DE69832592T2

DE69832592T2 - Gerät zum empfangen und senden von funksignalen

Info

Publication number: DE69832592T2
Application number: DE69832592T
Authority: DE
Inventors: Anders Derneryd
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1997-02-25
Filing date: 1998-02-17
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2018-02-18
Also published as: WO1998037593A1; US6252549B1; AU6314898A; CN1182626C; EP0965151A1; SE9700667D0; DE69832592D1; EP0965151B1; JP2001512641A; CA2282512A1; CN1248349A; JP4247845B2; SE9700667L; SE511497C2

Description

FACHGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antennenelement und eine Antennenvorrichtung zum Senden und Empfangen von Funksignalen, insbesondere eine, die auf einer Basisstation in einem Mobilkommunikationssystem angeordnet ist.
STAND DER TECHNIK
Ein wichtiger Teil der Planung und Dimensionierung eines Kommunikationssystems für Funksignale sind die Eigenschaften der Antennen. Diese Eigenschaften beeinflussen unter anderem die Zellenplanung (Größe, Muster, Anzahl). Eine dieser Eigenschaften ist der Funkabdeckungsbereich der Antenne.
Ursprünglich wurden nur sogenannte Rundstrahlantennen mit einer Abdeckung in alle Richtungen, von der Basisstation aus gesehen, verwendet. Wenn ein größerer Abdeckungsbereich erforderlich war, wurde angrenzend an die erste Zelle eine neue Zelle eingeführt, und eine neue Basisstation wurde in ihrer Mitte platziert.
Später wurde festgestellt, dass es aus der Sicht des Systems von Vorteil war, den Abdeckungsbereich in Sektoren zu unterteilen, zum Beispiel drei Sektoren in einem Vollkreis. Antennen, die für diese Abdeckung bestimmt sind, werden als Sektorantennen bezeichnet. Dies wird insbesondere vorteilhaft, wenn die Basisstation im Schnittpunkt zwischen den Zellen angeordnet wird. Jede der Sektorantennen deckt dann eine Zelle ab, und die Basisstation deckt somit mehrere Zellen gleichzeitig ab.
Der Abdeckungsbereich einer Sektorantenne wird durch die Strahlbreite der Antenne in der horizontalen Ebene bestimmt.
Eine andere wichtige Eigenschaft der Antennen ist ihre Polarisation oder vielmehr die Polarisation der Signale, die von der Antenne gesendet und empfangen werden. Ursprünglich wurde in den Basisstationsantennen nur vertikale Polarisation verwendet. Heutzutage werden oft zwei lineare Polarisationen gleichzeitig verwendet (Polarisations-Diversity), zum Beispiel in der horizontalen und der vertikalen Ebene, hier als 0 und 90 Grad bezeichnet, oder in den geneigten Ebenen dazwischen, +45 Grad. Normalerweise muss die Antenne den gleichen Abdeckungsbereich für beide Polarisationen haben.
Die Sektorantennen, die heute für zwei Polarisationen verwendet werden, haben eine Strahlbreite von ungefähr 60–70 Grad. Gegenwärtig können Antennen mit weiten Keulen nur mit einer Polarisationsrichtung hergestellt werden. Nun wünschen viele Betreiber Antennen für zwei Polarisationen mit Strahlbreiten von 80–90 Grad, um den Abdeckungsbereich der Basisstation an bestehende Systeme und das umliegende Gelände anzupassen.
Eine Sektorantenne umfasst eine Säule mit einem Typ von Antennenelement, das in einer oder zwei Polarisationen innerhalb eines begrenzten Abdeckungsbereichs empfängt und/oder sendet. Diese Antennenelemente können zum Beispiel als sogenannte Mikrostreifenelemente implementiert werden. Ein Mikrostreifenelement hat einen strahlenden Körper in der Form einer leitenden Oberfläche, oft als Patch-Element bezeichnet, die vor einer Masseebene angeordnet ist. Der Raum zwischen ihnen kann mit einem dielektrischen Material oder Luft gefüllt sein. Luft hat den Vorteil, leicht und billig zu sein und keine Verlustleistung zu verursachen. Damit das Mikrostreifenelement effizient arbeitet, muss die Länge des Patch-Elements einer Resonanzlänge in der Polarisationsrichtung entsprechend, normalerweise etwa eine halbe Wellenlänge.
Die Strahlbreite in einer gewissen Ebene einer Antenne ist umgekehrt proportional zu der Abmessung der Antenne in der gleichen Ebene. Basisstationsantennen haben oft eine vertikale Strahlbreite von 5–15 Grad, die durch die Topographie der Umgebung der Basisstation bestimmt wird. Diese Strahlbreite kann einfach durch Änderung der Anzahl der Elemente in der vertikalen Richtung der Antennen angepasst werden. In der horizontalen Richtung kann die Antenne nicht schmaler gemacht werden als ein Element. Wenn zum Beispiel die Polarisation der Antenne horizontal ist, dann wird die Breite des Elements durch die oben erwähnte Resonanzbedingung bestimmt.
