DE69910039T2

DE69910039T2 - Doppelband-patchantennensystem mit erweiterter bandbreiteund dazugehörige verfahren für breitbandbetrieb

Info

Publication number: DE69910039T2
Application number: DE69910039T
Authority: DE
Inventors: A. Gregory O'NEILL
Original assignee: Ericsson Inc
Current assignee: Ericsson Inc
Priority date: 1998-06-05
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2019-05-22
Also published as: WO1999063623A1; EP1095427A1; HK1038645A1; EP1095427B1; CN1304565A; HK1038645B; DE69910039D1; WO1999063623A9; ID27601A; AU4310799A; CN1130795C; US5969681A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Antennensysteme für Funktelefone. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Patchantennensysteme, die zur Verwendung mit mobilen Funktelefon-Benutzerhandapparaten besonders gut geeignet sind.
Hintergrund der Erfindung
Zellulare Kommunikationssysteme sind in der Technik zum Vorsehen drahtloser Kommunikationsverbindungen zwischen Mobiltelefonbenutzern und stationären Benutzern oder anderen mobilen Benutzern gut bekannt. In typischen zellularen Systemen werden drahtlose Übertragungen von mobilen Benutzern durch eines von einem lokalen Netz von Basisstationsendgeräten empfangen. Die Basisstation oder "Zelle", die das Signal empfängt, versendet es dann erneut für einen Empfang durch die beabsichtigten Empfangsendgeräte, entweder direkt oder über die zellularen oder lokalen Telefonsysteme.
Da zellulare Kommunikationssysteme allgemein auf Kommunikationsverbindungen mit Sichtverbindung beruhen, sind typischerweise viele Zellen erforderlich, um eine Kommunikationsabdeckung für ein großes geografisches Gebiet vorzusehen. Die Kosten, die mit einem Vorsehen von großen Anzahlen von Zellen verbunden sind, können jedoch die Verwendung von zellularen Systemen in dünn besiedelten Regionen oder Gebieten verhindern, wo es eine begrenzte Nachfrage nach einem zellularen Dienst gibt. Selbst in Gebieten, wo ein zellularer Dienst durch ökonomische Betrachtungen nicht ausgeschlossen ist, entstehen außerdem in traditionellen zellularen Systemen häufig "Ausfall"-Gebiete wegen lokalen Gelände- oder Wetterbedingungen.
Als solche wurden Systeme, die zellulare und Satellitennetze integrieren, zum Vorsehen von Kommunikationen für mobile Benutzer über ein großes geografisches Gebiet vorgeschlagen, wo ein zellularer Dienst unpraktisch sein kann. In diesen vorgeschlagenen Systemen, die das European-African Telephone ("EAST") System und das Asian Cellular Satellite ("ACES") System inkludieren, würden landgestützte zellulare Stationen in Gebieten mit hohen Verkehr vorgesehen werden, während ein L-Band-Satellitenkommunikationsnetz verbleibenden Gebieten einen Dienst bereitstellen würde. Um sowohl zellulare als auch Satellitenkommunikationen vorzusehen, würden die Benutzerendgeräthandapparate, die mit diesem System verwendet werden, sowohl einen Satelliten- als auch einen zellularen Transceiver inkludieren. Ein derartiges kombiniertes System könnte volle Kommunikationsabdeckung über ein weites geografisches Gebiet vorsehen, ohne eine übermäßige Anzahl von terrestrischen Zellen zu erfordern.
Während ein kombiniertes Satelliten-/zellulares Netz viele der Nachteile überwindet, die mit traditionellen zellularen Systemen in Verbindung stehen, ist für derartige Systeme eine Bereitstellung von Benutzerendgeräthandapparaten, die Erwartungen von Kunden bezüglich Größe, Gewicht, Kosten, Einfachheit einer Verwendung und Kommunikationsübersichtlichkeit erfüllen, eine bedeutende Herausforderung. Kundenerwartungen in dieser Hinsicht wurden durch die Funktelefone definiert, die mit konventionellen zellularen Systemen verwendet werden, die nur einen einzelnen Transceiver erfordern und die mit Basisstationen kommunizieren, die sich typischerweise innerhalb von 20 Meilen von den mobilen Benutzerendgeräten befinden. In einer Gegenüberstellung inkludieren die tragbaren Benutzerendgeräte, die in den integrierten zellularen,Satellitensystemen verwendet werden, sowohl einen zellulares als auch einen Satelliten-Transceiver, wobei das Teilsystem für Satellitenkommunikationen ausreichende Leistungs- und Antennenverstärkung hat, um eine Verbindung mit einem Satelliten herzustellen, der 25000 oder mehr Meilen entfernt sein kann. Außerdem sollte der Satelliten-Transceiver vorzugsweise ein Quasihalbkugel-Antennenabstrahlmuster vorsehen (um zu vermeiden, dass der Satellit zu verfolgen ist) und sollte zirkular polarisierte Wellenformen senden und empfangen (um den Signalverlust zu minimieren, der aus der beliebigen Ausrichtung der Sende- und Empfangsantennen resultiert und um die Wirkungen von Faraday-Rotation in der Ionosphäre zu vermeiden). Der Satelliten-Transceiver sollte auch über den vollen Umfang von potenziell weit getrennten Sende- und Empfangssatellitenfrequenzbändern arbeiten.
Angesichts der obigen Einschränkungen gibt es ein Bedürfnis nach tragbaren Satelliten-Transceivern und spezieller Antennensystemen für derartige Transceiver, die zum Senden und Empfangen von zirkular polarisierten Wellenformen fähig sind, die ein relativ hohes Verstärkungs-Quasihalbkugel-Abstrahlungsmuster über getrennte relativ breitbandige Sende- und Empfangsfrequenzteilbänder vorsehen. Angesichts der tragbaren Natur der Benutzerendgeräte und Kundenerwarturgen bezüglich Größe und Einfachheit einer Tragbarkeit sollte außerdem das Satellitenantennensystem, das dazu fähig ist, die oben erwähnten Anforderungen zu erfüllen, in ein extrem kleines physisches Volumen passen. Diese von einem Benutzer auferlegten Größenbeschränkungen können auch dem physischen Volumen Begrenzungen auferlegen, die durch den Antennenzuführungsaufbau und beliebige Anpassungs-, Schalt- oder andere Netze, die für einen richtigen Antennenbetrieb erforderlich sind, notwendig sind.
Mikrostrip oder "Patch"-Antennen sind relativ kleine Antennen mit niedrigem Profil, die für verschiedene Anwendungen gut geeignet sind, die ein Quasihalbkugel-Abstrahlungsmuster erfordern. Der Abstrahlaufbau einer Patchantenne besteht aus zwei parallelen leitenden Schichten, die durch ein dünnes dielektrisches Substrat getrennt sind. Patchantennen sind typischerweise konform zu sowohl planaren als auch nicht-planaren Oberflächen, nicht aufwändig herzustellen und mechanisch robust. Die häufigsten Patchantennen sind rechteckige und kreisförmige Patchantennen.
Während Patchantennen gestaltet werden können, das Quasihalbkugel-Abstrahlungsmuster vorzusehen, das für mobile Satellitenkommunikationen notwendig ist, ist die Bandbreite dieser Antennen typischerweise nur ein Bruchteil eines Prozents der Trägerfrequenz und höchstens einige Prozent. Wie oben erörtert, haben bestimmte aufkommende zellulare und Satellitentelefonanwendungen relativ große Sende- und Empfangsfrequenzbänder, jedes von denen typischerweise die Bandbreite überschreitet, die durch konventionelle Patchantennen vorgesehen wird. Während es Verfahren gibt, die verwendet werden können, um die Bandbreite dieser Antennen zu erhöhen, wie etwa durch Vergrößern der Höhe des Substrats, können des weiteren diese Verfahren für zellulare/Satellitensysteme wegen Beschränkungen für die Größe der Antenne nicht geeignet sein.
