DE69901026T2

DE69901026T2 - Doppelbandantenne

Info

Publication number: DE69901026T2
Application number: DE69901026T
Authority: DE
Inventors: Stefan Jonsson; Dan Karlsson
Original assignee: Allgon AB
Current assignee: Allgon AB
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2019-06-10
Also published as: DE1072065T1; EP1072065B1; ES2153342T3; EP1072065A1; SE512439C2; ES2153342T1; GR20010300001T1; BR9906841A; WO2000001032A1; SE9802301L; CN1214488C; CN1286816A; DE69901026D1; DE29910570U1; SE9802301D0; US6295028B1; AU5073299A; BRPI9906841B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Doppelbandantenne, die umfaßt: mindestens ein erstes Antennenelement und ein zugeordnetes zweites Antennenelement zum Senden und/oder Empfangen von Funkfrequenzstrahlung in einem ersten, relativ niedrigen Frequenzband und einem zweiten, relativ hohen Frequenzband, und eine elektrisch leitende, im wesentlichen ebene Reflektorvorrichtung, wobei das mindestens eine erste Antennenelement in der Nähe des zugeordneten zweiten Antennenelements angeordnet ist, um so mindestens ein kombiniertes Antennenelement auf einer Vorderseite der Reflektorvorrichtung zu bilden und um erste und zweite Strahlbündel zu definieren, die jeweils eine bestimmte Azimutstrahlbreite aufweisen, welche im wesentlichen symmetrisch hinsichtlich einer zentralen Längsebene ist, die senkrecht zur ebenen Reflektorvorrichtung orientiert ist und sich durch das mindestens eine kombinierte Antennenelement (7b) erstreckt.
Neuerdings ist der Bedarf an Antennen für Mobilfunkanwendungen dramatisch gestiegen und es gibt jetzt eine Anzahl von land- und satellitengestützten Systemen für Funkverbindungen, die einen weiten Bereich von Frequenzbändern verwenden. Dementsprechend besteht auch ein Bedarf an Antennen, die in zwei oder mehr Frequenzbändern arbeiten können, vorzugsweise auch mit Doppelpolarisierung, um eine gewünschte Verschiedenheit (Diversity) von der Antenne empfangenen Funkfrequenzstrahlung zu erreichen. Solche doppelt polarisierten Doppelbandantennen sind besonders nützlich in Basisstationsantennen.
Wegen der Kapazitätsprobleme, die in den bestehenden AMPS-800 und GSM-900 MHz Systemen auftreten, haben viele Betreiber neuerdings auch Lizenzen für das DCS-1800 oder PCS1900 MHz Band erworben, das heißt ein viel höheres Frequenzband, das vom niedrigeren Frequenzband ungefähr eine Oktave weit getrennt ist. Um die bestehenden Plätze für die neuen Frequenzbänder nutzen zu können, ist es daher ein günstiger Weg zur Implementierung der neuen Systeme, die vorhandenen GSM oder AMPS- Antennen durch Doppelbandantennen zu ersetzen, die beispielsweise in den Doppelbändern GSM/DCS oder AMPS/PCS arbeiten können.
Eine Doppelbandantenne der im ersten Absatz erwähnten Art ist in der schwedischen Patentanmeldung 9704642-9 (ALLGON AB) beschrieben, wonach jedes Doppel- oder kombinierte Antennenelement Flächenelemente aufweist, die mit der Öffnung gekoppelt, eben, zueinander parallel, eines über dem anderen angeordnet und im Bezug auf einen Mittelpunkt einer kreuzförmigen Öffnung in einer Bodenebenenschicht zentriert sind, die als eine Reflektorvorrichtung dient. Mikrowellenenergie wird aus einem Speisenetzwerk in zwei getrennte Frequenzbänder eingespeist, wobei die Mikrowellenenergie in einem ersten Frequenzband durch die Öffnung in der Reflektorvorrichtung zu einem ersten strahlenden Flächenelement zugeführt wird, und die Mikrowellenenergie in einem zweiten Frequenzband durch die Öffnung in der Reflektorvorrichtung und durch ein koppelndes Flächenelement und eine ebenfalls kreuzförmige Öffnung im ersten strahlenden Flächenelement zu einem zweiten strahlenden Flächenelement geleitet wird, das kleiner ist und im höheren Frequenzband arbeitet.
