SE515092C2 - Antennanordning för dubbla band - Google Patents

Description

20 25 30 515 092 2 uppsättningen antennelement och ett andra matningsskikt med en effektdelare för matning av signaler i det undre frekvensban- det till den andra uppsättningen antennelement. Effektdelar- elementen i de båda skikten är så utformade, att de minimerar strålningens växelverkan mellan de båda uppsättningarna liksom kopplingen mellan de båda effektmatningsnäten.

Emellertid är antennelementen hos de första och andra uppsätt- ningarna belägna i motsvarande positioner i resp. skikt hos antennanordningens flerskiktstruktur. I vardera dimensionen hos den väsentligen plana konstruktionen har sålunda de båda uppsättningarna väsentligen samma geometriska längd (mätt mel- lan de yttersta antennelementen). Låt oss antaga att antenn- anordningen är väsentligen vertikalt orienterad. Därvid kommer den att utsända en väsentligen horisontell strålningslob, och den vertikala lobbredden hos den utsända loben kommer att vara väsentligen proportionell mot strålningens våglängd och omvänt proportionell mot den totala längden hos respektive uppsätt- ning i den vertikala dimensionen. Eftersom de vertikala läng- derna är väsentligen desamma kommer sålunda lobbredden för strålningen i det högre frekvensbandet att vara mycket mindre än lobbredden i det undre frekvensbandet. Om den högre frek- vensen (i det första bandet) är ungefär dubbelt så stor som den undre frekvensen (i det andra bandet), kommer den högre frekvenslobens lobbredd att vara endast hälften så stor som den undre frekvensens lob.

Sammanfattning av uppfinningen Huvudsyftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en antennanordning av det ovan angivna slaget, varvid konstruk- tionen är sådan, att de båda strålningsloberna i de första och andra frekvensbanden har väsentligen samma lobbredd. 23446b; 2000-07-14 10 15 20 25 s1s :m Detta syfte uppnås genom att - antennelementen i den första uppsättningen antennelement är geometriskt anordnade på så sätt att den första upp- sättningen har en första längd i en första riktning, - antennelementen i den andra uppsättningen antennelement är geometriskt anordnade på så sätt, att den andra uppsätt- ningen har en andra längd i nämnda första riktning, och - nämnda första och andra längder är väsentligen omvänt pro- portionella mot nämnda första och andra centrumfrekvenser.

På detta sätt kommer lobbredden hos den till den första upp- sättningen antennelement hörande strålningsloben att vara väsentligen densamma som lobbredden hos den till den andra uppsättningen antennelement hörande strálningsloben.

Ett antennarrangemang enligt uppfinningen kan implementeras på många sätt inom ramen för de efterföljande patentkraven. Före- trädesvis utgörs antennelementen av patchelement som lätt kan anordnas i en flerskiktstruktur, såsom är välkänt för fackman- Ilên .

Antennelementen i den första uppsättningen kan vara belägna i positioner som skiljer sig från positionerna för antennelemen- ten i den andra uppsättningen, förutsatt att de geometriska längderna, mätta i den första riktningen, är omvänt proportio- nella mot centrumfrekvenserna. Emellertid kan med fördel en delmängd av antennelementen i den första (högfrekventa) upp- sättningen vara placerad väsentligen i samma positioner som antennelementet i den andra (làgfrekventa) uppsättningen.

Detta kan enkelt tillämpas med antennelement i form av patchar anordnade i olika lager i en väsentligen plan struktur. 23446b; 2000-07-14 10 15 20 25 30 515 092 De första och andra uppsättningarna antennelement kan vara an- ordnade i ett väsentligen likformigt mönster som sträcker sig i minst en dimension motsvarande den första riktningen, t.ex. i en linjär, företrädesvis vertikal rad eller i ett rektangu- lärt, plant mönster.

Med fördel finns endast ett matningsnät för matning av signa- ler i nämnda första och andra frekvensband, varvid filterorgan är anordnade för separering av det ena frekvensbandet. Filter- organen kan innefatta ett bandstoppfilter eller en diplexer.

Alternativt kan antennanordningen innefatta två sådana mat- ningsnät för matning av dubbelpolariserade signaler, så att man erhåller diversitet i dubbla kanaler vilka är inbördes ortogonala relativt varandra.

Kort beskrivning av ritningarna Dessa och andra särdrag och fördelar med uppfinningen, framgår av nedanstående detaljbeskrivning, varvid hänvisas till bifo- gade ritningar.

