DE2657888A1

DE2657888A1 - Antennenanordnung

Info

Publication number: DE2657888A1
Application number: DE19762657888
Authority: DE
Inventors: Richard Stephen Kommrusch
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1975-12-22
Filing date: 1976-12-21
Publication date: 1977-06-23
Also published as: US4101901A; FR2336810B1; JPS5277650A; CA1070823A; DE2657888C2; GB1557977A; FR2336810A1; JPS5912203B2

Description

2657888 Dipl.-Phys. O.E. Weber d-8 München 71

Patentanwalt . Hofbrunnstraße 47

Telefon: (089)7915050

Telegramm: monopolweber münchen

M 468

MOTOEOLA, IHC.
1303 East Algonquin Road Scfcaumburg, 111. 6019^, USA

Antennenanordnung

Die Erfindung betrifft allgemein eine Antennenanordnung mit mehreren Eingängen und bezieht sich insbesondere auf die gleichzeitige Verwendung einer einzigen Antennenanordnung durch eine Mehrzahl von unabhängigen und isolierten Hochfrequenz-Einrichtungen.

Es gibt eine Anzahl von verschiedenen Lösungen für das Grundproblem, gleichzeitig eine einzelne Antennenanordnung in Verbindung mit einer Anzahl von unabhängigen Sendern zu verwenden, während dazwischen zugleich eine Isolation gewährleistet wird.

Eine bekannte Lösung verwendet eine einzige in allen Richtungen wirksame Antenne und koppelt jeden der Sender mit dieser Antenne, indem ein zugehöriger Resonanzhohlraum verwendet wird,

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Somit wird ein in allen Richtungen wirksames Strahlungsmuster für jeden Sender erreicht, und das Ausgangssignal jedes Senders stört das Ausgangssignal irgendeines anderen Senders nicht. Der Hauptnachteil dieses Systems besteht darin, daß es für jeden Sender einen getrennten abgestimmten Resonanzhohlraum benötigt. Da jeder Sender mit einer im wesentlichen unterschiedlichen Frequenz arbeiten muß, damit zwischen den Resonanzhohlräumen die erforderliche Isolation gewährleistet ist, ist eine Anordnung mit eng benachbarten Kanälen in einem solchen System kaum durchführbar. Weiterhin hat ein solches System wegen der Notwendigkeit eines abgestimmten Resonanzhohlraums zwangsläufig eine geringe Bandbreite. Außerdem muß der Resonanzhohlraum jeweils abgestimmt werden, wenn die Betriebsfrequenz des Senders geändert wird.

Bei einer weiteren bekannten Lösung für das oben angegebene Problem wird eine Anordnung aus Hybrid-Netzwerken verwendet, um ein einzelnes Ausgangssignal zu erzeugen, welches dann dazu dient, ein einzelnes, in allen Richtungen wirksames Antennenelement zu beaufschlagen. Jedes dieser Hybrid-Netzwerke kombiniert zwei Eingangssignale, um ein Halbenergie-Ausgangssignal an einem Ausgang zu erzeugen, während die übrige Energie in einer "Attrappen"-Last von 50 Ohm vernichtet wird. In einem typischen Netzwerk mit acht Übertragern bzw. Sendern , welches nach dieser bekannten Technik aufgebaut ist, tritt ein Energieverlust von 9 db auf. Bei der Benutzung von solchen Hybrid-Netzwerken kann allerdings eine Isolation zwischen den unabhängigen Sendern gewährleistet werden, und es ist auch eine große Bandbreite für das Antennensystem erreichbar.

Eine weitere bekannte Lösung für das obengenannte Problem besteht darin, einzelne, in jeder Richtung wirksame Antennenelemente mit jedem Sender zu koppeln· Diese Lösung ist jedoch nicht zweckmäßig, und zwar wegen des großen Abstandes, der zwischen jedem der Strahlungselemente vorhanden sein müßte,

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um eine ausreichende Isolation zwischen den einzelnen Sendern zu gewährleisten. Deshalb würde das sich daraus ergebende Antennensystem einen außergewöhnlich großen Raum beanspruchen, insbesondere dann, wenn eine große Anzahl von unabhängigen Sendern erforderlich wäre.

In einer weiteren bekannten Lösung des hier in Rede stehenden Problems werden zwei Sender durch ein einziges Hybrid-Netzwerk gekoppelt, und die zwei Ausgangssignale von diesem Netzwerk werden dann dazu verwendet, die zwei unabhängigen Antennenelemente in einer Drehkreuzantenne oder einem Kreuzdipol zu beaufschlagen. Diese Technik liefert eine Isolation sowie eine große Betriebsbandbreite, es können jedoch nicht leicht mehr als zwei Sender verwendet werden, ohne daß schmalbandig abgestimmte Elemente verwendet werden oder ein nennenswerter Anteil an Sendeleistung verlorengeht.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Gegenstand derjenigen US-Patentanmeldung der Anmelderin, welche auf den Erfinder Allen Davidson zurückgeht und den Titel "Improved Multiple Input Antenna System" trägt, welche unter der Nr. 601 560 am 4. August 1975 von der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung beim US-Patentamt eingereicht wurde.

