DE69830557T2 - Multifilare Wendelantenne - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft mehradrige Wendelantennen und insbesondere, obgleich nicht notwendigerweise, vieradrige Wendelantennen.
• Heute ist eine Reihe von Satellitenkommunikationssystemen in Betrieb, die es Benutzern erlauben, mithilfe lediglich tragbarer Kommunikationsanlagen per Satellit zu kommunizieren. Zu diesen zählt das Global Positioning System (GPS), das Erdstationen Positions- und Navigationsinformationen bereitstellt, und Telefonsysteme wie z.B. INMARSAT (TM). Man erwartet, dass die Nachfrage nach dieser Art privater Kommunikation über Satellit (S-PCN) in naher Zukunft signifikant wächst.
• Ein Bereich, dem größere Bedeutung zukommt, ist die Entwicklung einer geeigneten Antenne, die bidirektional mit einem relativ entfernten, in einem Orbit befindlichen Satelliten mit zufrieden stellendem Signal-Rausch-Verhältnis kommunizieren kann. Die Arbeiten in diesem Bereich haben dazu tendiert, sich auf die vieradrige Wendelantenne (Quadrifilar Helix Antenna, QFH-Antenne) zu konzentrieren (K. Fujimoto und J. K. James, "Mobile Antenna Systems Handbook", Norwood, 1994, Artech House). Wie in 1 dargestellt, umfasst die QFH-Antenne 1 vier regelmäßige und identische einander umwickelnde resonante Wendelelemente 2a bis 2d, die auf einer gemeinsamen Achse A zentriert und physikalisch um 90° gegeneinander versetzt sind. Im Empfangsmodus sind Signale, die von den vier Wendelelementen empfangen werden, um 0°, 90°, 180° bzw. 270° phasenverschoben, bevor sie in der HF-Empfangseinheit der mobilen Anlage kombiniert werden. In ähnlicher Weise wird im Sendemodus das zu sendende Signal in vier Komponenten zerlegt, die relative Phasenverschiebungen von 0°, 90°, 180° bzw. 270° aufweisen, die dann an die Wendelelemente 2a bis 2d gelegt werden.
• WO 96/06468 beschreibt den nächstliegenden Stand der Technik, der eine QFH-Antenne ist, die zwei einfache Wendelelemente und zwei mäandernde Wendelelemente aufweist. Mäanderung verkürzt die Wendelelemente auf dieselbe axiale Länge wie die zwei einfachen Wendelelemente. Die Veröffentlichung lehrt, dass die sich unterscheidenden Längen die gewünschten Phasenverschiebungsbedingungen für eine vieradrige Wendelantenne für zirkular polarisierte Signale erzeugen.
• US 5581268 beschreibt eine wendelförmige Antenne, die verschachtelte Sende- und Empfangsantennen aufweist, die eine jede vier Direktantennenelemente aufweist. Die Antennenelemente weisen veränderliche Breite derart auf, dass die benachbarten Elemente auf derselben axialen Ebene jeweils eine minimale und maximale Breite aufweisen. Diese Veränderung in der Breite reduziert die Kopplung zwischen den Antennenelementen.
• EP 0320404 beschreibt ein Herstellungsverfahren, wobei eine QFH-Antenne hergestellt wird, indem zuerst QFH-Elemente auf einer flexiblen Leiterplatte angeordnet werden und dann die Leiterplatte zu einer Antenne gerollt wird.
• Die QFH-Antenne hat sich aus drei Hauptgründen als für die Satellitenkommunikation geeignet erwiesen. Erstens ist sie (verglichen mit anderen verwendbaren Antennen) relativ kompakt, eine Eigenschaft, die wesentlich ist, soll sie in einer tragbaren Anlage verwendet werden. Zweitens ist die QFH-Antenne in der Lage, zirkular polarisierte Signale zu senden und zu empfangen, so dass eine Drehung der Polarisationsrichtung (aufgrund beispielsweise von Bewegung des Satelliten) die für die Antenne verfügbare Signalenergie nicht wesentlich beeinflusst. Drittens weist sie eine räumliche Gewinncharakteristik (sowohl in Sende- als auch in Empfangsmodi) mit einer Hauptkeule nach vorn auf, die sich über einen im Allgemeinen halbkugelförmigen Bereich erstreckt. Diese Gewinncharakteristik ist in 2 für die Antenne aus 1 bei einer Betriebsfrequenz von 1,7 GHz dargestellt. Somit ist die QFH-Antenne gut zum Kommunizieren mit Satelliten geeignet, die sich in dem halbkugelförmigen Bereich oberhalb des Kopfes des Benutzers befinden.
