WO2003063290A2 - Phasenschieberanordnung sowie antennenfeld mit einer solchen phasenschieberanordnung - Google Patents

Phasenschieberanordnung sowie antennenfeld mit einer solchen phasenschieberanordnung Download PDF

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WO2003063290A2
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Definitions

  • the present invention relates to the field of RF technology. It relates to a phase shifter arrangement according to the preamble of claim 1 and an antenna field with such a phase shifter arrangement according to the preamble of claim 17.
  • phase shifter arrangement or antenna field is known, for example, from US-B1-6,310,585. STATE OF THE ART
  • antenna fields (“antenna arrays”) or antennas have been known for a long time for the equipment of the base stations, in which several individual radiators are arranged one behind the other in an attachment direction and are controlled via a common feed network.
  • antennas In order to be able to take better account of the different conditions at the location of the respective base station and the interaction with other base stations, it has proven to be advantageous to provide the antennas with a possibility for “down tilt”. This can basically be done in a purely mechanical way, in that the antenna is designed to be adjustable at its attachment points on the mast. The disadvantage here is that such a mechanical tilting can only be set and changed with great effort and usually requires climbing the mast.
  • radiators in these antennas each have two radiator elements for the two polarizations and are configured, for example, as cross dipoles or correspondingly designed patch radiators.
  • phase shifter 40 in Fig. 1; 440 in Fig. 3
  • a phase shifter is assigned to each of the two radiator elements of a radiator within the feed network, in which, for example, a microstrip line is covered to a greater or lesser extent by a displaceably arranged dielectric (column 3, lines 61-65; column 5, lines 1-18). Details of the phase shifters and the associated microstrip lines cannot be found in the document.
  • phase shifters for all radiator elements in one polarization direction are mechanically rigidly coupled to one another by a first rod.
  • the phase shifters for all radiator elements in the other polarization direction are also rigidly mechanically coupled to one another by a second rod.
  • Both rods are in turn rigidly connected to one another by a central support device (415 in FIG. 3) and are driven by a Rjtzej via a toothed rack.
  • several flexible positioning elements (420 in FIG. 3) are provided, which press the dielectrics onto the microstrip lines underneath.
  • a disadvantage of this known phase shifter arrangement is not only the complex shifting mechanism consisting of a large number of individual parts, but also the separate construction of the individual phase shifters, which requires high accuracy during assembly and thus increased assembly effort with an increased susceptibility to errors.
  • phase shifter arrangement of the type mentioned at the outset in such a way that the disadvantages of the known phase shifter arrangements are avoided, and in particular that the structure is simplified and the desired functionality is reliably achieved, and to specify an antenna field with such a phase shifter arrangement.
  • the essence of the invention is to arrange the microstrip lines of the two phase shifters in parallel and to provide a common, displaceable dielectric for changing the electrical length of these microstrip lines of both phase shifters. In this way, only one single displaceable dielectric is required per radiator, by means of which the electrical length for both polarizations is automatically adjusted synchronously. There is therefore only a single row of dielectrics arranged one behind the other in the direction of installation of the antenna field, which can be displaced simultaneously in a particularly simple manner by means of a single rod extending in the longitudinal direction.
  • microstrip lines and the displaceable arrangement of the dielectric are designed such that the electrical length of the two parallel microstrip lines changes in the same way when the dielectric is displaced Mass changes. This ensures that the radiation lobe always has the same orientation for both polarizations.
  • the mechanics become particularly simple if, according to a preferred embodiment of the invention, the microstrip lines extend essentially along a longitudinal axis and the dielectric is displaceable in the direction of the longitudinal axis.
  • the microstrip lines preferably each have at least one center piece which is completely covered by the displaceable dielectric in a first position and is left completely free in a second position. It is favorable for the setting characteristic if the microstrip lines in the middle sections run transversely to the longitudinal direction with a meandering structure, because this leads to a greater change in the electrical length per unit of displacement.
  • the change in the strip width is preferably designed such that when the dielectric is shifted from the second to the first position, the strip width of the covered line sections, starting from a minimum strip width, increases with increasing coverage up to a maximum strip width, the strip width in particular increasing linearly with the displacement path in the longitudinal direction.
  • a particularly favorable variation of the wave resistance around an average value results if the minimum strip width is selected such that when covered with the dielectric, the same wave resistance of the microstrip lines results in the area of the minimum strip width as in the area of the maximum strip width without coverage with the Dielectric.
  • This type of change in the stripe width is advantageous for any phase shifter that works with the displacement of a dielectric above a microstrip line, regardless of whether or not several phase shifters have a common dielectric.
  • phase shifter arrangement according to the invention is further simplified if the microstrip lines of the two phase shifters are arranged and formed on a common printed circuit board. Together with the jointly displaceable dielectric, this results in a high degree of synchronization with a particularly simple structure.
  • the microstrip lines of the two phase shifters are mirror-symmetrical to a central axis of the printed circuit board running parallel to the longitudinal axis.
  • the displaceable dielectric is always in a defined position relative to the microstrip lines below it, it is advantageous if the microstrip lines of the two phase shifters and the common dielectric above are pressed flat against one another by means of a spring plate.
  • a particularly uniform contact pressure results if the spring plate is arranged on the underside of the microstrip lines and is electrically insulated from the microstrip lines by an intermediate insulating plate, and if the spring plate has a plurality of individual spring tongues distributed over the surface.
  • a slider which is displaceable in the longitudinal direction and which can be actuated manually or by a motor from the outside and which engages with the dielectric.
  • This configuration is particularly simple and reliable and has the advantage of maintaining its position if the motor drive fails.
  • a preferred embodiment of the antenna field according to the invention is characterized in that a plurality of jointly displaceable phase shifter arrangements are arranged one behind the other within the feed network, and that connections for connecting the radiators are provided between and after the phase shifter arrangements.
  • FIG. 1 in cross section (FIG. 1A), in top view from above (FIG. 1B) and in longitudinal section (FIG. 1C), a single phase shifter arrangement consisting of two phase shifters according to a preferred exemplary embodiment of the invention;
  • FIG. 2 shows the base plate of the phase shifter arrangement according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows an insulating film of the phase shifter arrangement according to FIG. 1;
  • FIG. 4A Top view (Fig. 4A) and side view (Fig. 4B);
  • FIG. 5 shows an insulating plate of the phase shifter arrangement according to FIG. 1;
  • FIG. 6 shows the printed circuit board with the two microstrip lines of the phase shifter arrangement according to FIG. 1;
  • FIG. 7 the dielectric of the phase shifter arrangement according to FIG. 1;
  • FIG. 8 is a top view from above (FIG. 8A) and a side view from the front (FIG. 8B) shows the slide of the phase shifter arrangement according to FIG. 1; 9 shows the top view from two sides (FIGS. 9A and B) of a printed circuit board with 8 phase shifter arrangements according to the invention for an antenna field with a total of 9 radiators; and
  • Fig. 10 shows the simplified circuit diagram for the antenna field
  • the antenna field comprises a total of 9 radiators 106, .., 114, which are arranged one behind the other (one above the other) in a (vertical) mounting direction.
  • Each of the emitters 106, ..., 114 consists of two individual emitter elements 106a, b (the reference numerals for the emitter elements in the emitters 107, ... 114 have been omitted for the sake of clarity).
  • Each of the radiator elements 106a, b is responsible for a direction of polarization.
  • the two polarization directions are usually perpendicular to one another and usually form an angle of 45 ° with the mounting direction of the antenna field 105.
  • the radiators 106, .., 114 are provided both for the emission and for the reception of radio waves.
  • the radiators 106, .., 114 or radiator elements 106a, b are connected via a feed network 115 to two feed entrances 99a, b, which are arranged within the feed network 115 at the level of the central radiator 110.
  • Each of the two feed inputs 99a, b is assigned to one of the polarization directions and is connected to the corresponding radiator elements. So that the radiators 106, .., 114 form a "phase array" and can emit or record an electrically pivotable beam, phase shifters 91a, b, .., 98a, b are arranged in pairs in the feed network 115. Each pair of phase shifters 91a, b ..., 98a, b forms a phase shifter arrangement.
  • phase shifter pairs 91a, b, .., 98a, b are actuated simultaneously by a manually or motor-driven connecting tongue 116 running in the longitudinal direction (mounting direction), which is also shown in broken lines in FIG. 10.