Die Bandbreite, über die konventionelle Patchantennen effektiv arbeiten, kann außerdem auch durch Energieübertragungsbetrachtungen begrenzt werden. Diese Begrenzung tritt auf, da die Energieübertragung zwischen der Antenne und dem Transceiver typischerweise wegen Reflexionen nicht verlustlos ist, die als ein Ergebnis unvollkommener Impedanzanpassung entste hen. Wenn groß genug, kann dieser Verlust reflektierter Energie, der im Sinne eines Stehwellenverhältnisses (voltage standing wave ratio, "VSWR") ausgedrückt werden kann, verhindern, dass das Kommunikationssystem seine Verbindungsbudgets erfüllt.
Während es möglich sein kann, die Eingangsimpedanz der Patchantenne mit der Impedanz der zwischenverbindenden Übertragungsleitung (en) von dem Transceiver anzupassesn, wird eine derartige Anpassung nur über einen kleinen Frequenzbereich auftreten, da sich die Eingangsimpedanz einer Patchantenne beträchtlich mit einer Frequenz verändert. Selbst wenn eine perfekte Anpassung (d. h. VSWR = 1,0) nicht erforderlich ist, wird eine akzeptable Anpassung typischerweise dennoch nur über eine gewisse endliche Bandbreite erreichbar sein. Diese Bandbreite kann kleiner als die Betriebsbandbreite sein, die durch aufkommende zellulare und Satellitentelefonanwendungen erforderlich ist. Als solche können Impedanzfehlanpassungen auch dazu dienen, die effektive Bandbreite von Patchantennensystemen zu begrenzen.
Es sind Systeme zum Betreiben von Funkkommunikationssystemen bei zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen in der Technik bekannt. Z. B. legt die europäische Patentanmeldung 0 678 974 A2 für Nokia Mobile Phones Ltd. ein Funkkommunikationssystem zur Verwendung in sowohl dem PCN-System als auch einem GSM-System offen, das eine Antenne, einen Wechselschalter (26), der zwischen zwei Eingängen zu der Antenne wählt, und zwei Duplexfilter (1, 25) inkludiert, offen. Außerdem legt die europäische Patentanmeldung 0 687 030 Al eine Patchantenneneinheit mit einer Resonanzfrequenz offen, die schaltbar ist. Diese Anmeldung legt eine Antenneneinheit offen, die einen Antennenkörper mit einer verteilten Induktivitätskomponente (L₁), eine Impedanzjustierinduktivitätskomponente (L₂) und eine Kapazität (C₁), die zwischen dem Antennenkörper und dem Erdpotenzial vorgesehen ist, ebenso wie einen Kondensator (C₂) und eine Diode (D₁), die mit der Kapazität (C₁) parallel und seriell mit jeder anderen verbunden ist, inkludiert. Die Diode D₁ kann zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand geschaltet werden, um die Resonanzfrequenz der Patchantenneneinheit zu schalten. In der Technik sind auch Doppelzuführungs-Patchantennen mit orthogonal angeordneten Zuführungen zum Generieren von Zirkularpolarisation bekannt, wie in dem US-Patent Nr. 4,737,793 an Munsen et al offengelegt.
In der Technik sind andere Dualbandpatchantennen bekannt. Diese Antennensysteme des Stands der Technik haben jedoch typischerweise zwei getrennte Patchantennen vervuendet, wie etwa Nebeneinander-Patchantennen oder geschichtete Patchantennen, um das Problem zum Kommunizieren über weit getrennte Sendeund Empfangsfrequenzbänder zu lösen. Derartige Lösungen erhöhen nicht nur unvorteilhafter Weise die Größe des Antennensystems, sondern führen in dem Fall von Nebeneinander-Patchantennen auch zu suboptimalen Abstrahlungsmustern wegen der Asymmetrie der Geometrie des Patches in Verbindung mit der kleinen Grundebene. Entsprechend gibt es einen Bedarf für ein neues Satellitentelefon-Antennensystem mit niedrigem Profil, das zum Vorsehen eines Quasihalbkugel-Antennenmusters mit einer positiven Verstärkung über weit getrennte, relativ breitbandige Sende- und Empfangsfrequenzbänder fähig ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Angesichts der obigen Begrenzungen, die mit existierenden Antennensystem in Verbindung stehen, ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, physisch kleine Patchantennensysteme für Satelliten- und zellulare Telefonnetze vorzusehen.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Patchantennensystem vorzusehen, das zum Vorsehen eines Ab strahlungsmusters mit einem positiven Verstärkungs-Quasihalbkugel-Abstrahlungsmuster über getrennte Sende- und Empfangsfrequenzbänder fähig ist.
Ein drittes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Patchantennensystem vorzusehen, das zum Vorsehen einer guten Impedanzanpassung über ein breites Band von Betriebsfrequenzen fähig ist.
Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch physisch kleine Patchantennensysteme vorgesehen, die aus der Größe, Verstärkung, Polarisation und Abstrahlungsmustercharakteristika, die mit Patchantennen erreichbar sind, Kapital schlagen, während die Bandbreitebegrenzungen dieser Antennen vermieden werden. Die vorliegende Erfindung verwendet geschaltete Sende- und Empfangsschaltungszweige, die der Antenne erlauben, in getrennten Sende- und Empfangsfrequenzbändern mitzuschwingen.
Außerdem inkludieren diese Sende- und Empfangsschaltungszweige ferner Impedanzanpassungsnetze, um die Betriebsbandbreite der Antenne sowohl in den Sende- als auch Empfangsfrequenzbändern zu erhöhen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Patchantenne vorgesehen, die mit ersten und zweiten Schaltungszweigen in Verbindung steht, die Blindelemente zum Ändern der Resonanzfrequenz der Patchantenne auf erste und zweite Resonanzfrequenzen inkludieren können. Inkludiert sind auch Auswahlmittel zum elektrischen Koppeln der Patchantenne mit einem der ersten oder zweiten Schaltungszweige, während der andere der ersten oder zweiten Schaltungszweige von der Patchantenne elektrisch isoliert wird. Diese Auswahlmittel können einen Schalter inkludieren, der entlang jeder elektrischen Verbindung zwischen der Patchantenne und den ersten und zweiten Schaltungszweigen zwischengeschaltet ist. Ferner sind Kopplungs-/Zweigauswahlmittel zum elektrischen Verbinden entweder des ersten oder zweiten Schaltungszweiges mit dem Empfänger und zum Koppeln des Senders mit dem anderen der ersten und zweiten Schaltungszweige inkludiert. Dieses Antennensystem kann als eine Komponente eines tragbaren Transceivers vorgesehen werden, der ferner einen Sender, einen Empfänger und eine Benutzerschnittstelle inkludiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung inkludiert das Antennensystem ferner erste und zweite Anpassungsschaltungen zum Erhöhen der Betriebsbandbreite der Antenne über die ersten und zweiten Resonanzfrequenzen. Diese Anpassungsschaltungen können als Teil der ersten und zweiten Schaltungszweige implementiert sein, oder können selbstständige Schaltungen umfassen.
In gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Patchantenne durch eine einzelne Zuführung angeregt, die mit den ersten und zweiten Schaltungszweigen elektrisch gekoppelt ist. In anderen Ausführungsformen jedoch wird die Patchantenne durch erste und zweite Zuführungen angeregt. In derartigen Ausführungsformen dualer Zuführung können die ersten und zweiten Zuführungen orthogonal angeordnet sein und die Patchantenne kann in Phasenquadratur angeregt werden.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Kopplungs-/Zweigauswahlmittel einen 90°-Hybridkoppler und Schaltmittel zum Koppeln der Ausgänge des 90°-Hybridkopplers mit entweder dem ersten Schaltungszweig oder mit dem zweiten Schaltungszweig umfassen. Alternativ kann das Kopplungs-/Zweigauswahlmittel einen Sende-90°-Hybridkoppler zum Koppeln des Signals von dem Sender mit dem ersten Schaltungszweig und einen Empfangs-90°-Hybridkoppler zum Koppeln des Signals von dem zweiten Schaltungszweig mit dem Empfänger umfassen.