Ein solcher Antennenaufbau mit kombinierten Antennenelementen hat sich als sehr vorteilhaft in Herstellung und Verwendung erwiesen. Jedoch ist ein praktisches Problem mit Bezug auf die. Breite der Strahlbündel an der Frontseite der Antenne aufgetreten. Wegen der verschiedenen Wellenlängen, z. B. jeweils 0,326 m und 0,167 m ist die Azimutstrahlbreite jedes Strahls gemessen als die Halbenergiegrenze (-3dB) voneinander ganz verschieden, wobei der Strahl im niedrigeren Frequenzband viel breiter als der Strahl im höheren Frequenzband ist.
Sinngemäß ist es ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, eine Doppelbandantennenstruktur zu schaffen, die eine Modifizierung der Strahlbündelbreite im höheren Frequenzband ermöglicht, insbesondere so, daß sie sich der Strahlbündelbreite im niedrigeren Frequenzband annähert.
Andere zweite Ziele sind, eine Antennenstruktur zu schaffen, die in der Serienproduktion leicht herzustellen und gut geeignet ist zur Verwendung in Basisstationen, die in wenigstens zwei Frequenzbändern arbeiten, einschließlich von Bändern mit Mittenfrequenzen in den Bereichen 800 bis 950 MHz und 1750 bis 1950 MHz. Noch ein weiteres Ziel ist es, ein günstigeres Vor-Rück-Verhältnis der abgestrahlten Energie zu erreichen.
Das oben angegebene Hauptziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Reflektorvorrichtung auf jeder ihrer lateralen Seiten mit einem Randabschnitt versehen ist, der als eine Nut ausgebildet ist, die zur Vorderseite der Reflektorvorrichtung offen und so dimentioniert ist, daß die Azimutstrahlbreite des zweiten Strahls (im höheren Frequenzband) aufgeweitet wird, besonders auf einen Winkelwert, der nahe bei dem des ersten Strahls (im niedrigeren Frequenzband) liegt. Das Aufweiten des Strahls im höheren Frequenzband wird verursacht durch eine Sekundärstrahlung mit einer horizontalen elektrischen Feldkomponente von den Randabschnitten der Reflektorvorrichtung.
Die genaue Konfiguration und Abmessungen der Nuten hängen selbstverständlich unter anderem von den verwendeten besonderen Frequenzbändern, der Konfiguration der Reflektorvorrichtung und der Geometrie und dem Material der Abdeckung oder des Radoms ab, der normalerweise als ein Schutzdeckel auf der Frontseite der Antenne montiert ist.
Als eine allgemeine Regel haben jedoch Untersuchungen gezeigt, daß die Tiefe der Nut das 0,1- bis 0,3-fache der Wellenlänge der Strahlung des zweiten Frequenzbandes (des höheren Frequenzbandes) und die Breite der Nut ungefähr das 0,2-fache der oben erwähnten Wellenlänge sein sollten. Normalerweise hat die Nut solche Abmessungen, daß sie nur eine geringe Auswirkung auf die Breite und andere Eigenschaften des Strahls im ersten Frequenzband (des niedrigeren Frequenzbandes) hat. Eine typische laterale Breite der gesamten Reflektorvorrichtung ist 0,2 bis 0,3 m, besonders etwa 0,25 m bis 0,28 m für eine Antenne mit einer 70º Azimutstrahlbreite (oder etwa das 1,5-fache der Wellenlänge im höheren Frequenzband), und die Breite jeder Längsnut an den Rändern des Reflektors beträgt etwa 0,033 m (oder etwa das 0,2-fache der Wellenlänge im höheren Frequenzband).
