SE531826C2 - Antennarrangemang - Google Patents

Description

W 15 20 25 30 533% EEE 2 del inuti denna struktur. Ledarna har vanligen ganska små di- mensioner och tillför på grund av detta resistiva förluster.

Typiskt tillför sådana rmtningsnät, tillsammans med fasvrida- ren, förluster i storleksordningen 1-3 dB. Detta kommer att re- sultera i l-3 dB lägre antennförstärkning. Ökad antennförstärkning innebär ökad räckvidd, högre kapacitet och bättre tjänstekvalitet för en basstation. och kommer att innebära avsevärda besparingar och större intäkter för ope- ratören. Ändamålet med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma en ny antenn med varierbar tiltvinkel och med en högre antenn- ântenflêr förstärkning kända än tidigare med variabel tilt- vinkel.

Detta ändmål uppnås med en antenn, som har en inställbar diffe- rentiell fasvridare innefattande en dielektrisk del som är an- ordnad i antennen och som kan röra sig i längdriktningen i för- hållande till åtminstone en koaxialledning.

Föreliggande uppfinning hänför sig till en antenn, som använder sig av en ny typ av inställbar differentiell fasvridare, vilken lätt kan integreras i en antenn med ett nßtningsnät med låga förluster såsom beskrivits i sökandens tidigare ansökan WO 2005 /101566 Al. Et: typiskt matningsnät för en antenn med fast tiltvinkel, såsom beskriven i denna tidigare ansökan, visas i Fig. 1. Matningsnätet för antennen innefattar ett antal split- ter/kombinerare (reciproka nätverk), som. delar upp/kombinerar signalen i två eller flera delar. För att förenkla texten kom- mer här enbart den uppdelande funktionen att beskri- (sändande) vas, men splittern/kombineraren är helt reciprok vilket innebär att samma resonemang gäller för den kombinerande (mottagande) funktionen. Genom att ersätta vissa av splittrarna/kombinerarna 10 15 20 25 30 i antennen med fast tiltvinkel med differentiell fasvridare kan en antenn med variabel tiltvinkel åstadkommas. Två exempel på sådana antenner med variabel tiltvinkel visas i Fig.

Fig. 3, 2 och i men även andra utformningar är möjliga.

Den differentiella fasvridaren är en anordning som innefattar Skill- naden i fas hos signalerna som kommer från splittern kommer att en splitter med en ingång och två eller fler utgångar. variera beroende på fasvridarens inställning.

Fasvridningen åstadkommes genom att förflytta en dielektrisk del, som är belägen mellan den inre ledaren och den yttre leda- ren hos koaxialledningarna. Det är en känd fysisk egenskap att införande av ett material med högre permittivitet än luft i en transmissionsledning kommer att reducera fashastigheten hos en våg, som rör sig längs transmissionsledningen. Detta kan också uppfattas som att signalen fördröjs eller att det tillförs av en fasfördröjning jämfört med en koaxialledning som inte har något dielektriskt material mellan de inre och yttre ledarna.

Inställbara fasvridare användande principen med införande av ett dielektriskt material i en koaxialledning har också be- skrivits i t.ex. US-A-4 788 515, men detta dokument beskriver en fasvridare där de dielektriska delarna är mer eller mindre införda i koaxialledningen för att variera den absoluta fasför- skjutningen genom anordningen, medan föreliggande uppfinning beskriver en differentiell fasvridare där den dielektriska de- len förflyttas inuti koaxialledningen för att variera den rela- tiva fasen eller de relativa faserna som kommer från de två el- ler flera utgångarna.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare i anslutning till ett par icke begränsande utföringsexempel visade på de åtföl- jande ritningarna, där Fig. 1 visar ett exempel på ett vanligt 10 15 20 25 30 825 4 matningsnät för en antenn med fast tiltvinkel enligt känd tek- nik, Fig. 2 visar ett matningsnät för en antenn med variabel tiltvinkel, innefattande differentiell fasvridare, Fig. 3 visar ett matningsnät för en annan antenn med varierbar tiltvinkel, innefattande differentiella fasvridare tillsammans med en för- dröjningsledning, Fig. 4 visar en första föredragen utförings- form av en differentiell fasvridare enligt föreliggande uppfin- ning, Fig. 5 visar en tvärsnittsvy av den differentiella fas- vridaren i Fig. 4, Fig. 6 visar en utföringsform av en dielekt- risk del hos den differentiella fasvridaren i Fig. 4 och Fig. 5, Fig. 7 visar en andra föredragen utföringsform av en diffe- rentiell fasvridaren enligt uppfinningen, Fig. 8 visar en tvär- snittsvy av den differentiella fasvridaren i Fig. 7, och Fig. 9 visar en utföringsform av en dielektrisk del hos den differen- tiella fasvridaren i Fig. 7 och 8.

