SE508356C2 - Antennanordningar - Google Patents

Description

l5 20 25 30 356 1900. Det finns givetvis också ett antal andra system i 900 MHz- bandet (och däromkring) sàväl som vid 1800 eller 1900 MHz och liknande som inte har nämnts explicit här. Med den senaste àtanke, fler utvecklingen i är det också uppenbart att ännu system kommer att utvecklas.

Emellertid har det varit nödvändigt med ett stort antal basstationsantenninstallationer för driften av cellulära mobilkommunikationssystem.

Basstationsantennanordningar mäste anordnas över hela det omràde som skall täckas av det cellulära kommunikationssystemet och hur dessa är anordnade beror bl a vilken kvalitet som krävs och den geografiska täckningen, distributionen av nmbila enheter osv. Eftersom radioutbredning beror väldigt mycket pà terräng och oregelbundheter i landskapet och städerna mäste basstationsantennanordningarna vara anordnade mer eller mindre tätt.

Emellertid har installationen av basstationsantenner gett upphov till protester bl a ur estetiska synpunkt både pà landet och i städerna. Redan installationerna av master med antenner för exempelvis 900 MHz-frekvensbandet har givit upphov till en massa diskussioner och protester. Installationen av ytterligare basstationsantennanordningar' för ett annat frekvensband. skulle orsaka ännu mera motstånd och den skulle verkligen i vissa fall olägenheter inte bara ur estetisk ge upphov till synpunkt.

Dessutom är konstruktionen av antennanordningar dyr.

Införandet av nya basstationsantennanordningar skulle väsentligt redan finns skulle underlättas om den infrastruktur som pà plats exempelvis för 900 MHz-frekvensbandet kunna användas.

Eftersom bàde system som opererar i det lägre liksom i det högre 10 l5 20 25 30 508 356 3 frekvensbandet dessutom kommer att användas parallellt, skulle det vara mycket attraktivt om antennerna för de olika frekvensbanden skulle kunna samexistera på samma master och speciellt använda (dela) samma antennapertur. Idag är åtskilliga exempel på microstripantennelement som har förmåga att arbeta i tvà olika frekvensband kända. Ett sätt att uppnå detta pä är att lägga patcher ovanpå varandra. Detta fungerar tillfredsställande om de olika frekvensbanden ligger nära varandra, exempelvis upp till en kvot på omkring 1,5 I.

Emellertid fungerar inte detta koncept när frekvensbanden är mindre nära varandra. Ett exempel därpå är ett i lager anordnat dubbelfrekvenspatchelement som innefattar ett jordplan, på vilket exempelvis en cirkulär eller en rektangulär lågfrekvens- patch är anordnad och ovanpå vilken en högfrekvens-patch av en liknande form är anordnad. I återigen en annan struktur, såsom exempelvis visad. i ”Dual band circularly' polarised microstrip array element” av A. Abdel Aziz et al, School of El. Engineering and Science Royal Military College of Science, Shrivenham, England, är ett stort lågfrekvenspatchelement anordnat i vilket ett antal fönster (fyra fönster) är anordnade. I dessa fönster är mindre patchelement anordnade. Fönstren stör inte påtagligt egenskaperna hos det större patchelementet. Genom denna anordning är det möjligt att använda en och samma antennanordning för två olika frekvensband vilka emellertid är separerade med en faktor fyra. Detta är en frekvensbandseparation som är alldeles för hög för att användas för de, idag, relevanta mobila kommunikationssystemen som arbetar vid omkring 900 MHz och 1800 (1900-1950) MHz.

Ytterligare en annan känd teknik använder periodiska strukturers frekvensselektiva natur. Det har visats att när ett lO l5 20 ?5 30 508 556 lågfrekvenspatchelement trycks som en rnaskledare eller som en perforerad skärm, kan den läggas ovanpå en annan gruppantenn som arbetar vid en högre frekvens, jämför exempelvis ”Superimposed dichroic microstrip antenna arrays” av J.Ri James et al, IEE Proceedings, Vol. 135, Pt. H, No. 5, Oct. 1988. Detta fungerar tillfredsställande för dubbelbandsdrift där banden är ännu mer separerade än i det föregående fallet och således med kvoter som överskrider 6:1. Dessutom visar US-A-5 001 493 en multipelavstämd fokalplans-gruppgitterantenn som ger samtidiga strålar med nmltipla frekvenser. Ett nætallisationsmönster ger en första uppsättning ledande sidor och en första längd och en andra uppsättning av ledande sidor som har en andra längd. Den första och den andra uppsättningen av ledande sidor matas separat för att ge första och andra samtidigt utsända strålar vid de första och andra arbetsfrekvenserna. Emellerthd är det inte heller här nöjligt att ha en frekvensbandsseparation som ligger på omkring två som således är användbar för sådana mobilkommunikationssystemen som hänvisats till ovan.

US-A-5 001 493 visar andra strälningselement som strålar på en mellanliggande andra frekvens som är 2.3 gånger en första frekvens och de tredje strålningselementen. strålar på en hög frekvens som är omkring 1.1 den andra frekvensen. Således är antennanordningen såsom visad i sagda dokument inte tillämpbar på mobilkommunikations-systemen som hänvisats till ovan eller i allmänhet när frekvensbandsseparationen är omkring en faktor två.

I gruppantenner är elementperiodiciteten mellan omkring 0.5 och 1 våglängd i. den fria rymden. Det mindre avståndet används i scannade gruppantenner. Antalet strälningselement i 1800/1900- MHz bandet kommer att vara dubbelt så många som i 900 MHz-bandet lO l5 20 25 30 508 356 om samma yta utnyttjas. Detta betyder att högfrekvensantennen kommer att ha mellan 3 och 6 dB vinst än ökade högre làgfrekvensantennen. Detta tar delvis ut den vägförlusterna vid högre frekvenser vilket fär täckningsomràdena att bli ungefär desamma för de tvà banden.

Diversitetsantennkonfigurationer används idag för att reducera fadningseffekter. Mottagningsdiversitet i basstationen uppnàs med tvà antenner som är separerade ett par meter ifràn varandra.

