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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Antennensystem und insbesondere,
jedoch nicht ausschließlich,
ein phasengespeistes Antennengruppensystem mit mehreren Antennenelementen,
die in mindestens zwei Unteranordnungen angeordnet sind. Das Antennensystem
ist zur Verwendung in vielen Telekommunikationssystemen geeignet,
findet jedoch insbesondere bei allgemein als Mobiltelefonnetze bezeichneten
zellularen Mobilfunknetzwerken Anwendung. Genauer kann das erfindungsgemäße Antennensystem
mit Mobilfunknetzwerken der dritten Generation (3G) und dem universellen
Mobiltelefonsystem (UMTS) verwendet werden.
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Die
Betreiber von zellularen Mobilfunknetzwerken nutzen im allgemeinen
ihre eigenen Basisstationen, die jeweils eine oder mehrere Antennen umfassen.
Bei einem zellularen Mobilfunknetzwerk sind die Antennen ein Faktor
bei der Definition des gewünschten
Versorgungsbereichs, der im allgemeinen in eine Anzahl überlappender
Zellen unterteilt ist, die jeweils einer jeweiligen Antenne und
einer Basisstation zugeordnet sind. Jede Zelle enthält eine
ortsfeste Basisstation, die mit Mobilfunkgeräten in der Zelle kommuniziert.
Die Basisstationen selbst sind durch andere Kommunikationseinrichtungen,
entweder Funkverbindungen oder Festnetzleitungen, miteinander verbunden
und in einer Gitternetz- oder Netzstruktur angeordnet, die es Mobilfunkgeräten im gesamten
Zellenversorgungsbereich ermöglichen, miteinander
sowie mit dem öffentlichen
Telefonnetz außerhalb
des zellularen Mobilfunknetzwerks zu kommunizieren.
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Die
für derartige
Netzwerke verwendeten Antennen sind häufig als phasengespeiste Antennengruppen
bekannte, zusammengesetzte Vorrichtungen, die mehrere (normalerweise
acht oder mehr) oder An ordnungen einzelner Antennenelemente oder
Dipole umfassen. Die Richtung der maximalen Empfindlichkeit der
Antenne, d.h. die vertikale oder horizontale Richtung des Hauptstrahls
bzw. die „Peilrichtung" des Antennenmusters,
kann durch Einstellen der Phasenbeziehung zwischen den Elementen verändert werden.
Dies hat die Wirkung, daß der
zu steuernde Strahl den Versorgungsbereich der Antenne verändern kann.
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Insbesondere
besteht bei Betreibern der phasengespeisten Antennengruppen von
zellularen Mobilfunknetzwerken die Notwendigkeit, das auch als „Neigung" der Antenne bekannte,
vertikale Strahlungsmuster (VRP, vertical radiation pattern) einzustellen,
da dies eine signifikante Wirkung auf den Versorgungsbereich der
Antenne hat. Die Einstellung des Versorgungsbereichs kann beispielsweise
aufgrund von Veränderungen
der Netzwerkstruktur oder des Hinzufügens oder Entfernens weiterer
Basisstationen oder Antennen innerhalb der Zelle erforderlich sein.
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Die
Einstellung des Neigungswinkels einer Antenne ist bekannt und wird
herkömmlicher
Weise in der Antenne selbst durch eine mechanische Einrichtung,
eine elektrische Einrichtung oder beides realisiert. Wird die Neigung
beispielsweise durch mechanisches Bewegen der Antennenelemente selbst oder
durch mechanisches Bewegen des Gehäuses der Elemente mechanisch
eingestellt, wird eine derartige Einstellung oft als „Einstellung
des Winkels der mechanischen Neigung" bezeichnet. Die Wirkung der Einstellung
des Winkels der mechanischen Neigung ist eine derartige Neuanordnung
der Peilrichtung, daß sie
entweder über
oder unter den Horizont ausgerichtet ist. Wird die Neigung durch
Einstellen der Phase der den Antennenelementen zugeführten Signale
ohne physisches Bewegen des Gehäuses der
Elemente, der Antennenelemente selbst oder eines anderen Teils des
Antennenradoms elektrisch eingestellt, wird eine derartige Einstellung
im allgemeinen als „Einstellung
des Winkels der elektrischen Neigung „ bezeichnet. Die Wirkung
der Einstellung des Winkels der elektrischen Neigung dient ebenfalls einer
derartigen Neuanordnung der Peilrichtung, daß sie entweder über oder
unter den Horizont ausgerichtet ist, doch in diesem Fall wird dies
durch Verändern der
zeitlichen Verzögerung
der jedem Element (bzw. jeder Gruppe von Elementen) in der Anordnung
zugeführten
Signale erreicht.
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Ein
Nachteil der mechanischen Einstellung des Winkels der elektrischen
Neigung ist, daß sie
an Ort und Stelle durch eine manuelle, mechanische Einstellung der
Antenne ausgeführt
werden muß.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Antenne
zu schaffen, durch die das vorstehend erwähnte Problem gelöst wird.
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In
der folgenden Beschreibung wird anstelle des bisherigen Begriffs „Antenne" der Begriff „Antennensystem" zur Beschreibung
eines Systems verwendet, das eine „Antennenbaugruppe", die eine Anordnung
von Antennenelementen ist, und eine Steuereinrichtung zur Steuerung
von den Antennenelementen der Antennenbaugruppe zugeführten Signalen
umfaßt.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird daher ein Antennensystem
geschaffen, das
eine Antennenbaugruppe mit einem elektrischen
Neigungswinkel und mehreren auf einem Antennenträger montierten und in mindestens
zwei Unteranordnungen, die jeweils ein oder mehr Elemente enthalten,
angeordneten Elementen,
eine Steuereinrichtung zum elektrischen
Steuern der Phase von mindestens einer der Unteranordnungen von
einem von der Antennen baugruppe entfernten Ort zugeführten Signalen,
die eine Phaseneinstelleinrichtung zum Herstellen einer Verbindung
zu einer jeweiligen der Unteranordnungen über eine erste und eine zweite
Eingangszuleitung zum Einstellen der Phase der ihr zugeführten Signale
umfaßt,
und
eine zusätzliche
mechanische Phaseneinstellanordnung zum weiteren Einstellen der
Phase der jedem Element der Antennenbaugruppe zugeführten Signale
umfaßt.
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Vorteilhafter
Weise kann die Antennenbaugruppe eine erste und eine zweite Phaseneinstelleinrichtung,
die jeweils über
die jeweilige erste bzw. zweite Eingangszuleitung mit einer jeweiligen
der Unteranordnungen verbunden sind, zum Einstellen der Phase der
der jeweiligen der Unteranordnungen zugeführten Signale umfassen.
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Typischer
Weise kann der Antennenträger ein
Mast sein.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
kann die Steuereinrichtung entfernt von der Antennenbaugruppe an
der Basis des Antennenträgers
angeordnet sein. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Steuereinrichtung
an einem von der Basis des Antennenträgers bzw. Masts entfernten
Ort angeordnet sein, der beispielsweise mehrere Kilometer entfernt
ist.
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Die
Steuereinrichtung kann einen einzigen Anschluß zum Empfangen eines einzigen
Eingangssignals und eine Einrichtung zum Teilen des Eingangssignals
in ein erstes und ein zweites geteiltes Signal zur Zufuhr zu einer
jeweiligen unter der ersten und der zweiten Phaseneinstelleinrichtung
aufweisen.
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Vorteilhafter
Weise umfaßt
das System ferner eine Einrichtung zur automatischen Steuerung der
Phase der der ersten der Anord nungen zugeführten Signale in Abhängigkeit
von der Phase der der zweiten der Anordnungen zugeführten Signale.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Elemente der Antennenbaugruppe in einer ersten, einer zweiten
und einer dritten Unteranordnung angeordnet, und das Antennensystem
umfaßt
eine
erste Steuereinrichtung zur Steuerung der Phase der der ersten Unteranordnung
zugeführten
Signale,
eine dritte Steuereinrichtung zur Steuerung der Phase
der der dritten Unteranordnung zugeführten Signale und
eine
zweite Steuereinrichtung zur automatischen Steuerung der Phase der
der zweiten Unteranordnung zugeführten
Signale in Abhängigkeit
von einer vorgegebenen Funktion der Phase der der ersten und der
dritten Unteranordnung zugeführten
Signale.
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Vorteilhafter
Weise ist die vorgegebene Funktion die Vektorsumme der Phase der
der ersten und der dritten Unteranordnung zugeführten Signale.
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Die
zweite Steuereinrichtung kann vorzugsweise eine Kombinationseinheit
zum Empfangen eines ersten Eingangssignals mit der Phase der der ersten
Unteranordnung zugeführten
Signale und eines zweiten Eingangssignals mit der Phase der der dritten
Unteranordnung zugeführten
Signale sowie zur Erzeugung eines an die zweite Anordnung auszugebenden
Ausgangssignals in Abhängigkeit
von der vorgegebenen Funktion der Phase der der ersten und der dritten
Unteranordnung zugeführten
Signale umfassen.