En utföringsform av en differentiell fasvridare enligt förelig- gande uppfinning visas i Fig. 4. Den differentiella fasvridaren innefattar en ingående koaxialledning 1, en första utgående koaxialledning 2 och en andra utgående koaxialledning 3, varvid båda koaxialledningarna i detta exempel har samma längd. En strängsprutad metallprofil 8 används som yttre ledare för alla koaxialledningar, på samma sätt som beskrivits i WO 2005/l0l566 Al. Den ingående koaxialledningens inre ledare 4 är ansluten till. den första. utgående koaxialledningens inre ledare 5 och den andra utgående koaxialledningens inre ledare 6 via ett överbryggande element 7 täckt av ett ledande lock 10. Denna differentiella fasvridare kan typiskt användas i en antenn med t.ex. 4, 8 eller 16 strålningselement, varvid ett exempel visas i Fig. 2. Den differentiella fasvridaren i Fig. 4 kan också användas i andra konfigurationer, t.ex. såsom visas i Fig. 3.

En dielektrisk del 9 fyller delvis utrymmet mellan de inre och yttre ledarna hos de första och andra utgående koaxialledning- N 15 20 25 30 m! ua Ew ßw U! 5 ârnä.

Den dielektriska delen har en permittivitet, som är högre än den för luft.

Den dielektriska delen kan förflyttas längs den första och andra utgående koaxialledningarna 2 och 3, och har på så sätt varierande positioner dessa langs koaxialledningar. Vi ser först på fallet när den dielektriska delen 9 år placerad i en central position och fyller ut lika mycket av de första och andra utgående koaxialledningarna. När en signal kommer in genom den ingående koaxialledningen 1 kommer den att delas upp mellan den första utgående koaxialledningen 2 och. den andra utgående koaxialledningen 3 och signalerna som kommer ut ur de två utgående koaxialledningarna kommer att ha samma fas.

Om den dielektriska delen 9 förflyttas på sådant sätt att den första utgående koaxialledningen 2 kommer att *vara nær fylld med dielektriskt material än den andra utgående koaxialledning- en 3, kommer fasförskjutningen från ingången till den första utgången att öka. Samtidigt kommer den andra utgående koaxial- ledningen 3 att vara mindre fylld med dielektrikat och fasför- skjutningen från ingången till den andra utgången kommer att minska. Följaktligen kommer fasen vid den första utgången att ligga efter fasen vid den andra utgången.

Om den dielektriska delen förflyttas i motsatt riktning kommer fasen vid den första utgången att ligga före fasen vid den andra utgången.

Fig. 5 visar ett tvärsnitt av en tvåvägs differentiell fasvri~ dare. Det framgår att den dielektriska delen 9 delvis fyller ut utrymmet mellan den inre ledaren 6 och den yttre ledaren 8. På grund av det överbryggande elementet 7 kan den dielektriska de- len 9 inte helt omge den inre ledaren 6 och därför måste den ha en öppning vid ena sidan.

Denna C-formade tvårsektion kommer 10 15 20 25 30 ,v~ 4.1 r.- »J '- i' 8 6 att ge den bästa utfyllnaden av koaxialledningen och följaktli- gen kommer den differentiella fasvridaren att införa den maxi- mala fasförskjutningen för en given förflyttning av den di- elektriska delen. dielektriska delen i för- Positionen hos den hållande till de yttre och inre ledarna påverkar fasförskjut- ningen och ledningsimpedansen och under sin förflyttning är den lämpligen styrd av väggarna bildade av den yttre ledaren. Den dielektriska delen kan företrädesvis vara gjord av ett poly- mermaterial fyllt med som är ett keramiskt pulver med hög permittivitet, men andra material kan också användas.

I en annan utföringsform har den differentiella fasvridaren en ingång och tre utgångar. En sådan trevägs differentiell fas- vridare visas i Fig. 7. I denna utföringsform innefattar fas- vridaren en ingående koaxialledning 21, 23 och 24, tre utgående koaxial- ledningar 22, ett överbryggningselement 29, ett le- dande lock 33 och den dielektriska delen 31. Det kan noteras att signalen vid utgången från koaxíalledningen 24 alltid kom- mer att ha samma fasvridning oavsett läget för den dielektriska delen och den relativa fasen för de två andra utgångarna 22 och 23 kommer att variera enligt samma principer som beskrivits för den tvåvägs differentiella fasvridaren ovan. På motsvarande sätt innefattar var och en av koaxialledningarna en inre ledare 25, 26, 27 respektive 28, liksom en ytterledare 30 som företrädesvis är en Denna integrerad del av antennreflektorn. differentiella fasvridare kan användas i en antenn med t.ex. 3, 5, 6, 10, l5 eller 20 stràlningselement, men andra konfigura- tioner kan också användas.

