Antenne besonders einfach an Anforderungen verschiedener Anwendungen anpassbar ist.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass mehr als vier bezüglich des Antennen-Einspeisepunkts parallelgeschaltete Antennenpfade (AE) mit jeweils einer Anpassungs-Schaltung (AS), einer Teiler-Schaltung (TS), einer Steuer-Schaltung (SS) und einem Dipol-Antennenelement (DP) angeordnet sind.
  • Dadurch kann eine noch flexibler steuerbare Antenne hinsichtlich der resultierenden Richtcharakteristik erhalten werden, da entsprechend mehr Antennenpfade individuell steuerbar sind.
  • Es wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen in
    • Fig. 1
    einen Schaltungsträger mit einer erfindungsgemäßen Antenne,
    Fig. 2
    ein Ersatzschaltbild für ein Antennen-Element der erfindungsgemäßen Antenne,
    Fig. 3a
    eine Darstellung mit einem Einspeisepunkt der Antenne,
    Fig. 3b
    eine Darstellung des Schaltungsträgers am Übergang zwischen einer Anpassungs-Schaltung und einer Einspeise-Schaltung,
    Fig. 3c
    eine Darstellung von simulierten Feldstärken des Schaltungsträgers im Bereich eines Antennen-Elements,
    Fig. 3d
    eine Darstellung einer Teiler-Schaltung,
    Fig. 4a bis 4d
    Strahlungsdiagramme der Antenne in verschiedenen Abstrahl-Charakteristiken,
    Fig. 5a und 5b
    Durchlass-Diagramme der Antenne in verschiedenen Abstrahl-Konfigurationen,
    Fig. 6a und 6b
    Isolations-Diagramme der Antenne in verschiedenen Abstrahl-Konfigurationen,
    Fig. 7a und 7b
    Emittierte Leistungs-Diagramme der Antenne in verschiedenen Abstrahl-Konfigurationen,
    Fig. 8a bis 8f
    Strahlungsdiagramme der Antenne bei verschiedenen Frequenzen,
    Fig. 9a und 9b
    simulierte Feldstärke-Verteilungen der Antenne in verschiedenen Abstrahl-Konfigurationen,
    Fig. 9c und 9d
    Detail-Vergrößerungen von simulierten Feldstärke-Verteilungen der vorhergehenden Figur.
  • Fig. 1 zeigt einen Schaltkreis mit einer erfindungsgemäßen schaltbare Breitbandantenne ANT.
  • Die Antenne ANT weist ein Antennen-Einspeisepunkt SP zur Einspeisung eines Eingangs-Signals auf, beispielsweise in Form eines entsprechenden Hochfrequenz-Steckers.
  • Ferner sind vier bezüglich des Antennen-Einspeisepunkts parallelgeschaltete Antennenpfade AE umfasst.
  • Die Antennenpfade AE weisen jeweils eine Anpassungs-Schaltung AS, eine Teiler-Schaltung TS, eine Steuer-Schaltung SS und ein Dipol-Antennenelement DP auf.
  • Jeweils zwei Dipol-Antennenelemente sind in einer ersten Polarisationsrichtung und in einem Abstand von etwa eines ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge des Eingangs-Signals zueinander angeordnet.
  • Die weiteren zwei Dipol-Antennenelemente sind in einer zweiten Polarisationsrichtung, welche normal auf die erste Polarisationsrichtung normal ausgerichtet ist, und in einem Abstand von etwa eines ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge des Eingangs-Signals zueinander angeordnet.
  • Die Dipol-Antenne DP weist an ihren Antennenelemente differentielle Speisepunkte auf.
  • Durch die elektronisch steuerbaren Impedanzen D1, D2 in Form von PIN-Dioden wird jeweils einer der beiden Signalpfade der Teiler-Schaltung TS aktiviert, und der andere deaktiviert.
  • Dadurch kann über die Richtung entschieden werden, mit der das Signal auf den differentiellen Speisepunkt der Antenne ANT geführt wird.
