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Die
Erfindung betrifft eine Antenne für den Empfang zirkular
in einer Drehrichtung der Polarisation ausgestrahlter Satellitenfunksignale
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Insbesondere
bei Satelliten-Rundfunksystemen kommt es besonders auf die Wirtschaftlichkeit sowohl
bezüglich der vom Satelliten abgestrahlten Sendeleistung
als auch auf die Effizienz der Empfangsantenne an. Satellitenfunksignale
werden aufgrund von Polarisationsdrehungen auf dem Übertragungsweg
in der Regel mit zirkular polarisierten elektromagnetischen Wellen übertragen.
Vielfach werden Programminhalte zum Beispiel in frequenzmäßig dicht
nebeneinander liegenden getrennten Frequenzbändern übertragen,
wie dies in
1 dargestellt ist. Dies geschieht
im Beispiel des SDARS-Satellitenrundfunks bei einer Frequenz von
circa 2,33 GHz in zwei benachbarten Frequenzbändern jeweils mit
einer Bandbreite von 4 MHz mit einem Abstand der Mittenfrequenzen
von 8 MHz. Die Signale werden von unterschiedlichen Satelliten mit
einer in einer Richtung zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle
abgestrahlt. Demzufolge werden zum Empfang in der entsprechenden
Drehrichtung zirkular polarisierte Antennen verwendet. Solche Antennen
sind zum Beispiel aus
DE-A-4008505 und
DE-A-10163793 bekannt.
Dieses Satelliten-Rundfunksystem wird zusätzlich durch
die bereichsweise Ausstrahlung terrestrischer Signale in einem weiteren,
zwischen den beiden Satellitensignalen angeordneten Frequenzband
gleicher Bandbreite unterstützt. Ähnliche Satelliten-Rundfunksysteme
befinden sich zur Zeit in der Planung. Die aus der
DE-A-4008505 bekannte Antenne
ist auf einer im wesentlichen horizontal orientierten leitenden
Grundfläche aufgebaut und besteht aus gekreuzten Horizontaldipolen
mit V-förmig nach unten geneigten, aus linearen Leiterteilen
bestehenden Dipolhälften, die unter einem azimutalen Winkel
von 90 Grad zueinander mechanisch fixiert sind und am oberen Ende
eines auf der leitenden Grundfläche befestigten linearen
vertikalen Leiters angebracht sind. Die aus der
DE-A-10163793 bekannte Antenne
ist ebenfalls über einer in der Regel horizontal orientierten
leitenden Grundfläche aufgebaut und besteht aus gekreuzten azimutal
unter 90° zueinander montierten Rahmenstrukturen. Bei beiden
Antennen werden zur Erzeugung der zirkularen Polarisation die jeweils
zueinander räumlich um 90° versetzten Antennenteile
in der elektrischen Phase um 90° zueinander verschoben
zusammengeschaltet. Beide Antennenformen sind besonders für
den Empfang von Satellitensignalen geeignet, welche von hoch fliegenden
Satelliten – so genannten HEOS – abgestrahlt werden.
Die Signale geostationärer Satelliten – von so
genannten GEOS – fallen jedoch in den von der Äquatorial-Zonen
entfernten Regionen unter niedrigerem Elevationswinkel ein. Der
Empfang solcher Signale ist mit den beiden genannten Antennenformen
nur mit vergleichsweise kleinem Antennengewinn möglich
und deshalb aufgrund der – aus wirtschaftlichen Gründen bedingten – schwachen
Senderleistung der Satelliten problematisch. Hinzu kommt die Schwierigkeit
der Gestaltung von Antennen mit kleinerer Bauhöhe, welche
insbesondere für mobile Anwendungen zwingend gefordert
ist. Als weitere Antennen dieser Art sind nach dem Stand der Technik
Patch-Antennen bekannt, welche jedoch bezüglich des Empfangs
unter niedrigem Elevationswinkel ebenfalls weniger leistungsfähig
sind.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, eine Antenne mit geringer Bauhöhe
anzugeben, welche insbesondere auch für den leistungsstarken
Empfang von unter niedrigen Elevationswinkeln einfallenden zirkular
in einer Drehrichtung polarisiert ausgestrahlten Satellitensignalen
geeignet ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Antenne nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs
durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs und die in
den weiteren Ansprüchen vorgeschlagenen Maßnahmen
gelöst.
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Weiterhin
ist eine Antenne dieser Art vorteilhaft in einem gemeinsamen Bauraum
mit Antennenstrukturen kombinierbar, welche ebenfalls ein zirkular polarisiertes
Feld empfangen und welche gemeinsam mit diesen Antennenstrukturen
in einem Antennen-Diversitysystem oder einem System für
digitale Strahlformung mit azimutaler Strahlschwenkung eingesetzt
werden können. Diese Kombination ist insbesondere auch
für Empfangssysteme interessant, in denen Signale von GEO-Satelliten
und HEO-Satelliten in eng benachbarten Frequenzbändern
gleichermaßen empfangen werden sollen. Die Antennenkombination
zeichnet sich hierbei durch eine besonders geringe wechselseitige
Verkopplung der Antennen untereinander aus.
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Gemäß der
Erfindung umfasst die Antenne für den Empfang zirkular
polarisierter Satellitenfunksignale wenigstens zwei mit einem Antennenanschluss 28 verbundene,
jeweils in einer Raumrichtung linear polarisierte und über
ein Anpass- und Phasenschieber-Netzwerk 25, 31 verbundene
Strahler, und ist dadurch gekennzeichnet, dass einer der Strahler
als Schleifenantenne 14 im Wesentlichen als in einer horizontalen
Ebene angeordneten Leiterschleife gebildet ist und die Schleifenantenne 14 für ihre
elektrisch wirksame Verkürzung wenigstens eine durch eine
Kapazität 16 überbrückte Unterbrechung 5,
insbesondere mehrere im Abstand voneinander angeordnete, durch Kapazitäten 16 überbrückte
Unterbrechungen aufweist. Wenigstens eine Unterbrechung 5 der
Leiterschleife bildet eine Schleifenantennen-Anschlussstelle 3 der
Schleifenantenne 14. Weiterhin ist mindestens ein weiterer
Strahler 7 vorhanden, welcher eine lineare Polarisation
aufweist und mit seiner Strahleranschlussstelle 2 sowie
mit der Schleifenantennen-Anschlussstelle 3 über
ein Anpass- und Phasenschiebernetzwerk 25, 23 verbunden
ist, welches so ausgebildet ist, dass bei reziprokem Betrieb der
Antenne als Sendeantenne die Strahlungsfelder der Schleifenantenne 14 und
des mindestens einen weiteren Strahlers 7 im Fernfeld der
Antenne mit unterschiedlichen Phasen überlagert sind. Dieser
mindestens eine der weiteren Strahler 7 weist eine senkrecht
zur Polarisation der Schleifenantenne 14 orientierte Polarisation
auf. Alle Strahler werden im Wesentlichen aus schlanken drahtförmigen
Leitern ähnlichen Leiterstrukturen gebildet.
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Für
die Herstellung von Antennen, welche aus der
DE-A-4008505 und der
DE-A-10163793 bekannt
sind, ergeben sich Probleme aus dem Sachverhalt, dass die einzelnen
Antennenteile auf unter einem rechten Winkel gekreuzten Ebenen platziert sind
und diese Ebenen zusätzlich auf der leitenden Grundebene senkrecht
stehen. Solche Antennen lassen sich nicht hinreichend wirtschaftlich
herstellen, wie es zum Beispiel für den Einsatz in der
Automobilindustrie gewünscht wird. Dies trifft insbesondere
für die bei Satellitenantennen üblichen Frequenzen
von mehreren Gigahertz zu, für die im Interesse der Polarisations-Reinheit,
der Impedanz-Anpassung und der Reproduzierbarkeit des Richtdiagramms
bei der Serienherstellung der Antennen eine besonders hohe mechanische
Genauigkeit notwendig ist. Die bei Antennen nach der vorliegenden
Erfindung geforderten Fertigungstoleranzen können in vorteilhafter
Weise wesentlich leichter eingehalten werden. Ein weiterer sehr
wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus
der Eigenschaft, dass neben der horizontal polarisierten Schleifenantenne
14 mindestens ein
weiterer Strahler
7 vorhanden ist, welcher eine senkrecht
zur Polarisation der Schleifenantenne
14 orientierte Polarisation
aufweist. Dieser Strahler kann bei Vorhandensein terrestrisch vertikal
polarisiert ausgestrahlter Signale vorteilhaft auch zum Empfang dieser
Signale eingesetzt werden.
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Die
Verteilung der Ströme auf einer Antenne im Empfangsbetrieb
ist vom Abschlusswiderstand an der Antennenanschlussstelle abhängig.
Im Gegensatz hierzu ist im Sendebetrieb die auf den Speisestrom
an der Antennenanschlussstelle bezogene Verteilung der Ströme
auf den Antennenleitern vom Quellwiderstand der speisenden Signalquelle
unabhängig und ist somit eindeutig mit dem Richtdiagramm
und der Polarisation der Antenne verknüpft. Aufgrund dieser
Eindeutigkeit in Verbindung mit dem Gesetz der Reziprozität,
nach welchem die Strahlungseigenschaften – wie Richtdiagramm
und Polarisation – im Sendebetrieb wie im Empfangsbetrieb identisch
sind, wird die erfindungsgemäße Aufgabe bezüglich
Polarisation und Strahlungsdiagramme an Hand der Gestaltung der
Antennenstruktur zur Erzeugung entsprechender Ströme im
Sendebetrieb der Antenne gelöst. Damit ist auch die erfindungsgemäße
Aufgabe für den Empfangsbetrieb gelöst. Alle im
Folgenden durchgeführten Betrachtungen über Ströme
auf der Antennenstruktur und deren Phasen beziehungsweise deren
Phasenbezugspunkt beziehen sich somit auf den reziproken Betrieb
der Empfangsantenne als Sendeantenne, wenn nicht ausdrücklich
der Empfangsbetrieb angesprochen ist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die zugehörigen Figuren
zeigen im Einzelnen:
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1:
Frequenzbänder zweier Satelliten-Rundfunksignale mit in
derselben Drehrichtung zirkular polarisierter Ausstrahlung in dichter
Frequenznachbarschaft;
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2:
Antenne nach der Erfindung mit der Schleifenantenne 14 über
leitender Grundfläche 6 mit horizontaler Polarisation
und mit einem als Stabantenne ausgebildeten Monopol 7a als
weiteren Strahler 7 im Zentrum Z der horizontalen Schleifenantenne 14 für
den Empfang vertikal polarisierter Felder mit Anpassnetzwerk 25 und
Phasenschieber-Netzwerk 23 zur phasenunterschiedlichen Überlagerung
des Empfangs der horizontal und vertikal polarisierten Feldanteile
im Summations-Netzwerk 53.
