DE10256960B3 - Zweidimensionales Antennen-Array - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein zweidimensionales Antennen-Array nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
- Ein gattungsbildendes Antennen-Array umfasst üblicherweise mehrere Strahler oder Strahlergruppen, mindestens jedoch zwei neben- und zwei übereinander angeordnete Strahler bzw. Strahlergruppen, so dass sich eine zweidimensionale Array-Anordnung ergibt. Beispielsweise kann ein derartiges zweidimensionales Antennen-Array vier vertikal verlaufende und horizontal nebeneinander angeordnete Spalten aufweisen, in denen beispielsweise jeweils sechs bis zehn in Vertikalrichtung übereinander versetzt angeordnete Strahler oder Strahlergruppen angeordnet werden. Derartige Antennen werden dann teilweise je nach Einsatzzweck auch als "Smart-Antennen" bezeichnet, die u.a. beispielsweise auch im Militärbereich zur Verfolgung von Zielen (Radar) eingesetzt werden können. In diesen Anwendungen wird auch oftmals von "phased array"-Antennen gesprochen. Verstärkt werden diese Antennen in letzter Zeit jedoch auch im Mobilfunk eingesetzt, insbesondere in den Frequenzbereichen 800 MHz bis 1000 MHz bzw. 1700 MHz bis 2200 MHz.
- Durch die Entwicklung neuer Primärstrahlersysteme ist nunmehr auch der Aufbau von dualpolarisierten Antennen-Arrays, insbesondere mit einer Polarisationsausrichtung von +45° bzw. –45° gegenüber der Horizontalen bzw. Vertikalen ermöglicht worden.
- Derartige Antennen-Arrays, gleich, ob sie grundsätzlich dualpolarisiert sind oder nur aus einfach polarisierten Strahlern bestehen, können zur Bestimmung der Richtung des ankommenden Signals eingesetzt werden. Gleichzeitig kann jedoch durch entsprechende Abstimmung der Phasenlage der in die einzelnen Spalten eingespeisten Sendesignale auch die Abstrahlrichtung verändert werden, d.h. es erfolgt eine selektive Strahlformung.
- Diese Ausrichtung der Abstrahlrichtung des Antennen-Arrays in unterschiedlicher Horizontalrichtung kann durch eine elektronische Strahlschwenkung erfolgen, d.h., dass die Phasenlagen der einzelnen Signale durch eine geeignete Signalverarbeitung eingestellt werden können. Ebenso möglich sind auch geeignet dimensionierte passive Strahlformungsnetzwerke. Auch der Einsatz von aktiven oder durch Steuer-Signale ansteuerbaren Phasenschiebern in diesen Speisenetzwerken zur Veränderung der Abstrahlrichtung ist bekannt. Ein derartiges Strahlformungsnetzwerk kann beispielsweise aus einer sogenannten Butler-Matrix bestehen, die beispielsweise vier Eingänge und vier Ausgänge aufweist. Das Netzwerk erzeugt je nach beschaltetem Eingang eine andere, aber feste Phasenbeziehung zwischen den Strahlern in den einzelnen Dipolreihen. Ein derartiger Antennenaufbau mit einer Butler-Matrix ist beispielsweise aus der gattungsbildenden
US 6,351,243 bekannt geworden. - Ebenso kann durch Verwendung von festeingestellten Phasen oder durch die Verwendung von Phasenschiebern zwischen den Spalten die elektronische Schwenkung des Horizontaldiagrammes vorgenommen werden. Ebenso ist durch festeingestellte Phasen oder durch Verwendung von Phasenschiebern eine Anhebung oder Absenkung des vertikalen Strahlungsdiagrammes möglich (downtilt).
- Daneben kann natürlich das Antennen-Array auch so eingesetzt werden, dass die einzelnen Strahler oder Strahlergruppen in den einzelnen Spalten unabhängig voneinander betrieben werden, um unabhängig voneinander in einem gewünschten Sende- oder Empfangsbetrieb eingesetzt zu werden.
- Derartige Antennen-Arrays weisen bezüglich der einzeln in einer Spalte angeordneten Strahler oder Strahlergruppen ein Strahlungsdiagramm auf, deren in Horizontalrichtung verlaufende Halbwertsbreite etwa zwischen 80° und 100° liegt.
- Es sind jedoch Einsatzfälle bekannt geworden, bei denen beispielsweise durchaus eine Halbwertsbreite in der Größenordnung von 60° bis beispielsweise 65° wünschbar sind.
- Dabei ist bereits versucht worden, die Strahler oder Strahlergruppen in den einzelnen Spalten in unterschiedlicher Horizontallage anzuordnen. Dies kann in gewisser Weise die Halbwertsbreite der einzelnen Strahler oder Strahlergruppen einer Spalte beeinflussen. Dadurch lassen sich Halbwertsbreiten zwischen 75° und 100° realisieren.
- Eine weitere Reduzierung der Halbwertsbreite ist auf diesem Wege jedoch nicht mehr möglich.