Fig. l åskådliggör ett strålningsmönster från en tidigare känd antennanordning; Fig. 2 åskådliggör på motsvarande sätt ett strålningsmönster från en antennanordning enligt föreliggande uppfinning; Fig. 3 visar schematiskt den utstrålade effekten från en ver- tikalt orienterad antennuppsättning; 23446b; 2000-07-14 10 15 20 25 30 515 092 Fig. 4 visar schematiskt en första utföringsform av antenn- anordningen enligt uppfinningen; Fig. 5 visar schematiskt en andra utföringsform av antenn- anordningen enligt uppfinningen; Fig. 6 visar schematiskt, i en planvy sedd från höger i fig. 5, en tredje utföringsform med dubbel polarisation.

Detaljbeskrivning av föredragna utföringsformer I fig. l visas en antennmast M med en konventionell antenn- anordning av det slag som beskrives i ovan nämnda EP-publikation. Antennen som sådan visas ej på ritningen, utan endast den utsända stràlningsloben från antennen i två åt- skilda frekvensband, nämligen en första lob Ll i ett relativt högt frekvensband och en andra lob L2 i ett relativt lågt frekvensband. Såsom förklarats ovan har loben Ll i det övre bandet mycket mindre lobbredd än loben L2 i det undre bandet.

Fig. 2 visar å andra sidan på motsvarande sätt en antennmast M med en antennanordning enligt föreliggande anordning. I detta fall sammanfaller i huvudsak de båda loberna LlO och L20 från de båda åtskilda frekvensbanden. Eftersom ifrågavarande verti- kala längd hos vardera uppsättningen antennelement är omvänt proportionell mot frekvensen, är de båda lobernas LlO, L20 lobbredder väsentligen lika stora. Sålunda kommer täckningen att vara i huvudsak densamma för de båda frekvensbanden, såsom eftersträvas.

Fig. 3 visar schematiskt hur den utstrålade effekten P från en linjär antennuppsättning med en längd L (belägen utmed en ver- tikal axel) är fördelad som funktion av vinkeln 6 i vertikal- 23446b; 2000-07-14 10 15 20 25 30 515 092 planet (mätt från en horisontell linje). Såsom framgår av fig. -3 är en första lob LO1 begränsad inom ett relativt smalt vin- kelområde, som kan visas vara proportionellt mot strålningens våglängd Ä (och således omvänt proportionell mot strålningens frekvens) och omvänt proportionell mot längden D hos den lin- jära uppsättningen antennelement. Således begränsas den pri- mära loben LO1 av ett första minimum vid det vinkelvärde på (radianer): konst. Ä/D varvid konstanten är l i det ideala fallet med likformig exci- tation längs den linjära uppsättningen.

De sekundära och högre ordningens sidolober LO1, LO3, etc. har väsentligt lägre effektvärden och kan således bortses från i praktiken.

Föreliggande uppfinning är baserad på detta fysikaliska för- hållande mellan den linjära uppsättningens längd och vågläng- den (eller frekvensen) hos den utstrålade mikrovágseffekten.

För att de båda mikrovågloberna skall ha väsentligen samma lobbredd måste i korthet den linjära uppsättningen som arbetar i ett högt frekvensband (kort våglängd) ha en relativt kort längd D, medan den linjära uppsättning som arbetar i ett lägre frekvensband (lång våglängd) ha en relativt stor längd D. Med andra ord är de båda uppsättningarnas längder omvänt propor- tionella mot frekvensen.

En första utföringsform av antennanordningen visas schematiskt i fig. 4. En enda matningskabel C i ett matningsnät tillför två åtskilda frekvensband med centrumfrekvenserna fl och f2, där fl exempelvis är 1800 MHz (PCN-band) och f2 exempelvis är 23446b; 2000-07-14 10 15 20 25 30 515 092 9oo MHz (osm-bana). Matarkabeln c är ansluten till ett alplex- filter 10 med två utgångar, varvid den ena är förbunden med en matningsledning Cl som endast tillför det högre frekvensbandet med centrumfrekvensen fl och den andra är förbunden med en matningsledning C2 som endast tillför det undre frekvensbandet med centrumfrekvensen f2.

Matningsledningen Cl är förbunden med två antennelement Al, placerade på ett inbördes avstånd Dl, varvid avståndet Dl även definierar längden hos den antennuppsättning som arbetar i det högre frekvensbandet. Den andra matningsledningen C2 är för- bunden med tre antennelement A2. Längden hos den uppsättning som innehåller antennelementen A2 definieras av avståndet D2 mellan det övre antennelementet A2 och det undre antennelemen- tet A2. I det visade exemplet är D2 dubbelt så lång som Dl, motsvarande resp. våglängder (som är omvänt proportionella mot frekvenserna fl, f2).

Antennelementen Al, A2 kan vara av godtyckligt slag, exempel- vis i form av dipoler eller patchar. Givetvis måste det inbör- des avståndet mellan intilliggande antennelement överensstämma med etablerade regler som är välkända för fackmannen.