Eine bekannte Antennenvorrichtung mit zwei unterschiedlichen Polarisationsichtungen umfasst eine Anzahl von Mikrostreifenelementen, deren Primärstrahler eine quadratische Form haben. Jeder Primärstrahler besitzt zwei unterschiedliche Speiseleitungen. Eine Speiseleitung sendet oder empfängt ein Signal mit einer gewissen Polarisation, die sich von derjenigen unterscheidet, die durch die andere Speiseleitung gesendet oder empfangen wird. Das bedeutet, dass die Mikrostreifenelemente in zwei Richtungen resonant sein müssen (eine für jede Polarisationsrichtung), was bedeutet, dass die Breite der Primärstrahler einer halben Wellenlänge entsprechen muss. Das wiederum bedeutet, dass es sehr schwierig ist, Keulen zu erzeugen, die weiter als 60–70 Grad sind. Eine bekannte Methode, die Keule aufzuweiten, besteht darin, das Mikrostreifenelement mit einer dielektrischen Substanz zu füllen, die eine Dielektrizitätskonstante größer als eins hat. Das verringert die Wellenlänge und somit auch die Resonanzabmessung des Patch-Elements. Diese Verfahrensweise bewirkt jedoch eine verringerte Leistungsfähigkeit wegen der unvermeidlichen Leistungsverluste in der Substanz sowie höheres Gewicht und höhere Kosten.
Das US-Patent US 5223848 beschreibt eine Antenne, die Mikrostreifenelemente mit einem Paar rechteckiger Primärstrahler umfasst. Jeder Primärstrahler wird gespeist, um gleichzeitig mit vertikaler und horizontaler Polarisation zu senden und zu empfangen. Die Primärstrahler können leitende Oberflächen oder andere Primärstrahler sein. Beide Primärstrahler in dem Paar senden und empfangen auf zwei Frequenzen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen.
Eine sechste Ausführungsform von EP 0688040 beschreibt eine bidirektionale Mikrostreifenantenne, bei der ein Streifenleiter, der einen Schlitz überquert, ein erstes Antennenelement bildet, während ein Strahlungspatch-Element, das in der gleichen Ebene wie der Schlitz ausgebildet ist, ein zweites Antennenelement bildet. Es ist möglich, das Patch-Element unabhängig in bezug auf den Schlitz zu betreiben, so dass das Patch-Element mit vertikaler Polarisation strahlt, während der Schlitz mit horizontaler Polarisation strahlt. Die Antennenelemente können in einer vertikalen Spaltenanordnung ausgebildet sein. Das Patch-Element und die Schlitze überschneiden einander nicht, daher ist die Antennenstruktur relativ groß.
Dieses Dokument bildet den Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
EP 433255 stellt eine orthogonal polarisierte zweidimensionale Zweiband-Gruppenantenne dar. Die Gruppenantenne umfasst eine zweidimensionale Anordnung von Antennenelementen in einer unteren Schicht (Doppelschlitze), die durch eine gemeinsame Leistungsverteileranordnung der unteren Schicht mit einem Hochfrequenzsignal angeregt werden, und eine zweidimensionale Anordnung von Antennenelementen in der oberen Schicht (inneres Patch-Element in einem Schlitz), die durch eine gemeinsame Leistungsverteileranordnung der oberen Schicht mit einem Niederfrequenzsignal angeregt werden. Die Elemente der unteren Leistungsverteileranordnung und der oberen Leistungsverteileranordnung sind orthogonal zueinander, so dass das Hochfrequenzsignal und das Niederfrequenzsignal zueinander orthogonale Polarisationen haben. Ein Antennenelement der oberen Schicht ist jeweils über zwei Schlitzen der unteren Schicht angeordnet, und das Antennenelement der oberen Schicht ist für die Elemente der unteren Schicht im wesentlichen transparent. Dadurch wird eine stark gerichtete Strahlbreite aus den jeweiligen Gruppen von Gruppenantennen der oberen und unteren Schicht erzielt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung widmet sich einem Problem, das auftritt, wenn eine unter Verwendung der Leiterebenentechnologie implementierte Sektorantenne imstande sein soll, sehr weite Antennenkeulen (mehr als 70 Grad) mit zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen gleichzeitig effizient zu erzeugen, und dabei kompakt, leicht und billig sein soll.
Genauer gesagt tritt das Problem auf, wenn die Antennenelemente der Antenne in zwei Richtungen resonant sein müssen, um imstande zu sein, mit zwei Polarisationsrichtungen zu senden und zu empfangen, während sie eine kompakte, leichte und billige Antenne ermöglichen sollen, die geringe Verluste erzeugt.
