DE19722742A1 - Antennenanordnung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zum Abstrah
len und Empfangen von elektromagnetischen Wellen, insbe
sondere eine dualpolarisierte Antenne nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Horizontal oder auch vertikal polarisierte Strahleranord
nungen, beispielsweise in Form von in der Polarisations
ebene angeordneten Dipolen, quer dazu angeordneten Schlit
zen oder in Form von planaren Strahlerelementen, wie
Patchstrahlern, sind hinlänglich bekannt. Im Fall von ho
rizontal polarisierten Strahleranordnungen sind dabei die
Dipole horizontal angeordnet. Entsprechende Strahleranord
nungen in Form von Schlitzen sind in diesem Fall vertikal
angeordnet. Ebenfalls sind Strahleranordnungen bekannt,
welche zum gleichzeitigen Abstrahlen und Empfangen von
Wellen mit zwei orthogonalen Polarisationen verwendet wer
den können, die nachfolgend auch als dualpolarisierte An
tennen bezeichnet werden. Entsprechende Strahleranordnun
gen, beispielsweise aus mehreren Elementen in Form von Di
polen, Schlitzen oder Planarstrahlelementen, sind aus der
EP 0 685 909 A1 oder aus der Vorveröffentlichung "Anten
nen", 2. Teil, Bibliographisches Institut Mannheim/Wien/
Zürich, 1970, Seiten 47 bis 50 bekannt.
Zur Erhöhung der Richtwirkung werden diese Strahleranord
nungen üblicherweise vor einer reflektierenden Fläche, dem
sogenannten Reflektor angeordnet. Weiterhin hat sich für
Mobilfunkanwendungen eine schiefwinklige Anordnung von
dual polarisierten Strahleranordnungen, beispielsweise +
oder -45°, als günstig erwiesen, so daß jedes System eine
lineare Polarisation von +45° oder -45° abstrahlt und
beide wiederum orthogonal zueinander sind.
Als nachteilig erweist sich bei den verschiedenen Strah
lertypen, daß bei ± 45° Polarisation diese nur in der
Hauptstrahlrichtung diese exakte Ausrichtung aufweist. Je
nach Strahlertyp wird die Ausrichtung der Polarisation bei
großer Winkelabweichung von der Hauptstrahlrichtung mehr
oder weniger von den gewünschten +45° oder -45° abweichen
und ist somit abhängig von der Ausbreitungsrichtung. Ist
der Strahlertyp beispielsweise ein +45° oder -45° ausge
richteter Dipol, so ist dies anschaulich nachvollziehbar.
Da in der jeweiligen Abstrahlrichtung nur die Projektion
des Dipols in Erscheinung tritt, ist beispielsweise senk
recht zur Hauptstrahlrichtung die Polarisation nahezu ver
tikal.
Bei +45°/-45° dual polarisierten Antennen ist es aber
erwünscht, daß die Ausrichtung der linearen Polarisation
unabhängig, d. h. zumindest weitgehend unabhängig von der
Abstrahlrichtung ist. Dies bedeutet bei schiefwinkligen
Polarisationsebenen, die beispielsweise mit +45° und -45°
ausgerichtet sein können, daß auch bei der vektoriellen
Zerlegung des Feldstärkevektors in einen horizontalen und
einen vertikalen Anteil die Strahlungsdiagramme der verti
kalen und horizontalen Einzelkomponenten die gleiche Halb
wärtsbreite wie die Summenkomponente aufweisen sollen.
Bei Mobilfunkanwendungen wird vorzugsweise mit großen ho
rizontalen Halbwertsbreiten von 60°-120° gearbeitet; so
mit bewirkt hierbei der angeführte Effekt der Abhängigkeit
der Polarisationsausrichtung von der Abstrahlrichtung bei
den meisten Strahlertypen, daß bei den horizontalen Strah
lungsdiagrammen der vertikalen und horizontalen Einzel
komponenten die Halbwertsbreite der vertikalen Komponente
größer ist als die Halbwertsbreite der horizontalen Kompo
nente.