In dieser US-Patentanmeldung wird eine besondere Lösung des Problems geschildert, welche gegenüber den anderen bekannten Systemen einen wesentlichen technischen Fortschritt ermöglicht. Diese Bezugsanmeldung wird hiermit ausdrücklich zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung erklärt, und sie beschreibt die Verwendung eines Hybrid-Kombinationsnetzwerks zum Empfang einer Mehrzahl von unabhängigen Signalquellen und zur Erzeugung einer Mehrzahl von AusgangsSignalen, welche jeweils mit einem zugehörigen unabhängigen Antennenelement gekoppelt sind. Diese Antennenelemente erzeugen jeweils ein unabhängiges Strahlungsmuster, und diese Strahlungsmuster vereinigen sich zu einem zusammengesetzten Strahlungsmuster für jede der unabhängigen Signal-

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quellen. Der Wirkungsgrad dieses Systems wird jedoch vermindert, wenn dem Signal zusätzliche Signalquellen hinzugefügt v/erden, da diese Signalquellen dazu führen, daß ein bestimmter Antennenbereich oder eine bestimmte Antennenanordnung eine sehr große Gesamtabmessung bekommt. Zusätzlich wird der Aufbau des Kombinationsnetzwerks sehr kompliziert, wenn mehr als 4 unabhängige Signalquellen miteinander kombiniert werden sollen.

Gemäß der Erfindung sollen die obigen Nachteile insgesamt überwunden werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antennenanordnung der eingangs näher erläuterten Art zu schaffen, welche dazu in der Lage ist, bei außerordentlich gutem Wirkungsgrad und außergewöhnlich geringen Abmessungen bei sehr einfachem Aufbau eine möglichst große Anzahl von einzelnen Hochfrequenz-Einrichtungen gemeinsam betreiben zu können.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß eine besonders große Anzahl von isolierten unabhängigen Einrichtungen derart gemeinsam betrieben werden können, daß im Antennendiagramm keine nennenswerten Einschnitte oder Einbrüche vorhanden sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß jedes Antennenelement der Anzahl von Antennenelementen um eine zentrale Achse herum angeordnet ist und derart ausgebildet ist, daß in unabhängiger Weise ein zugehöriges Strahlungsmuster erzeugt wird, welches im wesentlichen von den Antennenelementen der zweiten Anzahl von Antennenelementen hinwegweist, und daß jedes Antennenelement der zweiten Anzahl von Antennenelementen um die zentrale Achse herum angeordnet und derart ausgebildet ist, daß in unabhängiger Weise ein zuge-

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höriges Strahlungsmuster erzeugt wird, welches im wesentlichen von jedem der Antennenelemente der ersten Anzahl von Antennenelementen hinweg gerichtet ist.

Vorzugsweise sieht die erfindungsgemäße Anordnung vor, daß zwei Anzahlen von Antennenelementen abwechselnd entlang dem Umfang um eine Mittelachse herum angeordnet sind· Jedes Element erzeugt ein unabhängiges Strahlungsmuster, welches im wesentlichen von der Mittelachse und von jedem der übrigen Elemente hinweg gerichtet ist. Eine Gruppe von Antennenelementen bildet ein erstes zusammengesetztes Strahlungsmuster für eine erste Gruppe von elektrischen Einrichtungen und die andere, zwischengeschachtelte Gruppe von Antennenelementen bildet ein zweites zusammengesetztes Strahlungsmuster für eine zweite Gruppe von elektrischen Einrichtungen. Durch das Ineinanderschachteln der Antennenelemente und durch die gemäß der Erfindung vorgesehene Anordnung ergibt sich eine Verminderung der Gesamtabmessung der Antennenanordnung, welche dazu führt, daß die Richtungswirkung jedes der zusammengesetzten Strahlungsmuster verbessert wird. Zusätzlich kann durch die Verwendung jedes zweiten Antennenelementes in einer Antennenanordnung ein zusammengesetztes Muster erzeugt werden, bei welchem keine tiefen Einschnitte oder Einbrüche im Antennendiagramm auftreten, welche durch die Kombination von zu vielen einzelnen Strahlungsmustern zu einem zusammengesetzten Muster auftreten könnten. Die gemäß der Erfindung ineinandergeschachtelte Anordnung weist auch den Vorteil auf, daß die Kombinationsnetzwerke besonders einfach aufgebaut sein können, welche die elektrischen Einrichtungen mit den Antennenelementen koppeln und die erforderliche elektrische Phasenverschiebung zwischen den Strahlungsmustern hervorrufen, die durch benachbarte Antennenelemente in jeder Gruppe von Antennenelementen erzeugt werden.

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 einen Horizontalschnitt durch einen vertikalen Antennenbereich einer bekannten Antenne mit vier Elementen,

Fig. 2 eine graphische Darstellung, welche das horizontale Strahlungsmuster veranschaulicht, welches durch jedes der Antennenelemente gemäß Fig. 1 erzeugt wird,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines bekannten Antennensystems mit vier Eingängen, welches die in der Fig. Λ veranschaulichten Antennenelemente verwendet,

Fig. 4- eine schematische Darstellung, welche die elektrischen Eigenschaften eines Hybrid-Netzwerkes veranschaulicht,

Fig. 5 eine Tabelle, welche die verschiedenen Signalphasenbeziehungen in dem Antennensystem gemäß Fig. 3 veranschaulicht,

Fig. 6 eine graphische Darstellung, welche das zusammengesetzte horizontale Strahlungsmuster veranschaulicht, welches durch das in der Fig. 3 dargestellte bekannte Antennensystem hervorgerufen wird,

Fig. 7 einen Horizontalschnitt durch einen vertikalen verschachtelten Antennenbereich mit acht Elementen,

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Antennensystems mit acht Eingängen, welches die in der Fig. 7 veranschaulichten verschachtelten Antennenelemente verwendet, und

Fig. 9 eine graphische Darstellung von zwei zusammengesetzten horizontalen Strahlungsmustern, die durch das System gemäß Fig. 8 erzeugt werden.