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3:
Antenne nach der Erfindung wie in 2, jedoch
mit einem aus mehreren rotationssymmetrisch zum Zentrum Z angeordneten
Monopolen 7a – deren Empfangssignale im gemeinsamen
Phasenbezugspunkt B zusammengefasst sind – als weiterer
Strahler 7.
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4:
Antenne nach der Erfindung wie in 2, jedoch
mit einer Schleifenantenne 14 mit zwei aus Symmetriegründen
einander gegenüberliegend gebildeten Antennenanschlussstellen 3a, 3b mit
einem im Zentrum Z angeordneten Monopol 7b mit einer aus
horizontalen Leiterelementen rotationssymmetrisch zum Zentrum Z
gebildeten Dachkapazität als weiteren Strahler 7.
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5:
Antenne nach der Erfindung wie in 4, wobei
jedoch Leiterteile 14a der Schleifenantenne 14 zur
Bildung der rotationssymmetrischen Dachkapazität 12 herangezogen
sind.
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6:
Antenne nach der Erfindung nach dem Funktionsprinzip der Antenne
in 2, jedoch mit einer vertikalen Zuleitung 26 zur
Speisung der Schleifenantenne 14, wobei die Zuleitung 26 zusätzlich
einen vertikalen Monopol 7a und die Schleifenantenne 14 eine
Dachkapazität 12 des Monopols 7a bildet.
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7:
Antenne nach der Erfindung nach dem Funktionsprinzip der Antenne
in 6, jedoch mit einer als Quadrat mit dem Zentrum
Z gestalteten Schleifenantenne 14.
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8:
Antennenanordnung nach der Erfindung mit phasenunterschiedlicher Überlagerung
der Empfangsspannungen aus den horizontalen und den vertikalen elektrischen
Feldanteilen einer Schleifenantenne 14 und einer durch
die vertikale Zweidrahtleitung 26 gebildeten Monopolantenne 7.
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9:
Antenne nach der Erfindung wie in 2, wobei
anstelle diskreter Kapazitäten die Kapazität 16,
die jeweils aus einer Schaltung aus mehreren Blindelementen gebildet
ist, derart, dass bei unterschiedlichen Frequenzen unterschiedliche
Kapazitätswerte wirksam sind.
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10:
kombinierte Antennenanordnung nach der Erfindung für getrennte
Verfügbarkeit von LHCP- beziehungsweise RHCP-Signalen unterschiedlicher
Satellitensignale an unterschiedlichen Antennenanschlussstellen 28a, 28b mit
einem als Stabantenne ausgebildeten, vertikal polarisierten Monopol 7,
einer horizontal polarisierten Schleifenantenne 14 und
einem 90°-Hybridkoppler 45.
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11:
Antennenanordnung nach der Erfindung wie in 10, jedoch
mit einer Realisierung des Monopols 7 gemäß der
Antennenanordnung in 6 durch die Kombination der
Wirkungen der Schleifenantenne 14 als Dachkapazität
und der Zweidrahtleitung 26;
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12:
Antenne nach der Erfindung zur alternativen Auskopplung von RHCP-
beziehungsweise LHCP-Signalen für Diversity-Technologien
angesteuert durch einen in einem Radioempfängermodul 52 befindlichen
Umschalter.
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13:
Antenne nach der Erfindung für Diversity-Technologien mit
LHCP/RHCP-Umschalter 55 wie in 12, jedoch, ähnlich
wie bei der Antenne in 8 ohne gesonderten Monopol 7.
Der Empfang bei vertikaler Polarisation ist durch die Zweidrahteitung 26 bewirkt.
Der für die Überlagerung der Empfangssignale der Schleifenantenne
und des Monopols geforderte Phasenunterschied ist durch das Netzwerk 61 bewirkt.
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14:
Antenne nach der Erfindung wie in 5, jedoch
mit einer gemeinsamen Strahleranschlussstelle 2 für
die gemeinsame Speisung der Schleifenantenne 14 und des
vertikalen Monopols mit Dachkapazität 7b.
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15:
Vertikale Richtcharakteristik des LHCP-polarisierten elektromagnetischen
Feldes
- a) einer Antenne nach der Erfindung
wie in 2 mit zirkularer Polarisation bei niedrigen Elevationswinkeln
und mit azimutaler Unabhängigkeit der Phase der Strahlung.
- b) eines gekreuzten Strahlers 7d nach dem Stand der
Technik bzw. eines Ringleitungsstrahlers 7c nach der Erfindung
wie in 19 mit zirkularer Polarisation
bei hohen Elevationswinkeln; wobei sich die Phase der zirkularen
Polarisation mit dem azimutalen Winkel des Ausbreitungsvektors dreht
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16:
- a) Vertikale Richtcharakteristik des LHCP-polarisierten
elektromagnetischen Feldes einer Antenne für 2,3 GHz nach
der Erfindung entsprechend 18, bestehend
aus einer Schleifenantenne 14 mit vertikalem Monopol 7a in
Kombination mit einem Ringleitungsstrahler 7c bei Abmessungen von
3,4 cm × 3,4 cm × 1,3 cm der Gesamtstruktur, wobei
sich die Charakteristik aus der gleichphasigen Überlagerung
der Strahlung gemäß 15a und 15b für den Azimutwinkel 0° (rechts)
und 180° (links) ergibt.
- b) Horizontale Richtcharakteristik des LHCP-polarisierten elektromagnetischen
Feldes unter einem Elevationswinkel von etwa 30° mit minimaler Strahlung
für den Azimutwinkel von 180°.
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17:
Antenne nach der Erfindung bestehend aus der Schleifenantenne 14 mit
zwei symmetrisch angeordneten Schleifenantennen-Anschlussstellen 3a, 3b und
Monopol 7b mit im Zentrum Z gekennzeichnetem Bauraum für
einen gekreuzten Strahler 42 mit zirkularer Polarisation
nach dem Stand der Technik und Anschlussstelle 56 zur phaseneinstellbaren Überlagerung
von dessen Strahlung im Summations-Netzwerk 53 mit Hilfe
des steuerbaren Phasendrehglieds 39
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18:
Antenne wie in 17, jedoch anstelle eines zentral
angebrachten gekreuzten Strahles 42 mit einem erfindungsgemäß neuartigen
Ringleitungsstrahler 7c zur Erzeugung eines zirkular polarisierten
Feldes mit azimutal abhängiger Phase mit einer durch Einspeisung
an λ/4 voneinander entfernten Ringleitungs-Einspeisestellen 20a, 20b von
um 90° in der Phase unterschiedlichen Signalen zur Erzeugung
einer umlaufenden Welle von einer Wellenlänge über
den Umfang der Leitung.
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19:
Ringleitungsstrahler 7c jedoch über vier jeweils
um λ/4 längs der Ringleitung versetzte Einspeisestellen 22 von
in der Phase jeweils um 90° versetzten Signalen gespeist.
Die Speisequellen können auf an sich bekannte Weise durch
Leistungsteilung und 90°-Hybridkoppler 45 gewonnen
werden.
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20:
Antenne nach der Erfindung wie in 18, jedoch
zur Erzeugung der fortlaufenden Leitungswelle mit einem in günstigem
Abstand – bezüglich des Leitungs-Wellenwiderstands – parallel
zum Ringleitungsstrahler 7c geführten λ/4-Koppelleiter 43
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21:
Antenne wie in 20, jedoch mit λ/4-Richtkoppler 44.
Zu einem Mikrostreifenleiter 30 ist ein λ/4-Koppelleiter 43 parallel
geführt, welcher zusammen mit dem an den Ringleitungsstrahler 7c angekoppelten λ/4-Koppelleiter 43 den λ/4-Richtkoppler 44 bildet.
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22:
Antenne nach der Erfindung mit quadratisch ausgeführter
Schleifenantenne 14 und einem als geschlossenen quadratischen
Leitungsring mit der Kantenlänge von λ/4 gestalteten
Ringleitungsstrahler 7c. Die Ankopplung an den Ringleitungsstrahler 7c erfolgt
berührungslos über den rampenförmig gestalteten λ/4-Koppelleiter 57 mit
der Ringleitungs-Anschlussstelle 19
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23:
Antenne nach der Erfindung mit quadratischem Ringleitungsstrahler 7c wie
in 22 mit einem Leistungs-Verteilnetzwerk bestehend
aus in Kette geschalteten λ/4-langen Mikrostreifenleitern 30 (15a, 15b, 15c)
zur Einspeisung an den Ecken des quadratischen Ringleitungsstrahlers 7c.
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24:
Antenne nach der Erfindung mit Schleifenantenne 14, Monopol 7a,
Ringleitungsstrahler 7c und dem zusätzlichen äußeren
Ringleitungsstrahler 7d, auf dem eine fortlaufende Leitungswelle von
zwei Wellenlängen erzeugt ist zur Anhebung des Strahlungsgewinns
durch Anhebung der Strahlungsbündelung
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25:
Kreisgruppenstrahler nach der Erfindung mit n gleichen rotationssymmetrisch
um das Zentrum Z angeordneten horizontal polarisierten Strahlerelementen 59,
deren Speisung jeweils im Drehsinn benachbarter Strahlerelemente
sich in der Phase um jeweils 360°/n unterscheidet. 25 oben:
n = 4. 25 unten: n = 5.
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26:
Kreisgruppenstrahler 7f gemäß einer Anordnung
wie in 25 mit an den Eckpunkten eines
Quadrats mit Zentrum Z angeordneten horizontal polarisierten Strahlerelementen 59 mit
Zuleitungen 18 und Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerk
aus λ/4-langen Mikrostreifenleitern 30 mit den
Teilstücken 15a, 15b, 15c.
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Obwohl
die erfindungsgemäße Aufgabe auf eine Empfangsantenne
gerichtet ist, werden nachfolgend die Eigenschaften der Antenne
aus Gründen der besseren Nachvollziehbarkeit für
den reziproken Betrieb der Antenne als Sendeantenne beschrieben, wobei
der Sendefall aber aufgrund der naturgemäß geltenden
Reziprozitätsbeziehung auch für die Richtdiagramme
des Empfangsfalls zutrifft.
