DE69421836T2

DE69421836T2 - Gruppenantenne

Info

Publication number: DE69421836T2
Application number: DE1994621836
Authority: DE
Inventors: Paer Lange
Original assignee: CelsiusTech Electronics AB
Current assignee: Saab AB
Priority date: 1993-02-15
Filing date: 1994-02-11
Publication date: 2000-07-06
Anticipated expiration: 2014-02-12
Also published as: SE9300480D0; SE500094C2; EP0614246A1; DE69421836D1; SE9300480L; EP0614246B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antennenfeld mit einer Anzahl von Antennenelementen, die in zwei Gruppen unterteilt sind, eine erste Gruppe von wenigstens zwei Antennenelementen mit einer ersten Hauptkeulenrichtung, und eine zweite Gruppe von wenigstens zwei Antennenelementen, die eine zweite Hauptkeulenrichtung haben, welche sich von der ersten Hauptkeulenrichtung unterscheidet, wobei die Antenne aus wenigstens einer Reihe von Antennenelementen aufgebaut ist, die einzelnen Antennenelemente der ersten Gruppe in einer Reihe von einem einzelnen Antennenelement der zweiten Gruppe getrennt sind, einem Speisenetzwerk zum Speisen der Antennenelemente und Mitteln zum gegenseitigen Verschieben der Phasenposition zwischen den Antennenelementen der ersten Gruppe und den Antennenelementen der zweiten Gruppe.
Eine derartige Feldantenne ist bereits aus der SE-B-455907 bekannt. Jedem Paar, das aus einem Antennenelement aus jeder Gruppe der Antennenelemente gebildet ist, sind zwei Hybridschaltungen und zwei Phasenschieber zugeordnet. Durch Steuern der eingebauten Phasenschieber ist es möglich, eine Abtastkeule zu erzeugen, die einen großen Winkelbereich durchläuft. Die Antenne schafft eine Möglichkeit eines hohen Treibpegels in einer seitlichen Richtung. Da jedes Paar der Antennenelemente zwei Hybridschaltungen und zwei Phasenschieber erfordert, ist die Antenne relativ komplex bezüglich ihrer Bauteile, und ist daher teuer. Die Antenne ist für fortschrittliche Anwendungen geeignet, die eine Ab tastkeule erfordern, und bei denen die Kosten der Antenne kein wichtiger, bestimmender Faktor sind.
Aus der EP-A-0512487 ist eine weitere Antenne bekannt. Es ist eine angepaßte Antenne, welche für die Weltraunikommunikation bestimmt ist, offenbart, welche mit aussendenden Elementen versehen ist, die linienweise an den gleichen Phasenschieber angeschlossen sind. Die Linien oder Mantellinien sind auf der Oberfläche der angepaßten Antenne verteilt, um eine ganze Umdrehung abzudecken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Feldantenne zu erzeugen, die die Möglichkeit eines hohen Treibpegels gewährleistet, die eine einfache und robuste Konstruktion hat und die für die Massenproduktion geeignet ist und zu einem vernünftigen Preis zur Verfügung steht.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Feldantenne, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Vorrichtung für das gegenseitige Phasenverschieben ein Phasennetzwerk enthält, das zwischen diskreten Positionen schaltbar ist, die verschiedene einer Vielzahl von alternativen Antennensignalwegen mit unterschiedlichem Phasenshift verbinden zwischen einem Eingang und einem Ausgang der Vorrichtung für gegenseitiges Phasenverschieben, um unterschiedliche Phasenverschiebungen einzuführen, und daß das Speisenetzwerk zwischen Speisepunkt- und Antennenelementen geteilt ist in ein erstes Verzweigungsnetzwerk zum Speisen der