  • the change in the phase shift in the phase shifters 95a, b, .., 98a, b arranged below the feed inputs 99a, b takes place in the opposite direction to the change in the phase shift in the phase shifters 91a, b, .., 94a, arranged above the feed inputs 99a, b. b (ie, an increase in the phase shift at the bottom corresponds to a decrease in the phase shift at the top, and vice versa), which is indicated in FIG. 10 by the differently oriented arrows in the phase shifters.
  • the middle one of the 9 radiators 106, .., 114, namely the radiator 110, is directly connected to the feed channels 99a, b and therefore works with a constant phase.
  • a pair of phase shifters is assigned to the remaining 8 radiators 106, .., 109 and 111, .., 114. Since the phase shifter pairs 91a, b, .., 98a, b are connected in series within the feed network 115, the individual phase shifts add up, starting from the center.
  • the phase shift to the outside increases in the same steps: the signal fed into the feed inputs 99a, b reaches the radiator 109 with a single phase shift, the radiator 108 with a double phase shift, the radiator 107 with one triple phase shift, and the radiator 106 with a four-fold phase shift.
  • An individual pair of phase shifters or a single phase shifter arrangement now preferably has a structure as shown in the exemplary embodiment of FIGS. 1 to 8, a completely assembled arrangement being shown in different views in FIG. 1, while FIGS. 2 to 8 the individual elements of the arrangement of Fig. 1 show in their order within the arrangement.
  • the printed circuit board 60 shown in FIG. 6 with the microstrip lines 66, 67 only represents the partial section of a longer printed circuit board 90, as is shown in FIG. 9 for the entire antenna field 105 from FIG. 10.
  • the printed circuit board 60 (FIG. 6), which consists, for example, of a base material of 0.5 mm thickness with a double-sided 35 ⁇ m Cu layer, has a continuous Cu coating on the underside and the one shown on the top to a central axis 11 mirror-symmetrical conductor tracks, which form the microstrip lines 66, 67.
  • the printed circuit board 60 is arranged in the phase shifter arrangement 10 of FIG. 1 between a (lower) base plate 20 (FIG. 2) and an (upper) slide 80 (FIG. 8) such that the conductor tracks of the microstrip lines 66, 67 are on the Side of the slider 80.
  • the base plate 20, which can be designed, for example, as an aluminum plate, has on the sides two fastening tabs 21, 22 with corresponding fastening holes 23, 24, by means of which they can be screwed onto an antenna housing.
  • the printed circuit board 60 is fixed with respect to the base plate 20. This is achieved in that two tabs 25, 26 are bent upwards at right angles on the base plate 20 and engage in corresponding openings 64, 65 in the printed circuit board 60 (FIG. 6).
  • the printed circuit board 60 there are also three spaced-apart guide openings 61, .., 63 running parallel to the central axis 11 in the form of elongated holes, into which the slide 80 engages with correspondingly shaped and arranged engagement cams 81, .., 83 (FIG 1; Fig. 8).
  • the guide openings 61, .., 63 define the displacement range of the slide 80 relative to the printed circuit board 60.
  • the slide 80 which for example consist of a plastic and can be an injection molded part, additionally has two side guides 86, 87 which extend over the side edge of the printed circuit board 60.
  • two driver cams 88, 89 are formed in succession in a depression in the longitudinal direction, on which an actuating element (not shown) for the slide can act.
  • two cutouts 84, 85 are provided on the slide 80. see to make room for the tabs 25, 26 which protrude from below through the printed circuit board 60.
  • the actual phase shifters 10a, 10b of the phase shifter arrangement 10 are formed by the interaction of the microstrip lines 66, 67 with a dielectric 70 which is displaceably arranged on the upper side of the printed circuit board 60.
  • the dielectric 70 shown individually in FIG. 7 is made, for example, of an organic ceramic laminate of the type CER-10, as is offered by the US company Taconic, Orlandoh, NY (USA).
  • the fiberglass-reinforced laminate filled with ceramic has a DK of 10 and very good mechanical properties. A plate of this material with a thickness of approximately 0.64 mm is used. Other dielectrics are also conceivable.
  • the dielectric 70 has three spaced-apart, circular engagement openings 71, .., 73, into which the slide 80 engages with its engagement cams 81, .., 83. In this way, the dielectric 70 is fixed relative to the slide 80 and is moved together with the slide 80. Furthermore, two cutouts 74, 75 which are comparable in shape and function to the cutouts 81, 82 of the slide 80 are provided in the dielectric 70.
  • microstrip lines 66, 67 and the dielectric 70 takes place essentially in the area of meandering middle pieces 66b, 67b of the microstrip lines 66, 67, which are each arranged between connecting pieces 66a, c and 67a, c and run transversely to the central axis 11 (FIG 6).
  • Each of the middle pieces 66b, 67b consists of several (in the example of FIG. 6 from 5) line sections 66d,... H running parallel to the central axis 11, which are connected to one another to form the meandering pattern on alternating sides by U or V shaped arc pieces are connected.
  • the line width varies linearly with the length and decreases from left to right. Since the dielectric 70 with the left edge moves exactly in the region of the line sections 66d,... H when moving, regions of the line sections 66d, .., h are covered or not covered with different line widths when the dielectric is moved.
  • the variation in the line width of the line sections 66d, .., h has a special reason: In order to maintain the (usual) characteristic impedance of the microstrip lines 66, 67 of 50 ohms, the line width for the materials and dimensions used is approximately 1.5 mm (without overlying dielectric).
  • the electrical properties can be optimized by providing widened adaptation pieces 68, 69 in the middle pieces 66b, 67b (FIG. 6).
  • the two microstrip lines 66, 67 are - as can easily be seen in FIG. 6 - formed and arranged mirror-symmetrically to the central axis 11.
  • the dielectric 70 is chosen so wide that when it is moved in the direction of the central axis 11, it covers or releases the meandering central pieces 66b, 67b of the microstrip lines 66, 67 in the same way. In this way it is possible to achieve a synchronization between the two phase shifters 10a and 10b and a largely identical phase shifts in both phase shifters 10a, b without great effort and with high functional reliability.
  • the dielectric 70 lies as close as possible to the surface of the printed circuit board 60 carrying the microstrip lines 66, 67 without an air gap.
  • a flat spring plate 40 (FIGS. 4A, B), which is arranged between the base plate 20 and the printed circuit board 60 and presses the printed circuit board 60 from below against the dielectric 70 held in the slide 80.
  • the spring plate 40 - like the base plate 20 - has lateral fastening tabs 41, 42 with corresponding fastening holes 43, 44 which are aligned with the fastening holes 23, 24 of the bottom plate 20.
  • a large number of individual spring tongues 45 which have been produced, for example, from the spring plate 40 by a stamping and bending process, are arranged next to one another over the surface of the spring plate 40.
  • the spring plate 40 is electrically insulated from the base plate 20 by an interposed, thin insulating film 30 (FIG. 3), which is adapted with lateral fastening tabs 31, 32 and fastening holes 33, 34 of the base plate 20 and the spring plate 40.
  • the spring plate 40 is also electrically insulated from the lower Cu ground layer of the printed circuit board 60 by an intermediate, for example 0.5 mm thick insulating plate 50 (FIG. 5) against which the spring tongues 45 press.
  • the insulating plate has openings 54, 55 through which the tabs 25, 26 of the base plate 20 are inserted for fixing.
  • the slot-like guide openings 51, .., 53 are analogous in function and design to the guide openings 61, .., 63 in the printed circuit board 60.
  • FIGS. 1 to 8 relate only to a phase shifter arrangement comprising two phase shifters 10a, b, which is accordingly only suitable for adjusting a doubly polarized radiator.
  • an antenna field 105 comprises more than two, for example 9, radiators 106 ... 114, and several, in example 8, phase shifter arrangements are required for the electrical pivoting of the antenna beam, these phase shifter arrangements are combined with the dining network 1 15 preferably integrated on a single printed circuit board.
  • Such a printed circuit board 90 for a total of 9 radiators and 8 phase shifter arrangements is shown in FIG Fig. 9 reproduced.
  • two microstrip lines 90a, b are formed with branches, which are symmetrical with respect to the central axis 11, and which simultaneously form a feed network with a distribution of the power over a plurality of antenna connections 102a, b, 9B, only the antenna connections for 4 radiators are provided with reference symbols; in total there are antenna connections for 9 radiators or 18 radiator elements).
  • meandering center pieces 91a, b, .., 98a, b are formed within the feed network of microstrip lines 90a, b, each of which is part of a phase shifter arrangement 91, .., 98 comprising two phase shifters.