Als nachteilig erweist sich somit bei Antennen mit schief
winkliger Polarisation, insbesondere mit einer Ausrichtung
der Polarisationsebene von +45° und -45°, daß es mit ein
fachen Mitteln nicht möglich ist, Halbwertsbreiten von
mehr als 85°-90° realisieren zu können und weiterhin es
mit den bisher bekannten Mitteln nicht möglich ist, eine
nahezu konstante Ausrichtung der Polarisation zu errei
chen.
Ferner ist bekannt, daß vertikal angeordnete Schlitzstrah
ler, welche beispielsweise mittels eines Koaxialkabels
oder einer Streifenleitung oder einer Triplate-Struktur
angeregt werden, eine horizontal polarisierte Strahlungs
charakteristik mit einer vergleichsweise großen horizonta
len Halbwertsbreite aufweisen können.
Zur Erzielung definierter Halbwertsbreiten wird beispiels
weise gemäß der EP 0 527 417 A1 vorgeschlagen, mehrere
versetzte Schlitze, welche mittels einer Streifenleitung
gespeist werden, zur Diagrammformung zu nutzen. Nachteilig
bei dieser Ausführung ist allerdings, daß diese Schlitze
eine kleinere Halbwertsbreite als der Einzelstrahler auf
weisen, d. h. eine weitere Vorbündelung erfolgt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher, bei
einem dualpolarisierten Strahlermodul, dessen lineare Po
larisationen in einem Winkel von +45° und -45° bezogen auf
die Vertikale ausgerichtet sind, die Nachteile nach dem
Stand der Technik zu überwinden und eine demgegenüber ver
besserte Antennenanordnung zu schaffen, welche eine Ver
breiterung der Strahlungscharakteristik in der gewünschten
Ausstrahlungsebene, d. h. insbesondere in der horizontalen
Ausstrahlungsebene bewirkt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im An
spruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausge
staltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange
geben.
Durch die vorliegende Erfindung wird mit relativ einfachen
Mitteln gegenüber allen bisher bekannt gewordenen Lösungen
die Konstanz der Polarisationsausrichtung des Feldstärke
vektors in einer gewünschten Ausbreitungsebene deutlich
verbessert und damit das Strahlungsdiagramm in dieser Aus
breitungsebene deutlich verbreitert.
Aus der EP 0 739 051 A1 ist zwar eine aus mehreren Schich
ten aufgebaute Antenne bekannt, die durch in der Grund
platte eingebrachte rechteckförmige Ausnehmungen, soge
nannte Aperturen festgelegt ist. In diese primären Apertu
ren ragen jeweils gegenüberliegend vertikal und quer dazu
um 90° versetzt liegend horizontal ausgerichtete Anre
gungsstifte, worüber die Anregung der Antenne erfolgt.
Um nunmehr die Halbwertsbreite der Strahlungskeule in ho
rizontaler Hauptausbreitungsrichtung zu verbessern, sind
in der Antennenebene liegend seitlich neben der primären
Apertur jeweils ein weiterer rechteckförmiger Schlitz ein
gebracht, in die bevorzugt ebenfalls noch weitere hori
zontale Ankoppelstifte ragen können. Hierdurch soll die
Halbwertsbreite der Strahlungskeule in der Schnittebene
der Ankoppelstifte vergrößert werden.
Völlig andersartig ist jedoch die erfindungsgemäße Anten
nenanordnung aufgebaut. Zwar werden bei der erfindungsge
mäßen Lösung ebenfalls seitlich liegende Schlitze vorge
sehen. Diese Schlitze finden aber keine Anwendung bei
einer Antenne mit Schichtaufbau, sondern bei einer Dipol
anordnung oder einem Patchstrahler. Vor allem aber ist die
erfindungsgemäße Antenne mit einer Polarisationsausrich
tung von +45° und -45° gegenüber der Vertikalen ausgerich
tet. Völlig überraschend ist dabei, daß durch die erfin
dungsgemäße Lösung eine Verbesserung der Breitencharakte
ristik in Hauptstrahlrichtung erzielt werden kann, ohne
daß es zu einer Verschlechterung der Entkopplung beider
Polarisationen kommt. Denn bei der erfindungsgemäßen Lö
sung werden die seitlich von den Strahlermodulen vorgese
henen Schlitze gleichzeitig von den +45°-Polarisations
komponenten und den -45°-Polarisationskomponenten ange
regt. Dabei sollte man erwarten, daß dies zu einer Verrin
gerung der Entkopplung zwischen den +45° und -45°
Polarisationen führen würde.