ersten Gruppe der Antennenelemente und ein zweites Verzweigungsnetzwerk zum Speisen der zweiten Gruppe von Antennenelementen, wobei das erste Verzweigungsnetzwerk angeordnet ist, um im wesentlichen die gleiche Phasenverschiebung zu initiieren zwischen dem Speisepunkt und dem jeweiligen Antennenelement innerhalb der ersten Gruppe, und wobei das zweite Verzweigungsnetzwerk angeordnet ist, um im wesentlichen die gleiche Phasenverschiebung zu initiieren zwischen dem Speisepunkt und den jeweiligen Antennenelementen in der zweiten Gruppe. Das schaltbare Phasennetzwerk in Verbindung mit der Winkelkapazität der Antennenelemente bedeutet, daß die Feldantenne zwischen einer Anzahl von feststehenden Keulenformen eingestellt werden kann. Die Feldantenne erlaubt ein flexibles Treiben der Antennenkeulen in gewünschten Richtungen in der Horizontalebene.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Antennenelemente, welche die zweite Hauptkeulenrichtung haben, um einen Winkel größer als 0º und nicht größer als 90º, vorzugsweise 60º, bezogen auf die Antennenelemente, welche die erste Hauptkeulenrichtung haben, gedreht. Eine Drehung in der Größenordnung von 60º, die Antennenöffnungen der zwei benachbarten Antennenelemente, welche aufeinander zu gedreht sind und einen Winkel in der Größenordnung von 120º bilden, mit sich bringt, bedeutet, daß die einzelnen Elemente leicht gemeinsam in Phase gebracht werden können, um zu kooperieren, um eine Anzahl von unterschiedlichen Erfassungsdiagrammen zu bilden, und gleichzeitig hat die Antenne eine handliche Größe.
Eine spezifische Ausführungsform, die mit Antennen mit handlicher Größe attraktive Erfassungsdiagramme schafft, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne aus zwei identischen Zeilen von vier Antennenelementen, die zu der ersten Gruppe gehören und vier Antennenelementen, die zu der zweiten Gruppe gehören, welche in jeder Zeile enthalten sind, aufgebaut ist. Durch Anordnen einer Anzahl von horizontalen Reihen oder Feldern von Antennenelementen in vertikaler Richtung ist es möglich, die Form der Keulen in der Vertikalebene zu beeinflussen.
Phasenverschiebungen von 0º, 90º oder 180º sind Beispiele für Verschiebungen zwischen der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe der Antennenelemente, die zu bevorzugten Erfassungsdiagrammen führen, und gemäß einer Ausführungsform ist das Phasennetzwerk der Feldantenne so angeordnet, daß es die Phasenverschiebungen einkoppelt.
Korrekturelemente, die an sich bekannt und in einer Anzahl von alternativen Konstruktionen zu beziehen sind, sind Beispiele für Antennenelemente, die zur Verwendung in einer Feldantenne geeignet sind. Solche Korrekturelemente (patch elements) können in einer gefalteten Struktur errichtet sein, bei der das Falten der Struktur die Hauptkeulenrichtungen der Korrekturelemente bestimmt. Die gefaltete Struktur mit den Korrekturelementen ist zweckmäßigerweise von einem Gehäuse umgeben. Das Gehäuse kann sowohl eine Schutzfunktion als auch eine Designfunktion haben. Zusätzlich kann das Gehäuse das Zusammenbauen der Feldantenne erleichtern.