Die Fig. 1 bis 6 veranschaulichen die Arbeitsweise eines Antennensystems mit mehreren Eingängen, welches in der obengenannten Bezugsanmeldung näher beschrieben ist. Da ein grund-

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legendes Verständnis dieser Bezugsanmeldung für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung notwendig ist, wird die Arbeitsweise dieser vorhergehenden Einrichtung anhand der Fig. 1 bis 6 nochmals kurz erläutert. Anschließend wird die Arbeitsweise der erfindungsgemaßen Anordnung anhand der Fig. 7 bis 9 beschrieben.

Die Fig. 1 veranschaulicht einen Antennenbereich 20, der bei 900 MHz arbeitet und der vier Eckreflektor-Antennenelemente aufweist, die mit 21, 22, 23 bzw. 24 bezeichnet sind. Die Eckreflektoren sind in einer kreisförmigen Anordnung um eine Mittelachse 25 herum angeordnet, und jeder Eckreflektor weist einen Öffnungswinkel von 90° auf, der radial nach außen weist. Derartige Eckreflektor-Antennen sind an sich bekannt und bestehen im wesentlichen aus zwei Seiten einer entsprechend gebogenen Reflektorplatte (wie 21 ) und einem zentralen Strahlungs-

stab (wie 21-)· Die Mittelachse 25 ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Rohr mit einem Durchmesser von etwa 10 cm (4· Zoll). Der Außendurchmesser der Antennenanordnung 20 beträgt etwa 40 cm (1,25 Fuß), und demgemäß hat jede Reflektorantenne eine öffnung (23„) von etwa 0,3 m (1 Fuß), was etwa einer WeI-lenlänge bei 900 MHz entspricht. Zweckmäßigerweise sind die Reflektorplatten als Drahtgitter ausgebildet, anstatt aus einem durchgehenden Metallblech zu bestehen, und sie sind elektrisch ebenso wie mechanisch an dem Mittelachsenrohr 25 angebracht.

Die Fig. 2 veranschaulicht die theoretischen Strahlungsmuster, welche durch jedes der einzelnen Antennenelemente erzeugt werden, wie sie in der Fig. 1 veranschaulicht sind. Die entsprechenden Strahlungsmuster sind jeweils durch einen Apostroph gekennzeichnet. Jedes Muster besteht im wesentlichen aus einer einzelnen, in eine Richtung weisenden Hauptkeule, die von einem Mittelpunkt 25' aus radial nach außen gerichtet ist, wobei der Mittelpunkt 25' der Mittelachse 25 in der Fig. 1 entspricht. Die Fig. 2 hat einen nichtlinearen radialen db-Maßstab. Jedes einzelne individuelle Strahlungsmuster ist der-

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art ausgebildet, daß diejenigen Punkte, welche um 3 db tiefer liegen, beispielsweise die Punkte 26 und 27 bei dem Muster 21', mit dem Mittelpunkt 25' einen Winkel von im wesentlichen 90 bilden. Somit kann die Rede davon sein, daß jedes Strahlungsmuster eine Halbenergie-Bündelbreite von 90° aufweist. Die jeweils um 3 db tiefer liegenden Punkte benachbarter Strahlungsmuster fallen im wesentlichen zusammen. Die„Halbenergie-Bündelbreite einer Eckreflektor-Antenne wird durch die Abmessungen der öffnung (beispielsweise 23a) festgelegt, und eine Öffnung von einer Wellenlänge erzeugt eine Bündelbreite von 90 . Es sei darauf hingewiesen, daß die Fig. 2 nur die individuellen Strahlungsmuster veranschaulicht, welche durch jedes der vier Antennenelemente erzeugt werden, wobei diese Antennenelemente einzeln wirken, so daß also kein zusammengesetztes Strahlungsmuster betrachtet wird, welches durch die gleichzeitige Erregung aller vier Antennenelemente hervorgerufen würde.

Die Fig. 3 veranschaulicht ein Antennensystem 3O für eine Übertragungsantenne mit vier Eingängen, wobei die Antennenelemente 21 bis 24- gemäß Fig. 1 mit einer entsprechenden Numerierung verwendet sind. Unabhängige und isolierte HF-Generatoren 31» 32, 33 und 34- sind gemäß der Darstellung mit der ersten und der zweiten Öffnung 4-1 bzw. 42 eines Hybrid-Netzwerks 40 sowie mit der ersten und der zweiten Eingangsöffnung 51 bzw. eines Hybrid-Netzwerks 5° verbunden. Der erste, zweite, dritte und vierte Eingang eines typischen Hybrid-Netzwerkes wie 40 ist jeweils mit 41, 42, 43 bzw. 44 bezeichnet. Eine ähnliche Bezeichnung der entsprechenden Eingänge wird für alle nachfolgenden Hybrid-Netzwerke verwendet. Das Antennensystem 3O weist weiterhin ein Hybrid-Netzwerk 60 auf, welches einen dritten bzw. vierten Eingang (63 bzw. 64) aufweist, der jeweils mit den Antennenelementen 21 bzw. 22 verbunden ist, und weiterhin ein Hybrid-Netzwerk 7°» dessen dritter bzw. vierter Eingang (73 bzw. 74) jeweils mit den Antennenelementen 24 bzw. 23 verbunden

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ist. Eingangsöffnungen 61 und 62 eines Hybrid-Netzwerks 60 sind mit den Anschlüssen 4-3 und 53 jeweils verbunden, und weitere Eingänge 71 und 72 des Hybrid-Netzwerkes 70 sind jeweils mit den Anschlüssen 44 bzw. 54 verbunden. Die Hybrid-Netzwerke 40, 50, 60 und 70 bilden ein kombiniertes Netzwerk 80, welches gestrichelt dargestellt ist. Somit weist das Antennensystem 30 grundsätzlich eine Vielzahl von Übertragern 31 bis 34 auf, es hat weiterhin eine Vielzahl von Antennenefementen 21-24, und es weist schließlich ein Kombinations-Netzwerk 80 auf.

