Die vorliegende Erfindung besteht aus Gruppenantennen, die aufgrund der physischen Anordnung der Elemente, aus denen sie bestehen, sowie dem Mehrbandverhalten einiger Elemente, die strategisch in der Gruppe plaziert sind, gleichzeitig in verschiedenen Frequenzbändern arbeiten können.

Der Aufbau der Gruppe wird auf Basis der Nebeneinanderstellung oder Ineinanderschachtelung mehrerer herkömmlicher Einzelbandgruppen beschrieben, die in den angestrebten Frequenzbändern arbeiten. in den Positionen, in denen Elemente verschiedener Mehrbandgruppen zusammenkommen, wird eine Mehrbandantenne eingesetzt, die die verschiedenen Arbeitsfrequenzbänder abdeckt.

Die Verwendung einer ineinandergeschachtelten Mehrbandgruppenantenne (im folgenden einfach verschachtelte Mehrbandgruppe MIA) bedeutet einen großen Vorteil gegenüber der herkömmlichen Lösung der Verwendung einer Gruppe für jedes Frequenzband: Es werden Kosten bei dem allgemeinen Strahlsystem und seiner Installation (eine Gruppe ersetzt mehrere) gespart, seine Größe und seine optische und umweltbedingte Auswirkung werden im Fall der Basisstationen und Zwischensender von Kommunikationssystemen herabgesetzt.

Die vorliegende Erfindung findet Anwendung im Bereich der Telekommunikation und insbesondere bei Systemen der Radiokommunikation.

Die Entwicklung von Antennen begann am Ende des 19. Jahrhunderts basierend auf den fundamentalen Gesetzen des Elektromagnetismus, die von James Clark Maxwell 1864 postuliert worden sind. Die Erfindung der ersten Antenne ist Heinrich Herz im Jahre 1886 zuzuschreiben, der die Übertragung von elektromagnetischen Wellen durch Luft bewiesen hat. In der Mitte der vierziger Jahre des 20. Jahrhunderts wurden die grundlegenden Einschränkungen bezüglich der Größenreduzierung von Antennen mit Bezug auf die Wellenlänge gezeigt und zu Beginn der 60-er Jahre tauchten die ersten frequenzunabhängigen Antennen auf (E. C. Jordan, G. A. Deschamps, J. D. Dyson, P. E. Mayes, „Developments in Broadband Antennas", IEEE Spectrum, Band 1, Seiten 58 bis 71, April 1964; V. H. Rumsey, „Frequency-Independent Antennas", New York Academic, 1966; R. L. Carrel, „Analysis and design of the log-periodic depole array", Tech. Rep. 52, Univ. Illinois Antenna Lab., Vertrag AF 33 (616)-6079, Oktober 1961; P. E. Mayes, „Frequency Independent Antennas and Broad-Band Derivatives Thereof", Proc. IEEE, Band 80, Nr. 1, Jan. 1992). Zu dieser Zeit wurden Vorschläge für schraubenförmige, spiralförmige, logarhytmisch-periodische Gruppen, Kegelantennen und Strukturen ausschließlich aus Winkelteilen für die Ausbildung von Breitbandantennen vorgeschlagen.

Die Theorie der Gruppenantenne geht auf Arbeiten von Shelkunoff (S. A. Shelkunoff, „A Mathematical Theory of Linear Arrays", Bell System Technical Journal, 22, 80) zwischen anderen klassischen Abhandlungen der Antennentheorie zurück. Diese Theorie stellt die grundlegenden Designgesetze zur Gestaltung der Strahlungseigenschaften der Gruppe (vornehmlich ihres Strahlungsmusters) auf, so daß ihre Anwendung hauptsächlich auf den Fall von Monobandgruppen eingeschränkt ist. Der Grund für diese Einschränkung liegt in dem Frequenzverhalten der Gruppe, welches in hohem Maß von dem Verhältnis zwischen dem Abstand zwischen den Elementen (Antennen) der Gruppe und der Arbeitswellenlänge abhängig ist. Dieser Abstand zwischen den Elementen ist üblicherweise konstant und vorzugsweise kleiner als eine Wellenlänge, um das Auftreten von Beugungsstrahlungskeulen zu verhindern. Dieses bedeutet, daß wenn der Abstand zwischen den Elementen einmal fixiert ist, daß die Betriebsfrequenz (und die entsprechende Wellenlänge) ebenso fixiert ist, und daß es insbesondere schwierig ist, daß dieselbe Gruppe gleichzeitig bei einer anderen, höheren Frequenz arbeitet, in Anbetracht dessen, daß in diesem Fall die Größe der Wellenlänge kleiner als der Abstand zwischen den Elementen ist.