Idag används huvudsakligen vertikalt polariserade sändarantenner och mottagningsantenner. Polarisationsdiversitet är en annan väg att reducera fädningseffekter.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Vad som behövs är därför en antennanordning som kan användas för en frekvensbandsseparation pà omkring en faktor tvà eller speciellt ett antennstràlningselement som kan användas för en första och en andra frekvens, där frekvenserna skiljer sig àt ungefärligen en faktor tvä. Vad som behövs är speciellt en antennanordning och en basstationsantennanordning som kan användas för två frekvensband med en separationsfaktor pà mellan omkring 1.6 - 2.25.

Vad, som således speciellt behövs är en antennanordning eller speciellt en basstationsantennanordning som kan användas för cellulära mobiltelekommunikationssystem som arbetar i_ 900 MHz- bandet sàsonl NMT 900, (D)-AMPS, TACS, GSM, PDC osv. och ett annat mobilkommunikationssystem som arbetar i frekvensbandet pä omkring 1800 eller 1900 MHz sàsom exempelvis DCS 1800, PCS 1900 OSV. lO 15 20 30 (II G8 356 behövs en Specielltv vilken anordning genom antingen vertikalt/horisontalt polariserade antenner eller antenner som är polariserade i i45° kan tillhandahållas.

Vad som behövs är således en antennanordning eller en basstationsantennanordning där samma master kan användas för två olika system som arbetar i två olika frekvensband som skiljer sig àt omkring en faktor två, där speciellt masterna eller infrastrukturen som redan finns på plats kan användas för båda slagen av system och också för framtida system som arbetar i det ena eller det andra av de två frekvensbanden.

Speciellt behövs en dubbel-, eller en multifrekvensantenn- anordning som stödjer olika polarisationstillstànd. Speciellt behövs också sektorantennanordningar och multilob- gruppantennanordningar som åtminstone kombinerar att de arbetar vid åtminstone två olika frekvensband som skiljer sig åt ungefärligen med en faktor två, i en och samma anordning.

Därför anges en antennanordning som innefattar ett ledande jordplan, åtminstone ett antal första strålningselement som strålar vid den första frekvensen och ett antal andra strålningselement som strålar vid en andra frekvens, där till varje första stràlningselementet åtminstone en grupp av andra strålningselement är anordnade. De åtminstone första och andra strålningselementen är anordnade olika plan. De andra strålningselementen i en grupp är fördelaktigt symmetriskt anordnade i förhållande till motsvarande första strålningselement pà ett sådant sätt att varje andra strålningselement delvis överlappar motsvarande första strålningselement. Varje strålningselement, dvs första såväl som 10 l5 20 25 30 508 356 andra strålningselement, har åtminstone en effektiv resonansdimension och den effektiva resonansdimensionen för det första strålningselementet är väsentligen två gånger den effektiva resonansdimensionen för de andra stràlningselementen så att de andra strålningselementen strålar vid en frekvens eller i ett frekvensband som är ungefärligen två gànger den vid vilken det första strålningselementet strålar.

Fördelaktigt innefattar 'varje strålningselement en. patch gjord av ledande material. Enligt olika utföringsexempel finns ett luftlager anordnat mellan lagren av de första och andra strålningselementen och/eller nællan jordplanet och det lägsta lagret av strålningselement. Som ett alternativ till luft kan dielektriska lager användas. Ett sådant dielektriskt lager kan vara anordnat mellan de respektive lagren av strålningselement och det kan också vara anordnat mellan. det lägsta lagret av strålningselement och jordplanet. Jordplanet kan exempelvis beståi av ett Cu-lager. Fördelaktigt är åtminstone en resonansdimension för det första strålningselementet väsentligen hälften av våglängden som motsvarar en första frekvens och åtminstone en resonansdimension för ett andra strålningselement är ungefärligen hälften av våglängden som nmtsvarar den andra stràlningsfrekvensen. De första strålningselementen matas för att stråla vid den lägre frekvensen (eller i det lägre frekvensbandet) medan de andra strålningselementen matas för att stråla vid den högre frekvensen (i det högre frekvensbandet). Enligt olika utföringsexempel är de första ovanför eller under Båda frekvensstrålnings-elementen anordnade lagret med andra strålningselement. alternativen är möjliga. Dessutom kan enligt olika utföringsexempel stràlningselementen innefatta rektangulära patchar, kvadratiska lO l5 20 25 30 patchar eller cirkulära patchar. I allmänhet har bàde de första och de andra stràlningselementen i en antennanordning samma form men det är också möjligt att exempelvis ett första stràlningelement är kvadratiskt eller rektangulärt medan de andra stràlningselementen är cirkulära eller vice versa.

Emellertid föredras rektangulära patchar om bara en linjär polarisation användes även om uppfinningen inte är begränsad därtill. Å andra sidan används inte rektangulära patchar för dubbelpolarisationsfall.

För rektangulära patchar är det tillräckligt att en dimension är effektivt resonant, exempelvis längden pä rektangeln. Om kvadratiska stràlningselement används är det givetvis sidan pa patchen som är resonant och om cirkulära patchar används sä är det diametern som bildar den resonanta dimensionen. Fördelaktigt används kvadratiska patchar eller cirkulära patchar för dubbelpolarisationstillämpningar. Speciellt hänvisas därvid till linjär polarisation. Det är emellertid möjligt, såsom är känt i sig, att kombinera tvà linjära polarisationer till en eller tvà ortogonala cirkulära polarisationer. I ett annat alternativt utföringsexempel är resonansdimensionerna för strálnings- första respektive andra elementen roterade till de i de för de förhållande elementen beskrivna olika i föregående utföringsexemplen. Detta är tillämpligt för enkla sàväl som dubbla polarisationer. I ytterligare ett annat utföringsexempel är de första och de andra stràlningselementen, olika vridna i förhållande till varandra sä att polarisationen. för de första respektive de andra elementen inte sammanfaller. Denna form kan också tillämpas för enkel- såväl som dubbelpolarisationsfall. lO 15 20 25 30 Enligt ett utföringsexempel innefattar antennanordningen ett första stràlningselement och fyra andra stràlningselement och bildar således ett enkelt dubbelfrekvenspatchantennelement_ I ett alternativt utföringsexempel är emellertid ett antal första stràlningselement tillhandahàllna till vilka nmtsvarande andra stràlningselement är anordnade gruppvis för att bilda ett gruppgitter. I en grupp kan vilket som helst av elementen som beskrivits ovan användas. Elementen är i. ett utföringsexempel anordnade i rader och kolumner på ett sådant sätt' att resonansdimensionerna är parallella/ortogonala mot raderna/ kolumnerna. I ett annat utföringsexempel är elementen roterade så att de bildar en vinkel på ungefärligen 45° i förhållande till raderna/kolumnerna i vilka de är anordnade.