  • the feed inlets 99a, b are arranged in the middle of the printed circuit board 90.
  • Each of the phase shifter assemblies 91,... 98 - as in FIGS. 1 to 8 - includes a dielectric which can be displaced by means of a slider, a base plate and an insulated spring plate.
  • guide openings 100 and openings 101 are provided in each of the phase shifter arrangements 91,..., 98 for the engagement of the base plate.
  • the (nine) sliders of all phase shifter assemblies 91,..., 98 are in engagement with a common actuating element (not shown) which extends along the central axis 11 over the entire printed circuit board 90 and can be moved in the longitudinal direction manually or by a controlled motor drive can.
  • Phase shifters are required to achieve a variable down tilt in an antenna field (array antenna).
  • the main lobe of the antenna must be able to be lowered at least to the first zero above the horizon.
  • GSM mobile radio technology
  • the down tilt With large antennas, the down tilt must be able to be changed between 0 ° and approx. 8 °; To do this, the phase shifter must be able to change the phase continuously between 0 ° and approx. 45 °. With small antennas, the down tilt must be able to be changed between 0 ° and approx. 16 °; To do this, the phase shifter must be able to change the phase continuously between 0 ° and approx. 85 °.
  • the mechanical length or the ⁇ r can be changed.
  • a patent has already applied for a phase shifter with a change in the mechanical length of the line.
  • a phase change by changing the ⁇ r can be achieved in the case of a microstrip line (microstrip line) by placing a dielectric on the line (see DE-A1 -199 11 905).
  • a plurality of line sections lying parallel to one another are connected to one another by a 180 ° corner to form a meandering structure.
  • a dielectric with a high ⁇ r is pushed over this line structure, a common dielectric being used for two phase shifters arranged next to one another.
  • the maximum possible phase shift is given by the number of line sections and their length, which at the same time corresponds to the sliding path of the dielectric.
  • phase shift of 46 ° is achieved with 5 parallel line sections, and a phase shift of 65 ° is achieved with 7 parallel line sections reached.
  • phase shifters can be connected in series.
  • phase shifter can be integrated very well into a feed network due to an odd number of parallel line sections.
  • phase shifter can also be implemented with an even number of lines, which can be more advantageous for other applications.
  • Each individual line section in the phase shifter has a linearly variable line width (is linearly tapered).
  • the line width is narrower and so wide that the system impedance (50 ⁇ ) is given together with the dielectric pushed over it.
  • the line width corresponds to the normal microstrip.
  • stubs small adjustment pieces
  • phase shifter The mechanics of the phase shifter are as follows: An aluminum base plate is screwed onto the antenna housing and positions the print (the printed circuit board) with the cable structure using 2 bent tabs. The sliding dielectric is on the print. Between the aluminum plate and the print is a spring plate which presses the print against the dielectric. The print (mass), the spring plate and the aluminum plate are isolated from each other by additional insulators.
  • a substrate with a high ⁇ r can be used as the dielectric.
  • This thin plate is held by an additional plastic part (slide), which also has driver cams for the slide device. It is also possible, by choosing a suitable plastic or ceramic, to realize the dielectric plate and the plastic part from one piece.
  • the phase can be set using a manually or electrically operated drive.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)

Abstract

Eine Phasenschieberanordnung (10), die insbesondere zum elektrischen Verschwenken der Abstrahlrichtung eines mehrere Strahler mit zwei Polarisationsebenen umfassenden Antennenfeldes vorgesehen ist, umfasst zwei gemeinsam veränderbare Phasenschieber (10a,b) mit zugehörigen Mikrostreifenleitungen (66, 67), deren elektrische Länge jeweils durch ein über den Mikrostreifenleitungen (66, 67) verschiebbar angeordnetes Dielektrikum (70) veränderbar ist. Bei einer solchen Phasenschieberanordnung wird ein vereinfachter Aufbau und eine erhöhte Funktionssicherheit dadurch erreicht, dass die Mikrostreifenleitungen (66, 67) beider Phasenschieber (10a,b) parallel nebeneinander angeordnet sind, und dass zur Veränderung der elektrischen Länge der Mikrostreifenleitungen (66, 67) beider Phasenschieber (10a,b) ein gemeinsames, verschiebbares Dielektrikum (70) vorgesehen ist.

Description

BESCHREIBUNG
PHASENSCHIEBERANORDNUNG SOWIE ANTENNENFELD MIT EINER SOLCHEN PHASENSCHIEBERANORDNUNG
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der HF-Technik. Sie betrifft einen Phasenschieberanordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Antennenfeld mit einer solchen Phasenschieberanordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 17.
Eine solche Phasenschieberanordnung bzw. ein solches Antennenfeld ist z.B. aus der Druckschrift US-B1-6,310,585 bekannt. STAND DER TECHNIK
In der Technik des Mobilfunks sind seit längerem für die Ausrüstung der Basisstationen Antennenfelder ("antenna arrays") bzw. Antennen bekannt, bei denen meh- rere einzelne Strahler in einer Anbaurichtung hintereinander angeordnet sind und über ein gemeinsames Speisenetzwerk angesteuert werden. Um den unterschiedlichen Gegebenheiten am Ort der jeweiligen Basisstation und der Wechselwirkung mit anderen Basisstationen besser Rechnung tragen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Antennen mit einer Möglichkeit zum Verkippen ("down tilt") zu versehen. Dies kann grundsätzlich auf rein mechanischem Wege geschehen, indem die Antenne an ihren Befestigungspunkten am Mast verstellbar ausgebildet ist. Nachteilig ist dabei, dass eine derartige mechanische Verkippung nur mit viel Aufwand einzustellen und zu verändern ist und üblicherweise ein Besteigen des Mastes erforderlich macht.
Es ist daher vielfach vorgeschlagen worden, die Verkippung auf elektrischem Wege zu verwirklichen ("electrical down tilt"), indem bei ortsfester Antenne die einzelnen Strahler der Antenne bzw. des Antennenfeldes derart mit unterschiedlicher Phase angesteuert werden, dass die aus der Ueberlagerung der phasenver- schobenen Felder der einzelnen Strahler gebildete Strahlungskeule in gewünschter Weise gekippt wird ("phased array"). Beispiele für einen derartigen elektrischen "down tilt" sind aus der US-A-6, 198,458 oder aus der US-A-5,801 ,600 oder aus der US-A-5,905,462 bekannt. Eingesetzt werden dabei spezielle differentielle (siehe auch die DE-A1-199 11 905 oder US-A-5,949,303) oder andere Phasen- Schieber, die im Speisenetzwerk der Antenne zwischen den einzelnen Strahler angeordnet sind und z.B. über ein Gestänge mittels eines motorischen Antriebs gemeinsam verstellt werden können (siehe auch die US-A-5,798,675). Durch die einfache, elektrisch steuerbare Verstellbarkeit ergibt sich dabei auch die Möglichkeit einer Fernverstellung aus einem Kontrollzentrum oder dgl. ("remote tilt con- trol"). Kombinationen aus mechanischer und elektrischer Verkippung sind ebenfalls denkbar (US-A-5,440,318).
Bei den neueren Uebertragungsverfahren der Mobilfunktechnik mit hoher Daten- Übertragungsrate, wie sie z.B. unter der Abkürzung UMTS bekannt sind, wird zunehmend dazu übergegangen, zweifach polarisierte Antennen ("dual polarized antennas") einzusetzen, um den Effekt der "polarization diversity" ausnutzen zu können, bei der Daten auf Funkwellen unterschiedlicher Polarisation zur Erhöhung der Uebertragungssicherheit mehrfach übertragen werden können. Die Strahler in diesen Antennen weisen dabei jeweils zwei Strahlerelemente für die beiden Polarisationen auf und sind beispielsweise als Kreuzdipole oder entsprechend ausgelegte Patchstrahler konfiguriert.
Auch für die zweifach polarisierten Antennen bzw. Antennenfelder ist bereits in der eingangs genannten Druckschrift US-A-6,310,585 eine elektrisch gesteuerte Verkippung mittels Phasenschiebern vorgeschlagen worden. Dazu wird jedem der beiden Strahlerelemente eines Strahlers innerhalb des Speisenetzwerkes jeweils ein Phasenschieber (40 in Fig. 1 ; 440 in Fig. 3) zugeordnet, bei dem beispielsweise eine Mikrostreifenleitung durch ein verschiebbar angeordnetes Dielektrikum mehr oder weniger stark überdeckt wird (Spalte 3, Zeilen 61-65; Spalte 5, Zeilen 1-18). Einzelheiten der Phasenschieber und der zugehörigen Mikrostreifenleitungen können der Druckschrift nicht entnommen werden.