Fig. 9 visar en annan utföringsform av den dielektriska delen 31 som kan användas för den trevägs differentiella fasvridaren.

På grund av formen på överbryggningselementet 29 är tvärsektio- nen hos den dielektriska delen U-formad. Användningen av denna utföringsform av den dielektriska delen är inte begränsad till 10 15 20 25 30 Ü? ImLI nå! W? ns Ûï 7 den trevägs differentiella fasvridaren. Andra utföringsformer av den dielektriska delen är också möjliga.

En splitter/kombinerare som beskriven ovan används typiskt i ett 50 ohm system. Om de två utgående koaxialledningarna 2 och 3 var 50 ohm ledningar skulle den ingående koaxialledningen se 25 ohm vid förgreningspunkten mellan de två utgående koaxial- ledningarna. Detta kommer att medföra en missanpassning av im- pedansen. För att bibehålla 50 ohm vid ingången är det nödvän- digt att införa impedanstransformering i de utgående koaxial- ledningarna, i den ingående koaxialledningen, i överbryggnings- elementet eller i en kombination ¿nr dessa.

Denna impedansan- passning uppnås vanligen genom att variera diametern på segment längs de inre ledarna och/eller genom att variera dimensionerna på överbryggningselementet, eller dess position i. förhållande till den yttre ledaren. Om impedanstransformeringen är densamma i båda de utgående koaxialledningarna, delas kommer ineffekten att lika lnellan. de två utgångarna och cm1 impedanstransfor- meringen inte är densamma i de två utgående koaxialledningarna kommer effekten att delas olika. Olika effektdelning kan användas för att forma antennens strålningsdiagram.

Införandet av den dielektriska delen inuti de utgående koaxialledningarna kommer inte bara att skapa en fasvridning, utan det kommer också att sänka den karaktäristiska impedansen hos de utgående koaxialledningarna. Det är därför nödvändigt att lägga till impedanstransformeringssektioner vid övergång- arna mellan de delar av de utgående koaxialledningarna som är fyllda med den dielektriska delen och de delar som inte är fyllda. När den dielektriska delen förflyttas längs de utgående koaxialledningarna är det inte möjligt att göra en fast anpass- ning genom att justera diametern på segment avs de utgående koaxialledningarna såsom beskrivits ovan. I stället erhålles impedanstransformeringen genom att man reducerar mängden di- 10 15 20 25 30 w' n hf' 13 hå m 8 elektriskt material i ändsegmenten av den dielektriska delen.

Längden på dessa segment är vanligen en kvarts våglängd. En första utföringsform av den dielektriska delen visas i Fig. 6, med “två inpedansanpassningssektioner 41 och 42, och en, andra utföringsform av den U-formade dielektriska delen visas i Fig. 9, med impedansanpassningssektioner 45 och 46. Impedansanpass- ningen av den differentiella fasvridaren måste ta hänsyn till den lägre impedansen i_ de utgående koaxialledningarna orsakad av närvaron av den dielektriska delen.

Såsom noterats ovan, för att uppnå högsta fasvridning för en given förflyttning av den dielektriska delen, är det nödvändigt att fylla ut utrymmet xnellan. den inre ledaren. och den yttre ledaren med så mycket dielektriskt material som möjligt och att också använda material med en hög permittivitet, såsom det keramikfyllda materialet föreslaget ovan. Keramisk fyllning kan dock förorsaka märkbar friktion mellan den dielektriska delen och de inre och yttre ledarna. För att minska friktionen är ett betydande mellanrunx mellan, den inre ledaren och den dielekt- riska delen nödvändigt på grund av* dimensions- och geometri- toleranser. Genom att placera ett polymerskikt 12 eller 32 av något mjukt material, såsom PTFE, runt den inre ledaren kan det bli möjligt att låta den dielektriska delen beröra detta skikt.

Detta skikt kan typiskt vara ett PTFE-rör, men även andra utfö- ringsformer kan användas. Detta polymerskikt behöver inte helt omge den inre ledaren. Om skiktet är gjort av ett material som har högre permittivitet än luft, såsom PTFE, kommer detta också att öka fasvridningen för en given förflyttning av den di- elektriska delen även om polymerskiktet har en fast position längs koaxialledningen.