Die logarhytmisch-periodischen Gruppen stellen eines der ersten Beispiele von Gruppenantennen dar, die zur Abdeckung eines breiten Bereichs von Frequenzen geeignet sind (V. H. Rumsey, „Frequency-Independent Antennas, New York Academic, 1966; R. L. Carrell, „Analysis and design of the log-periodic dipole array", Tech. Rep. 52, Univ. Illinois Antenna Lab., Vertrag AF33 (616)-6079, Oktober 1961; P. E. Mayes, "Frequency Independent Antennas and Broad-Band Derivatives Thereof", Proc. IEEE, Band 80, Nr. 1, Januar 1992). Diese Gruppen basieren auf der Verteilung der konstituierenden Elemente auf die Art und Weise, daß der Abstand zwischen benachbarten Elementen und deren Länge gemäß einer geometrischen Progression variiert. Obwohl diese Antennen zur Aufrechterhaltung der Strahlungs- und Impedanzmuster über einen breiten Bereich von Frequenzen geeignet sind, ist ihre Anwendung in der Praxis wegen ihrer Begrenzungen bezüglich der Dämpfungsverminderung und Größe auf einige konkrete Fälle eingeschränkt. Somit werden diese Antennen beispielsweise nicht bei Mobilfunktelefon-Basisstationen verwendet, weil sie keine ausreichende Dämpfungsverminderung haben (ihre Dämpfungsverminderung liegt etwa bei 10 dBi, wobei die gewöhnliche Anforderung für solche Anwendungen bei etwa 17 dBi liegt), weil sie üblicherweise eine lineare Polarisation haben, während in dem genannten Umfeld Antennen mit Polarisationsvielfalt benötigt werden, weil ihre Muster in der horizontalen Ebene nicht die notwendige Breite haben und weil ihre mechanische Struktur zu sperrig ist.

Die Technologie von einzelnen Mehrbandantennen ist merklich weiter entwickelt. Unter einer Mehrbandantenne wird eine Antenne verstanden, welche durch einen Satz von Elementen gebildet ist, welche elektromagnetisch miteinander verbunden sind und die miteinander Wechselwirken, um das radioelektrische Verhalten der Antenne herzustellen, ein Verhalten, das bezüglich der Strahlungs- und Impedanzmuster in Mehrfrequenzbändern (daher der Name Mehrbandantenne) ähnlich ist. Zahlreiche Beispiele von Mehrbandantennen sind in der Literatur beschrieben. 1995 wurden Antennen des Fraktal- oder Multifraktaltyps eingeführt (die Prägung der Begriffe fraktal und multifraktal ist B. B. Mandelbrot in seinem Buch „The Fractal Geometry of Nature", W. H. Freeman & Co. 1983 zuzuschreiben), Antennen, welche durch ihre Geometrie ein Mehrfrequenzverhalten haben und in bestimmten Fällen eine geringere Größe haben (C. Puente, R. Pous, J. Romeu, X. Garcia „Antenas Fractales o Mulifractales", (spanisches Patent ES 2 112 163). Darauf folgend wurden Mehrfachdreieckantennen eingeführt (spanisches Patent ES 2 142 280), die gleichzeitig in den GSM 900- und GSM 1800-Bändern arbeiten können und in letzter Zeit wurden mehrstufige Antennen (WO-A-0122528) eingeführt, welche ein klares Beispiel bieten, wie es möglich ist, die Geometrie der Antenne zu formen, um ein Mehrbandverhalten zu erhalten.

Das Dokument WO-A-9735360 offenbart eine Dualbandgruppe, welche in dem 1-Band und dem UHF-Band arbeitet. Die Gruppe weist eine zentrale Einheit mit einem geschichteten Patchelement auf, das in dem UHF-Band arbeitet, und eine Vielzahl gekreuzten Dipolen, die eine L-Band-Ringgruppe bilden, welche auf dem UHF-Element befestigt ist.

Die vorliegende Erfindung beschreibt, wie Mehrbandantennen kombiniert werden können, um eine Gruppe zu erhalten, die gleichzeitig in mehreren Frequenzbändern arbeitet.

Eine ineinandergeschachtelte Mehrbandgruppe (MIA) besteht aus einer Gruppe von Antennen, die die Besonderheit aufweist, zum gleichzeitigen Betrieb in verschiedenen Frequenzbändern geeignet zu sein. Dies wird mittels der Verwendung von Mehrbandantennen in strategischen Positionen der Gruppe erreicht. Die Anordnung der Elemente, die die MIA bilden, wird durch die Nebeneinanderstellung von herkömmlichen Monobandgruppen erreicht, wobei so viele Monobandgruppen wie Frequenzbänder verwendet werden, die zur Einbeziehung in die ineinandergeschachtelten Mehrbandgruppe gewünscht sind. In diesen Positionen, in denen ein oder verschiedene Elemente, die aus den herkömmlichen Monobandgruppen stammen, übereinstimmen, sollte eine einzige Mehrbandantenne (Element) verwendet werden, welche gleichzeitig die verschiedenen Bänder abdeckt. In den verbleibenden nicht übereinstimmenden Positionen kann die Anwendung derselben Mehrbandantenne oder wiederholt einer herkömmlichen Monobandantenne ausgewählt werden, die bei einer entsprechenden Frequenz arbeitet. Die Anregung bei einer oder verschiedenen Frequenzen jedes Element der Gruppe hängt daher von der Position des Elements in der Gruppe ab und ist mittels des Signalverteilungsnetzwerks gesteuert.