Die Feldantenne ist beispielsweise zur Verwendung als Antenne einer Basisstation in einem mobilen Telefonsystem geeignet. Die festliegenden Keulenformen können in diesem Fall so dimensioniert sein, daß sie eine Anzahl von normalen Straßenverkehrssituationen abdecken, beispielsweise Verkehr, der im wesentlichen in rechten Winkeln zur Feldantenne liegt, Verkehr, der im wesentlichen parallel zur Feldantenne liegt, oder Verkehrssituationen an Straßenkreuzungen. Die Feldantenne hat eine Form und Größe, die so sind, daß sich die Antenne leicht in die urbane Umgebung einfügt. Frequenzen, die derzeit für Funktelefon verwendet werden, liegen bei ungefähr 900 mHz und 1800 mHz. Die Feldantenne ist bezüglich ihrer Abmessungen für das Betreiben dieser Frequenzen geeignet, und eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne für Frequenzen innerhalb des Funktelefonbereichs dimensioniert ist, vorzugsweise um 900 mHz oder 1800 mHz.
Die Erfindung wird im einzelnen im Folgenden auf der Basis einer beispielhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben, in welchen zeigt:
Fig. 1 eine Feldantenne gemäß der Erfindung ohne ein diese umgebendes Gehäuse;
Fig. 2 die Feldantenne gemäß Fig. 1 von einem Gehäuse umschlossen;
Fig. 3 Beispiele des Aufbaus eines Korrekturelementes in explosionsartiger Darstellung;
Fig. 4 Beispiele eines Speisenetzwerkes zum Speisen der Korrekturelemente in einer Feldantenne gemäß der Erfindung; und
Fig. 5a bis 5d vier Beispiele von Antennenmustern, die mittels eines Computerprogramms erzielt worden sind, das die Funktion einer Feldantenne gemäß der Erfindung simuliert hat, für vier imaginäre festliegende Keulenformen.
Die Feldantenne 1, die in der Fig. 1 gezeigt ist, hat eine gefaltete Struktur 2, vorzugsweise aus einem Metallblechmaterial, wobei 16 Korrekturelemente 3.1-3.8, 4.1-4.8 angeordnet sind. Die Korrekturelemente werden später anhand der Fig. 3 im Einzelnen beschrieben. Die Korrekturelemente sind in zwei Zeilen unterteilt, wobei die Korrekturelemente 3.1- 3.8 eine erste Zeile oder ein erstes Feld bilden, und die Korrekturelemente 4.1-4.8 eine zweite Zeile bilden. Die Antennenstruktur ist mit einem solchen Winkel versehen, daß alle Korrekturelemente, die eine ungerade Ziffer an der letzten Stelle der Bezugsziffer haben, eine erste Hauptkeulenrichtung haben, und die Korrekturelemente, die eine geradzahlige letzte Stelle der Bezugsziffer haben, haben eine zweite Hauptkeulenrichtung. Die Hauptkeulenrichtungen der Korrekturelemente stimmen normalerweise mit der Linie im rechten Winkel zur Oberfläche jedes Korrekturelementes überein. Die Korrekturelemente, welche die erste Hauptkeulenrichtung haben, sind zu den Korrekturelementen, die die zweite Hauptkeulenrichtung haben, so ausgerichtet, daß zwei Korrekturelemente zwischen sich einen Winkel von zwischen 90º und 180º bilden, und vorzugsweise einen Winkel in der Größenordnung von 120º einschließen.
Fig. 2 zeigt die Feldantenne gemäß Fig. 1 in einem Gehäuse 5, das mit Ausbildungen 6, 7, die mit Löchern zur Erleichterung des Zusammenbauens der Feldantenne versehen ist, eingeschlossen. Die Antenne kann durch einfache Elemente an beispielsweise einer Hauswand in einer urbanen Umgebung direkt befestigt sein.