I fig. 5 visas en andra utföringsform, innefattande en enda matarkabel C som tillför två åtskilda frekvensband, exempelvis likadana som de ovan nämnda banden som används i fig. 4, med centrumfrekvenser fl resp. f2, ett filter 20, exempelvis inne- fattande en bandstoppfilterkomponent i den ena utgångsgrenen, och två matarledningar C21 och C22 som är förbundna med en grupp antennelement A01, A02, A03, A04 resp. A25, A26, A27, A28. Matningsledningen C21 tillför båda frekvensbanden fl, f2 och matar dubbla element All-A21 (kombinationen betecknad A01), A12-A22 (kombinationen betecknad A02), A13-A23 (kombina- 23446b; 2000-07-14 10 15 20 25 30 515 092 tionen betecknad A03) och A14-A24 (kombinationen betecknad A04). Varje dubbelt element All-A21 etc. innefattar ett första antennelement All etc., som arbetar i det övre frekvensbandet fl och ett andra antennelement A21 etc., som arbetar i det undre frekvensbandet f2. Längden för antennuppsättningen, som definieras av antennelementen All, A12, A13, A14, vilka arbe- tar i det övre frekvensbandet, är D10, såsom visas i fig. 5.

De dubbla antennelementen All-A21, etc. kan alternativt šrsät- tas av enhetliga antennelement som arbetar i båda frekvensban- den.

Den andra matarledningen C22 tillför, till följd av filtrets 20 egenskaper, endast det undre frekvensbandet f2 och är för- bunden med gruppen av antennelement A25, A26, A27, A28 vilka arbetar i det undre frekvensbandet. Dessa antennelement är placerade i linje med de ovan nämnda antennelementen A21, A22, A23, A24 för att tillsammans bilda en linjär rad med åtta antennelement A21-A28 vilka har en total längd på D20. Såsom framgår av fig. 5 är längden D20 ungefär dubbelt så stor som längden D10 (motsvarande resp. våglängd).

För enkelhet vid tillverkning kan antennelementen A25, A26, A27, A28 även kombineras med mindre element som arbetar i det övre frekvensbandet, såsom visas i fig. 5 (utan hänvisnings- siffror), men dessa mindre element kommer att förbli passiva eftersom de ej matas med någon effekt i tillhörande övre frek- vensband fl. Givetvis kan dessa element A25-A28 ersättas av enhetliga antennelement som arbetar i båda frekvensbanden (ehuru de endast utnyttjas i det ena frekvensbandet).

Liksom i föregående utföringsform kan antennelementen All-A14 och A21-A28 vara av önskat slag. Företrädesvis utgörs de emel- 23446b; 2000-07-14 10 15 20 25 30 515 092 lertid av patchar i en flerskiktsantennstruktur, såsom är väl- känt för fackmannen.

I en närliggande alternativ utföringsform är de kombinerade eller dubbla antennelementen placerade i en central del av antennanordningen, medan de enkla antennelementen är belägna i anordningens övre och undre delar. Det är väsentligt att läng- derna D10 och D20 har önskat inbördes förhållande (proportio- nella mot våglängderna och omvänt proportionella mot frekven- serna).

En tredje utföringsform av antennanordningen enligt uppfin- ningen visas i fig. 6, med dubbel polarisation. I detta fall finns två matarkablar C31 och C32, en för varje polarisation eller kanal, som var och en tillför båda frekvensbanden fl, f2 (såsom förklarats ovan). Dessa båda frekvensband tillföres de olika antennenheterna AUl, AU2, AU3, i antennens mittdel (de rektangulära, avlånga boxarna med två kryss i varje) via effektdelare 15 och filter 20, exempelvis av det slag som visas i fig. 5. Dessa antennenheter innefattar var och en ett par strålningspatchar, som arbetar i det övre frekvensbandet, samt ett par något större strålningspatchar, som arbetar i det undre frekvensbandet. Det finns en relativt liten patch och en relativt stor patch ovanpå varje kryssformad apertur eller slits S, varvid den senare tjänar till att koppla mikrovågs- energin från ett par matningselement (ej visade, var och en förbundna med C31 resp. C32) till patcharna. Sådana dubbel- polariserade, dubbelbandsantennenheter beskrives exempelvis i den internationella ansökningen PCT/SE98/02235 (Allgon AB).

I de övre och undre ändpartierna av antennanordningen finns enkla antennelement A3, som endast arbetar i det undre frekvensbandet f2. På detta sätt bildas en första, linjär 23446b; 2000-07-14 l0 15 20 515 092 10 antennuppsättning, innefattande de sex små patcharna i antenn- enheterna AUI, AU2, AU3, med en längd motsvarande ungefärligen halva totallängden för antennanordningen, och en andra, linjär antennuppsättning, innefattande de sex större patcharna i antennenheterna AUI, AU2, AU3 och de tre enkla antennelementen A3, som har samma längd som hela antennanordningen. Även i detta fall är således längden hos antennuppsättningen för det undre bandet ungefärligen dubbelt så lång som längden hos antennuppsättningen för det övre bandet.