I åter ett annat utföringsexempel är två andra stràlningselement anordnade för varje första stràlningselement, vilka andra stràlningselement är anordnade motsatt varandra och delvis överlappande det första elementet. Detta är speciellt fördelaktigt för sektorantenner som innefattar en kolumn av sådana element.

Speciellt innefattar anordningen en dubbelfrekvens, dubbelpolariserad antenn eller ännu mera speciellt en multifrekvens, multipolariserad antenn.

Matningen av stràlningselementen. kan åstadkommas på ett antal olika sätt. Enligt ett utföringsexempel så kallad fördelaktigt tillämpas slitsmatning. Detta är speciellt när lågfrekvensstrålningselementen är anordnade ovanför högfrekvens- (mindre) stràlningselement. De andra strálningselementen 10 15 20 30 508 356 10 slitsmatas till då underifrån genom slitsar anordnade j. förhållande motsvarande stràlningselement i jordplanet. Genom detta utföringsexempel reduceras framställningskostnader och potentiella passiva intermodulations (PIM) källor. Givetvis matas det första stràlningselementet också via en slits anordnad centralt i förhållande därtill i jordplanet. Matningen som sådan åstadkommes av en första och en andra mikrostripledare som exciterar stràlningselementen genom respektive öppningar utan någon fysisk kontakt. I ett alternativt utföringsexempel används så kallad probmatning. Om högfrekvensstrálningselementen är anordnade ovanför lågfrekvensstràlningselementen nmtar proberna (här) de andra stràlningselementen exentriskt.

En basstationsantennanordning anges också vilken åtminstone innefattar ett antal första antenner avsedda för ett första mobiltelekommunikationssystem som arbetar i ett första frekvensband och ett antal andra antenner avsedda för ett andra z mobilkommunikationssystem som arbetar i. ett andra frekvensband som är ungefärligen tvà gånger det första frekvensbandet och där antennerna för det första och det andra systemet samexisterar på en och samma mast. Antennelementen eller stràlningselementen är av de slag som beskrivits i det föregående. Fördelaktigt är separationskvoten mellan frekvensbanden pà omkring 1.6 - 2.25 1.

Enligt olika utföringsexempel är antennerna sektorantenner eller multipel-lob-gruppantenner.

Det är en fördel med uppfinningen att den existerande infrastrukturen som redan finns för 900 MHz-frekvensbandet också kan användas för nya frekvensband som är omkring 1800 MHz eller 1900 MHz. Det är också en fördel med uppfinningen att antennelementen eller stràlningselementen är enkla och flexibla lO 15 20 25 30 ll och möjliggör en enkel matning osv. En speciell fördel är att samma slag av stràlningselement kan användas för båda frekvenserna, där bara storleken som ges av resonansdimensionerna skiljer sig àt. Det är ocksà en fördel att dubbelpolarisationstillstànd kan stödjas.

Emellertid är det också en fördel att inte bara dubbelavstämda, dubbelpolariserade antennanordningar kan àstadskommas utan också multipelavstàmda anordningar; dvs med fler än tvà frekvenser. Dä kan exempelvis ett annat lager av stràlningselement vara anordnat ovanför det översta lagret pá ett liknande sätt. Om exempelvis fyra andra stràlningselement är anordnade ovanför ett första stràlningselement, kan sexton tredje stràlningselement vara anordnade över de andra stràlningselementen som strålar i ett tredje frekvensband med en frekvens pà omkring dubbla den andra frekvensen.

KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas pà ett icke- begränsande sätt under hänvisning till bifogade figurer i vilka: Figur 1 är en vy från ovan av en dubbelavstâmd antennanordning som innefattar kvadratformade patchar, Figur lB är en schematiskt tvärssnittsvy av antennanordningen i figur 1A längs linjerna lB-lB, Figur 2A är en vy ovanifràn. av en alternativ' dubbel-avstämd antennanordning som innefattar kvadratformade patchar, l0 15 20 30 508 356 Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur 2B 3A 3B 4A 4B 12 är en schematiskt tvärsnittsvy av antennanordningen i figur 2A längs linjerna 2B-2B, är en vy ovanifràn av en dubbelavstämd antennanordning med rektangulära patchar, är en tvärsnittsvy' av' anordningen i figur“ 3A längs linjerna 3B-3B, är en 'vy ovanifrån av 'ytterligare en annan dubbel- avstämd antennanordning där patcharna är cirkulära, är en tvärsnittsvy av' anordningen i figur* 4A längs linjerna 4B-4B, är ytterligare ett annat exempel pä en antennanordning vid vilken de första och de andra stràlningselementen har olika former, är ett exempel pà en dubbelavstämd/dubbelpolarierad gruppantenn, är ett annat exempel pà en gruppantenn där resonansdimensionerna för de första och de andra strälningselementen bildar en vinkel pà 45° med varandra, är ytterligare ett annat utföringsexempel av en antenngrupp, lO 15 20 25 30 508 556 13 Figur 9 illustrerar schematiskt ett exempel pà slitsmatning av exempelvis stràlningselementen i figur 1A, Figur 10 visar schematiskt probmatning av stràlningselementen i figur 2A, Figur 11 är en tvärsnittsperspektivsvy som illustrerar slitsmatning av en anordning såsom illustrerad i figur lA, Figur 12 är en vy ovanifràn av innefattar jordplanet som matningsslitsar för ett enkelpolariserat fall, och Figur 13 är ett exempel pà en sektorantennanordning, Figur 14A är ett exempel på en slits enligt ett utföringsexempel för en dubbelpolarisation, och annat slits för en Figur 14B är ett exempel pà en dubbelpolariserad anordning.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Figur 1 visar ett första exempel pà en mikrostripantennanordning vid tvà olika frekvenser eller 10 som arbetar (tar emot/sänder) i tvà olika frekvensband. I figur 1A som är en vy ovanifràn av antennanordningen 10 är ett första stràlningselement 11 anordnat överst. Det första stràlningselementet 11 är här kvadratformat.