Die Fig. 4 veranschaulicht die elektrischen Eigenschaften eines typischen Hybrid-Netzwerkes 90, welches Klemmen 91» 92, 93 und 94 aufweist. Ein Eingangssignal X mit einem Phasenwinkel 0 ist gemäß der Darstellung an die Klemme 91 angelegt und führt an den Klemmen 93 und 94 zu einem entsprechenden Ausgangssignal, welches jeweils der halben Größe bzw. Amplitude des Eingangssignals an der Klemme 91 entspricht. Das Signal an der Klemme 93 weist eine Phasenverschiebung von180° gegenüber dem Signal an der Klemme 91 auf, und das Signal an der Klemme 94 weist eine,Phasenverschiebung von 90 gegenüber dem Signal an der Klemme 91 auf. Das an der Klemme 91 vorhandene Signal erzeugt kein Signal an der Klemme 92, und deshalb wird diese Klemme als isolierte Klemme bezeichnet. Wenn getrennte unabhängige Signale an den beiden Klemmen 91 und 92 zugeführt werden, so wird eine Isolation bzw. Trennung · zwischen diesen Signalen gewährleistet, und es wird eine Summe von zusammengesetzten Signalen an den Klemmen 93 und 94 erzeugt, die ebenfalls gegeneinander isoliert bzw. voneinander getrennt sind. Hybrid-Netzwerke gemäß Fig. 4 sind an sich bekannt und werden auch als 9O°-Hybrid-Koppler bezeichnet. Weiterhin sind auch 180°-Hybrid-Netzwerke bekannt, in welchen die Phasen der Signale an den Klemmen 93 und 94 sich um 180° unterscheiden. Diese 180°-Hybrid-Netzwerke gewährleisten auch eine Breitbandisolation zwischen jeder der Eingangsklemmen und jeder der Ausgangsklemmen,

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Die Fig. 5 ist eine Tabelle, welche die Phasenbeziehungen von jedem der Signale in der Fig. 3 veranschaulicht, welche von jedem Übertrager bzw. Sender aufgenommen werden, wenn alle Hybrid-Netzwerke als 90 -Koppler ausgebildet sind. In dieser Tabelle soll ein Vektor, welcher nach rechts zeigt, einen Phasenwinkel von O haben, während ein Vektor, der nach oben zeigt, einen Phasenwinkel von 90° aufweist und ein nach links weisender Vektor einen Phasenwinkel von 180° und schließlich ein nach unten weisender Vektor einen Phasenwinkel von 270⁰ hat. Somit ist jedes Signal, welches von einem der Antennenelemente 21 bis 2²J- abgestrahlt wird, gegenüber denjenigen Signalen in der Phase um 90° verschoben, welche jeweils durch ein benachbartes Antennenelement abgestrahlt werden. Beispielsweise sind die Signale, welche von dem Antennenelement 21 abgestrahlt werden, gegenüber denjenigen Signalen um 90° außer Phase, welche jeweils durch das Antennenelement 22 bzw. 24- abgestrahlt werden. Das tatsächlich von einem typischen Antennenelement wie dem Antennenelement 21 abgestrahlte Signal würde natürlich eine Kombination aus mehreren Signalen sein, welches ein Viertel desjenigen Signals enthält, welches durch den Generator 31 erzeugt wird, und zwar mit einem Phasenwinkel von 0, welches weiterhin ein Viertel desjenigen Signals enthält, welches von dem Generator 32 erzeugt wird, und zwar unter einem Winkel von 270 , welches weiterhin ein Viertel desjenigen Signals enthält, welches vom Generator 33 erzeugt wird, und zwar unter einem Winkel von 270°, und welches schließlich ein Viertel desjenigen Signals enthält, welches vom Generator 34· erzeugt wird, und zwar unter einem Winkel von 180 .

Die Fig. 6 veranschaulicht ein Gesamtstrahlungsmuster 95, welches durch die Schaltung 3O gemäß Fig. 3 erzeugt wird, wenn die Antennenelemente 21 bis 24 gemäß Fig. 1 angeordnet sind. Die Fig. 6 ist in einem linearen radialen db-Maßstab gezeichnet. Das zusammengesetzte Muster 95 ist im wesentlichen in allen Richtungen gleich, wobei die größte Abweichung (95a) gegenüber dem Spitzenwert (95b) des Musters um etwa 8 db tiefer liegt«

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Das zusammengesetzte Muster ist im wesentlichen in allen Richtungen gleich, weil jedes der einzelnen Muster gegenüber den benachbarten Mustern eine Phasenverschiebung von 90° aufweist und weiterhin jedes Muster derart ausgebildet ist, daß seine um 3 db tieferliegenden Punkte im wesentlichen mit den entsprechenden Punkten der benachbarten Muster zusammenfallen. Signale von jedem der Übertrager 31 bis 34· strahlen ein zusammenges&ztes Muster ab, welches dem in der Fig. 6 dargestellten Muster entspricht, wobei jedes Signal in einem der vier zusammengesetzten Strahlungsmuster enthalten ist, welche in vier verschiedenen horizontalen Richtungen angeordnet sind, wobei zwischen den einzelnen Richtungen jeweils ein Winkel von 90 vorhanden ist. A.lle vier Übertrager können gleichzeitig Signale von denselben Antennenelementen 21 bis 24- abstrahlen, während eine Isolation zwischen allen Übertragern 31 "34- und allen Antennenelementen 21 bis 24 gewährleistet ist. Deshalb ist bei der bekannten Einrichtung eine einzelne Antenne vorhanden, um gleichzeitig eine Mehrzahl von unabhängig erzeugten HF-Signalen über denselben Antennenbereich bzw. dieselbe Antennenanordnung abzustrahlen.