Ein ähnliches Problem tritt auf, wenn eine Antenne für einen schmalen Sektor zwei Antennenkeulen der gleichen Weite und mit zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen in der horizontalen Ebene erzeugen soll.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine kompakte, leichte und billige Antenne mit geringen Verlusten zu erzielen, die zwei Antennenkeulen von im wesentlichen gleicher Weite, größer als eine gewisse Weite, und zwei unterschiedliche Polarisationsrichtungen hat.
Diese Aufgabe ist durch den in Anspruch 1 definierten Inhalt gelöst worden.
Die oben erwähnten Antennen können auch durch eine Verknüpfung der einzelnen Funksignale mit den jeweiligen Antennenelementen auf in der Fachwelt bekannte Weise eine oder zwei zirkulare Polarisationen in einem großen Winkelbereich erzeugen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine erläuternde Skizze der Antennenkeulen einer Sektorantenne, von oben gesehen.
2 ist eine Schnittansicht eines ersten Mikrostreifenelements.
3 ist eine Schnittansicht eines zweiten Mikrostreifenelements.
4 ist eine Schnittansicht eines Schlitzes in einer Masseebene mit einem Speisungsleiter vom Leiterebenentyp.
5 ist eine Vorderansicht eines Schlitzes in einer Masseebene.
6 ist eine Vorderansicht von Mikrostreifenelementen, die mit zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen senden und/oder empfangen können.
7 ist eine Schnittansicht der in 6 dargestellten Antenne.
8 ist eine Vorderansicht einer zweiten Antenne nach Stand der Technik.
9 ist eine Vorderansicht einer beispielhaften Antenneneinheit.
10 ist ein Schnitt der in 9 dargestellten Antenneneinheit.
11 ist eine Vorderansicht einer beispielhaften Sektorantenne.
12 ist eine Vorderansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenneneinheit.
13 ist eine Schnittansicht der in 12 dargestellten Antenneneinheit.
14 ist eine Vorderansicht einer ersten Ausführungsform der Sektorantenne gemäß der Erfindung, die die erfindungsgemäße Antenneneinheit umfasst.
15 ist eine Vorderansicht einer beispielhaften Sektorantenne.
16 ist eine Vorderansicht einer zweiten Ausführungsform einer Sektorantenne gemäß der Erfindung, die die erfindungsgemäße Antenneneinheit umfasst.
BESCHREIBUNG VON VERGLEICHSAUSFÜHRUNGEN IN BEZUG AUF DIE ERFINDUNG
1 ist eine Draufsicht auf die Antennenkeulen einer Antenne 30, die in einer bestimmte Richtung sendet oder empfängt. Eine solche Antenne 30 wird als Sektorantenne bezeichnet. Der Hauptteil der Strahlung von einer Sektorantenne tritt in einem bestimmten begrenzten Bereich 31 auf, der als die Hauptkeule der Antenne bezeichnet wird. Sogenannte Seitenkeulen 32a–b und Rückwärtskeulen 33 treten ebenfalls auf. Die Strahlbreite 34 der Antenne ist der Teil der Hauptkeule 31, in dem die Feldstärke F der Antenne F_max/√2 überschreitet, wobei F_max die maximale Feldstärke in der Hauptkeule 31 ist.
Mikrostreifenelemente 40, siehe 2–3, und Schlitze in Masseebenen 60, siehe 4–5, sind Beispiele für unterschiedliche Typen von Antennenelementen.
2 ist ein Schnitt eines ersten Mikrostreifenelements 40. Das Mikrostreifenelement 40 umfasst ein elektrisch isolierendes Volumen 41 mit einer bestimmten Dielektrizitätskonstante ε, eine Masseebene 42 unterhalb des isolierenden Volumens 41, die aus einer elektrisch leitenden Substanz besteht, zum Beispiel Kupfer, und eine oberhalb des isolierenden Volumens 41 angebrachte begrenzte Oberfläche (Patch-Element) 43 aus einer elektrisch leitenden Substanz, zum Beispiel eine quadratische Kupferoberfläche. Die leitende Oberfläche 43 ist ein Beispiel für einen Primärstrahler, der Signale über die Luft senden und empfangen kann. Nachfolgend wird die leitende Oberfläche 43 auf dem Mikrostreifenelement 40 als Oberflächenelement 43 bezeichnet. Die Abmessungen des Oberflächenelements 43 sind unter anderem durch die Polarisation und die Wellenlänge des betreffenden Signals bestimmt. Eine Sektorantenne umfasst eine Säule mit einer wohldefinierten Anzahl von Mikrostreifenelementen 40, die in einer gemeinsamen Antennenstruktur angeordnet sind.
Das Oberflächenelement 43 auf dem Mikrostreifenelement 40 kann, wenn nötig, auf einer Scheibe 44 aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet sein. Das Oberflächenelement 43 kann dann oberhalb der Scheibe 44, wie in 2, oder darunter angeordnet sein.