  • In einer Ausführungsform werden zwei elektronisch steuerbare Impedanzen eingesetzt, von denen die eine oder die andere aktiviert und als Kurzschluss geschaltet wird.
  • Im Wesentlichen wird dabei einer der Signalpfade, also die jeweilige Teiler-Leitung TL1, TL2 deaktiviert, indem Leitungstransformationen ausgehend von der aktivierten PIN-Diode D1, D2 geeignete Impedanzen am Knotenpunkt und an der jeweiligen Seite des differentiellen Antennen-Anspeisepunkts erzeugen.
  • Am Knotenpunkt wird diesseitig dabei eine leerlaufähnliche Impedanz erzeugt, am Antennen-Anspeisepunkt ist es eine kurzschlussähnliche Impedanz.
  • Die optimalen Parameter der Signalpfade, wie Impedanzen und Längen der Leitungssegmente hängen von der Impedanz des Speisepunktes der Antenne und der gewünschten Eingangsimpedanz am Knotenpunkt ab.
  • Der aktivierte Pfad bringt dann das Signal unbeeinflusst vom deaktivierten Pfad vom Knotenpunkt zur anderen Seite des differentiellen Speisepunktes.
  • Aufgrund der gewählten Position der Hochfrequenz-Schalter D1, D2 und der Leitungsparameter, kann eine extrem breitbandige Umschaltung der Polarität erzeugt werden Die jeweilige Anpassungs-Schaltung AS ist konfiguriert, zwischen dem Antennen-Einspeisepunkt SP und der Teiler-Schaltung TS eine Impedanz-Anpassung für das Eingangs-Signal herzustellen.
  • Die jeweilige Teiler-Schaltung TS weist zwei Teiler-Leitungen TL1, TL2 zwischen einem Eingangs-Punkt EP und zwei Ausgangs-Punkten AP1, AP2 der Teiler-Schaltung TS mit einer gemeinsamen Bezugsfläche BF auf.
  • Die Teiler-Schaltung TS ist ferner so konfiguriert, ein über die Anpassungs-Schaltung AS dem Eingangs-Punkt EP bereitgestelltes Signal symmetrisch zu teilen und dem jeweiligen Ausgangs-Punkt AP1, AP2 der Teiler-Schaltung TS zuführen, welche mit dem jeweiligen Dipol-Antennenelement DP verbunden ist.
  • Die beiden Ausgangs-Punkte AP1, AP2 der Teiler-Schaltung TS sind durch eine VerbindungsLeitung TV verbunden, wodurch ein Signal-Teiler entsteht.
  • Die Steuer-Schaltung SS weist zwei elektronisch steuerbare Impedanzen D1, D2 auf, wobei jeweils eine der beiden Teiler-Leitungen TL1, TL2 der Teiler-Schaltung TS mit der Bezugsfläche BF der Teiler-Schaltung TS über jeweils eine der beiden elektronisch steuerbaren Impedanzen D1, D2 verbunden sind.
  • Die beiden PIN-Dioden D1, D2 sind jeweils gegenläufig angeordnet.
  • Die Steuer-Schaltung SS ist dazu eingerichtet, eine Steuer-Gleichspannung SS den jeweiligen elektronisch steuerbaren Impedanzen D1, D2 bereitzustellen, um das durch die Anpassungs-Schaltung AS bereitgestellte Signal zu schalten und damit die Antennencharakteristik der schaltbaren Breitbandantenne ANT zu steuern.
  • Die Antenne ANT weist vier Antennenpfade AE auf, welche parallelgeschaltet sind.
  • Im jeweiligen Antennenpfad AE ist die Teiler-Schaltung TS auf einem Schaltungsträger mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite realisiert, beispielsweise FR4.
  • Die zwei Teiler-Leitungen TL1, TL2 sind auf der ersten Seite und die gemeinsame Bezugsfläche BF ist auf der zweiten Seite angeordnet.