Die im Vorhergehenden dargelegten Kennzeichen werden in graphischer Form unter Verwendung der Figuren in den anhängenden Zeichnungen dargestellt, in denen zur bloßen Erklärung und nicht zur Beschränkung ein Beispiel gezeigt ist, das eine bevorzugte Ausgestaltungsform ist. In den Zeichnungen zeigen:

1 die Position der Elemente von zwei klassischen Monobandgruppen, die bei einer Frequenz f bzw. f/2 arbeiten, und die Anordnung der Elemente in einer ineinandergeschachtelten Mehrbandgruppe, die ein Dual-Frequenzverhalten hat (bei Frequenzen f und f/2), die auf dieselbe Art und Weise arbeitet, wie die klassische Gruppe, aber mit kleinerer Gesamtanzahl von Elementen.

2 ein anderes spezielles Beispiel einer ineinandergeschachtelten Mehrbandgruppe, aber in diesem Fall mit drei Frequenzen und die entsprechenden drei klassischen Monobandgruppen, welche diese bilden. Dieses ist eine Angelegenheit des Ausbauens des Falls von 1 auf drei Frequenzen f, f/2 und f/4.

3 ein anderes spezielles Beispiel einer ineinandergeschachtelten Mehrbandgruppe, in der die verschiedenen Arbeitsfrequenzen nicht durch denselben Skalierungsfaktor getrennt sind. Dieses ist eine Angelegenheit des Ausbauens des Falls von 1 und 2 auf drei Frequenzen f, f/2 und f/3.

4 ein weiteres spezielles Beispiel einer ineinandergeschachtelten Mehrbandgruppe, in der die verschiedenen Arbeitsfrequenzen nicht durch denselben Skalierungsfaktor getrennt sind. Dieses ist eine Angelegenheit des Ausbauens des Falls von 3 auf drei Frequenzen f, f/3 und f/4.

5 eine ineinandergeschachtelte Mehrbandgruppenanordnung, welche einer Neupositionierung der Elemente bedarf, um Frequenzen zu erhalten, die nicht einem gradzahligen Vielfachen der höchsten Frequenz entsprechen. In diesem speziellen Beispiel wurden die Frequenzen f, f/2 und f/2,33 ausgewählt.

6 die Erweiterung der Ausgestaltung eines MIA zu dem zweidimensionalen oder dreidimensionalen Fall, insbesondere ein Ausbau des Beispiels von 1 zu zwei Dimensionen.

7 eines der bevorzugten Betriebsmodi (AEM1). Dieses ist eine Angelegenheit für eine MIA, in der die Mehrbandelemente Mehrfachdreieckelemente sind. Die Gruppe arbeitet gleichzeitig bei Dualfrequenzen, beispielsweise in den GSM 900- und GSM 1800-Bändern.

8 ein anderes der bevorzugten Betriebsmodi (AEM2). Dieses ist eine Angelegenheit für eine MIA, in der die Mehrbandelemente mehrstufige Elemente sind. Die Gruppe arbeitet gleichzeitig bei Dualfrequenzen, beispielsweise in den GSM 900 und GSM 1800-Bändern.

9 ein anderes der bevorzugten Betriebsmodi (AEM3). Dieses ist eine Angelegenheit für eine MIA, in der die Mehrbandelemente mehrstufige Elemente sind. Die Anordnung ist der von 8 (AEM2 Modus) ähnlich, wobei der Unterschied ist, daß die neue Anordnung es erlaubt, die Gesamtbreite der Antenne zu reduzieren.

10 ein anderes Beispiel einer Mehrbandantenne, die in MIAs angewendet werden kann. Dieses ist eine Angelegenheit für eine geschichtete Patchantenne, welche in diesem speziellen Beispiel bei zwei Dualfrequenzen arbeitet (beispielsweise GSM 900 und GSM 1800).

11 eine Anordnung der genannten Patch in der Gruppe vom MIA-Typ (AEM4-Anordnung). Man beachte, daß in diesem Fall im Gegensatz zu den vorhergehenden Fällen, Mehrbandantennen nur in den Positionen verwendet werden, wo es unbedingt notwendig ist; in dem Rest werden Monobandelemente angewendet, von denen das Strahlungsmuster ausreichend ähnlich dem des Mehrbandelements in dem entsprechenden Band ist.