Ein wesentliches Merkmal des in den Fig. 1-6 dargestellten bekannten Antennensystems besteht darin, daß vier unabhängige Quellen in einer einzigen Antennenanordnung zusammengefaßt werden, um zusammengesetzte Strahlungsmuster zu erzeugen, welche keine übermäßig oder verhältnismäßig tiefen Einschnitte aufweisen. Dieses bekannte System gewährleistet eine elektrische Isolation zwischen allen unabhängigen Quellen, und zwar durch die Verwendung von Hybrid-Kopplern und durch die im wesentlichen radial nach außen gerichteten Strahlungsmuster, welche durch jedes Antennenelement erzeugt werden.

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Der Stand der Technik lehrt, daß eine Weiterbildung des in den Fig. 1-6 dargestellten Antennensystems im Hinblick auf die Einbeziehung zusätzlicher unabhängiger Quellen darin bestehen kann, noch komplexere Kombinations-Netzwerke zu verwenden und dazu Antennenanordnungen zu benutzen, bei welchen jedes zusätzliche Antennenelement noch jedes Eingangssignal abstrahlt. Bei einem derartigen System erzeugt jedes Antennenelement ein individuelles Strahlungsmuster, welches eine Halbenergie-Bündelbreite von 360°/n aufweist, wobei η die Gesamtzahl der Antennenelemente ist. Ein derart erweitertes Antennensystem weist zwar gegenüber anderen bekannten Systemen Vorteile auf, es benötigt jedoch einen erheblichen Raum (fast 1,4- m (4,5 Fuß) im Durchmesser für eine Antennenanordnung mit acht Antennenelementen bei 900 MHz), und es werden Strahlungsmuster erzeugt, welche verschiedene relativ tiefe Einschnitte aufweisen (14 db niedriger).

Gemäß der Erfindung wird das in den Fig. 1-6 veranschaulichte Antennensystem in völlig anderer Weise ausgestaltet, wodurch sowohl der komplizierte Aufbau des Netzwerks als auch die Gesamtgröße der Antennenanordnung wesentlich günstiger gestaltet werden, wobei zugleich insbesondere auch die verhältnismäßig tiefen Einschnitte vermieden werden.

Die Fig. 7 veranschaulicht eine Antennenanordnung 120, welche gemäß der Erfindung aufgebaut ist und für eine Verwendung bei 900 MHz geeignet ist. Diese Anordnung weist eine erste Gruppe von Eckreflektor-Antennenelementen 121 bis 124· auf und hat eine zweite Gruppe von Eckreflektor-Antennenelementen 125 bis 128, welche alternierend auf dem Umfang um eine Mittelachse 129 herum angeordnet sind. Jedes dieser Antennenelemente ist in radialer Richtung von der Mittelachse 129 weg angeordnet, und jedes Antennenelement hat eine Öffnung (123a) von etwa 0,3 m (1 Fuß), was etwa einer Wellenlänge bei 900 MHz entspricht. Der Gesamtdurchmesser des Bereichs 120 beträgt etwa 0,75 m (2,5 Fuß), und

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die Mittelachse 129 weist in.einer bevorzugten Ausführungsform ein Rohr mit einem Durchmesser von etwa 10 cm (4 Zoll) auf, welches dazu dient, die Reflektoren der einzelnen Eckreflektor-Antennen zu halten«

Da die Öffnungsabmessung (I23a) etwa einer Wellenlänge entspricht, erzeugt jede Reflektorantenne ein Muster mit einer Halbenergie-Bündelbreite von 90 · Die von den Eckreflektoren 121 und 123 erzeugten Strahlungsmuster sind senkrecht zu den Strahlungsmustern angeordnet, welche durch die Antennenelemente 122 und 124 erzeugt werden. In ähnlicher Weise sind die durch die Antennenelemente 125 und 127 erzeugten Strahlungsmuster senkrecht zu denjenigen Strahlungsmustern angeordnet, welche durch die Elemente 126 und 128 erzeugt werden. Somit bilden die Elementengruppen 121-124 sowie 125-128 eine Antennenanordnung 120, welche zwei ineinandergeschachtelte Antennenanordnungen darstellt, die ähnlich aufgebaut sind wie der in der Fig. 1 veranschaulichte Antennenbereich bzw. die in der Fig. 1 veranschaulichte Antennenanordnung 20. Jede dieser Gruppen von Antennenelementen erzeugt einen Satz von vier einzelnen Strahlungsmustern, welche den in der Fig. 2 dargestellten Strahlungsmustern ähnlich sind. Diese zwei Sätze von Strahlungsmustern sind identisch und unterscheiden sich lediglich darin, daß einer dieser Sätze gegenüber dem anderen in radialer Richtung um 45° verlagert ist.

Die Fig. 8 veranschaulicht ein Antennensystem mit acht Übertragern, welches mit 13Ο bezeichnet ist und einen in der Fig.7 dargestellten Antennenbereich 120 bzw. eine in der Fig. 7 dargestellte Antennenanordnung 120 verwendet. Das System 13Ο weist vier Übertrager 13I bis 134 auf, welche mit den Antennenelementen 121 bis 124 durch ein Kombinations- und Isolations-Netzwerk 180 gekoppelt sind, sowie vier Übertrager 135 bis 138, welche mit den Antennenelementen 125 bis 128 durch ein Kombinationsund Isolations-Netzwerk 280 gekoppelt sind. Vier Hybrid-Netz-

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werke 140, 15O, 160 und 17° sind miteinander verbunden und bilden das (gestrichelt dargestellte) Netzwerk 180, welches mit dem in der Fig. 3 dargestellten Netzwerk 80 identisch ist.