Somit sehen durch die Verwendung von geschalteten Schaltungselementen und/oder Anpassungsmitteln die Patchantennensysteme der vorliegenden Erfindung Kommunikationen über getrennte Sende- und Empfangsfrequenzbänder mit der Verstärkung, Bandbreite, Polarisation und Abstrahlungsmusterchrakteristika, die für aufkommende mobile Satellitenkommunikationsanwendungen notwendig sind, in einem physischen Paket vor, das zweckmäßig klein ist und Kundenerwartungen bezüglich Einfachheit einer Tragbarkeit erfüllt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines Funktelefons, das ein Patchantennensystem gemäß der vorliegenden Erfindung inkludiert;
2(a) ist eine Querschnittsansicht einer Patchantenne gemäß der vorliegenden Erfindung;
2(b) ist eine perspektivische Ansicht einer Patchantenne gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform der Patchantennensysteme der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 stellt die Ersatzschaltungen für verschiedene Verfahren zum Zuführen einer Patchantenne dar;
5 ist eine Grafik der Frequenzreaktion, die mit den Patchantennensystemen gemäß der vorliegenden Erfindung erreichbar ist;
6 ist ein Blockdiagramm, das eine zweite Ausführungsform der Patchantennensysteme der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
7 ist ein Blockdiagramm, das eine dritte Ausführungsform der Patchantennensysteme der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
8 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Ausführungsform der Antennensysteme gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird nun hierin nachstehend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen vollständiger beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt werden. Während die Antennensysteme der vorliegenden Erfindung für bestimmte Satellitenkommunikationsanwendungen besonders gut geeignet sind, wird durch einen Durchschnittsfachmann verstanden, dass diese Antennensysteme in einer Vielfalt von Anwendungen vorteilhafter Weise verwendet werden können, inkludierend verschiedene Punkt-zu-Punkt- und traditionelle zellulare Kommunikationssysteme, und somit die vorliegende Erfindung nicht als in irgendeiner Weise auf Antennensysteme zur Verwendung mit Satellitenkommunikations-Endgerätehandapparaten begrenzt ausgelegt werden sollte. Gleiche Bezugszeichen verweisen überall auf gleiche Elemente.
Eine Ausführungsform eines tragbaren drahtlosen Kommunikationsendgerätes 10 gemäß der vorliegenden Erfindung wird in dem Blockdiagramm von 1 dargestellt. Endgerät 10 umfasst allgemein einen Sender 12, einen Empfänger 14, eine Benutzerschnittstelle 16 und ein Antennensystem 18. Es ist eine breite Vielfalt von Sendern 12 und Empfängern 14, die zur Verwendung mit einem tragbaren Funkkommunikationsendgerät geeignet sind, einem Durchschnittsfachmann bekaant und wird so nicht weiter erörtert. Ähnlich sind auch Benutzerschnittstellen 16, wie etwa Mikrofone, Tastenfelder, Drehwählscheiben, die zur Verwendung in tragbaren Funkkommunikationsendgeräten geeignet sind, in der Technik gut bekannt. Wies in 1 veranschaulicht, inkludiert das Antennensystem 18 des tragbaren Endgeräts 10 eine Patchantenne 20, eine Schaltungszweigauswahlvorrichtung 80, einen Sendeschaltungszweig 30, einen Empfangsschaltungszweig 40 und eine Kopplungsschaltungs-/Zweigauswahlvorrichtung 50. Wie hierin erörtert, sieht Antennensystem 18 Dualband-Drahtlos-Kommunikationen vor und ist zum Erfüllen der strengen Verstärkungs-, Bandbreiten-, Abstrahlungsmuster- und anderer Anforderungen von aufkommenden zellularen/Satellitentelefonanwendungen fähig.
Wie in 1 dargestellt, ist Patchantenne 20 mit einer Schaltungszweigauswahlvorrichtung 80 gekoppelt. Diese Schaltungszweigauswahlvorrichtung 80 kann arbeiten, um den Sendeschaltungszweig 30 mit Patchantenne 20 während Perioden einer Sendung zu koppeln, und um den Empfangsschaltngszweig 40 mit Antenne 20 zu koppeln, wenn Handapparat 10 im Empfangsmodus arbeitet. Die Sende- und Empfangsschaltungszweige 30, 40 sind zum Justieren der Resonanzfrequenz der Patchantenne 20 vorgesehen. In dem Fall z. B. eines Antennensystems zur Verwendung mit einem Satellitensystem mit getrennten Sende- und Empfangsfrequenzbändern kann Sendeschaltungszweig 30 verwendet werden, falls notwendig, um Antenne 20 abzustimmen, in dem Sendefrequenzband mitzuschwingen, während Empfangsschaltungszweig 40 ähnlich verwendet werden kann, falls notwendig, um Antenne 20 abzustimmen, in dem Empfangsfrequenzband mitzuschwingen. Somit erlauben die Sende- und Empfangsschaltungszweige 30, 40 einer Patchantenne mit einem relativ engen Band in zwei getrennten Frequenzbändern durch Vorsehen von Mitteln zum Mitschwingen bei zwei getrennten Frequenzen zu arbeiten.
Wie in 1 veranschaulicht, kann Antennensystem 18 ferner eine Kopplungsschaltungs-/Zweigauswahlvorrichtung 50 inkludieren, die arbeitet, um Patchantenne 20 mit Sender 12 und Empfänger 14 zu koppeln und den geeigneten Schaltungszweig 30, 40 auszuwählen.
Das in 1 dargestellte Antennensystem arbeitet wie folgt. Wenn der Benutzerhandapparat 10 in dem Empfangsmodus ist, bildet die Schaltungszweigauswahlvorrichtung 80 einen Leerlauf zwischen Sendeschaltungszweig 30 und Patchantenne 20, während Patchantenne 20 mit Empfangsschaltungszweig 40 elektrisch gekoppelt wird. Wenn umgekehrt der Benutzerhandapparat 10 in dem Sendemodus ist, bildet Schaltungszweigauswahlvorrichtung 80 einen Leerlauf zwischen Empfangsschaltungszweig 40 und Patchantenne 20, während Patchantenne 20 mit Sendeschaltungszweig 30 elektrisch gekoppelt wird. Auf eine ähnliche Weise speist Kopplungsschaltungs-/Zweigauswahlvorrichtung 50 das Quellsignal von dem Sender 12 zu Sendeschaltungszweig 30 während Perioden einer Sendung ein, wohingegen im Empfangsmodus Kopplungsschaltungs-/Zweigauswahlvorrichtung 50 das empfangene Signal von Empfangsschaltungszweig 40 zu Empfänger 14 einspeist. Somit erlaubt Schaltungszweigauswahlvorrichtung 80 in Verbindung mit Sende- und Empfangsschaltungszweigen 30, 40 und Kopplungsschaltungs-/Zweigauswahlvorrichtung 50 Halbduplex-Kommunikationen in zwei getrennten Frequenzbändern durch eine einzelne Patchantenne 20.
2(a) und 2(b) stellen eine Patchantenne 20 dar, die mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden könnte. Wie in 2(a) und 2(b) veranschaulicht, umfasst Patchantenne 20 zwei allgemein parallele leitende Platten 22, 24, die durch ein dünnes dielektrisches Substrat 26, wie etwa Glasfasern, TEFLON, Polyimid oder dergleichen, getrennt sind. Leitende Schichten 22, 24 werden typischerweise aus Kupfer gebildet und als eine oder mehr kreisförmige oder rechteckige Platten konfiguriert, obwohl auch "Dipol"-Patches und verschiedene andere Formen verwendet werden können. Während die Figuren hierin rechteckige Patchantennen darstellen, sind Antennensysteme, die andere Patchantennenkonfigurationen inkludieren, speziell Anordnungen von Patchantennen inkludieren, innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung.
In Betrieb funktioniert der untere Leiter 24 als eine Grundebene, und der obere Leiter 22 dient als die Abstrahlungsstruktur. Die Patchantenne ist typischerweise derart gestaltet, dass ihr Muster lotrecht zu dem Patch ist (ein Breitseitenstrahler), obwohl auch eine Endfeuerabstrahlung bewerkstelligt werden kann. Wie durch einen Durchschnittsfachmann verstanden wird, ist es durch richtiges Auswählen der bestimmten Patchform und Modus möglich, sowohl eine bestimmte Frequenz auszuwählen, bei der die Patchantenne mitschwingen wird als auch den Patch zu konfigurieren, ein positives Verstärkungs-Quasihalbkugel-Abstrahlungsmuster vorzusehen.