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Im
Folgenden werden die Grundlagen zur Gestaltung von Antennen erläutert,
welche der erfindungsgemäßen Antenne zugrunde
liegen.
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Der
besondere Vorteil einer Antenne nach der Erfindung, wie sie zum
Beispiel in 2 dargestellt ist, ist die Eigenschaft,
dass der entsprechend dem Reziprozitätsgesetz bei Betrieb
der Antenne als Sendeantenne im Fernfeld erzeugte elektrische Feldstärkevektor
auch bei verhältnismäßig niedrigen Elevationswinkeln
der Strahlung eine im technischen Sinne reine zirkulare Polarisation
mit azimutaler Rundcharakteristik beschreibt. Dies wird durch phasenstarre
Kombination der horizontal polarisierten Schleifenantenne 14 mit
dem mindestens einen vertikalen Strahler 7 erreicht und
geschieht durch Überlagerung der fernen Strahlungsfelder
der beiden Strahler um 90° durch entsprechend unterschiedliche Phasenpeisung
und entsprechender Amplitudenspeisung der beiden Antennen. Damit
sind im fernen Strahlungsfeld in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
zwei aufeinander senkrecht stehende und um 90° in der Phase
sich unterscheidende Feldstärke-Vektoren erzeugt, die das
gewünschte zirkular polarisierte Feld darstellen. Für
die Erzeugung der Rundcharakteristik ist es erforderlich, dass die
Phasenbezugspunkte B – oder auch Phasenschwerpunkte genannt – der
beiden Antennen zusammenfallen, was durch rotationssymmetrische
Anordnung um das gemeinsame Zentrum Z der Antennen erreicht wird.
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Dies
wird zum einen erreicht durch die kreisförmige oder polygonale
horizontal in einer Ebene mit konstantem Abstand 4 als
Höhe h über der Grundfläche 6 angeordneten
Schleifenantenne 14. Diese wirkt im Wesentlichen ähnlich
wie eine Rahmenantenne über einer leitenden Fläche.
Unter der Voraussetzung einer azimutal konstanten Strombelegung auf
der Schleifenantenne 14 kann der Elevationswinkel der Hauptstrahlrichtung über
die Wahl der Höhe h und der horizontalen Ausdehnung – das
heißt dem Radius bei kreisförmiger Gestaltung
der Schleifenantenne 14 – eingestellt werden.
Dabei kann eine Nullstelle in vertikaler Richtung und in horizontaler
Richtung erreicht werden. Die Erzielung eines gewünschten
vertikalen Richtdiagramms erfordert jedoch eine horizontale Ausdehnung
der Schleifenantenne in der Weise, dass ihre Gesamt-Umlauflänge
nicht mehr klein ist im Vergleich zur elektrischen Freiraum-Wellenlänge λ0. Erfindungsgemäß wird
die Schleifenantenne deshalb in n gleiche Leitungsabschnitte der Länge Δs < λ0/8 durch Unterbrechungsstellen 5 unterteilt,
welche jeweils durch Einfügen von einer Kapazität
miteinander verbunden sind. Die Kapazitäten sind dabei
vorzugsweise so gewählt, dass sich zusammen mit den Eigenschaften
der Leitungsabschnitte Resonanz bei der Betriebsfrequenz fm einstellt.
Eine derartige Antenne kann in vorteilhafter Weise für
eine azimutal reine Rundcharakteristik gestaltet werden. In Verbindung
mit dem mindestens einen vertikalen Strahler 7, welcher
im Beispiel der 2 im Zentrum Z der Schleifenantenne 14 vorhanden
ist und dessen azimutales Strahlungsdiagramm ebenfalls omnidirektional
ist, ergibt sich für die Antenne nach der Erfindung auch
das gewünschte zirkular polarisierte Strahlungsfeld mit
reiner Rundcharakteristik. Somit eignet sich die Antenne nach der
Erfindung in vorteilhafter Weise insbesondere für den Satelliten-Rundfunkempfang
in Fahrzeugen, wo Antennen mit azimutaler Rundcharakteristik auf
der elektrisch leitenden Fahrzeugaußenhaut angebracht werden.
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2 zeigt
eine kreisförmige Schleifenantenne 14 mit Radius
R, welche auch polygonal gestaltet sein kann. In ihrem Mittelpunkt
im Zentrum Z befindet sich ihr Phasenbezugspunkt B. Die Struktur ist
unterteilt in „n” Leitungsabschnitte, jeweils
mit der Länge Δs. Die Gesamt-Umlauflänge
beträgt S. Die Antenne wirkt als Rahmenantenne mit Abmessungen im
Bereich der Wellenlänge, wobei trotzdem erfindungsgemäß eine
homogene Stromverteilung durch Unterteilung der Struktur und Einfügen
von Kapazitäten 16 erreicht wird. Dadurch wirkt
die Antenne in ihrer Länge elektrisch verkürzt
und erzeugt rundum ein homogenes, horizontal polarisiertes elektromagnetisches
Feld. Die Schleifenantenne 14 ist mit konstanter Höhe
h über der leitenden Grundfläche 6 angeordnet.
Die vertikale Hauptstrahlrichtung kann über die Wahl der
Höhe h und des Radius der Schleifenantenne 14 eingestellt
werden. Es kann eine Nullstelle in vertikaler Richtung und in horizontaler
Richtung erreicht werden. Die ringförmig umlaufende Leiterlänge
S ist in n gleich lange Stücke mit der Länge Δs =
S/n unterteilt. Der Leiter-Wellenwiderstand der umlaufenden Leitung über
der leitenden Grundfläche 6 sei Zw. Die kapazitive
Recktanz ΔX pro Leitungstück Δs und damit
der in dieses Leiterstück jeweils einzufügende
Kapazitätswert C = 1/(ω·ΔX)
ist bei Annahme einer gestreckten Länge Δs und
bei näherungsweise ringförmiger Leitung mit großem
Radius R der ringförmigen Schleifenantenne 14 gegenüber
der Leiterhöhe h definiert durch ΔX/Zw
= tan(2πΔs/λ0).
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Es
ergibt sich in guter Näherung für den in das Leitungsstück Δs
einzufügenden Kapazitätswert C: C
= 1 /(ω·Zwtan(2πΔs/λ0)) Kreisfrequenz der Satellitensignale
= ω; Freiraumwellenlänge der Satellitensignale
= λ0
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Mit
dieser Dimensionierung der Kapazitätswerte C lässt
sich für die Schleifenantenne 14 Resonanz einstellen,
so dass die an der Schleifenantennen-Anschlussstelle 3 auftretende
Antennenimpedanz weitgehend reell gestaltet werden kann.
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Um
in guter Näherung ein Runddiagramm zu erhalten, ist die
Leitung der Länge S durch Einfügung von Kapazitäten 16 in
ausreichend viele Teilstücke zu teilen. Für eine
sinnvolle Unterteilung gilt: Δs/λ0 < 1/8. Sind die Teilstücke Δs
= S/n ausreichend klein gewählt, so ist die Gleichheit Δs
aller Teilstücke nicht unbedingt erforderlich, solange
nur nach jedem Teilstück eine Kapazität 16 eingefügt
wird, deren Wert sich nach oben beschriebenem Kriterium aus der
relativen Länge Δs/λ0 des
betreffenden Teilstücks errechnet.
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Als
weiterer Strahler 7 ist im Beispiel der 2 im
Zentrum Z der Schleifenantenne 14 ein elektrisch kurzer,
vertikal orientierter Monopol 7a angebracht. Die Abweichung
der Positionierung des Monopols 7a vom Zentrum Z sollte
im Interesse der Rundheit des Strahlungsdiagramms λ0/20 nicht überschreiten. An einer
Unterbrechungsstelle der Schleifenantenne 14 ist deren
Schleifenantennen-Anschlussstelle 3 gebildet, an welche über
eine Zweidrahtleitung 26 ein Anpassnetzwerk 25 mit
Umsymmetrierglied 29 und ein nach geschaltetes Phasenschieber-Netzwerk 23 angeschlossen
sind. Der Strahleranschlussstelle 2 des Monopols 7a ist
das Anpassnetzwerk 25 zur Impedanzanpassung nachgeschaltet
und die Signale des Monopols 7a und der Schleifenantenne
werden in dem Summations-Netzwerk 53 überlagert;
dieses ist wiederum mit der Antennenanschlussstelle 28 verbunden.
Zur Erzeugung der zirkular polarisierten Strahlung sind die Phase des
Phasenschieber-Netzwerks 23 und alle Netzwerke in ihrer
Zusammenwirkung in der Weise eingestellt, dass die Strahlungsfelder
der Schleifenantenne 14 und die des Monopols 7a im
Fernfeld der Antenne mit einem Phasenunterschied von 90° und
mit gleicher Intensität überlagert sind. Zur Vermeidung von
Unsymmetrien des azimutalen Richtdiagramms des Monopols 7a,
bewirkt durch die im Wesentlichen vertikal verlaufende Zweidrahtleitung 26,
ist Letztere erfindungsgemäß in der Weise gestaltet,
dass sie bezüglich des im Gleichtakt fließenden
Längsstroms, welcher dem im Gegentakt fließenden
Strompaar auf den beiden Leitern überlagert ist, induktiv
hochohmig wirkt. Dadurch wird erzielt, dass die Zweidrahtleitung 26 das
Strahlungsfeld des Monopols 7a nicht beeinflusst. Für
die Gestaltung einer solchen Zweidrahtleitung 26 gibt es
eine Reihe von Möglichkeiten. In der Praxis kann sie zum
Beispiel auf vorteilhafte Weise durch eine auf einem Träger
gedruckte Zweidrahtleitung hergestellt werden, welche zur Erhöhung
der Induktivität als Mäander ausgeführt
ist. Zusätzlich kann durch Wahl ihrer Länge eine
gewünschte Phasenbeziehung hergestellt werden.
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Über
unterschiedliche Gewichtung bei der Überlagerung der beiden
Antennensignale kann das vertikale Richtdiagramm zu niedrigen Elevationswinkeln
hin für diese Signale aufgefüllt werden. Der als Stabantenne
ausgebildete Monopol 7a besitzt in seiner vertikalen Richtcharakteristik
eine ähnliche Hauptstrahlrichtung wie die horizontal polarisierte Schleifenantenne 14,
liefert jedoch für niedrige Elevationswinkel einen größeren
Beitrag als diese. Mit Hilfe der Netzwerke 25, 23, 53 kann
sowohl die Gewichtung der Eigenschaften der beiden Antennensignale
unterschiedlich eingestellt werden und zusätzlich die nötige
Phasenbedingung eingehalten werden.