Die Phasenschieber für alle Strahlerelemente der einen Polarisationsrichtung sind bei der US-A-6,310,585 durch eine erste Stange mechanisch miteinander starr verkoppelt. Die Phasenschieber für alle Strahlerelemente der anderen Polarisationsrichtung sind durch eine zweite Stange ebenfalls mechanisch miteinander starr verkoppelt. Beide Stangen sind ihrerseits durch eine zentrale Stützeinrichtung (415 in Fig. 3) untereinander starr verbunden und werden über eine Zahnstange von einem Rjtzej angetrieben. Zusätzlich sind mehrere flexible Positionierelemente (420 in Fig. 3) vorgesehen, welche die Dielektrika auf die darunterliegenden Mikrostreifenleitungen pressen. Nachteilig ist bei dieser bekannten Phasenschieberanordnung nicht nur die aufwendige, aus einer Vielzahl von Einzelteilen bestehenden Verschiebemechanik, sondern auch der separate Aufbau der einzelnen Phasenschieber, der eine hohe Genauigkeit beim Zusammenbau und damit einen erhöhten Montageaufwand bei gleichzeitig erhöhter Fehleranfälligkeit erfordert.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Phasenschieberanordnung der eingangs genannten Art derartig auszubilden, dass die Nachteile der bekannten Phasenschieberanordnungen vermieden werden, und dass insbesondere der Aufbau vereinfacht und die gewünschte Funktionalität sicher erreicht wird, sowie ein Anten- nenfeld mit einer solchen Phasenschieberanordnung anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 17 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, die Mikrostreifenleitungen beider Phasenschieber parallel nebeneinander anzuordnen, und zur Veränderung der elektrischen Länge dieser Mikrostreifenleitungen beider Phasenschieber ein gemeinsames, verschiebbares Dielektrikum vorzusehen. Pro Strahler ist auf diese Weise nur ein einziges verschiebbares Dielektrikum notwendig, mittels dessen die elektrische Länge für beide Polarisationen automatisch synchron verstellt wird. Es ist somit in der Anbaurichtung es Antennenfeldes auch nur eine einzige Reihe von hintereinander angeordneten Dielektrika vorhanden, die auf besonders einfache Weise durch eine einzige sich in Längsrichtung erstreckende Stange gleichzeitig verschoben werden kann.
Insbesondere sind die Mikrostreifenleitungen und die verschiebbare Anordnung des Dielektrikums derart ausgebildet, dass sich die elektrische Länge der beiden parallelen Mikrostreifenleitungen beim Verschieben des Dielektrikums in gleichem Masse ändert. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass Strahlungskeule für beide Polarisationen stets die gleiche Orientierung hat.
Grundsätzlich wäre es denkbar, die Dielektrika der Phasenschieberanordnungen quer zur Anbaurichtung des Antennenfeldes zu verschieben. Besonders einfach wird die Mechanik jedoch, wenn sich gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Mikrostreifenleitungen im wesentlichen entlang einer Längsachse erstrecken, und das Dielektrikum in Richtung der Längsachse verschiebbar ist.
Bevorzugt weisen die Mikrostreifenleitungen jeweils wenigstens ein Mittelstück auf, welches von dem verschiebbaren Dielektrikum in einer ersten Position vollständig überdeckt und in einer zweiten Position vollständig frei gelassen wird. Günstig für die Einstellcharakteristik ist es dabei, wenn die Mikrostreifenleitungen in den Mittelstücken quer zur Längsrichtung mit einer mäanderförmigen Struktur verlaufen, weil damit pro Einheit des Verschiebungsweges eine stärkere Aende- rung der elektrischen Länge erreicht wird.
In der US-A-3,656,179 ist bereits erkannt worden, dass sich durch die Verschie- bung des Dielektrikums in einer Streifenleiteranordnung der zugehörige Wellenwiderstand ändert. Um die Aenderung des Wellenwiderstandes auf ein tolerierbares Mass zu reduzieren, ist gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass innerhalb der mäanderförmigen Struktur mehrere, parallel in Längsrichtung verlaufenden Leitungsabschnitte vorgesehen sind, und dass die Mikrostreifenleitungen in den in Längsrichtung verlaufenden Leitungsabschnitten ihre Streifenbreite ändern.
Vorzugsweise ist die Aenderung der Streifenbreite so ausgelegt, dass beim Verschieben des Dielektrikums von der zweiten in die erste Position die Streifenbreite der überdeckten Leitungsabschnitte, ausgehend von einer minimalen Streifenbreite, mit zunehmender Ueberdeckung zunimmt bis zu einer maximalen Streifen- breite, wobei insbesondere die Streifen breite linear mit dem Verschiebungsweg in Längsrichtung zunimmt.
Eine besonders günstige Variation des Wellenwiderstandes um einen mittleren Wert ergibt sich, wenn die minimale Streifenbreite so gewählt ist, dass sich bei Ueberdeckung mit dem Dielektrikum im Bereich der minimalen Streifenbreite derselbe Wellenwiderstand der Mikrostreifenleitungen ergibt, wie im Bereich der maximalen Streifen breite ohne Ueberdeckung mit dem Dielektrikum. Diese Art der Aenderung der Streifenbreite ist für jeden Phasenschieber von Vorteil, der mit der Verschiebung eines Dielektrikums oberhalb einer Mikrostreifenleitung arbeitet, und zwar unabhängig davon, ob mehrere Phasenschieber ein gemeinsames Dielektrikum aufweisen, oder nicht.
Zusätzlich können in den in Längsrichtung verlaufenden Leitungsabschnitten zur Anpassung des Wellenwiderstandes Anpassungsstücke abweichender Streifenbreite angeordnet sein.
Die erfindungsgemässe Phasenschieberanordnung vereinfacht sich weiter, wenn die Mikrostreifenleitungen der beiden Phasenschieber auf einem gemeinsamen Printplatte angeordnet und ausgebildet sind. Zusammen mit dem gemeinsamen verschiebbaren Dielektrikum ergibt sich so ein hohes Mass an Synchronisation bei gleichzeitig besonders einfachem Aufbau.
Eine mögliche Ausgestaltung der Printplatte besteht darin, dass die Mikrostreifen- leitungen der beiden Phasenschieber spiegelsymmetrisch zu einer parallel zur Längsachse verlaufenden Mittelachse der Printplatte ausgebildet sind.
Damit sich das verschiebbare Dielektrikum stets in einer definierten Position relativ zu den darunterliegenden Mikrostreifenleitungen befindet, ist es von Vorteil, wenn die Mikrostreifenleitungen der beiden Phasenschieber und das darüberliegende gemeinsame Dielektrikum mittels eines Federbleches flächig gegeneinanderge- presst werden. Eine besonders gleichmässige Anpresswirkung ergibt sich dabei, wenn das Federblech auf der Unterseite der Mikrostreifenleitungen angeordnet und durch eine dazwischenliegende Isolierplatte von den Mikrostreifenleitungen elektrisch isoliert ist, und wenn das Federblech über die Fläche verteilt eine Mehrzahl von einzelnen Federzungen aufweist.
Für den Antrieb der Phasenschieber ist vorzugsweise ein in Längsrichtung verschiebbar geführter, von aussen manuell oder motorisch betätigbarer Schieber vorgesehen, welcher mit dem Dielektrikum in Eingriff steht. Diese Konfiguration ist besonders einfach und funktionssicher und hat den Vorteil, bei Ausfall des motorischen Antriebs seine Stellung beizubehalten.
