DE19911245A1

DE19911245A1 - Modulares Strahlersystem mit sektorieller Strahlungsscharakteristik

Info

Publication number: DE19911245A1
Application number: DE1999111245
Authority: DE
Inventors: Lutz Rothe
Original assignee: SUCKER UDO
Current assignee: SUCKER UDO
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 1999-03-15
Publication date: 2000-09-21

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist die Konfigurierung einer extrem miniaturisierten und in erster Linie flächenhaft ausgedehnten Antennenkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten und räumlich gerichteten Sektorstrahlung sowohl in der Azimutal- als auch in der Elevationsebene sowie einer ausgeprägten Rückstrahlungsdämpfung und damit einer Nutzstrahlung ausschließlich innerhalb einer Raumhemisphäre vorzugsweise für Mobilfunkanwendungen innerhalb der Spektralbereiche des D- und E-Mobilfunknetzes. Die erfinderische Lösung beruht hierbei auf einem breitbandig angepaßten sowie unsymmetrischen Wellenleiterresonator in Mikrostriptechnik. DOLLAR A Deskriptoren: DOLLAR A Linearstrahler, Monopol, Planarantenne, Planarstrahler, Resonanzstrahler, Strahlungsdiagramm, Richtfaktor, Wirkungsgrad, Wellenleitung, Wellenimpedanz, Wellenleiterresonator, Blende, Strahlungsdiagramm, Polarisation.

Description

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Konfigurierung einer extrem miniaturisier ten und in erster Linie flächenhaft ausgedehnten Antennenkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten und gerichteten Sektor strahlung sowohl in der Azimutal- als auch in der Elevationsebene vorzugsweise in den Spektralbereichen zwischen 890 MHz und 960 MHz sowie zwischen 1710 MHz und 1890 MHz. Weiterhin besteht das Ziel der Erfindung in der Ent wicklung einer planaren Strahleranordnung mit einer ausgeprägten Rück strahlungsdämpfung und damit einer Nutzstrahlung ausschließlich innerhalb einer Raumhemisphäre, so daß insbesondere für den Bereich der portablen und mobilen Anwendungen eine gerichtet strahlende und geometrisch miniaturisierte An tennenkomponente entsteht, die eine Überbrückung mittlerer Entfernungen zuläßt bzw. einen eventuell gegebenen Unterversorgungsgrad des Funkraumes bzw. -ge bietes kompensiert und darüber hinausgehend die elektromagnetische Strahlungs belastung des Nutzers gegenüber bekannten Antennenlösungen für diesen Bereich zu minimieren. Im weiteren verfolgt die Erfindung das Ziel der unmittelbaren Montagemöglichkeit des Planarstrahlers auf beliebigen Objektträgern bzw. mittels beliebiger oder universell verfügbarer Träger bzw. Befestigungsmittel.

Das Ziel der Erfindung besteht weiterhin darin, die für die Konfigurierung des Planarstrahlers erforderlichen dielektrischen Strukhuträger durch Verwendung ausschließlich elektrisch leitfähiger und selbsttragender dünner Platten, vorzugs weise metallischer Platten oder Folien, zu ersetzen und die durch die Verwen dung dielektrischer Basismateriaslien mit einer vom evakuierten Raum abwei chenden Dielektrizitätszahl bedingte geometrische Verkürzung mittels verteilter kapazitiver und verlustminimaler Strukturelemente zu erwirken.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung bezieht sich vordergründig auf den MobiI funkbereich innerhalb des Mobilfunk-D-Netzes sowie des Mobilfunk-E-Netzes. Hierbei bildet der Planarstrahler eine optionale Antennenkomponente bzw. Er satzkomponente räumlich ausgedehnter Gewinnantennen mit der Montagemög lichkeit sowohl im Freiraum als auch im Innenraum stationärer und mobiler Objekte. Weitergehend bezieht sich der Anwendungsbereich auf allgemeine Innenraumanwendungen, indem die Strahlerkomponente eine räumlich abgesetzte Komponente vom jeweiligen Endgerät bildet bzw. die Strahlerkomponente zur abschnittsweisen oder segmentweisen Versorgung sowohl überirdisch als auch unterirdisch errichteter geschlossener Großobjekte bzw. Gebäude oder Röhren systeme jeglicher Konfiguration eingesetzt und hierbei sowohl als Einzelkompo nente als auch als Komponente innerhalb zweckorientierter Netzstrukturen betrie ben wird.