  • Im jeweiligen Antennenpfad AE sind die Dipol-Antennenelemente DP auch auf dem Schaltungsträger der Teiler-Schaltung TS, nämlich auf der zweiten Seite des Schaltungsträgers angeordnet, und die Dipol-Antennenelemente DP sind mit der Bezugsfläche BF der Teiler-Schaltung TS verbunden.
  • Die Bezugsfläche BF der Teiler-Schaltung TS weist einen elektrisch nicht-leitenden Trenn-Streifen ST auf, also einen Schlitz, welcher sich ausgehend zwischen den Ausgangs-
  • Punkten AP1, AP2 der zwei Teiler-Leitungen TL1, TL2 bis zum Eingangs-Punkt EP hin erstreckt.
  • Ferner ist eine Einspeise-Schaltung ES zum Einspeisen und Steuern der zwei elektronisch steuerbaren Impedanzen D1, D2 der Steuer-Schaltung SS in den jeweiligen Antennenpfad AE eingefügt, in diesem Beispiel zwischen der Anpassungs-Schaltung AS und der Teiler-Schaltung TS, also vor dem Einspeise-Punkt EP in den jeweiligen Antennenpfad AE.
  • Optional können im jeweiligen Antennenpfad AE die Ausgangs-Punkte AP1, AP2 der Teiler-Schaltung TS mit dem Dipol-Antennenelement DP jeweils über einen Ohm'schen Widerstand verbunden sein.
  • Fig. 2 stellt ein Ersatzschaltbild für ein Antennen-Element der erfindungsgemäßen Antenne dar.
  • Ein Eingangs-Signal wird in den Antennen-Einspeisepunkt SP eingespeist.
  • Die Anpassungs-Schaltung AS passt die Impedanzen zwischen dem Antennen-Einspeisepunkt SP und der Teiler-Schaltung TS entsprechend an und berücksichtigt ferner insgesamt vier parallel geschaltete Antennenpfade AE.
  • Die Anpass-Schaltung AS transformiert dem Wellenwiderstand der Teiler-Schaltung TS von 50 Ohm auf einen Betrag von 200 Ohm für einen einzelnen Antennen-Pfad AE.
  • Die vier Antennen-Pfade mit je 200 Ohm Eingangswiderstand werden parallelgeschaltet, was wiederum zu einem Eingangswiderstand für die Antenne ANT im Antennen-Einspeisepunkt SP von 50 Ohm führt.
  • Mithilfe der Einspeise-Schaltung ES wird das Einspeisen und Steuern der zwei elektronisch steuerbaren Impedanzen D1, D2 in Form von PIN-Dioden durch eine Steuer-Spannung (engl. "bias") ermöglicht.
  • Die Steuer-Spannung wird von der Steuer-Schaltung SS in Form einer Gleichspannung bereitgestellt.
  • Der Teiler wird durch zwei Teiler-Leitungen TL1, TL2 und eine Verbindungsleitung TV zwischen dem Eingangs-Punkt EP und den Ausgangs-Punkten AP1, AP2 gebildet.
  • Die Dipol-Hälften des Dipols DP sind jeweils mit einem der Ausgangs-Punkte AP1, AP2 verbunden.
  • Fig. 3a zeigt eine räumliche Darstellung der Antenne ANT mit dem Antennen-Einspeisepunkt SP.
  • Fig. 3b zeigt eine räumliche Darstellung des Schaltungsträgers am Übergang zwischen einer Anpassungs-Schaltung AS und einer Einspeise-Schaltung ES.
  • Fig. 3c zeigt eine Darstellung von simulierten Feldstärken des Schaltungsträgers im Bereich eines Antennen-Elements.
  • Fig. 3d zeigt eine Darstellung der Teiler-Schaltung TS, umfassend zwei elektronisch steuerbare Impedanzen D1, D2 der das Steuer-Schaltung SS.