12 eine andere Anordnung (AEM5), in der die Elemente um 45° gedreht sind, um die Beschaffung von Doppelpolarisation bei +45° und –45° zu ermöglichen.

In der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ununterbrochen auf die Figuren der Zeichnungen Bezug genommen, in denen dieselben Bezugszeichen für dieselben oder ähnliche Teile verwendet worden sind.

Eine ineinandergeschachtelte Mehrbandgruppe (MIA) ist durch die Nebeneinanderstellung von verschiedenen herkömmlichen Monobandgruppen zusammengesetzt. Die herkömmlichen Antennengruppen haben für gewöhnlich ein Monobandverhalten (das heißt, sie arbeiten in einem relativ kleinen Frequenzbereich, typischerweise in der Größenordnung von 10% um eine zentrale Frequenz) und dieses ist nicht nur deshalb so, weil die konstituierenden Elemente (Antennen) ein Monobandverhalten haben, sondern auch, weil der physische Abstand zwischen Elementen die Arbeitswellenlänge festsetzt. Typischerweise sind die herkömmlichen Monobandgruppen mit einem Abstand zwischen Elementen von etwa einer halben Wellenlänge ausgebildet, ein Abstand, welcher in manchen Anordnungen vergrößert sein kann, um den Richtfaktor zu verbessern, obwohl der Abstand für gewöhnlich unter einer Wellenlänge gehalten wird, um das Auftreten von Streuungsstrahlungskeulen zu verhindern.

Diese reine geometrische Einschränkung (die Größe der Wellenlänge setzt die Geometrie der Elemente der Gruppe und ihren relativen Abstand fest) kennzeichnet einen Hauptnachteil in diesem Umfeld und diesen Kommunikationssystemen, in denen verschiedene Frequenzbänder gleichzeitig angewendet werden müssen. Ein anschauliches Beispiel ist das GSM-Mobilfunktelefon-System. Anfänglich in dem 900 MHz-Band angeordnet, ist das GSM-System zu einem auf der Weltskala weitverbreiteten System geworden. Der Erfolg des Systems und das spektakuläre Anwachsen des Begehrens für diese Art des Services hat die Mobilfunktelefonanbieter dazu geführt, ihren Service in ein neues Band, das 1800 MHz-Band zu erweitern, um eine Abdeckung für eine größere Nutzerbasis bereitzustellen. Wegen der Verwendung der klassischen Monobandantennen-Technologie müssen die Betreiber ihr Antennennetzwerk verdoppeln, um eine gleichzeitige Abdeckung von GSM 900 und GSM 1800 bereitzustellen. Durch die Verwendung einer einzelnen MIA, welche speziell für das System ausgebildet ist, wie das, welches in den speziellen Fällen von 7 bis 12 beschrieben ist, reduzieren die Betreiber die Kosten ihres Netzwerks von Basisstationen, reduzieren die Betreiber die Kosten ihres Netzwerks von Basisstationen, die Zeit zur Erweiterung in das neue Band und die optische und umweltbedingte Auswirkung ihrer Einrichtungen (durch die Vereinfachung der allgemeinen Strahlungsstruktur).

Es ist wichtig herauszustellen, daß das oben beschriebene Szenario nur ein bestimmtes Beispiel eines Typs einer MIA und ihre Anwendung behandelt; wie durch irgendjemanden, der vertraut mit dem Gegenstand ist, erkannt werden kann, sind die MIAs, die in der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, in keiner Weise auf die genannte spezielle Anordnung eingeschränkt und können einfach an andere Frequenzen und Anwendungen angepaßt werden.

Die ineinandergeschachtelten Mehrbandgruppen gründen ihren Betrieb auf der physischen Anordnung der Antennen, welche diese bilden, und auf dem bestimmten Typ eines Elements, das in einer strategischen Position der Gruppe angewendet wird.

Die Positionen der Elemente in einer MIA sind bestimmt durch die Positionen der Elemente in so vielen Monobandgruppen wie Frequenzen oder Frequenzbänder benötigt werden. Die Ausgestaltung der Gruppe ist in diesem Sinn gleich zu dem der Monobandgruppe, insoweit, als es möglich ist, die Frequenzbewertung für jedes Element auszuwählen, um die Strahlungsmuster gemäß den Anforderungen jeder Anwendung zu formen. Die Anordnung der MIA wird durch die Nebeneinanderstellung der Positionen der verschiedenen Monobandgruppe erreicht. Normalerweise erweist sich diese Nebeneinanderstellung in der Praxis in solchen Positionen als schwierig ausführbar, in denen unterschiedliche Antennen der verschiedenen Gruppen zusammenfallen; die mit dieser Erfindung vorgeschlagene Lösung beruht auf der Verwendung einer Mehrbandantenne (beispielsweise vom Fraktal-, Mehrfachdreieck-, mehrstufigen, und so weiter-Typ), welche alle mit ihrer Position verbundenen Frequenzen abdeckt.