Die Feldantenne enthält Korrekturelemente, die an sich bekannt sind, und ein derartiges Korrekturelement wird daher nur im folgenden grob geschrieben. Wie aus der Fig. 3 zu ersehen ist, kann ein Antennenelement in Form eines Korrekturelementes aus einer Anzahl von im wesentlichen ebenen Metallblechen und dielektrischen Blättern aufgebaut sein. Am weitesten unten in der Figur befindet sich ein erstes Metallblech 8, das als eine Erdungsplatte wirkt. Das erste Metallblech 8 ist von einem ersten dielektrischen Blatt 9 abgedeckt. Die Oberseite des ersten dielektrischen Blattes ist mit einem Metallstreifen 10 abgedeckt, um zwischen dem mittleren Teil des Korrekturelementes und einer Außenkante 11 eine elektrische Verbindung zu schaffen. Auf der Oberseite des ersten dielektrischen Blattes 9 ist ein zweites dielektrisches Blatt 12 angeordnet. Auf der Oberseite des zweiten dielektrischen Blattes 12 ist ein zweites Metallblech 13 angeordnet. Das zweite Metallblech 13 hat in der Mitte eine Öffnung 14 und deckt einen mittleren Bereich des zweiten dielektrischen Blattes ab, der zwischen der Öffnung und den Umfangsteilen 15 des zweiten dielektrischen Blattes liegt. Auf der Oberseite des zweiten Metallbleches 13 und des zweiten dielektrischen Blattes 12 ist ein drittes dielektrisches Blatt 16 angeordnet. Eine Oberfläche, die im wesentlichen der Außengrenze des zweiten Metallbleches entspricht, ist von einem dritten Metallblech 17 abgedeckt.
Das Korrekturelement wird über ein Koaxialkabel (nicht dargestellt), dessen Mantel an das Metallblech 8 angeschlossen ist, welches als Erdungsplatte dient, und dessen Innenleiter an den Metallstreifen 10 angeschlossen ist, gespeist. Das Sendemuster für das Korrekturelement zeigt eine Hauptkeulenrichtung im wesentlichen in rechten Winkeln zu den Blechen, die in den Korrekturelementen enthalten sind.
Fig. 4 zeigt Speise- und Phasennetzwerke, die in der anhand der Fig. 1 beschriebenen Feldantenne 1 eingebaut sind. Die Speise- und Phasennetzwerke können auf der Rückseite der Struktur 2 angeordnet sein und sind daher in der Fig. 1 nicht zu sehen. In der Mitte des Speisenetzwerkes befindet sich ein Speisepunkt 20. Ein erstes Verzweigungsnetzwerk 21 und ein zweites Verzweigungsnetzwerk 22 gehen von dem Speisepunkt aus. Beide Verzweigungsnetzwerke umfassen Zweige in drei Stufen. In dem ersten Verzweigungsnetzwerk 21 ist ein erster Zweig an dem Punkt 23, sind zweite Zweige an den Punkten 24 und 25 und dritte Zweige an den Punkten 26 bis 29. In dem zweiten Verzweigungsnetzwerk ist ein erster Zweig am Punkt 30, sind zweite Zweige an den Punkten 31, 32 und dritte Zweige an den Punkten 33 bis 36. Wenn die Verzweigungsnetzwerke 21 und 22 in drei Stufen verzweigt sind, wird eine Verbindung der Korrekturelemente mit den Verzweigungsnetzwerken errichtet. In der Fig. 4 sind die Bezugsziffern der entsprechenden Korrekturelemente in den Flächen angegeben, wo die Verbindung mit den Verzweigungsnetzwerken erfolgt.
Ein schaltbares Phasennetzwerk 37 ist zwischen dem Speisepunkt 20 und dem ersten Verzweigungspunkt 30 des zweiten Verzweigungsnetzwerkes eingekoppelt. Das Phasennetzwerk 37 hat vier parallele Antennensignal-Routen 38 bis 41. Das Phasennetzwerk 37 ist in der Position gezeigt, in welcher die Signalroute 39 eingekoppelt ist und es soll im wesentlichen gleiche Phasenverschiebung zwischen dem Speisepunkt 20 und den Korrekturelementen 3.1-3.8, 4.1-4.8 in den zwei Verzweigungsnetzwerken 21 und 22 zu erzeugen. Das Einkoppeln der Signalroute 38 führt zu einer leichten Phasenverschiebung zwischen den Signalen, die die Korrekturelemente mit der ungeraden letzten Stelle der Bezugsziffer erreichen, und Signalen, die die Korrekturelemente mit einer geradzahligen letzten Stelle der Bezugsziffer