  • Jeweils eine der beiden Teiler-Leitungen TL1, TL2 der Teiler-Schaltung TS ist mit der Bezugsfläche BF der Teiler-Schaltung TS über jeweils eine der beiden elektronisch steuerbaren Impedanzen D1, D2 verbunden.
  • Die Leitungen der beiden Teiler-Leitungen TL1, TL2 befinden sich auf der ersten Seite des Schaltungsträgers, und die Bezugsfläche BF sowie der Dipol DP befinden sich auf der zweiten Seite des Schaltungsträgers.
  • Die Bezugsfläche BF der Teiler-Schaltung TS weist einen elektrisch nicht-leitenden Trenn-Streifen ST auf, also einen Schlitz.
  • Der Schlitz erstreckt sich ausgehend zwischen den Ausgangs-Punkten AP1, AP2 der zwei Teiler-Leitungen TL1, TL2 zum Eingangs-Punkt EP hin.
  • Je nach Ausführung kann die Länge des Schlitzes nur etwa die Breite des Dipols DP aufweisen, oder auch bis zum Eingangs-Punkt EP reichen.
  • Die beiden PIN-Diode D1, D2 sind jeweils gegenläufig bezüglich der Bezugsfläche BF angeordnet und mit dieser verbunden, etwa mit einer Durchkontaktierung.
  • Fig. 4a bis Fig. 4d stellen Strahlungsdiagramme der Antenne in verschiedenen Abstrahl-Charakteristiken dar.
  • Die Strahlungsdiagramme der Antenne zeigen die Elevation über den Azimut-Winkel, wobei vier Varianten für den jeweiligen Abstrahlwinkel einstellbar sind:
    • Breit im Azimut und Schmal in der Elevation
    • Schmal im Azimut und Breit in der Elevation
    • Schmal im Azimut und Schmal in der Elevation
    • Breit in Azimut und Elevation mit einer Nullstelle in der Normalachse der Dipole
  • Alle vier Varianten können in zwei Polarisationsmoden betrieben werden.
  • Diese Varianten decken einen weiten Bereich von Richtcharakteristiken ab, die für unterschiedliche Anwendungsfälle vorteilhaft sind.
  • Darüber hinaus können mit zumindest zwei solcher Gruppen Signale erzeugt werden die ein hohes Maß an Polarisations-, und Raumdiversität bieten.
  • Dies gilt für jede der vier einstellbaren Richtcharakteristiken. Hohe Diversität ist für moderne Funksysteme mit MIMO-Funktionalität entscheidend.
  • In Fig. 4a ist eine schmale Abstrahl-Charakteristik der Antenne erkennbar.
  • In Fig. 4b ist eine breite Abstrahl-Charakteristik der Antenne erkennbar.
  • In Fig. 4c ist eine Abstrahl-Charakteristik der Antenne in Form eines horizontalen Streifens erkennbar.
  • In Fig. 4d ist eine Abstrahl-Charakteristik der Antenne in Form eines vertikalen Streifens erkennbar.
  • Durch die elektronische Umschaltung der Richtcharakteristiken und Polarisationsmoden kann die beste Antennenkonfiguration sehr einfach ausgewählt werden, was auch nach der Montage erfolgen kann.
  • Es entsteht eine steuerbare Antenne in kleiner Bauform, welche gut in Funkprodukte integriert werden kann.
  • Aufgrund der hohen Bandbreite können z.B. 5 GHz und 6 GHz WLAN mit derselben Antenne abgedeckt werden.
  • Fig. 5a und Fig. 5b zeigen Durchlass-Diagramme der Antenne in verschiedenen Abstrahl-Konfigurationen.
  • Die gewünschten Frequenzbereiche für die Ziel-Anwendungen sind in den Diagrammen ebenfalls eingezeichnet.
  • In Fig. 5a sind Durchlass-S-Parameter der Antenne in einer Streifen-Konfiguration erkennbar.