- Aus der
DE 100 12 809 A1 ist beispielsweise bekannt, zur Erzielung einer Antenne mit einer horizontalen Halbwertsbreite von beispielsweise 65° zwei Einzeldipole mit gleicher Phase zusammen zu schalten. Soll dies im Fall einer dual polarisierten Antenne verwirklicht werden, so wird dazu bevorzugt ein Dipolquadrat verwendet, welches in einem Winkel von +45° bzw. –45° gegenüber der Horizontalen ausgerichtet ist. Die jeweils parallel zueinander liegenden Dipole eines derartigen Dipolquadrates bewirken dabei die Reduzierung der Halbwertsbreite. Die Halbwertsbreite kann aber mit einer derartigen Anordnung nur in ganz beschränktem Maß verändert werden und erfordert die Verwendung eines entsprechenden Strahlertypes. - Schließlich ist es grundsätzlich auch aus der Veröffentlichung DE-Z "Karl Rothammel, Antennenbuch, Telekosmos-Verlag Franckh'sche Verlagsbuchhandlung Stuttgart, 7. Auflage 1981, S. 202 bis 204" bekannt, dass – wenn mehrere Halbwertsstrahler zeilenförmig nebeneinander angeordnet und alle Elemente gleichphasig erregt werden – sich die Strahlenbreite (Öffnungswinkel) in Hauptrichtung verringern lässt.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber ein Antennen-Array mit zumindest zwei Spalten zu schaffen, welches zumindest in einer Spalte und vorzugsweise in mehreren oder allen Spalten die Möglichkeit vorsieht, die horizontale Halbwertsbreite der Strahler oder Strahlergruppen in den einzelnen Spalten auch auf Werte unter 75° absenken zu können.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Ohne dass die gesamte Antennenkonstruktion größer baut, ist es erfindungsgemäß möglich, die Halbwertsbreite der Spaltenstrahler dadurch zu verringern, dass bezüglich der in einer Spalte vertikal übereinander angeordneten Strahler oder Strahlergruppen (d.h. der zumindest in einer Spalte vorgesehene eine Strahler oder die eine Strahlergruppe) horizontal versetzt dazu zumindest ein zusätzlicher Strahler oder zumindest eine zusätzliche Strahlergruppe vorgesehen ist, die bevorzugt in einer benachbarten Spalte untergebracht wird. Gespeist wird dieser zumindest eine zusätzliche Strahler oder diese zumindest eine zusätzliche Strahlergruppe aber nicht mit den Strahlern oder Strahlergruppen in der betreffenden Spalte, in der sie angeordnet sind, sondern gemeinsam mit den Strahlern oder Strahlergruppen der benachbarten Spalte. Dadurch lässt sich die Halbwertsbreite deutlich reduzieren, wobei die optimale, gewünschte Halbwertsbreite dadurch bevorzugt eingestellt werden kann, dass die einer bestimmten Spalte zugeordneten aber zu dieser versetzt angeordneten Anzahl von Strahlern oder Strahlergruppen in geeigneter Weise gewählt wird. In der Praxis hat sich gezeigt, dass beispielsweise die Verwendung zweier zusätzlicher Strahler oder Strahlergruppen bei einem Antennen-Array mit sechs bis zwölf übereinander angeordneten Strahler oder Strahlergruppen ausreichend ist, um eine Halbwertsbreite von etwa 60° bis 65° zu realisieren.
- Die erfindungsgemäße Lösung kann zum Einsatz gelangen, wenn die in den einzelnen Spalten verwendeten Strahler aus 1inearpolarisierten Strahlern, oder aber auch aus dualpolarisierten oder zirkularpolarisierten Strahlern bestehen. Dabei können alle geeigneten Strahler in Betracht kommen, beispielsweise Dipolstrahler in Form von herkömmlichen Dipolstrahlern (insbesondere bei linearpolarisierten Antennen) oder beispielsweise nach Art eines Dipolquadrates gebildeter, aber nach Art eines Dipolkreuzes strahlender Dipolanordnung, wie sie beispielsweise aus der WO 00/39894 grundsätzlich als bekannt zu entnehmen sind. Ebenso können aber auch Dipolquadrate zum Einsatz kommen oder aber auch Patchstrahler ect. Insbesondere bei kreuzförmigen Strahleranordnungen können diese bevorzugt in einer +/– 45° Orientierung in der Horizontalen bzw. Vertikalen ausgerichtet sein.
- Der Spaltenabstand, also der Abstand zwischen den Strahlern oder Strahlergruppen zwischen zwei benachbarten Spalten, beträgt bevorzugt etwa λ/2 der mittleren Betriebswellenlänge. Dieser Spaltenabstand kann grundsätzlich aber in einem Bereich von 0,25 λ bis 1,0 λ der Betriebswellenlänge, vorzugsweise der mittleren Betriebswellenlänge, liegen. Bevorzugt beträgt der vertikale Abstand der Strahler in einer Spalte 0,7 λ bis 1,2 λ. Sollte dazwischen ein Zusatzstrahler oder eine zusätzliche Strahlergruppe (wel che mit den Strahlern in einer benachbarten Spalte zusammen gespeist wird) integriert werden, so reduziert sich der freie Abstand zu einem oberen bzw. unteren Strahler oder unteren Strahlergruppe bevorzugt auf den halben Abstand.
- Die erfindungsgemäße Antenne kann, wie erläutert, so betrieben werden, dass die in einer Spalte grundsätzlich vorgesehenen Strahler oder Strahlergruppen von denjenigen in einer benachbarten Spalte unabhängig gespeist und betrieben werden (natürlich mit Ausnahme der erfindungsgemäß integrierten zusätzlichen Strahler oder Strahlergruppen, die gemeinsam mit jenen in einer benachbarten Spalte gespeist werden). Bevorzugt sind die in einer Spalte von Hause aus vorgesehenen Strahler oder Strahlergruppen über Phasenschieber ansteuerbar, worüber gegenüber einer Horizontalebene ein unterschiedlicher Absenkwinkel, ein sogenannter unterschiedlicher down-tilt-Winkel einstellbar ist.
- Wie im Stand der Technik auch, kann bei einem derartigen Antennen-Array durch integrierte oder nachrüstbare, insbesondere elektromechanische Steuerungseinrichtungen auch eine fernsteuerbare Phasenveränderung bezüglich der den einzelnen Spalten zugeordneten Strahlern oder Strahlergruppen so vorgenommen werden, dass in den einzelnen Spalten eine jeweils gewünschte down-tilt-Einstellung vorgenommen werden kann.