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Bei
einer Ausführungsform
ist die vorgegebene Funktion die Vektorsumme der Phasen der der ersten
und der dritten Unteranordnung zugeführten Signale.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
die zweite Steuereinrichtung mindestens eine Quadraturkombinationseinheit
zum Empfangen eines ersten Eingangssignals mit der Phase der der
ersten Unteranordnung zugeführten Signale
und eines zweiten Eingangssignals mit der Phase der der dritten
Unteranordnung zugeführten Signale
sowie zum Erzeugen eines ersten Ausgangssignals für ein Element
der zweiten Unteranordnung und eines zweiten Ausgangssignals für ein anderes
Element der zweiten Unteranordnung, wobei das erste und das zweite
Ausgangssignal von der vorgegebenen Funktion der Phase des ersten
und des zweiten Eingangssignals abhängen.
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Die
Quadraturkombinationseinheit kann so konfiguriert sein, daß die Phase
der von der Quadraturkombinationseinheit ausgegebenen Ausgangssignale
das Mittel der Phase des ersten und des zweiten Eingangssignals
ist.
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Die
erste Steuereinrichtung kann so beschaffen sein, daß sie die
Phase der der ersten der Unteranordnungen zugeführten Signale um eine erste
vorgegebene Größe steuert
und/oder einstellt, und die zweite Steuereinrichtung kann so beschaffen sein,
daß sie
die Phase der der zweiten der Unteranordnungen zugeführten Signale
um eine zweite vorgegebene Größe steuert
und/oder einstellt, wobei sich die Größe und/oder Polarität der zweiten
vorgegebenen Größe von denen
der ersten vorgegebenen Größe unterscheiden.
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Der
Antennenbaugruppe wird zweckmäßiger Weise
der maximale von zwei Signaleingängen
von der ersten und der zweiten Phaseneinstelleinrichtung zugeführt.
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Die
Antennenbaugruppe umfaßt
zweckmäßiger Weise
jeweilige, jeder Unteranordnung zugeordnete Signalverteilungseinrichtungen
zum Teilen und Verteilen der Signale auf die Elemente der zugehöri gen Unteranordnung.
Vorzugsweise umfaßt
jede der Signalverteilungseinrichtungen eine Teilanordnung zum Verteilen
der Signale auf eine oder mehrere der Unteranordnungen. Zweckmäßiger Weise
ist die Teilanordnung so beschaffen, daß sie die Signalstärke der
Signale in einer im wesentlichen gleichmäßigen Verteilung an die Unteranordnungen
verteilt, wodurch die Peilrichtungsverstärkung der Antenne erhöht wird.
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Bei
einer Ausführungsform
wird mindestens ein Ausgangssignal von der einer ersten Unteranordnung
zugeordneten Verteilungseinrichtung zur Erzeugung eines ersten und
eines zweiten kombinierten Ausgangssignals für ein erstes und ein zweites Element
einer zweiten Unteranordnung räumlich
mit mindestens einem Ausgangssignal von der einer dritten Unteranordnung
zugeordneten Verteilungseinrichtung kombiniert oder überlagert.
Das Kombinieren von Signalen kann einfach in der Luft erfolgen und
bietet den zusätzlichen
Vorteil, daß eine
höhere Peilrichtungsverstärkung und
niedrigere Seitenkolbenpegel erzielt werden können, insbesondere wenn das
System elektrisch geneigt wird.
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Die
zusätzliche
mechanische Phaseneinstellanordnung kann eine Anordnung beweglicher
dielektrischer Elemente umfassen. Der Signalweg zu jedem Element
der Anordnung kann ein zugeordnetes dielektrisches Element aufweisen,
das einzig für
dieses Element vorgesehen ist, oder ein dielektrisches Element mit
dem Signalweg zu einem weiteren der Elemente der Anordnung teilen.
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Jedes
Element weist eine ihm zugeordnete Eingangsübertragungsleitung auf, und
bei einer Ausführungsform
ist jedes der dielektrischen Elemente so beschaffen, daß es zur
Veränderung
der weiteren Phasenverschiebung der dem Element über die Übertragungslei tung zugeführten Signale
in bezug auf die zugehörige Übertragungsleitung
linear bewegt werden kann.
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Alternativ
ist jedes der dielektrischen Elemente so beschaffen, daß es zur
Veränderung
der weiteren Phasenverschiebung der dem Element über die Übertragungsleitung zugeführten Signale
relativ zu der zugeordneten Übertragungsleitung
gedreht werden kann.
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Die
zusätzliche
mechanische Phaseneinstellanordnung kann daher entweder drehbare
oder lineare Stelleinrichtungen zum Bewegen der dielektrischen Elemente
umfassen. Jede der zusätzlichen mechanischen
Phaseneinstellanordnungen kann identisch sein, wodurch bei einer
linearen oder drehenden Betätigung
der dielektrischen Elemente ein im wesentlichen übereinstimmendes Ausmaß an zusätzlicher
Phaseneinstellung an den jedem Element der Anordnung zugeführten Signalen
vorgenommen wird. Alternativ können
sich die einzelnen zusätzlichen
mechanischen Phaseneinstellanordnungen voneinander unterscheiden,
so daß eine
lineare oder drehende Betätigung
ein anderes Ausmaß an
zusätzlicher
Phaseneinstellung an den Signalen für jedes Element erzeugt.
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Die
in den vorstehenden Absätzen
beschriebenen, erfindungsgemäßen Systeme
bieten im Vergleich zu existierende Systemen mehrere Vorteile. Insbesondere
können
die Steuerung und/oder Einstellung der Phasen der jeder Unteranordnung
der Antennenbaugruppe zugeführten
Signale einfach und rasch und von einem von der Antennenbaugruppe
entfernten Ort erfolgen. Die Einstellung des Neigungswinkels einer
Antenne durch eine manuelle, mechanische Einstellung der Antennenelemente und/oder
des auf dem Antennenträger
montierten Antennengehäuses
bzw. des Masts selbst ist bekannt. Die vorliegende Erfindung bietet
den Vorteil, daß der
Neigungswinkel von einem vom Antennenmast entfernten Ort, beispielsweise
von ei ner Basisstation oder einem Kontrollzentrum an der Basis des Antennenmasts
oder von einer mehrere Kilometer vom Mast entfernt befindlichen
Basisstation, über eine
elektrische Einrichtung eingestellt werden kann. Überdies
ist das System für
Anwendungen für
mehrere Benutzer (d.h. mehrere Betreiber) geeignet, wobei jedem
Benutzer eine unabhängig
bedienbare Steuereinrichtung zur Verfügung gestellt wird und die Benutzersignale
in einer selektiven Frequenzkombiniervorrichtung kombiniert werden.
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Die
Erfindung bietet auch den Vorteil, daß die Verteilung von Phase
und Amplitude des jedem Antennenelement zugeführten Signals so gesteuert wird,
daß insbesondere
bei einer elektrischen Neigung des Systems eine verbesserte Steuerung
der Antennenverstärkung
und des Seitenkolbenpegels gegeben ist. Die Bereitstellung der mechanischen Phaseneinstelleinrichtung,
um beispielsweise die Phase der jedem Element der Anordnung zugeführten Signale
weiter einzustellen, bietet dem Benutzer eine Einrichtung zur Feineinstellung
des vertikalen Strahlungsmusters, wodurch eine weitere Optimierung
der Peilrichtungsverstärkung
und der Seitenkolbenpegel ermöglicht
wird.
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Dieser
Aspekt der Erfindung bietet im Vergleich zu anderen bekannten Techniken
auch den Vorteil, daß eine
Verringerung der Anzahl der zur elektrischen Einstellung der Neigung
der Antennenbaugruppe erforderlichen Bauteile sowie eine entsprechende
Verringerung der Komplexität
und der Kosten des Systems erreicht werden können.
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Für die Zwecke
der vorliegenden Beschreibung ist zu beachten, daß mit dem
Begriff „Benutzer" der Benutzer des
erfindungsgemäßen Systems
(d.h. der Systembetreiber) und nicht der Benutzer des Tele fongeräts zum Empfangen
und Senden von Signalen von und an das System gemeint ist.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend nur beispielhaft unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 das
vertikale Strahlungsmuster (VRP) einer bekannten phasengespeisten
Antennenbaugruppe;
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2 ein
schematisches Blockdiagramm einer bekannten Antennenbaugruppe mit
einer mechanischen Einrichtung zum Einstellen des elektrischen Neigungswinkels;
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3 ein
schematisches Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antennensystems
mit zwei Unteranordnungen;
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4 ein
schematisches Blockdiagramm einer praktischen Implementierung des
Antennensystems gemäß 3;
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5 ein
schematisches Blockdiagramm eines Antennensystems mit drei Unteranordnungen gemäß einer
alternativen Ausführungsform,
bei dem sich räumlich überlappende
Unteranordnungen verwendet werden;
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6 ein
schematisches Blockdiagramm eines Antennensystems mit drei Unteranordnungen, das
eine Alternative zu dem in 5 gezeigten
darstellt;
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7 ein
schematisches Blockdiagramm einer praktischen Implementierung des
Antennensystems gemäß 6;
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8 ein
schematisches Blockdiagramm eines Antennensystems mit fünf Unteranordnungen gemäß einer
weiteren alternativen Ausführungsform;
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9 eine
Ausführungsform
der mechanischen Phaseneinstellanordnung, die einen Teil des Systems
gemäß den 3 bis 8 bildet;
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10 eine
mechanische Phaseneinstellanordnung, die eine Alternative zu der
in 9 gezeigten darstellt;
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11 eine
weitere alternative Ausführungsform
eines Antennensystems mit drei Unteranordnungen zur Darstellung
von Einzelheiten der mechanischen Phaseneinstellanordnung gemäß 10;
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12 eine
weitere alternative Ausführungsform
eines Antennensystems mit drei Unteranordnungen zur Darstellung
von Einzelheiten der mechanischen Phaseneinstellanordnung gemäß 9; und
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13 ein
schematisches Blockdiagramm einer alternativen Form des erfindungsgemäßen Systems
mit einer Antennenbaugruppe mit dualer Polarität.
