SE518207C2 - Gles gruppantenn - Google Patents

Description

518 207 utan att generera gitterlober. Detta elånentgaller år emellertid inte optimerat för det endimensionella flerstrålesvepta gruppfallet. Referens till detta kan till exempel återfinnas i E. D. Sharp, "A triangular arrangement of planar- array elements that reduces the number needed", IEEE Trans. Antennas St Propagation, vol. AP-9, pp. 126 - 129, mars 1961.

De strålande elementen i en grupp antenn år ofta placerade i ett rektangulårt galler som illustrerats i Figur l. Elementrnellanrummen betecknas dx längs x-axeln och dy längs y-axeln. Strålriktníngarna erhålls genom transformation från elementrymden till strålrymden. Motsvarande strålmellanrum för antennen illustrerad i Figur 1 återfinns i Figur 2.

I detta fall pekar huvudstrålen i riktningen längs antennens normal. Strålar utanför den synliga rymden (dvs. utanför enhetscirkel) utgör gitterlober och de uppträder inte i synlig rymd så länge som strålen inte avsöks och elementmellanrummen år mindre än en våglängd långs båda axlarna (Ä/dx > l och 1./ dy > 1). För en stor grupp ges antalet strålande element i det rektangulårt arrangerade gallret approximativt av NR = A/(dxdy), där A år antennaperturens area.

Når huvudstrålen avsöks längs x-axeln, rör sig alla strålar i strålrymden i den positiva riktningen med ett vårde, vilket år lika med en funktion uttryckt som sinus av svepvinkeln (strålningsvinkeln). För varje horisontell rad i ett endimensionellt svep i x-riktningen kan vi uttrycka dessa sekundära maxima eller gitterloberna som x", =sin(6,)+m-dÅ, m=il,i2,.. .

X där xm år läget för loben m, 68 år svepvinkeln i förhållande till gruppens normal och dx år avståndet mellan elementen i horisontalplanet. Eftersom avståndet mellan lobema här år k/dx kommer det att inses att det största 518 207 'b elementavståndet för en svepvinkel som inte producerar några gitterlober inom det synliga området är í<___1___ a. 1+sm(e,,,_,) I ett fall illustrerat i Figur 3, kommer en andra stråle (gitterlob) in i synlig rymd förutom huvudstrålen. Detta kan undvikas genom minskande av elementmellanrummen längs x-axeln. När elementmellanrummen är mindre än en halv våglängd (dvs. Ä/dx > 2), kommer inga gitterlober att komma in i synlig rymd oberoende av svepvinkel eftersom |sin(6) | S 1.

Strålningselement placerade i ett triangulårt elementgaller med lika sidoavstånd visas i Figur 4. Det vertikala elementmellanrummet definieras som dy. En motsvarande strålrymd illustreras i Figur 5. Elementmellan- rummen får inte vara större än 1/ Jš våglängder (dvs. ett maximalt värde på dy är ungefär 0,58 våglängder) längs y-axeln (och 2dx är en våglängd längs x- axeln [lika med dyJš = 0.58-7~-«/š = k] ) för att undvika alstring av gitterlober för någon svepvinkel. Alltså är det optimala elementmellanrummet, dy, i ett triangulärt elementgaller med lika sidoavstånd för strålningselementen 1/ ß våglängd. För en stor grupp, är antalet strålningselement i det triangulårt arrangerade gallret approximativt givet av NT = A/ (Zdxdy). (Se även referensen E. D. Sharp nämnd ovan.) En reduktion av (NR-Nfl/NR = 13,4% är erhållbar för det triangulåra elementgallret med lika sidoavstånd jämfört med det fyrkantiga gallret med antagande av samma gitterlobfria svepvolym.

(NT = 4A/x20ch NR = zAJš/xZ .) Det finns emellertid fortfarande ett krav på en optimering av det strålande gallret i en gruppantenn för erhållande av en gles gruppantenn för kommunikationsbasstationsantenner, speciellt utan generering av gitterlober i synlig rymd. 518 207 SUMMLIlERIN G Den föreliggande uppfinningen visar en antenngrupp för en basstation för kommunikationssystem som presenterar ett glest elementgaller för endimensionell svepning av strålar eller flerstråldiagram, varvid strålningselementen delvis fyller en på förhand fastställd apertur för antennen för täckning av en sektor med en horisontell utsträckning.