Das Oberflächenelement kann auch auf einer oder mehreren Stützeinheiten 51a–b zwischen dem Oberflächenelement 43 und der Masseebene 42 angeordnet sein, siehe 3, die eine andere beispielhafte Vergleichsausführung eines Mikrostreifenelements 40 darstellt.
4 ist eine Schnittansicht eines Antennenelements 60 mit einem Schlitz 61 in einer Masseebene 62 und einer Speiseleitung 63 vom Leiterebenentyp für die Stromversorgung zum und vom Schlitz 61. Die Speiseleitung 63 zum Schlitz 61 in der Masseebene 62 ist unterhalb des Schlitzes 61 angeordnet. Ein elektrisch isolierendes Volumen 64 ist zwischen der Speiseleitung 63 und der Masseebene 62 angeordnet.
Signale zum und vom Schlitz 61 werden zu beziehungsweise von der Speiseleitung 63 durch elektromagnetische Übertragung durch das Volumen 64 gesendet (der Schlitz 61 wird angeregt).
5 ist eine Schnittansicht des Antennenelements 60, das den Schlitz 61 in der Masseebene 62 umfasst. Der Schlitz 61 in der Masseebene 62 ist ein weiteres Beispiel für einen Primärstrahler, der wie das erwähnte Oberflächenelement 43 Signale über die Luft senden oder empfangen kann.
Wie oben erwähnt, verwendet eine Antenne nach Stand der Technik Mikrostreifenelemente mit quadratischen Primärstrahlern des Oberflächenelementtyps, die mit zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen von jedem Oberflächenelement senden und/oder empfangen können. 6 ist eine Ansicht einer solchen Antenne 80, die drei Oberflächenelemente 81a–c umfasst. Die Oberflächenelemente 81a–c sind in zwei Richtungen resonant (horizontal und vertikal), um die oben erwähnte Polarisation von 0 beziehungsweise 90 Grad zu erzeugen. Jedes Oberflächenelement 81a–c hat eine Speiseleitung 82a–c für die horizontale Polarisation und eine Speiseleitung 83a–c für die vertikale Polarisation.
7 (vgl. 2) ist eine Schnittansicht der Antenne 80 mit dem Oberflächenelement 81a und einer darunterliegenden Masseebene 91. Zwischen ihnen ist ein dielektrisches Volumen 92 angeordnet. Wenn das dielektrische Volumen 92 Luft ist, beträgt die Strahlbreite 34 der vorderen Keule 31, siehe 1, zwischen 60 und 70 Grad in den beiden Polarisationsrichtungen.
Die Größe der Antenne 80 kann verringert werden, indem ein dielektrisches Volumen 92 mit einer Dielektrizitätskonstante ε_r ausgewählt wird, die zum Beispiel größer ist als 2, wodurch eine weite vordere Keule 31 erzielt wird. Dies jedoch erhöht den Verlust in der Antenne 80 und macht sie schwerer und teurer.
8 stellt eine Antenne 100 mit Mikrostreifenelementen gemäß dem oben erwähnten US-Patent US 5223848 dar. Ein erstes und ein zweites rechteckiges Oberflächenelement 101 beziehungsweise 102 haben jeweils zwei Speiseleitungen 103–106 für zwei unterschiedliche Polarisationsrichtungen pro Oberflächenelement 101–102. Jedes Oberflächenelement 101–102 sendet und empfängt mit zwei unterschiedlichen Frequenzen f1 und f2. Eine erste Frequenz f1 wird für die horizontale Polarisation im ersten Oberflächenelement 101 und für die vertikale Polarisation im zweiten Oberflächenelement 102 verwendet, während die andere Frequenz f2 für die vertikale Polarisation im ersten Oberflächenelement 101 und für die horizontale Polarisation im zweiten Oberflächenelement 102 verwendet wird. Diese Oberflächenelemente 101–102 können durch einen anderen Typ von Primärstrahler mit zwei Speiseleitungen ersetzt werden.
In den unten beschriebenen beispielhaften Vergleichsausführungen sind die Antennen mit einer schichtartigen Struktur ausgeführt. Die Antennen sind als horizontal ausgerichtet und mit einer oberen, einer unteren und einer Zwischenschicht beschrieben. Natürlich können die Antennen mit einer anderen Ausrichtung angeordnet sein, zum Beispiel stehend, in welchem Fall die obere Schicht einer vorderen Schicht entspricht, die untere Schicht einer hinteren Schicht entspricht und etwas, das unter der Antenne angeordnet ist, etwas entspricht, das dahinter angeordnet ist.
9 ist eine Vorderansicht einer ersten beispielhaften Vergleichsausführung 110 zu einer Antenneneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung zum Senden und Empfangen mit einer Polarisation von 0 beziehungsweise 90 Grad. Die Antenneneinheit 110 ist hier in einer rechteckigen Ausführung dargestellt. Die Antenneneinheit 110 umfasst eine Kombination aus einem Mikrostreifenelement 111 in der oberen Schicht, das ein rechteckiges Oberflächenelement 112 hat, und einem rechteckigen Schlitz 113 in einer Masseebene 114 in der Zwischenschicht (die Masseebene ist in 9 nicht dargestellt).