Ein grundlegendes und spezielles Beispiel, wie die Elemente in einer MIA angeordnet werden, ist in 1 beschrieben. In den Spalten der (1a) und (1b) sind zwei herkömmliche Monobandgruppen gezeigt, in denen die Positionen der Elemente (gekennzeichnet durch schwarze Kreise bzw. Umkreise) in solcher Art und Weise gewählt sind, daß der Abstand zwischen Elementen typischerweise kleiner als die Arbeitswellenlänge ist. Somit, bezugnehmend auf die Arbeitsfrequenz f der Gruppe (1a), würde die Gruppe (1b) bei einer Frequenz f/2 arbeiten, wenn die Elemente einen doppelten Abstand als der des vorigen Falls haben. In (1c) ist die Anordnung der Elemente in der MIA gezeigt, welche zur gleichzeitigen Arbeit in den Frequenzen f und f/2 geeignet ist, grundsätzlich erhaltend dieselben Möglichkeiten wie die zwei Gruppen (1a) und (1b). In den Positionen, in denen Elemente der beiden herkömmlichen Gruppen (gekennzeichnet in (1c) mittels schwarzen Kreisen, die in der Mitte eines Umkreises angeordnet sind) übereinstimmen, wird eine Mehrbandantenne angewendet, welche zur Arbeit auf dieselbe Art und Weise (dieselbe Impendanz und dasselbe Muster) in den Frequenzen (1a) und (1b) geeignet ist. Die übrigen nicht übereinstimmenden Elemente (gekennzeichnet entweder durch einen schwarzen Kreis oder durch einen Umkreis), können realisiert werden entweder mittels desselben Mehrbandelements, welches in den übereinstimmenden Positionen verwendet wird (und durch Auswahl der Arbeitsfrequenz mittels des Signalverteilungsnetzwerks der Gruppe), oder durch Anwendung von herkömmlichen Monobandelementen. In diesem Beispiel hat die Gruppe (1c) ein frequenzweises Dualverhalten (bei den Frequenzen f und f/2), dabei arbeitend auf dieselbe Art und Weise wie die Gruppen (1a) und (1b), aber mit einer kleineren Gesamtanzahl von Elementen (12 statt 16).

Viele Beispiele für Mehrbandantennen wurden bereits im Stand der Technik beschrieben. Antennen mit Fraktal-Geometrie, Mehrfachdreieckantennen, Mehrstufenantennen und sogar geschichtete Patchantennen sind einige Beispiele für Antennen, die zur Arbeit auf ähnliche Art und Weise in Mehrfrequenzbändern geeignet sind. Diese und andere Mehrbandelemente können in den Positionen der MIAs verwendet werden, in denen Elemente von verschiedenen Monobandgruppen zusammenkommen.

In den folgenden Figuren sind andere MIA-Anordnungen gezeigt, die auf demselben erfindungsgemäßen Konzept basieren, obwohl die Anordnung der Elemente an andere Frequenzen angepaßt ist. In 2 ist eine Anordnung einer Dreiband-MIA beschrieben, welche bei den Frequenzen f, f/2 und f/4 arbeitet. Die Anordnung von Elementen in den drei klassischen Monobandgruppen bei den Frequenzen f, f/2 und f/4 ist in den (2a), (2b) und (2c) mittels schwarzer Kreise, Umkreise bzw. Quadrate dargestellt. Die Position der Elemente der MIA ist durch die Anordnung der drei Monobandgruppen bestimmt, welche für jede der drei Frequenzen ausgebildet sind. Die drei Gruppen kommen in der MIA wie in (2d) gezeigt, zusammen. In diesen Positionen, wo Elemente der drei Gruppen zusammenkommen würden (gekennzeichnet in den Zeichnungen durch Nebeneinanderstellung der verschiedenen geometrischen Figuren, welche jede Gruppe bezeichnen) findet ein Mehrbandelement Anwendung. Die Dreifrequenzgruppe von (2b) verhält sich auf dieselbe Art und Weise wie die drei Gruppen (2a), (2b) und (2c) bei ihren entsprechenden Arbeitsfrequenzen, aber nur 13 Elemente statt der in der Gesamtheit der drei Monobandgruppen benötigten 21 werden verwendet.

3, 4 und 5 beschreiben beispielhaft und nicht beschränkend die Ausgestaltung von anderen MIAs, basierend auf demselben Prinzip, aber bei anderen Frequenzen. Die in den ersten beiden Fällen verwendeten Frequenzen sind gradzahlige Vielfache der grundlegenden Frequenz; in dem Fall von 5 ist das Verhältnis zwischen den Frequenzen nicht durch irgendeine bestimmte Regel begrenzt, obwohl es ein Beispiel für eine Gruppe voraussetzt, in dem die Frequenzen der GSM 900-, GSM 1800- und UMTS-Service kombiniert werden können.