Die geometrische Konfiguration der Nuten kann vom Fachmann nach Wunsch gewählt werden, z. B. mit einem rechteckigen, gebogenen oder V-förmigen Querschnitt. Aus praktischen Gründen ist die Nut vorzugsweise definiert durch in Längsrichtung verlaufende, im wesentlichen ebene Wandabschnitte, wie zwei Seitenwandabschnitte und ein dazwischen liegender Bodenwandabschnitt, und wird erhalten durch Biegen eines Metallblechmaterials, wie Aluminium, vorzugsweise in einem Stück mit dem Rest der Reflektorvorrichtung.
In einer besonderen Ausführungsform, die geprüft wurde und ausgezeichnete Leistung lieferte, ist der Mittelbereich der Reflektorvorrichtung zwischen den als Nuten ausgebildeten Randabschnitten lateral oder seitlich durch laterale aufwärts gerichtete Wandabschnitte und in Längsrichtung längs einer linearen Anordnung von sieben Doppelbandantennenelementen (gestapelten Flächenelementen) durch metallische (Aluminium) Abschirm-Wandelemente begrenzt, die sich quer in Richtung zwischen jedem Paar von benachbarten Doppelelementen in der linearen Anordnung erstrecken. Die Gesamtlänge dieser Antenne einschließlich des frontalen Radoms beträgt 1,2 m, ihre Gesamtbreite 0,3 m und ihre Tiefe oder Dicke 0,11 m.
Die Erfindung wird nun weiter erläutert mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, welche die oben erwähnte bevorzugte Ausführungsform der Doppelbandantenne zeigen.
Fig. 1 zeigt schematisch in einer perspektivischen Explosionsansicht die wesentlichsten Teile der Antenne (zwei Zuleitungskabel und eine schützende Frontabdeckung oder Radom sind zur Klarheit weggelassen); und
Fig. 2 zeigt ebenfalls in Explosionsansicht einen transversalen Querschnitt der in Fig. 1 gezeigten Antenne beim zweiten Antennenelement.
Die erfindungsgemäße Doppelbandantenne in der in den Fig. 1 und 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform besteht im wesentlichen aus einer Grundebenenschicht, die als eine Reflektorvorrichtung 1 dient, einem (nicht besonders gezeigten) Speisenetzwerk, das an der Unterseite einer Substratschicht 2 gebildet ist, elektrisch leitenden Abschirmungskäfigen 3a, 3b usw., die eine rückwärtsgerichtete Mikrowellenfortpflanzung (nach unten gerichtet in den Fig. 1 und 2) verhindern, und Kopplungs- und Strahlungsflächenelementen 4a, 5a, 6a; 4b, 5b, 6b; usw., welche Doppel- oder kombinierte Antennenelemente 7a, 7b, usw. bilden, die in einer linearen Anordnung längs der Längsachse der länglichen Antenne montiert sind.
Jedes kombinierte Antennenelement, z. B. das in Fig. 2 sichtbare Element 7b ist von der allgemeinen Art wie in der oben erwähnten schwedischen Patentanmeldung 9704642-9 beschrieben, das heißt es weist zwei ebene, zueinander parallele strahlende Feldelemente 5b, 6b auf, die mit Mikrowellenenergie vom Speisenetzwerk auf dem Substrat 2 durch eine kreuzförmige Öffnung (in Fig. 1 nicht sichtbar) in der Grundebenenschicht oder dem Reflektor 1 gespeist sind, wobei ein Teil des Netzwerkes und ein zugeordnetes Speisekabel Energie in eine linearen Polarisation (um +45º geneigt) und ein anderer Teil des Netzwerkes und ein zugehöriges Speisekabel Energie in einer orthogonalen Polarisation (um -45º geneigt) einspeisen. Die Mikrowellenenergie wird in zwei getrennten Frequenzbändern geliefert, nämlich einem niedrigeren Band von 880-960 MHz (GSM) und einem oberen Band von 1710-1880 MHz (DCS), wobei die Energie im niedrigeren Band dem etwas größeren Feldelement 5b zugeführt wird, von dem sie im ganzen nach oben (in den Zeichnungsfiguren) in einem wohl definierten Strahlenbündel abgestrahlt wird, und die Energie im oberen Band wird dem kleineren Feldelement 6b zugeführt, von welchem sie im ganzen nach oben ebenfalls in einem gut definierten Strahlenbündel abgestrahlt wird.