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Der
Einfluss einer nicht im Zentrum Z befindlichen symmetrischen vertikalen
Speiseleitung in Form der symmetrischen Zweidrahtleitung 26 schmälert
die Polarisationsreinheit der Schleifenantenne 14 selbst
nicht. Die Verbindung des einen Anschlusses auf der unsymmetrischen
Seite des Anpass- und Umsymmetrierglieds 25, 29 zur
weiterführenden Schaltung der Antennenanordnung erfolgt vorteilhaft
mit Hilfe eines über der leitenden Grundfläche 6 geführten
Mikrostreifenleiters 30. Der andere Anschluss auf der unsymmetrischen
Seite des Umsymmetrierglieds 29 ist mit der elektrisch
leitenden Grundfläche 6 verbunden. Aufgrund der
Symmetrieeigenschaften der Zweidrahtleitung 26 kompensieren sich
die Wirkungen der zueinander in entgegen gesetzter Richtung fließenden
Ströme auf den Leitern der Zweidrahtleitung 26 in
ausreichendem Maße, so dass auch diese die Strahlungseigenschaften
der Schleifenantenne 14 nicht beeinflussen. Wie im Folgenden
erläutert wird, sind auch die vom elektromagnetischen Empfangsfeld
erzeugten Ströme auf diesen Leitern ohne Einfluss auf die
Wirkungen an der Antennenanschlussstelle 3. Bezüglich
des azimutalen Strahlungsdiagramms des Monopols 7a kann sich
jedoch abhängig vom Radius R der Schleifenantennen 14 eine
Restunsymmetrie einstellen.
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Es
entspricht dem Wesen der vorliegenden Erfindung, dass durch Einstellung
der Anpassnetzwerke 25 und des Phasenschieber-Netzwerks 23 sowohl
das Achsenverhältnis als auch die räumliche Ausrichtung
der Ellipse für elliptische Polarisation eingestellt werden
können. Diese Einstellbarkeit kann erfindungsgemäß in
sehr vorteilhafter Weise, z. B. in Antennendiversity-Technologien,
eingesetzt werden, um im durch Mehrwegeausbreitung verzerrten Empfangsfeld
die Empfangsleistung durch aktuelle Anpassung der Elliptizität
der Polarisation laufend zu optimieren.
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Als
Beispiel zur Gestaltung des Empfangs im Bereich eines Elevationswinkels
zwischen 25° und 65° (typischer Winkelbereich
für GEO-stationären Satellitenempfang) bei azimutaler
Rundcharakteristik ist eine horizontal angeordnete Schleifenantenne 14 im
Abstand von etwa 1/10 der Wellenlänge über der leitenden
Grundfläche 6 platziert. Der Durchmesser der Schleifenantenne 14 ist
vorteilhaft nichtwesentlich kleiner als 1/4 der Wellenlänge
gewählt. Längs der Leiterführung ist
in Abständen von etwa 1/8 der Wellenlänge jeweils
eine mit einer Kapazität 16 mit einem Blindwiderstand
von etwa –200 Ohm beschaltete Unterbrechungsstelle 5 eingebracht.
Durch Wirkung der erfindungsgemäßen Kapazitäten 16 ist
es möglich auf der Schleifenantenne 14 eine für
die Rundstrahlung notwendige azimutal konstante Stromverteilung
zu erzielen, obwohl die gestreckte Länge der Schleifenantennen 14 im
Vergleich zur Wellenlänge λ nicht kurz ist. Diese
Länge ist andererseits wiederum notwendig, um eine praktikable
Impedanz der Schleifenantenne 14 zu bewirken. In 15(a) ist beispielhaft das Vertikaldiagramm
einer solchen Antenne nach der Erfindung dargestellt. Für das
Beispiel einer quadratisch geformten Schleifenantenne 14 mit
zentralem kurzem vertikalem Monopol im Frequenzbereich um 2,3 GHz
haben sich für die Schleifenantenne 14 eine Kantenlänge
von etwa 3 cm und eine Höhe h von 13 mm zur Realisierung sowohl des
vertikalen Richtdiagramms nach 15(a) als
auch eines passenden Leiter-Wellenwiderstands Zw als günstig
erwiesen.
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Eine
weitere gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten
Antennen, wie z. B. solchen aus der
DE-A-4008505 und der
DE-A-10163793 sowie Patchantennen,
hervorzuhebende Eigenschaft besteht in der azimutalen Phasenunabhängigkeit
der zirkular polarisierten Strahlung einer Antenne nach der vorliegenden
Erfindung. Im Gegensatz hierzu ändert sich die Phase bei
den oben genannten Antennen nach dem Stande der Technik mit dem
azimutalen Winkel des Ausbreitungsvektors, also bei einem kompletten
azimutalen Umlauf um den Winkel 2π. Die erfindungsgemäße
Bedeutung dieser Eigenschaften bezüglich einer Kombination
von Antennen nach dem genannten Stand der Technik mit einer Antenne
nach der vorliegenden Erfindung wird weiter unten erläutert.
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Für
den Fall, dass das Satelliten-Rundfunksystem zusätzlich
durch die bereichsweise Ausstrahlung vertikal polarisierter terrestrischer
Signale in einem weiteren, in der Frequenz dicht benachbartem Frequenzband ähnlicher
Bandbreite unterstützt wird, ist es wünschenswert,
das vertikale Richtdiagramm für die Vertikalkomponente
der elektrischen Feldstärke zu niedrigen Elevationswinkeln
hin aufzufüllen. Die erfindungsgemäße
Verbindung der Schleifenantenne 14 und des dazu senkrecht
polarisierten weiteren Strahlers 7 – zumeist realisiert
als vertikaler Monopol – erlaubt es diesen Aspekt in besonders
vorteilhafter Weise zu berücksichtigen.
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In 3 ist
eine Antenne nach der Erfindung dargestellt, wobei der weitere Strahler 7,
welcher auf der Ebene der Schleifenantenne 14 senkrecht
orientiert ist, aus einer Gruppe von Monopolen 7a gebildet ist.
Diese sind rotationssymmetrisch zum Zentrum Z und innerhalb der
Schleifenantenne 14 angeordnet. Die Monopole sind an ihrem
unteren Ende über Leitungen im Zentrum Z miteinander verbunden
und bilden dort die Strahleranschlussstelle 2. Bei nicht
zu großem Durchmesser des Kreisrings, auf dem die Monopole 7a um
das Zentrum Z angeordnet sind und bei nicht zu geringer Anzahl der
Monopole 7a ist das azimutale Richtdiagramm des so gestalteten
Strahlers 7 hinreichend omnidirektional.
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4 zeigt
eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Antenne nach der Erfindung ähnlich
wie in 2, wobei die Schleifenantenne 14 zur
Verkleinerung der Restunsymmetrie der Anordnung bezüglich des
azimutalen Richtdiagramm des Monopols 7 zwei in der Symmetrieebene
SE einander gegenüberliegende Antennenanschlussstellen 3a, 3b aufweist,
an die in der Schleifenebene angeordnete Umsymmetrier – und
Anpassnetzwerke 25, 29 angeschlossen sind, deren
Ausgänge über gleiche Phasenschieber-Netzwerke 23 parallel
geschaltet und mit der Zweidrahtleitung 26 verbunden sind.
Der im Zentrum Z angeordnete weitere Strahler 7 ist als
Monopol 7b mit horizontalen, rotationssymmetrisch zum Zentrum Z
angeordneten Leiterteilen als Dachkapazität gestaltet.
Auch diese Leiterteile sind symmetrisch zur Symmetrieebene SE ausgeführt.
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In 5 ist
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ähnlich
wie in Figur vier dargestellt, wobei jedoch Leiterteile der Schleifenantenne 14 zur
Bildung der rotationssymmetrischen Dachkapazität 12 herangezogen
sind. Bei vollkommen symmetrischer Ausgestaltung der Dachkapazität 12 sowohl
bezüglich der Rotationssymmetrie als auch ähnlich
zu der in 4 dargestellten Symmetrieebene
SE ist die Funktion der Schleifenantenne 14 durch den Anschluss
der Dachkapazität 12 des Monopols nicht beeinträchtigt.
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In 14 ist
die Antenne nach der Erfindung wie in 5 dargestellt,
jedoch mit einer gemeinsamen Strahleranschlussstelle 2 für
die gemeinsame Speisung der Schleifenantenne 14 und des
vertikalen Monopols mit Dachkapazität 7b. Das
zirkular polarisierte Feld entsteht, indem die Wellen, welche bei Sendebetrieb über
die vertikale Monopolantenne und über die Horizontalarme
der Dachkapazität 12 an der Schleifenantenne 14 eintreffen
sich nach rechts und links aufspalten, wobei der Abstand zur nächsten
Kapazität 16 auf der Schleifenantenne nach der
rechten Seite hin anders gewählt ist als der Abstand zur nächsten
Kapazität 16 auf der Schleifenantenne nach der
linken Seite hin. Die Schleifenantenne ist also so gegen die Dachkapaziät
um die z-Achse herum zu drehen, dass sich links- und rechtsseitig
unterschiedliche Winkelabstände α und β zwischen
den Horizontalarmen der Dachkapazität und der jeweils nächsten
Kapazität ergeben. Auf diese Weise ist im Zusammenwirken
der einspeisenden Horizontalarme der Dachkapazität 12 und
den betreffenden Unterbrechungen der Leiterschleife eine Schleifenantennen-Anschlussstelle
zur Einspeisung des Ringstromes auf der Schleifenantenne 14 gebildet.
Dabei sind die Horizontalarme der Dachkapazität 12 über
die Strahleranschlussstelle 2 nicht nur für ihre
Wirkung als Dachkapazität sondern darüber hinaus
auch zur Erzeugung des Ringstromes auf der Schleifenantenne 14 gespeist,
so dass die Speisung der Schleifenantenne 14 und des Monopols 7b mit
Dachkapazität in wirtschaftlich sehr vorteilhafter Weise
erfindungsgemäß über die gemeinsame Strahleranschlussstelle 2 des
Monopols 7b erfolgen kann.