erreichen. Das Einkoppeln der Signalroute 40 erhöht die Phasenverschiebung weiter und das Einkoppeln der Signalroute 41 führt zu einer Phasenverschiebung von 180º, d. h. die Ausgangssignale von den zwei Verzweigungsnetzwerken liegen in Gegenphase. Durch Einstellen des Umschaltschalters des Phasennetzwerkes auf eine Zwischenposition kann das Speisen der Korrekturelemente, die mit dem zweiten Verzweigungsnetzwerk 22 verbunden sind, vollständig ausgekoppelt werden. Der erforderliche Erfassungsbereich für einen spezifischen Fall kann leicht mittels eines einfachen Vorgangs durch eine Bedienungsperson eingestellt werden, beispielsweise durch Betätigen eines Einstellknopfes (nicht dargestellt). Der Umschaltschalter ist in diesem Fall geeignet markierten Positionen für die allgemeinensten Verkehrssituationen zugeordnet, beispielsweise im Verkehr in Längsrichtung der Straße, an Straßenkreuzungen oder um Straßenecken.
Die Fig. 5a bis 5d zeigen Beispiele von vier Antennenmustern, die durch Simulieren der Funktion der Feldantenne erzielt worden sind. Die Antennenmuster zeigen das vertikal polarisierte E-Feld, das für Antennenmuster in der Horizontalebene erzielt ist.
Fig. 5a zeigt den Fall, bei dem alle Korrekturelemente in der gleichen Phase arbeiten. Wie aus dem Antennenmuster zu ersehen ist, ist in rechten Winkeln zur Antenne eine starke Keule 42 erhalten. Dieses Speisen der Korrekturelemente in der gleichen Phase ist geeignet, um einen Straßenzug vor der Antenne, welcher im rechten Winkel zur Antenne liegt, abzudecken.
Fig. 5b zeigt den Fall, bei dem die Korrekturelemente, die die erste Hauptkeulenrichtung haben, in Phase gespeist werden und die Korrekturelemente, welche die zweite Hauptkeulenrichtung haben, in Phase, jedoch um 180º verschoben bezogen auf die Korrekturelemente mit der ersten Hauptkeulenrichtung, gespeist werden. Es werden zwei kräftige Keulen 43, 44, mit einem hohen Treibpegel erzielt. Dieses Speisen ist geeignet, wenn eine Straße längs zur positionierten Antenne abzudecken ist. Die zwei Keulen 43, 44, decken die Straße, ausgehend von der Antenne in einander entgegengesetzten Richtungen ab.
Die Fig. 5c und 5d zeigen Speisebeispiele, die für Kreuzungen oder Straßenecken geeignet sind. Gemäß Fig. 5c werden eine Gruppe Korrekturelemente, die eine gemeinsame Hauptkeulenrichtung haben, in Phase gespeist, während Keulenelemente mit einer weiteren Hauptkeulenrichtung ausgekoppelt sind. In diesem Fall werden zwei starke Keulen 45 und 46, die um ungefähr 90º getrennt sind, erhalten, was eine gute Versorgung an normalen Straßenecken erlaubt. Gemäß Fig. 5d wird eine erste Gruppe Korrekturelemente mit einer gemeinsamen Hauptkeulenrichtung in Phase gespeist, und eine zweite Gruppe Korrekturelemente mit einer weiteren gemeinsamen Hauptkeulenrichtung wird in Phase gespeist, jedoch bezogen auf die erste Gruppe um 90º phasenverschoben. Es werden drei starke Keulen 47, 48, 49 erhalten.
Die Erfindung ist nicht in irgendeiner Form auf die vorstehend beschriebene beispielhafte Ausführungsform begrenzt, sondern stattdessen sind eine Anzahl von alternativen Ausführungsformen innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung möglich. Beispielsweise kann die Anzahl der Antennenelemente pro Zeile innerhalb weiter Grenzen variiert werden. Die Anzahl der Zeilen mit Antennenelementen kann ähnlich variiert werden.