Wie auch durch einen Durchschnittsfachmann verstanden wird, können Patchantennen direkt durch Mikrostrip- oder Koaxialzuführungen oder indirekt über öffnungs-gekoppelte oder nachbarschafts gekoppelte Zuführungen gespeist werden. Während die Patchantennensysteme der vorliegenden Erfindung auf eine beliebige konventionelle Art und Weise gespeist werden können, werden in einer bevorzugten Ausführungsform Mikrostrip-Zuführungsleitungen verwendet, um Signale zu und von Antenne 20 zu koppeln. Wie hierin erörtert, erleichtert dieser Zuführungsansatz verschiedene kompakte Implementierungen der Antennen-Zuführungsschaltungstechnik einschließlich Implementierungen, die die Antennenzuführung und Anpassungsnetze in sehr großer Nähe zu Antenne 20 ansiedeln, wobei dadurch beliebige Streuinduktivitäten minimiert werden, die ein Antennenleistungsverhalten negativ beeinträchtigen könnten.
Wie durch einen Durchschnittsfachmann verstanden wird, strahlen konventionelle rechteckige Patchantennen hauptsächlich linear polarisierte Wellen aus, wenn konventionelle Zuführungsverfahren verwendet werden. Wie oben erörtert, können jedoch linear polarisierte Wellen für verschiedene Satellitenkommunikationsanwendungen ungeeignet sein, wo die relative Ausrichtung der Sende- und Empfangsantennen beliebig ist oder wo die Verbindungsbudgets dem Verlust in einen empfangenen Signalstärke nicht widerstehen können, was als ein Ergebnis von Faraday-Rotationseffekten auftreten kann. Es können jedoch Zirkularpolarisationen in Patchantennen durch Anregen zweier orthogonaler Modi mit einer 90°-Zeitphasendifferenz zwischen ihnen erhalten werden. In einem quadratischen Patch kann dies zweckdienlich durch Einspeisen des Patches an zwei angrenzenden Kanten, wie in 2(b) gezeigt, mit Signalen gleicher Amplitude, die in Phase um 90° getrennt sind, bewerkstelligt werden. Wie durch einen Durchschnittsfachmann verstanden wird, können verschiedene andere deale Zuführungsanordnungen verwendet werden, um Zirkularpolarisation in Patchantennen anderer Formen zu erhalten.
Während duale Zuführungsanordnungen verwendet werden können, um im wesentlichen ideale Zirkularpolarisation in Patchantennen anzuregen (und typischerweise die Bandbreite zu maximieren, die die Patchantenne bereitstellt), können die Komplexität der zusätzlichen Zuführung und die Wirkung, die sie auf erforderliche redundante Schaltungstechnik in dem Antennenteilsystem haben kann, Einzelzuführungsanordnungen attraktiv machen. Entsprechend ist in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Einzelzuführungspatchantenne vorgesehen, die Zirkularpolarisation durch Anregen zweier orthogonaler Degenerationsmodi von idealerweise gleichen Amplituden erreicht. Wie in Constatine Balinas, Antenna Theory Analysis and Design, p. 768, (2^nd Ed. 1997) erläutert, kann durch Gestalten des Patches, die richtige Asymmetrie aufzu weisen, die Antenne derart konfiguriert werden, dass ein Modus um 45° voreilen wird, während der andere um 45° nacheilen wird, was zu der 90°-Phasendifferenz führt, die für Zirkularpolarisation notwendig ist. In einem rechteckigen Patch kann dies durch richtiges Auswählen der relativen Länge der Seiten und des Standorts des Einzelzuführungspunkts bewerkstelligt werden.
Eine Einzelzuführungsausführungsform des Antennensystems der vorliegenden Erfindung wird in 3 veranschaulicht. In dieser Ausführungsform ist Patchantenne 20 von 1 eine Einzelzuführungspatchantenne 27, die durch eine Einzelzuführung 21 gespeist wird, und ist mit Sende- und Empfangsschaltungszweigen 30, 40 schaltbar verbunden, die vorgesehen sind, um eine Resonanz von Antenne 27 bei minimal zwei getrennten Frequenzen zu erleichtern. Wenn diese Ausführungsform von Antennensystem 27 in einem Satellitenkommunikationssystem verwendet wird, kann Sendeschaltungszweig 30 verwendet werden, um die Resonanzfrequenz von Antenne 27 zu ändern, ungefähr der Mittelfrequenz eines Sendefrequenzbandes zu entsprechen, während Empfangsschaltungszweig 40 ähnlich verwendet werden kann, um die Resonanzfrequenz der Antenne 27 zu ändern, ungefähr der Mittelfrequenz eines Empfangsfrequenzteilbandes zu entsprechen. Entsprechend sehen Sende- und Empfangsschaltungszweige 30, 40 Mittel zum Mitschwingen von Antenne 27 in zwei getrennten Frequenzbändern vor, um ein Patchantennensystem vorzusehen, das zum Unterstützen mobiler Kommunikationsanwendungen fähig ist, die getrennte Sende- und Empfangsfrequenzbänder verwenden.
In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 3 veranschaulicht wird, können Sende- und Empfangsschaltungszweige 30, 40 als Blindelemente implementiert werden, die mit Patchantenne 27 gekoppelt sind. Als Hintergrund wird in 4 die Ersatzschaltung von verschiedenen Zuführungen zu einer Patchantenne dargestellt. Wie durch einen Durchschnittsfachmann verstanden wird, ist die Resonanzfrequenz der Antenne die Resonanzfrequenz, die mit der Ersatzschaltung verbunden ist, die der Zuführung entspricht, die verwendet wird, um die Antenne anzuregen. Durch Koppeln von einer oder mehr zusätzlichen Blindkomponenten (z. B. einer anderen Kondensators oder Spule) seriell und/oder parallel zu der Zuführung zu Patchantenne 27 ist es entsprechend möglich, die Ersatzschaltung zu modifizieren, wobei dadurch die Resonanzfrequenz der Antenne geändert wird. Wenn eine Netzkapazitanz seriell oder parallel mit Antennenzuführung 21 gekoppelt ist, kann allgemein gesagt Antenne 27 abgestimmt werden, bei einer Frequenz mitzuschwingen, die höher als ihre natürliche Resonanzfrequenz ist. Wenn ähnlich eine Netzinduktanz seriell oder parallel mit Antennenzuführung 21 gekoppeslt ist, kann Antenne 27 abgestimmt werden, bei einer Frequenz mitzuschwingen, die niedriger als ihre natürliche Resonanzfrequenz ist. Wie durch einen Durchschnittsfachmann verstanden wird, müssen Sende- und Empfangsschaltungszweige 30, 40 nicht als ein oder mehr Kondensatoren oder Spulen implementiert werden, sondern können stattdessen als eine beliebige Kombination von Blindelementen implementiert werden, die die Resonanzfrequenz der Ersatzschaltung für Patchantenne 27 effektiv ändern.
Während 3 sowohl einen Sende- 30 als auch einen Empfangsschaltungszweig 40 darstellt, wird ein Durchschnittsfachmann angesichts der vorliegenden Offenlegung verstehen, dass die Patchantenne 27 gestaltet sein kann, bei ungefähr der Mittelfrequenz von entweder dem Sende- oder dem Empfangsfrequenzband mitzuschwingen. In diesem Fall ist es nur notwendig, Blindkomponenten in einen der Sende- 30 oder Empfangsschaltungszweige 40 zum Ändern der Resonanzfrequenz von Patchantenne 27 zu inkludieren, da die Antenne bereits auf eines der beabsichtigten Frequenzbänder eines Betriebs vorabgestimmt ist. Wenn z. B. Antenne 27 gestalten ist, in dem Empfangsfrequenzband mitzuschwingen, würde somit Empfangsschaltungszweig 40 dann lediglich eine Übertragungsleitung oder ein anderes Mittel zum Koppeln eines Signals, das von Antenne 20 empfangen wird, mit Kopplungsschaltungs-/Zweigauswahlvorrichtung 50 umfassen, da es nicht notwendig wäre, die Resonanzfrequenz von Antenne 27 während einer Operation in dem Empfangsmodus zu ändern.