Die Strahlerkomponente ist vorteilhaft in den Fällen anwendbar, in denen der rückwärtig zur Antennenapertur gelegene Raum strahlungsfrei bzw. strahlungs arm gehalten und damit die elektromagnetische Strahlungsbelastung des Nutzers minimiert werden soll. Darüber hinausgehend bildet die erfindungsgemäße Strahlerkomponente ein Basismodul für Kurz- oder Mittelstreckenübertragungs systeme für kommunikations-, sensor- oder sicherheitstechnische Anwendungen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannte Antennenlösungen für den Bereich der Mobilfunkanwendungen be ruhen auf Linearantennenkonzeptionen in Form von Monopol- oder Dipolan ordnungen in verkürzter oder unverkürzter Ausführung. Diese Linearantennen sind sowohl als extern montierbare Antennen als auch als unmittelbar mit dem Endgerät gekoppelte Komponenten bekannt sowie mit unterschiedlichem Richt faktor und Wirkungsgrad behaftet. Bekannte Flachantennenlösungen beruhen auf flächenhaft angeordneten, dipolähnlichen Konfigurationen bzw. flächenhaften Resonatoranordnungen unter Verwendung elektrisch verkürzender Strukturträger, wobei die Geometrie für den Fall unverkürzter Anordnungen ausschließlich die Wellenlängenabhängigkeit widerspiegelt und somit eine Miniaturisierung aus schließt sowie die mittels der verwendeten dielektrischen Strukturträger in Ab hängigkeit vom Suszeptibilitätsprofil verkürzten Anordnungen mit der resul tierenden Reduzierung des Wirkungsgrades einhergehen. Gleichfalls bedingt die Verwendung dielektrischer Strukturträger die Erhöhung des Kosteneintrages. Die elektrischen sowie Gebrauchseigenschaften bekannter Antennenlösungen schließen die Erlangung der Ziele der gegenständlichen Erfindung aus, so daß mit der gegenständlichen Erfindung die für die benannten Anwendungsfelder einsetz bare Technik gegenüber dem bekannten Stand der Technik erweitert wird.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Die erfinderische Aufgabe besteht in der Konfigurierung einer extrem mini aturisierten und flächenhaften Strahlerkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten und räumlich gerichteten Sektorstrahlung sowohl in der Azimutal- als auch in der Elevationsebene sowie einer ausge prägten Rückstrahlungsdämpfung und damit einer Nutzstrahlung ausschließlich innerhalb einer Raumhemisphäre vorzugsweise in den Spektralbereichen zwischen 890 MHz und 960 MHz bzw. 1710 MHz und 1890 MHz.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem zwei leitfähige Platten oder Folien (1), (2) in einem definierten Abstand flächenparallel zueinander ange ordnet werden, wobei die leitfähige Platte oder Folie (1) mit einer kreisförmigen, elliptischen, quadratischen, rechteckigen, dreieckigen, pentagonalen oder hexa gonalen Berandung ausgebildet wird sowie die Funktion einer Massefläche erfüllt und die leitfähige Platte oder Folie (2) gleichfalls mit einer kreisförmigen, ellip tischen, quadratischen, rechteckigen, dreieckigen; pentagonalen oder hexagonalen Berandung ausgebildet wird, wobei die leitfähige Platte oder Folie (2) gegenüber der Platte oder Folie (1) mit einer konturabhängigen reduzierten Fläche ausge bildet wird.