- Schließlich kann aber mit einem Antennen-Array der beschriebenen Art auch eine Beam-Formung in beliebiger Art durchgeführt werden, insbesondere dann, wenn den einzelnen Spalten und den dort vorgesehenen Strahlern oder Strahler gruppen eine sogenannte Butlermatrix oder ähnliche Strahlformungs-Netzwerke vorgeschaltet werden. Alternativ dazu können in den einzelnen Spalten auch Hybride zugeschaltet werden.
- Die Spalten sind bevorzugt mit gleichmäßigem Abstand nebeneinander vorgesehen, wobei aber auch Antennen-Arrays mit ungleichmäßigen Abständen nebeneinander realisierbar sind.
- Schließlich können die einzelnen Strahler oder Strahlergruppen in den einzelnen Spalten jeweils auf gleicher Höhe angeordnet oder aber in Vertikalrichtung jeweils zueinander versetzt liegend angeordnet sein. Dabei kann die Mittelposition eines Strahlers oder einer Strahlergruppe in einer Spalte in beliebiger relativer Vertikalhöhenlage zu der jeweiligen Position der dort vorgesehenen Strahlern oder Strahlergruppen angeordnet sein. Der Vertikalversatz kann aber auch exakt dem halben Vertikalabstand zweier übereinander angeordneter Strahler oder Strahlergruppen entsprechen.
- Sind die Strahler oder Strahlergruppen in zwei benachbarten Spalten in Vertikalrichtung versetzt liegend zueinander angeordnet, so bietet dies den Vorteil, dass der oder die zusätzlich vorgesehenen Strahler oder Strahlergruppen, die einer bestimmten Spalte zugeordnet sind, aber in einer benachbarten Spalte angeordnet werden, so angeordnet werden können, dass sie auf einer gleichen Höhenlinie neben einem Strahler oder Strahlergruppe in der ihnen zugehörigen Spalte zu liegen kommen. Dadurch lässt sich letztendlich eine optimierte Antenne realisieren, ohne dass deren Baugröße zunimmt.
- Die zusätzlich vorgesehenen Strahler oder Strahlergruppen zur Verringerung der Halbwertsbreite können dabei sowohl eher mittig als auch am oberen und/oder unteren Ende einer Spalte angeordnet werden. Sie können auch dazwischen in beliebiger Lage angeordnet werden. Mittels dieser Positionier-Maßnahmen können Feinoptimierungen vorgenommen werden.
- Um die gewünschte Minimierung der Halbwertsbreite vorzunehmen, ist, wie erwähnt, zumindest jeweils ein zusätzlicher Strahler oder eine zusätzliche Strahlergruppe für eine Spalte vorgesehen, die dazu horizontal oder mit Horizontal- oder Vertikalkomponenten versetzt liegend in einer benachbarten Spalte integriert sind. Maximal entspricht die Anzahl dieser zusätzlichen Strahler oder Strahlergruppen der Zahl N-1, wobei N die Zahl der von Hause aus vorgesehenen Strahler oder Strahlergruppen in einer Spalte entspricht.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen:
-
1 : eine schematische Frontansicht eines zweispaltigen erfindungsgemäßen Antennen-Arrays; -
1a : eine auszugsweise schematische perspektivische Darstellung eines sog. Dipolstrahlers, wie er bei dem Ausführungsbeispiel gemäß1 verwendet wird; -
2 : eine Detaildarstellung des in1 wiedergegebenen erfindungsgemäßen Antennen- Arrays mit Strahler oder Strahlergruppen in nur einer Spalte und den erfindungsgemäß vorgesehenen horizontal versetzt zusätzlichen Strahler oder Strahlergruppen in einer Nachbarspalte; -
3 : eine entsprechende auszugsweise Darstellung aus dem Antennen-Array gemäß1 , jedoch bezüglich der in der zweiten Spalte von Haus aus vorgesehenen Strahler bzw. Strahlergruppen und den dazu erfindungsgemäß vorgesehenen horizontal versetzten weiteren Strahler oder Strahlergruppen; -
4 : ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel zu dem Antennen-Array gemäß1 ; -
5 : ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel; -
6 : ein nochmaliges abgewandeltes Ausführungsbeispiel; -
7 : ein weiteres zu1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel bestehend aus einer Vielzahl von kreuzförmigen Dipolstrahlergruppen (Kreuzstrahler); -
8 : ein weiteres Ausführungsbeispiel unter Verwendung von aus Dipolen zusammengesetzten Dipolquadraten für die einzelnen Strahlergruppen; -
9 : ein weiteres zu1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel für ein zweispaltiges Antennen-Array unter Verwendung von Patchstrahlern; -
10 : ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel unter Verwendung von einfachen polarisierten Strahlern, vorzugsweise linear polarisierten Dipolstrahlern, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel in Vertikalrichtung ausgerichtet sind; und -
11 : ein nochmals abgewandeltes Ausführungsbeispiel. - In
1 ist in schematischer Draufsicht ein erfindungsgemäßes Antennen-Array1 gezeigt, welches üblicherweise einen rückwärtigen Reflektor3 aufweist, der bei vertikaler Ausrichtung des Antennen-Arrays vertikal verläuft. Der Reflektor3 kann beispielsweise aus einer elektrisch leitenden oder mit einer elektrisch leitenden Oberfläche versehenen Platte bestehen, wobei an den vertikalen Außenbegrenzungen abgewinkelte oder sogar senkrecht zur Reflektorebene verlaufende und sich über eine gewisse Höhe zur Reflektorebene erstreckende Stege vorgesehen sein können. - Im gezeigten Ausführungsfall umfasst das Antennen-Array