Die Übertrager 131 his 134, die Antennenelemente 121 bis und das Kombinations-Netzwerk 180 bilden eine Schaltungsanordnung, welche der in der Fig. 3 dargestellten Anordnung entspricht, wobei die Übertrager 131-134 den Übertragern 31-34, die Elemente 121-124 den Elementen 21-24 und das Netzwerk dem Netzwerk 80 jeweils entspricht. In ähnlicher Weise ist eine weitere identische Schaltung gebildet, wobei die Übertrager 135 bis 138 den Übertragern 31-34, die Elemente 125 bis 128 den Elementen 21-24 und das Netzwerk 280 dem Netzwerk 80 jeweils entsprechen. Somit weist das Antennensystem 130 zwei identische Untersysteme auf, welche mit der in der Figur 3 veranschaulichten Schaltungsanordnung identisch sind. In dem Antennensystem 13O sind jedoch die Antennenelemente jedes dieser Untersysteme abwechselnd auf dem Umfang um eine einzige zentrale Achse 129 herum angeordnet. Somit wird die Isolation zwischen allen Antennenelementen aufrechterhalten, während die Antennenelemente 121 bis 124 zusammengesetzte Strahlungsmuster für die Übertrager 131 bis 134 und die Antennenelemente 125 bis 128 zusammengesetzte Strahlungsmuster für die Übertrager 135 his 138 erzeugen.

Die Fig. 9 veranschaulicht ein erstes zusammengesetztes Strahlungsmuster 195» welches eines der repräsentativen zusammengesetzten Strahlungsmuster ist, welche durch die Antennenelemente 121 bis 124 erzeugt werden. Ein zweites zusammengesetztes Strahlungsmuster 295 ist durch gestrichelte Linien dargestellt und ist eines der repräsentativen zusammengesetzten Strahlungsmuster, welche durch die Elemente 125 his 128 erzeugt werden. Diese zwei Strahlungsmuster sind identisch und unterscheiden sich lediglich darin, daß eines der Muster gegenüber dem anderen um 45 gedreht ist. Die zusammengesetzten Strahlungsmuster 195 und 295 sind nicht

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exakt identisch mit dem zusammengesetzten Strahlungsmuster 95 gemäß Fig. 6, und zwar wegen der größeren Abmessungen des Antennenbereichs 120. Diese zusammengesetzten Strahlungsmuster erzeugen jedoch ein wesentlich stärker gleichförmiges Strahlungsmuster in allen Richtungen als es bei der bekannten Anordnung möglich ist.

Somit erzeugt das Antennensystem 13O eine Strahlungsantennenanordnung mit einem Durchmesser von etwa 0,75 m (2,5 Fuß), welche ein in allen Richtungen im wesentlichen gleichförmiges Muster für acht einzelne Übertrager hervorruft, während eine Breitbandisolation zwischen jedem dieser Übertrager gewährleistet ist. Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, um leicht bekannte Antennensysteme mit einem Mehrfacheingang erweitern zu können, ohne daß in den zusammengesetzten Strahlungsmustern tiefere Einschnitte oder Einbrüche auftreten, ohne die Kombxnationsnetzwerke wesentlich komplizierter werden zu lassen, wobei auch die Größe der erforderlichen Antennenaaordnung nicht erheblich zunimmt.

Die Verminderung der Gesamtgröße ergibt sich aus der Tatsache, daß gemäß der Erfindung ineinandergeschachtelte 90°-Halbenergie-Bündelbreiten-Strahlungsmuster verwendet werden, und zwar für jedes der A.ntennenelemente, während hingegen bei den bekannten Einrichtungen schmalere Bündelbreiten-Strahlungsmuster benutzt werden, sobald mehr als vier Strahlungselemente verwendet werden. Dies führt zu einer Zunahme in der Gesamtantennengröße, da die Eckreflektoren eine größere Öffnungsabmessung haben müssen (I23a), um eine schmalere Halbenergie-Bündelbreite im Strahlungsmuster zu erzeugen. Somit wird die Gesamtabmessung des bekannten Systems in unnötiger Weise erhöht, wenn Halbenergie-Bündelbreiten-Strahlungsmuster von weniger als 90° durch die einzelnen Antennenelemente erzeugt werden.

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Weiterhin wird gemäß der Erfindung durch die ineinandergeschachtelte Anordnung von vier Elementen-Antennenbereichen der komplizierte Aufbau des gesamten Kombinationsnetzwerks vermieden. Bei dem bekannten System hingegen war es erforderlich, alle Übertrager in der Weise miteinander zu kombinieren, daß jedes Antennenelement ein Signal abstrahlen würde, welches mit jedem der übrigen Übertrager in einer bestimmten Beziehung stünde. Außerdem führt die Kombination von acht einzelnen Strahlungsmustern zur Erzeugung eines zusammengesetzten Strahlungsmusters nach dem Stand der Technik dazu, daß verschiedene tiefe Einschnitte oder Einbrüche auftreten. Dieses Problem wird gemäß der Erfindung überwunden, da jeweils nur vier Strahlungsmuster gleichzeitig miteinander kombiniert werden, um ein zusammengesetztes Strahlungsmuster für ein beliebiges Signal hervorzurufen.

Während die Hauptanwendung der Erfindung die Erzeugung eines möglichst gleichförmigen Musters in allen Richtungen ist, liegt jedoch auch die Erzeugung von nichtsymmetrischen Strahlungsmustern ebenfalls im Rahmen der Erfindung. Weiterhin ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von einem erfindungsgemäßen Antennensystem in Verbindung mit lediglich Übertragern beschränkt, da auch Empfänger anstatt der Übertrager verwendet werden können. Somit kann das erfindungsgemäße Antennensystem in umgekehrter Weise auch vorteilhaft mi"c Empfängern und/oder Übertragern bzw. Sendern verwendet werden.