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In
den Zeichnungen werden übereinstimmende
Bezugszeichen zur Bezeichnung ähnlicher Teile
verwendet. In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung im Zusammenhang
mit einem Antennensystem beschrieben, das zur Verwendung in einem
zellularen Mobilfunknetzwerk und insbesondere dem universellen Mobiltelefonsystem
(UMTS) geeignet ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung
nicht auf eine derartige Verwendung beschränkt ist und ebenso auf andere
Kommunikationssysteme angewendet werden kann.
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1 zeigt
das vertikale Strahlungsmuster (VRP) einer herkömmlichen phasengespeisten Antennenbaugruppe.
Die Zeichnung zeigt eine Seitenansicht, und die Antennenbaugruppe
wird durch das Bezugszeichen 1 repräsentiert.
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Das
vertikale Strahlungsmuster der Antennenbaugruppe 1 besteht
aus einem Hauptkolben bzw. einer „Peilrichtung" 2, die
in einer vertikalen Ebene divergiert, da sie sich von der Antennenbaugruppe
weg erstreckt, und den Bereich des von der Antennenbaugruppe abgestrahlten
Strahls mit der maximalen Strahlungsintensität repräsentiert. Das vertikale Strahlungsmuster
der Antennenbaugruppe umfaßt
auch eine Reihe von Seitenkolben 4, die Regionen mit wesentlich
geringerer Strahlungsintensität repräsentieren,
die sich von der Antennenbaugruppe in Richtungen erstrecken, die
in einer vertikalen Ebene in etwa gleichwinklig beabstandet um die
Antennenbaugruppe verteilt sind. Die Kolben 3 unmittelbar neben
der Peilrichtung 2 werden jeweils als erster oberer und
erster unterer Seitenkolben bezeichnet.
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Der
Neigungswinkel der Antennenbaugruppe wird als „mechanischer Neigungswinkel" bezeichnet, wenn
er durch physisches Bewegen der Antennenelemente und/oder ihres
Gehäuses
bzw. ihrer Verkleidung mechanisch eingestellt wird, und wird herkömmlicher
Weise durch Neupositionieren der Peilrichtung so eingestellt, daß er entweder über oder unter
den Horizont ausgerichtet ist. Bei einer elektrischen Einstellung
werden die Neigung der Antennenbaugruppe als „elektrische Neigung" bezeichnet und die
Peilrichtung statt durch ein mechanisches Bewegen der Elemente selbst
durch Verändern
der zeitlichen Verzögerung
bzw. der Phase der den Gruppen von Elementen der Antenne zugeführten Signale nach
oben oder unten bewegt. Die zeitliche Verzögerung kann durch Verändern der
Phase des Funkfrequenzträgers
erzielt werden. Unter der Voraussetzung, daß die Phasenverzögerung proportional
zur Frequenz über
das betreffende Band ist und eine Unterbrechung von null aufweist,
erzeugt die Phasenverzögerung
eine zeitliche Verzögerung.
Phasenverschiebung und zeitliche Verzögerung sind daher Synonyme.
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Für des Lesers
Verständnis
der folgenden Beschreibung ist es vorteilhaft, darauf hinzuweisen, daß sowohl
die „elektrische
Neigung" als auch
die „mechanische
Neigung" entweder
durch eine elektrische Einrichtung oder durch eine mechanische Einrichtung
oder durch beides gesteuert und/oder eingestellt werden können, so
daß beispielsweise
eine mechanische Bewegung von Teilen zur Implementierung einer elektrischen
Phaseneinstellung verwendet werden kann, bei der die Antennenelemente
selbst zur Einstellung der Position der Peilrichtung nicht physisch
bewegt werden.
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In 2 ist
die Antennenbaugruppe eines bekannten Antennensystems mit einer
mechanischen Einrichtung zum Einstellen dies elektrischen Neigungswinkels
allgemein in Form eines schematischen Blockdiagramms dargestellt.
Die Antennenbaugruppe ist eine phasengespeiste Antennengruppe, die
aus einer Anordnung von zwölf
Elementen oder Dipolen E1–E12
besteht, die in drei durch A, B und C bezeichneten Unteranordnungen
angeordnet sind.
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Jede
Unteranordnung A, B, C umfaßt
vier Elemente, die parallelgeschaltet sind, und ist mit dem Ausgang
einer jeweiligen ersten, zweiten und dritten Verzögerungsvorrichtung 12, 14, 16 gekoppelt.
Die Verzögerungsvorrichtungen 12, 14, 16 umfassen herkömmliche,
mechanische Phaseneinstellmechanismen des in den 9 und 10 gezeigten
und nachstehend genauer beschriebenen Typs. Jeder der Verzögerungsvorrichtungen 12, 14, 16 wird
von einem gemeinsamen Funkfrequenzanschluß bzw. einer gemeinsamen Zuleitung
ein von der Antenne zu sendendes Funkfrequenzsignal (RF-Signal)
zugeführt.
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Die
Funktion der Verzögerungsvorrichtungen 12, 14, 16 ist
das Einstellen der Phase des der jeweiligen Unteranordnung A, B,
C zugeführten
Funkfrequenzsignals um einen vorgegebenen Betrag. Die mit der mittleren
Unteranordnung B verbundene zweite Verzögerungsvorrichtung 14 ist
eine Vorrichtung mit fester Verzögerung,
die so beschaffen ist, daß sie
die Phase des der Unteranordnung B zugeführten Signals um einen festen
Betrag verschiebt. Andererseits sind die jeweils mit den Unteranordnungen
A und C verbundene erste und dritte Verzögerungsvorrichtung 12, 16 verstellbare
Verzögerungsvorrichtungen,
von denen jede so betätigt
werden kann, daß sie
die Phase der den Unteranordnungen A und C zugefügten Funkfrequenzsignale jeweils
um einen verstellbaren Betrag verschiebt.
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Die
erste und die dritte Verzögerungsvorrichtung 12, 16 können typischer
Weise Phasenverschiebungen von 0 bis ±45° an dem den Unteranordnungen
A und C zugeführten
Funkfrequenzsignal vornehmen und sind mittels einer mechanischen
Anordnung 20 einstellbar, wie in den 6 und 7 gezeigt.
Die mechanische Anordnung 20 umfaßt eine unter 22 repräsentativ
dargestellte Einrichtung zur Umkehrung der Richtung der von der
dritten Verzögerungsvorrichtung 16 an
dem Signal vorgenommenen Phasenverschiebung im Vergleich zu der
von der ersten Verzögerungsvorrichtung 12 vorgenommenen.
Daher stimmt die von der ersten und der dritten Verzögerungsvorrichtung 12, 16 an
den Funkfrequenzsignalen vorgenommene Phasenverschiebung hinsichtlich
der Größe überein,
ist jedoch hinsichtlich der Polarität entgegengesetzt. Anders ausgedrückt verschiebt
die dritte Verzögerungsvorrichtung 16 die Phase
des der Unteranordnung C zugeführten
Signals um –45°, wenn die
erste Verzögerungsvorrichtung 12 die
Phase des der Unteranordnung A zugeführten Signals um +45° verschiebt.
Da die zweite Verzögerungsvorrichtung 14 eine
Vorrichtung mit fester Verzögerung
ist, wird in der Praxis eine Phasenverschiebung an dem der Unteranordnung
B zugeführten
Signal vorgenommen, die das Mittel der von der ersten und der dritten
Verzögerungsvorrichtung 12, 16 vorgenommenen
Verschiebungen ist.