Zudem ist völlig überraschend, daß bei der erfindungsge
mäßen Antennenanordnung die Schlitze durch Abmaße und Lage
derart abgestimmt werden können, daß der Strahlungsbeitrag
der Schlitze keine oder nur eine geringfügige Phasenver
schiebung gegenüber dem vertikalen Polarisationsanteil be
wirkt und somit zu einer deutlichen Verbesserung der Pola
risationsausrichtung der +45°/-45° polarisierten Antenne
beiträgt (bei andersartiger Abstimmung und Lage würden
zirkulare Anteile entstehen).
Schließlich ergeben sich die erfindungsgemäßen Vorteile
auch dann, wenn bei einem vorgesehenen Reflektor aus der
Reflektorebene vorstehende Seitenwände vorgesehen sind, in
welche etwa in Höhe des Primärstrahlers gegenüberliegend
Schlitze eingebracht sind. Hierdurch erfolgt eine elektro
magnetische Verkopplung mit dem Primärstrahler, wodurch
nunmehr in unerwarteter Weise das Strahlungsdiagramm ver
breitert werden kann.
Durch die erfindungsgemäß am Reflektor vorgesehenen und
aus der Reflektorebene vorzugsweise vorstehenden Seiten
wände mit den darin eingebrachten Schlitzen kann überra
schenderweise die Amplitude und Phase der durch die ange
koppelten Schlitze abgestrahlten Wellen in positiver Weise
beeinflußt werden. Erreicht werden kann dadurch, daß in
Hauptstrahlrichtung und in rückwärtiger Richtung Auslö
schungen erfolgen, und daß orthogonal zur Hauptstrahlrich
tung additive Überlagerungen erzielt werden und somit eine
Verbreiterung der Strahlungscharakteristik erfolgt.
Als positiv und überraschend kann ferner angemerkt werden,
daß die erfindungsgemäße Antennenanordnung eine breitban
dige Charakteristik aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
erläutert. Dabei zeigen im einzelnen:
Fig. 1 ein erstes schematisches Ausführungsbei
spiel einer dualpolarisierten Antennenan
ordnung;
Fig. 2 eine schematische horizontale Quer
schnittsdarstellung durch das Ausführungs
beispiel nach Fig. 1;
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung eines Strah
lungsdiagramms bei Verwendung einer her
kömmlichen Anordnung; und
Fig. 4 ein entsprechendes Diagramm zu Fig. 3
unter Verwendung einer erfindungsgemäßen
dualpolarisierten Antennenanordnung.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 ist ein
dualpolarisiertes Antennenarray 1 mit mehreren Primär
strahlern in Vertikalausrichtung gezeigt, dessen Strah
lermodule 3 nach Art von Kreuzmodulen 3a gebildet sind.
Andere kreuzmodulförmige Konstruktionen sind ebenso mög
lich, z. B. in Form von quadratisch angeordneten Dipolmodu
len.
Dieses Antennenarray ist so aufgebaut, daß die Strahlermo
dule 3 nach Art von Kreuzmodulen 3a so ausgerichtet sind,
daß sie lineare Polarisationen mit einem Winkel von +45°
und -45° bezogen auf die Vertikale (bzw. bezogen auf die
Horizontale) empfangen oder abstrahlen. Ein derartiges An
tennenarray wird nachfolgend auch kurz als X-polarisiertes
Antennenarray bezeichnet.
Die Strahlermodule 3 sitzen im gezeigten Ausführungsbei
spiel vor einer reflektierenden Fläche, dem sogenannten
Reflektor 7, wodurch die Richtwirkung erhöht wird. Sie
werden durch ihre Strahlerfüße oder -symmetrierungen 3b am
Reflektor 7 befestigt und gehalten.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Dipolebene in
+45° bzw. -45° gegenüber der Vertikalen ausgerichtet, d. h.
gegenüber der horizontalen Schnittebene 9.