Wie in 3 veranschaulicht, sind sowohl der Sende- als auch Empfangsschaltungszweig 30, 40 mit Patchantenne 27 gekoppelt. Entsprechend ist es möglich, dass empfangene Energie in den Sendeschaltungszweig 30 eingekoppelt werden kann oder dass Energie, die in die Antenne 27 von dem Sender 12 eingeführt wird, in den Empfangsschaltungszweig 40 gekoppelt werden kann. Ein derartiges Koppeln wird im allgemeinen als unerwünscht betrachtet, da es die Energie verringert, die zu der Antenne 27 für eine Sendung übertragen wird oder die zu dem Empfänger 14 übertragen wird, wenn der Kommunikationshandapparat 10 im Empfangsmodus arbeitet. Während die Blindelemente, die in Sende- und Empfangsschaltungszweigen 30, 40 inkludiert sein können, typischerweise helfen, derartige unerwünschte Kopplung zu reduzieren, können diese Komponenten nicht eine ausreichende Isolation für einige zellulare und Satellitentelefonanwendungen vorsehen.
Wie oben erörtert, kann entsprechend den Unterweisungen der vorliegenden Erfindung eine Schaltungszweigauswahlvorrichtung vorgesehen werden, um die elektrische Isolation zwischen Patchantenne 27 und dem "AUS"-Schaltungszweig weiter zu erhöhen (ein "AUS"-Schaltungszweig verweist auf den Sendeschaltungszweig 30, wenn das Benutzerendgerät im Empfangsmodus arbeitet, und verweist auf den Empfangsschaltungszweig 40, wenn das Endgerät im Sendemodus arbeitet). In der Ausführungsform von 3 ist eine Schaltungszweigauswahlvorrichtung als ein Sendeschalter 82, der zwischen Antenne 27 und Sendeschal tungszweig 30 zwischengestaltet ist, und ein Empfangsschalter 86, der zwischen Antenne 27 und Empfangsschaltungszweig 40 zwischengestaltet ist, implementiert. Während Perioden einer Sendung triggert Vorspannsteuerschaltung 110 Vorspannsignal 87, wobei dadurch Empfangsschalter 86 geöffnete wird, um einen Leerlauf zwischen Patchantenne 27 und Empfangsschaltungszweig 40 zu bilden. Wenn die Antenne im Empfangsmodus arbeitet, triggert ähnlich Vorspannsteuerschaltung 110 Vorspannsignal 83, wobei dadurch Sendeschalter 82 geöffnet wird, um einen Leerlauf zwischen Patchantenne 27 und Sendeschaltungszweig 30 zu bilden. Wenn ein derartiger Leerlauf vorgesehen wird, arbeitet der "EIN"-Schaltungszweig im wesentlichen als ob der "AUS"-Schaltungszweig nicht vorhanden wäre.
Wie durch einen Durchschnittsfachmann verstanden wird, muss die Schaltungszweigauswahlvorrichtung 80 von 1 nicht tatsächlich einen wirklichen Leerlauf vorsehen, um die Patchantenne 27 von dem Schaltungszweig 30, 40, der nicht in Verwendung ist, effektiv elektrisch zu isolieren; stattdessen muss Schaltungszweigauswahlvorrichtung 80 nur eine ausreichende Impedanz derart vorsehen, das nur eine minimale Menge an Energie in das Zuführungsnetz eingekoppelt wird, das nicht in Verwendung ist. Einem Durchschnittsfachmann sind verschiedene Mittel zum Vorsehen eines derartigen "Leerlaufs" bekannt, einschließlich elektrischer, elektromechanischer und mechanischer Schaltmechanismen, ebenso wie durch die Verwendung von Duplexern oder anderen Blind-Impedanzumformungsimplementierungen, die einem Durchschnittsfachmann bekannt sind. Wegen ihrer Zuverlässigkeit, geringen Kosten, kleinem physischen Volumen und einer Fähigkeit, bei den hohen Geschwindigkeiten ein- und auszuschalten, was durch aufkommende digitale Kommunikationsmodi einer Operation erforderlich ist, werden jedoch elektrische Schalter bevorzugt. Diese elektrischen Schalter können als kleine an einer Oberfläche befestigte Vorrichtungen auf der mit einer Leiterbahn oder Mikrostrip bedruckten Leiterplatte einfach implementiert werden, die die Sende- und Empfangsantennen-Zuführungsnetze 30, 40 enthält.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Schalter 82, 86 als PIN-Dioden implementiert. Eine PIN-Diode ist eine Halbleitervorrichtung, die als ein variabler Widerstand über einen breiten Frequenzbereich von dem Hochfrequenzband durch die Mikrowellenfrequenzbänder arbeitet. Diese Dioden haben einen Widerstand von weniger als 1 Ohm, wenn sie in einer Vorwärtsvorspannbedingung sind, wenn sie aber null- oder umgekehrt vorgespannt sind, verhalten sie sich als eine kleine Kapazität von ungefähr einem Picofarad parallel geschaltet durch einen großen Widerstand von so viel wie 10.000 Ohm. Wenn notwendig, kann diese Shunt-Kapazität in Antiresonanz sein. Somit agiert die PIN-Diode in dem Vorwärtsvorspannmodus als ein Kurzschluss, während die PIN-Diode im Umkehrvorspannmodus effektiv als ein Leerlauf agiert.
In einer alternativen Ausführungsform werden Galliumarsenid-Feldeffekttransistoren (GaAs-FETs) an Stelle von PIN-Dioden verwendet, um Schalter 82, 86 zu implementieren. Diese Vorrichtungen können gegenüber PIN-Dioden bevorzugt werden, da sie in einem Umkehrvorspannmodus arbeiten, wenn ein Vorspannsignal nicht vorhanden ist, wobei dadurch der Energieabfluss vermieden wird, der PIN-Dioden innewohnt, die einen Vorspannstrom für eine Vorwärtsvorspannoperation erfordern. Wie in 8 gezeigt, verwendet außerdem jeder GaAs-FET eine Spule für Antiresonanz und deshalb für eine Isolation des Schalters in dem "AUS"-Modus. Diese Operation erhöht die elektrische Isolation der "AUS"-Schaltungen beträchtlich. In dem "EIN"-Modus wird die Spule wünschenswert als ineffektiv erachtet, da sie durch den "EIN"-Widerstand des zugehörigen GaAs-FET kurz geschlossen wird. Des Weiteren werden die Drains und Sources der GaAs-FET-Schalter bei Gleichstrom-Erdpotenzial und Widerstand betrieben. Dieses Attribut macht diese GaAs- FETs frei von gewöhnlichen elektrostatische Auzfladungsproblemen, die typischerweise mit einer Verwendung von GaAs-FETs nahe Antennenschaltungstechnik verbunden sind.
In der Ausführungsform von 3 ist der Sender 12 mit Sendeschaltungszweig 30 über Sendeschalter 92 gekoppelt, und der Empfänger 14 ist ähnlich mit Empfangsschaltungszweig 40 über Empfangsschalter 96 gekoppelt. Wie bei oben beschriebenen Schaltern 82, 86 können Schalter 92, 96 als beliebige elektrische, elektromechanische und mechanische Schaltmechanismen implementiert werden, die einem Durchschnittsfachmann gut bekannt sind, ebenso wie durch die Verwendung von Duplexern oder anderen Blind-Impedanz-Umformungsimplementierungen, die einem Durchschnittsfachmann bekannt sind. Es werden jedoch erneut GaAs-FET- und/oder PIN-Dioden-Schalter aus den oben beschriebenen Gründen bevorzugt. Wie bei Vorspannsignalen 83, 87 werden Vorspannsignale 93, 27 durch Vorspannsteuerschaltung 110 gesteuert.