Claims

1. Feldantenne (19) mit einer Vielzahl von Antennenelementen (3.1-3.8, 4.1-4.8), die in zwei Gruppen aufgeteilt sind, nämlich eine erste Gruppe von mindestens zwei Antennenelementen (3.1, 3.3, 3.5, 3.7, 4.1, 4.3, 4.5, 4.7), welche eine erste Hauptkeulenrichtung haben, und eine zweite Gruppe von mindestens zwei Antennenelementen (3.2, 3.4, 3.6, 3.8, 4.2, 4.4, 4.6, 4.8), die eine zweite Hauptkeulenrichtung unterschiedlich von der ersten Hauptkeulenrichtung haben, wobei die Antenne aus mindestens einer Zeile von Antennenelementen gebildet ist, wobei die individuellen Antennenelemente der ersten Gruppe in einer Reihe voneinander getrennt sind durch ein individuelles Antennenelement der zweiten Gruppe, einem Speisenetzwerk (21, 22) zum Speisen der Antennenelemente, und einer Vorrichtung (37) zum gegenseitigen Verschieben der Phasenposition zwischen der ersten Gruppe von Antennenelementen und der zweiten Gruppe von Antennenelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung für das gegenseitige Phasenverschieben ein Phasennetzwerk (37) enthält, das zwischen diskreten Positionen schaltbar ist, die verschiedene einer Vielzahl von alternativen Antennensignalwegen (38-41) mit unterschiedlichem Phasenshift verbinden zwischen einem Eingang und einem Ausgang der Vorrichtung für das gegenseitige Phasenverschieben, um unterschiedliche Phasenverschiebungen einzuführen, und das Speisenetzwerk zwischen einem Speisepunkt (20) und Antennenelementen geteilt ist in ein erstes Verzweigungsnetzwerk (22) zum Speisen der ersten Gruppe der Antennenelemente und ein zweites Verzweigungsnetzwerk (21) zum Speisen der zweiten Gruppe von Antennenelementen, wobei das erste Verzweigungsnetzwerk angeordnet ist, um im wesentlichen die gleiche Phasenverschiebung zu iniziieren zwischen dem Speisepunkt (20) und dem jeweiligen Antennenelement innerhalb der ersten Gruppe und wobei das zweite Verzweigungsnetzwerk angeordnet ist, um im wesentlichen die gleiche Phasenverschiebung zu iniziieren zwischen dem Speisepunkt (20) und den jeweiligen Antennenelementen in der zweiten Gruppe.

2. Feldantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente (3.2, 3.4, 3.6, 3.8, 4.2, 4.4, 4.6, 4.8) mit der zweiten Hauptkeulenrichtung um einen Winkel größer als 0º und nicht mehr als 90º gedreht sind, und vorzugsweise in der Größenordnung von 60º, in Relation zu den Antennenelementen (3.1, 3.3, 3.5, 3.7, 4.1, 4.3, 4.5, 4.7), die die erste Hauptkeulenrichtung haben.

3. Feldantenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (1) aus zwei identischen Reihen mit vier Antennenelementen (3.1, 3.3, 3.5, 3.7 bzw. 4.1, 4.3, 4.5, 4.7) gebildet ist, die zur ersten Gruppe gehören und vier Antennenelementen (3.2, 3.4, 3.6, 3.8 bzw. 4.2, 4.4, 4.6, 4.8), die zu der in jeder Reihe enthaltenen zweiten Gruppe gehören.

4. Feldantenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das schaltbare Phasennetzwerk (37) arrangiert ist, um einen Phasenshift von 0º, 90º oder 180º einzukuppeln zwischen der ersten Kuppel (3.1, 3.3, 3.5, 3.7, 4.1, 4.3, 4.5, 4.7) und der zweiten Gruppe (3.2, 3.4, 3.6, 3.8, 4.2, 4.4, 4.6, 4.8) der Antennenelemente.

5. Feldantenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasennetzwerk (37) arrangiert ist, um eine der Gruppen von Antennenelementen auszukoppeln.

6. Feldantenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anten nenelemente aus Fleckenelementen (Fig. 3) bestehen, die gebildet sind aus im wesentlichen ebenen Platten aus Metall und Dielektrikum (8, 13, 17 bzw. 9, 12, 16) gebildet sind.

7. Feldantenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fleckenelemente in einer gefalteten Struktur (2) angeordnet sind und umgeben sind von einem Gehäuse (5).

8. Feldantennen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (1) dimensioniert ist für Frequenzen innerhalb des Radio-Telefonbereiches, vorzugsweise um 900 MHz oder 1800 MHz.