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Der
elektrische Neigungswinkel einer derartigen Antennenbaugruppe schwankt
bei einer Phasenverschiebung von ±45° pro Unteranordnung typischer
Weise um ±5°. Dadurch
ergibt sich eine Neigungsempfindlichkeit von ca. 18° Phasenverschiebung
pro Grad elektrischer Neigung. Bei diesem Beispiel beträgt die elektrische
Neigung der Antennenbaugruppe daher ca. 5°, da die den Unteranordnungen
A und C zugeführten
Funkfrequenzsignale um 90° auseinander
liegen. Die Richtung der elektrischen Neigung der Antennenbaugruppe
hängt von der
Polarität
der an den den Unteranordnungen zugeführten Signalen vorgenommenen
Phasenverschiebung ab. Wenn das Signal für die obere Unteranordnung
(in diesem Fall die Unteranordnung A) eine positive Phase und das
für die
untere Unteranordnung (in diesem Fall die Unteranordnung C) eine negative
Phasenverschiebung aufweist, ist der elektrische Neigungswinkel
positiv, d.h. über
der normalen Peilrichtungslinie. Bei Phasenverschiebungen mit entgegengesetzter
Polarität
ist der elektrische Neigungswinkel negativ.
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Die
Antennenbaugruppe gemäß 2 hat eine
Reihe von Nachteilen. Insbesondere ist zum Einstellen der von der
ersten und der dritten Verzögerungsvorrichtung 12, 16 zur
Veränderung
des elektrischen Neigungswinkels der Antennenbaugruppe vorgenommenen
Phasenverschiebung eine manuelle Einstellung der mechanischen Anordnung 20 erforderlich. Überdies
ist die Größe der von
der ersten und der dritten Verzögerungsvorrichtung 12, 16 vorgenommenen
Phasenverschiebungen aufgrund des Einbaus einer gemeinsamen mechanischen
Einstellanordnung 20 stets übereinstimmend, während die Richtung
(Polarität)
stets entgegengesetzt ist, wodurch die Neigung der Antennenbaugruppe
eingeschränkt
ist. Zudem wird der Seitenkolbenpegel in bezug auf den der Peilrichtung
erhöht.
Dadurch wird die Verstärkung
der Antennenbaugruppe nachteilig verringert.
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In 3 ist
eine allgemein durch 100 bezeichnete, bevorzugte Form von
erfindungsgemäßem Antennensystem
in Blockform dargestellt. Bei dieser Ausführungsform umfaßt das Antennensystem
eine durch 102 bezeichnete Antennenbaugruppe und eine Steuereinheit 104.
Die Antennenbaugruppe 102 umfaßt eine phasengespeiste Antennengruppe mit
einer Anordnung von acht auf einem (nicht gezeigten) Antennenträger oder
Mast montierten Elementen E1 bis E8. Die Elemente E1 bis E8 sind
in zwei Unteranordnungen angeordnet: einer oberen Unteranordnung 100A,
die die Elemente E1 bis E4 umfaßt,
und einer unteren Unteranordnung, die die Elemente E5 bis E8 umfaßt. Die
Elemente in jeder der Unteranordnungen 100A, 100B sind
mit jeweiligen Signalverteilungseinrichtungen in Form von Verteilernetzwerken 151N1, 151N2 parallelgeschaltet. Die
Verteilernetzwerke 151N1, 151N2 werden jeweils über Trägerleitungen 120, 122 versorgt
und werden nachstehend im Einzelnen beschrieben.
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Die
Antennenbaugruppe 102 umfaßt zwei durch Quadrate 112, 114 repräsentierte
Eingangsanschlüsse,
die jeweils über
die jeweilige Eingangsträgerleitungen 120, 122 mit
dem jeweiligen Verteilernetzwerk 151N1, 151N2 verbunden
sind. Die Steuereinheit 104 umfaßt auch eine Eingangsteil-
und Kombinationseinheit 125, deren gemeinsamer Anschluß mit dem
Ausgang eines einzigen Funkfrequenzanschlusses 126 verbunden
ist. Die Eingangsteil- und Kombinationseinheit 125 weist
zwei Anschlüsse
auf, die jeweils über
erste und zweite Teilungsleitungen 128, 130 mit
einer ersten und einer zweiten Phaseneinstellvorrichtung 132, 134 verbunden
sind. Die erste Phaseneinstellvorrichtung 132 ist an ihrem
Ausgang über
eine erste Ein gangszuleitung 136 mit dem Eingangsanschluß 112 verbunden,
während
die zweite Phaseneinstellvorrichtung 134 über eine
zweite Eingangszuleitung 138 mit dem Eingangsanschluß 114 verbunden
ist. Der Antennenbaugruppe 102 werden daher von der Steuereinheit 104 über zwei
Zuleitungen Signale zugeführt.
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Zusätzlich zu
der von der ersten und der zweiten Phaseneinstellvorrichtung 132, 134 implementierten
Phasenverschiebung sind zusätzliche Phaseneinstelleinrichtungen 150E1–150E8 im
Signalweg zu jedem Element der Baugruppe vorgesehen, wobei jede
zusätzliche
Phaseneinstelleinrichtung 150E1–150E8 die Form einer
mechanischen Phaseneinstellanordnung des nachstehend unter Bezugnahme
auf 9 bzw. 10 genauer
beschriebenen Typs aufweist. Jede der mechanischen Phaseneinstellanordnungen 150E1–150E8 dient
der weiteren Einstellung der Phase der den einzelnen Elementen jeder
Unteranordnung 100A, 100B zugeführten Signale,
die mittels eines Servomotors 101 unter Steuerung einer
Servosteuereinheit 103 gesteuert wird. Die Servosteuereinheit 103 steuert
den Servomotor 101 über
ein Steuerkabel 206, das eine ausreichende Länge aufweist,
so daß die
Servosteuereinheit 103 einen von der Antennenbaugruppe 100 entfernt
angeordneten Teil der Steuereinheit 104 bilden kann.
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Die
Verteilernetzwerke 151N1, 151N2 sind in 4 genauer
gezeigt. Das der oberen Unteranordnung 100A zugeordnete
erste Verteilernetzwerk 151N1 umfaßt jeweils eine erste, eine
zweite und eine dritte Teil- und Kombinationseinheit 116A, 116B, 116C.
Die Eingangsträgerleitung 120 führt der
zweiten Teil- und Kombinationseinheit 116B ein Signal zu, die
einer jeweiligen unter der ersten und der dritten Teil- und Kombinationseinheit 116A, 116C ein
erstes und ein zweites Ausgangssignal mit im wesentlichen der gleichen
Stärke
zu führt.
Die erste und die dritte Teileinheit 116A, 116C unterteilen
das Signal ferner so, daß jede
ein erstes und ein zweites Ausgangssignal mit im wesentlichen der
gleichen Stärke
an eine jeweilige der Phaseneinstelleinrichtungen 150E1 bis 150E4 sendet.
Das zweite Verteilernetzwerk 151N2 für die untere Unteranordnung 100B umfaßt Teileinheiten 118A, 118B, 118C mit
identischem Aufbau. Der Aufbau der Teil- und Kombinationseinheit 116A–116C, 118A–118C stellt
eine gleichmäßige Verteilung
der Energie auf jedes der Elemente E1 bis E8 der Anordnung und damit
auch eine maximale Peilrichtungsverstärkung und eine Übereinstimmung des
Strahlenmusters sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus sicher.
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Gemäß den 3 und 4 wird
dem Eingang der Eingangsteileinheit 125 beim Betrieb vom Funkfrequenzanschluß 126 ein
von dem Antennensystem zu sendendes Signal zugeführt. Die Eingangsteileinheit 125 teilt
das Signal in zwei Ausgangssignale mit übereinstimmender Stärke und führt der
ersten und der zweiten Phaseneinstelleinrichtung 312, 134 jeweils
eines der geteilten Signale zu. Die erste und die zweite Phaseneinstelleinrichtung 312, 134 können betätigt werden,
um die Phase des ihr zugeführten
Signals innerhalb eines Bereichs von ±60° einzustellen. Jede Phaseneinstelleinrichtung 132, 134 wird
so gesteuert, daß die
zweite Phaseneinstelleinrichtung 134 so beschaffen ist,
daß sie eine
negative Phasenverschiebung an dem Signal vornimmt, wenn die erste
Phaseneinstelleinrichtung 312 so beschaffen ist, daß sie eine
positive Phasenverschiebung an dem Funkfrequenzsignal vornimmt, und
umgekehrt. Jede Phaseneinstelleinrichtung ist jedoch so beschaffen,
daß die
die Phase des ihr zugeführten
Signals unabhängig
einstellt, wodurch sich die Beträge
der von den einzelnen Phaseneinstelleinrichtungen vorgenommenen
Phasenverschiebungen voneinander unterscheiden können.
-
Das
phasenverschobene Signal von der ersten Phaseneinstelleinrichtung 312 wird
dem Eingangsanschluß 112 der
Antennenbaugruppe 102 über
die erste Zuleitung 136 zugeführt. Ähnlich wird das Signal mit
eingestellter Phase von der zweiten Phaseneinstelleinrichtung 134 dem
Eingangsanschluß 114 über die
zweite Zuleitung 138 zugeführt. In der Praxis können die
erste und die zweite Zuleitung 136 und 138 so
lang wie gewünscht
gehalten werden, so daß die
Steuereinrichtung 104 zum Einstellen des elektrischen Neigungswinkels
der Antennenbaugruppe 102 an einer von der Antennenbaugruppe
selbst entfernten Position angeordnet sein kann.