Besonders 3 stellt ein anderes spezielles Beispiel einer ineinandergeschachtelten Mehrbandgruppe dar, in der die verschiedenen Arbeitsfrequenzen nicht durch denselben Skalierungsfaktor getrennt sind. Es betrifft die Erweiterung des Falls der 1 und 2 auf drei Frequenzen f, f/2 und f/3. Die Anordnung der Elemente der drei klassischen Monobandgruppen bei den Frequenzen f, f/2 und f/3 ist in den (3a), (3b) und (3c) mittels schwarzer Kreise, Umkreise bzw. Quadrate gezeigt. Die Spalte der (3d) zeigt die Anordnung der Elemente in der ineinandergeschachtelten Dreibandgruppe. In diesen Positionen, in denen die Elemente der drei Gruppen zusammenkommen (in den Zeichnungen gekennzeichnet durch die Nebeneinanderstellung der verschiedenen geometrischen Figuren, welche jede Gruppe kennzeichnen), wird Verwendung von einem Mehrbandelement gemacht; dieselbe Strategie wird in den Positionen verfolgt, in denen Elemente von zwei Gruppen übereinstimmen: Verwendung sollte von einem Mehrbandelemente gemacht werden, das zur Abdeckung der Frequenzen geeignet ist, die zu seiner Position gehören, vorzugsweise dasselbe Element wie das, das in den übrigen Positionen verwendet wird, wobei solche Frequenzen ausgewählt werden, welche durch das Einspeisenetzwerk notwendig sind. Man beachte, daß die freie Frequenzgruppe der (3d) sich auf dieselbe Art und Weise verhält, wie die drei Gruppen (3a), (3b) und (3c) bei ihren entsprechenden Arbeitsfrequenzen, aber nur 12 Elemente statt den 21 in der Gesamtheit der drei Monobandgruppen geforderten werden verwendet.

4 stellt ein neues spezielles Beispiel einer ineinandergeschachtelten Mehrbandgruppe dar, in der die verschiedenen Arbeitsfrequenzen nicht durch denselben Skalierungsfaktor getrennt sind. Es betrifft die Erweiterung des Falls von 3 auf drei Frequenzen f, f/3 und f/4. Die Anordnung von Elementen der drei klassischen Monobandgruppen an den Frequenzen f, f/3 und f/4 sind in den (4a), (4b) und (4c) mittels schwarzer Kreise, Umkreise bzw. Quadrate dargestellt. Die Spalte von (4d) zeigt die Anordnung von Elementen in der ineinandergeschachtelten Dreibandgruppe. In diesen Positionen, wo Elemente der drei Gruppen zusammenkommen würden (gekennzeichnet in den Zeichnungen durch Nebeneinanderstellung der verschiedenen geometrischen Figuren, welche jede Gruppe kennzeichnen), wird Verwendung von einem Mehrbandelement gemacht. Die Dreifrequenzgruppe von (4d) verhält sich auf dieselbe Art und Weise wie die drei Gruppen (4a), (4b) und (4c) an ihren entsprechenden Arbeitsfrequenzen, aber nur 15 Elemente statt der 24 in der Gesamtheit der drei Monobandgruppen geforderten werden verwendet.

Es ist zweckdienlich, wieder zu betonen, daß die Gruppen in den speziellen Fällen der 3 und 4 gleichzeitig bei drei Frequenzen arbeiten können. Die Anordnung der Elemente ist so, daß die drei Frequenzen nicht immer in allen Elementen übereinstimmen; nichtsdestoweniger ist es durch Anwendung einer Dreibandantenne in diesen Positionen und durch Auswahl der Arbeitsfrequenzen beispielsweise mittels eines herkömmlichen frequenzselektiven Netzwerks möglich, die MIA zu realisieren.

Bei manchen Konfigurationen einer ineinandergeschachtelten Mehrbandgruppe, insbesondere bei denen, bei denen die verschiedenen Frequenzen nicht einem ganzzahligen Vielfachen der höchsten Frequenz 1 entsprechen, ist es notwendig, daß die Elemente wie in 5 neu positioniert werden. In diesem speziellen Beispiel wurden die Frequenzen f, f/2 und f/2,33 ausgewählt. Die Anordnung von Elementen der drei klassischen Monobandgruppen bei den Frequenzen f, f/2 und f/2,33 ist in den (5a), (5b) und (5c) mittels schwarzer Kreise, Umkreise bzw. Quadrate dargestellt. Die Spalte der (5d) zeigt, wie die Anordnung von Elementen in der ineinandergeschachtelten Dreibandgruppe gemäß demselben Plan wie bei den vorigen Beispielen sein würde. Man beachte, wie in diesem Fall das Verhältnis von Frequenzen die örtlich vereinte Aufstellung von Elementen an Zwischenpositionen umfaßt, was seine praktische Realisierung schwierig macht. Die in diesem Fall angewendete Lösung besteht aus der Versetzung der Positionen des Elements der Gruppe, das bei der niedrigsten Frequenz arbeitet (gekennzeichnet durch den Pfeil), bis es mit einem anderen Element (das nächste) mit der höchsten Frequenz übereinstimmt; dann werden die zwei oder mehr übereinstimmenden Elemente in den neuen Positionen durch ein Mehrbandelement ersetzt. Ein Beispiel der Endkonfiguration, wenn die Elemente einmal neu positioniert worden sind, ist in (5e) gezeigt. Es ist wichtig, daß das versetzte Element vorzugsweise das der Gruppe mit der niedrigsten Frequenz ist, wodurch die relative Versetzung bezüglich der Arbeitswellenlänge die am wenigsten mögliche ist und wodurch das Auftreten von sekundären oder Streuungsstrahlungskeulen auf ein Minimum reduziert ist.