Under det första stràlningselementet är fyra andra stràlningselement 12, 13, 14, 15 anordnade. De andra stràlningselementen behöver givetvis inte vara anordnade pà ett centraliserat sätt under hörnen pà det första 10 15 20 25 30 508 356 14 strålningselementet. De kan också vara tätare anordnade ta (eller vice versa) i en eller båda riktningarna. Detta gäller också för de utföringsexempel som kommer att beskrivas nedan under hänvisning exempelvis till figurerna 3A, 4A, 5 osv. De första respektive de andra strålningselementen består speciellt av s k patchelement. Ett patchelement är en patch av ett ledande material, exempelvis Cu. De andra strålningselementen 12, 13, 14, 15 är symmetriskt anordnade i förhållande till det första strålningselementet och överlappar delvis det första strålningselementet 11. Avståndet mellan centrun\ på två andra strålningselement är ungefärligen 0.5-1 gånger våglängden i fria rymden motsvarande frekvensen för de andra strålningselementen.

Avståndet kan exempelvis motsvara 0.8 x våglängden. Mellan det första strålningselementet 11 och gruppen av andra strålningselement 12, 13, 14, 15 kan, det exempelvis vara ett luftlager. Alternativt kan ett dielektriskt lager vara anordnat mellan det första respektive de andra strålningselementen. Om det finns luft mellan de första och andra strålningselementen kan plasttappar eller liknande vara anordnade som distanselement (ej visade i figuren). Under de andra strålningselementen är ett ledande lager 16 anordnat. Detta illustreras på ett förenklat sätt i figur 1B soul är ett tvärsnitt längs linjerna 1B-1B i figur 1A. Enligt ett utföringsexempel är ett luftlager anordnat mellan de andra strålningselementen och det ledande lagret 16.

Alternativt är ett dielektriskt lager anordnat mellan de andra strålningselementen 12, 13, 14, 15 och det ledande lagret 16.

Det första respektive de andra strålningselementen energetiseras eller' matas separat för- att återutstràla (exciteras) energin eller för att samtidigt sända ut strålar vid en första, lägre, arbetsfrekvens och en andra, arbetsfrekvens. De första och de högre, andra frekvenserna skiljer sig med en faktor på 10 15 20 25 30 508 356 15 ungefärligen. 1.6-2.25 eller" det är ungefärligen. en faktor tvä mellan den första och den andra arbetsfrekvensen så att ett första patchelement eller stràlningselement 11 kan användas för ett kommunikationssystem som arbetar i frekvensbandet pà omkring 800-900 MHz medan de andra strálningselementen 12, 13, 14, 15 kan användas för ett kommunikationssystem som arbetar i frekvensbandet pà omkring 1800-1900 MHz. Det första och de andra stràlningselementen har en första respektive en andra effektiv resonansdimension. För det första stràlningselementet ll ges den effektiva resonansdimensionen av sidan Am pà det kvadratformade elementet. Pà ett likande sätt ges de effektiva resonansdimensionerna för" de andra stràlningselementen 12, 13, 14, 15 av sidan am på de likaledes kvadratformade andra stràlningselementen. De resonanta. dimensionerna A10 och alo är den relevanta första luft ungefärligen hälften av våglängden för respektive andra frekvensen. Om används ges resonansdimensionerna (här exempelvis Am, am) av A10 = och alo z där Ål, X2 är våglängderna i luft. Om emellertid ett dielektriskt material är anordnat mellan det första och de andra stràlningselementen och jordlagret, kan dimensionen göras mindre och beror pà den effektiva dielektriska konstanten för det dielektriska materialet, dvs A10 = Ål/2% gr lO l5 20 25 30 16 där Er är den relativa dielektriska konstanten; motsvarande för am. Matning kan åstadkommas på något lämpligt sätt som kommer att disktueras ytterligare nedan. s k Enligt ett utföringsexempel används slitsmatning. Enligt andra utföringsexempel används probmatning eller alternativt kan elektromagnetisk energi kopplas genom resonatorer.

I ett fördelaktigt utföringsexempel slitsmatas de undre andra strålningselementen, dvs högfrekvenspatcharna slitsmatas underifrån. Också det första strålningselementet matas underifrån.

Därigenom kan framställningskostnaderna reduceras och dessutom kan potentiella passiva intermodulations- (PIM) källor reduceras.

I Figur 2A illustreras en alternativ dubbelavstämd antennanordning 20. I figur 2B illustreras en förenklad tvärsnittsvy längs linjerna 2B-2B i figur 2A.

Också i detta fall används kvadratformade patchar för såväl det första som för de andra strålningselementen. Emellertid är i detta fall de andra strålningselementen 22, 23, 24, 25 anordnade ovanför det första strålningselementet 21. Således är högfrekvens- strålningselementen anordnade ovanför det vid en lägre frekvens strålande elementet i konstrast till de utföringsexempel som illustrerats under hänvisning till figur 1A och 1B. Också i detta fall kan antingen ett dielektriskt lager vara anordnat mellan det första strålningselementet 21 och det ledande jordplanet 26 eller alternativt finns luft däremellan. På ett liknande sätt kan ett dielektriskt lager vara anordnat mellan det första och de andra strålningselementen eller alternativt kan luft finnas däremellan också. Också i detta fall ges resonansdimensionerna av sidorna An och azo på de kvadratformade patcherna som bildar det första 21 lO l5 20 25 30 U1 CD CS 04 U1 O\ 17 respektive de andra 22, 23, 24, 25 stràlningselementen. Också här kan olika matningstekniker användas även om det är mindre fördelaktigt att använda slitsmatning här jämfört med i de utföringsexempel som beskrivits under hänvisning till figur 1A.