Es hat sich in der Praxis bewährt, dass als Dielektrikum eine Platte mit einer rela- tiven Dielektrizitätskonstante von etwa 10, insbesondere in Form eines glasfaserverstärkten, organisch-keramischen Laminats, verwendet wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Antennenfeldes nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Speisenetzwerkes mehrere gemeinsam verschiebbare Phasenschieberanordnungen hintereinander angeordnet sind, und dass zwischen und nach den Phasenschieberanordnungen Anschlüsse zum An- schliessen der Strahler vorgesehen sind.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass in dem Antennenfeld 2n+1 (n=1 ,2,3,...) Strahler angeordnet sind, dass in dem zugehörigen Speisenetzwerk 2n Phasenschieberanordnungen hintereinander angeordnet sind, dass die Speiseeingänge zwischen der n-ten und der (n+1 )-ten Phasenschieberanordnung an das Speisenetzwerk angeschlossen sind, und dass alle Phasenschieberanordnungen gemeinsam betätigbar sind, wobei die ersten n Pha- senschieberanordnungen gegenläufig zu den zweiten n Phasenschieberanordnungen arbeiten. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 im Querschnitt (Figur 1A), in der Draufsicht von oben (Fig. 1B) und im Längsschnitt (Fig. 1 C) eine aus zwei Phasenschiebern bestehende, einzelne Phasenschieberanordnung gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 die Bodenplatte der Phasenschieberanordnung nach Fig. 1 ;
Fig. 3 eine Isolierfolie der Phasenschieberanordnung nach Fig. 1 ;
Fig. 4 das Federblech der Phasenschieberanordnung nach Fig. 1 in der
Draufsicht (Fig. 4A) und in der Seitenansicht (Fig. 4B);
Fig. 5 eine Isolierplatte der Phasenschieberanordnung nach Fig. 1 ;
Fig. 6 die Printplatte mit den beiden Mikrostreifenleitungen der Phasenschieberanordnung nach Fig. 1 ;
Fig. 7 das Dielektrikum der Phasenschieberanordnung nach Fig. 1 ;
Fig. 8 in der Draufsicht von oben (Fig. 8A) und in der Seitenansicht von vorne (Fig. 8B) den Schieber der Phasenschieberanordnung nach Fig. 1 ; Fig. 9 die Draufsicht von zwei Seiten (Fig. 9A und B) auf eine Printplatte mit 8 Phasenschieberanordnungen nach der Erfindung für ein Antennenfeld mit insgesamt 9 Strahlern; und
Fig. 10 das vereinfachte Schaltungsschema für das Antennenfeld nach
Fig. 9.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 10 ist das vereinfachte Schaltschema eines Antennenfeldes 105 dargestellt, bei dem die vorliegende Erfindung mit Vorteil eingesetzt werden kann. Das Antennenfeld umfasst insgesamt 9 Strahler 106,..,114, die in einer (vertikalen) Anbaurichtung hintereinander (übereinander) angeordnet sind. Jeder der Strahler 106,.., 114 besteht aus zwei einzelnen Strahlerelementen 106a, b (die Bezugszeichen für die Strahlerelemente bei den Strahlern 107, ...114 sind der Uebersicht- lichkeit wegen weggelassen). Jedes der Strahlerelemente 106a,b ist für eine Polarisationsrichtung zuständig. Die beiden Polarisationsrichtungen stehen üblicherweise senkrecht aufeinander und bilden mit der Anbaurichtung des Antennenfel- des 105 meist einen Winkel von 45°. Die Strahler 106,..,114 sind sowohl zur Abgabe als auch zur Aufnahme von Funkwellen vorgesehen.
Die Strahler 106, ..,114 bzw. Strahlerelemente 106a,b sind über ein Speisenetzwerk 115 mit zwei Speiseeingängen 99a, b verbunden, die innerhalb des Speise- netzwerks 115 auf Höhe des mittleren Strahlers 110 angeordnet sind. Jeder der beiden Speiseeingänge 99a, b ist einer der Polarisationsrichtungen zugeordnet und steht mit den entsprechenden Strahlerelementen in Verbindung. Damit die Strahler 106,.., 114 ein "phase array" bilden und einen elektrisch verschwenkbaren Strahl abgeben bzw. aufnehmen können, sind im Speisenetzwerk 115 verteilt paarweise Phasenschieber 91a,b,..,98a,b angeordnet. Jedes Paar von Phasenschiebern 91a, b... ,98a, b bildet eine Phasenschieberanordnung. Die Verstellung der beiden Phasenschieber eines Phasenschieberpaares bzw. einer Phasen- schieberanordnung erfolgt synchron, wie dies in Fig. 10 durch die gestrichelten Verbindungslinien innerhalb jedes Paares angedeutet ist. Alle Phasenschieberpaare 91a,b,..,98a,b werden gleichzeitig durch eine in Längsrichtung (Anbaurichtung) verlaufende, manuell oder motorisch angetriebene Verbindungszunge 116 betätigt, die in Fig. 10 ebenfalls gestrichelt eingezeichnet ist. Die Aenderung der Phasenverschiebung in den unterhalb der Speiseeingänge 99a, b angeordneten Phasenschiebern 95a,b,..,98a,b erfolgt dabei entgegengesetzt zur Aenderung der Phasenverschiebung in den oberhalb der Speiseeingänge 99a,b angeordneten Phasenschiebern 91a,b,..,94a,b (d.h., eine Zunahme der Phasenverschiebung unten korrespondiert mit einer Abnahme der Phasenverschiebung oben, und umgekehrt), was in Fig. 10 durch die anders orientierten Pfeile in den Phasenschiebern angedeutet ist.
Der mittlere der 9 Strahler 106, ..,114, nämlich der Strahler 110, ist mit den Spei- seeingängen 99a, b direkt verbunden und arbeitet daher mit einer gleichbleibenden Phase. Den übrigen 8 Strahlern 106,..,109 und 111 ,..,114 ist jeweils ein Phasenschieberpaar zugeordnet. Da die Phasenschieberpaare 91a, b,.. ,98a, b innerhalb des Speisenetzwerkes 1 15 hintereinandergeschaltet sind, addieren sich - von der Mitte ausgehend - die einzelnen Phasenverschiebungen. Sind alle Phasenschie- ber gleich ausgebildet, nimmt die Phasenverschiebung nach aussen hin in gleichen Schritten zu: Das in die Speiseeingänge 99a, b eingespeiste Signal erreicht den Strahler 109 mit einer einfachen Phasenverschiebung, den Strahler 108 mit einer zweifachen Phasenverschiebung, den Strahler 107 mit einer dreifachen Phasenverschiebung, und den Strahler 106 mit einer vierfachen Phasenverschie- bung. Analoges gilt für die Strahler 111 bis 114.
Ein einzelnes Phasenschieberpaar bzw. eine einzelne Phasenschieberanordnung hat nun bevorzugt einen Aufbau, wie er im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 8 gezeigt ist, wobei in der Fig. 1 eine vollständig zusammengebaute Anordnung in verschiedenen Ansichten dargestellt ist, während die Fig. 2 bis 8 die einzelnen Elemente der Anordnung aus Fig. 1 in ihrer Reihenfolge innerhalb der Anordnung zeigen. Die in Fig. 6 gezeigte Printplatte 60 mit den Mikrostreifenleitungen 66, 67 stellt dabei nur den Teilabschnitt einer längeren Printplatte 90 dar, wie sie in Fig. 9 für das gesamte Antennenfeld 105 aus Fig. 10 wiedergegeben ist.
Die Printplatte 60 (Fig. 6), die beispielsweise aus einem Grundmaterial von 0,5 mm Dicke mit einer doppelseitigen 35 μm-Cu-Auflage besteht, trägt auf der Unterseite eine durchgehende Cu-Beschichtung und auf der Oberseite die gezeigten, zu einer Mittelachse 11 spiegelsymmetrischen Leiterbahnen, welche die Mikrostreifenleitungen 66, 67 bilden. Die Printplatte 60 ist in der Phasenschieberanordnung 10 der Fig. 1 zwischen einer (unteren) Bodenplatte 20 (Fig. 2) und einem (oberen) Schieber 80 (Fig. 8) so angeordnet, dass sich die Leiterbahnen der Mikrostreifenleitungen 66, 67 auf der Seite des Schiebers 80 befinden. Die Bodenplatte 20, die beispielsweise als Aluminiumplatte ausgebildet sein kann, weist an den Seiten zwei Befestigungslaschen 21 , 22 mit entsprechenden Befestigungslöchern 23, 24 auf, mittels derer sie an einem Antennengehäuse festgeschraubt werden kann.
Die Printplatte 60 ist im Bezug auf die Bodenplatte 20 fixiert. Dies wird dadurch erreicht, dass an der Bodenplatte 20 zwei Lappen 25, 26 rechtwinklig nach oben abgebogen sind, die in entsprechende Oeffnungen 64, 65 in der Printplatte 60 eingreifen (Fig. 6). In der Printplatte 60 sind weiterhin drei voneinander beabstan- dete, parallel zur Mittelachse 11 verlaufende Führungsöffnungen 61 , ..,63 in Form von Langlöchern vorgesehen, in welche der Schieber 80 mit entsprechend geformten und angeordneten Eingriffsnocken 81, ..,83 eingreift (Fig. 1 ; Fig. 8). Die Führungsöffnungen 61 ,..,63 legen den Verschiebungsbereich des Schiebers 80 relativ zur Printplatte 60 fest.