• Ein Problem bleibt bei der QFH-Antenne jedoch ihre große Größe. Kann diese reduziert werden, wird der Markt für mobile Satellitenkommunikationsanlagen wahrscheinlich beträchtlich ausgeweitet werden. Eine Möglichkeit, die Länge einer QFH-Antenne für einen gegebenen Frequenzbereich zu reduzieren, besteht darin, die Steigung der Wendelelemente zu reduzieren. Jedoch neigt dies dazu, den horizontalen Gewinn der Antenne auf Kosten des vertikalen Gewinns zu erhöhen, wobei die Gewinncharakteristik weiter von der idealen Halbkugel fort verschoben wird. Eine andere Möglichkeit, die Länge der Antenne zu reduzieren, besteht darin, die Wendelelemente um einen massiven dielektrischen Kern herum zu bilden. Dies erhöht jedoch nicht nur das Gewicht der Antenne, sondern bringt Verluste, die den Antennengewinn reduzieren.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Entwurfsflexibilität mehradriger Wendelantennen zu verbessern, um zu ermöglichen, dass Gewinncharakteristika für bestimmte Anwendungen maßgeschneidert werden. Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Länge von QFH-Antennen zu reduzieren, die für Satellitenkommunikation verwendet werden.
• Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine mehradrige Wendelantenne bereitgestellt, die eine Anzahl einander umwickelnder wendelförmiger Antennenelemente aufweist, wobei der Weg eines jeden Wendelelements festgelegt ist durch einen Axialkoeffizienten z, einen Radialkoeffizienten r und einen Winkelkoeffizienten, dadurch gekennzeichnet, dass ^dθ/_dz für alle Wendelelemente nichtlinear mit Bezug auf den Axialkoeffizienten z ist.
• Die vorliegende Erfindung führt in die Konstruktion einer mehradrigen Wendelantenne eine Variable ein, die zuvor noch nicht angewendet worden ist. Durch sorgfältiges Einführen nichtlinearer Änderungen in die Struktur eines Wendelelements der mehradrigen Wendelantenne kann die räumliche Gewinncharakteristik der Antenne optimiert werden. Darüber hinaus kann die axiale Länge der Antenne reduziert werden.
• Vorzugsweise verändert sich ^dθ/_dz mit Bezug auf z im Wesentlichen für alle Wendelelemente gleich.
• Vorzugsweise verändert sich ^dθ/_dz periodisch. In mehr zu bevorzugender Weise ist die Periode dieser Veränderung ein ganzzahliger Bruchteil einer Umlaufslänge des Wendelelements. Alternativ kann die Periode ein ganzzahliges Vielfaches der Umlaufslänge sein.
• Vorzugsweise ist der Axialkoeffizient z eine Sinusfunktion des Winkelkoeffizienten, d.h. z = k₀θ + fsin(k₁θ), wobei k₀ und k₁ Konstanten sind. Der Axialkoeffizient z kann eine Summe von mehreren Sinusfunktionen des Winkelkoeffizienten sein, d.h. z = k₀θ + f₁sin(k₁θ) + ... + f_nsin(k_nθ). Die Funktionen f können Multiplikationskonstanten sein.
• Vorzugsweise ist der Radialkoeffizient r für alle Wendelelemente konstant mit Bezug auf den Axialkoeffizienten z. Die Wendelelemente können um den Umfang eines Zylinderkerns herum vorgesehen sein. Alternativ kann sich r mit Bezug auf z verändern. Beispielsweise kann r sich linear mit Bezug auf z für eines oder mehrere der Wendelelemente verändern, z.B. durch Vorsehen des oder eines jeden Wendelelements um den Umfang eines Kegelstumpfs herum. In jedem Fall kann der Kern massiv sein, ist aber vorzugsweise hohl, um das Gewicht der Antenne zu reduzieren. Ein hohler Kern kann einen gewickelten Bogen dielektrischen Materials umfassen. Die Wendelelemente können Metalldrahtlitzen sein, die um den Kern gewickelt sind, durch Ätzen oder Wachsen gebildete Metallleiterbahnen oder eine beliebige andere geeignete Struktur aufweisen. Die Eigenschaften der Antenne können eingestellt werden, indem Bohrungen im Kern gebildet werden oder die dielektrischen Eigenschaften des Kerns in anderer Weise modifiziert werden.