Das Oberflächenelement 112 hat eine wohldefinierte Länge l_e1 und Breite b_e1. Der Schlitz 113 hat ebenfalls eine wohldefinierte Länge l_e1 und Breite b_s1. Diese Längen l_e1 und l_s1 hängen von der Wellenlänge ab, mit der die Antenneneinheit senden und empfangen soll. Die Breite b_e1 bestimmt die Strahlbreite des Elements in der horizontalen Ebene. Die Breite b_s1 bestimmt im wesentlichen die Bandbreite des Schlitzes. Das Oberflächenelement 112 ist so auf der Antenneneinheit 110 angeordnet, dass zum Beispiel sein unterer Rand 115 mit einem oberen Rand 116 des Schlitzes 113 abschließt.
10 ist eine Schnittansicht der Antenneneinheit 110. Die Antenneneinheit 110 umfasst eine erste Scheibe 121 aus einem elektrisch isolierenden Material, in deren oberer Schicht das Oberflächenelement 112 angeordnet ist. In der unteren Schicht ist eine zweite Scheibe 123 aus einem elektrisch isolierenden Material mit einer Speiseleitung 124 zum Schlitz 113 angeordnet. In der Zwischenschicht ist eine Masseebene 114 angeordnet. Der Schlitz 113 ist in der Masseebene 114 so angeordnet, dass er durch eine gedachte Projektion des Oberflächenelements 112 auf die Masseebene 114 nicht verdeckt wird. Ein erstes dielektrisches Volumen 122, zum Beispiel Luft, ist zwischen der ersten Scheibe 121 aus einem elektrisch isolierenden Material und der Masseebene 114 angeordnet. Ein zweites dielektrisches Volumen 125, zum Beispiel Luft, ist zwischen der Masseebene 114 und der zweiten Scheibe 123 aus einem elektrisch isolierendem Material angeordnet. Wenn die dielektrischen Volumen 122 und 125 aus Luft bestehen, sind natürlich Seitenwände auf eine geeignete Weise angeordnet, um die Scheiben 121 und 123 und die Masseebene 114 zu stützen.
Die Masseebene 114 kann zum Beispiel aus einem elektrisch leitenden Material bestehen, das den Schlitz 113 oder eine Scheibe aus einem elektrisch leitenden Material, auf der eine elektrisch leitende Oberfläche mit dem Schlitz 113 angeordnet ist, umfasst.
11 ist eine Vorderansicht einer ersten beispielhaften Vergleichsausführung einer Sektorantenne 130, die die erste beispielhafte Vergleichsausführung zu der erfindungsgemäßen Antenneneinheit umfasst, die mit einer Polarisation von 0 beziehungsweise 90 Grad sendet und empfängt. Die Antenne 130 ist hier in einer rechteckigen beispielhaften Vergleichsausführung dargestellt. Die Antenne 130 umfasst vier Antenneneinheiten 110a–d (in 11 nicht gekennzeichnet), die jeweils den in 9 und 10 dargestellten gleichen und hintereinander angeordnet sind, wobei die Antenneneinheiten 110a–d miteinander in einer gemeinsamen Struktur integriert sind.
Die rechteckigen Oberflächenelemente 112a–d, siehe 11, der jeweiligen Antenneneinheit 110a–d sind in einer Säule angeordnet, wobei sich die kurzen Seiten in einem gewissen, zum Beispiel konstanten, ersten Mittenabstand a_c1 zwischen den Mitten der Oberflächenelemente gegenüberliegen. Sie sind außerdem so angeordnet, dass ihre Längsachsen parallel zur Längsachse der Antenne sind. Der Mittenabstand a_c1 entspricht einer Wellenlänge in dem Medium, in dem sich die Welle ausbreitet, wenn sie Speiseleitungen und Mikrostreifenelemente durchläuft.
Die Schlitze 113a–d in der Masseebene 114 jeder jeweiligen Antenneneinheit 110a–d sind ebenfalls in einer Säule angeordnet, wobei sich die kurzen Seiten in einem gewissen, zum Beispiel konstanten, zweiten Mittenabstand a_c2 zwischen den Mittelpunkten der Schlitze 113a–d gegenüberliegen. Die Schlitze sind so angeordnet, dass ihre Längsachsen parallel zu den Längsachsen der Antenne verlaufen. Es ist möglich, den Mittenabstand a_c2 gleich dem Mittenabstand a_c1 zu machen.