I de tre ovan beskrivna utföringsformerna är antennelementen anordnade i en enda, vertikal rad. I allmänhet kan emellertid raden vara orienterad på annat sätt. Vidare kan en sådan rad kombineras med en eller flera parallella rader för bildande av en regelbunden eller oregelbunden tvådimensionell antennupp- sättning.

Givetvis är de ovan angivna speciella frekvensbanden endast angivna som exempel. Andra frekvensband kan mycket väl använ- das förutsatt att antennelementradernas längder är omvänt pro- portionella mot centrumfrekvenserna.

Såsom antytts ovan är det möjligt att använda bredbandantenn- element som arbetar i minst två åtskilda frekvensband. 2344619; 2000-07-14

Claims (1)

1. l0 515 092 ll P A T E N T K R A V l. Antennanordning för mottagning och/eller utsändning av elektromagnetiska signaler i minst tvâ åtskilda frekvensband, innefattande ett första frekvensband med en första centrum- frekvens (fl) och ett andra frekvensband med en andra centrum- frekvens (f2), omfattande U) F? e c k n a d a v en första uppsättning antennelement (Al;Al1-A14) som arbe- tar i nämnda första frekvensband (fl), en andra uppsättning antennelement (A2;A2l-A28) som arbetar i nämnda andra frekvensband (f2), ett matningsnät inrättat för matning av signaler i nämnda första och andra frekvensband till nämnda första resp. andra uppsättning antennelement, ä n n e t e c k n a d a v att nämnda antennelement (Al;All-A14) i nämnda första uppsätt- ning antennelement är anordnade geometriskt på så sätt, att den första uppsättningen har en första längd (Dl;DlO) i en första riktning, nämnda antennelement (A2;A2l-A28) i nämnda andra uppsätt- ning antennelement är anordnade geometriskt på så sätt, att nämnda andra uppsättning har en andra längd (D2;D20) i nämnda första riktning, och nämnda första och andra längder (Dl,D2;DlO,D20) är väsent- ligen omvänt proportionella mot nämnda första och andra centrumfrekvenser (fl,f2). Antennanordning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d att nämnda antennelement är patchelement. Antennanordning enligt krav l eller 2, k ä n n e - att antennelementen (Al) i nämnda första 23446b; 2000-07-14 10 15 20 sæš 092 12 uppsättning är belägna i positioner som skiljer sig från posi- tionerna för antennelementen (A2) i nämnda andra uppsättning. k ä n n e - Jä- Antennanordning enligt krav 1 eller 2, e c k n a d a v att FT en delmängd av antennelementen (A21-A24) i nämnda andra uppsättning är belägna i väsentligen samma positioner som antennelementen (All-A14) i nämnda första uppsättning. 5. Antennanordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d a v att antennelementen, som är belägna i väsentligen samma positioner, är kombinerade till integrerade antennelementenhe- ter (A01,A02m;AU1,AU2m). k ä n n e - GX Antennanordning enligt något av kraven l-5, e c k n a d a v att FT nämnda första och andra uppsättning antennelement är anord- nade i ett väsentligen regelbundet mönster som sträcker sig i minst en dimension, motsvarande nämnda första riktning. 7. Antennanordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda mönster omfattar en linjär rad. 8. Antennanordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda linjära rad är väsentligen vertikalt orienterad. k ä n n e - UD Antennanordning enligt något av kraven 1-8, FT e c k n a d a v att nämnda första centrumfrekvens (fl) är väsentligen dubbelt så stor som den andra centrumfrekvensen (f2). 23446b; 2000-07-14 10 15 515 0912 13 10. Antennanordning enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a d a V att - nämnda första frekvensband motsvarar PCN-bandet och nämnda andra frekvensband motsvarar GSM-bandet. ll. Antennanordning enligt något av kraven 1-9, k ä n n e - t e c k n a d a v att - antennanordningen innefattar endast ett matningsnät och filterorgan (lO;20) för separering av det ena (f2) av nämnda frekvensband. 12. Antennanordning enligt krav ll, k ä n n e t e c k n a d a v att antennanordningen innefattar två matningsnät (C3l,C32) för tillförsel av dubbelpolariserade signaler, var- vid vardera matningsnätet är anslutet till tillhörande filter- organ (20). 13. Antennanordning enligt krav ll eller 12, k ä n n e - t e c k n a d a V att - nämnda filterorgan (20) omfattar minst ett bandstoppfilter. 14. Antennanordning enligt krav ll eller 12, k ä n n e - t e c k n a d a v att - nämnda filterorgan (10) omfattar minst ett diplexfilter. 23446b; 2000-07-14