Die Mikrowellenenergie im oberen Band, die vom Feldelement 6b abgestrahlt werden soll, wird von dem Speisenetzwerk über eine kreuzförmige Öffnung 9b (Fig. 1) in dem Strahlungsfeldelement 5b übertragen, wie in der oben erwähnten schwedischen Patentanmeldung 9.704642-9 erläutert, deren Lehre hier durch Bezugnahme eingeschlossen wird. Das dazwischen liegende verhältnismäßige kleine Feldelement 4b, das ungefähr die gleichen Abmessungen wie das verhältnismäßig kleine strahlende Feldelement 6b hat, dient als Kopplungsglied, das erforderlich ist für den Transfer der Mikrowellenenergie vom Speisenetzwerk zum strahlenden Feldelement 6b.
Die Substratschicht 2 ist hergestellt aus einem Teflonmaterial, z. B. der mit DICLAD 527 bezeichneten Art, und die übereinander angeordneten Feldelemente sind durch Abstandselemente (nicht gezeigt) oder statt dessen einen Schaumstoff (nicht gezeigt) z. B. der mit ROHACELL bezeichneten Art getrennt.
Doppelpolarisation und begleitende Verschiedenheit (Diversity) wird in jedem Band mittels orthogonaler linearer Polarisation erreicht, die durch Erregung der jeweiligen zueinander senkrechten Schlitze in jeder Öffnung (nicht gezeigt) in der Reflektorvorrichtung erhalten wird, wobei die Schlitze 45º in entgegengesetzten Richtungen bezüglich der zentralen Längsachse der Antenne schräg sind. Die lineare Polarisation, die senkrecht zum jeweiligen Schlitz ist, wird ebenfalls kreuzweise mit einer entsprechenden Schrägstellung von 45º orientiert.
Der Abstand zwischen den kleineren strahlenden Feldelementen 6a, 6b usw., die im oberen Band arbeiten, beträgt ungefähr eine Wellenlänge, daß heißt etwa 0,17 m, und der Abstand zwischen den größeren strahlenden Feldelementen 5a, 5b usw. ist selbstverständlich der gleiche in absoluten Längeneinheiten (jedoch kleiner in Ausdrücken der Wellenlängen), da die Feldelemente in jedem kombinierten Antennenelement im Bezug aufeinander und im Bezug auf den Mittelpunkt der zugehörigen kreuzförmigen Öffnung zentriert sind.
Messungen haben gezeigt, daß die Eingangs-Rückflußdämpfung, die Isolation zwischen den doppelpolarisierten Kanälen und den zwei Frequenzbändern sowie die Strahlungseigenschaften und die Verstärkung alle sehr gute Werte haben. Speziell hat sich gezeigt, daß das Kreuzpolarisationsniveau in der 45º Schrägwinkelantenne wesentlich verringert wurde aufgrund der Tatsache, daß die horizontalen und vertikalen Feldkomponenten beide ungefähr die gleiche Strahlbündelbreite haben. Auch wurde das Vor-Rück-Verhältnis der abgestrahlten Energie verbessert, besonders im oberen Band. Die Isolation zwischen den Kanälen (jeder Kanal entspricht einer gewissen Polarisation) wurde verbessert, in erster Linie durch metallische Abschirmwandelemente 8 (Fig. 1), die quer im Bereich zwischen jedem Paar von benachbarten Doppelantennenelementen montiert sind.
Die Isolation zwischen den Kanälen wurde auch vorteilhaft beeinflußt, indem die strahlenden Feldelemente geringfügig rechteckig, das heißt nicht genau quadratisch gemacht wurden, mit einer Seitenkante etwa 1 bis 5% länger als die andere Seitenkante.