1 zwei Spalten5 . In jeder der Spalten5 sind mehrere, d.h. zumindest zwei primäre oder erste, d.h. grundsätzlich vorgesehene Strahler oder Strahlergruppen9 in Vertikalrichtung versetzt zueinander angeordnet, wobei beispielsweise die linke Spalte5a über zwei Eingänge11a gespeist werden, nämlich für jede Polarisation über einen Eingang. - Bei einer einfach, z.B. vertikal polarisierten Antenne wäre nur ein Eingang
11a vorgesehen. D.h., alle in1 dunkel wiedergegebenen und in regelmäßigen Vertikalabständen übereinander angeordneten acht Strahler oder Strahlergruppen9 werden über einen Eingang11a mit gleicher Phasenlage gespeist. Würde anstelle einer dualpolarisierten Antennenarrayanordnung nur ein Antennenarray mit einer einfachen, beispielsweise vertikalen Polarisation verwendet werden, so werden die jeweils übereinander angeordneten einfach polarisierten Strahler oder Strahlergruppen nur über einen einzigen Eingang11 gespeist. Sofern gewünscht wird, dass das Antennenarray auch in elektrischer Hinsicht mit unterschiedlichem down-tilt-Winkel einstellbar sein soll (also in unterschiedlichen Abstrahlwinkeln gegenüber der Horizontalebene), so können in dem Antennenarray noch diverse Phasenschieber integriert sein, worüber die einzeln vertikal übereinander angeordneten Strahler oder Gruppen von übereinander angeordneten Strahlern mit unterschiedlicher Phasenlage eingespeist werden könnten. Für jede Polarisation sind dabei also wiederum zwei Eingänge11a für eine Spalte vorgesehen, wobei über das nicht näher gezeigte Speisenetzwerk mit beispielsweise mehreren Phasenschiebern die Phasenlage für die vertikal übereinander angeordneten Strahler oder Strahlergruppen unterschiedlich einstellbar ist. Es wird hierzu beispielsweise auf die vorveröffentlichte WO 01/13459 verwiesen und diese zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht. - Über zwei zweite Eingänge
11b werden die in der rechten Spalte5b vorgesehenen, in regelmäßigen Vertikalabständen übereinander angeordneten acht Strahler oder Strahlergruppen9 mit ebenfalls gleicher Phasenlage oder bei Verwendung eines Speisenetzwerkes mit einem oder mehreren Phasenschiebern mit unterschiedlicher Phasenlage zur Erzeugung eines down-tilt-Winkels gespeist. - Im gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen dabei die Strahler oder Strahlergruppen
9 aus sogenannten Kreuz-Vektordipolen, die in ihrer Strahlrichtung im +45° bzw. –45° gegenüber der Horizontalen oder Vertikalen ausgerichtet sind. Aufbau und Funktionsweise dieser in der schematischen Darstellung gemäß1 eher rechtecktförmig erscheinenden, in ihrer elektrischen Wirkung aber nach Art von Kreuzdipolen in zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen polarisierten Strahlern sind grundsätzlich aus der WO 00/39894 bekannt, auf deren Offenbarungsinhalt in vollem Umfang Bezug genommen und zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Anstelle dieser sogenannten Kreuz-Vektordipole können aber auch herkömmliche Kreuzdipole oder Dipolquadrate oder Patchstrahler etc. eingesetzt werden, wenn die einzelnen Strahler oder Strahlergruppen jeweils in zwei senkrecht zueinander stehenden Polarisationsebenen strahlen sollen. Hierauf wird später noch anhand weiterer schematischer Figuren eingegangen. - Da die Strahler in jeder der beiden Spalten
5a und5b grundsätzlich im günstigsten Fall eine Halbwertsbreite aufweisen, die nicht kleiner als 75° ist, ist nunmehr erfindungsgemäß vorgesehen, dass zusätzliche Strahler oder Strahlergruppen vorgesehen sind. - Zum besseren Verständnis wird deshalb ergänzend auf
2 Bezug genommen, in der bei dem gleichen in1 auch wiedergegebenen Antennen-Array jedoch nur die Strahler und Strahlergruppen9 eingezeichnet sind, die bei dem Antennen-Array in1 in der linken Spalte5a vorgesehen sind (wie dies bereits anhand von1 erläutert wurde). Mit anderen Worten sind die zur zweiten Spalte gehörenden und in1 hell wiedergegebenen Strahler oder Strahlergruppen9 in dem Beispiel gemäß2 weggelassen worden. Zur Verringerung der Halbwertsbreite der Strahler in der ersten Spalte5a werden nunmehr in diesem Ausführungsbeispiel zwei zusätzliche Strahler oder Strahlergruppen109 ,109a vorgesehen, die zu der ersten Spalte5a versetzt angeordnet werden, bevorzugt in dem Ausführungsbeispiel in der zweiten Spalte5b . Diese werden gemeinsam mit denen in der ersten Spalte von Hause aus vorgesehenen Strahler oder Strahlergruppen9 gespeist. Durch diese zusätzlichen horizontal versetzt liegenden Strahler und Strahlergruppen109a lässt sich nunmehr die Halbwertsbreite verringern. Dabei wird das Maß der Halbwertsbreite bezüglich der beiden mittleren Strahler oder Strahlergruppen9' beispielsweise sogar auf 45° hoch gebündelt. Im Fernfeld jedoch wird nur eine Halbwertsbreite wahrgenommen, wodurch sich die gesamte Halbwertsbreiten-Reduzierung z.B. auf einen gewünschten Bereich von etwa 60° oder 65° ergibt. - Entsprechend werden auch für die Strahler oder Strahlergruppen