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6 zeigt
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach dem Funktionsprinzip der
Antenne in 2, jedoch mit einer im Zentrum
Z angeordneten vertikalen Zuleitung 26 zur Speisung der
Schleifenantenne 14, wobei die Zuleitung 26 einen
vertikalen Monopol 7a und die Schleifenantenne 14 eine
Dachkapazität 12 des Monopols 7 bildet.
Die Schleifenantenne 14 ist mit zwei symmetrisch zueinander
angeordneten Antennenanschlussstellen 3a, 3b und
je einem Anpassnetzwerk 25 in der Schleifenebene sowie
mit zentralem Anschluss an die vertikale als Zweidrahtleitung 26 ausgeführte
Zuleitung zum Anpassnetzwerk 33 gebildet. Hierbei kompensieren sich
die Wirkungen der im Gegentaktmodus in entgegen gesetzter Richtung
fließenden Ströme der Schleifenantenne 14 auf
den Leitern der Zweidrahtleitung 26. Die Empfangsspannung
des Monopols 7a wird an seiner Strahleranschlussstelle 2 als
Gleichtakt-Modus der Zweidrahtleitung 26 an einem Ausgang
und die Empfangsspannung der Schleifenantenne 14 wird als
Gegentakt-Modus der Zweidrahtleitung 26 am anderen Ausgang
des Anpassnetzwerks 33 dem Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerk 31 zur
amplitudengerechten und phasenunterschiedlichen Überlagerung
der Signale am Antennenanschluss 28 zugeführt.
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7 zeigt
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Antenne nach dem Funktionsprinzip
der Antenne in 6, jedoch mit einer als Quadrat
mit dem Zentrum Z gestalteten Schleifenantenne 14, welche
durch vier in einem Quadrat angeordnete, horizontal liegende und
an ihren Enden über Kapazitäten 16 verbundene
Dipole 21 mit einem über Zuleitungen 18 verbundenen,
zentral im Phasenbezugspunkt B angeordneten Verteilungsnetzwerk 10 gebildet
ist. Das Dipolsystem wirkt als Dachkapazität des auf diese
Weise gebildeten vertikalen Monopols, ähnlich wie in 5 erläutert.
Der Empfang horizontaler bzw. vertikaler elektrischer Feldkomponenten erfolgt über
die Summenbildung 34 beziehungsweise die Differenzbildung 35 und
die phasenunterschiedliche Überlagerung der Signale über
das Phasenschieber-Netzwerk 23 und das Summations-Netzwerk 53.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in 8 eine
Antennenanordnung dargestellt mit phasenunterschiedlicher Überlagerung
der Empfangsspannungen aus den horizontalen und den vertikalen elektrischen
Feldanteilen einer Schleifenantenne 14 und einer durch
die vertikale Zweidrahtleitung 26 gebildeten Monopolantenne 7a. Ähnlich
wie in 4 sind auch hier zur Verbesserung der Symmetrie
der Anordnung zwei in der Symmetrieebene SE einander gegenüberliegende
Antennenanschlussstellen 3a, 3b mit Anpassnetzwerken 25 in der
Ebene der Schleifenantenne 14 vorhanden. Mit Hilfe eines
in einen der Leiter der Zweidrahtleitung 26 eingebrachten
Zweipolnetzwerks 61 erfolgt die Einstellung des Gleichtakt-zu-Gegentakt-Verhältnisses auf
der vertikalen Zweidrahtleitung 26, womit das Verhältnis
des Anteiles des vertikal polarisierten Feldes mit niedriger Elevation
der Hauptstrahlrichtung zu dem Anteil des horizontal polarisierten
Feldes mit höherer Elevation der Hauptstrahlrichtung eingestellt wird.
Zusätzlich erfolgt die für die Erzeugung der zirkularen
Polarisation notwendige Einstellung der Phasen mit Hilfe dieses
Summations-Netzwerks 53. Erfindungsgemäß können
durch Wahl des o. g. Gleichtakt-zu-Gegentakt-Verhältnisses
und der Phaseneinstellung das Achsenverhältnis und die
räumliche Ausrichtung der Ellipse für elliptische
Polarisation eingestellt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in 9 ist
die Antenne – zum Beispiel ähnlich zu der Ausführungsform
wie in 2 – jedoch als Mehrfrequenzbereichsantenne
gestaltet. Hierzu werden anstelle diskreter Kapazitäten
in der Schleifenantenne 14 die Kapazitäten 16 jeweils
aus gleichen Zweipol-Netzwerken vorzugsweise jeweils bestehend aus
einer Schaltung aus mehreren Blindelementen gebildet. Damit sind
bei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen unterschiedliche Kapazitätswerte
wirksam, welche bei diesen unterschiedlichen Betriebsfrequenzen
die Resonanz für die Gestaltung der reellen Antennenimpedanz
ermöglichen.
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In 1 ist
die Situation dargestellt, dass zwei Satelliten-Rundfunk-Frequenzbänder
mit kleiner Bandbreite Bu beziehungsweise Bo dicht benachbart bei
einer hohen Frequenz im L-Band beziehungsweise im S-Band, jedenfalls
bei einer Frequenz von fm > 1
GHz mit gleichen Richtungen, das heißt z. B. links drehender
zirkularer Polarisation (LHCP) abgestrahlt werden. Bei einer Bandbreite
Bu beziehungsweise Bo von einigen Megahertz (typisch etwa 4–25
MHz) ist der relative Frequenzabstand zwischen den Mittenfrequenzen
fmu und fmo derart gering, dass eine frequenzselektive Gestaltung
der Antenne nicht möglich und bei geeigneter Frequenzbandbreite
der Antenne nicht notwendig ist. Beide Signale können deshalb
aufgrund der Gleichheit der Drehrichtungen der Polarisation an derselben
Antennenanschlussstelle 28 empfangen werden. Für
den Fall, dass ein weiteres Satelliten-Rundfunk-Signal in dichter
Frequenznachbarschaft mit der anderen zirkularen Polarisation vorhanden
wäre, so kann dies durch Gestaltung zweier gesonderter
Antennenanschlussstellen 28a und 28b im Rahmen
einer kombinierten Antenne nach der Erfindung gestaltet werden. 10 zeigt
eine Antennenanordnung mit einem als Stabantenne ausgebildeten,
vertikal polarisierten Monopol 7 und einer horizontal polarisierten Schleifenantenne 14 nach
der Erfindung mit auf den Sendefall bezogen gemeinsamem Phasenbezugspunkt
B, jedoch mit getrennter Zuführung der Signale zum Anschluss
für Vertikalpolarisation 49 beziehungsweise zum
Anschluss für Horizontalpolarisation 48. Der an
diesen Anschlüssen nach geschaltete Hybridkoppler 45 mit
90° positivem beziehungsweise negativem Phasenunterschied
bezüglich des LHCP-Anschlusses 28a und des RHCP-Anschlusses 28b ermöglicht
die getrennte Verfügbarkeit von LHCP- beziehungsweise RHCP-Signalen
unterschiedlicher Drehrichtungen der zirkularen Polarisation. Der als
Stabantenne 32 ausgeführte Monopol 7 weist
zur Gestaltung seines Vertikaldiagramms eine mit einem Blindelement 8 beschaltete
Unterbrechungsstelle 5 auf.
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Insbesondere
für den Empfang von geostationären Satelliten,
deren Signale in nördlichen Breiten unter vergleichsweise
niedriger Elevation einfallen, ist vorgesehen, dass der eine im
Wesentlichen senkrechte Monopol 7 mindestens eine Unterbrechungsstelle 5 enthält,
die zur Gestaltung des Vertikaldiagramms mit mindestens einem Blindelement 8 beschaltet
bzw. überbrückt ist. Auf diese Weise kann das
Vertikaldiagramm auf vorteilhafte Weise den Erfordernissen angepasst
werden. Die Antennenanschlussstelle 2 ist im Fußpunkt
des Monopols 7 am Anschluss zum Anpassnetzwerk 33 gebildet.
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Eine ähnliche
Antennenanordnung ist in 11 dargestellt,
wobei jedoch die Realisierung des Monopols 7 ähnlich
der Antennenanordnung in 10 durch
die Kombination der als Dachkapazität wirkenden Schleifenantenne 14 und
der Zweidrahtleitung 26 erfolgt. Mit Hilfe einer kombinierten
Anpassschaltung 50 wird sowohl die Anpassung der Schleifenantenne 14 und
die Anpassung des Monopols 7 als auch die Einstellung eines
gemeinsamen Phasenbezugspunkts B erstellt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Antennenanordnung zur alternativen
Auskopplung von RHCP- beziehungsweise LHCP-Signalen ist, wie in 12 dargestellt,
eine Schleifenantenne 14 – wie in 6 – mit
zwei einander gegenüberliegenden Antennenanschlussstellen 3a, 3b und
daran angeschlossenen und in der Schleifenebene befindlichen Anpassnetzwerken 25,
welche zum Beispiel als λ/4-Transformationsleitungen realisiert
sind, vorgesehen. Die Ausgänge der Anpassnetzwerke 25 sind
addierend parallel geschaltet. Das Empfangssignal wird über
die Zweidrahtleitung 26 einem auf der Grundfläche 6 befindlichen
Anpassnetzwerk 25 zugeführt, dessen Ausgang wiederum
an einen der beiden Eingänge einer insbesondere als 90°-Hybridkoppler 45 ausgebildeten
Signalkombinierschaltung angeschlossen ist. An der Antennenanschlussstelle 2 im
Fußpunkt des im Zentrum Z der Anordnung befindlichen, als
Stabantenne ausgebildeten Monopols 7a ist ebenfalls ein Anpassnetzwerk 25 angeschlossen,
dessen Ausgang den anderen der beiden Eingänge des 90°-Hybridkopplers 45 speist.
Ein an die Ausgänge des 90°-Hybridkopplers 45 angeschalteter
LHCP/RHCP-Umschalter 55 stellt an der Anschlussstelle 28 – angesteuert
durch eine in einem Radioempfängermodul 52 befindlichen
Umschaltsteuerung – Satelliten-Empfangssignale der beiden
Drehrichtungen der Polarisation alternativ zur Verfügung.
Bei Ansteuerung mit einem in einem LHCP/RHCP-Radiomodul 52 befindlichen
Diversity-Steuermodul 38 kann die Antennenanordnung in
vorteilhafter Weise ebenso für Polarisations-Diversity
durch Umschalten zwischen dem Empfang für LHCP- und RHCP-Wellen eingesetzt
werden.