Wie oben erörtert, ist die verwendbare Bandbreite einer Patchantenne (die als die Bandbreite angegeben werden kann, für die das VSWR an dem Ausgang von Transceiver 12/14 geringer als gewisser Pegel ist) typischerweise in der Größenordnung von 1% oder weniger der Resonanzfrequenz. Dies tritt auf, da während die Antenne in der Mitte der Sende- und Empfangsfrequenzbänder typischerweise einen nahe Resonanzwiderstand hat, es eine hohe serielle äquivalente Reaktanz an den unteren und hohen Enden dieser Bänder gibt, wie allgemein in 5 gezeigt. Als ein Ergebnis dieser ansteigenden Reaktanz weg von der Resonanzfrequenz kann die Bandbreite der Antenne 20 unglücklicherweise kleiner als die Kommunikationsbandbreiten sein, die in aufkommenden zellularen und Satellitenkommunikationssystemen angegeben wird.
Wegen dieser Bandbreitebegrenzungen kann es wünschenswert sein, eine oder mehr Bandpass-Schaltungen zum Erhöhen der Bandbreite zu inkludieren, über die das Antennensystem 18 mit einem Stehwellenverhältnis unter einem gewissen angegebenen Pegel arbeiten wird. Eine derartige Impedanzanpassung ist möglich, da das Abstrahlungsmuster, das mit Antenne 20 in dem mobilen zellularen und Satellitentelefonsystem-Benutzerendgerät 10 in Verbindung steht, allgemein nicht erfordert, dass die Ansteuerpunktimpedanz mitschwingend ist, sondern stattdessen nur erfordert, dass eine vernünftige zugeordnete Anpassung zwischen Antennensystem 18 und Sender 12 oder Empfänger 14 vorgesehen wird. Somit können gemäß den Prinzipien dessen, was als "Fano's Law" bekannt wurde und die allgemein in R. M. Fano, "Theoretical Limitations on the Broadband Matching of Arbitrary Impedance", J. Franklin Inst., Februar 1950, S. 139–154 ausgeführt werden, Impedanzanpassungsschaltungen eingesetzt werden, um die Bandbreite zu erhöhen, über die die Impedanz von Antennensystem 18 und Sender 12 oder Empfänger 14 ausreichend angepasst ist, um eine akzeptable Kommunikationsqualität zu erlauben. Wie durch einen Durchschnittsfachmann verstanden wird, kann eine Vielfalt von unterschiedlichen Anpassungsnetzen eingesetzt werden, um eine derartige verbesserte Breitbandimpedanzanpassung vorzusehen. Allgemein werden computer-unterstützte Gestaltungstechniken verwendet, um eine optimale Topologie für das Impedanzanpassungsnetz abzuleiten und um Komponentenwerte zu bestimmen, wie in William Sabin, Broadband HF Antenna Matching with ARRL Radio Designer, QST MAGAZINE, August 1995, S. 33–36 erörtert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Impedanzanpassungsnetze als Teil von Sendeschaltungszweig 30 und Empfangsschaltungszweig 40 implementiert. Eine derartige Anordnung kann die Gesamtzahl von Blindkomponenten reduzieren, die erforderlich sind, um die Resonanzfrequenz von Antenne 20 zu justieren lind ihre Breit bandreaktion zu verbessern, wobei dadurch die Größe, das Gewicht, Leistungsanforderungen und Kosten des Antennensystems 18 reduziert werden. Eine derartige Implementierung von einem Antennensystem gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine derartige kombinierte Anpassungs- und Frequenzänderungsschaltungstechnik inkludiert, wird in 8 veranschaulicht.
Wie durch einen Durchschnittsfachmann verstanden wird, kann die Einbeziehung von Anpassungsschaltungstechnik häufig mit einer Einzelzuführungsausführungsform des Patchantennensystems 18 der vorliegenden Erfindung erforderlich sein, da der Einzelzuführungsansatz zum Generieren von zirkular polarisierten Wellenformen die Kommunikationsbandbreite, die durch Patchantenne 27 bereitgestellt wird, weiter begrenzen kann. Es wird jedoch verstanden, dass die gegenwärtige Erfindung die Einbeziehung von derartigen Anpassungsschaltungen in der Einzelzuführungsausführungsform nicht erfordert, noch dass die Einbeziehung von Anpassungsschaltungen auf die Einzelzuführungsausführungsformen der Antennensysteme der vorliegenden Erfindung begrenzt ist.
Eine Dualzuführungsausführungsform des Patchantennensystems 18 der vorliegenden Erfindung wird in 6 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist Patchantenne 20 von 1 eine Dualzuführungs-Patchantenne 25, die durch Quadratur-Zuführungen 23, 29 gespeist wird. Um die In-Phasen- und Quadratur-Phasensignale zu generieren, die verwendet werden können, um zirkular polarisierte Wellenformen vorzusehen, wird eine Kopplungsschaltungs-/Zweigauswahlvorriehtung 50 als ein Paar von 90°-Hybridkopplern 60, 70 implementiert. Wie in 6 veranschaulicht, hat 90°-Hybridkoppler 60 Eingänge 62, 64 und Ausgänge 66, 68. Eingang 62 ist mit der Sendesignalquelle 12 durch Koaxialkabel 63 gekoppelt, und Eingang 64 ist mit Masse durch einen Widerstandsabschluss 61 gekoppelt. Koppler 60 unterteilt das Eingangsquellensignal von Sender 12 in zwei Aus gangssignale gleicher Amplitude, die voneinander um 90° in Phase versetzt sind. Das Signal, das durch Ausgangsport 68 zugeführt wird, wird mit dem In-Phasenzweig 32 von Sendeschaltungszweig 30 gekoppelt, und das Signal, das durch Ausgangsport 66 zugeführt wird, wird mit Quadratur-Phasenzweig 34 von Sendeschaltungszweig 30 gekoppelt.
Wie auch in 6 veranschaulicht wird, können die Empfangsaspekte des Antennensystems auf eine Art und Weise implementiert werden, die den Sendeaspekten ähnlich ist, mit Ausnahme dessen, dass die Empfangskomponenten eingeführte Energie von Antenne 25 zu Empfänger 14 im Gegensatz zur Abgabe eines Signals zu der Antenne 20 für eine Abstrahlung kombinieren und abgeben. Entsprechend wird 90°-Hybridkoppler 70 mit Ausgangsports 72, 74 und Eingangsports 76, 78 verwendet, um die Energie zu kombinieren, die durch Patchantenne 25 empfangen wird, und diese eingeführte Energie zu Empfänger 14 abzugeben. Eingangsport 76 von 90°-Hybridkoppler 70 ist mit dem In-Phasenzweig 42 von Empfangsschaltungszweig 40 gekoppelt, und Eingangsport 78 ist mit dem Quadratur-Phasenzweig 44 von Empfangsschaltungszweig 40 gekoppelt. Ausgangsport 72 ist mit Empfänger 14 durch ein Koaxialkabel 73 gekoppelt, und Ausgangsport 74 ist mit Masse durch Widerstand 7d gekoppelt. Wie in 6 veranschaulicht, können Schaltungszweige 30, 40 und Schaltungszweigauswahlvorrichtung 80 auf eine Art und Weise implementiert werden, die der in 3 gezeigten und oben beschriebenen sehr ähnlich ist, mit Ausnahme der Tatsache, dass zwei von jeder Komponente erforderlich sind -- eine für den In-Phasenzweig und eine für den Quadratur-Phasenzweig.
Wie durch einen Durchschnittsfachmann verstanden wird, können 90°-Hybridkoppler 60, 70 auf eine Vielfalt von verschiedenen Wegen implementiert werden, wie etwa als verteilte Viertelwellenlängen-Übertragungsleitungen oder als konzentrierte Elementvorrichtungen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden 90°-Hybridsplitter/Kombinierer als konzentriertes Element, die an einem elektronischen Substrat mit Leiterbahn oder Mikrostrips befestigt sind, verwendet, da sie eine Phasendifferenz von nahezu genau 90° zwischen ihren jeweiligen Ausgangsports aufrechterhalten können. Dies ist von Vorteil, da wenn die Phasentrennung zwischen den Dualzuführungen 23, 29 von 90° abweicht, das Antennenmuster, das durch Patchantenne 25 vorgesehen wird, dazu tendiert, sich beträchtlich zu verschlechtern, und die Polarisation der Antenne elliptisch wird. Im Gegensatz dazu behalten verteilte Viertelwellenlängen-Zweigleitungskoppler oder andere Anordnungen, die Übertragungsleitungen nutzen, eine 90°-Phasendifferenz zwischen den Ausgangsports nur bei Frequenzen nahe Resonanz bei.