• Vorzugsweise ist die mehradrige Wendelantenne eine vieradrige Wendelantenne, die vier wendelförmige Antennenelemente aufweist. Die Antennenelemente sind vorzugsweise in 90°-Abstandsintervallen angeordnet, obgleich andere Abstände gewählt werden können. Nichtlinearität kann in eines oder mehrere der Wendelelemente eingeführt werden, um die Approximation der vorderen Hauptkeule der Antennen-Gewinncharakteristik an eine Halbkugel zu verbessern und nach hinten gerichtete Keulen der Gewinncharakteristik zu reduzieren oder um die Gewinncharakteristik an eine beliebige andere gewünschte Kontur anzupassen. Die Erfindung ist auch auf andere mehradrige Antennen anzuwenden, wie z.B. zweiadrige Antennen.
• Mehradrige Antennen als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können durch geeignete Phaseneinstellung der Wendelelemente bei Benutzung entweder als Backfire-Antenne oder als Längsstrahler ausgeführt sein.
• Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine mobile Kommunikationsanlage bereitgestellt, die eine mehradrige Antenne gemäß dem obigen ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst. Die Anlage ist vorzugsweise ausgeführt, um mit einem Satelliten zu kommunizieren. In mehr zu bevorzugender Weise ist die Anlage ein Satellitentelefon.
• Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung, und um zu zeigen, wie dieselbe wirksam gemacht werden kann, wird nun anhand eines Beispiels und auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen, wobei
• 1 eine vieradrige Wendelantenne gemäß dem Stand der Technik darstellt;
• 2 die räumliche Gewinncharakteristik der vieradrigen Wendelantenne der 1 im Querschnitt darstellt;
• 3A bis 3D den Axialkoeffizienten z über dem Winkelkoeffizienten für die jeweiligen wendelförmigen Antennenelemente zeigt;
• 4 die räumliche Gewinncharakteristik der vieradrigen Wendelantenne darstellt, die gemäß 3B aufgebaut ist; und
• 5 ein Telefon zeigt, das eine mehradrige Wendelantenne gemäß der Erfindung aufweist.
• Es wurde bereits Bezug nehmend auf 1 eine herkömmliche vieradrige Wendelantenne beschrieben. Die Antenne ist aus vier regelmäßigen Wendelelementen 2a bis 2d gebildet, wobei für ein jedes Element der Axialkoeffizient z eine lineare Funktion des Winkelkoeffizienten ist, d.h. z = kθ ist, wobei k eine Konstante ist. Dies ist in 3A in zwei Dimensionen veranschaulicht, die die Wendelelemente effektiv abgewickelt zeigt. Die senkrechte Achse entspricht daher z, während die waagerechte Achse proportional zum Winkelkoeffizienten ist (die Dimension beider Achsen ist Millimeter). Die axiale Länge z der Antenne der 1 und 3A beträgt 15,37 cm, der Radius r beträgt 0,886 cm, und die Anzahl Umläufe N beträgt 1,2.
• Um dem Wendelelement Nichtlinearität hinzuzufügen, kann der Axialkoeffizient durch

  

  beschrieben werden, wobei a, b, c und d Konstanten sind, welche die Nichtlinearität des Wendelelements steuern, und l_ax die axiale Länge des Elements ist. a, c kann man sich als Amplitude der nichtlinearen Veränderung denken, wohingegen man sich b, d als die Periode der Veränderung denken kann. Die Änderungsrate von mit Bezug auf z, ^dθ/_dz, wird nichtlinear mit Bezug auf z als eine Folge der sinusförmigen Veränderung, die in z eingeführt ist. Bei a, b, c und d gleich null ist das Wendelelement dann linear, d.h. wie in der Antenne der 1 und 3A.
• 3B bis 3D zeigen zweidimensionale Darstellungen für QFH-Antennen mit nichtlinearen Wendelelementen, und die mit dem obigen Ausdruck beschrieben werden können, wobei die Koeffizienten a, b, c und d die Werte aufweisen, die in der nachstehenden Tabelle gezeigt sind, die Anzahl Umläufe auf N = 1,2 fixiert ist und der Radius r auf 0,886 cm fixiert ist. Diese Antennen sind ausgelegt, bei 1,7 GHz betrieben zu werden. Zum Vergleich zeigt die Tabelle auch die Koeffizienten der linearen Antenne der 3A.
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• Ebenfalls in der obigen Tabelle enthalten sind die axialen Längen l_ax der QFH-Antennen, wodurch offensichtlich wird, dass dort, wo Nichtlinearität entweder in Steigung oder Kontur eingeführt wird, die axiale Länge der Antenne bei gegebenem Radius und gegebener Umdrehungsanzahl reduziert wird.