Elementmellanrummen styrs huvudsakligen av svepningen i x-riktningen. I ett triangulärt elementgaller ökas elementmellanrummen längs y-riktningen till en storleksordning en våglängd (dy z k) med behållande fortfarande av en önskad apertur med låg gitterlobväxelverkan, och bibehållande av en halv väglängds mellanrum längs x-axeln ((dx z Ä/ 2). Detta motsvarar en reduktion av strålningselement med storleksordningen 50% jämfört med det fyrkantiga gallret med strålningselement anordnade med en halv våglängds mellanrum.

Genom att ta med i beräkningen och begränsa det horisontella svepet kan det vertikala mellanrummet ytterligare ökas för att erhålla ett optimalt glest antennelementgaller i en skapad endimensionellt svept grupp eller grupp med flera strålar t.ex. för basstationer i kommunikationssystem.

Vidare kan den föreliggande uppfinningen utnyttja elektronisk nedätlutning av de svepta loberna för att minimera interferens med närliggande celler i ett kommunikationsnät när den glesa gruppantennen i enlighet med den föreliggande uppfinningen används för basstationsdrift.

En endimensionell svept antennanordning eller antennanordning med flera strålar i enlighet med den föreliggande uppfmningen fastställs genom de bifogade oberoende patentkraven 1, 9 och 10 och ytterligare utföringsformer i enlighet med patentkravet 1 definieras av de beroende patentkraven 2 till 8.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Den föreliggande uppfinningen, tillsammans med ytterligare ändamål och fördelar med denna kan bäst förstås genom hänvisning till följande beskrivning läst tillsammans med de bifogade ritningarna, i vilka: FIG.

FIG.

FIG.

FIG.

FIG.

FIG.

FIG.

FIG.

FIG. 518 207 5 illustrerar en antenn som har strålningselement placerade i ett rektangulärt galler, illustrerar strålrymden för en grupp demonstrerad i Figur 1, illustrerar strálrymden för antennen illustrerad i Figur 1 när huvudstrålen avsöks längs x-axeln, illustrerar en antenn som har strålningselement i ett triangulärt elementgaller med lika sidoavstånd, illustrerar strålrymden för ett triangulärt elementgaller med lika sidoavstånd och med inga gitterlober i synlig rymd, illustrerar ett exempel på strålrymd för en grupp i enlighet med den föreliggande uppfinningen, illustrerar ett exempel på strålrymd för en antenn med fyra fasta svepta strålar längs x-axeln i enlighet med uppfmningen, illustrerar ett exempel på strålrymd för en gruppantenn med begränsat svep längs y-axeln i enlighet med uppfinningen, samt illustrerar en utföringsforrn av den glesa giruppantennanordningen med flera strålar i enlighet med den föreliggande uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningen visar en optimering av det strålande elementgallret i en gruppantennanordning vid svepning av en stråle i endast en dimension, t.ex. längs x-axeln i de illustrerade exemplen. I sådan fall styrs elementavståndet endast av den maximala svepvinkeln i x-riktningen. I det triangulära elementgallret kan utan alstring av gitterlober i synlig rymd element- avståndet längs y-axeln ökas till en våglängd (dy = k), som illustreras i Figur 518 207 b 6, medan en halv våglängds mellanrum längs x-axeln (dx) kan bibehållas.

Detta motsvarar en 50% reduktion av antalet strålningselement jämfört med ett galler arrangerat i en fyrkant och som har strålningselementen åtskilda med en halv våglängd. Den föreliggande konstruktionen resulterar i en enklare och billigare gruppantenn.

Som illustrerat i Figur 6, kommer gitterloberna nära synlig rymd endast för de yttersta strålriktningarna vid användningen av ett triangulärt galler jämfört med användning av ett rektangulärt galler. I det senare fallet påverkas den centrala strålen mest genom de horisontella gitterloberna (järnför med Figur 3).

En fördel med uppfinningen är att den kan utnyttjas i system där kraven på de yttersta strållågena är mindre kritiska ur systemsynpunkt. Till exempel reduceras huvudloben eftersom en gitterlob börjar komma in i synlig rymd. I dessa system kommer en sådan förstärkningsreduktion att vara en fördel för de yttersta strållägena, vid vilka, i normala fall, en elektrisk avtappning kan utföras eftersom dessa yttersta strålar skall vara svagare för att inte onödigtvis interferera med närliggande celler i ett kommunikationsnät.

Vidare, pekar gitterloben i en riktning som har låg störning i systemet.