I figur 3A visas en annan dubbelfrekvensantennanordning 30. I detta fall är det första strålningselementet 31 anordnat överst, dvs elementet som strålar vid den lägre frekvensen. Formen på det första strälningselementet 31 är rektangulär och den effektiva resonansdimensionen L30 ges av längden på rektangeln. Liksom i utföringsexemplen som beskrivits ovan har de andra stràlningselementen 32, 33, 34, 35 samma form som det första stràlningselementet 31 och de är anordnade på ett symmetriskt och delvis överlappande sätt. De andra stràlningselementen, som strålar vid en högre frekvens, är här också rektangulärt formade (även. onl detta inte är' nödvändigvis fallet; de kan också anta andra eller olika former) och de har en effektiv resonansdimension lm som är längden på respektive rektanglar. I figur 3B illustreras ett förenklat tvärsnitt längs linjerna 3B-3B i figur 3A och också i likhet med utföringsexemplen som beskrivits ovan kan ett dielektrikum eller luft vara anordnat mellan det ledande jordlagret 36 och de andra stràlningselementen och mellan det första respektive de andra stràlningselementen. Också här motsvarar de effektiva resonansdimensionerna Lw och lm väsentligen halva våglängden svarande mot de önskade frekvenserna vilket såsom hänvisats till ovan skiljer sig med ungefärligen en faktor 2 sä att anordningen 30 kan användas för de ovan diskuterade kommunikationssystemen. Rektangulära patchar är speciellt fördelaktiga om bara en linjär polarisation användes. I princip är kvadratformade patchar (eller åtminstone symmetriska patchar) speciellt fördelaktiga för dubbelpolarisations- 10 15 20 25 30 508 356 18 applikationer i vilka två dimensioner är resonanta och som således har givna dimensioner. För enkelpolarisationsfall är en dimension inte resonant. Den icke-resonanta dimensionen kan då bestämma lobvidden i den icke-resonanta dimensionens plan.

Det skall emellertid noteras att givetvis kan utförandet såsom beskrivit under hänvisning till figur 3A vara anordnat annorlunda så att de andra, eller de vid den högre frekvensen strålande elementen är anordnade ovanpå de första, vid den lägre frekvensen, strålande elementen.

I figur 4A illustreras ytterligare en annan dubbelfrekvensantenn~ anordning 40. En förenklad tvärsnittsvy längs linjerna 4B-4B illustreras schematiskt i figur 4B. I denna anordning består det första respektive de andra strålningselementen av cirkulära patchar. Det första strålningselementet 41 är anordnat ovanför de andra strålningselementen 42, 43, 44, 45 vilka är anordnade centriskt i förhållande till det första strålningselementet och på ett delvis överlappande sätt.

Också här är luft eller dielektriskt material (åtminstone delvis täckande utrymmet mellan elementen) anordnat mellan jordplanet 46 och de andra strålningselementen och/eller mellan de andra strålningselementen och det första strålningselementet 41.

Resonansdimensionerna ges här av diametrarna på strålningselementen. Resonansdimensionen för det första strålningselementet 41 ges av diametern (två gånger radien) för den cirkulära patchen, där radien här betecknas R4W RM, = ißéilxl/zwnlar a onwxl/Ver. lO 15 20 25 30 19 Pà ett liknande sätt ges resonansdimensionerna för de andra strälningselementen av motsvarande diametrar 2xrw för respektive andra andra avseenden strálningselement. I gäller samma som diskuterats ovan under hänvisning till de kvadratformade utföringsformerna. Givetvis kan det första stràlningselementet vara anordnat under de andra eller de vid den högre frekvensen strålande elementen. Liksonl kvadratformade patchar är cirkulära patchar speciellt fördelaktiga för dubbelpolarisations- tillämpningar även om de givetvis kan användas ocksä om bara en linjär polarisation används.

I figur 5 visas ytterligare ett annat exempel pà en dubbel- frekvensantennanordning 50. Här har de första och andra strälningselementen olika fornu I detta speciella fall är det första stràlningselementet 51 anordnat överst cxfli består' av en kvadratformad patch, där resonansdimensionen AW ges av sidan pà andra kvadraten. De strälningselementen 52, 53, 54, 55 är cirkulära och symmetriskt anordnade i förhållande till det första stràlningselementet 51 pá ett delvis överlappande sätt. För de andra strälningselementen ges resonansdimensionerna av diametrarna, dvs tvà gànger radierna, rw. Givetvis skulle det första stràlningselementet kunna ha varit anordnat under de andra stràlningselementen. Också i detta fall är luft och/eller dielektrikum anordnat mellan det första respektive de andra strälningselementen och nællan de undre strälningselementen och det ledande jordplanet (ej visat i figuren).

Diskussionerna som hänvisar till figur 1A som relaterar till förhållandet mellan arbetsfrekvenserna och sàledes resonansdimensionerna gäller givetvis också för utföringsformerna lO l5 20 75 30 508 356 20 i figurerna 2A, 3A, 4A, 5 liksom för de figurer som kommer att följa.