Der Schieber 80, der z.B. aus einem Kunststoff bestehen und ein Spritzgussteil sein kann, weist zusätzlich zwei Seitenführungen 86, 87 auf, die über den seitlichen Rand der Printplatte 60 greifen. Auf seiner Oberseite des Schiebers 80 sind in einer Vertiefung in Längsrichtung hintereinander zwei Mitnehmernocken 88, 89 angeformt, an denen ein (nicht dargestelltes) Betätigungselement für den Schieber angreifen kann. Weiterhin sind am Schieber 80 zwei Aussparungen 84, 85 vorge- sehen, um Platz für die von unten durch die Printplatte 60 hindurchragenden Lappen 25, 26 zu schaffen.
Die eigentlichen Phasenschieber 10a, 10b der Phasenschieberanordnung 10 wer- den durch das Zusammenspiel der Mikrostreifenleitungen 66, 67 mit einem auf der Oberseite der Printplatte 60 verschiebbar angeordneten Dielektrikum 70 gebildet. Das in Fig. 7 einzeln dargestellte Dielektrikum 70 ist beispielsweise aus einem organisch-keramischen Laminat vom Typ CER-10, wie es von der US-Firma Ta- conic, Petersburgh, NY (USA), angeboten wird. Das mit Keramik gefüllte, glasfa- serverstärkte Laminat hat eine DK von 10 und sehr gute mechanische Eigenschaften. Verwendet wird eine Platte dieses Materials mit einer Dicke von ca. 0,64 mm. Andere Dielektrika sind aber auch denkbar. Gemäss Fig. 7 hat das Dielektrikum 70 drei voneinander beabstandete, kreisrunde Eingriffsöffnungen 71 , ..,73, in welche der Schieber 80 mit seinen Eingriffsnocken 81 ,..,83 eingreift. Auf diese Weise ist das Dielektrikum 70 relativ zum Schieber 80 fixiert und wird zusammen mit dem Schieber 80 verschoben. Weiterhin sind im Dielektrikum 70 zwei in Form und Funktion zu den Aussparungen 81 , 82 des Schiebers 80 vergleichbare Aussparungen 74, 75 vorgesehen.
Das Zusammenwirken der Mikrostreifenleitungen 66, 67 und des Dielektrikums 70 erfolgt im wesentlichen im Bereich von mäanderförmig ausgebildeten Mittelstücken 66b, 67b der Mikrostreifenleitungen 66, 67, die jeweils zwischen Anschlussstücken 66a, c und 67a, c angeordnet sind und quer zur Mittelachse 11 verlaufen (Fig. 6). Jedes der Mittelstücke 66b, 67b besteht aus mehreren (im Bei- spiel der Fig. 6 aus 5) parallel zur Mittelachse 11 verlaufenden Leitungsabschnitten 66d,..,h, die untereinander zur Bildung des Mäandermusters auf wechselnden Seiten durch U- bzw. V-förmige Bogenstücke verbunden sind. Innerhalb der Leitungsabschnitte 66d,..,h variiert die Leitungsbreite linear mit der Länge und nimmt dabei von links nach rechts ab. Da sich das Dielektrikum 70 mit der linken Kante beim Verschieben genau im Bereich der Leitungsabschnitte 66d,..,h bewegt, werden beim Verschieben des Dielektrikums Bereiche der Leitungsabschnitte 66d,..,h mit unterschiedlicher Leitungsbreite bedeckt bzw. nicht bedeckt. Die Variation in der Leitungsbreite der Leitungsabschnitte 66d,..,h hat einen besonderen Grund: Um den (üblichen) Wellenwiderstand der Mikrostreifenleitungen 66, 67 von 50 Ohm zu erhalten, beträgt die Leitungsbreite bei den verwendeten Materialien und Abmessungen etwa 1 ,5 mm (ohne aufliegendes Dielektrikum). Im Bereich des aufliegenden Dielektrikums benötigt man wegen dem Dielektrikum für einen Wellenwiderstand von 50 Ohm aber nur eine Leitungsbreite von etwas 0,98 mm. Wird also die Leitungsbreite ausserhalb des Bedeckungsbereiches des Dielektrikums zu 1 ,5 mm und im Bereich ständiger Bedeckung zu 0,98 mm festgelegt und in den dazwischenliegenden Leitungsabschnitten 66d,..,h ein linearer Ueber- gang zwischen diesen beiden Extremwerten angenommen, variiert die Abweichung des tatsächlichen Wellenwiderstandes bei Verschiebung des Dielektrikums 70 um den Mittelwert 50 Ohm, wobei der Wellenwiderstand mehr als 50 Ohm beträgt, wenn das Dielektrikum 70 nach links weit über die Leitungsabschnitte 66d,..,h geschoben ist, und weniger als 50 Ohm beträgt, wenn das Dielektrikum 70 nur wenig über die Leitungsabschnitte 66d,..,h geschoben ist. Da für die (unerwünschte) Fehlanpassung nur der absolute Wert der Differenz relevant ist, nicht aber das Vorzeichen, kann so unter Ausnutzung der maximal erlaubten Fehlanpassung ein grösserer Verschiebungsbereich des Dielektrikums und damit eine grössere Phasenverschiebung über einen grösseren Frequenzbereich erhalten werden. Zusätzlich kann eine Optimierung der elektrischen Eigenschaften dadurch erfolgen, dass in den Mittelstücken 66b, 67b verbreiterte Anpassungsstücke 68, 69 vorgesehen werden (Fig. 6).
Die beiden Mikrostreifenleitungen 66, 67 sind - wie in Fig. 6 leicht zu sehen ist - spiegelsymmetrisch zur Mittelachse 11 ausgebildet und angeordnet. Das Dielektrikum 70 ist so breit gewählt, dass es beim Verschieben in Richtung der Mittelachse 11 in gleicher Weise die mäanderförmigen Mittelstücke 66b, 67b der Mikrostreifenleitungen 66, 67 überdeckt bzw. freigibt. Auf diese Weise ist es möglich, ohne grossen Aufwand und mit hoher Funktionssicherheit eine Synchronisierung zwischen den beiden Phasenschiebern 10a und 10b und eine weitgehende Gleichheit der Phasenverschiebungen in beiden Phasenschiebern 10a, b zu erreichen. Ein wichtiger Bestandteil der Funktionssicherheit ist jedoch, dass das Dielektrikum 70 möglichst ohne Luftzwischenraum eng an der Oberfläche der die Mikrostreifenleitungen 66, 67 tragenden Printplatte 60 anliegt. Dies wird durch ein flächiges Federblech 40 (Fig. 4A,B) erreicht, das zwischen der Bodenplatte 20 und der Printplatte 60 angeordnet ist und die Printplatte 60 von unten gegen das im Schieber 80 gehaltene Dielektrikum 70 drückt. Das Federblech 40 hat - ebenso wie die Bodenplatte 20 - seitliche Befestigungslaschen 41 , 42 mit entsprechenden Befestigungslöchern 43, 44, die mit den Befestigungslöchern 23, 24 der Bo- denplatte 20 fluchten. Ueber die Fläche des Federbleches 40 ist nebeneinander eine Vielzahl von einzelnen Federzungen 45 verteilt angeordnet, die beispielsweise aus dem Federblech 40 durch einen Stanz- und Biegevorgang erzeugt worden sind. Das Federblech 40 ist von der Bodenplatte 20 durch eine zwischengelegte, dünne Isolierfolie 30 (Fig. 3) elektrisch isoliert, die mit seitlichen Befesti- gungslaschen 31 , 32 und Befestigungslöchern 33, 34 der Bodenplatte 20 und dem Federblech 40 angepasst ist. Das Federblech 40 ist weiterhin gegen die untere Cu-Masseschicht der Printplatte 60 durch eine dazwischenliegende, beispielsweise 0,5 mm dicke Isolierplatte 50 (Fig. 5) elektrisch isoliert, gegen welche die Federzungen 45 drücken. Die Isolierplatte weist Oeffnungen 54, 55 auf, durch welche zur Fixierung die Lappen 25, 26 der Bodenplatte 20 hindurchgesteckt sind. Die langlochartigen Führungsöffnungen 51 , ..,53 sind in Funktion und Gestaltung analog zu den Führungsöffnungen 61 , ..,63 in der Printplatte 60.