Darüber hinaus ist gemäß der Erfindung die Breite der von der Antenne in Richtung auf deren Frontseite (in den Zeichnungsfiguren nach oben) abgestrahlten Strahlenbündel praktisch die gleiche in den zwei getrennten Frequenzbändern. So beträgt in beiden Bändern die Strahlbündelbreite im Azimut 72º oder 36º symmetrisch auf beiden Seiten von einer zentralen längs verlaufenden Ebene, die senkrecht zur Ebene des Reflektors 1 durch die Mittelpunkte der verschiedenen Feldelemente und der kreuzförmigen Öffnungen verläuft.
Die zusammenfallenden Strahlbündelbreiten sind erreicht worden durch eine spezielle Konfiguration der Reflektorvorrichtung 1 an deren Längsrandabschnitten, nämlich in Form der sich in Längsrichtung erstreckenden Nuten 11, 12 auf jeder lateralen Seite der Reflektorvorrichtung 1. Diese Nuten 11, 12 sind offen oder zur Frontseite der Antenne (in den Zeichnungsfiguren nach oben) gerichtet und definiert durch im wesentlichen ebene Wandabschnitte, nämlich Seitenwandabschnitte 11a, 11b; 12a, 12b, und einen dazwischen liegenden Bodenwandabschnitt 11c; 12c, welche gebildet werden, indem das Metallblechmaterial des Reflektors 1 gebogen wird, das so zu einem integralen Werkstück geformt wird.
Der Mittelteil 10 der Reflektorvorrichtung 1 ist eben und trägt die Feldelemente (4b, 5b, 6b in Fig. 2) auf der Frontseite und die Substratschicht und die Abschirmungskäfige (2 und 3b in Fig. 2) auf der Rückseite. Der zentrale ebene Bereich 10 trifft sich mit nach oben vorspringenden leicht nach außen geneigten Wandabschnitten 13, 14 und horizontalen Wandabschnitten 15, 16, die ihrerseits in die Wandabschnitte 11a, 12a übergehen, welche die Innenwand der jeweiligen Nut definiert.
Die Abmessungen der Nuten entsprechen den Vorgaben, die im ersten allgemeinen Teil der Beschreibung angegeben sind, wobei die Breite jeder Nut 33,5 mm und deren Tiefe 22 mm betragen. Mit solchen Abmessungen hat sich gezeigt, daß die Strahlbündelbreite im oberen Band mit einer Mitttenfrequenzwellenlänge von 167 mm wesentlich vergrößert ist, so daß sie zusammenfällt mit der des unteren Bandes mit einer Mittenfrequenzwellenlänge von 326 mm. Die Strahlbündelbreite des unteren Bandes ist nicht sehr beeinflußt durch die verhältnismäßig kleinen Unregelmäßigkeiten der Nuten 11, 12 sondern wird eher bestimmt durch die Gesamtbreite der Reflektorvorrichtung, wobei diese Gesamtbreite im gezeigten Beispiel 265 mm beträgt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich sind die Bodenwandabschnitte 11c, 12c der Nuten etwas erhöht im Bezug auf den Mittelteil 10 der Reflektorvorrichtung 1.
Die erfindungsgemäße Doppelbandantenne kann im Rahmen der beigefügten Ansprüche erheblich modifiziert werden. So können die besondere Form und Abmessungen der Nuten 11, 12 verändert werden. Die Nuten können statt dessen als getrennte Metallelemente konstruiert sein, die auf jeder lateralen Seite der Reflektorvorrichtung montiert sind.
Die strahlenden Feldelemente 5b, 6b können durch andere Arten von Doppel- oder kombinierten Antennenelementen ersetzt sein, wie Dipolstrukturen. Ferner kann die Antenne mit nur einem kombinierten Antennenelement anstelle einer linearen Anordnung ausgerüstet sein.
Der Mittelteil 10 der Reflektorvorrichtung kann aus einem Kunststoffmaterial, z. B. Teflon geformt sein, das mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet ist.
Schließlich kann Zirkularpolarisation statt Kreuzpolarisation verwendet werden; vorausgesetzt daß die zwei Speisekanäle kombiniert sind durch einen Quadratur-Hybrid-Breitband- Zweiganschlußleitungskoppler.