I figur 6 illustreras en antennanordning 60 i form av ett gruppgitter. Antennanordningen 61 innefattar (här) 30 första strälningselement 6O1,6OW...,603O som är regelbundet anordnade i en rektangulär gitterstruktur. Till varje första stràlningselement 601,602,..., är fyra andra stràlningselement 62, 63, 64, 65 anordnade pà ett sätt som liknar det i anordningen sàsom beskriven i figur IA. De första stràlningselementeten är här anordnade överst också i likhet med figur IA och diskussionen som gäller figur 1A är relevant också här. Speciellt består anordningen 60 av en dubbelavstämd, dubbelpolariserad anordning eftersom stràlnings- elementen är regelbundna och innefattar tvà resonansdimensioner, dvs sidorna pà kvadraten. Givetvis kan ett gruppgitter bildas pà vilket sätt som helst, exempelvis triangelformat, cirkulärt, elliptiskt osv, innefattande vilken som helst av antennanordningarna 10, 20, 30, 40, 50 eller vilken variation som helst härav avseende vilka slag av stràlningselement som är anordnade överst osv och hur de är vridna. För den dubbelavstämda, dubbelpolariserade antennanordningen 60 används ett gemensamt jordplan vilket emellertid inte är visat här och nfitningen kan åstadkommas på ett lämpligt sätt sàsom diskuterats ovan. Givetvis kan antalet stràlningselement vara vilket lämpligt antal som helst. I ett utföringsexempel är avståndet mellan andra stràlningselement detsamma inom en grupp som mellan näraliggande andra element i näraliggande grupper bàde i horisontell och vertikal led. I ett fördelaktigt utföringsexempel är avståndet mellan andra stràlningselement mellan omkring 0,5-ll. Speciellt är det sà litet som möjligt, exempelvis omkring 0,5Ä för att ge stor avsökningsvinkelsprestanda för gruppen, dvs för att undvika lO l5 20 25 30 21 gitterlober. I ett annat utföringsexempel är avståndet inte exakt detsamma j. vertikal led som j. horisontell led utan exempelvis något mindre i horisontell led.

I figur 7 illustreras en annan antennanordning i form av ett gruppgitter 70 som innefattar ( i detta speciella fall) nio dubbelfrekvensantennelement 7OU...,7O9. Också i detta fall år de första strålningselementen 711,7l2,...,7l9 anordnade ovanför motsvarande andra strålningselementen 721,73l,74l,751,..., av vilka av tydlighetsskäl bara de andra strålningselementen för den första dubbelfrekvensantennen 701 skulle de är försedda med referensbeteckningar.

Givetvis andra strålningselementen kunna ha varit anordnade ovanpå de första strålningselementen istället; vilken variation som helst är möjlig liksom i de föregående disktuerade utföringsexemplen. De första och andra strålningselementen är också i detta fall kvadratformade, både de första och de andra andra strålningselementen. Dessutom är de andra strålningselementen 72l,731,741,75U.. förhàllandev till de ., också symmetriskt anordnade i första strålningselementen 7lU...,7l9 med den skillnaden att de respektive resonanta dimensionerna AW och am bildar en vinkel på ungefärligen 45° med varandra. Stràlningselementen är symmetriska och varje stràlningselement har, såsom beskrivits ovan, två resonanta dimensioner, dvs sidorna på kvadraterna. Emellertid bildar resonansdimensionerna för de första respektive de andra strålningselementen en vinkel på 45° med varandra.

Figur 8 visar ett alternativt utförande av en grupp 90 som innefattar ett antal dubbelfrekvensantennelement 9O1,...,9O13 som är polariserade i +/-45°. De första strålningselementen 10 15 20 30 356 22 911,.. anordnade ovanför motsvarande -,9l13 är andra stràlningselement 921,931,941,951;..., men i ett alternativt utföringsexempel (ej visat) är de första strälningselementen anordnade under de andra stràlningselementen. Polarisationen för de första och andra stràlningselementen är liknande i det första respektive det andra frekvensbandet. Antenner som är polariserade i i45° har visats sig vara fördelaktiga eftersom (för dubbelpolarisationsfall) utbredningsegenskaperna för de elektromagnetiska vågorna desamma för de tvà polarisationerna och en liknande dämpning (som är densamma för bàda erhålles väsentligen polarisationerna) såsom jämfört med fallet i vilket vertikal och horisontell polarisation används.

Figur 9 är en förenklad tvärsnittsvy motsvarande den i figur 1B, stràlningsanordningen är här betecknad lO'. Detta är ett exempel pà slitsmatning. I jordplanet 16' är ett antal slitsar anordnade för *varje första och andra stràlningselement. I figur~ 9 visas slitsen motsvarande det första stràlningselementet 11' men bara tvà av slitsarna motsvarande de andra stràlningselementen är visade; slits 18' motsvarande det andra stràlningselementet 12' och slits 19' motsvarande det andra stràlningselementet 13'.

Givetvis finns det också slitsar för de andra stràlningselementen.

Via mikrostripledare l71,181,191 exciteras det första stràlningselementet 11' och de andra strålningselementen 12',13' genom slitsarna, emellertid utan någon fysisk kontakt med mikrostripledarna. Slitsarna har väsentligen samma längd som resonansdimensionerna för motsvarande stràlningselement och de är anordnade vinkelrätt mot resonanslängden.

Figur 10 är en tvärsnittsvy liknande den i figur 2B som visar en antennanordning 20' (motsvarande antennanordning 20 i_ figur 2B) 10 15 20 25 30 23 som matas genom probmatning vilket som sådant är en matningsmetod som är känd i sig. Via prober 27',28',29' matas det första stràlningselementet 21' och de andra stràlningselementen 22' och 23' via koaxialledare (exempelvis). Också här matas de andra stràlningselementen på ett liknande sätt.

I figur ll illustreras en tvärsnittsvy i perspektiv av en antennordning 100. Antennanordningen innefattar ett första stràlningselement 104 och fyra andra stràlningselement lO5,l06,l07,lO8, där det första stràlningselementet 104 är anordnat ovanför de andra strålningselementen. Givetvis skulle det också kunnat vara ett gruppgitter men detta är inte visat här av tydlighetsskäl. Ett jordplan 102, exempelvis av Cu, är anordnat pà ett dielektriskt substrat 103. Ovanpå det ledande jordplanet 102 är ett dielektriskt lager 103. I ett alternativt utföringsexempel skulle det kunna ha varit luft i vilket fall avståndet mellan de andra strälningselementen och jordplanet skulle kunna ha åstadkommits genom användning av plasttappar eller liknande. Av tydlighetsskäl visas inte något dielektriskt lager mellan de första och de andra strålningselementen även om ett sådan lager normalt finns där (sonl åtminstone täcker~ en del av' utrymmet).