Das in den Fig. 1 bis 8 gezeigte Ausführungsbeispiel bezieht sich nur auf eine zwei Phasenschieber 10a, b umfassende Phasenschieberanordnung, die entsprechend nur zur Verstellung eines zweifach polarisierten Strahlers geeignet ist. Wenn - wie in Fig. 10 dargestellt - ein Antennenfeld 105 mehr als zwei, beispielsweise 9, Strahler 106....114 umfasst, und zum elektrischen Verschwenken des Antennenstrahles mehrere, im Beispiel 8, Phasenschieberanordnungen benö- tigt werden, sind diese Phasenschieberanordnungen zusammen mit dem Speisenetzwerk 1 15 vorzugsweise auf einer einzigen Printplatte integriert. Eine solche Printplatte 90 für insgesamt 9 Strahler und 8 Phasenschieberanordnungen ist in Fig. 9 wiedergegeben. Auf dieser Printplatte 90 sind - spiegelsymmetrisch zur Mittelachse 11 - zwei Mikrostreifenleitungen 90a, b mit Abzweigungen ausgebildet, die gleichzeitig ein Speisenetzwerk mit einer Verteilung der Leistung auf mehrere Antennenanschlüsse 102a, b,.., 104a, b bilden (es sind der Einfachheit halber in Fig. 9B nur die Antennenanschlüsse für 4 Strahler mit Bezugszeichen versehen; insgesamt gibt es Antennenanschlüsse für 9 Strahler bzw. 18 Strahlerelemente).
Innerhalb des Speisenetzwerkes der Mikrostreifenleitungen 90a, b sind analog zur Fig. 6 mäanderförmige Mittelstücke 91a, b,.. ,98a, b ausgebildet, die jeweils Teile einer zwei Phasenschieber umfassenden Phasenschieberanordnung 91 ,..,98 sind. Die Speiseeingänge 99a, b sind in der Mitte der Printplatte 90 angeordnet. Zu jeder der Phasenschieberanordnungen 91 ,..,98 gehört - analog zu Fig. 1 bis 8 - ein mittels eines Schiebers verschiebbares Dielektrikum, eine Bodenplatte, und ein isoliert gelagertes Federblech. Entsprechend sind bei jedem der Phasenschieber- anorndungen 91 , ..,98 Führungsöffnungen 100 und Oeffnungen 101 für den Eingriff der Bodenplatte vorgesehen. Die (neun) Schieber aller Phasenschieberanordnungen 91 , ..,98 stehen mit einem (nicht gezeigten) gemeinsamen Betätigungselement in Eingriff, das sich längs der Mittelachse 11 über die gesamte Printplatte 90 erstreckt und von aussen manuell oder durch einen gesteuerten Motorantrieb in Längsrichtung verschoben werden kann.
Zusammenfassend kann folgendes gesagt werden:
Phasenschieber werden benötigt, um bei einem Antennenfeld (Array-Antenne) einen variablen Downtilt zu erreichen. Die Hauptkeule der Antenne muss minde- stens bis zur ersten Nullstelle über dem Horizont abgesenkt werden können. In der Mobilfunktechnik (GSM, UMTS) müssen folgende Anforderungen erfüllt werden:
Bei grossen Antennen muss der Downtilt zwischen 0° und ca. 8° geändert werden können; dazu muss mit dem Phasenschieber die Phase stufenlos zwischen 0° und ca. 45° geändert werden können. Bei kleinen Antennen muss der Downtilt zwischen 0° und ca. 16° geändert werden können; dazu muss mit dem Phasenschieber die Phase stufenlos zwischen 0° und ca. 85° geändert werden können.
Es gibt mehrere Möglichkeiten um die Phase zu ändern. Zwischen der elektrischen und der mechanischen Länge einer Leitung gilt folgender Zusammenhang:
lelek — tmech &
lelek Die elektrische Länge ist proportional zur Phase: φ = — 360°
Um die Phase zu ändern, kann die mechanische Länge oder das εr geändert werden.
Ein Phasenschieber mit Aenderung der mechanischen Länge der Leitung ist von der Anmelderin bereits zum Patent angemeldet worden.
Eine Phasenänderung durch Aendern des εr kann bei einer Mikrostreifenleitung (Microstrip-Leitung) dadurch erreicht werden, dass ein Dielektrikum auf die Leitung aufgelegt wird (siehe die DE-A1 -199 11 905).
Gemäss der vorliegenden Lösung sind mehrere parallel nebeneinanderliegende Leitungsabschnitte durch eine 180°-Ecke zu einer mäanderförmigen Struktur miteinander verbunden. Ueber diese Leitungsstruktur wird ein Dielektrikum mit einem hohen εr geschoben, wobei ein gemeinsames Dielektrikum für zwei nebeneinander angeordnete Phasenschieber benutzt wird. Die maximal mögliche Phasenverschiebung ist gegeben durch die Anzahl Leitungsabschnitte und deren Länge, die zugleich dem Schiebeweg des Dielektrikums entspricht.
Mit 5 parallelen Leitungsabschnitten wird eine Phasenverschiebung von 46° erreicht, mit 7 parallelen Leitungsabschnitten wird eine Phasenverschiebung von 65° erreicht. Um eine noch grössere Phasenverschiebung zu erreichen, können mehrere Phasenschieber hintereinander zusammengeschaltet werden.
Durch eine ungerade Anzahl der parallel nebeneinanderliegenden Leitungsab- schnitte kann der Phasenschieber sehr gut in ein Speisenetzwerk integriert werden. Der Phasenschieber kann aber ebenso mit einer geraden Anzahl Leitungen realisiert werden, was für andere Applikationen vorteilhafter sein kann.
Jeder einzelne Leitungsabschnitt im Phasenschieber hat eine linear veränderliche Leitungsbreite (ist linear getapert). In der 0°-Position des Phasenschiebers (das Dielektrikum ist nicht über den Leitungsabschnitten) ist die Leitungsbreite schmaler und so breit, dass zusammen mit dem darüber geschobenen Dielektrikum die Systemimpedanz (50 Ω) gegeben ist. Am anderen Ende der Leitungsabschnitte entspricht die Leitungsbreite dem normalen Microstrip. Trotz der getaperten Leitungsabschnitte entsteht je nach Position des schiebbaren Dielektrikums eine Fehlanpassung. Die Fehlanpassung kann durch kleine Anpassungsstücke ("stubs") in der Leitungsstruktur kompensiert werden.
Die Mechanik des Phasenschiebers ist wie folgt: Eine Bodenplatte aus Aluminium wird am Antennengehäuse angeschraubt und positioniert durch 2 abgebogene Lappen den Print (die Printplatte) mit der Leitungsstruktur. Das verschiebbare Dielektrikum befindet sich auf dem Print. Zwischen der Aluminiumplatte und dem Print ist ein Federblech welches den Print gegen das Dielektrikum drückt. Der Print (Masse), das Federblech und die Aluminiumplatte sind durch zusätzliche Isolatoren voneinander isoliert.