Während die Ausführungsform von 6 mehr Komponenten erfordert als die Ausführungsform, die in 3 dargestellt wird, reduziert die Verwendung von 90°-Hybridkopplern 60, 70 vorteilhafter Weise das effektive VSWR, das durch Sender 12 und Empfänger 14 gesehen wird, wobei dadurch sowohl der Verbindungsspielraum verbessert als auch die Betriebsbandbreite erhöht wird, über die die Antenne verwendet werden kann. Dies geschieht, da diese 90°-Hybridkoppler die Energie, die an den 0°- und 90°-Ports einfällt, auf einem derartigen Weg kombinieren, um das gewünschte Signal an dem Eingangsport von dem 90°-Hybridkoppler vorzulegen, während die reflektierten Signale in dem Widerstandsabschluss absorbiert werden. Entsprechend ist das VSWR, das an Sender 12 und Empfänger 14 gemessen wird, nur ein sehr minimaler Anteil von dem VSWR, das an den Ports der 90°-Hybridkoppler benachbart zu Antenne 25 gemessen wird. Außerdem ist in der Ausführungsform von 6 Schaltungszweigauswahlvorrichtung 80 als Paare 82, 84; 86, 88 von Funkfrequenz-GaAs-FET-Schaltern als ein Ergebnis der Anforderung nach In-Phasen- und Quadratur-Phasenzuführungen zu Antenne von 25 implementiert. Entsprechend ist die Leistung, die durch jeden Schalter 82, 84; 86, 88 gehandhabt wird, nur eine Hälfte der Leistung, die erforderlich wäre, wenn ein einzelner Schalter verwendet würde, um jeden von den getrennten Schaltungszweigen zu isolieren (wie es der Fall in der Ausführungsform von 3 ist). Dies ist bedeutsam, da gegenwärtig verfügbare GaAs-FETs einen Leistungspegel haben, über dem unerwünschte Signalkomprimierung auftreten kann, und die Ausführungsform von 6 reduziert die Möglichkeit dieses Auftretens durch die Anforderung, dass nur eine Hälfte der Leistung jeden GaAs-FET-Schalter 82, 84; 86, 88 durchläuft.
Eine alternative Dualzuführungsausführungsform von dem Antennensystem der vorliegenden Erfindung wird in 7 veranschaulicht. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 6 dargestellten Ausführungsform darin, dass ein einzelner 90°-Hybridkoppler 100 in Verbindung mit Schaltmitteln 92, 94, 96, 98 verwendet wird, um Signale zu und von Transceiver 12/14 mit Antenne 25 zu koppeln und den geeigneten Schaltungszweig 30, 40 auszuwählen. Wie in 7 veranschaulicht, ist 90°-Hybridkoppler 100 sowohl mit dem Sender 12 als auch Empfänger 14 durch Eingang 102 gekoppelt, während Eingang 104 mit einem Widerstandsabschluss gekoppelt ist. Ausgänge 106, 108 sind mit Schaltmitteln 92, 94, 96, 98 gekoppelt. Somit ist in dieser Ausführungsform nur ein einzelner 90°-Hybridkoppler 100 erforderlich, der mit Schaltmitteln 92, 94, 96, 98 arbeitet, um Antenne 25 einzuspeisen, und dieser Hybridkoppler 100 kann mit Transceiver 12/14 durch ein einzelnes Koaxialkabel 103 verbunden sein.
Das Zuführungsnetz, das in 7 veranschaulicht wird, arbeitet wie folgt. Während Perioden einer Sendung koppelt Transceiver 12/14 das zu sendende Signal mit 90°-Hybridkoppler 100, der das Quellsignal in zwei Ausgangssignale gleicher Amplitude unterteilt, die voneinander um 90° in Phase versetzt sind. Ausgang 106 koppelt das Signal mit Schaltern 94, 98 und Ausgang 108 koppelt das Signal mit Schaltern 92, 96. Vorspannsteuermechanismus 110 sendet Vorspannsignale 87, 89, 97, 99 aus, die Schalter 86, 88, 96, 98 anregen, wobei dadurch diese Schalter kurzgeschlossen werden. Zur gleichen Zeit verbleiben Schalter 82, 84, 92, 94 geschlossen (kurzgeschlossen), wobei dadurch dem Signal erlaubt wird gesendet zu werden, um die verbleibende Schaltungstechnik in dem Sendezweig für eine Sendung durch Antenne 25 zu durchlaufen. Wie durch einen Durchschnittsfachmann verstanden wird, arbeitet die in 7 veranschaulichte Ausführungsform im wesentlichen auf dem gleichen Weg, wenn im Empfangsmodus, mit Ausnahme dessen, dass Vorspannsteuermechanismus 110 Vorspannsignale 83, 85, 93, 95 aktiviert, die wiederum Schalter 82, 84, 92, 94 an Stelle von Schaltern 86, 88, 96, 98 kurzschließen. Eine mögliche Ausführungsform auf Schaltungsebene von dem in 7 dargestellten Antennensystem wird in 8 veranschaulicht.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können ein oder mehr zusätzliche Schaltungszweige hinzugefügt werden, um Kommunikationen in zusätzlichen Frequenzbändern vorzusehen. Z. B. könnte zusätzliche Fähigkeit eine Verwendung der Patchantenne mit dem konventionellen zellularen Transceiver in einem Satelliten-Zellular-Benutzerhandapparat und/oder eine Operation mit einem globalen Positionierungs-Satellit("GPS") Transceiver erleichtern. Um z. B. ferner eine GPS-Fähigkeit durch Patchantenne 20 in dem Satellitenendgerät-Handapparat von 1 vorzusehen, kann ein dritter Schaltungszweig 39 (in 1 nicht gezeigt) inkludiert sein, der mit einem GPS-Transceiver 19 gekoppelt ist (in 1 nicht gezeigt). Dieser dritte Schaltungszweig 39 ist mit Patchantenne 20 durch Schaltungszweigauswahlvorrichtung 80 gekoppelt. Wenn Benutzerendgerät 10 für Halbduplex-Satellitenkommunikationen verwendet wird, sieht Schaltungszweigauswahlvorrichtung 80 einen Leerlauf zwischen dem dritten Schaltungszweig 39 und Antenne 20 vor (ebenso wie zwischen wem auch immer von den Sende- oder Empfangsschaltungszweigen 30, 40, der nicht in Verwendung ist). Wenn jedoch GPS-Modus erwünscht ist, sieht Schaltungszweigauswahlvorrichtung 80 einen Kurzschluss zwischen Antenne 20 und dem dritten Schaltungszweig 39 vor, während Sende- und Empfangsschaltungszweige 30, 40 von Antenne 20 isoliert sind. Der dritte Schaltungszweig 39 kann dann verwendet werden, um, falls notwendig, die Resonanzfrequenz von Antenne 20 zu dem GPS-Frequenzband zu ändern, wobei dadurch GPS-Fähigkeit durch Patchantenne 20 vorgesehen wird.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Kopplungsschaltungs-/Zweigauswahlvorrichtung 50, Sende- und Empfangsschaltungszweige 30, 40 und Schaltungszweigauswahlvorrichtung 80 alle als an einer Oberfläche befestigte Komponenten an einer mit Leiterbahn oder Mikrostrip bedruckten Leiterplatte implementiert. In den Ausführungsform von 6 bis 8 ist es wünschenswert, dass eine Mehrschicht-Platine verwendet wird, die eine Grundschaltung zwischen ihren oberen und unteren Schichten inkludiert, wobei die Komponenten der 0°-Leitungszweige von dem Sende- und Empfangszweig an einer Seite der Platine befestigt sind, während die Komponenten der 90°-Leitungszweige von dem Sende- und Empfangszweig an der entgegengesetzten Seite der gedruckten Leiterplatte befestigt sind. An einem Ende der gedruckten Leiterplatte können ein oder mehr Kontakte vorgesehen sein, um die Zuführung(en) zu Patchantenne 25 zu der Zuführungsschaltungstechnik zu koppeln. An dem anderen Ende der gedruckten Leiterplatte wird eine Vorkehrung zum Befestigen von einer oder mehr Koaxialübertragungsleitungen von dem Sender 12 und Empfänger 14 getroffen.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung können außerdem Kopplungsschaltungs-/Zweigauswahlvorrichtung 50, Sende- und Empfangsschaltungszweige 30, 40 und Schaltungs zweigauswahlvorrichtung 80 alle oberhalb der Grundebene 24 von Patchantenne 20 benachbart zu Abstrahlungselement 22 implementiert sein. Durch diesen Ansatz ist es möglich, die Antennenzuführung und Anpassungsnetze in extrem enger Nähe zu Patchantenne 20 zu platzieren, wobei dadurch der Umfang an Streuinduktivität minimiert wird, die durch die elektrischen Verbindungen zwischen derartigen Anpassungs-/Zuführungsnetzen und Antenne 20 hinzugefügt wird. Vorzugsweise sind alle Elemente der Schalter, Zuführungsschaltungen, Anassungsschaltungen und anderen Nicht-Antennenkomponenten von Antennensystem 18 weniger als 3 Zentimeter von dem Ursprung von Antenne 20 positioniert. Wünschenswerter sind diese Komponenten weniger als 2 Zentimeter von dem Ursprung von Antenne 20 positioniert. Dieser Ansatz sieht auch potenziell das dünnste Antennenteilsystem 18 vor. Außerdem können die Empfänger-Vorauswahlvorrichtung, der Verstärker mit niedrigem Rauschen und der Hochleistungsverstärker in geeigneter Weise benachbart zu Abstrahlungselement 22 oberhalb Grundebene 24 implementiert sein, um Dicke und Streuinduktivitäten weiter zu reduzieren.

