SE517524C2 - Antennanordning för användning av tredimensionell elektromagnetisk fältinformation inherent i en radiovåg - Google Patents

Description

2 telekommunikation, där tredimensionell kännedom om det elektromag- netiska fältet ger värdefull information om den trådlösa signalen.

Det nya i den föreliggande uppfinningen är att ta i beaktning det elektromagnetiska fältets vektomatur.

Anordningen använder tre olika orienterade antenner för att härleda tre komponenter av det elektromagnetiska fältet. Antennens geometri upprepas för att forma en grupp. Detta medger att kontrollera de tredimensionella polarisationskännetecknen (se t.ex. Carozzi et al., "Parameters characterizing electromagnetic wave polarization", Physical Review E, 61, 2000, p. 2024- 2028) över en yta för den trådlösa signalen.

Uppfinningen har att göra med en antennanordning som gör det tredimensionella elektromagnetiska fältet tillgängligt. I ett fullständigt system kommer antennanordningen att kopplas till standard radioutrustning såsom sändtagare, etc., vilka kommer att tillåta att antennsignalerna bearbetas. Den unika polarisationsinformationen från antennanordningen möjliggör att signalen bearbetas för att upphäva oönskade effekter och öka antennsystemets allsidighet. Alltså är det kombinationen av antennanordningen tillsammans med specialbyggda signalbearbetningsalgoritmer som ger full användbarhet av uppfinningen.

Den föreliggande uppfinningen kommer emellertid endast täcka antennanordningen själv och inte de speciella signalbearbetnings- algoritmerna.

Den föreliggande uppfinningen fastställs av det oberoende patentkraven 1 och olika utföringsformer fastställs av de beroende patentkraven 2 till 9. ø o o o oo 517 524 v ø o Q wo 3 KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen tillsammans med ytterligare ändamål och fördelar med denna kan bäst förstås genom att hänvisa till följande beskrivning läst tillsammans med de medföljande ritningarna, i vilka: FIG. 1 FIG. 2 FIG. 3 FIG. 4 FIG. 5 FIG. 6 FIG. 7 FIG. 8 illustrerar en föredragen utföringsform av en grupp polarisa- tionsceller med varje cell bestående av två korsade dipolantenner och en monopolantenn, är en mer detaljerad vy av en utföringsforrn av en polarisationscell använd i FIG. 1, visar en annan föredragen utföringsform där fyra polarisations- celler i enlighet med FIG. 2 placeras i en vertikal rad för att bilda en gruppkolumn, illustrerar ännu en utföringsform av en gruppkolumn, illustrerar en annan utföringsform av en polarisationscell använd i FIG. 4, illustrerar en ytterligare utföringsform av en polarisationscell, vilken kan användas i gruppkolumnen enligt FIG. 4, demonstrerar i ännu en ytterligare utföringsform hur dipolantenner kan kombineras med ramantenner för att bilda polarisationscellerna i en gruppkolumn, illustrerar en mer detaljerad utföringsform av polarisationscellerna använda i FIG. 7, samt 517 524 4 FIG. 9 beskriver ett exempel på hur polarisationscellen görs av slitsantenner och monopoler för att bilda en grupp i en annan föredragen utföringsform.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Den föreliggande uppfinningen består av ett speciellt arrangemang med antenner. Arrangemanget kan uppdelas i två nivåer: en cellnivå och en gruppnivå.

Antennarrangemanget är ett aggregat eller en grupp av ett antal funktionellt odelbara enheter, som benämns tredimensionella polarisationsceller. Där det inte finns någon risk för missförstånd, kommer vi helt enkelt att använda termen polarisationscell. Funktionen för var och en av dessa celler är att åtkomma tre fältstyrkor i det elektromagnetiska fältet. För detta ändamål utgörs cellerna av tre antenner som är linjärt oberoende i rymden.

En polarisationscell sedd som en enhet generaliserar en solitär antenn på följande sätt. Det är väl känt att den öppna kretsspänningen V00 vid anslutningarna på en antenn är proportionell mot ett elektriskt fält E som infaller mot antennen från riktningen 49, qi och proportionalitetsfaktorn är en vektor benämnd antennens effektiva vektorlängd (t.ex. se Balanis, "Antenna Theory: analysis and design", second ed., John Wiley ös Sons, New York, 1997). Just som för vilken antenn som helst antenn finns det en associerad effektiv vektorlängd, en polarisationscell är associerad med en effektiv längdmatris lg, så att V1 11,x l1,y 11,2 Ex V2 = l2,x 12, y 12,2 E y ( 1 ) V3 l3,x 13, y ' 13,2 Ez där antennema är markerade som {1, 2, 3} och {x, y, z} anger rumsliga Kartesianska komponenter. Vidare, måste matrisen lg ha egenskapen att den är ickesingulär för de flesta infallsriktningar och alltså är den inverterbar u a | | nu 517 524 5 och därför kan hela det elektriska fältet E återskapas från spännings- mätningarna.