  • Es sind die Durchgangs-S-Parameter zwischen einer ersten Antenne (erster Teil des Index) mit vertikalen Streifen-Konfigurationen V1, V2 oder horizontalen Streifen-Konfiguration H1, H2, und einer zweiten Antenne (zweiter Teil des Index) mit vertikalen Streifen-Konfigurationen V1, V2 oder horizontalen Streifen-Konfiguration H1, H2 dargestellt.
  • In Fig. 5b sind Durchlass-S-Parameter der Antenne in einer schmal/breit-Konfiguration erkennbar.
  • Es sind die Durchgangs-S-Parameter zwischen einer ersten Antenne (erster Teil des Index) mit schmaler Konfiguration N1, N2 oder breiter Konfiguration W1, W2, und einer zweiten Antenne (zweiter Teil des Index) mit schmaler Konfiguration N1, N2 oder breiter Konfiguration W1, W2.
  • Fig. 6a und Fig. 6b zeigen Isolations-Diagramme der Antenne in verschiedenen Abstrahl-Konfigurationen für eine Bandbreite der Antenne von etwa 4-7 GHz.
  • In Fig. 6a sind Isolations-S-Parameter der Antenne in einer Streifen-Konfiguration erkennbar.
  • Es sind die Durchgangs-S-Parameter zwischen einer ersten Antenne (erster Teil des Index) mit vertikalen Streifen-Konfigurationen V1, V2 oder horizontalen Streifen-Konfiguration H1, H2, und einer zweiten Antenne (zweiter Teil des Index) mit vertikalen Streifen-Konfigurationen V1, V2 oder horizontalen Streifen-Konfiguration H1, H2 dargestellt.
  • In Fig. 6b sind Isolations-S-Parameter der Antenne in einer schmal/breit-Konfiguration erkennbar.
  • Es sind die Durchgangs-S-Parameter zwischen einer ersten Antenne (erster Teil des Index) mit schmaler Konfiguration N1, N2 oder breiter Konfiguration W1, W2, und einer zweiten Antenne (zweiter Teil des Index) mit schmaler Konfiguration N1, N2 oder breiter Konfiguration W1, W2.
  • Fig. 7a und Fig. 7b zeigen emittierte Leistungs-Diagramme der Antenne in verschiedenen Abstrahl-Konfigurationen für eine Bandbreite der Antenne von etwa 4-7 GHz.
  • In Fig. 7a sind emittierte Leistungen der Antenne in einer schmal/breit- Konfiguration erkennbar.
  • Es sind die Leistungen für schmale Antennen-Charakteristiken N1, N2 und breite Antennen-Charakteristiken W1, W2 gezeigt.
  • In Fig. 7b sind emittierte Leistungen der Antenne in einer Streifen-Konfiguration erkennbar.
  • Es sind die Leistungen für vertikale Streifen-Konfigurationen V1, V2 und horizontale Streifen-Konfiguration H1, H2 gezeigt.
  • Fig. 8a bis Fig. 8f zeigen Strahlungsdiagramme der Antenne bei verschiedenen Frequenzen.
  • Fig. 8a zeigt eine Strahlungs-Feldverteilung bei einer Frequenz von 4 GHz.
  • Fig. 8b zeigt eine Strahlungs-Feldverteilung bei einer Frequenz von 5.1 GHz.
  • Fig. 8c zeigt eine Strahlungs-Feldverteilung bei einer Frequenz von 5.9 GHz.
  • Fig. 8d zeigt eine Strahlungs-Feldverteilung bei einer Frequenz von 6.5 GHz.
  • Fig. 8e zeigt eine Strahlungs-Feldverteilung bei einer Frequenz von 7.2 GHz.
  • Fig. 8f zeigt eine Strahlungs-Feldverteilung bei einer Frequenz von 7.5 GHz.
  • Fig. 9a und Fig. 9b zeigen simulierte Feldstärke-Verteilungen der Antenne in verschiedenen Abstrahl-Konfigurationen, bei welchen zwei räumlich verteile Maxima (engl. "spacial diversity") und verschiedene Abstrahlrichtungen (engl. "pattern diversity") erkennbar sind.