Ur Figur 6 kan det ses med en vertikal separation dy = k och en horisontell separation 2dx = 7. att huvudloben ao kan svepas ut till 90° utan att få gitterlobema az - a4 att komma in i synlig rymd. I strålrymden skall det läggas på minnet att om till exempel avståndet dy ökas kommer det vertikala avståndet mellan gitterlobema att minska eftersom avståndet mellan de vertikala gitterloberna är Ä/ (dy). Följaktligen om det vertikala elementav- ståndet dy ökas kommer de två övre gitterlobema a1 och ag förflytta sig nedåt i ritningen, medan på samma sätt gitterlobema a4 och as kommer att röra sig uppåt. Med andra ord, om dy blir större ån Ä kommer yttrycket 7» / dy bli mindre än värdet 1 vilket motsvarar radien i cirkeln som indikerar synlig rymd. Alltså om huvudloben då sveps ut till 90° kommer gitterloberna ag och a4 att komma in i synlig rymd. Genom att luta huvudloben nedåt kan 518 207 7 gitterloben a4 fortfarande hållas utanför synlig rymd. Om svepvinkeln till exempel minskas till storleksordningen 60° kan gitterloben ag fortfarande hållas utanför synlig rymd för ett vertikalt avstånd dy > k.

Med en konstruktionsprocedur som inbegriper elementseparation i y- riktningen är det även möjligt att justera förstärkningen i de yttersta strållägena. Samtidigt bestämmer den totalt upptagna arean förstärkningen i en central stråle.

En konstruktionstillämpning för gruppantenner med flera strålar kommer att demonstreras där ett strålkluster alstras längs x-axeln. Detta illustreras i Figur 7 där fyra fasta strålar ao - do, alstrade med en gruppantenn kopplad till en Butler-matris, är åtskilda med lika avstånd i strålrymden.

Elementseparationen är en halv våglängd längs x-axeln och en våglängd längs y-axeln, dvs. 2dx = k och dy = k. Vidare som diskuterat ovan, i fallet när den maximala svepvinkeln 68 är mindre än 90 grader längs x-axeln, kan elementseparation längs y-axeln ökas ytterligare utan alstring av gitterlober i synlig rymd. Värdet beror matematiskt på sinus för maximala svepvinkeln, Om, som redan beskrivet i den tekniska bakgrunden ovan. Ett exempel visas i Figur 8, där den optimala elementseparationen längs y-axeln bestäms av dy/x = 1/y/(zsinaam ) - sinzaam )) Som indikerades i Figur 5 kan den centrala strålen även svepas i den vertikala riktningen. Alltså kan hela diagrammet elektriskt lutas nedåt.

Strålningselementseparationen behöver då emellertid reduceras något längs x-axeln eller y-axeln för att undvika alltför mycket influens av gitterlober i synlig rymd. I Figur 7 är fyra gitterlober (ag, a4, d1, ds) placerade längs en linje som nuddar enhetscirkeln, men gitterlobema är långt bort från de respektive svepta centralstrålarna ao, bo, co och do och kommer därför ha mycket liten inverkan på funktionen för en sådan antenn och antennens strålningsdiagram, eftersom dessa lober kommer att peka i mycket höga (ao, 518 207 U d1) och mycket låga (a4, ds) vinklar. Flörstärkningsreduktion för de avsedda loberna ao, do kan användas för anpassning av strålen till oinrädeskrav. Det skall emellertid fortfarande hållas i minnet att det teoretiskt erhållbara vertikala avståndet måste fortfarande reduceras något eftersom strålarna inte definierar en punkt utan har en viss utsträckning i strålrymden. Om det vertikala avståndet dy minskas som demonstrerat i Figur 8 kommer gitter- lobema ag, di respektive a4, as i Figur 7 att flyttas inom synlig rymd. Om sedan en nedåtlutning av diagrammet introduceras kommer ag, di flyttas ytterligare in i synlig rymd, medan a4, ds fortfarande kan hållas vid gränsen för synlig rymd.