- Patentansprüche -

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Antennenanordnung zur gleichzeitigen Verwendung durch zwei oder mehrere Gruppen von unabhängigen Sendern/Empfängern zur Bildung einer kompakten Antennenanordnung, wobei zugleich eine Isolation aufrechterhalten bleibt, wobei eine erste Anzahl von Antennenelementen vorgesehen ist, um ein erstes zusammengesetztes Strahlungsmuster zu erzeugen, und zwar für wenigstens eine aus einer ersten Vielzahl von unabhängigen elektrischen Einrichtungen, und wobei weiterhin eine zweite Anzahl von Antennenelementen vorhanden ist, um gleichzeitig und unabhängig ein zweites zusammengesetztes Strahlungsmuster für wenigstens eine aus einer zweiten Anzahl von unabhängigen elektrischen Einrichtungen zu erzeugen, so daß die erste und die zweite Anzahl von Antennenelementen unabhängig voneinander zu betreiben sind, dadurch gekennz eichnet , daß jedes Antennenelement (121 bis 124) der Anzahl von Antennenelementen um eine zentrale Achse (129) herum angeordnet ist und derart ausgebildet ist, daß in unabhängiger Weise ein zugehöriges Strahlungsmuster erzeugt wird, welches im wesentlichen von den Antennenelementen (125 bis 128) der zweiten Anzahl von Antennenelementen hinwegweist, und daß jedes Antennenelement (125 bis 128) der zweiten Anzahl von Antennenelementen um die zentrale Achse (129) herum angeordnet und derart ausgebildet ist, daß in unabhängiger Weise ein zugehöriges Strahlungsmuster erzeugt wird, welches im wesentlichen von jedem der Antennenelemente (121 bis 124) der ersten Anzahl von Antennenelementen hinweg gerichtet ist.
2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente (121 bis 124, 125 bis 128) der ersten und zweiten Anzahl von AntennenelemeTiten abwechselnd um die zentrale Achse herum in Umfangs-

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richtung angeordnet sind.
3. Antennenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente (121 bis 128) in der ersten und der zweiten Anzahl von Antennenelementen derart angeordnet und ausgebildet sind, daß ein individuelles Strahlungsmuster erzeugt wird, welches im wesentlichen von der zentralen Achse (129) hinweg gerichtet ist und auch hinweg von den anderen Antennenelementen (121 bis 128) in der ersten und der zweiten Anzahl von Antennenelementen .
4·. Antennenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Schaltung (180) vorgesehen ist, welche dazu dient, eine elektrische Phasenverschiebung von 90 zwischen zugehörigen Strahlungsmustern hervorzurufen, welche durch benachbarte Antennenelemente (121 bis 124) in der ersten Anzahl von Antennenelementen hervorgerufen werden, und daß eine zweite Schaltung (280) vorgesehen ist, um eine elektrische Phasenverschiebung von 90 zwischen den Strahlungsmustern hervorzurufen, welche durch benachbarte Antennenelemente (125 bis 128) in der zweiten Anzahl von Antennenelementen hervorgerufen werden.
5. Antennenanordnung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Antennenelemente (121 bis 128) derart ausgebildet ist, daß es ein Strahlungsmuster erzeugt, welches eine Halbenergie-Bündelbreite von im wesentlichen 90° aufweist.
6. Antennenanordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß Jedes der Antennenelemente als Eckreflektor ausgebildet ist.
7- Antennenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vier Antennenelemente in jeder von der ersten und der zweiten Anzahl der Antennenelementen-Anordnung vorhanden sind.

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8. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Strahlungsmuster, welches von jedem der Antennenelemente erzeugt wird, im wesentlichen eine einzige Hauptrichtungskeule aufweist, welche von allen anderen Antennenelementen und von der zentralen Achse hinweg gerichtet ist.
9. Antennenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Strahlungsmuster, welches von jedem der Antennenelemente erzeugt wird, im wesentlichen eine einzige Hauptrichtungskeule aufweist, welche von allen anderen Antennenelementen und von der zentralen Achse hinweg gerichtet ist.
10. Sende-Antennenanordnung mit einem kompakten Antennenaufbau für mehrere Sender, wobei eine Isolation zwischen einzelnen Sendern gewährleistet ist, mit einer ersten und einer zweiten Anzahl von elektrischen Quellen, von denen jede ein unabhängiges Eingangssignal erzeugt, welches abzustrahlen ist, mit einer ersten und einer zweiten unabhängigen Kombinationseinrichtung, welche mit der ersten bzw. der zweiten Anzahl von Quellen gekoppelt ist, wobei jede der ersten und zweiten Kombinationseinrichtungen jedes der Eingangssignale von der ersten bzw. zweiten Anzahl von Quellen empfängt, wobei weiterhin eine Isolation zwischen den empfangenen Eingangssignalen gewährleistet ist und wobei eine Anzahl von ersten bzw. zweiten isolierten AusgangsSignalen erzeugt werden, welche in ihrer Anzahl zumindest der Anzahl der ersten bzw. zweiten Eingangssignale entsprechen, wobei jedes der ersten und zweiten Ausgangssignale mit jedem der Eingangssignale in einer Beziehung steht, welche durch die erste bzw. zweite Kombinationseinrichtung aufgenommen werden, wobei weiterhin ein Antennenbereich bzw. eine Antennenanordnung mit dem ersten und zweiten Kombinationsnetzwerk gekoppelt ist, wobei dieser Bereich bzw. diese Anordnung eine Anzahl von ersten und zweiten Antennenelementen aufweist, von denen jedes jeweils die ersten bzw. zweiten Ausgangssignale aufnimmt und