  • Fig. 9c und Fig. 9d zeigen simulierte Feldstärke-Verteilungen der vorhergehenden Figuren in vergrößerter Ansicht, bei welchen verschiedene Polarisationen (engl. "polarization diversity") erkennbar sind, wobei die Antennen dieselbe Polarisation oder die gegenläufige Polarisation (engl. "left hand circular polarization", kurz LHCP, oder engl. "right hand circular polarization", kurz RHCP) aufweisen.
  • Unabhängig vom grammatikalischen Geschlecht eines bestimmten Begriffes sind Personen mit männlicher, weiblicher oder anderer Geschlechteridentität mit umfasst.
    • Bezugszeichenliste
    • AZ Azimut
    • AE Antennen-Element, Antennen-Pfad
    • AP1, AP2 Ausgangs-Punkt der Teiler-Schaltung
    • AS Anpassungs-Schaltung
    • BF Bezugs-Fläche, Masse
    • C Kondensator
    • DP Dipol-Antennenelemente
    • EL Elevation
    • EP Eingangs-Punkt der Teiler-Schaltung
    • ES Einspeise-Schaltung
    • f Frequenz
    • L1, L2 Spule
    • P, P_N1, P_N2, P_W1, P_W2 abgestrahlte Leistung in Watt
    • SP Einspeisepunkt der Antenne
    • SS Steuer-Schaltung
    • TL1, TL2 Teiler-Leitung
    • TV Teiler-Verbindungsleitung
    • TS Teiler-Schaltung
    • S_V1V1, S_V2V2, S_H1H1, S_H2H2, S_N1N1, S_N2N2, SW1W1, S_W2W2, S_V1V1, S_V1H2, S_V1H1, S_V2H2, S_V2H1, S_H2H1, S_N2W2, S_N2N1, S_N1W1,S_W2N1, S_W2W1, S_N1W1
    • ST S-Parameter

Claims (10)

  1. Schaltbare Breitbandantenne (ANT) mit einem Antennen-Einspeisepunkt (SP) zur Einspeisung eines Eingangs-Signals, ferner umfassend vier bezüglich des Antennen-Einspeisepunkts parallelgeschaltete Antennenpfade (AE) mit jeweils einer Anpassungs-Schaltung (AS), einer Teiler-Schaltung (TS), einer Steuer-Schaltung (SS) und einem Dipol-Antennenelement (DP),
    wobei jeweils zwei Dipol-Antennenelemente in einer ersten Polarisationsrichtung angeordnet sind, und die weiteren zwei Dipol-Antennenelemente in einer zweiten Polarisationsrichtung, welche normal auf die erste Polarisationsrichtung normal ausgerichtet ist, angeordnet sind, und
    - die jeweilige Anpassungs-Schaltung (AS) konfiguriert ist, zwischen dem Antennen-Einspeisepunkt (SP) und der Teiler-Schaltung (TS) eine Impedanz-Anpassung für das Eingangs-Signal herzustellen, und
    - die jeweilige Teiler-Schaltung (TS) zwei Teiler-Leitungen (TL1, TL2) zwischen einem Eingangs-Punkt (EP) und zwei Ausgangs-Punkten (AP1, AP2) der Teiler-Schaltung (TS) mit einer gemeinsamen Bezugsfläche (BF) aufweist, und die Teiler-Schaltung (TS) ferner so konfiguriert ist, ein über die Anpassungs-Schaltung (AS) dem Eingangs-Punkt (EP) bereitgestelltes Signal symmetrisch zu teilen und dem jeweiligen Ausgangs-Punkt (AP1, AP2) der Teiler-Schaltung (TS) zuführen, welche mit dem jeweiligen Dipol-Antennenelement (DP) verbunden ist, und
    - das Steuer-Schaltung (SS) zwei elektronisch steuerbare Impedanzen (D1, D2) aufweist, für welche jeweils zumindest zwei vorbestimmte Reflexionsfaktoren einstellbar sind, wobei jeweils eine der beiden Teiler-Leitungen (TL1, TL2) der Teiler-Schaltung (TS) mit der Bezugsfläche (BF) der Teiler-Schaltung (TS) über jeweils eine der beiden elektronisch steuerbaren Impedanzen (D1, D2) verbunden sind, wobei die beiden elektronisch steuerbaren Impedanzen (D1, D2) jeweils gegenläufig angeordnet sind, und die Steuer-Schaltung (SS) dazu eingerichtet ist, jeweilige Steuerspannungen den jeweiligen elektronisch steuerbaren Impedanzen (D1, D2) bereitzustellen, sodass unterschiedliche Reflexionsfaktoren zwischen den beiden elektronisch steuerbaren Impedanzen (D1, D2) eingestellt sind, um das durch die Anpassungs-Schaltung (AS) bereitgestellte Signal zu schalten und damit die Antennencharakteristik der schaltbaren Breitbandantenne (ANT) zu steuern.