9 für die zweite Spalte5b zusätzliche Strahler oder Strahlergruppen109 ,109b vorgesehen, die – wie dies insbesondere in3 zu ersehen ist – ebenfalls in der Mitte liegend in Richtung der ersten Spalte5a versetzt liegend angeordnet werden. Auch diese zusätzlichen Strahler oder Strahlergruppen109 ,109b werden gemeinsam mit den Strahlern oder Strahlergruppen9 in der zweiten Spalte5b gespeist. Die zusätzlichen Strahler109b in der Spalte5a sind dabei in gleicher Höhenlinie zu den benachbarten Strahlern oder Strahlergruppen9'' in der zweiten Spalte5b angeordnet. - Die in
1 wiedergegebene Antenne ist letztlich aus den beiden Antennenteilen gemäß2 und3 zusammengesetzt. - Da gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den
1 bis3 ferner vorgesehen ist, dass die Strahler oder Strahlergruppen in der ersten Spalte5a um den halben Vertikalabstand zweier in der benachbarten Spalte angeordneten Strahler oder Strahlergruppen9 versetzt liegend angeordnet sind, eröffnet dies die Möglichkeit, dass jeweils die zusätzlichen Strahler oder Strahlergruppen109 ,109a oder109 ,109b zur Reduzierung der jeweiligen Halbwertsbreite in der dazu jeweils anderen Spalte auf gleicher Höhe zu Liegen kommen, und zwar zwischen zwei vertikal benachbarten, dort vorgesehenen Strahler oder Strahlergruppen. - Wie bereits ausgeführt wurde, kann das zweispaltige Antennenarray ohne down-tilt-Einrichtung versehen sein. Über die Speiseeingänge
11a bzw.11b werden für beide Polarisationen dann alle Strahler9 gleichmäßig gespeist. Von daher können die zur jeweiligen Hauptgruppe5a bzw.5b zusätzlich vorgesehenen, dann quasi in einer Nebenspalte angeordneten zusätzlichen Strahler109a bzw.109b jeweils mit der gleichen Phasenlage gespeist werden wie die zur jeweiligen Hauptspalte gehörenden Strahler. Wird aber beispielsweise ein integriertes Speisenetzwerk verwendet, um die vertikal übereinander angeordneten Strahler jeweils mit unterschiedlicher Phasenlage zu speisen (oder beispielsweise immer zwei Gruppen von übereinander angeordneten Strahlern mit unterschiedlicher Phasenlage zu speisen), um also einen unterschiedlich starken down-tilt- Winkel einstellen zu können, so empfiehlt sich dann die jeweils den in einer Hauptspalte vorgesehenen Strahlern zugeordneten und in einer Nachbarspalte angeordneten zusätzlichen Strahler oder Strahlergruppen109a ,109b möglichst mit der gleichen Phasenlage oder einer nächstliegenden Phasenlage zu speisen, mit der der auch benachbart in der jeweiligen Hauptspalte liegende Strahler gespeist wird. Bei entsprechender Absenkung des Strahlungsdiagrammes mit einem bestimmten down-tilt-Winkel soll also beispielsweise bei dem Ausführungsbeispiel gemäß1 der in der linken Spalte5a angeordnete Strahler9' mit der gleichen Phasenlage gespeist werden wie der in der Nebenspalte angeordnete zusätzliche Strahler109'a . Der darunter befindliche weitere Strahler9'' kann beispielsweise in nochmals verschobener Phasenlage gespeist werden, aber gemeinsam mit der in der Nebenspalte sitzenden Strahleranordnung109''a . Entsprechendes gilt für die in1 hell gezeichneten Zusatzstrahler109b , die mit der entsprechenden gleichen Phasenlage (und zwar ebenfalls für jede Polarisation getrennt) gespeist werden, wie die rechts davon in der Spalte5b sitzenden Strahler. - Ergänzend wird noch auf
1a verwiesen, in der auszugsweise eine vergrößerte Detaildarstellung der Antenne gemäß1 in perspektivischer Darstellung wiedergegeben ist. Daraus ist auch zu ersehen, dass außen liegend am vertikalen Rand des Reflektors noch eine Randbegrenzung3' vorgesehen sein kann, die sich im Wesentlichen senkrecht oder zumindest quer zur Reflektorebene3 erstreckt. Die einzelnen Spalten5a und5b können auch dazwischen liegend noch über eine weitere, sich bevorzugt senkrecht zur Reflektorebene erstreckende Begrenzungswand oder Begrenzungssteg getrennt oder gegliedert sein, der auch eine andere Höhe aufweisen kann als die außen liegenden Reflektorbegrenzungen3' . - Das Ausführungsbeispiel gemäß
4 unterscheidet sich von jenem nach1 in zweierlei Hinsicht, nämlich dadurch, dass zum einen für jede Spalte5 nur ein zusätzlicher Strahler oder eine zusätzliche Strahlergruppe109a bzw.109b vorgesehen ist, die zum anderen hier nicht eher im mittleren Bereich des Antennen-Arrays, sondern zu dem zu Oberst bzw. dem zu unterst angeordneten Strahlerelement seitlich versetzt angeordnet ist. Auch hierdurch wird die Halbwertsbreite bezüglich aller Strahler oder Strahleranordnungen in einer jeweiligen Spalte reduziert. - Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
5 sind wiederum pro Spalte zwei zusätzliche Strahler oder Strahleranordnungen109a bzw.109b vorgesehen, und zwar am oberen und am unteren Ende bzw. Endbereich des Antennen-Arrays. - Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
6 sind die von Hause aus in jeder Spalte5 vorgesehenen Strahler oder Strahlergruppen9 in gleicher Horizontalhöhenlage zueinander angeordnet, also paarweise. In diesem Fall müssen die zusätzlich vorgesehenen Strahler oder Strahlergruppen109 , die wechselweise in der benachbarten Spalte montiert sind, in einer Zwischenhöhe zu den in der jeweiligen Hauptspalte vorgesehenen Strahlern oder Strahlergruppen vorgesehen sein, wie dies aus6 ersichtlich ist. - In diesem Falle können insbesondere dann, wenn wiederum ein Speisenetzwerk zur Einstellung eines unterschiedlichen down-tilt-Winkels vorgesehen ist, die zu einer jeweiligen Hauptspalte