Als Dielektrikum kann ein Substrat mit einem hohen εr verwendet werden. Dieses dünne Plättchen wird von einem zusätzlichen Kunststoffteil (Schieber) gehalten, welches auch über Mitnehmernocken für die Schiebevorrichtung verfügt. Es ist ebenso möglich, durch Wahl eines geeigneten Kunststoffes oder einer Keramik das dielektrische Plättchen und das Kunststoffteil aus einem Stück zu realisieren. Die Einstellung der Phase kann über einen manuell oder elektrisch betriebenen Antrieb erfolgen.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Phasenschieberanordnung 10a, b Phasenschieber
11 Mittelachse 20 Bodenplatte 21 ,22 Befestigungslasche
23,24 Befestigungsloch
25,26 Lappen
30 Isolierfolie
31 ,32 Befestigungslasche 33,34 Befestigungsloch
40 Federblech
41 ,42 Befestigungslasche
43,44 Befestigungsloch
45 Federzunge 50 Isolierplatte
51 , ..,53 Führungsoeffnung (Langloch)
54,55 Oeffnung
60 Printplatte
61 , ..,63 Führungsoeffnung (Langloch) 64,65 Oeffnung
66,67 Mikrostreifenleitung
66a,67a Anschlussstück
66b,67b Mittelstück (mäanderförmig)
66c,67c Anschlussstück 66d,..,h Leitungsabschnitt
68,69 Anpassungsstück
70 Dielektrikum 71....73 Eingriffsöffnung
74,75 Aussparung
80 Schieber
81 , ..,83 Eingriffsnocken
84,85 Aussparung
86, 87 Seitenführung
88,89 Mitnehmernocken
90 Printplatte
90a,b Mikrostreifenleitung
91 , ..,98 Phasenschieberanordnung
91a,b,..,98a,b Phasenschieber (Mittelstück)
99a,b Speiseeingang
100 Führungsöffnung
101 Oeffnung
102a,b,..,104a,b Antennenanschluss
105 Antennenfeld
106,.. ,114 Strahler
106a,b Strahlerelement
115 Speisenetzwerk
115a,b Zweig (Speisenetzwerk)
116 Verbindungszunge

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Phasenschieberanordnung (10; 91 , ..,98), insbesondere zum elektrischen Verschwenken der Abstrahlrichtung eines mehrere Strahler (106,.., 114) mit zwei
Polarisationsebenen umfassenden Antennenfeldes (105), welche Phasenschieberanordnung (10; 91 , ..,98) zwei gemeinsam veränderbare Phasenschieber (10a, b; 91a, b,.. ,98a, b) mit zugehörigen Mikrostreifenleitungen (66, 67; 90a, b) um- fasst, deren elektrische Länge jeweils durch ein über den Mikrostreifenleitungen (66, 67; 90a,b) verschiebbar angeordnetes Dielektrikum (70) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostreifenleitungen (66, 67; 90a, b) beider Phasenschieber (10a, b; 91a,b,..,98aib) parallel nebeneinander angeordnet sind, und dass zur Veränderung der elektrischen Länge der Mikrostreifenleitungen (66, 67; 90a, b) beider Phasenschieber (10a, b; 91a,b,..,98a,b) ein gemeinsames, ver- schiebbares Dielektrikum (70) vorgesehen ist.
2. Phasenschieberanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostreifenleitungen (66, 67; 90a, b) und die verschiebbare Anordnung des Dielektrikums (70) derart ausgebildet sind, dass sich die elektrische Länge der beiden parallelen Mikrostreifenleitungen (66, 67; 90a, b) beim Verschieben des Dielektrikums (70) in gleichem Masse ändert.
3. Phasenschieberanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Mikrostreifenleitungen (66, 67; 90a,b) im wesentli- chen entlang einer Längsachse (11 ) erstrecken, und dass das Dielektrikum (70) in Richtung der Längsachse (11 ) verschiebbar ist.
4. Phasenschieberanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostreifenleitungen (66, 67; 90a,b) jeweils wenigstens ein Mittelstück (66b, 67b; 91 a,b,..,98a,b) aufweisen, welches von dem verschiebbaren Dielektrikum (70) in einer ersten Position vollständig überdeckt und in einer zweiten Position vollständig frei gelassen wird.
5. Phasenschieberanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostreifenleitungen (66, 67; 90a, b) in den Mittelstücken (66b, 67b; 91 a,b,..,98a,b) quer zur Längsrichtung (11 ) mit einer mäanderförmigen Struktur verlaufen.
6. Phasenschieberanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der mäanderförmigen Struktur mehrere, parallel in Längsrichtung (11) verlaufenden Leitungsabschnitte (66d,..,h) vorgesehen sind, und dass die Mikrostreifenleitungen (66, 67; 90a, b) in den in Längsrichtung (11) verlaufenden Leitungsabschnitten (66d,..,h) ihre Streifenbreite ändern.
7. Phasenschieberanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verschieben des Dielektrikums (70) von der zweiten in die erste Posi- tion die Streifenbreite der überdeckten Leitungsabschnitte (66d,..,h), ausgehend von einer minimalen Streifenbreite, mit zunehmender Ueberdeckung zunimmt bis zu einer maximalen Streifenbreite.
8. Phasenschieberanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifenbreite linear mit dem Verschiebungsweg in Längsrichtung (11 ) zunimmt.
9. Phasenschieberanordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Streifenbreite so gewählt ist, dass sich bei Ue- berdeckung mit dem Dielektrikum (70) im Bereich der minimalen Streifenbreite derselbe Wellenwiderstand der Mikrostreifenleitungen (66, 67; 90a, b) ergibt, wie im Bereich der maximalen Streifenbreite ohne Ueberdeckung mit dem Dielektrikum (70).
10. Phasenschieberanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den in Längsrichtung (11 ) verlaufenden Leitungsab- schnitten (66d,..,h) zur Anpassung des Wellenwiderstandes Anpassungsstücke (68, 69) abweichender Streifenbreite angeordnet sind.
11. Phasenschieberanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da- durch gekennzeichnet, dass die Mikrostreifenleitungen (66, 67; 90a, b) der beiden Phasenschieber (10a, b; 91a,b,..,98a,b) auf einem gemeinsamen Printplatte (60, 90) angeordnet und ausgebildet sind.
12. Phasenschieberanordnung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeich- net, dass die Mikrostreifenleitungen (66, 67; 90a, b) der beiden Phasenschieber
(10a, b; 91a,b,..,98a,b) spiegelsymmetrisch zu einer parallel zur Längsachse verlaufenden Mittelachse (11) der Printplatte (60, 90) ausgebildet sind.
13. Phasenschieberanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da- durch gekennzeichnet, dass die Mikrostreifenleitungen (66, 67; 90a, b) der beiden
Phasenschieber (10a, b; 91a,b,..,98a,b) und das darüberliegende gemeinsame Dielektrikum (70) mittels eines Federbleches (40) flächig gegeneinandergepresst werden.
14. Phasenschieberanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Federblech (40) auf der Unterseite der Mikrostreifenleitungen (66, 67; 90a, b) angeordnet und durch eine dazwischenliegende Isolierplatte (50) von den Mikrostreifenleitungen (66, 67; 90a, b) elektrisch isoliert ist, und dass das Federblech (40) über die Fläche verteilt eine Mehrzahl von einzelnen Federzungen (45) aufweist.
15. Phasenschieberanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Längsrichtung (11 ) verschiebbar geführter, von aussen manuell oder motorisch betätigbarer Schieber (80) vorgesehen ist, welcher mit dem Dielektrikum (70) in Eingriff steht.
16. Phasenschieberanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Dielektrikum (70) eine Platte mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von etwa 10, insbesondere in Form eines glasfaserverstärkten, organisch-keramischen Laminats, verwendet wird.
17. Antennenfeld (105) mit einer Mehrzahl von in einer Längsrichtung (11 ) hintereinander angeordneten Strahlern (106,.. ,114), welche Strahler (106,.., 114) jeweils zwei für unterschiedliche Polarisationsebenen vorgesehene Strahlerelemente (106a,b) umfassen, und welche Strahler (106,.., 114) über ein Speisenetz- werk (115; 115a,b) mit zwei Speiseeingängen (99a, b) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Speisenetzwerks (115; 115a,b) Phasenschieberanordnungen (10; 91 , ..,98) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 angeordnet und einzelnen der Strahler (106,..,114) zugeordnet sind.
18. Antennenfeld nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Speisenetzwerkes (115; 115a,b) mehrere gemeinsam verschiebbare Phasenschieberanordnungen (10; 91 , ..,98) hintereinander angeordnet sind, und dass zwischen und nach den Phasenschieberanordnungen (10; 91 , ..,98) Anschlüsse (102a,b,..,104a,b) zum Anschliessen der Strahler (106,..,114) vorgese- hen sind.
19. Antennenfeld nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Antennenfeld 2n+1 (n=1 ,2,3,...) Strahler (106,.. ,114) angeordnet sind, dass in dem zugehörigen Speisenetzwerk (115; 115a,b) 2n Phasenschieberanordnungen hin- tereinander angeordnet sind, dass die Speiseeingänge (99a, b) zwischen der n-ten und der (n+1 )-ten Phasenschieberanordnung an das Speisenetzwerk (115; 115a,b) angeschlossen sind, und dass alle Phasenschieberanordnungen gemeinsam betätigbar sind, wobei die ersten n Phasenschieberanordnungen gegenläufig zu den zweiten n Phasenschieberanordnungen arbeiten.
20. Antennenfeld nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Speisenetzwerk (115, 115a,b) und die Phasenschieberanordnungen (10; 91 ,..,98) auf einer gemeinsamen Printplatte (90) angeordnet sind.
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