Figur 9 illustrerar en utföringsform av den glesa gruppantennen i enlighet med de föreliggande visade förbättringarna. Antennen i Figur 9 illustrerar en 4x4 elements triangulär grupp, som på ett konventionellt sätt matas med hjälp av en 4 portars Butler-matris. Denna grupp presenterar en typisk horisontell elementseparation d; omkring 0,482” men en separation mellan antennelement i de vertikala kolumnerna kommer att variera beroende till exempel på den önskade maximala svepvinkeln. I en första utföringsform som täcker omkring 120 grader är en vertikal separation dy för strålningselementen ungefär 0,91. Kvantiteten k motsvarar en våglängd vid en övre frekvensgräns av ett använt frekvensband och det genererade stråldiagrammet i denna utföringsform lutas elektriskt nedåt en halv strålbredd under horisontlinjen. I en andra utföringsform av den Föreliggande antenngruppen som täcker 60 grader är en vertikal separation dy av strålningselementen ungefär 1,251, men då används ingen lutning av stråldiagrammet.

Det kommer att inses av fackmannen att olika modifikationer och ändringar kan göras av den föreliggande uppfinningen utan att avvika från dess omfattning, vilken definieras av de bifogade patentkraven.

Claims (10)

518 207 q PATENTKRAV

1. Gruppantenn för en radiobasstation i ett kommunikationssystem som innefattar en mångfald strålningselement som delvis fyller en på förhand fastställd apertur för antennen för att tillhandahålla täckning av en sektor med en horisontell utsträckning, kännetecknad av att sektorn täcks med åtminstone två smala strålar med olika fasta svepvinklar, att gruppens strålningselement är anordnade i ett triangulärt gitter, varvid deras separation i en horisontell riktning är proportionell mot en maximal svepvinkel för en huvudstråle i den horisontella riktningen, samt att ett strålningselementseparation i en vertikal riktning är åtminstone a faktor 0,7 av en strålvåglängd för att därmed reducera antalet strålningselement och bibehålla en önskad apertur med en låg gitterlobväxelverkan.

2. Gruppantenn enligt krav 1, kännetecknad av att sektorn täcks av en svepning av de åtminstone två smala strålarna.

3. Gruppantenn enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att sektorbredden är mer än 90° och de åtminstone två smala strålarna elektriskt lutas nedåt mindre än en strålbredd under horisonten.

4. Gruppantenn enligt krav 3, kännetecknar! av att elementseparationen i den vertikala riktningen ökas till åtminstone en faktor 0,85 av strålvåglängden och strållutningen begränsas till mindre än en halv strålbredd under horisonten.

5. Gruppantenn enligt krav 4, kännetecknad av att elementseparationen i den vertikala riktningen ytterligare ökas till åtminstone en strålvåglängd med ingen introducerad lutning av antennstrålen. 518 207 l 0

6. Gruppantenn enligt krav 5, kännetecknad av att elementseparationen i den vertikala riktningen väljs så att gitterlober åtminstone delvis går in i en synliga region i strålrymden för att därvid anpassa en antennförstärkning utanför en central region av sektorn till ett reducerat områdeskrav.

7. Gruppantenn enligt krav 5, kännetecknad av att sektorn centrala region är mellan 40 och 70% av sektorbredden.

8. Gruppantenn enligt krav 1, kännetecknad av att att sektorbredden är mer än 90° och de åtminstone två smala strålarna elektriskt lutas nedåt mindre än en strålbredd under horisonten, att elementseparationen i den vertikala riktningen ökas till åtminstone ungefär en faktor 0,85 av strälvåglängden och strålarnas lutning begränsas till mindre än en halv strålväglängd under horisonten, samt att en central region av sektorn är mellan 40 och 70% av sektorbredden.

9. Optimerad gruppantenn för en radiobasstation i ett kommunika- tionssystem för täckning av en sektor med en horisontell utsträckning, kännetecknad av att sektorn som skall täckas är ungefär 120 grader, att elementen i gruppen är arrangerade i ett triangulärt gitter, varvid deras individuella elementseparation i en horisontell riktning (dx) är omkring 0,487» och i en vertikal riktning (dy) ungefär 0,97% varvid 7. motsvarar en våglängd vid en övre frekvensgräns för ett använt frekvensband och genererade strålar elektriskt lutas nedåt en halv strålbredd under horisonten.

10. Optimerad gruppantenn för en radiobasstation i ett kommunika- tionssystem för täckning av en sektor med en horisontell utsträckning, kännetecknad av att sektorn som skall täckas är ungefär 60 grader, 518 207 I! att elementen i gruppen är arrangerade i ett triangulärt gitter, varvid deras individuella elementseparation i en horisontell riktning (dx) är ungefär O,487t och i en vertikal riktning (dy) ungefär 1,25?», varvid Ä motsvarar en våglängd vid en övre frekvensgräns för ett använt frekvensband.