Så länge som den effektiva vektorlängden är linjärt oberoende är det alltid möjligt att finna en representation där den effektiva längdmatrisen 1,-,- är diagonal, se t.ex. vilken lärobok som helst i linjär algbra.

Som en illustration, betrakta specialfallet där polarisationscellen består av tre ortogonala Hertz-dipoler (korta), orienterade längs de Kartesianska x-, y- respektive z-riktningarna. I detta triviala fall i vilket effektiva längdens modul är lika med den fysiska längden L för antennen (kom ihåg att L<<7t), får Ekv. 1 formen V, 1,, o o E, - LE, Vy = o zy o Ey _ -LEy (2) V, o o zz E, - LE, Vi kan därvid enklet erhålla det vektorelektriska fältet E = (-l/ L)-V, ur de tre spänningsmätningarna. En liknade diskussion kan även genomföras för magnetiska antenner.

Det existerar oändligt många sätt att bygga polarisationscellen, men vad som är viktigt är funktionen att mäta hela fältet och inte uppenbarelsen av den tredimensionella polarisationscellen själv. Den tredimensionella polarisationscellen kan, till exempel, göras för att mäta det elektriska fältets tre komponenter.

Genom kombination av dipoler och ramar kan en polarisationscell konstrueras som mäter delar av, eller hela, elektriska fältet och delar av, eller hela, magnetiska fältet. Den enklaste version av en sådan polarisationscell är att kombinera två elektriska antenner med en magnetisk antenn, eller att kombinera en elektrisk antenn och två magnetiska antenner. 517 524 Ett antal polarisationsceller sätts ihop för att bilda ett gruppmönster.

Mönstret är sådant att en ytarea täcks av cellerna. Detta kan klart uppnås på otaliga sätt. Gruppen manifesterar sig själv som struktur vilken bär antennerna och tillhandahåller ett organ för montering. Den innehåller också matningsinfrastrukturen mellan antennerna och den yttre radio- utrustningen.

Separationen av polarisationscellema behöver inte vara regelbunden med lika avstånd mellan två närbelägna celler. En regelbunden separation skulle förenkla, men den är inte fysiskt nödvändig.

Gruppen måste bestå av åtminstone två polarisationsceller, men det finns ingen övre gräns för hur många polarisationsceller som kan finnas i en gfU-PP- Polarisationscellerna som bildar gruppen kan monteras på ett bakplan.

Närvaron av ett bakplan gör det enklare att mata polarisationscellerna genom kablar på baksidan av bakplanet med hänsyn till polarisations- cellerna. På baksidan av bakplanet, kan radiokomponenter monteras för att få dem så nära antennen som möjligt. I detta fall kan det vara fördelaktigt att innesluta komponenterna. Inneslutningen kan till exempel göras genom att göra hela bakplanet i form av en låda.

En radom kan monteras över gruppen så att den täcker polarisationscellerna och skyddar mot fukt, regn, snö och is. Detta skulle tillhandahålla mer stabila omgivningsförhållanden för gruppen.

BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM En föredragen utföringsform av den föreliggande uppfinningen visas i Figur 1. I detta fall finns det två olika typer av polarisationsceller 5 och 10. Åtskilliga av dessa polarisationsceller monteras på ett bakplan 15 för att bilda en rektangulär grupp. Polarisationscellen 5 består av en korsad dipol . | ø n un u 517 524 ø n n u :o 7 20 och en monopol 25. Den andra polarisationscellen 10 har positionerna för den korsade dipolen och monopolen utbytta. När gruppen formas placeras de två typerna av polarisationsceller så att varje korsad dipol 20 är omgiven av fyra monopoler 25 och varje monopol 25 är omgiven av fyra korsade dipoler 20, utom vid gruppens kanter. Gruppen utsträckning kan vara större eller mindre an vad som visas i figuren.

I Figur 2 visas den korsade dipolen 20 i detalj. De två dipolerna 30 och 35 är vinkelräta mot varandra och båda monterade 45° från vertikalen på en isolerande del 40. Den isolerande delen håller dipolerna på plats och tillhandahåller organ för matning av dipolema genom separata kablar 45 och 50 genom dess inre. Ett rör 55 är också fäst mot den isolerande delen och den andra änden av röret är monterad på bakplanet för att hålla den korsade dipolen i ett fast läge över bakplanet. Inuti röret år belägna kablar för matning.