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Die
den Eingangsanschlüssen 112, 114 zugeführten phasenverschobenen
Signale werden der ersten und der zweiten primären Teileinheit 116B 118B jeweils über die
Eingangsträgerleitungen 120, 122 als
Signale Sa und Sb zugeführt.
Die erste primäre
Teileinheit 116B dient dem Teilen des Signals Sa und der
Zufuhr des geteilten Signals über
ihre beiden Ausgänge
an die Elemente der Unteranordnung 100A über die
Teileinheiten 116A, 116C der oberen Unteranordnung
und die zugeordneten Phaseneinstellanordnungen 151E1 bis 150E4.
-
Ähnlich dient
die zweite primäre
Teileinheit 118B der Unteranordnung dem Teilen des Signals
Sb und der Zufuhr des geteilten Signals über ihre beiden Ausgänge zu den
Elementen der Unteranordnung 100C über die Teileinheiten 118A, 118C der
unteren Unteranordnung und die zugehörigen Phaseneinstellanordnungen 151E5 bis 150E8.
-
Die
Art und Weise, wie die Signale Sa, Sb geteilt und auf die Elemente
der Antennenbaugruppe verteilt werden, ist für Fachleute aufgrund der Art
und Weise, in der die Teileinheiten miteinander verbunden sind,
augenblicklich ersichtlich. Dies bedeutet, daß die Si gnalstärke jedes
der beiden Signalausgänge
einer Teileinheit im wesentlichen der Hälfte der Stärke des Eingangssignals entspricht.
Daher stimmt die Signalstärke
des jedem der Elemente E1 bis E8 zugeführten Signals im wesentlichen überein.
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5 zeigt
eine zu der in den 3 und 4 gezeigten
alternative Ausführungsform,
bei der die Antennenbaugruppe 102 acht Antennenelemente
E1 bis E8 umfaßt,
die in drei Unteranordnungen angeordnet sind, nämlich einer oberen Unteranordnung 100A,
die die Antennenelemente E1 bis E3 umfaßt, einer mittleren Unteranordnung 100B,
die die Antennenelemente E4 und E5 umfaßt, und einer unteren Unteranordnung 100C,
die die Antennenelemente E6 bis E8 umfaßt. Jedes der Elemente E1 bis E4
(d.h. die drei Elemente der oberen Unteranordnung 100A und
ein Element der Unteranordnung 100B) erhält einen
Eingang vom Verteilernetzwerk 151N1 und weist jeweils eine
zusätzliche
Phaseneinstelleinrichtung 150E1–150E4 auf. Jedes
der Elemente E5 bis E8 (d.h. die drei Elemente der unteren Unteranordnung 100C und
eines der Elemente der mittleren Unteranordnung 100B) erhält einen
Eingang von dem anderen Verteilernetzwerk 151N2 und weist
jeweils eine zugeordnete zusätzliche
Phaseneinstelleinrichtung 150E5–150E8 auf. Die Signale
mit eingestellter Phase für
die Elemente 150E4 und 150E5 der mittleren Unteranordnung
werden durch räumliches
Kombinieren eines der Ausgangssignale des ersten Verteilernetzwerks 151N1 und
eines der Ausgangssignale des zweiten Verteilernetzwerks 151N2 in
Luft bei 160 abgeleitet. Eine Luftkombination der beiden
Signale zum Ableiten der Eingänge
der mittleren Unteranordnung 100B erfolgt, nachdem die Ausgangssignale
der Verteilernetzwerke 151N1, 151N2 die zugeordnete
Phaseneinstellanordnung 150E4, 150E5 passiert
haben.
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Die
Verteilernetzwerke 151N1, 151N2 gemäß 5 können im
wesentlichen identische Teilanordnungen umfassen, wie die in 4 gezeigten. Daher
werden die Ausgänge
der ersten Teileinheit 116A des ersten Verteilernetzwerks 151N1 den
Elementen E1 und E2 zugeführt,
und einer der Ausgänge
der dritten Teileinheit 116C wird dem Element E3 zugeführt. Werden
die Zuleitungen der Elemente E4 und E5 bei der Ausführungsform
gemäß 5 ausgetauscht,
wird der zweite Ausgang der dritten Teileinheit 116C des
ersten Verteilernetzwerks 151N1 dem Element E5 zugeführt. Ähnlich werden
die beiden Ausgänge
der dritten Teileinheit 118C des zweiten Verteilernetzwerks 151N2 den
Elementen E7 und E8 zugeführt,
und einer der Ausgänge
der ersten Teileinheit 118C wird dem Element E6 zugeführt. Werden
die Zuleitungen der Elemente E4 und E5 ausgetauscht, wird einer
der Ausgänge
der ersten Teileinheit 118A des zweiten Verteilernetzwerks 151N2 dem
Element E4 zugeführt.
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Durch
räumliches Überlagern
von zweien der Elemente der oberen und der unteren Unteranordnung 100A, 100C zum
Ableiten der Eingänge
der mittleren Unteranordnung 100B wird der Vorteil erzielt,
daß die
Phasenverteilung über
die Elemente der Anordnung eine nähere Annäherung an eine lineare Verteilung
ist. Dadurch können,
insbesondere wenn die Antenne elektrisch geneigt wird, eine höhere Peilrichtungsverstärkung und
niedrigere Seitenkolbenpegel erzielt werden.
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6 zeigt
eine weitere alternative Ausführungsform
der Antennenbaugruppe in Form einer Baugruppe mit verstellbarer
elektrischer Neigung und drei Untergruppen. Die Antennenbaugruppe 102 umfaßt zwölf Elemente
E1 bis E12, die so in drei Unteranordnungen 100A, 100B, 100C unterteilt
ist, daß jede
Unteranordnung jeweils vier Elemente E1 bis E4, E5 bis E8 und E9
bis E12 umfaßt.
Den in den Ausführungsformen
gemäß den 3 bis 5 gezeigten ähnliche
Teile sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden
nicht mehr genauer beschrieben. Die Eingangsträgerleitungen 120, 122 führen jeweils
primären
Teileinheiten 140A 140B, die jeweils zwei Ausgänge mit übereinstimmender
Stärke
liefern, jeweilige Signale Sa und Sb zu. Der erste Ausgang der ersten
primären
Teileinheit 140A ist mit einer ersten Ausgangsträgerleitung 106 und
der zweite Ausgang der ersten primären Teileinheit 140A mit
einem ersten Eingang einer Kombinationseinheit 124 verbunden.
Der erste Ausgang der zweiten primären Teileinheit 140B ist
mit einer zweiten Ausgangsträgerleitung 110 verbunden,
wogegen der zweite Ausgang der zweiten primären Teileinheit 140B mit
dem zweiten Eingang der Kombinationseinheit 124 verbunden
ist.
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Die
Kombinationseinheit 124 kann so betätigt werden, daß sie die
Vektorsumme der beiden Signale über
eine Ausgangsträgerleitung 108 ausgibt. Da
die Signalstärke
jedes der in die Kombinationseinheit 124 eingegebenen Signale
die Hälfte
von der der von der ersten und der zweiten primären Teileinheit 140A, 140B halbierten
Signale Sa, Sb beträgt,
hat das von der Kombinationseinheit 124 ausgegebene Signal
durch das Kombinieren der von der ersten und der zweiten primären Teileinheit 140A 140B ausgegebenen
Signale die gleiche Signalstärke
wie die beiden Signale Sa, Sb. Da die Kombinationseinheit 124 die
Vektorsumme der beiden Signale Sa, Sb erzeugt und die Phase der
Signale Sa, Sb unterschiedlich (d.h. mit entgegengesetzten Polaritäten) eingestellt wurde,
ist die Phase der von der Kombinationseinheit 124 über die
Leitung 108 ausgegebenen Signale zudem das Mittel der Phasen
von Sa und Sb. Überdies sendet
die Kombinationseinheit das Mittel der Phasen der Signale Sa, Sb
ohne Verlust der Signalleistung an die Untergruppe 100B.
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Die
Kombinationseinheit 124 sendet das Vektorsummensignal über die
Trägerleitung 108 an das
zweite Verteilernetzwerk 151N2, das wiederum über die
zugeordneten Phaseneinstelleinrichtungen 150E5 bis 150E8 Signale
an jedes der Elemente E5 bis E8 sendet. Durch diese Konfiguration
wird eine weitere Verbesserung der Phasenlinearität erzielt,
da der Ausgang der Kombinationseinheit 124 das Mittel der
Phase des Signals auf den Eingangsträgerleitungen 120, 122 ist.
Daher bleibt die den Elementen der mittleren Unteranordnung 100B (den
Elementen E5 bis E8) zugeführte
Gesamtenergie bei einer Phasendifferenz zwischen den Trägerleitungen 120, 122 im wesentlichen
konstant.