5a bzw.5b vorgesehenen und in der jeweils dazu angeordneten Nebenspalte5b bzw.5a angeordneten zusätzlichen Strahler109a bzw.109b mit einer Phasenlage gespeist werden, die entweder der optimalen Phasenlage entsprechend ihrer Horizontalanordnung entspricht, oder aber eine Phasenlage aufweist, die beispielsweise mit dem in der zugehörigen Hauptspalte5a bzw.5b unmittelbar oberhalb oder unmittelbar unterhalb angeordneten Strahler übereinstimmt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß6 könnte also von daher beispielsweise der obere zusätzliche Strahler109'a eine Phasenlage aufweisen, die entweder der Phasenlage des Strahlers9' oder Strahler9'' in der zugehörigen Hauptspalte5a entspricht. Der in der Spalte5b vorgesehene zusätzliche Strahler109''a könnte wiederum eine Phase aufweisen, die der Phasenlage des in der Hauptspalte5a vorgesehenen Strahlers9'' oder9''' entspricht. Entsprechendes gilt natürlich auch für die in der Spalte5a vorgesehenen zusätzlichen Strahler109b , die mit den entsprechenden, in der zugehörigen Hauptgruppe5b angeordneten Strahlern gemeinsam betrieben werden. - Anhand von
7 ist gezeigt, dass eine gleiche Antennenanordnung wie in1 beispielsweise auch unter Verwendung herkömmlicher Kreuzstrahler aufgebaut sein kann. - Anhand von
8 ist dabei gezeigt, dass beispielsweise anstelle der Kreuzstrahler auch Dipolquadrate eingesetzt werden können. -
9 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel unter Verwendung von Patchstrahlern. - Bei entsprechender Ausrichtung sind alle vorstehend ge nannten Antennen-Arrays so aufgebaut, dass sie in zwei senkrecht zueinander stehenden Polarisationsebenen strahlen oder empfangen, die um +45° bzw. –45° gegenüber der Horizontalen oder Vertikalen ausgerichtet sind.
- Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
10 ist ein Antennen-Array mit zwei Spalten5 mit lediglich vertikal polarisierten Dipolen gezeigt. Dieses Beispiel zeigt, dass die Strahler oder Strahlergruppen nicht zwingend aus dualpolarisierten Strahlern (oder beispielsweise aus zirkularpolarisierten Strahlern), sondern genauso auch aus linearpolarisierten Strahlern oder Strahlergruppen bestehen können. - In allen Beispielen werden durch die gleichen technischen Maßnahmen die Halbwertsbreiten der Strahlungsdiagramme für die einzelnen Spalten
5 reduziert. - Schließlich wird auch noch auf
11 Bezug genommen, die eine weitere Variante beschreibt. Das zweispaltige Antennenarray1 gemäß11 ist grundsätzlich ähnlich zu dem Ausführungsbespiel nach den1 bis3 aufgebaut. Die Besonderheiten liegen zum einen darin, dass in jeder Spalte zunächst einmal grundsätzlich nur eine ungerade Anzahl von Hauptstrahlern9 angeordnet sind, nämlich in der Spalte5a im gleichen Vertikalabschnitt übereinander in diesem Ausführungsbeispiel neun Strahler9 , ebenso wie in der Spalte5b . Durch die ungeradzahlige Anzahl der Hauptstrahler in jeder Spalte kommt jeweils ein Strahler9' in der Mitte des Antennenarrays zu liegen. - In diesem Ausführungsbeispiel sind für die in der Spalte
5a vorgesehenen Strahler zwei zusätzliche Strahler109a , nämlich109'a und109''a , vorgesehen, die nunmehr um einen halben Vertikalabstand entsprechend dem vertikalen Abstands-Rastermaß zwischen den Strahlern9 angeordnet sind. Wird die Antenne auch wieder in einem bestimmten down-tilt-Winkel betrieben, wobei also die in einer Spalte vertikal übereinander angeordneten Strahler9 mit unterschiedlicher Phasenlage gespeist werden, so werden bei diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt die zusätzlich vorgesehenen Strahler109' a und109''a mit der gleichen Phasenlage gespeist wie der in der zugehörigen Hauptspalte, d.h. hier in der Spalte5a vorgesehenen mittig angeordneten Strahler9' . Entsprechendes gilt für die in11 hell gezeichneten Strahler. Dort wird der mittlere Strahler in der Spalte5b mit gleicher Phasenlage wie die beiden dazu versetzt liegenden, in der Spalte5a vorgesehenen zusätzlichen Strahler109b gespeist. Ebenso wäre natürlich denkbar, dass beispielsweise die zusätzlichen Strahler109' a mit der Phasenlage des Strahlers9'' gespeist wird. Weitere zusätzliche Strahler109''a könnten mit der Phasenlage des tiefer liegenden Strahlers9''' gespeist werden. Auch hierdurch würde eine hohe Symmetrie erzielt werden. - Ergänzend wird noch angemerkt, dass die Strahler oder Strahlergruppen
9 in einer Spalte5 zu den jeweiligen Strahler oder Strahlergruppen9 in der benachbarten Spalte5b z.B. einen Abstand zwischen 0,25 λ und 1 λ aufweisen, bevorzugt um λ/2. λ stellt dabei eine Wellenlänge der Betriebswellenlänge dar, vorzugsweise die mittlere Betriebswellenlänge in einem zu übertragenen Frequenzband. Der vertikale Abstand der einzelnen Strahler in den einzelnen Spalten differiert vorzugsweise zwischen 0,7 λ und 1,3 λ. - Abweichend zu den gezeigten Ausführungsbeispielen können auch Antennen-Arrays mit drei, vier oder noch mehr Spalten vorgesehen sein, wobei die Spalten vorzugsweise in Horizontalrichtung betrachtet gleichmäßigen Abstand zueinander haben. Aber auch Spalten mit ungleichmäßigen Abständen nebeneinander sind möglich.