Monopolen 25 består av ett antennelement 70 monterat på bakplanet genom en isolerande cylinder 75 som isolerar antennelementet från bakplanet.

Cylindern tillhandahåller också ett hål genom vilket monopolen matas 80.

Kablarna för matning av antennerna går genom öppningar i bakplanet placerade där röret 55 och cylindern 75 är monterade på bakplanet. Kablar för matning 90 dras på andra sidan av bakplanet i förhållande till antennerna.

Figur 3 illustrerar en ytterligare utföringsform av en enkel gruppkolumn bestående av fyra polarisationsceller 5. I en variant av den enkla kolumnen kan den naturligtvis utformas att ha varannan cell som polarisationscell 5 och varannan cell som polarisationscell 10.

Figur 4 visar i enlighet med den föreliggande uppfinningen hur en annan polarisationscell 105 än den beskriven i Figur 1 och 2 kan bilda ännu en annan konfiguration. I figuren monteras fyra polarisationsceller på ett 517 524 8 bakplan 110 och separeras längs den vertikala riktningen.

Polarisationscellen kan utföras på otaliga olika sätt och Figur 5 och 6 illustrerar två versioner identifierade genom hänvisningsbeteckningarna 120 respektive 125.

Polarisationscellen 120 enligt Figur 5 har tre ortogonala monopoler monterade vinkelrätt mot varanda och med samma vinkel mot bakplanet 110. Orienteringen av monopolerna är sådan att projektionen av en av dem 130 på bakplanet pekar uppåt längs den vertikala riktningen.

Projektionerna av de andra två dipolerna 135 och 140 på bakplanet år riktade 120 grader från den vertikala projektionen av 130.

För att behålla monopolerna på plats, är de monterade på en isolerande del 145 som tillhandahåller organ för matning av dipolema genom tre separata kablar 150 genom dess inre. Matningskablarna är placerade inuti isolatorn och går genom en öppning i bakplanet och ut på andra sidan av bakplanet i förhållande till antennerna.

Polarisationscellen 125 enligt Figur 6 är liknande polarisationscellen beskriven i Figur 1. Skillnaden är emellertid att en ytterligare monopol 170 är monterad i mitten av de korsade dipolerna 175 och 180, och vinkelrät mot dessa. Mätningen av monopolen är densamma som mätningen för vilken som helst av de tre monopolema 130, 135 och 140. Mätningen för de korsade dipolema är identisk med vad som beskrevs för de korsade dipolerna 30 och 35 i Figur l.

I enlighet med den föreliggande uppfinningen illustreras en ytterligare utföringsform i Figur 7. En grupp av fyra polarisationsceller 200 är placerad längs den vertikala riktningen och monterade på ett bakplan 210. Figur 8 visar denna polarisationscell i detalj och det är uppenbart att den består av två delar. Den första delen består av de korsade dipolerna 220 och 225 liknande som de beskrivs i detalj i Figur 2. Den andra delen är en ramantenn 230, monterad runt den korsade dipolen och över bakplanet . . a o u. u 517 524 , , a ø un 9 210. För att behålla ramen i läge används hållare 235. Ramantennens matning 240 görs genom en öppning 245 i bakplanet. Matningen behöver inte vara vid högra sidan av ramen, vilket är uppenbart för en fackman inom antennteknik. Inte heller behöver storleken på ramantennen vara exakt som indikerat i Figur 7. Den kunde göras antingen mindre eller större jämfört med storleken på dipolantennerna.

I Figur 9 visas det i enlighet med den föreliggande uppfinningen hur slitsantenner kan kombineras med en monopolantenn för att bilda en polarisationscell. Fyra sådana polarisationsceller bildar antenngrupp- kolumnen liknande Figur 4. Polarisationscellen består av två vinkelräta slitsantenner 310 och 320 som bildar polarisationscellen tillsammans med monopolen 330, monterad vinkelrätt mot bakplanet 340. Monopolen är av samma slag som monopolen 25 beskriven i detalj i Figur 2.

TILLÄMPN IN GAR AV DEN FÖRELIGGANDE UPPFINNINGEN Den föreliggande uppfinningen har otaliga tillämpningar av vilka de flesta har att göra med förbättringen av signalkvalitet i trådlös kommunikation.

Mobil kommunikation är genom sin natur sant tredimensionell och därför är den föreliggande uppfinningen i viss mån optimal eftersom den tillhandahåller det fullständiga elektriska SD-fältet vid flera olika rumsliga punkter. Kännedomen och kontrollen av det fullständiga elektriska fältet kan användas för att erhålla otaliga förbättringar inte föreliggande eller ens möjliga i vanliga antennsystem. Till exempel kan viss typer av fädning minimeras genom lämplig polarisationsbearbetning på ett sätt analogt med hur polariserade solglasögon minimerar reflektioner från havsytan. En annan tillämpning är bestämningen av ankomstriktning genom att beakta den transversala egenskapen för elektromagnetiska vågor som utbreder sig.