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7 zeigt
eine praktische Ausführungsform der
Antennenbaugruppe mit drei Untergruppen gemäß 6 zur genaueren
Darstellung der Verteilernetzwerke 151N1, 151N2, 151N3.
Die erste und die zweite Teileinheit 140A, 140B erhalten
Eingänge
von einer jeweiligen der Eingangsträgerleitungen 120, 122,
und jede der Teileinheiten 140A, 140B erzeugt zwei
Ausgangssignale. Das erste Ausgangssignal von der ersten Teileinheit 140A wird
zur Vornahme einer zusätzlichen
Phasenverschiebung von typischer Weise –45° bis –60° an dem Signal von der primären Teileinheit 140A einer
Phasenverschiebungseinheit 170A des ersten Verteilernetzwerks 151N1 zugeführt. Das
phasenverschobene Ausgangssignal wird einer Teileinheit 116B zugeführt, die
einen Teil der Teilanordnung 116A, 116B, 116C der
in 4 gezeigten Art bildet. Die Teilanordnung 116A, 116B, 116C führt den
Phaseneinstelleinrichtungen 150E1–150E4 jeweils Ausgangssignale
zu, so daß jedes
Element ein Signal mit einer im wesentlichen übereinstimmenden Stärke empfängt.
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Ein
zweiter Ausgang von der Teileinheit 140A wird einer weiteren
Teileinheit 172A zugeführt, die
einen Teil des zweiten Verteiler netzwerks 151N2 bildet
und den Eingang, den sie empfängt,
in ein erstes Ausgangssignal, das einem Eingang (A) einer ersten
Quadraturhybridkombinationseinheit 174 zugeführt wird,
und ein zweites Ausgangssignal teilt, das einem Eingang (A) einer
zweiten Quadraturkombinationseinheit 174B zugeführt wird.
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Die
zweite Teileinheit 140B sendet ein erstes Ausgangssignal
an eine weitere Teileinheit 172B, die einen Teil des zweiten
Verteilernetzwerks 151N2 bildet. Die weitere Teileinheit 172B sendet
ein Ausgangssignal an einen zweiten Eingang (B) der ersten Quadraturkombinationseinheit 174A und
einen zweiten Eingang (B) der zweiten Quadraturkombinationseinheit 174B.
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Sowohl
die erste als auch die zweite Quadraturkombinationseinheit 174A, 174B senden
ein erstes und ein zweites Ausgangssignal an die beiden Elemente
der mittleren Unteranordnung 100B: die erste Quadraturkombinationseinheit 174A sendet
Signale an die Elemente E5 und E6, und die zweite Quadraturkombinationseinheit 174B sendet
Signale an die Elemente E7 und E8. Die erste und die zweite Quadraturkombinationseinheit 174A, 174B stellen
sicher, daß die
Phase der an die Elemente E5 bis E8 gesendeten Signale das Mittel
der Phase der Signale auf den Eingangsträgerleitungen 120, 122 ist.
Wenn beispielsweise die dem Element E5 zugeführte Energie abnimmt, nimmt
die dem Element E6 zugeführte Energie
zu, wodurch die den Elementen E5, E6 zugeführte Gesamtleistung im wesentlichen
konstant bleibt.
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Ein
zweites Ausgangssignal von der zweiten Teileinheit 140B wird
durch eine zweite Phasenverschiebungseinheit 170B geleitet,
die einen Teil des dritten Verteilernetzwerks 151N3 bildet.
Die zweite Phasenverschiebungseinheit 170B nimmt eine Phasenverschiebung
von +45° (d.h.
mit der der Phasenverschiebungseinheit 170A entge gengesetzten
Polarität)
an einer Teileinheit 118B vor. Die Teileinheit 118B bildet
einen Teil der Teilanordnung 118A, 118B, 118C der
in 4 gezeigten Art und sendet jeweils Ausgangssignale
an die Phaseneinstelleinrichtungen 150E9–150E12 der
Elemente E9 bis E12 der unteren Unteranordnung 100C.
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8 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung, bei der die Antennenbaugruppe fünf Unteranordnungen 100A–100E umfaßt (d.h. eine
Baugruppe mit fünf
Unteranordnungen ist), wobei die dritte und vierte Unteranordnung 100B, 100D durch
räumliches Überlagern
der Elemente einer Baugruppe mit drei Unteranordnungen, wie der
in 6 gezeigten, realisiert werden und den in 6 gezeigten ähnliche
Elemente durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Eingangsträgerleitungen 120, 122 führen einer
ersten und einer zweiten primären
Teileinheit 140A, 14B jeweils Signale Sa, Sb zu.
Die erste Teileinheit 140A sendet ein erstes Ausgangssignal über eine
Ausgangsträgerleitung 106 an
ein erstes Verteilernetzwerk 151N1 und ein zweites Ausgangssignal
an eine Kombinationseinheit 124. Die zweite Teileinheit 140B sendet
ein erstes Ausgangssignal über
eine Ausgangsträgerleitung 110 an
ein drittes Verteilernetzwerk 151N3 und ein zweites Ausgangssignal
an eine Kombinationseinheit 124. Die Kombinationseinheit 124 sendet
ein Ausgangssignal über
eine Ausgangsträgerleitung 108 an das
zweite Verteilernetzwerk 151N2.
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Jedes
der Verteilernetzwerke 151N1, 151N2, 151N3 liefert
vier Ausgangssignale, von denen jedes über eine zugeordnete Phaseneinstellanordnung 150E1–150E12 an
ein Element der Anordnung gesendet wird. Eines der Ausgangssignale 180A des ersten
Verteilernetzwerks 151N1 wird durch Kombinieren der Signale
in der Luft räumlich
mit einem der Ausgangssignale 180B des zweiten Verteiler netzwerks 151N2 überlagert,
um die Signale für
die Elemente E4 und E5 der Unteranordnung 100B zu erzeugen. Ähnlich wird
eines der Ausgangssignale 180C des zweiten Verteilernetzwerks 151N2 durch Kombinieren
in der Luft räumlich
mit einem der Ausgangssignale 180D des dritten Verteilernetzwerks 151N3 überlagert,
um die Signale für
die Elemente E8 und E9 der Unteranordnung 100D zu erzeugen. Die
Konfiguration gemäß 8 bietet
eine weitere Verbesserung der Phasenlinearität über die Elemente E1–E12 sowie
der Peilrichtungsverstärkung
und der Seitenkolbenunterdrückung,
wenn die Baugruppe elektrisch geneigt wird.
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In
der Praxis kann das Verteilernetzwerk 151N1 gemäß 8 die
Teilanordnung 116A, 116B, 116C und die
Phasenverschiebungseinheit 170A gemäß der in 7 gezeigten
Ausführungsform
umfassen, und das dritte Verteilernetzwerk 151N3 kann die Teilanordnung 118A, 118B, 118C und
die Phasenverschiebungseinheit 170B gemäß der in 7 gezeigten
Ausführungsform
umfassen. Die Kombinationseinheit 124 und das zweite Verteilernetzwerk 151N2 können die
erste und die zweite Teileinheit 172A, 172B und
die erste und die zweite Quadraturkombinationseinheit 174A, 174B umfassen,
wie vorstehend unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
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Die 9 und 10 zeigen
bekannte Vorrichtungen zur mechanischen Einstellung der Phase des
jedem Element der Antennenbaugruppe zugeführten Signals. Entweder eines
dieser Verfahren oder beide können
für die
Antennenbaugruppen gemäß den 3 bis 8 als
Phaseneinstellanordnungen 150E1–150En verwendet werden
(wobei n die Anzahl der Elemente der Antennenbaugruppe repräsentiert).
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Gemäß 9 wird
die mechanische Einstellung der Phase eines Signals auf einer Übertragungsleitung
durch eine lineare Bewe gung eines Elements aus einem dielektrischen
Material unter der Übertragungsleitung
realisiert. Die mechanische Einstellanordnung 601 umfaßt eine
Basisplatte 602, über
die die Übertragungsleitung
T zum Antennenelement verläuft,
und eine im allgemeinen ebene Platte 604 aus einem dielektrischen
Werkstoff, die zwischen der Basisplatte 602 und der Übertragungsleitung
T angeordnet ist. Die allgemein als „Keil" bezeichnete Platte 604 aus
dem dielektrischen Werkstoff ist im allgemeinen rechteckig mit einem
aus einer ihrer Längskanten
geschnittenen, dreieckigen oder V-förmigen Segment 606.
Der Keil 604 ist in bezug auf die Basisplatte 602 und
die Übertragungsleitung
T in einer durch den Pfeil A dargestellten, im allgemeinen quer
zur Übertragungsleitung
T verlaufenden Richtung beweglich. Aufgrund seiner Form veranlaßt eine
lineare Bewegung des Keils 604, daß ein größere oder kleinere Menge des
dielektrischen Werkstoffs zwischen der Übertragungsleitung und der
Basisplatte 602 angeordnet wird, wodurch veranlaßt wird,
daß die
Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Phase jedes Signals auf
der Übertragungsleitung
T um einen von der linearen Position des Keils abhängigen Betrag
verschoben wird. Eine derartige lineare Bewegung wird normalerweise
von einem linearen Stellglied in Form eines Servo- oder anderen Bewegungswandlers
ausgeführt.