Också här kan det alternativt anta formen av ett luftlager. ledande ll4,ll5,ll6,ll7,ll8 till I det jordplanet 102 är ett antal matningsslitsar anordnade. Storlekarna på matningsslitarna relaterar storlekarna pà strålningselementen och är desamma. Via och de väsentligen mikrostripledare l24,l25,126,127,128 matas de första andra stràlningselementen. Matningen àstadkommes genom mikrostripledarna l24,l25,l26,l27,l28 som lateralt korsar slitsarna på ett vinkelrätt sätt utan någon fysisk kontakt. Om det bara finns en slits för varje stràlningselement fàs en enkelpolariserad stråle. Tvà exempel pà slitsar för lO 15 20 75 30 24 dubbelpolarisationsfall visas mycket schematiskt i figurerna 14A och 14B.

I figur 12 visas det ledande jordplanet 102 i vilket slitsarna är anordnade mera tydligt. Slitsarna 104,105,106,107,108 motsvarar det första respektive de andra stràlningselementen.

Mikrostripledaren 124 är anordnad under jordplanet 102 och korsar slitsen 104 pà ett vinkelrätt sätt såsom beskrivet ovan och mikrostripledarna 125,126,127,128 passerar under slitsarna 105,106,107,108 på ett liknande sätt.

Figur 13 illustrerar schematiskt ett exempel på en sektorantenn 80 i enlighet med uppfinningen. Sektorantennen består av en kolumn med ett antal första strålningselement 81A,...,81E, där till varje första stràlningselement två andra stràlningselement 82A,83A;...;82E,83E är anordnade. De andra stràlningselementen är alla anordande längs en gemensam vertikal centrumlinje.

I alternativa utföranden av sektorantenner (ej visade) kan en kolumn av element exempelvis såsom beskrivna under hänvisning till någon av figurerna 1A - figur 5 eller någon variant av dessa, något slag av rotation osv, användas, dvs med två eller fyra andra stràlningselement för varje första stràlningselement.

För dubbelpolarisationsfall kan slitarna i jordplanet anta en form såsom illustrerad i figurerna 14A respektive 14B. I figur 14A skär två slitsar 204, 205 varandra på ett vinkelrätt sätt. De matas av mikrostripledarna 224 respektive 225.

I figur 14B kan en av slitsarna sägas vara uppdelad i två slitsar 215A, 215B som är anordnade pà ett vinkelrätt sätt på ömse sidor lO l5 508 556 25 om slitsen 214. Slitsar sàsom beskrivna i figurerna 14A, l4B är dà anordnade i jordplanet motsvarande varje stràlningselement där storlekarna beror pà storleken pà respektive stràlningselement.

Det finns en matningsmikrostripledare för varje polarisation. Den första centrala mikrostripledaren 234 korsar vinkelrätt den slitsen 214 och en första och en andra grenmikrostrip 235A, 235B korsar slitsarna 2l5A respektive 2l5B. Grenarna är sammankopplade för att bilda en gemensam andra mikrostripledare som åstadkommer en andra polarisation. Jordplanet 236 är bara schematiskt indikerat.

Uppfinningen är givetvis inte begränsad till de visade utföringsexemplen utan den kan varieras pà ett antal sätt och är bara begränsad av omfånget pà patentkraven.

Claims (29)

10 15 20 25 30 26 PATENTKRAV

1. En antennanordning (lO;20;30;40;50;60;70;80;90;lOO) innefattande ett ledande jordplan (l6;26;36;46;lO2), ett antal första strålningselement (1l;2l;3l;4l;5l;6l;7l1,_..,7lw 8lA,...,81E;9l1,...,9ln) som strålar vid en första frekvens eller i ett första frekvensband och ett antal andra strålningselement (12-15;22-25;32-35;42-45;52-55;62-65;721-75l;82A,83A-82E,83E;92l- 951) som strålar vid en andra frekvens eller i ett andra frekvensband, där till varje första strålningselement en grupp av andra strålningselement är anordnade, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att de första respektive andra strålningselementen är anordnade i olika plan, där de andra strålningselementen (l2-15;22-25;32- 35;42-45;52-55;62-65;721-751;82A,83A-82E,83E;92l-951) i en grupp är symmetriskt anordnade, åtminstone parvis, i förhållande till motsvarande första strålningselement (11,-21,-31,-41,-51,-61,-71l,...,719;81A,...,s1E; 911,...,91l3) pà en: sådant sätt att varje andra strålningselement delvis överlappar motsvarande första strålningselement och att varje strålningselement har åtminstone en effektiv resonansdimension (AiofaioïAzo/azoíï-'zof13oí2R4ofzraoíAsofzrsoíAvofavoïAsofaso) f där den effektiva resonansdimensionen för det(de) första strålnings- elementet (elementen) (Am;Am;Lm,2Rw;Aw;Aw;A%) är väsentligen två gånger de effektiva resonansdimensionerna för de andra stràlningselementen (am;aw;lm;2rw;2rW;aw;a9@ så att de andra strålningselementen strålar vid en frekvens eller i ett frekvensband soul är ungefär två gånger' den för det(de) första strålningselementet(elementen). 10 15 20 25 30 508 356 27

2. En anordning enligt patentkrav 1, k à n n e t e c k n a d d à r a v att varje innefattar en ledande strálningselement patch av material.

3. En anordning enligt patentkrav 1 eller 2, k à n n e t e c k n a d d ä r a v att det är ett lager av luft mellan de första och de andra stràlningselementen.

4. En anordning enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att ett dielektriskt material är anordnat som àtminstone delvis upptar mellan första och andra utrymmet lagren av stràlningselement.

5. En anordning enligt nàgot av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att mellan jordplanet och det understa lagret av stràlningselement ett luftlager är anordnat.

6. En anordning enligt nàgot av patentkraven 1-4, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att mellan jordplanet och det understa lagret av stràlningselement är ett dielektriskt material (103) anordnat vilket àtminstone delvis upptar utrymmet mellan jordplanet och det understa lagret av stràlningselement.

7. En anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v lO l5 20 25 30 508 556 28 att de första och/eller andra stràlningselementen (31,32,33,34,35) består av rektangulära patchar.