Med avseende på användningen av den föreliggande uppfinningen för sändning och digital strålformning, noterar vi att den har fördelar jämfört med en plan grupp eftersom den föreliggande uppfinningen har ytterligare kontroll av komponenten i normalen mot gruppen. 517 524 , . u ø en 10 Det kommer att inses av fackmannen att den föreliggande uppfinningen kan gestaltas i många andra speciñka former utan att avvika från dess andemening eller väsentliga karaktär. De för närvarande visade utföringsformerna betraktas därför i alla avseenden vara illustrativa och inte begränsande. Uppfinningens omfattning indikeras av de bifogade patentkraven snarare än den föregående beskrivning och alla ändringar som faller inom betydelsen och området för dess ekvivalenter avses vara innefattade däri.

Claims (9)

' « . 517 524 11 PATENTKRAV

1. Antennanordning för användning av tredimensionell elektro- magnetisk fältinformation inherent i en radiovåg, kännetecknad av åtminstone två polarisationsceller som vardera innefattar första och andra strålningselement för en första och andra polarisationsriktning och ett tredje strålningselement för en tredje strålningsriktning , varvid ett matningssystem och mellankopplingar för polarisations- cellerna skapar ett organ för att selektera signaler med tre olika polarisa- tionsriktningar för att därmed göra tillgänglig tredimensionell elektro- magnetisk fältinformation för en föreliggande radiofrekvent våg.

2. Antennanordning för användning av tredimensionell elektro- magnetisk fältinformation inherent i en radiovåg, kännetecknad av att en första typ av polarisationscell (5) innefattar ett första par strålningselement (20) för en första och andra polarisationsriktning och ett monopolelement (25) för en tredje polarisationsriktning, en andra typ av polarisationscell (10) innefattar ett andra par strålningselement för den första och andra polarisationsriktningen och ett monopolelement för den tredje polarisationsriktningen med placeringarna av det andra paret strålningselement och monopolelementet bytta jämfört med den första typen av polarisationscell, en grupp bildas av de två typerna av polarisationsceller så att ett antal första par och andra par av strålningselement omges av monopol- element och varje monopolelement för den tredje polarisationsriktningen omges av par av strålningselement för den första och andra polarisations- riktningen.

3. Antennanordning enligt krav 2, kännetecknad av att det första och andra paret strålningselement för den första och andra polarisations- riktningen utgör korsade dipoler (30, 35) placerade över ett bakplan som bår monopolelement (70) för den tredje polarisationsriktningen. ' ~ . 517 524 12

4. Antennanordning enligt krav 1, kännetecknad av att ett första strålningselement (310) för den första polarisationsriktningen och ett andra strålningselement (320) för den andra polarisationsriktningen utgör slitsstrålare med en vinkel mot varandra i ett bakplan som bär ett monopolelement för den tredje polarisationsriktningen.

5. Antennanordning enligt krav 3 eller 4, kännetecknad av att strålare för den första och andra polarisationsriktningen är ortogonala mot varandra och mot elementet för den tredje polarisationsriktningen.

6. Antennanordning enlig krav 1, kännetecknad av att en gruppkolumn bildas inom vilken varannan polarisationscell år vänd 180 grader, så att första och andra strålningselementen för den första och andra polarisationsriktningen kommer att vara placerade över ett strålnings- element för den tredje polarisationsriktningen och vice versa.

7. Antennanordning enlig krav 1, kännetecknad av att polarisationscellen består av tre ortogonala monopoler monterade vinkelrätt mot varanda och med en samma vinkel mot bakplanet (110, 210), varvid orienteringen av de ortogonala monopolerna är sådan att en projektion av en första ortogonal monopol (130) på bakplanet pekar uppåt längs en vertikal riktning och projektioner av en andra (135) och tredje (140) ortogonal monopol på bakplanet (110) är riktad 120 grader från den vertikala projektionen av den första ortogonala monopolen (130).

8. Antennanordning enlig krav 1, kännetecknad av att de första och andra strålningselementen för den första och andra polarisationsriktningen utgör korsade dipoler som i sitt centrum vidare bär ett isolerat monopolelement (170) för den tredje polarisationsriktningen. f .. _ 517 524 o o n n a n. 13

9.. Antennanordning enlig krav 1, kânnetecknad av att de första och andra strålníngselementen för den första och andra polarisatíonsriktningen utgör korsade dipoler (175, 180) placerade över ett bakplan som bär en ramantenn (230) för mottagning av en ytterligare polarisation.