Quer zu dieser horizontalen Schnittebene 9 und quer zur Re
flektorebene 11 sind in horizontaler Richtung beabstandet
im Seitenbereich 13 des Reflektors 7 zwei Seitenwandab
schnitte 15 vorgesehen, die sich im gezeigten Ausführungs
beispiel parallel zueinander erstrecken. Die Seitenwandab
schnitte 15 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel Teil des
Reflektors 7 und können Teil eines Reflektorelementes oder
-bleches sein, bei welchem die Seitenwandabschnitte durch
Hoch- oder Umbiegen gebildet sind.
Die Seitenwandabschnitte 15 sind somit quer, d. h. im ge
zeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zur Reflektorebene
11 ausgerichtet und stehen über die Reflektorebene 11 vor,
und zwar auf der Seite, auf der die Strahlermodule 3 ange
ordnet sind, die in Frontansicht des Antennenarrays 1 zwi
schen den beiden parallel zueinander verlaufenden Seiten
wandabschnitten 15 zu liegen kommen.
In Höhe der Strahlermodule 3 sind jeweils in den Seiten
wandabschnitten 5 Schlitze 17 eingebracht, die sich paral
lel zur Reflektorebene 11 und damit parallel zur Dipol
ebene 19 erstrecken, die aus der Ebene, in der die Dipole
3, 3a zu liegen kommen, festgelegt ist.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist der Abstand zwischen
der Dipolebene 19 und der Reflektorebene 11 größer als der
Abstand 21 zwischen den Schlitzen 17 und der Reflektor
ebene 11.
Die Lage und Maße der Schlitze, insbesondere deren Längs
erstreckung sowie deren Breite, sind unterschiedlich wähl
bar und werden bevorzugt so abgestimmt, daß die Amplitude
und Phase der durch die angekoppelten Schlitze abgestrahl
ten Welle bzw. abgestrahlten horizontalen Polarisations
komponente der elektromagnetischen Welle dergestalt sind,
daß in Hauptstrahlrichtung 23 und in rückwärtiger Richtung
eine Auslöschung erfolgt und orthogonal zur Hauptstrahl
richtung additive Überlagerungen erzielt werden, sowie
eine möglichst geringe Phasenverschiebung zur vertikalen
Polarisationshauptkomponente erreicht wird.
Ferner wird dadurch das Strahlungsdiagramm in der bereits
erwähnten Weise verändert, daß in der zur Hauptstrahlrich
tung orthogonal stehenden und zur Hauptausbreitungs- oder
horizontalen Schnittebene 9 parallel verlaufenden bzw. in
dieser Hauptausbreitungsebene 9 liegenden Seitenstrahl
richtung 25, d. h. im gezeigten Ausführungsbeispiel in ho
rizontaler Seitenabstrahlrichtung, die Strahlungscharakte
ristik deutlich verbreitert wird. Der durch die Dipolaus
richtung definierte und in die Hauptausbreitungsebene 9
fallende Feldstärkevektor wird mit anderen Worten in sei
ner Seitenstrahlrichtung 25 mit deutlich größerer Halb
wärtsbreite auch in den seitlichen von der Hauptstrahl
richtung 23 abweichenden Seitenbereich ausgestrahlt.
Durch die erwähnten Schlitze 17 erfolgt also eine Ver
breiterung der Strahlungscharakteristik in zielgerichteter
Weise, wobei die verbesserte Strahlungscharakteristik
nicht nur schmal- sondern auch breitbandig ist.
Größe und Lage der Schlitze 17 werden dabei bevorzugt so
optimiert abgestimmt, daß die nach Art von Schlitzen ge
bildeten schwach strahlenden parasitären Strahler nicht in
Resonanz und nicht gleichphasig, sondern gegenphasig
strahlen.