6 zeigt, wie die Konfiguration der MIAs nicht auf den linearen (eindimensionalen) Fall begrenzt ist, sondern auch Gruppen in zwei und drei Dimensionen (2D und 3D) beinhaltet. Die Prozedur der Verteilung der Elemente der Gruppe in den zwei 2D- und 3D-Fällen ist dieselbe, wobei ebenfalls die verschiedenen übereinstimmenden Elemente durch eine einzelne Mehrbandantenne ersetzt werden.

Mehr Beispiele von bestimmten Konfigurationen von MIAs werden unten beschrieben. In den fünf beschriebenen Beispielen sind verschiedene Ausgestaltungen für GSM 900- und GSM 1800-Systeme (890 MHz-960 MHz und 1710 MHz-1880 MHz-Bänder) aufgezeigt worden. Es ist eine Frage der Antennen für die Mobilfunktelefon-Basisstationen, welche im Grunde dasselbe Radiofrequenzverhalten in beiden Bändern bieten; durch die Verwendung derartiger Versionen von MIA-Antennen, reduzieren die Betreiber die Zahl von installierten Antennen auf die Hälfte, wodurch die Kosten und die umweltbedingte Auswirkung ihrer Basisstationen minimiert wird.

Die AEM1-Konfiguration, dargestellt in 7, basiert auf der Verwendung von GSM 900- und GSM 1800-Mehrfachdreickelementen. Die Gruppe wird durch Ineinanderschachtelung von zwei herkömmlichen Monobandgruppen erhalten, mit einem Abstand zwischen Elementen, der kleiner als eine Wellenlänge in dem entsprechenden Band ist (typischerweise wird ein Abstand von weniger als 0.9 ausgewählt, um das Auftreten von Streuungsstrahlungskeulen in die Längsstrahlerrichtung zu minimieren). Die originalen Gruppen können 8 oder 10 Elemente haben, abhängig von der Dämpfungsverminderung, welche von dem Betreiber gefordert ist. Die Nebeneinanderstellung der beiden Gruppen in einer einzelnen MIA wird in diesem Fall durch Verwendung eines dualen Mehrfachdreieckelements erreicht. Solche Elemente beinhalten zwei Anregungspunkte (einen für jedes Band), was es erlaubt, das Arbeitsband gemäß seiner Position in der Gruppe auszuwählen. In 7 sind die Position der Elemente, wie auch ihre Arbeitsfrequenzen gezeigt. Die in weiß dargestellten Elemente kennzeichnen den Betrieb in dem GSM 900-Band; die in schwarz dargestellten Elemente kennzeichnen den Betrieb in dem GSM 1800-Band und die Elemente, welche in dem unteren Dreieck schwarz und in ihren zwei oberen Dreiecken weiß gekennzeichnet sind, kennzeichnen einen gleichzeitigen Betrieb in beiden Bändern. Genau der gleichzeitige Betrieb in beiden Bändern mittels eines einzelnen Mehrbandelements (das Mehrfachdreieckelement) in solchen Positionen der Gruppe (die Positionen, in denen die der ursprünglichen Monobandgruppen übereinstimmen) ist eines der hauptsächlichen kennzeichnenden Merkmale der MIA-Erfindung.

Die Art und Weise der Versorgung der Elemente der AEM1-Gruppe ist kein Kennzeichen der Erfindung der MIAs und es kann Rückgriff auf irgendein herkömmliches bekanntes System gemacht werden. Insbesondere und angesichts dessen, daß die Mehrfachdreieckelemente an zwei verschiedenen Punkten angeregt werden, ist es möglich, Verwendung von einem unabhängigen Verteilungsnetzwerk für jedes Band zu machen. Eine andere Alternative beinhaltet die Anwendung eines Breitband- oder eines Dualbandverteilungsnetzwerks, durch Ankopplung eines Kombinators/Diplexers, der das Netzwerk und die zwei Anregungspunkte der Mehrfachdreieckantenne miteinander verbindet.