- Anhand der Ausführungsbeispiele wurde gezeigt, dass die Anzahl der zusätzlichen Strahler, die in der jeweils anderen Spalte zusätzlich integriert sind, aus zumindest einem Strahler oder zumindest einer Strahlergruppe
109 ,109a bzw.109b bestehen. Bevorzugt ist die Anzahl dieser zusätzlich vorgesehenen Strahler109a ,109b in maximaler Hinsicht auf eine Anzahl begrenzt, die um eins niedriger ist als die in der zugehörigen Hauptspalte "vorgesehenen Strahler oder Strahlergruppen". - Die jeweils zusätzlich vorgesehenen Strahler oder Strahlergruppen
109 ,109' müssen nicht exakt in der Vertikallinie vorgesehen sein, in der die Strahler oder Strahlergruppen der jeweils benachbarten Spalte angeordnet sind. Mit anderen Worten kann hier ein zusätzlicher Versatz in Horizontalrichtung vorgesehen sein. - Durch die erläuterten erfindungsgemäßen zusätzlichen Strahler oder Strahlergruppen lassen sich Halbwertsbreiten von beispielsweise bevorzugt 45°, 50°, 55°, 60° oder auch 65° oder 70° oder beliebige Zwischengrößen realisieren. Dabei ist es auch möglich, eine oder mehrere Spalten nicht mit den erläuterten zusätzlich integrierten Strahlern vorzusehen, so dass hier herkömmliche Halbwertsbreiten für diese Spalte von beispielsweise 75°, 80° oder 85° realisierbar sind.
- Anhand der erläuterten Ausführungsbeispiele ergibt sich, dass die einzelnen Spalten
5 ,5a ,5b etc. unabhängig voneinander elektrisch einstellbar sind, bevorzugt über eigene Phasenschieber. Genauso sind die Spalten aber auch gemeinsam elektrisch einstellbar, bevorzugt über gekoppelte Phasenschieber. Sind die erläuterten Beispiele der Antennen-Arrays mit einer integrierten elektromechanischen Einheit versehen, so kann eine elektrische Absenkung des Hauptstrahlers (Hauptkeule) der jeweiligen in einer Spalte angeordneten Strahlers mittels Fernsteuerung vorgenommen werden. Gegebenenfalls kann hier auch eine Nachrüstung zur Durchführung einer ferngesteuerten Absenkung durchgeführt werden. - Schließlich sind die Spalten aber auch beispielsweise mit einer Butler-Matrix oder anderen vorgeschalteten Strahlformungs-Netzwerken gemeinsam betreibbar, um ein sogenanntes Beam-Forming zu realisieren.
- Die Spalten können aber auch mit Hybriden geschaltet werden, um ein Beam-Forming realisieren zu können.
- Schließlich können die Antenne auch mit einer Kalibriereinrichtung versehen sein, um die Phasenlagen der einzelnen Spalten festzustellen.
- Bei allen gezeigten Ausführungsbeispielen wird davon ausgegangen, dass die zusätzlich vorgesehenen Strahler mit den eigentlich in einer benachbarten Spalte vorgesehenen Strahlern stets gemeinsam mit gleicher Phasenlage gespeist werden. Grundsätzlich wäre es aber auch möglich, die zu einer Spalte vorgesehenen zusätzlichen und zu dieser Spalte seitlich versetzt angeordneten Strahler oder Strahler gruppen auch mit einer zur zugeordneten Spalte unterschiedlichen elektrischen Phase zu speisen, wodurch sich das "Tracking-Verfahren" noch verändern lässt.
Claims (20)
- Zweidimensionales Antennen-Array mit folgenden Merkmalen: – mit zumindest zwei vertikal verlaufenden Spalten (
5a ,5b ), – in jeder der zumindest beiden vertikal verlaufenden Spalten (5a ,5b ) ist jeweils eine Strahleranordnung vorgesehen, die getrennt voneinander gespeist werden, und – die in den beiden Spalten (5a ,5b ) vorgesehene Strahleranordnung umfasst jeweils zumindest einen Strahler oder eine Strahlergruppe (9 ), gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale: – für zumindest eine Spalte (5a ,5b ) ist zu der vorgesehenen Strahleranordnung in Vertikalrichtung versetzt zumindest ein zusätzlicher Strahler oder eine zusätzliche Strahlergruppe (109b oder109a ) vorgesehen, und – der zumindest eine zusätzliche Strahler oder die zumindest eine zusätzliche Strahlergruppe (109b oder109a ) wird mit der in der anderen Spalte (5b oder5a ) angeordneten Strahleranordnung gespeist. - Antennen-Array nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: – in jeder der zumindest beiden vertikal verlaufenden Spalten (
5a ,5b ) ist neben der jeweils dort vorgesehenen Strahleranordnung, die getrennt gespeist werden, zumindest ein zusätzlicher Strahler oder zumindest eine zusätzliche Strahlergruppe (109b oder109a ) vorgesehen, und – der in jeder Spalte (5a ,5b ) zumindest eine zusätzliche Strahler oder die zumindest eine zusätzliche Strahlergruppe (109b ,109a ) werden jeweils mit der in einer benachbarten Spalte (5b ,5a ) vorgesehenen Strahleranordnung gemeinsam gespeist. - Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine zusätzliche Strahler oder die zumindest eine zusätzliche Strahlergruppe (
109a ,109b ) in einer jeweils benachbarten Spalte (5a ,5b ) zwischen zwei dort in Vertikalrichtung benachbart sitzenden Strahlern oder Strahlergruppen (9 ) angeordnet ist, vorzugsweise mittig zwischen diesen. - Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine zusätzlich vorgesehene Strahler oder die zumindest eine zusätzliche Strahlergruppe (