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In
einer weiteren besonders wirtschaftlichen Ausführungsform
einer derartigen Antenne mit zirkular polarisiertem Feld bei umschaltbarem
Drehsinn ist in 13 – ähnlich
wie bei der Antenne in 12 – der gesonderte
Monopol 7 eingespart. Für den Empfang bei vertikaler
Polarisation wird auch hier die Zweidrahtleitung 26 – ähnlich
wie in 8 – ausgenutzt. Durch Einfügen
eines geeignet gestalteten Zweipolnetzwerks 61 in einen
der Stränge der vertikalen Zweidrahtleitung 26 wird
der Unterschied von 90° zwischen den Phasen des von der
vertikalen Zweidrahtleitung 26 mit der Schleifenantenne 14 als Dachkapazität 12 und
des von der Schleifenantenne 14 aufgenommenen horizontalen
Feldanteils so eingestellt, dass deren Kombination mit diesem Phasenunterschied
am Mikrostreifenleiter 30 zum Anpassnetzwerk 54 vorliegt
und somit ebenso an der Anschlussstelle 28. Damit empfängt
die Antenne ein zirkular polarisiertes Feld. Eine die Empfangssignale der
Schleifenantenne 14 am Ausgang der Anpassnetzwerke 25 aus
dem horizontal polarisierten elektrischen Feld und die Empfangssignale
der vertikalen Zweidrahtleitung 26 aus dem vertikal polarisierten elektrischen
Feld verknüpfende Schaltung umfasst einen LHCP/RHCP-Umschalter 55 zur
Vertauschung der Polarität der Empfangsspannung der Schleifenantenne 14.
Letztere kann auf diese Weise mit unterschiedlichem Vorzeichen der
Empfangsspannung aus dem vertikal polarisierten elektrischen Feld
hinzugefügt werden, so dass zwischen dem Empfang vom LHCP-Feld
und vom RHCP-Feld durch Umschaltung der LHCP/RHCP-Umschalter 55 umgeschaltet
werden kann. Angesteuert durch eine im Empfänger befindliche
Umschaltsteuerung zwischen LHCP und RHCP-Empfangssignalen stehen
Signale von auf unterschiedlichen Übertragungswegen unterschiedlich
gedrehter Polarisation der Satellitensignale alternierend zur Verfügung.
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Wie
bereits im Zusammenhang mit der Antenne in 8 erläutert – kann
auch hier ein entsprechendes Netzwerk 61 aus Blindwiderständen
in den mit Masse verbundenen Strang der vertikalen Zweidrahtleitung 26 geschaltet
werden. Mit Hilfe des Netzwerks 61, kann die Einstellung
des Gleichtakt-zu-Gegentakt-Verhältnisses auf der vertikalen
Zweidrahtleitung 26 eingestellt werden. Die Empfangsspannungen
aus den horizontalen und den vertikalen elektrischen Feldanteilen
werden entsprechend der zirkularen Polarisation phasenunterschiedlich überlagert. Durch
Einstellung des Gleichtakt-zu-Gegentakt-Verhältnisses auf
der vertikalen Zweidrahtleitung 26 kann das Verhältnis
des Anteiles des vertikal polarisierten Feldes mit niederer Elevation
der Hauptstrahlrichtung zu dem Anteil des horizontal polarisierten
Feldes mit höherer Elevation der Hauptstrahlrichtung eingestellt
werden.
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In
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird die Antenne in den obigen Ausführungsformen
mit einem weiteren Strahler mit azimutalem Runddiagramm kombiniert, dessen
Polarisation zirkular ist und die Phase der zirkularen Polarisation
sich mit dem azimutalen Winkel des Ausbreitungsvektors dreht – also
bei einem kompletten azimutalen Umlauf um den Winkel
27.
Wie bereits oben erwähnt, erfüllen die aus der
DE-A-4008505 und
der
DE-A-10163793 ,
bzw.
EP 1 239 543 B1 ,
bekannten Antennen aus dem Stande der Technik, sowie andere bekannte
Antennenformen diese Bedingung. Die Wirkungsweise dieser Antennen
beruht im Wesentlichen darauf, dass die einzelnen Antennenteile
auf unter einem rechten Winkel gekreuzten und auf der Grundebene
senkrecht stehenden Ebenen platziert sind und die Antennenteile der
unterschiedlichen Ebenen zur Erzeugung der zirkularen Polarisation
um 90° in der Phase versetzt zusammengeschaltet sind. Selbst
die Wirkung von Patchantennen lässt sich auf ähnliche
Weise darstellen. Strahler
7d mit azimutalem Runddiagramm,
deren Polarisation zirkular ist und deren Phase der zirkularen Polarisation
sich mit dem azimutalen Winkel des Ausbreitungsvektors dreht und
die aus zwei gekreuzten Strahlern aufgebaut sind, werden im Folgenden
zur einfachen Unterscheidung als „gekreuzte Strahler” bezeichnet.
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Bei
Kombination eines derartigen gekreuzten Strahlers 7d in
der Weise, dass dessen Phasenbezugspunkt B mit dem der bisher beschriebenen
erfindungsgemäßen Antenne zusammenfällt
und die Signale der beiden Antennen über ein steuerbares Phasendrehglied 39 und
ein Summations-Netzwerk amplitudengerecht zusammengefasst werden,
bildet sich in vorteilhafter Weise im azimutalen Richtdiagramm der
kombinierten Antennenanordnung eine Hauptrichtung der Strahlung
aus, welche von der Einstellung des Phasendrehglieds 39 abhängig
ist.
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Die
Wirkungsweise der Überlagerung der Signale wird an Hand
der 15 und 16 erläutert. In 15a ist die vertikale Richtcharakteristik
des LHCP-polarisierten elektromagnetischen Feldes einer bisher beschriebenen
erfindungsgemäßen Antenne dargestellt. Die Phase
dieses Feldes ist vom azimutalen Winkel unabhängig und
somit ist die Phase für die azimutalen Winkel 0° und
180° jeweils mit demselben Winkel – im Beispiel
0° – gekennzeichnet. Vergleichend hierzu ist das
Elevations-Richtdiagramm eines oben beschriebenen weiteren Strahlers 7d in 15b von einem Typus dargestellt, wie es durch
einen oben beschriebenen gekreuzten Strahler 7d erzeugt
wird, wobei sich für die azimutalen Winkel 0° und
180° um 180° unterschiedliche Phasenwerte ergeben,
die im Beispiel mit 0° und 180° gekennzeichnet
sind. Somit lässt sich bei phasengleicher Überlagerung
beider Signale der Antennengewinn der kombinierten Antennenanordnung
für den azimutalen Winkel 0° steigern und für
den azimutalen Winkel 180° schwächen und bei geeigneter
Einstellung der Amplituden unter einem gewünschten Elevationswinkel
sogar eine Nullstelle des Richtdiagramms einstellen, wie es in 16 dargestellt
ist. Werden die beiden Signale um den einstellbaren Phasenwinkel φ gegeneinander
verschoben überlagert, so ergibt sich – auf Grund
der Phasenänderung der zirkularen Polarisation des gekreuzten
Strahlers (7d) mit dem azimutalen Winkel des Ausbreitungsvektors – das
azimutale Richtdiagramm unter Beibehaltung des Elevationsrichtdiagramms
um denselben Winkel φ, in der einen oder der anderen Richtung
gedreht. Auf diese Weise kann das Richtdiagramm der kombinierten
Antennenanordnung bei mobilem Einsatz in vorteilhafter Weise z.
B. mit seiner Hauptrichtung auf den Satelliten weisend nachgeführt
werden oder z. B. ein Störer durch Richtungszuweisung der
Nullstelle des Richtdiagramms gezielt ausgeblendet werden. Insbesondere
beim Satellitenempfang auf Fahrzeugen lässt sich hiermit
im Rahmen einer dynamisch nachgeführten Einstellung des
Richtdiagramms das Signal-Störverhältnis während
der Fahrt stets optimal gestalten.
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In
17 ist
die erfindungsgemäß kombinierte Antennenanordnung
mit einem durch den Bauraum
42 angedeuteten gekreuzten
Strahler
7b dargestellt, wie er z. B. in der
EP 1 239 543 B1 , dort in
10a, dargestellt ist. Hierbei ist der
dort angegebene vertikale Antennenleiter
20 hier in
17 äquivalent
als Vertikaler Monopol
7a im Zentrum Z ausgeführt
und ist auf Grund von Symmetriebedingungen von der Anschlussstelle
56 des
gekreuzten Strahlers
49 entkoppelt. Letztere ist über
das steuerbare Phasendrehglied
39 mit dem Summations-Netzwerk
53 verbunden,
in welchem die Signale der Schleifenantenne
14, des vertikalen
Monopols
7a und des gekreuzten Strahlers
49 mit
der jeweils geeigneten Gewichtung zum Empfangssignal der kombinierten
Antennenanordnung zusammengefasst sind. In äquivalenter
Weise kann eine Antenne vom Typ, wie in der
DE-A-4008505 beschrieben,
oder eine Patchantenne mit dem vertikalen Monopol
7a im
Zentrum Z, sowie auch eine Anordnung über der Massefläche
parallel gekreuzter Dipole kombiniert werden. Alle Anordnungen von
n gleichen horizontalen Strahlerelementen
59 sind hierfür
verwendbar, wenn diese so angeordnet sind, dass deren Zentren die
Ecken eines gleichseitigen Vielecks ergeben, und wenn die Drehung
der Anordnung um die z-Achse um einen Winkel von 360°/n
die Struktur in sich selbst abbildet und wenn die Speisung jeweils
im Drehsinn benachbarter Strahlerelemente sich in der Phase um jeweils
360°/n unterscheidet. In
25 sind
solche Anordnungen jeweils für das Beispiel von vier und
fünf Strahlerelementen dargestellt.
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In
einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung wird
an Stelle eines Strahlers vom beschriebenen Typ „gekreuzter
Strahler” ein erfindungsgemäß neuartiger
weiterer Strahler 7c mit zirkularer Polarisation und azimutalem
Rundstrahldiagramm, dessen Phase sich mit dem azimutalen Winkel
des Ausbreitungsvektors dreht, im Folgenden zur Unterscheidung als
Ringleitungsstrahler 7c bezeichnet, eingesetzt. In 15(b) ist beispielhaft das Vertikaldiagramm
einer solchen Antenne nach der Erfindung dargestellt.