Antenner med variabel för att kunna 0 till lO tiltvinkel är utformade variera tiltvinkeln inom ett bestämt område, t.ex. grader. Om det erforderliga tiltområdet är mellan x grader och 10 15 20 25 30 9 y grader kommer det grundläggande matningsnätet, med fasvri- darna inställda i sina centrala positioner, att vara utformat för att ge en tiltvinkel av (x+y)/2 grader (mitt-tiltvinkel).

Fasvridarna kommer då att tillåta tiltvinkeln att variera över ooh under denna mitt-tiltvinkeln.

Vid användning av den trevägs differentiella fasvridaren visad i Fig. 7 kommer den utgående koaxialledningen 24 att ha en av- sevärt lägre fördröjning än de två andra utgående koaxialled- ningarna 22, 23.

Det är därför nödvändigt att införa en extra fasvridning i form av en fördröjningsledning visad i Fig. 3. En sådan fördröjningsledning kan vara förverkligad inom den öppna koaxialledningsstrukturen som är beskriven i WO 2005/101566 Al, t.ex. genom att variera diametern på den inre ledaren.

Såsonl beskrivits i WO 2005/lOl566 Al, för att minska strål- ningsförluster, dande kan det vara fördelaktigt att använda ett le- Look lO, 33 över förbindelsen mellan den ingående koax- ialledningen och de två utgående koaxialledningarna. Detta är också fallet med den differentiella fasvridaren i Fig. 4 och 7.

De ledande looken är visade med streokade linjer i Fig. 4 och 7 för åskådlighets skull.

Förutom detta kan ett nytt problem uppstå vid införande av di- eiektriska delar i koaxialledningar. När ett dielektrikum in- förs kommer våglängden på en våg som propagerar sig längs koax- ialledningen att bli kortare. Det har till följd att vid högre frekvenser kan våglängden närma sig dimensionerna för koaxial- ledningens tvärsektion. Detta kan förorsaka att andra moder än den normala TEM-moden propagerar sig. Detta kan resultera i strålningsförluster från slitsen i de utgående koaxialledning- arna. En viktig parameter vid dimensionering av en antenn är kvoten mellan strålningen framåt och bakåt (”frOnï't0“baCk ratio”) som typiskt bör hållas så hög som möjligt. Om de utgå- 10 15 20 25 30 10 ende koaxialledningarna strålar kan denna kvot minska. Genom att införa av ledande lock ll, över den del av visade i Fig. 4, de utgående koaxialledningarna där den dielektriska delen 9 kan vara belägen, kan denna strålningseffekt förhindras eller åt- minstone reduceras. Locken ll kan vara galvaniskt anslutna till de yttre ledarna 8 hos de utgående koaxialledningarna eller kapacitivt kopplade till nämnda yttre ledare genoni ett tunt isolerande skikt. På grund av begränsningar orsakade av den mekaniska utformningen kan det vara omöjligt att täcka hela längden av de utgående koaxialledningarna där den dielektriska delen kan vara belägen. Användning av lock ll som täcker enbart en del av längden där den dielektriska delen 9 kan vara belägen är i de flesta fall tillräckligt för att reducera strålning och uppfylla kraven på att hålla ”front-to-back ratio" och för stràlningsförluster försumbara.

En annan lösning kan vara att använda utgående koaxialledningar utan slitsar. Bearbetning kommer då att krävas för att öppna upp de utgående koaxialledningarna för att komma åt den di- elektriska delen 9.

Om den dielektriska delen är symmetrisk kring ett plan genom centrum av den inre ledaren och detta plan är vinkelrätt mot antennreflektorn såsom visas i Fig. 8, kommer enbart TEM-mode att propagera sig och stràlningsförlusterna beroende på bristen på symmetri nämnd ovan kommer att elimineras. Locket 33 över det överbryggande elementet kommer i alla fall att behövas.

Hittills har i denna ansökan enbart diskuterats en enkelpolari- serad antenn innefattande ett matningsnät, men samma idéer kan användas för en antenn med dubbel polarisation. I en sådan utformning skulle antennen innefatta två matningsnät, ett mat- ningsnät för var och en av de två polarisationerna.

Claims (15)

1. 0 15 20 25 30 UI üï .Hål G! J U? 11 Patentkrav l. Antennarrangemang för en basstationsantenn med flera strål- ningselement, där antennen har ett matningsnät baserat på luft- fyllda koaxialledningar (l, 2, 3; 21, 22, 23, 24), dar varje koaxialledning innefattar en yttre ledare (8; 30) och en inre ledare (4, 5, 6; 25, 26, 27, 28), k ä n n e t e c k n a t av att en inställbar differentiell fasvridare innefattande en di- elektrisk del (9; 31) är anordnad i antennen och den dielekt- riska delen (9: 31) är förflyttbar i längdriktningen i förhål~ lande till åtminstone en koaxialledning (l, 2, 3; 21, 22, 23, 24).