Die Anregung bzw. Speisung der elektromagnetisch resonant schwingenden Anordnung erfolgt mittels einer koaxialen Wellenleitung, indem der Innenleiter des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte oder Folie (2) verbunden und der Außenleiter des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte oder Folie (1) verbunden wird. Der Innenleiter des koaxialen Wellenleiters wird durch eine elektromagnetische Blende (5), die als kreisförmige Öffnung innerhalb der Platte oder Folie (1) ausgeführt wird, deren Achse in einer definierten Entfernung vom Schnittpunkt der Symmetrielinien, vorzugsweise vom Mittelpunkt, der leitfähigen Platte oder Folie (1) eine der Symmetrielinien (3), vorzugsweise eine der Radial linien, der leitfähigen Platte oder Folie (1) schneidet, axialsymmetrisch zur Blen denberandung und ohne galvanische Verbindung zu dieser geführt, wobei zur Gewährleistung der Axialsymmetrie der Innenleiter über der Länge der Distanz zwischen den Platten (1) und (2) oder über einer bezüglich der Distanz zwischen den leitfähigen Platte oder Folien (1), (2) ungleichen Länge mit einer dielek trischen Buchse (6), deren Außendurchmesser dem Blendendurchmesser und deren Innendurchmesser dem Durchmesser des Innenleiters des koaxialen Wellenleiters angemessen ist, umschlossen wird. Hierbei wird der Blenden durchmesser impedanzrichtig gewählt, wobei die Eingangsimpedanz durch den Ort der Ein- bzw. Auskopplung (7) innerhalb der Fläche der Platte oder Folie (2) bestimmt ist bzw. festgelegt wird.

Zwischen den Platten oder Folien (1) und (2) wird der Innenleiter des koaxialen Wellenleiters mit einer leitfähigen Buchse (12) definierter Höhe und Durch messerrelation umschlossen, wobei die leitfähige Buchse (12) einseitig mit der Platte oder Folie (1) leitfähig verbunden und im Innenraum dielektrisch über der gesamten Höhe der leitfähigen Buchse mittels der dielektrischen Buchse (6) gefüllt sowie mit einem den Abstand der Platten oder Folien (1), (2) unterschrei tenden Achsenlängenmaß ausgeführt ist. Hierbei dient die Einführung der leit fähigen und dielektrisch gefüllten Buchse (12) der Kompensation induktiver Komponenten der Ein- bzw. Auskopplung, wobei der Kompensationsgrad mittels der Buchsenlänge sowie der Dicke der Buchsenwandung der leitfähigen Buchse (12) bestimmt wird.

Erfindungsgemäß wird auf einer den Schnittpunkt der Symmetrielinien schneiden den Symmetrielinie oder für den Fall der Kreisförmigkeit der leitfähigen Platte oder Folie (2) auf einem vom Mittelpunkt der leitfähigen Platte oder Folie (2) aus gehenden Radialvektor, vorzugsweise auf dem die Achse der Blende (5) schnei denden Radialvektor (3.1), ein komplexes Belastungselement (4.1) angeordnet, wobei das komplexe Belastungselement (4.1) aus einem leitfähigen, geometrisch beliebig gestalteten, vorzugsweise zylindrischen Körper (11.1), vorzugsweise be stehend aus Kupfer, Messing oder Aluminium, ausgebildet wird, der zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1) und (2) angeordnet sowie einseitig galva nisch mit der Platte oder Folie (1) verbunden wird und in der geometrischen Länge in der Weise bemessen wird, daß zwischen dem einseitig und leitfähig mit der Platte oder Folie (1) verbundenen zylindrischen Körper und der Platte oder Folie (2) ein definierter Spalt (10.1) erzeugt wird, der hierbei mittels einem ver lustlosen oder definiert verlustbehafteten Dielektrikum (9.1), vorzugsweise ver lustlosen Dielektrikum, mit einer bezüglich der Stirnfläche des leitfähigen zylin drischen Körpers (11.1) identischen Auflagefläche geschlossen wird. In diesem Zusammenhang kann die Auflagefläche des leitfähigen Körpers (11.1) bezüglich der leitfähigen Platte oder Folie (1) sowie des Dielektrikums (9.1) funktionsab hängig mit elliptischer, dreieckiger, quadratischer, rechteckiger, pentagonaler, hexagonaler oder octagonaler Kontur ausgebildet werden. Der leitfähige Körper (11.1) kann hierbei entlang seiner Körperachse mit gleicher oder ungleicher, vor zugsweise mit ungleicher, Geometrie oder Kontur bzw. geometrischer oder Kon turabmessung ausgeführt werden.