-
Erfindungsgemäß ist
der Ringleitungsstrahler 7c als eine rotationssymmetrisch
um das Zentrum Z angeordnete polygonale oder kreisförmige
geschlossene Ringleitung in einer horizontalen Ebene mit der Höhe
h1 über der leitenden Grundfläche 6 verlaufend,
gestaltet. Erfindungsgemäß wird die Ringleitung
in der Weise gespeist, dass sich auf ihr die Stromverteilung einer
laufenden Leitungswelle einstellt, deren Phasenunterschied über
einen Umlauf gerade 2π beträgt, somit die gestreckte
Länge der Ringleitung der Wellenlänge λ entspricht,
die sich auf der Ringleitung einstellt. Die Strahlungsbeiträge der
horizontal polarisierten einzelnen Leiterabschnitte überlagern
sich im Fernfeld in der Weise, dass sich die gewünschte
Strahlung mit zirkularer Polarisation und der geforderten Phasenabhängigkeit
von der azimutalen Ausbreitungsrichtung und der im Wesentlichen
omnidirektionalen azimutalen Richtcharakteristik einstellt. Bei
kreisförmiger Gestaltung der Ringleitung beträgt
ihre Horizontalausdehnung somit D = λ/π. Bei einer
Ringleitung wie sie in 18 dargestellt ist, ist die
Wellenlänge λ auf der Ringleitung gleich der Freiraum-Wellenlänge λ0. Zur Reduzierung des Durchmessers D kann
die Wellenlänge λ auf der Ringleitung durch Erhöhung
der Leitungsinduktivität oder/und der Leitungskapazität
zur leitenden Grundfläche 6 erfolgen. Dies kann
auf an sich bekannte Weise zum Beispiel bevorzugt durch Einbringung konzentrierter
induktiver Elemente in die Leitungsstruktur oder zum Beispiel durch
mäanderförmige Ausführung des Ringleiters
erfolgen.
-
18 zeigt
eine derartige kombinierte Antennenanordnung, bestehend aus der
Schleifenantenne 14 und dem mit dieser unter einem Phasenunterschied
kombinierten Monopol 7a zur Erzeugung des zirkular polarisierten
Strahlungsfeldes mit azimutal unabhängiger Phasenlage und
einem konzentrisch mit Zentrum Z angeordneten kreisförmigen Ringleitungsstrahler 7c mit
Ringleitungs-Anschlussstelle 19 zur Überlagerung
seines zirkular polarisierten Strahlungsfeldes jedoch mit azimutal
abhängiger Phasenlage und zur Steuerung der azimutalen Hauptrichtung über
das steuerbare Phasendrehglied 39. Der Phasenschwerpunkt
des Ringleitungsstrahlers 7c liegt in Folge der beschriebenen
Phasenverteilung auf der rotationssymmetrischen Ringleitungsstruktur
im Zentrum Z der Antennenanordnung und fällt somit mit
dem beschriebenen Phasenbezugspunkt B der Schleifenantenne 14 und
dem des Monopols 7a zusammen – unabhängig
von der Stellung des steuerbaren Phasendrehglieds 39. Die
Erzeugung der fortlaufenden Leitungswelle auf dem Ringleitungsstrahler 7c erfolgt
ausgehend von der Ringleitungs-Anschlussstelle 19 über
das Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerk 31, an
dessen Ausgängen um 90° zueinander in der Phase
verschobene Signale stehen, welche jeweils über ein Anpassnetzwerk 25 über
die Zuleitungen 18 an um λ/4 voneinander entfernten
Ringleitungs-Einspeisestellen 22a und 22b längs
der Ringleitungsstruktur angeschlossen sind. Mit einem Ringleitungsstrahler 7c dieser
Art ist der besondere Vorteil verbunden, dass er konzentrisch zur
Schleifenantenne 14 und im Vergleich zu dieser mit größerem
Durchmesser gestaltet ist. Eine für die Schleifenantenne 14 übliche
Querabmessung ist in weiten Grenzen gestaltbar, ist jedoch in der
Regel kleiner als λ/4 und kann deshalb innerhalb der Ringleitungsstrahlers 7c mit
Durchmesser λ/π gestaltet werden. Dies ermöglicht
die vorteilhaft freizügige Gestaltbarkeit des im Zentrum
Z befindlichen vertikalen Monopols 7b, bzw. Monopolsystems, wie
z. B. in den 3, 4 und 5.
Aufgrund der geometrisch bedingten Strahlungsentkopplung zwischen
der Schleifenantenne 14 und dem sie umgebenden Ringleitungsstrahler 7c können
die Durchmesser der beiden Strahler in weiten Grenzen unabhängig
voneinander im Interesse der Gestaltung ihrer vertikalen Richtdiagramme
und des daraus resultierenden vertikalen Richtdiagramms der Antennenanordnung
am Antennenanschluss 28 gestaltet werden. Ebenso kann der
Abstand h der Ebene der Schleifenantenne 14 von der leitenden
Grundfläche 6 vom Abstand h1 zwischen der Ebene
des Ringleitungsstrahlers 7c und der leitenden Grundfläche 6 unterschiedlich
gewählt werden, wenngleich es für die Herstellung
besonders wirtschaftlich ist, wenn beide Strahler zum Beispiel in
gedruckter Form auf demselben flächigen Träger
aufgedruckt sind. In 16(a) ist beispielhaft
das Vertikaldiagramm und in 16(b) ist
das Horizontaldiagramm einer solchen Antenne nach der Erfindung
dargestellt. Für das Beispiel einer quadratisch geformten
Schleifenantenne 14 mit zentralem kurzem vertikalem Monopol
in Kombination mit einem ebenso quadratisch geformten Ringstrahlungsleiter
im Frequenzbereich um 2,3 GHz haben sich für die Schleifenantenne 14 eine Kantenlänge
von etwa 3 cm und eine Höhe h von 13 mm und für
den quadratisch geformten Ringleitungsstrahler eine Kantenlänge
von etwa 3,4 cm, welche etwa ¼ der Wellenlänge
entspricht, und eine Höhe h von 10 mm zur Realisierung
sowohl des Richtdiagramms nach 16 als
günstig erwiesen.
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Die
Schleifenantenne 14 ist über die für Gleichtaktströme
hochohmige Zweidrahtleitung 26 über ein Anpassnetzwerk 25 und
der Monopol 7a ist über ein Anpassnetzwerk 25 und über
das Phasenschieber-Netzwerk 23 an das Summations-Netzwerk 53 zur
Bildung der zirkular polarisierten Strahlung mit azimutaler Unabhängigkeit
der Phase angeschlossen. Ebenso ist die Ringleitungs-Anschlussstelle 19 über
das steuerbare Phasendrehglied 39 an das Summations-Netzwerk 53 angeschlossen
und die Signale sind dort mit der geeigneten Gewichtung zur Erzeugung
des gewünschten vertikalen Richtdiagramms der Antennenanordnung
mit einstellbarer azimutaler Hauptrichtung am Antennenanschluss 28 den
anderen Signalen überlagert.
-
Zur
Vervollkommnung der azimutalen Symmetrie wird vorteilhaft der Ringleitungsstrahler 7c in 19 vorteilhaft über
vier jeweils um λ/4 längs der Ringleitung versetzte
Einspeisestellen von in der Phase jeweils um 90° versetzten
Signalen gespeist. Die Speisequellen können auf an sich
bekannte Weise durch Leistungsteilung und 90°-Hybridkoppler 45 gewonnen
werden.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt
die Erzeugung der fortlaufenden Leitungswelle auf dem Ringleitungsstrahler 7c in
Anlehnung an 18, jedoch durch den λ/4-Koppelleiter 43 in 20.
Dieser ist in einem bezüglich des Leitungs-Wellenwiderstands
günstigen Abstand über eine gestreckte Länge
von λ/4 parallel zum Ringleitungsstrahler 7c geführt.
Für die Herstellung kann der λ/4-Koppelleiter 43 wirtschaftlich
auf denselben Träger wie der Ringleitungsstrahler 7c und
gegebenenfalls die Schleifenantenne 14 gedruckt aufgebracht werden.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
erfolgt die Erzeugung der fortlaufenden Leitungswelle auf dem Ringleitungsstrahler 7c in
Anlehnung an 20 jedoch durch λ/4-Richtkoppler 44 in 21.
Zu einem Mikrostreifenleiter 30 ist ein λ/4-Koppelleiter 43 parallel
geführt, welcher zusammen mit dem an den Ringleitungsstrahler 7c angekoppelten λ/4-Koppelleiter 43 den λ/4-Richtkoppler 44 bildet.
-
In 22 ist
der Ringleitungsstrahler 7c einer Antenne ähnlich
wie in 18, jedoch als geschlossener
quadratischer Leitungsring über der leitenden Grundfläche 6 mit
der Kantenlänge von λ/4 in einer Ebene im Abstand
h1 über der leitenden Grundfläche 6 ausgebildet.
Ebenso ist die Schleifenantenne 14 mit ihren Kapazitäten 6 als
quadratische Leiterstruktur innerhalb des Ringleitungsstrahlers 7c mit dem
selben Zentrum Z angeordnet. Die übrigen Antennen sind
aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Als besonders vorteilhafte Form der berührungslosen Ankopplung
an den Ringleitungsstrahler 7c ist in 22 der
rampenförmige λ/4-Koppelleiter 43 hervorzuheben.
Ausgehend von dem auf der leitenden Grundfläche 6 befindlichen
Ringleitungs-Anschlussstelle 19 führt eine vertikale
Zuleitung 18 bis auf einen Koppelabstand 58 an
eine der Ecken heran, um von dort im Wesentlichen gemäß einer
Rampenfunktion unterhalb einer benachbarten Ecke mit der Grundfläche 6 zusammenzutreffen
um mit Letzterer elektrisch leitend verbunden zu werden. Diese Form
der Ankopplung ist für eine wirtschaftliche Herstellung
besonders vorteilhaft, weil aufgrund der quadratischen Ausführung
des Ringleitungsstrahlers 7c der rampenförmige λ/4-Koppelleiter 43 auf
einem ebenen Träger gestaltet werden kann. Durch Einstellung
eines geeigneten Koppelabstandes 58 kann zudem Impedanzanpassung
an der Ringleitungs-Anschlussstelle 19 in vorteilhafter
Weise herbeigeführt werden.
-
In 23 ist
der Ringleitungsstrahler 7c ebenso quadratisch gestaltet
wie in 22, ist jedoch an seinen Ecken
jeweils über eine Zuleitung 18 gespeist, welche
jeweils über eine gleiche Länge als Mikrostreifenleiter 30 auf
der leitenden Grundfläche 6 verläuft
und welche jeweils einen gleich langen vertikalen Leiter enthält.