2. Antenn enligt krav l, K ä 11 n e t: e c k ri a d av att koaxialledningarna och den inställbara differentiella fasvri- daren är integrerade delar av antennens reflektor.

3. Antenn enligt krav l eller 2, (8: k ä n n e t e c k n a d av att de yttre ledarna 30) hos koaxialledningarna har en längsgående slits.

4. Antenn enligt något varvid antennen (1) av de föregående kraven, är försedd med en eller flera uppsättningar av en ingående och två utgående (2, 3) koaxialledningar där de två utgående koaxialledningarna (2, 3) är i linje med varandra men vända i motsatta riktningar och den ingående koaxialledningen (1) är ansluten till ena änden av var och en av de två utgående koaxialledningarna (2, 3) k ä n n e t e c k n a d via ett överbryggande element (7), av att en differentiell fasvridare är anordnad för (2, 3) åtminstone en uppsättning utgående koaxialled- ningar (9) så att genom att förflytta den dielektriska delen som är anordnad i de två utgående koaxialledningarna (2,3) varieras fasen vid utgångarna. 10 15 20 25 30 53% 826 12

5. Antenn enligt något av kraven l-3, varvid antennen är för- sedd med åtminstone en uppsättning av en ingående (21) (22, 23, 24) (22, 23) och tre utgående koaxialledningar där två utgående koaxi- alledningar är i linje med varandra men vända i mot- (24) (22, satta riktningar och den tredje utgående koaxialledningen är parallell med de två andra utgående koaxialledningarna 23) och den ingående koaxialledningen (21) är ansluten till ena änden av var och en av de tre utgående koaxialledningarna (22, 23, 24) via ett överbryggande element (29), k ä n n e t e c k - n a d av att en differentiell fasvridare är anordnad för åt- minstone en uppsättning av i linje med varandra liggande utgå- (22, 23) (31), ende koaxialledningar så att genom att förflytta den dielektriska delen som är placerad i de två i linje med varandra liggande utgående koaxialledningarna (22, 23) varieras fasen vid de två utgångarna (22, 23).

6. Antenn enligt krav 4 eller 5, 31) k ä n n e t e c k n a d av att den dielektriska delen (9; i tvärsektion är åtminstone delvis öppen åt en sida.

7. Antenn enligt krav 5, (31) i k ä n n e t e c k n a d av att den dielektriska delen tvärsektion är huvudsakligen symmet- risk kring ett plan genom centrum av den inre ledaren (26, 27, 28) och detta plan är vinkelrätt mot antennens reflektor.

8. Antenn enligt krav 4 eller 5, k ä n n e t e c k n a d av att den dielektriska delen 30). (9; 31) är styrd av den yttre leda- ren (8;

9. Antenn enligt krav 11 eller 5, k ä n n e t e c k n a d av att den inre ledaren (5, 6; 32) 26, 27) är åtminstone delvis omgi- ven av ett skikt (12: av polymermaterial. 10 15 20 25 53? 825 13

10. Antenn enligt krav 9, av att den (5, 6; k ä n n e t e c k n a d dielektriska delen 26, 27). (9; 3l) är styrd av den inre ledaren

11. ll. Antenn enligt något av kraven 4-10, k ä n n e t e c k n a d (4, 5, 6; 25, 26, 27, 28) varierar och är vald för att bilda impedansanpassande nät. av att diametern på de inre ledarna

12. Antenn enligt krav 4 eller 5, k ä n n e t e c k n a d av att dimensionerna på den dielektriska delen (9; 31) (41, 42; 45, 46) är reduce- rad vid dess ändsegment för att förbättra im- pedansanpassningen.

13. Antenn enligt krav 4 eller 5, k ä n n e t e c k n a d av att den differentiella fasvridaren är åtminstone delvis täckt (10, 33), (8: av ett ledande lock ll; 30) som är galvaniskt anslutet till den yttre ledaren hos koaxialledningarna.

14. l4. Antenn enligt krav 4 eller 5, k ä n n e t e c k n a d av att den differentiella fasvridaren är åtminstone delvis täckt av ett ledande lock (l0, ll; 33), som är kapacitivt anslutet till den yttre ledaren (8: 30) hos koaxialledningarna.

15. l5. Antenn enligt något av de föregående kraven, k ä n n e - t e c k n a d av att antennen innefattar dubbelt polariserade stràlare.