Erfindungemäß wird auf der den Schnittpunkt der Symmetrielinien der leitfähigen Platte oder Folie (2) schneidenden Symmetrielinie der leitfähigen Platte oder Folie (2) oder für den Fall der Kreisförmigkeit der leitfähigen Platte oder Folie (2) auf einem vom Mittelpunkt der leitfähigen Platte oder Folie (2) ausgehenden Ra dialvektor, vorzugsweise auf dem Radialvektor (3.2) mit der gegensinnigen Rich tungsidentität zum Radialvektor (3.1), ein zweites komplexes Belastungselement (4.2) gleicher oder ungleicher, vorzugsweise gleicher, stofflicher Struktur und Geometrie bezüglich des komplexen Belastungselementes (4.1) angeordnet. Die erfindungsgemäße Anordnung kann erweitert werden, indem auf 2n (n = 1, 2, . . .) Radialvektoren, die paarweise bezüglich des Radialvektors (3.2) in einem quanti tativ zueinander identischen, jedoch gegensinnigen Winkelmaß angeordnet sind, weitere komplexe Belastungselemente (4) gleicher oder ungleicher, vorzugsweise gleicher, stofflicher Struktur und Geometrie angeordnet werden oder indem auf 2n + 1 (n = 0, 1,2, . . .) Radialvektoren, wobei ein Radialvektor identisch dem Ra dialvektor (3.2) bemessen wird und jedes weitere Radialvektorpaar in einem be züglich dem Radialvektor (3.2) quantitativ zueinander identischen, jedoch gegen sinnigen Winkelmaß angeordnet wird, weitere komplexe Belastungselemente (4) gleicher oder ungleicher, vorzugsweise gleicher, Struktur und Geometrie angeord net werden. Die Distanz der komplexen Belastungskörper (4) zum Schnittpunkt der Symmetrielinien der Platten oder Folien (1) bzw. (2) oder für den Fall der Kreisförmigkeit der Platten oder Folien (1) bzw. (2) die radiale Distanz der kom plexen Belastungskörper (4) wird hierbei zueinander gleich oder ungleich, vor zugsweise gleich, bemessen, wobei mittels der Variation der radialen Distanz des oder der komplexen Belastungskörper (4) bezüglich des Mittelpunktes der Platten oder Folien (1) bzw. (2) ein definierter sowie unaufwendiger Abgleich des kom plexen Impedanzprofils bzw. des Strahlungsleitwertes und damit der Eingangs streuparameter der Strahleranordnung erfolgen kann.

Die Anordnung wird geometrieseitig für den Resonanzfall dimensioniert, wobei die der Apertur vorgeordnete dielektrische Container- oder Montageebene bzw. dielektrische Container- oder Montageschicht, die hierbei durch die entsprechen de Strahlercontainerung oder auch anderweitige dielektrische Körperebenen ver gegenständlicht wird, in ihrer elektromagnetischen, primär kapazitiven Wirkung mittels einer kompensierenden induktiven Verstimmung berücksichtigt wird.

Ausführungsbeispiel

Die gegenständliche Erfindung soll mittels eines Ausführungsbeispiels für den Frequenzbereich zwischen 890 MHz und 960 MHz näher erläutert werden.