  2. Breitbandantenne (ANT) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei im jeweiligen Antennenpfad (AE) die Teiler-Schaltung (TS) auf einem Schaltungsträger mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite realisiert ist, und die zwei Teiler-Leitungen (TL1, TL2) auf der ersten Seite und die gemeinsame Bezugsfläche (BF) auf der zweiten Seite angeordnet sind.
  3. Breitbandantenne nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei im jeweiligen Antennenpfad (AE) die Dipol-Antennenelemente (DP) auch auf dem Schaltungsträger der Teiler-Schaltung (TS) angeordnet sind.
  4. Breitbandantenne nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei im jeweiligen Antennenpfad (AE) die Dipol-Antennenelemente (DP) auf der zweiten Seite des Schaltungsträgers angeordnet sind.
  5. Breitbandantenne nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei im jeweiligen Antennenpfad (AE) die Dipol-Antennenelemente (DP) mit der Bezugsfläche (BF) der Teiler-Schaltung (TS) verbunden sind.
  6. Breitbandantenne nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei im jeweiligen Antennenpfad (AE) die Bezugsfläche (BF) der Teiler-Schaltung (TS) einen elektrisch nicht-leitenden Trenn-Streifen (ST) aufweist, welcher sich ausgehend zwischen den Ausgangs-Punkten (AP1, AP2) der zwei Teiler-Leitungen (TL1, TL2) zum Eingangs-Punkt (EP) hin erstreckt.
  7. Breitbandantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Einspeise-Schaltung (ES) zum Einspeisen und Steuern der zwei elektronisch steuerbaren Impedanzen (D1, D2) der Steuer-Schaltung (SS) in den jeweiligen Antennenpfad (AE) eingefügt ist.
  8. Breitbandantenne nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Einspeise-Schaltung (ES) in der Teiler-Schaltung (TS) vor dem Einspeise-Punkt (EP) in den jeweiligen Antennenpfad (AE) eingefügt ist.
  9. Breitbandantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im jeweiligen Antennenpfad (AE) die Ausgangs-Punkte (AP1, AP2) der Teiler-Schaltung (TS) mit dem Dipol-Antennenelement (DP) jeweils über einen Ohm'schen Widerstand verbunden sind.
  10. Breitbandantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehr als vier bezüglich des Antennen-Einspeisepunkts parallelgeschaltete Antennenpfade (AE) mit jeweils einer Anpassungs-Schaltung (AS), einer Teiler-Schaltung (TS), einer Steuer-Schaltung (SS) und einem Dipol-Antennenelement (DP) angeordnet sind.
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PATRIOTIS MARIOS ET AL: "A Four-Element Antenna Array System With 15 Reconfigurable Radiation Patterns", IEEE ACCESS, IEEE, USA, vol. 9, 30 July 2021 (2021-07-30), pages 108579 - 108585, XP011871261, DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3101321 *

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