Die Säule mit den Oberflächenelementen 112a–d und die Säule mit den Schlitzen 113a–d sind relativ zueinander parallel und in der Längsrichtung der Sektorantenne versetzt. Die Säulen sind mit einem gewissen Abstand a_k zwischen ihnen angeordnet. Der Abstand a_k wird so ausgewählt, dass die Funktion der Schlitze 113a–d nicht durch die Oberflächenelemente 112a–d gestört wird.
Die Oberflächenelemente 112a–d werden durch ein zentrales Speisekabel 131 gespeist und mittels dreier Speiseleitungen 132a–c für das Einspeisen zu und von den Oberflächenelementen 112a–d in Reihe geschaltet, und zwar von 112c zu 112d beziehungsweise von 112c zu 112a. Das bedeutet, dass die Oberflächenelemente 112a–d mit vertikaler Polarisation mit einer ersten horizontalen Strahlbreite 34 senden oder empfangen können.
11 zeigt auch, wie die Speiseleitungen 124a–d für die Stromversorgung zu und von den Schlitzen 113a–d mit dem jeweiligen Schlitz 113a–d parallelgeschaltet sind. Die Speiseleitungen 124a–d sind dafür angeordnet, die Schlitze 113a–d anzuregen, so dass sie mit horizontaler Polarisation mit einer zweiten horizontalen Strahlbreite 34 senden oder empfangen können. Die zweite Strahlbreite ist im wesentlichen gleich der ersten Strahlbreite.
Die Stromversorgung und die Speiseleitungen zu beziehungsweise von den Schlitzen 113a–d und den Oberflächenelementen 112a–d können auch auf andere Weise angeordnet sein als auf jene, die in Verbindung mit 11 dargestellt und beschrieben worden ist.
Die Speiseleitungen 132a und 132c zu den Oberflächenelementen 112a und 112d können zum Beispiel mit dem zentralen Stromversorgungsleiter 131 durch Paralleleinspeisung direkt verbunden sein. Der Stromversorgung zu beziehungsweise von den Oberflächenelementen 112a–d kann auch mittels einer Sondenstromversorgung oder einer Apertur-Stromversorgung anstelle des zentralen Stromversorgungsleiters 131 ausgeführt sein.
Eine Vorrichtung zum Befestigen der Teile der Antenne 130 aneinander kann zum Beispiel eine Schiene rings um die Antenne 130, geeignete Seitenwände oder eine Stützeinheit auf jeder Seite der Antenne 130 umfassen. Ein weiteres Beispiel ist ein äußeres Gehäuse, zum Beispiel eine Antennenkuppel. Eine Vorrichtung zum Befestigen der Teile ist insbesondere dann von Nutzen, wenn die dielektrischen Volumen 122 und 125 aus Luft bestehen.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
12 ist eine Vorderansicht einer ersten Ausführungsform 140 der erfindungsgemäßen Antenneneinheit zum Senden und Empfangen mit einer Polarisation von 0 beziehungsweise 90 Grad. Die Antenneneinheit 140 ist hier in einer rechteckigen Ausführung dargestellt. Die Ausführungsform beruht auf der in Verbindung mit 9 dargestellten Vergleichsausführung, wobei die Antenneneinheit 140 einen in einem Mikrostreifenelement 143, siehe 12, integrierten Schlitz 151, siehe 13, und eine in einem Oberflächenelement 142 auf dem Mikrostreifenelement 143 integrierte Apertur 141 umfasst. Das Oberflächenelement 142 mit der integrierten Öffnung 141 wird nachfolgend als strahlende Einheit 144 bezeichnet. Die Apertur 141 ist in dem Oberflächenelement 142 parallel zu dessen Polarisationsrichtung angeordnet, um keine Strompfade zu kreuzen. Das bedeutet, dass das Risiko einer Signalkopplung zwischen den beiden orthogonalen Polarisationsrichtungen der Antenneneinheit 140 vernachlässigbar ist. Das Oberflächenelement 142 hat eine wohldefinierte Länge l_e2 und Breite b_e2 Die Länge l_e2 hängt von der Wellenlänge ab, mit der die Antenneneinheit 140 senden und empfangen soll. Die Breite b_e2 bestimmt die Strahlbreite des Oberflächenelements in der horizontalen Ebene.
12 stellt die Apertur 141 mit einer wohldefinierten Länge l_ö und Breite b_ö dar, die innerhalb des Oberflächenelements 142 gehalten werden.
13 ist eine Schnittansicht der Antenneneinheit 140. Die Antenneneinheit 140 umfasst die erste Scheibe 121 aus einem elektrisch isolierenden Material in der oberen Schicht, auf der, wie in 12 dargestellt, die strahlende Einheit 144 (in 13 nicht gekennzeichnet) angeordnet ist, die Zwischenschicht mit der Masseebene 114 und das erste dielektrische Volumen 122, zum Beispiel Luft, zwischen ihnen. In der Masseebene 114 ist der Schlitz 151 angeordnet. Der Schlitz 151 ist direkt unterhalb der Apertur 141 angeordnet. Das zweite dielektrische Volumen 125, zum Beispiel Luft, ist zwischen der Masseebene 114 und der zweiten Scheibe 123 aus elektrisch isolierendem Material in der unteren Ebene angeordnet, auf der eine Speiseleitung 152 zum Schlitz 151 angeordnet ist. Wenn die dielektrischen Volumen 122 und 125 aus Luft bestehen, sind natürlich Seitenwände in geeigneter Weise angeordnet, um die Scheiben 121 und 123 und die Masseebene 114 zu stützen.