Claims

Dualbandantennensystem (18) zum Vorsehen elektrischer Signale zu einem Empfänger (14) und zum Senden elektrischer Signale von einem Sender (12) umfasend eine Patchantenne (20), einen ersten Schaltungszweig (30) mit mindestens einem Blindelement, das mit der Patchantenne (20) gekoppelt ist, zum Ändern der Resonanzfrequenz der Patchantenne (20) zu einer ersten Resonanzfrequenz; einen zweiten Schaltungszweig (40), der mit der Patchantenne (20) gekoppelt ist, der die Patchantenne (20) auf eine zweite Resonanzfrequenz abstimmt, wobei das Antennensystem (18) ferner umfasst: eine erste Anpassungsschaltung, die mit dem ersten Schaltungszweig (30) gekoppelt ist, zum Erhöhen der Betriebsbandbreite der Patchantenne (20) über die erste Resonanzfrequenz; eine zweite Anpassungsschaltung, die mit dem zweiten Schaltungszweig (40) gekoppelt ist, zum Erhöhen der Betriebsbandbreite der Patchantenne (20) über die zweite Resonanzfrequenz; Auswahlmittel (80) zum elektrischen Koppeln der Patchantenne (20) mit einem von den ersten oder zweiten Schaltungszweigen (30, 40), während der andere von den ersten oder zweiten Schaltungszweigen (30, 40) von der Patchantenne (20) elektrisch isoliert ist; und Kopplungsmittel (50) zum Koppeln des Signals von einem der ersten oder zweiten Schaltungszweige (30, 40) mit dem Empfänger (14) und zum Koppeln des Signal; von dem Sender (12) mit dem anderen der ersten und zweiten Schaltungszweige (30, 40); wobei die ersten und zweiten Schaltungszweige (30, 40) schaltbar mit der Patchantenne (20) gekoppelt sind.
Dualbandantennensystem (18) nach Anspruch 1, wobei das Kopplungsmittel (50) mindestens einen 90-Grad-Hydridkoppler umfasst.
Dualbandantennensystem (18) nach Anspruch 1, wobei die erste Anpassungsschaltung und der erste Shaltungszweig (30) eine einzelne Schaltung sind, und wobei die zweite Anpassungsschaltung und der zweite Schaltungszweig (30) eine einzelne Schaltung sind.
Dualbandantennensystem (18) nach Anspruch 1, wobei der zweite Schaltungszweig (40) mindestens ein Blindelement zum Ändern der Resonanzfrequenz der Patchantenne (20) zu der zweiten Resonanzfrequenz inkludiert.
Dualbandantennensystem (18) nach Anspruch 1, wobei die Patchantenne (20) durch eine erste Zuführung (23) und eine zweite Zuführung (29) angeregt wird, und wobei der erste Schaltungszweig (30) mindestens ein Blindelement, das mit der ersten Zuführung (23) gekoppelt ist, und mindestens ein Blindelement, das mit der zweiten Zuführung (29) gekoppelt ist, umfasst.
Dualbandantennensystem (18) nach Anspruch 1, wobei die Patchantenne (20) durch eine einzelne Zuführung (21) angeregt wird, und wobei die ersten und zweiten Schal tungszweige (30, 40) mit der einzelnen Zuführung (21) gekoppelt sind.
Dualbandantennensystem (18) nach Anspruch 5, wobei die ersten und zweiten Zuführungen (23, 29) zu der Patchantenne (20) orthogonal angeordnet sind und wobei die Patchantenne (20) in Phasenquadratur angeregt wird.
Dualbandantennensystem (18) nach Anspruch 1, wobei das Auswahlmittel (80) einen Schalter umfasst, der entlang jeder elektrischen Verbindung zwischen der Patchantenne (20) und den ersten und zweiten Schaltungszweigen (30, 40) zwischengeschaltet ist.
Dualbandantennensystem (18) nach Anspruch 8, wobei die Schalter GaAs-FET-Schalter sind, und wobei das Antennensystem (18) ferner einen Induktor umfasst, der mit jedem GaAs-FET für Gegenresonanz zu den GaAs-FET in einem Umkehrvorspannmodus in Verbindung steht.
Dualbandantennensystem (18) nach Anspruch 5, wobei das Antennensystem (18) ferner Schaltmittel (92, 94, 96, 98) zum Koppeln der Ausgänge des 90-Grad-Hydridkopplers (100) mit entweder dem ersten Schaltungszweig (30) oder dem zweiten Schaltungszweig (40) umfasst.
Dualbandantennensystem (18) nach Anspruch 5, wobei das Kopplungsmittel (50) einen Sende-90-Grad-Hydridkoppler (60) zum Koppeln des Signals von dem Sender (12) mit dem ersten Schaltungszweig (30) und einen Empfangs-90-Grad-Hydridkoppler (70) zum Koppeln des Signals von dem zweiten Schaltungszweig (40) mit dem Empfänger (14) umfasst.
Dualbandantennensystem (18) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen dritten Schaltungszweig zum Einstellen der Resonanzfrequenz der Patchantenne (20) auf eine dritte Resonanzfrequenz, und wobei das Auswahlmittel (80) ferner Mittel zum elektrischen Koppeln der Patchantenne (20) mit dem dritten Schaltungszweig umfasst, während die ersten und zweiten Schaltungszweige (30, 40) von der Patchantenne (20) elektrisch isoliert sind, und wobei die Kopplungsmittel (50) ferner Mittel zum Koppeln von Signale von dem dritten Schaltungszweig zu einem zweiten Transceiver umfassen.
Dualbandantennensystem (18) nach Anspruch 1, ferner umfassend mindestens ein mikroelektronischer Substrat, das sich über einer Grundebene in der Patchantenne (20) und benachbart zu einem Abstrahlungsleiter der Patchantenne (20) befindet, und wobei die Patchantenne (20), das Kopplungsmittel (50), der erste Schaltungszweig (30), der zweite Schaltungszweig (40) und das Auswahlmittel (80) auf dem mindestens einen mikroelektronischen Substrat sind.