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Der
Betrag der an dem Signal auf der Übertragungsleitung T vorgenommenen
Phasenverschiebung wird durch die Position des Keils 604 unter
der Übertragungsleitung
T und den „Keilwinkel", d.h. den Innenwinkel
der in den Keil geschnittenen V-Form, eingestellt.
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10 zeigt
eine allgemein durch 701 bezeichnete, mechanische Phaseneinstellanordnung, die
so betätigt
werden kann, daß die
zeitliche Verzögerung
der Übertragung
und damit die Phase eines Signals auf einer Übertragungsleitung mittels
einer Drehbewegung ei ner beweglichen Länge einer Übertragungsleitung verschoben
wird, die kapazitiv mit einer festen Leitungslänge gekoppelt ist. Die Anordnung 701 umfaßt eine
Basisplatte 702, auf deren Oberseite sich eine Schicht 704 aus
einem dielektrischen Werkstoff befindet. Eine feste Länge der Übertragungsleitung
T bildet mit der Basisplatte 702 und der dielektrischen
Schicht 704 eine Übertragungsleitung.
Die Übertragungsleitung
ist unterbrochen, um zwei Abschnitte T1, T2 der Übertragungsleitung zu erzeugen,
wobei sich der erste Abschnitt T1 zur Erzeugung eines Umfangsquadranten
eines Kreises mit einem Radius R über die dielektrische Schicht 704 erstreckt
und sich der zweite Abschnitt T2 zur Erzeugung eines Umfangsquadranten
eines Kreises mit einem Radius r über die dielektrischen Schicht 704 erstreckt.
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Eine
ebene Platte 706 aus einem dielektrischen Werkstoff ist über der Übertragungsleitung
T angeordnet und relativ zu dieser um eine zur Mitte des vom ersten
und vom zweiten Abschnitt T1, T2 der Übertragungsleitung definierten
Kreises koaxiale Achse drehbar. Die dielektrische Platte 706 trägt eine U-förmige Länge der Übertragungsleitung
U mit einem ersten Arm U1, der einen Umfangsquadranten eines Kreises
mit einem Radius R bildet, und einen zweiten Arm U2, der einen Umfangsquadranten
eines Kreises mit einem Radius r bildet.
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Die Übertragungsleitungen
T, U sind über
die dielektrische Platte 706 miteinander gekoppelt, und eine
Phaseneinstellung eines Signals auf der Übertragungsleitung T kann durch
Drehen der dielektrischen Platte 706 zum Einstellen der
Position der Übertragungsleitung
U in bezug auf die Übertragungsleitung
T veranlaßt
werden. Wird die Platte um 90° gedreht,
verändert
sich die Kopplung zwischen den beiden Übertragungsleitungen und damit
die effektive Länge
der Übertragungsleitung
zum Antennenelement, wodurch die Phase des Signals auf der Übertragungsleitung
verschoben wird.
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Obwohl
dies in 10 nicht gezeigt ist, kann die
Vorrichtung gemäß 10 zur
Steuerung der Phase von mehr als einem Antennenelement verwendet
werden. Damit eine derartige Vorrichtung die Phase der Signale auf
zwei getrennten Übertragungsleitungen
steuern kann, könnte
beispielsweise eine zweite Anordnung von Übertragungsleitungen T, U auf
dem gegenüberliegenden
Quadranten der dielektrischen Platte 706 angeordnet werden.
Die für
jedes Antennenelement bzw. jede Gruppe von Elementen vorgenommene
Phasenverschiebung kann entweder mittels des Radius der Übertragungsleitung T,
U auf jeder Platte oder durch die mechanische Kopplung zwischen
den Übertragungsleitungen
oder durch beides eingestellt werden.
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11 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung, bei der die Anordnung der Teileinheiten eine sogenannte „Stammbaumkonfiguration" ist, die die Zufuhr
von Signalen mit übereinstimmender
Stärke
zu jedem der Elemente der Baugruppe ermöglicht. Eine derartige Konfiguration
ist geeignet, wenn eine Phaseneinstellung der einzelnen Antennenelemente
erfolgt, da zur Maximierung der Peilrichtungsverstärkung keine
kosinusquadrierte Spannungsverteilung erforderlich ist.
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Bei
dieser besonderen Ausführungsform
besteht die Antennenbaugruppe aus acht Elementen E1 bis E8, wobei
eine obere Unteranordnung 100A die Elemente E1 bis E3,
eine mittlere Unteranordnung 100B die Elemente E4 und E5
und eine untere Unteranordnung 100C die Elemente E6 bis
E8 umfaßt
(d.h. es handelt sich um ein System mit drei Unteranordnungen).
Eine Ferneinstellung des elektrischen Neigungswinkels der Antennenbaugruppe wird
mittels einer Servo steuerung der mechanischen Phaseneinstellvorrichtung
in Kombination mit einer von einer elektrischen Einrichtung an den
den Antennenelementen zugeführten
Signalen vorgenommenen Differentialphasenverschiebung realisiert.
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Die
Steuereinheit 104 der Basisstation, die die Eingangsteil- und Kombinationseinheit 125,
den Funkfrequenzanschluß 126 und
die (nicht dargestellte) erste und die zweite Phaseneinstelleinrichtung 132, 134 umfaßt, führt den
Eingangsanschlüssen 112, 114 über die
erste und die zweite Zuleitung 136, 138 jeweils
das erste und das zweite phasenverschobene Signal Sa, Sb zu. Die
Eingangsanschlüsse 112, 114 führen die
Signale jeweils den Eingangsträgerleitungen 120, 122 zu.
Die phasenverschobenen Signale Sa und Sb auf den Eingangsträgerleitungen 120, 122 werden
jeweils der ersten und der zweiten primären Teileinheit 116, 118 zugeführt. Die
Teileinheiten sind so angeordnet, daß jeder Ausgang der ersten und
der zweiten primären
Teileinheit 116, 118 mit dem Eingang einer jeweiligen
Teileinheit in einer zweiten Reihe von Teileinheiten 116A, 116B, 118A, 118B verbunden
ist.
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Die
beiden Ausgänge
der Teileinheit 116A sind jeweils über eine der in 10 gezeigten ähnliche
erste Phaseneinstellanordnung D1 mit den Antennenelementen E1 und
E2 verbunden. Der erste Ausgang der Teileinheit 116B ist über eine
zweite Phaseneinstellanordnung D2 mit dem Antennenelement E3 verbunden.
Der zweite Ausgang der Teileinheit 116B ist, wie der erste
Ausgang der Teilereinheit 118A, mit einem ersten Eingang
der Kombinationseinheit 124 verbunden. Die Kombinationseinheit 124 weist
zwei Ausgänge
auf, die jeweils über
die zweite und die dritte Phaseneinstellanordnung D2, D3 mit den
Elementen E4 und E5 verbunden sind. Der zweite Ausgang der Teileinheit 118A ist über die
dritte Phaseneinstellanordnung D3 mit dem Element E6 verbunden,
während
die beiden Ausgänge
der Teileinheit 118B jeweils über eine vierte Phaseneinstellanordnung
D4 mit den Elementen E7, E8 verbunden sind.
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Gemäß 11 wird
eine Drehung der Platten der Phaseneinstellanordnungen D1 bis D4
durch eine lineare Bewegung eines schwenkbar und exzentrisch an
jeder der rotierenden Platten 706 der mechanischen Phaseneinstellanordnungen 701 montierten
Betätigungsarms 200 realisiert.
Die lineare Bewegung des Betätigungsarms 200 kann
beispielsweise durch den Servomotor 101 ausgeführt werden,
der von der Stervosteuereinheit 103 gesteuert wird. Das
Steuerkabel 206 kann jede gewünschte Länge aufweisen, wodurch der
Servomotor 103 von einem von der Antennenbaugruppe 100 entfernten Ort
aus gesteuert werden kann. Die Phaseneinstellanordnungen D1 bis
D4 können
so konfiguriert sein, daß eine
Bewegung der jeweiligen Platten über
einen einzigen Steuerungspunkt bei jeder Platte zu einem im wesentlichen übereinstimmenden
Grad an Drehung führt.
Es können
jedoch abhängig
von der Kopplung zwischen den Übertragungsleitungen
T, U jedes Phaseneinstellmechanismus unterschiedliche Beträge an Phasenverschiebung
an den Signalen für jedes
Antennenelement vorgenommen werden.