109a ,109b ) auf der vertikalen Verbindungslinie zwischen den ansonsten in dieser Spalte (5a ,5b ) vorgesehenen Strahlern oder Strahlergruppen (9 ) angeordnet ist. - Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine zusätzlich vorgesehene Strahler oder die zumindest eine zusätzliche Strahlergruppe (
109a ,109b ) zu der vertikalen Verbindungslinie zwischen den ansonsten in dieser Spalte (5a ,5b ) vorgesehenen Strahlern oder Strahlergruppen (9 ) versetzt liegt. - Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahler oder Strahlergruppen (
9 ) in einer Spalte (5a ,5b ) zu denjenigen einer benachbarten Spalte (5a ,5b ) in Vertikalrichtung versetzt liegen, vorzugsweise um den halben Vertikalabstand zwischen zwei vertikal übereinander sitzenden Strahlern oder Strahlergruppen (9 ). - Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahler oder Strahlergruppen (
9 ) in einer Spalte (5a ,5b ) zu denjenigen einer benachbarten Spalte (5a ,5b ) in einer gleichen horizontalen Höhe liegen. - Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest fünf Strahler oder Strahlergruppen (
9 ) in den Spalten (5a ,5b ) mit Vertikalversatz übereinander angeordnet sind, und dass in den Spalten (5a ,5b ), in denen zumindest ein zusätzlicher Strahler oder zumindest eine zusätzliche Strahlergruppe (109a ,109b ) vorgesehen ist, bezogen auf die Vertikallänge des Antennen-Arrays, dieser zumindest eine zusätzliche Strahler oder die zumindest eine zusätzlich Strahlergruppe (109a ,109b ) bevorzugt mittig oder etwa mittig angeordnet ist. - Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest fünf Strahler oder Strahlergruppen (
9 ) in den Spalten (5a ,5b ) mit Vertikalversatz übereinander angeordnet sind, und dass in den Spalten (5a ,5b ), in denen zumindest ein zusätzlicher Strahler oder zumindest eine zusätzliche Strahlergruppe (109a ,109b ) vorgesehen ist, bezogen auf die Vertikallänge des Antennen-Arrays, dieser zumindest eine zusätzliche Strahler oder die zumindest eine zusätzliche Strahlergruppe (109a ,109b ) bevorzugt am oberen oder am unteren Ende des Antennen-Arrays angeordnet ist. - Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalten einen Abstand von 0,25λ bis 1λ, vorzugsweise um λ/2 aufweisen, wobei λ die Betriebs-Wellenlänge, vorzugsweise die mittlere Betriebs-Wellenlänge ist.
- Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der vertikale Abstand der Strahler oder Strahlergruppen (
9 ) einer Spalte (5a ,5b ) ohne Berücksichtigung von dort möglicherweise vorgesehenen zusätzlichen Strahlern oder Strahlergruppen (109a ,109b ) zwischen 0,7λ und 1,2λ beträgt, wobei λ die Betriebs-Wellenlänge, vorzugsweise die mittlere Betriebs-Wellenlänge ist. - Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahler oder Strahlergruppen aus Dipolen, Kreuzdipolen, kreuzförmig strahlenden Vektordipolen, linearpolarisierten Strahlern oder Patchstrahlern bestehen.
- Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Spalte (
5a ,5b ) vorgesehenen Strahler oder Strahlergruppen (9 ) und die diesen Strahlern (9 ) in einer betreffenden Spalte (5a ,5b ) zugeordneten zusätzlichen Strahler oder Strahlergruppen (109a ,109b ) mit gleicher elektrischer Phase gespeist werden. - Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Spalte (
5a ,5b ) vorgesehenen Strahler oder Strahlergruppen (9 ) und die diesen Strahlern (9 ) in einer betreffenden Spalte (5a ,5b ) zugeordneten zusätzlichen Strahler oder Strahlergruppen (109a ,109b ) mit unterschiedlicher elektrischer Phase zur Veränderung des Tracking-Verhaltens gespeist werden. - Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Spalten (
5a ,5b ) unabhängig voneinander elektrisch einstellbar sind, bevorzugt mit Phasenschiebern. - Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Spalten (
5a ,5b ) gemeinsam elektrisch einstellbar sind, bevorzugt mit gekoppelten Phasenschiebern. - Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei Einstellung eines down-tilt-Absenkwinkels unter Verwendung einer unterschiedlichen Phasenlage-Speisung für die verschiedenen vertikal übereinander angeordneten Strahler (
9 ) die zusätzlich vorgesehenen Strahler (109a ,109b ) mit einer Phasenlage gespeist werden, die bevorzugt der Phasenlage des in einer Hauptspalte (5a ,5b ) vorgesehenen Strahlers (9 ;9' ,9'' ,9''' ) entspricht, der auf gleicher Höhenlage oder in einem Vertikalabstand versetzt dazu liegt, der nicht größer ist als der Abstand zwischen zwei in einer Spalte5a ,5b vertikal übereinander angeordneten Hauptstrahlern (9 ). - Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zusätzliche Strahler (
109a ,109b ) mit gleicher Phasenlage gespeist werden wie ein Strahler (9' ) in der zugehörigen Hauptspalte. - Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Spalte (
5a ,5b ) eine ungeradzahlige Anzahl von vertikal übereinander angeordneten Strahlern (9 ) vorgesehen ist. - Antennen-Array nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Spalte zumindest ein Strahler (
9' ) vorgesehen ist, der mit zwei in einer benachbarten Spalte (5b ) vorgesehenen zusätzlichen Strahlern (109a ,109b ) gemeinsam gespeist wird, vorzugsweise mit gleicher Phasenlage.
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