Claims

1. Doppelbandantenne, die umfaßt:

- mindestens ein erstes Antennenelement (5b) und ein zugeordnetes zweites (6b) Antennenelement zum Senden und/oder Empfangen von Funkfrequenzstrahlung in einem ersten; relativ niedrigen Frequenzband bzw. einem zweiten, relativ hohen Frequenzband und

- eine elektrisch leitende, im wesentlichen ebene Reflektorvorrichtung (1),

- wobei das mindestens eine erste Antennenelement (5b) in der Nähe des zugeordneten zweiten Antennenelements (6b) angeordnet ist, um so mindestens ein kombiniertes Antennenelement (7b) auf einer Vorderseite der Reflektorvorrichtung zu bilden und um erste und zweite Strahlbündel zu definieren, die jeweils eine bestimmte Azimutstrahlbreite aufweisen, welche im wesentlichen symmetrisch hinsichtlich einer zentralen Längsebene ist, die senkrecht zur ebenen Reflektorvorrichtung orientiert ist und sich durch das mindestens eine kombinierte Antennenelement (7b) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Reflektorvorrichtung (1) auf jeder lateralen Seite der zentralen Längsebene mit einem Randabschnitt versehen ist, der als eine Nut (11, 12) ausgebildet ist, die zur Vorderseite der Reflektorvorrichtung hin offen ist,

- wobei die Nut zum Aufweiten der Azimutstrahlbreite des zweiten Strahles dimensioniert ist,

- die Tiefe der Nut (11, 12) das 0,1- bis 0,3-fache der Wellenlänge der Strahlung des zweiten relativ hohen Frequenzbandes und die Breite der Nut (11, 12) das ungefähr 0,2-fache der Wellenlänge der Strahlung des zweiten relativ hohen Frequenzbandes betragen.

2. Antenne nach Anspruch 1, bei der die Azimutstrahlbreite des zweiten Strahls zu einem Winkel aufgeweitet ist, dessen Wert nahe dem des ersten Strahles liegt, wodurch beide Strahlen im wesentlichen gleiche Azimutstrahlbreite aufweisen.

3. Antenne nach Anspruch 1, bei der mindestens ein kombiniertes Antennenelement (7b) mindestens zwei Flächenelemente (5b, 6b) umfaßt.

4. Antenne nach Anspruch 3, bei der die Flächenelemente (5b, 6b) in jedem kombinierten Antennenelement (7b) übereinander gestapelt angeordnet sind.

5. Antenne nach Anspruch 1, bei der das mindestens eine kombinierte Antennenelement (7a, 7b etc.) mindest zwei Elemente umfaßt, die in einer linearen Anordnung längs der zentralen Längsebene angeordnet sind.

6. Antenne nach Anspruch 5, bei der sich metallische Abschirm-Wandelemente (8) quer in einem Bereich zwischen den benachbarten kombinierten Antennenelementen in der linearen Anordnung erstrecken.

7. Antenne nach Anspruch 1, bei der die Nut an jedem Randabschnitt durch längs verlaufende, im wesentlichen ebene Wandabschnitte (11a, 11b, 11c; 12a, 12b, 12c) definiert ist.

8. Antenne nach Anspruch 7, bei der die Wandabschnitte zwei Seitenwandabschnitte (11a, 11b; 12, 12b) und einen Bodenwandabschnitt (11c, 12c) umfassen.

9. Antenne nach Anspruch 1, bei der

- eine Mittenfrequenz des ersten Frequenzbandes im Bereich von 800 bis 950 MHz und eine Mittenfrequenz des zweiten Frequenzbandes im Bereich von 1750 bis 1950 MHz liegen und

- die Gesamtbreite der Reflektorvorrichtung einschließlich der Nuten an deren Längsrändern 0,2 bis 0,3 m beträgt.

10. Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin jedes der ersten und zweiten Strahlbündel aus zwei orthogonal polarisierten Strahlbündel-Komponenten besteht.