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12 zeigt
eine Ausführungsform
des Antennensystems mit drei Unteranordnungen, bei dem die mit jedem
Antennenelement E1 bis E8 verbundene, mechanische Phaseneinstellanordnung 601 ein dem
in 9 gezeigten ähnlicher
Mechanismus ist und bei dem zur Implementierung einer individuellen mechanischen
Neigung jedes Elements E1 bis E8 eine höhere Anzahl an mechanischen
Einstellanordnungen erforderlich ist. Anders ausgedrückt unterscheidet
sich die in 12 gezeigte Ausführungsform
von der gemäß 11 dadurch,
daß jedem
Element E1 bis E8 ein unabhängig
und separat bewegliches dielektrisches Element zugeordnet ist. Wie
vorstehend beschrieben, sind ein Servomotor 101 und eine
Servosteuereinheit 103 vorgesehen, und wieder wird mittels
einer Servosteuerung der mechanischen Phaseneinstellanordnungen 601 über das
Steuerkabel 206 in Kombination mit einer an den den Antennenelementen
E1 bis E8 zugeführten
Signalen Sa, Sb vorgenommenen Differentialphasenverschiebung eine
Ferneinstellung des elektrischen Neigungswinkels der Antennenbaugruppe 100 realisiert.
-
Die
Phase der jedem der Elemente E1 bis E8 zugeführten Signale wird von der
linearen Bewegung des jeweils mit einem Betätigungsarm 200 verbundenen
dielektrischen Keils jedes Mechanismus gesteuert. Es wird darauf
hingewiesen, daß die
mit den unteren vier Elementen E5–E8 verbundenen Phaseneinstellanordnungen
in bezug auf die mit den oberen vier Elementen E1 bis E4 verbundenen
umgekehrt sind. Dementsprechend wird durch eine an den den Elementen
E1 bis E4 zugeführten
Signalen vorgenommene Erhöhung
der Verzögerung
(eine negative Phasenverschiebung) eine Verringerung der Verzögerung (eine
positive Phasenverschiebung) der den Elementen E5 bis E8 zugeführten Signale
veranlaßt.
-
Zum
Erhalt der maximalen Peilrichtungsverstärkung und zur Steuerung der
Seitenkolbenpegel bei einer Veränderung
der elektrischen Neigung der Antennenbaugruppe kann jedes Antennenelement einen
anderen Betrag an Verzögerung
für eine
gegebene Bewegung des Betätigungsarms 200 erfordern. Bei
der linearen, mechanischen Phaseneinstellanordnung kann dies durch
Verändern
des Winkels des V-förmigen
Segments 606 des Keils 604 realisiert werden (wie
in 9 gezeigt).
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Es
ist ersichtlich, daß anstelle
der linearen mechanischen Phaseneinstellanordnungen gemäß 12 die
drehbare mechanische Phaseneinstellanordnung gemäß 10 verwendet
werden kann. Unter Verwendung der drehbaren mechanischen Phaseneinstellanordnungen
gemäß 10 kann
unter Verwendung eines unterschiedlichen Radius für die an
jeder drehbaren Platten montierte Übertragungsleitung ein unterschiedlicher
Betrag an Verzögerung für eine gegebene
Bewegung des Betätigungsarms 200 realisiert
werden.
-
Obwohl
sich die Anordnung der Teileinheiten 116A–116C, 118A–118C und
der Kombinationseinheit 124 gemäß 12 von
der zuvor beschriebenen unterscheidet, geht aus der vorstehenden
Beschreibung hervor, wie diese Anordnung die Signalstärke über die
Elemente E1 bis E8 verteilt.
-
13 zeigt
eine weitere Ausführungsform und
veranschaulicht, wie das erfindungsgemäße System bei einer Antennenbaugruppe
mit dualer Polarität
angewendet werden kann. Die Verwendung der Antennenbaugruppe mit
dualer Polarität
ist allgemein bekannt und bei Telekommunikationssystemen üblich. Bei
dieser Ausführungsform
umfaßt
die Antennenbaugruppe einen Stapel von vier Kreuzdipolelementen
C1 bis C4, die in einer ersten Anordnung aus vier in einem Winkel
von +45° zur
Vertikalen angeordneten Elementen und in einer zweiten Anordnung
von vier in einem Winkel von –45° zur Vertikalen angeordneten
Elementen angeordnet sind. Die erste und die zweite Anordnung sind
effektiv elektrisch getrennt, wobei für jede Anordnung individuelle
Funkfrequenzzuleitungen 1110, 1112 vorgesehen
sind. Die erste und die zweite Anordnung teilen das gemeinsame Merkmal,
daß die
(allgemein durch 1114 und 1116 bezeichneten) mechanischen
Phaseneinstell- und Teilanordnungen jedes einzelnen Elements (soweit
vorhanden) mittels eines gemeinsamen Servomechanismus so eingestellt
werden, daß sowohl die
erste als auch die zweite Anordnung den gleichen elektrischen Neigungs winkel
aufweisen. Wieder wird der Servomotor 101 von einer Servosteuereinheit 103 gesteuert,
die über
ein Steuerkabel 206 mit dem Servomotor 101 kommuniziert.
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Es
ist offensichtlich, daß die
Einrichtung, durch die der Betätigungsarm 200 für die mechanischen
Phaseneinstellanordnungen 601, 701, 1114, 1116 bewegt
wird, nicht die Form einer Servosteueranordnung 101, 103 aufweisen
muß, sondern
auch die Form einer alternativen Anordnung aufweisen kann, die von
einem vom Betätigungsarm 200 entfernten
Ort aus betätigt
werden kann.
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Ebenso
ist offensichtlich, daß durch
die vorliegende Erfindung ein effektives Verfahren zur Ferneinstellung
der elektrischen Neigung der phasengespeisten Antennengruppe geschaffen
wird. Es ist beispielsweise möglich,
die elektrische Neigung von einer an der Basis des Antennenmasts,
auf dem die Antennenelemente montiert sind, angeordneten Basisstation
oder von einem mehrere Kilometer vom Antennenmast entfernten Ort
aus zu steuern und einzustellen, da nicht die Notwendigkeit einer
manuellen Einstellung der Antennenelemente selbst besteht. Überdies
ermöglicht
die Erfindung eine unabhängige Phasenverschiebung
der Signale für
einzelne Unteranordnungen der Antennenbaugruppe und eine automatische
Differentialphaseneinstellung der Signale für die mittlere Unteranordnung,
wodurch die Verwendung von nur zwei Funkfrequenzeingängen möglich ist. Überdies
können
die Signale für
die obere und die untere Unteranordnung in veränderlichen Graden phasenverschoben
werden, die nicht notwendiger Weise die gleiche Größe aufweisen.
Die Vektorsummierung der den äußeren Unteranordnungen
von der Kombinationseinheit 124 zugeführten Signale ermöglicht nötigenfalls
stets eine Verschiebung der der mittleren Unteranordnung zugeführten Signale
auf ihren Mittelwert.
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Die
kombinierte mechanische und elektrische Steuerung der elektrischen
Neigung des Antennensystems ermöglicht
die Erzeugung eines für
das Antennensystem optimalen Strahlenmusters mit einer maximalen
Peilrichtungsverstärkung
und geringeren Seitenkolbenpegeln, und darüber hinaus kann eine derartige
Steuerung von einem von der Antennenbaugruppe entfernten Ort aus
erfolgen, der beispielsweise mehrere Kilometer von der Basis des
Antennenmasts entfernt ist. Die Leistung eines derartigen Antennensystems
ist im Vergleich zu den vorhandenen Systemen erheblich verbessert.
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Obwohl
unterschiedliche Ausführungsformen
der Erfindung mit einer unterschiedlichen Anzahl an Antennenelementen
(beispielsweise E1 bis E8 gemäß 5 und
E1 bis E12 gemäß 6)
gezeigt und beschrieben wurden, ist festzuhalten, daß die Ausführungsformen
so beschaffen sein können, daß sie mehr
oder weniger Antennenelemente als die dargestellten umfassen, die
auf eine Weise, die für Fachleute
aus der vorstehenden Beschreibung leicht hervorgeht, unter Beibehaltung
der vorstehend ausgeführten
Vorteile in geeignete Anordnungen von mehr oder weniger als die
gezeigten Unteranordnungen unterteilt sind.
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Obwohl
der Servosteuermechanismus 103 für die zusätzlichen mechanischen Phaseneinstellanordnungen 150E1–150En so
dargestellt ist, daß er
einen Teil der Steuereinheit 104 bildet, muß dies nicht der
Fall sein. Die Servosteuereinheit 103 kann auch entfernt
von der Antennenbaugruppe 100 angeordnet sein, wie die
Steuereinheit 104, sie muß jedoch nicht am gleichen
Ort angeordnet sein.
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In
der Beschreibung ist eine Bezugnahme auf eine „elektrische Neigung" als durch Einstellen der
Phase der einem oder mehreren der Antennenelemente zugeführten Signale
implementierte Einstellung des von der Antennenbaugruppe gesendeten und/oder
empfangenen Strahlungsmusters ohne ein physisches Bewegen des Antennenradoms
bzw. der Antennenelemente zu verstehen. Es wird jedoch darauf hingewiesen,
daß die
elektrische Neigung durch eine Anordnung eingestellt werden kann,
die sowohl mechanische als auch elektrische Einstellelemente aufweist,
wie beispielsweise in 11 gezeigt.