Die Masseebene 114 kann in diesem Fall zum Beispiel auch aus einem elektrisch leitenden Material mit dem Schlitz 151 bestehen oder aus einer Scheibe aus einem elektrisch isolierenden Material, auf der eine elektrisch leitende Oberfläche mit dem Schlitz 151 angeordnet ist.
Der Schlitz 151 hat eine vorbestimmte Länge und Breite, die zum Beispiel mit der wohldefinierten Länge l_ö und Breite b_ö der Apertur 141 übereinstimmen. Die wohldefinierte Länge l_s2 hängt von der Wellenlänge ab, mit der die Antenneneinheit 140 senden und empfangen soll. Die Breite des Schlitzes bestimmt im wesentlichen die Bandbreite des Schlitzes.
Die Antenneneinheit 140 kann unter Hinzuziehung einer dem Fachmann bekannten Technologie dazu verwendet werden, eine zirkulare Polarisation in einem großen Winkelbereich zu erzeugen.
14 ist eine Vorderansicht einer ersten Ausfürungsform einer Sektorantenne 160 mit der erfindungsgemäßen Antenneneinheit zum Senden und Empfangen mit einer Polarisation von 0 beziehungsweise 90 Grad. Die Antenne 160 ist hier in einer rechteckigen Ausführung dargestellt. Die Antenne 160 umfasst vier Antenneneinheiten 140a–d (in 14 nicht gekennzeichnet), die jeweils denen in 12 und 13 gleichen und die hintereinander in einer gemeinsamen Struktur angeordnet sind. Das bedeutet, dass die Antenne 160 vier rechteckige strahlende Einheiten 144a–d in der unteren Schicht und vier Schlitze 151a–d (in 14 nicht dargestellt) in der Zwischenschicht umfasst.
Die rechteckigen strahlenden Einheiten 144a–d in der jeweiligen Antenneneinheit 140a–d sind in einer Säule angeordnet, wobei sich die kurzen Seiten in einem gewissen, zum Beispiel konstanten, Mittenabstand a_c3 zwischen den Mittelpunkten der strahlenden Einheiten 144a–d gegenüberliegen. Die strahlenden Einheiten 144a–d sind auf eine Weise positioniert, dass ihre Längsachsen parallel zur Längsachse der Antenne sind. Der Mittenabstand a_c3 entspricht einer Wellenlänge in dem Medium, in dem sich die Welle ausbreitet, wenn sie Speiseleitungen und Mikrostreifenelemente durchläuft.
Die Oberflächenelemente 142a–d in der jeweiligen strahlenden Einheit 144a–d werden durch einen zentralen Stromversorgungsleiter 161 versorgt und mittels dreier Paare von parallelen Speiseleitungen 162a–c in Reihe geschaltet, von 142c zu 142d beziehungsweise von 142c zu 142a. Wegen der seriellen Speiseleitung können die Oberflächenelemente 142a–d mit vertikaler Polarisation und einer ersten horizontalen Strahlbreite 34 senden oder empfangen. Wegen der parallelen Verbindungen 162a–c ist die Stromverteilung über die Oberflächenelemente gleichmäßig.
14 stellt auch dar, wie die Speiseleitungen 152a–d für die Stromversorgung zu beziehungsweise von den Schlitzen 151a–d (in 14 nicht dargestellt) in der jeweiligen Antenneneinheit 140a–d in Reihe geschaltet sind. Jede der Speiseleitungen 152a–d ist unter dem entsprechenden Schlitz 151a–d angeordnet, um ihn auf eine vorbestimmte Weise anzuregen. Die Schlitze 151a–d wiederum strahlen durch die Aperturen 141a–d in den strahlenden Einheiten 144a–d, so dass sie mit horizontaler Polarisation mit einer zweiten horizontalen Strahlbreite 34 senden oder empfangen können. Die zweite Strahlbreite ist im wesentlichen gleich der ersten Strahlbreite.
Die Stromversorgung und die Speiseleitungen zu und von den Schlitzen 151a–d und den Oberflächenelementen 142a–d können auch auf andere Weise angeordnet sein als auf jene, die in Verbindung mit 14 dargestellt und beschrieben worden ist.
Die Speiseleitungen 152a–d zu den Schlitzen 151a–d können zum Beispiel auf die gleiche Weise angeordnet sein wie die Speiseleitungen 124a–d zu den Schlitzen 113a–d in 11.