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gleichzeitig abstrahlt, und zwar in einem wesentlichen unabhängigen zugehörigen Strahlungsmuster, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils erste (121 bis 124·) und zweite (125 bis 128) Antenneneleraente abwechselnd um eine zentrale Achse (129) herum angeordnet sind-und unabhängig sowie gleichzeitig jeweils ein erstes (195) und ein zweites (295) Strahlungsmuster für die erste (131 bis 134·) und die zweite (135 bis 138) Anzahl von elektrischen Quellen liefern.
11. Antennensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der ersten (121 bis 124-) und der zweiten (125 bis 128) Antennenelemente in Umfangsrichtung um die zentrale Achse (129) herum angeordnet ist, und daß jedes Antennenelement ein individuelles Strahlungsmuster erzeugt, welches von der zentralen Achse hinweg und im wesentlichen auch von allen anderen der ersten und zweiten Antennenelemente hinweg gerichtet ist.
12. Antennensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (180) und das zweite (280) Kombinationsnetzwerk jeweils eine Schaltung (14-0 bis 170, 240 bis 270) aufweist, um eine Phasenverschiebung von 90° zwischen den Strahlungsmustern hervorzurufen, welche durch benachbarte erste Antennenelemente (121 bis 124·) und benachbarte zweite Antennenelemente (125 bis 128) jeweils erzeugt werden.
13. Antennensystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Antennenelemente (121 bis 128) derart ausgebildet ist, daß es ein Strahlungsmuster erzeugt, welches eine Halbenergie-Bündelbreite von im wesentlichen 90° aufweist.

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14. Empfangs-Antennenanordnung für einen kompakten Antennenaufbau für eine Mehrzahl von Empfangseinrichtungen, wobei eine Isolation zwischen den einzelnen Einrichtungen gewährleistet ist, mit einer ersten und einer zweiten Anzahl von unabhängigen, isolierten elektrischen Einrichtungen zur Verarbeitung von Hochfrequenzsignalen, mit einem ersten und einem zweiten Kombinationsnetzwerk, welches mit jedem Antennenelement der ersten und der zweiten Gruppe von vier Antennenelementen gekoppelt ist sowie mit jeder der elektrischen Einrichtungen der ersten und der zweiten Anzahl von elektrischen Einrichtungen, um unabhängig und gleichzeitig jede Einrichtung der ersten und zweiten Anzahl von Einrichtungen mit jedem Antennenelement der ersten und zweiten Gruppe von Antennenelementen jeweils verbinden zu können, wobei eine Isolation zwischen allen Antennenelementen und allen elektrischen Einrichtungen gewährleistet ist, wobei weiterhin eine erste und eine zweite Netzwerkeinrichtung eine vorgegebene Phasendifferenz zwischen Strahlungsmustern hervorrufen, welche durch benachbarte Antennenelemente jeweils in der ersten und der zweiten Gruppe erzeugt werden, so daß die Muster in der Weise miteinander kombiniert werden, daß ein erstes und ein zweites gewünschtes, zusammengesetztes, in allen Richtungen ausgebildetes Strahlungsmuster für wenigstens eine elektrische Einrichtung in jeder von der ersten und der zweiten Anzahl der elektrischen Einrichtungen jeweils gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelementen-Einrichtung (121 bis 128) der ersten (121-124) und der zweiten (125-128) Gruppe alternierend in Umfangsrichtung in einer vorgegebenen Weise um eine Achse (129) herum angeordnet ist und daß jede Antennenelementen-Einrichtung (121-128) ein zugehöriges unabhängiges Strahlungsmuster erzeugt, welches von allen anderen Antennenelementen-Einrichtungen hinwegweist.
15· Antennensystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Antennenelement (121-128) der-

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art aufgebaut ist, daß es ein individuelles Strahlungsmuster erzeugt, welches eine Halbenergie-Kindelbreite von im wesentlichen 90° aufweist.
16. Verfahren zum Senden/Empfangen von Signalen für zwei oder mehr Gruppen von unabhängigen Sendern/Empfängern unter Verwendung von wenigstens einer ersten und einer zweiten Anzahl von Antennenelementen, während eine Isolation zwischen allen Sendern/Empfängern gewährleistet ist, wobei ein erstes zusammengesetztes Strahlungsmuster für wenigstens eine aus einer ersten Anzahl von unabhängigen elektrischen Einrichtungen erzeugt wird, wobei jedes Antennenelement in einer ersten Anzahl von Antennenelementen verwendet wird, wobei jedes Element in einer ersten Anzahl um eine Mittelachse herum angeordnet ist und in unabhängiger Weise ein zugehöriges Strahlungsmuster erzeugt, welches im wesentlichen von allen anderen Antennenelementen hinweg gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig und unabhängig ein zweites Strahlungsmuster (295) für wenigstens eine aus einer zweiten Anzahl (135-138) von elektrischen Einrichtungen erzeugt wird, indem jedes Antennenelement in einer zweiten Anzahl (125-128) von Antennenelementen verwendet wird, daß jedes Element in der zweiten Anzahl (125-128) abwechselnd um eine Mittelachse (129) herum mit den Antennenelementen in der ersten Anzahl (121-124) angeordnet ist und daß jedes der Elemente in der zweiten Anzahl in unabhängiger Weise ein zugehöriges Strahlungsmuster erzeugt, welches im wesentlichen von allen (121-128) der Antennenelemente hinweg gerichtet ist.

17· Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der zugehörigen Strahlungsmuster, welches durch die Antennenelemente (121-128) erzeugt wird, im wesentlichen eine Halbenergie-Bündelbreite von 90° aufweist.

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