• 4 zeigt die räumliche Gewinncharakteristik für die QFH-Antenne aus 3B bei 1,7 GHz. Ein Vergleich mit der Gewinncharakteristik der Antenne aus 3A, die in 2 gezeigt ist, zeigt, dass die Einführung von Nichtlinearität in die Wendelelemente den Gewinn in der axialen Richtung um –2,5 dB verringert. Jedoch wird man für diese Verringerung entschädigt durch eine Verringerung der Länge der Antenne um 1,57 cm. Wo die QFH-Antenne ausgelegt ist, mit Satelliten in erdnahen Umlaufbahnen zu kommunizieren, kann die Verzerrung der Gewinncharakteristik sogar vorteilhaft sein.
• 5 zeigt ein Telefon, das eine mehradrige Wendelantenne gemäß der Erfindung aufweist. Das Telefon kann z.B. eine mobile Kommunikationsanlage wie z.B. ein Mobiltelefon oder ein Satellitentelefon sein.
• Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass mit dem technischen Fortschritt die grundlegende Idee der Erfindung auf verschiedenen Wegen implementiert werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen sind somit nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern sie können sich innerhalb des Rahmens der Ansprüche verändern.

Claims (14)

1. Mehradrige Wendelantenne (1, 5), die eine Anzahl einander umschlingender wendelförmiger Antennenelemente (2a, 2b, 2c, 2d) aufweist, wobei der Weg eines jeden Wendelelements festgelegt ist durch einen Axialkoeffizienten z, einen Radialkoeffizienten r und einen Winkelkoeffizienten θ, dadurch gekennzeichnet, dass dθ/dz für alle Wendelelemente nichtlinear mit Bezug auf den Axialkoeffizienten z ist.
2. Antenne nach Anspruch 1, wobei eine Steigung zwischen zwei benachbarten Wendelelementen nichtlinear ist.
3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steigung entlang der zwei benachbarten Wendelelemente variabel ist.
4. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich dθ/dz mit Bezug auf z für alle Wendelelemente (2a, 2b, 2c, 2d) im Wesentlichen gleich verändert.
5. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich dθ/dz für das mindestens eine Wendelelement periodisch verändert.
6. Antenne nach Anspruch 5, wobei die Periode dieser Veränderung ein ganzzahliger Bruchteil einer Umlaufslänge des Wendelelements (2a, 2b, 2c, 2d) ist oder die Periode ein ganzzahliges Vielfaches der Umlaufslänge ist.
7. Antenne nach Anspruch 6, wobei für mindestens eines der Elemente (2a, 2b, 2c, 2d) der Axialkoeffizient z eine Sinusfunktion des Winkelkoeffizienten θ ist, d.h. z = k₀θ + fsin(k₁θ), wobei k₀ und k₁ Konstanten sind.
8. Antenne nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Axialkoeffizient z eine Summe von mehreren Sinusfunktionen des Winkelkoeffizienten ist, d.h. z = k₀θ + f₁sin(k₁θ) + f₂sin(k₂θ) + ... + f_n sin(k_nθ).
9. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Radialkoeffizient r für alle Wendelelemente (2a, 2b, 2c, 2d) konstant mit Bezug auf den Axialkoeffizienten z ist.
10. Antenne nach Anspruch 9, wobei die Wendelelemente (2a, 2b, 2c, 2d) um den Umfang eines Zylinderkerns herum vorgesehen sind.
11. Antenne nach Anspruch 10, wobei der Kern hohl ist und einen oder mehrere aufgerollte Bahnen aus dielektrischem Material umfasst.
12. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antenne eine vieradrige Wendelantenne ist, die vier wendelförmige Antennenelemente (2a, 2b, 2c, 2d) aufweist.
13. Mobile Kommunikationsanlage, die eine mehradrige Wendelantenne umfasst, welche eine Anzahl einander umschlingender wendelförmiger Antennenelemente (2a, 2b, 2c, 2d) aufweist, wobei der Weg eines jeden Wendelelements festgelegt ist durch einen Axialkoeffizienten z, einen Radialkoeffizienten r und einen Winkelkoeffizienten θ, dadurch gekennzeichnet, dass dθ/dz für alle Wendelelemente nichtlinear mit Bezug auf den Axialkoeffizienten z ist.
14. Satellitentelefon, das eine mehradrige Wendelantenne umfasst, welche eine Anzahl einander umschlingender wendelförmiger Antennenelemente (2a, 2b, 2c, 2d) aufweist, wobei der Weg eines jeden Wendelelements festgelegt ist durch einen Axialkoeffizienten z, einen Radialkoeffizienten r und einen Winkelkoeffizienten θ, dadurch gekennzeichnet, dass dθ/dz für alle Wendelelemente nichtlinear mit Bezug auf den Axialkoeffizienten z ist.