Eine Vorrichtung zum Befestigen der Teile der Antenne 160 kann zum Beispiel eine Schiene rings um die Antenne 160, geeignete Seitenwände oder eine Stützeinheit auf jeder Seite der Antenne 160 umfassen. Ein weiteres Beispiel ist ein äußeres Gehäuse, zum Beispiel eine Antennenkuppel. Eine Vorrichtung zum Befestigen der Teile ist insbesondere dann von Nutzen, wenn die dielektrischen Volumen 122 und 125 aus Luft bestehen.
Ein Beispiel für die Abmessungen einer Sektorantenne 160 gemäß der zweiten Ausführungsform mit einer Wellenlänge von 16 cm wird nachfolgend gegeben:
Länge der Oberflächenelemente l_e2 = 7,5 cm
Breite der Oberflächenelemente b_e2 = 4 cm
Länge der Aperturen l_ö = Länge der Schlitze = 7 cm
Breite der Aperturen b_ö = Breite der Schlitze = 0,5 cm
Höhe des ersten dielektrischen Volumens h_d1 = 1 cm
Höhe des zweiten dielektrischen Volumens h_d2 = 0,2 cm
Die oben aufgeführten Abmessungen wurden geschätzt.
15 ist eine Vorderansicht einer Vergleichsausführung einer Sektorantenne 170.
16 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Sektorantenne 180 mit der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenneneinheit, wie in den 12 und 13 dargestellt. Die vierte Ausführungsform beruht auf der zweiten Ausführungsform in Verbindung mit 14. Die Sektorantenne 180 umfasst vier hintereinander angeordnete Antenneneinheiten 140a–d gemäß der zweiten Ausführungsform, wobei die Antenneneinheiten 140a–d in eine gemeinsame Struktur integriert sind. Die Antenneneinheiten 140a–d wurden in Verbindung mit 12 und 13 ausführlicher beschrieben. Die Antenneneinheiten 140a–d sind relativ zur zweiten Ausführungsform (14) der Sektorantenne 160 um 45 Grad entgegen dem Uhrzeigersinn geneigt. Das bedeutet, dass die Sektorantenne 180 mit einer Polarisation von +45 Grad senden und empfangen kann. Die Strahlbreiten der beiden Polarisationen sind im wesentlichen gleich. Abgesehen davon entspricht die Anordnung der Sektorantenne 180 jener der Sektorantenne 160.
Die Antenneneinheiten 140a–d können auch um eine willkürliche Gradzahl im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn geneigt sein.

Claims

Antenne (160, 180) zum Senden und Empfangen von Funksignalen mit einer Vielzahl von Antenneneinheiten (144a–d), die in einer Säule angeordnet sind, wobei jede Antenneneinheit (160, 144a–d) umfasst: ein erstes Antennenelement (152a–d) eines ersten Typs, das zum Senden und Empfangen einer ersten Polarisationsrichtung mit einer ersten Strahlbreite (34) bestimmt ist; ein zweites Antennenelement (142a–d), das zum Senden und Empfangen in einer zweiten Polarisationsrichtung mit einer zweiten Strahlbreite (34) bestimmt ist; wobei das zweite Antennenelement (142a–d) von einem anderen Typ ist als das erste Antennenelement (152a–d) und sowohl das erste (152a–d) als auch das zweite (142a–d) Antennenelement dafür eingerichtet sind, in nur einer Polarisationsrichtung zu senden und zu empfangen, wobei sich die Polarisationsrichtung des ersten und des zweiten Elements voneinander unterscheidet, wobei die Antenneneinheit außerdem umfasst: eine Antennenspeiseleitung (152), die einen Teil des ersten Antennenelements (152a–d) bildet, eine erste dielektrische Schicht (125), eine Grundplatte (144) mit einem Schlitz (151), die einen Teil des ersten und eines zweiten Antennenelements bildet, eine zweite dielektrische Schicht (122), ein leitendes Patch-Element (142), das einen Teil des zweiten Elements (142a–d) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß eine Apertur (141) in das Patch-Element (142) integriert ist, wobei die Längsseite der Apertur (141) parallel zur Polarisationsrichtung des Patch-Elements (142) ist und wobei die erste und zweite Strahlbreite breiter als 70° sind.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die kurzen Seiten der Patch-Elemente einander gegenüberliegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheiten (140a–d) in der Vorrichtung (180) um eine definierte Anzahl von Graden relativ zur Längsachse der Vorrichtung (180) geneigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheiten (140a–d) in der Vorrichtung (180) um 45° relativ zur Längsachse der Vorrichtung (180) geneigt sind.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für jede Antenneneinheit die Breite der Apertur im wesentlichen gleich der Breite des Schlitzes ist.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein jeweiliges Patch-Element und die entsprechende Apertur des Patch-Elements symmetrisch über dem Schlitz der gleichen jeweiligen Antenneneinheit angeordnet sind.