Gemäß der Abb. 1 wird eine leitfähige metallische Platte (1), bestehend aus Messing, mit kreisförmiger Berandung und dem Durchmesser von 145.5 + 0.1 mm über eine lichte Distanz von 16 mm mit einer zweiten leitfähigen metallischen Platte (2) gemäß der Abb. 3, bestehend aus Messing, die als Kreisfläche mit einem Durchmesser von 116-0.1 mm ausgeführt ist, flächenparallel gekoppelt, wobei die Mittelpunkte sowohl der kreisförmigen Platte (1) als auch der kreisför migen Platte (2) auf einer identischen Achse angeordnet sind. Die galvanische Kopplung des Innenleiters des koppelnden koaxialen Wellenleiters erfolgt mit der leitfähigen Platte (2) im Punkt (7). Hierbei wird der Innenleiter gemäß der Abb. 1 mittels einer in der Abb. 5 dargestellten dielektrischen Buchse (6), vorzugsweise PTFE-Buchse, die mittels der in der Abb. 4 dargestellten leitfähigen Buchse (12), bestehend aus Messing, umschlossen wird, zwischen den leitfähigen Platten (1) und (2) zur sowie durch die Blende (5) innerhalb der leit fähigen Platte (1) geführt. Der Außenleiter des signalkoppelnden koaxialen Wellenleiters wird mit der flächenparallel zur Platte (2) angeordneten leitfähigen Platte (1) in unmittelbarer Umgebung der Blende (5) bzw. der Blendenberandung der Blende (5) gekoppelt. Gleichfalls wird die leitfähige Buchse (12) einseitig leitfähig mit der Blendenberandung der Blende (5) verbunden. Die leitfähige Buchse (12) wird hierbei in ihrer geometrischen Länge gemäß der Abb. 4 derartig bemessen, daß diese mit der leitfähigen Platte (2) einen Spalt mit einer Spaltbreite von 0.2 mm bildet.

Die leitfähigen Platten (1), (2) werden mittels vier symmetrisch zueinander und zwischen den leitfähigen Platten (1) und (2) angeordneter zylindrischer, dielek trischer und in der Abb. 2 dargestellter Distanzelemente (8), bestehend aus Polyvinylchlorid, verbunden.

Auf den Radiallinien der Radialvektoren (3.1), (3.2), (3.3) werden jeweils einsei tig die in der Abb. 6 dargestellten zylindrischen sowie entlang ihrer Achse gemäß der Abb. 1.1 und 6 gestuften Körper (11.1), (11.2), (11.3), jeweils bestehend aus Messing, einseitig und galvanisch mittels jeweils einer Schraubver bindung mit der leitfähigen Platte (1) verbunden.

Die Spalte (10.1), (10.2), (10.3) werden hierbei durch die Längendifferenzen zwischen den Distanzelementen (8) sowie den zylindrischen Körpern (11) als dielektrisch (9) luftgefüllte Spalte zueinander identischer Spaltbreite und Dielek trika (9) gebildet.

Claims

1. Modulares Süahlersystem mit sektorieller Strahlungscharakteristik, bestehend aus einer Anordnung geometrisch definierter und leitfähiger Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß

- zwei leitfähige Platten oder Folien in einem definierten Abstand flächenparallel zueinander angeordnet werden, indem eine leitfähige Platte oder Folie (1) mit einer kreisförmigen, elliptischen, quadratischen, rechteckigen, dreieckigen, penta gonalen, hexagonalen oder octagonalen Berandung ausgebildet und die leitfähige Platte oder Folie (2) gleichfalls mit einer kreisförmigen, elliptischen, quadrati schen, rechteckigen, dreieckigen, pentagonalen, hexagonalen oder octagonalen Berandung ausgebildet wird, wobei die leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) mittels symmetrisch angeordneter dielektrischer Distanzelemente (8) definiert verbunden werden.
- die Signalein- bzw. -auskopplung mittels einer koaxialen Wellenleitung erfolgt, indem der Innenleiter des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte oder Folie (2) und der Außenleiter des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte oder Folie (1) verbunden wird, wobei der Innenleiter des koaxialen Wellenleiters durch eine elektromagnetische Blende (5), die als kreisförmige Öffnung innerhalb der Platte oder Folie (1) ausgeführt ist, axialsymmetrisch zur Blendenberandung und ohne galvanische Kopplung zu dieser geführt wird und zur Gewährleistung der Axialsymmetrie der Innenleiter über der Länge der Distanz zwischen den leit fähigen Platten (1) und (2) oder über einer bezüglich der Distanz zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) ungleichen und kürzer bemessenen Länge mit einer dielektrischen Buchse (6), deren Außendurchmesser dem Blendendurch messer und deren Innenleiter dem Durchmesser des Innenleiters des koaxialen Wellenleiters angemessen ist, umschlossen wird;
- die dielektrische Buchse (6) mittels einer leitfähigen zweiten Buchse (8) um schlossen wird, die einseitig mit der leitfähigen Platte oder Folie (1), vorzugs weise mit der Berandung der Blende (5), galvanisch verbunden wird und in ihrer Länge kleiner als die Distanz zwischen der ersten leitfähigen Plattte oder Folie (1) und der zweiten leitfähigen Platte oder Folie (2) und entlang ihrer Achse mit einem einheitlichen Außendurchmesser oder mit einem kontinuierlich oder dis kontinuierlich gestuften Außendurchmesser, vorzugsweise mit einem einheit lichen Durchmesser, bemessen wird;
- zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) komplexe Belastungsele mente (4), jeweils bestehend aus einem leitfähigen, geometrisch beliebig gestal teten, vorzugsweise zylindrischen Körper (11), der einseitig galvanisch mit der Platte oder Folie (1) verbunden wird und in der geometrischen Länge in der Wei se bemessen wird, daß zwischen dem einseitig und leitfähig mit der Platte oder Folie (1) verbundenen zylindrischen Körper und der Platte oder Folie (2) ein defi nierter Spalt (10) erzeugt wird, der hierbei mittels einem verlustlosen oder defi niert verlustbehafteten Dielektrikum (9), vorzugsweise verlustlosen Dielektrikum, mit einer bezüglich der Stirnfläche des leitfähigen zylindrischen Körpers (11) vor zugsweise identischen Auflagefläche geschlossen wird.
- die Achse eines komplexen Belastungselementes (4) jeweils eine Symmetrie linie der Platte oder Folie (1) bzw. (2) oder für den Fall der Kreisförmigkeit der Platte oder Folie (1) bzw. (2) einen Radialvektor der Anordnung schneidet;
- vorzugsweise 2n + 1 (n = 0, 1, 2, . . .) Belastungselemente (4) zwischen den Platten oder Folien (1), (2) angeordnet werden, wobei die Achsen der Be lastungselemente (4) vorzugsweise die Symmetrielinie bzw. den Radialvektor schneiden, die bzw. der von der Achse der Blende (5) bzw. der Achse des Kopp lungspunktes des Innenleiters des anregenden koaxialen Wellenleiters mit der Platte oder Folie (2) geschnitten wird.

2. Modulares Strahlersystem mit sektorieller Strahlungscharakteristik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche des leitfähigen Körpers (11) bezüglich der leitfähigen Platte oder Folie (1) sowie des Dielek trikums (9) funktionsabhängig mit elliptischer, dreieckiger, quadratischer, rechteckiger, pentagonaler, hexagonaler oder octagonaler Kontur ausgebildet wird.

3. Modulares Strahlersystem mit sektorieller Strahlungscharakteristik nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der leitfähige Körper (11) entlang seiner Körperachse mit gleicher oder ungleicher, vorzugsweise unglei cher, Geometrie oder Kontur bzw. geometrischer oder Konturabmessung sowie identischer oder nichtidentischer, vorzugsweise identischer, Stoffverteilung aus geführt wird.

4. Modulares Strahlersystem mit sektorieller Strahlungscharakteristik nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß entlang einer Symmetrielinie der Platte oder Folie (1) bzw. (2) oder für den Fall der Kreisförmigkeit der Platte oder Folie (1) bzw. (2) entlang eines Radialvektors ein oder mehrere komplexe Be lastungselemente (4), vorzugsweise ein komplexes Belastungselement (4), ange ordnet werden bzw. angeordnet wird.