8. En anordning enligt något av patentkraven 1-6, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att de första och/eller andra stràlningselementen (11,l2,13,14,15; 2l,22,23,24,25;5l;6l,62,63,64,65;7l1,721,731,741,751,...;8lA,82A,83 A,...;9ll,921,931,941) består av kvadratiska patchar.

9. En anordning enligt något av patentkraven 1-6, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v och/eller (4l,42,43,44,45;52,53,54,55). att de första andra strålningselementen består av cirkulära patchar

10. En anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att den består av ett första stràlningselement och fyra andra stràlningselement.

11. En anordning enligt något av patentkraven 1-10, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att ett antal första stràlningselement är anordnade, till vardera av vilka det finns fyra motsvarande andra stràlningselement och att de är anordnade i ett gruppgitter.

12. En anordning enligt något av patentkraven 1-9, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v består av ett första att den stràlningselement (81A;8lB;8lC;8lD;81E) och två andra stràlningselement (82A,83A;...;82E,83E). 10 15 20 25 508 556 29

13. En anordning enligt något av patentkraven 1-10 eller 12, k ä n n e t e C k n a d d ä r a v att ett antal första stràlningselement med motsvarande andra stràlningselement (8OA,8OB,8OC,80D,8OE) är anordnade i. en kolumn således bildande en sektorantenn (80).

14. En anordning enligt nàgot av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d à r a V att bara en linjär polarisation användes.

15. En anordning enligt något av patentkraven 1-13, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att dubbla polarisationer används och att varje stràlningselement har tvâ resonanta dimensioner.

16. En anordning enligt patentkrav 14 eller 15, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att samma polarisation(polarisationer) genereras i frekvensbanden.

17. En anordning enligt patentkrav 14 eller 15, k à n n e t e c k n a d d ä r a v att resonanta dimensionerna för de första respektive de andra stràlningselementen (Am;aw) bildar en vinkel på ungefàrligen 45° med varandra sà att polarisationen soul genereras i det första respektive det andra frekvensbandet skiljer sig 45°.

18. En anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v lO 15 20 25 508 356 30 att åtminstone en resonant dimension för det första strålningselementet är ungefärligen halva våglängden Og/2) motsvarande den första frekvensen och att den åtminstone en resonanta dimension för de andra strålningselementen är ungefärligen halva våglängden (ÄQ/2), svarande mot den andra strålningsfrekvensen.

19. En anordning enligt något av föregående patentkrav, k à n n e t e c k n a d d ä r axv att de första, vid en lägre frekvens strålande elementen (ll;3l;4l;5l;61; 711,...;9l1,...;l04;8lA,...) är anordnade i ett lager ovanför ett lager med andra stràlningselement (l2,l3,l4,l5;32,33,34,35;42,43,44,45;52,53,54,55;62,63,64,65;72N 731,741,751,92.,931,941,95l;1o5,1o6,1o7,1os;s2A,s3A>.

20. En anordning enligt något av patentkraven 1-18, k ä n n e t e c k n a d d à r a v strålningselementen (22,23,24,25) är anordnade att de andra ovanför det/de första strålningselementet(elementen) (21).

21. En anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att slitsar (l7',l8',l9';ll4,ll5,ll6,ll7,ll8;l04,lO5,lO6,lO7, 108;204,205;214,2l5,2l6) som har resonanta längder av ungefärligen samma storlek som motsvarande resonanta dimensioner är anordnade i jordplanet och att slitsmatning används.

22. En anordning enligt patentkrav 21, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v lO l5 20 25 30 508 556 31 att de andra stràlningselementen är anordnade under de första stràlningselementen och att matningen àstadkommes av en första l71;124) och en andra mikrostripledare (l81,l91;l25,l26,127,l28) som exciterar de första och andra stràlningselementen genom sagda slitsar så att de avsedda frekvenserna erhålles.

23. En anordning enligt patentkrav 21, k à n n e t e c k n a d d ä r a v att för varje stràlningselement är en första slits (204;2l4) och en andra slits (205;2l5A,2l5B) anordnade i. jordplanet, där* den första slitsen ger en signal som har en första polarisation och en första frekvens, och den andra ger en signal som har en andra polarisation.

24. En anordning enligt patentkrav 23, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att de tvà slitsarna (204,205;2l4;2l5A,215B) för ett stràlningselement är anordnade vinkelrätt i förhållande till varandra.

25. En anordning enligt något av patentkraven 1-20, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att probmatning används.

26. Basstationsantennanordning för mobil telekommunikation - 1 innefattande ett antal första antenner (ll;21;3l;4l;51;6l;7lN.. avsedda för ett 719,-siA,...,s1E;911,...,9113) mobiltele- kommunikationssystem som arbetar i ett första frekvensband, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att den dessutom innefattar ett antal andra antenner (l2-l5;22- 25;32-35;42-45;52-55;62-65;721-7S1;82A,83A-82E,83E;921-951) för ett lO l5 20 508 356 32 mobiltelekommunikationssystem som arbetar i ett andra frekvensband son1 är 'väsentligen. två gànger" det första frekvensbandet sä att antennerna för de första och de andra systemen använder samma antennapertur, där de första och de andra antennerna består av en antennanordning i vilken gruppvis till ett antal första stràlningslement ett antal andra stràlningselement är anordnade i ett annat plan sä att gruppen av andra stràlningselement delvis överlappar motsvarande första stràlningselement, där resonansdimensionen för de första stràlningselementen är ungefär tvà gånger den för de andra stràlningselementen.

27. Basstationsantennanordning enligt patentkrav 26, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att frekvenserna i det andra frekvensbandet är omkring 1.6-2.25 gånger frekvenserna i första frekvensbandet.

28. Basstationsantennanordning enligt patentkrav 26 eller 27, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v (80) att antennerna är sektorantenner eller multilob-gruppantenner (60;70;90).

29. Basstationsantennanordning enligt nàgot av patentkraven 26-28, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att det första systemet arbetar i frekvensbandet 800-900 MHz, sàsom exempelvis NMT 900, AMPS, TACS, GSM eller PDC och att det andra systemet arbetar i frekvensbandet ungefärligen 1800-1900 MHz sàsom t ex DCS 1800 eller PCS 1900.