Die verbesserte Strahlungscharakteristik ist aus den Dia
grammen 3 und 4 ersichtlich, wobei aus dem Diagramm gemäß
Fig. 4 zu ersehen ist, daß die Übereinstimmung der Halb
wertsbreiten der vertikalen, horizontalen und +45°/-45°
Komponenten und somit die Konstanz der Polarisation in
Halbwertsbreite bei dem erfindungsgemäßen Antennenarray
beispielsweise entsprechend Fig. 1 und 2 gegenüber einer
herkömmlichen Anordnung deutlich verbessert ist. Dabei ist
aus der Diagrammdarstellung gemäß Fig. 3 und 4 auch er
sichtlich, daß die vorteilhafte verbesserte Strahlungs
charakteristik über einen breitbandigen Bereich realisier
bar ist.
Abschließend wird darauf hingewiesen, daß die Seitenwand
bereiche mit den Schlitzen jeweils ein separates Bauteil
sein können, bevorzugt aber mit dem Reflektor fest verbun
den sind. Insbesondere bei Verwendung eines Reflektor
bleches oder einem sonstigen kant- oder biegbaren Mate
rials mit einer leitenden und damit reflektierenden Ober
fläche können die Seitenwandabschnitte durch Kanten und
Biegen des Reflektorbleches hergestellt werden.
Dabei müssen die Seitenwandabschnitte nicht zwingend am
Außenrandbereich 31 des Reflektors 7 angeordnet sein. Sie
können demgegenüber außen oder, wie in den Fig. 1 und
2 dargestellt ist, auch weiter innenliegend von der äuße
ren Kante 31 weggesetzt angeordnet sein, und zwar unter
Bildung eines äußeren Randstreifens 41.
Bevorzugt ist der Abstand zwischen den Schlitzen 17 zur
Reflektorebene 11 geringer als der Abstand der Dipol- oder
Kreuzmodulebene 19 zur Reflektorebene 11.
Claims (10)
1. Dualpolarisierte Antennenanordnung zum Abstrahlen und
Empfangen von elektromagnetischen Wellen, deren kreuzför
miges Strahlermodul (3) mit einem Winkel von +45° und -45°
bezogen auf die Vertikale und damit auch auf eine vorzugs
weise horizontale Schnittebene (9) ausgerichtet ist, und
vorzugsweise mit einem gegenüber dem zumindest einen
Strahlermodul (3) dazu rückwärtig angeordneten Reflektor
(7), gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale
- - in der horizontalen Schnittebene (9) sind seitlich ge genüberliegend von dem zumindest einen Strahlermodul (3) zwei Seitenwandabschnitte (15) vorgesehen,
- - die beiden Seitenwandabschnitte (15) sind quer zur horizontalen Schnittebene (9), d. h. vertikal angeord net, und
- - in den Seitenwandabschnitten (15) ist in Höhe der auf das betreffende Strahlermodul (3) bezogenen horizonta len Schnittebene (9) jeweils zumindest ein Schlitz (17) vorgesehen.
2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Schlitze (17) parallel zur Strahlerebene (19)
und/oder parallel zur Reflektorebene (11) angeordnet sind.
3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Seitenwandabschnitte (15), in denen
die Schlitze (17) eingebracht sind, quer zur Strahlerebene
(19) und/oder Reflektorebene (11) angeordnet sind.
4. Antennenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß die Seitenwandabschnitte (15) senkrecht zur
Strahlerebene (19) und/oder Reflektorebene (11) liegen.
5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß die Seitenwandabschnitte (15)
parallel zueinander ausgerichtet sind.
6. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß die Seitenwandabschnitte (15)
senkrecht zur horizontalen Schnittebene (9) liegen.
7. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß der Abstand der Schlitze (17)
zur Reflektorebene (11) geringer ist als der Abstand zwi
schen der Strahlerebene (19) und der Reflektorebene (11).
8. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß die Lage und/oder Bemaßung der
Schlitze (17) so abgestimmt ist, daß die als sekundäre
oder parasitäre Strahler wirkenden Schlitze (17) gegen
phasig strahlen.
9. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß die Lage und/oder Bemaßung der
Schlitze (17) derart gewählt ist, daß diese außerhalb
ihrer Resonanz strahlen.
10. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Strahlermodule
(3) unter Bildung eines Antennenarrays in vertikaler
Ausrichtung übereinander angeordnet sind.
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