Die übrigen Antennen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt. Die Zuleitungen 18 sind – ausgehend
von der Ringleitungs-Anschlussstelle 19 – an ein
Leistungs-Verteilnetzwerk angeschlossen, welches aus in Kette geschalteten λ/4-langen
Mikrostreifenleitern 30 (15a, 15b, 15c)
besteht. Die Wellenwiderstände der Mikrostreifenleiter 30 sind – ausgehend
von einem niedrigen Wellenwiderstand an der Ringleitungs-Anschlussstelle 19 – an
welche eine der Zuleitungen 18 direkt angeschlossen ist – in
der Weise hochgestuft, dass die an den Ecken in den Ringleitungsstrahler 7c eingespeisten
Signale gleiche Leistungen besitzen und sich jeweils um 90° in
der Phase fortlaufend nacheilend unterscheiden. Die übrigen
Antennenteile sind aus Gründen der Übersicht ebenfalls
nicht dargestellt.
-
In
einer vorteilhaften Erweiterung der Erfindung ist bei der Antenne
in 24 ein weiterer Strahler in Form eines äußeren
Ringleitungsstrahlers 7e vorhanden. Im Gegensatz zum Ringleitungsstrahler 7c,
dessen Umfang genau einer Wellenlänge λ – also einer
vollen Periode – entspricht, ist der Umfang des äußeren
Ringleitungsstrahler 7e zwei Wellenlängen λ gewählt,
so dass sich bei Erregung mit um 90° zueinander in der
Phase verschobenen Signalen an um λ/4 voneinander entfernten
Ringleitungs-Einspeisestellen 22 längs der äußeren
Ringleitungsstruktur eine fortlaufende Leitungswelle auf dem Ringleitungsstrahler 7d einstellt.
Diese Einspeisung geschieht im Beispiel in 24 bei
beiden Ringleitungen auf ähnliche Weise über die
Anpassnetzwerke 25 und das Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerk 31.
Die Anschlussstelle 21 ders äußeren Ringleitungsstrahlers 7e ist
ebenfalls mit dem Summations-Netzwerk 53 verbunden, so
dass die Wirkungen der Strahlung des äußeren äußeren
Ringleitungsstrahlers 7e je nach Gewichtung am Antennenanschluss 28 auftreten.
Die Signale an der Schleifenantenne-Monopol-Anschlussstelle 27,
an der Ringleitungs-Anschlussstelle 19 und an der Anschlussstelle 21 des äußeren
Ringleitungsstrahlers 7e werden über steuerbare
Phasendrehglieder 39 im Summations-Netzwerk 53 gewichtet
zusammengefasst, so dass am Antennenanschluss 28 in der
eingestellten azimutalen Hauptrichtung ein erhöhter Antennengewinn
erzielt wird. Aufgrund des größeren Durchmessers
des äußeren Ringleitungsstrahlers 7e ist
sein Beitrag schärfer bündelnd als derjenige der
zirkular polarisierten Ringleitung 7c. Obgleich durch Zuschalten
des äußeren Ringleitungsstrahlers 7e die
Polarisation nicht mehr rein zirkular ist, kann aufgrund der insgesamt
schärferen Bündelung der Strahlungsgewinn für
gewisse Situationen durch diese Maßnahme vergrößert
werden.
-
In
einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist in 26 anstelle
des Ringleitungsstrahlers 7c in 22 ein
Kreisgruppenstrahler 7f von dem in 25 beschriebenen
Typus dargestellt. Dieser besteht aus mehreren in einer parallel
zur leitenden Grundfläche 6 und in einem Abstand
zu dieser angeordneten Ebene und um das Zentrum Z azimutal rotationssymmetrisch
auf einem Kreis K angeordneten horizontal polarisierten Strahlerelementen 59. Über
Zuleitungen 18 mit Phasenschieber-Netzwerk ist eine gemeinsame
Kreisgruppenstrahler-Anschlussstelle 60 geschaffen. Bei
reziprokem Betrieb der Antenne ist die Erregung des Kreisgruppenstrahlers 7f in
der Weise bewirkt, dass jedes Strahlerelement 59 mit einem
Strom gleicher Amplitude, jedoch der Phase nach in der Weise erregt
ist, dass der Betrag der Stromphase gleich dem von einer azimutalen Bezugslinie
ausgehenden Azimutwinkel Φ der azimutalen Position des
Strahlerelements 59 gewählt ist, so dass die Stromphase
mit steigendem Azimutwinkel Φ steigt oder fällt.
Hierfür sind die horizontal polarisierten Strahlerelemente 59 an
den Eckpunkten eines Quadrats mit Zentrum Z angeordnet und jeweils
senkrecht zu den Verbindungslinien zwischen dem betreffenden Eckpunkt
und dem Zentrum Z orientiert. Die horizontal polarisierten Strahlerelemente 59 sind
jeweils über eine gleich lange Zuleitung 18 mit
den Anschlüssen eines Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerk
verbunden. Letzteres ist aus in Kette geschalteten auf der leitenden
Grundfläche 6 gebildeten λ/4-langen Mikrostreifenleitern 30 mit
den Teilstücken 15a, 15b, 15c,
gestaltet, deren Wellenwiderstände – ausgehend
von einem niedrigen Wellenwiderstand an der Kreisgruppenstrahler-Anschlussstelle 60 – an
welche eine der Zuleitungen 18 direkt angeschlossen ist – in
der Weise hochgestuft sind, dass die an den Ecken in die Strahlerelemente 59 eingespeisten
Signale gleiche Leistungen besitzen und sich jeweils um 90° in
der Phase fortlaufend nacheilend unterscheiden.
-
- 1
- Antenne
- 2
- Strahleranschlussstelle
- 3
- Schleifenantennen-Anschlussstelle
- 3a,
3b, 3c, 3d
- Schleifenantennen-Anschlussstellen
- 4,
4a
- Abstand
der Höhe h, h1
- 5
- Unterbrechung,
Unterbrechungsstelle
- 6
- Grundfläche
- 7
- Strahler
- 7a
- Vertikaler
Monopol
- 7b
- Vertikaler
Monopol m. Dachkapazität
- 7c
- Ringleitungsstrahler
- 7d
- Gekreuzter
Strahler
- 7e
- Äußerer
Ringleitungsstrahler
- 7f
- Kreisgruppenstrahler
- 8
- Blindelement
- (9)
- Kreisantennen-Anschlussstelle
- 10
- Verteilungsnetzwerk
- 11
- Horizontale
Ausdehnung
- 12
- Dachkapazität
- 13
- Strahler
- 14
- Schleifenantenne
- 14a
- Leiterteile
der Schleifenantennen
- 15a,
15b, 15c
- Leistungsverteilnetzwerk
- 16
- Kapazität
- 17
- Horizontaldipole
- 18
- Zuleitung
- 19
- Ringleitungs-Anschlussstelle
- 20a,
20b
- Ringleitungs-Einspeisestelle
- 21
- Äußere
Ringleitungs-Anschlussstelle
- 22
- Ringleitungs-Einspeisestelle
- 23
- Phasenschieber-Netzwerk
- 24
- Antenne
eines anderen Funk-Dienstes
- 25
- Anpassnetzwerk
- 26
- Zweidrahtleitung
- 27
- Schleifenantenne-Monopol-Anschlussstelle
- 28
- Antennenanschluss
- 28a
- Antennenanschluss
für LHCP
- 28b
- Antennenanschluss
für RHCP
- 29
- Umsymmetrierglied
- 30
- Mikrostreifenleiter
- 31
- Leistungsteiler-
und Phasenschiebernetzwerk
- 32
- Stabantenne
- 33
- Anpassnetzwerk
- 34
- Summenbildung
- 35
- Differenzbildung
- 36
- Äußere
Ringleitung
- 37
- Diversity-Umschalters
- 38
- Diversity-Steuermodul
- 39
- Steuerbares
Phasendrehglied
- 40
- Abstand
- 41
- Blindwiderstand
- 42
- gekreuzter
Strahler
- 43
- Richtkoppelleiter
- 44
- zweiter
Richtkoppelleiter
- 45
- 90°-Hybridkoppler
- 46
- LHCP-Anschluss
- 47
- RHCP-Anschluss
- 48
- Anschluss
Horizontalpolarisation
- 49
- Anschluss
Vertikalpolarisation
- 50
- kombinierte
Anpassschaltung
- 51
- Schaltung
aus mehreren Blindelementen
- 52
- LHCP/RHCP-Radiomodul
- 53
- Summations-Netzwerk
- 54
- Anpassnetzwerk
- 55
- LHCP/RHCP-Umschalter
- 56
- gekreuzter
Strahler-Anschlussstelle
- 57
- rampenförmiger λ/4-Koppelleiter
- 58
- Koppelabstand
- 59
- Horizontal
polarisiertes Strahlerelement
- 60
- Kreisgruppenstrahler-Anschlussstelle
- 61
- Zweipolnetzwerk
- 62
- Masse-Anschluss
- 64
- Lagevektoren
der horizontalen Strahlerelemente
- B2
- Bezugspunkt
einer Strahleranordnung
- δ
- Winkel
zwischen benachbarten Lagevektoren
- γ
- Winkel
zwischen den horizontalen Strahlerelementen und deren Lagevektoren
- α
- Winkel
zwischen Horizontalarm der Dachkapazität und linksseitig nächster
Kapazität
- β
- Winkel
zwischen Horizontalarm der Dachkapazität und rechtsseitig nächster
Kapazität
- Bu,
Bo
- Bandbreiten
- fmu,
fmo
- Mittenfrequenzen
- (LHCP)
- linksdrehende
zirkulare Polarisation
- (RHCP)
- rechtsdrehende
zirkulare Polarisation
- B
- Bezugspunkt,
Phasenzentrum
- Z
- Zentrum
- ΔX
- Recktanz
- Δs
- Leitungstück
- C
- Kapazität
- S
- Leitung
der Länge
- R
- Radius
- h
- Höhe
Schleifenantenne über Grundfläche
- h1
- Höhe
Ringleitungsantenne über Grundfläche
- D
- Durchmesser
- SE
- Symmetrieebene
- K
- Kreis
- Zw
- Leitungswellenwiderstand
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4008505
A [0002, 0002, 0007, 0049, 0065, 0068]
- - DE 10163793 A [0002, 0002, 0007, 0049, 0065]
- - EP 1239543 B1 [0065, 0068]