Ferner kann die Antenne zwei Input-/Output-Verbinder (einen für jedes Band) aufweisen, oder diese sind kombiniert in einem einzelnen Verbinder mittels eines Kombinator/Diplexer-Netzwerks.

Diese spezielle Konfiguration der AEM2, wie in 8 gezeigt, basiert auf einer Mehrstufenantenne, die als Mehrbandelement wirkt. Zusätzlich zu der gleichzeitigen Arbeit in den GSM 900- und GSM 1800-Bändern hat die Antenne auch doppelte lineare Polarisation bei +45° und –45° bezüglich der Längsachse der Gruppe. Die Tatsache, daß die Antenne eine Doppelpolarisation hat, kennzeichnet einen zusätzlichen Vorteil für den Mobilfunktelefon-Betreiber, da er auf diese Art und Weise ein Diversity-System anwenden kann, welches den Fading-Effekt durch Mehrwegausbreitung minimiert. Das Mehrstufenelement, das in 8 beschrieben ist, ist mehr als das vorher beschriebene Mehrfachdreieckelement geeignet, da das Element selbst eine lineare Polarisation bei +45° in GSM 900 und bei –45° in GSM 1800 hat.

Die Gruppe wird durch ineinanderschachteln von zwei herkömmlichen Monobandgruppen erhalten, mit einem Abstand zwischen den Elementen, der kleiner als eine Wellenlänge in dem entsprechenden Band ist (typischerweise wird ein Abstand von weniger als 0.9 gewählt, um das Auftreten der Streuungsstrahlungskeule in der Längsstrahlrichtung zu minimieren). Die ursprünglichen Gruppen können 8 oder 10 Elemente haben, abhängig von der Dämpfungsverminderung, wie sie durch den Betreiber gefordert ist. Die Nebeneinanderstellung beider Gruppen in eine einzelne MIA wird in diesem Fall durch Anwendung von dualen Schmalband-Mehrstufenelementen erreicht. Solche Elemente weisen zwei Anregungspunkte (einer für jedes Band) auf, was das Auswählen eines Arbeitsbandes gemäß ihrer Position in der Gruppe erlaubt. In 8 sind die Position der Elemente, wie auch ihre Arbeitsfrequenzen gezeigt. Die in weiß gezeigten Elemente kennzeichnen den Betrieb in dem GSM 900-Band; die in schwarz gezeigten Elemente kennzeichnen den Betrieb in dem GSM 1800-Band und die Elemente, welche in ihrem unteren Dreieck schwarz und in den oberen Dreiecken weiß gekennzeichnet sind, kennzeichnen den gleichzeitigen Betrieb in beiden Bändern. Genau der gleichzeitige Betrieb in beiden Bändern mittels eines einzelnen Mehrbandelements (das Mehrstufenelement) in den Positionen der Gruppe (die Positionen, in denen die der ursprünglichen Monobandgruppen übereinstimmen), ist eines der hauptsächlichen kennzeichnenden Merkmale der MIA-Erfindung.

Es ist möglich, Doppelpolarisation auf Basis einer Anregung des Mehrstufenelements an verschiedenen Punkten seiner Oberfläche zu erreichen; nichtsdestoweniger, um die Isolierung zwischen den Verbindern der verschiedenen Polarisationen zu vergrößern, ist es in dem beschriebenen Beispiel ausgewählt worden, eine Doppelspalte anzuwenden, um die +45°-Polarisation (linke Spalte) von der –45°-Polarisation (rechte Spalte) zu trennen. Zur Vergrößerung der Isolation zwischen Bändern, ist es ebenso möglich, den Polarisationswinkel in den Spalten der Gruppe in einem der Bänder (beispielsweise in DOS) auszuwechseln.

Die Art und Weise der Versorgung der Elemente der Gruppe AEM2 ist nicht kennzeichnend für die Erfindung der MIAs und Rückgriff kann auf irgendein herkömmliches bekanntes System gemacht werden. Insbesondere und angesichts dessen, daß die Mehrfachdreieckelemente an zwei verschiedenen Punkten angeregt werden, ist es möglich, Verwendung von einem unabhängigen Verteilungsnetzwerk für jedes Band und jede Polarisation zu machen. Eine andere Alternative beinhaltet die Anwendung eines Breitband- oder Dualband-Verteilungsnetzwerks, durch Ankoppeln eines Kombinators/Diplexers, welcher das Netzwerk und die zwei Anregungspunkte der Mehrlevelantenne miteinander verbindet. Die Antenne kann mit vier Input/Output-Verbindern (einer für jedes Band und jede Polarisiation) versehen sein oder anders in nur zwei Verbindern (einer für jede unabhängige Polarisation) mittels eines Kombinator/Diplexer-Netzwerks in jeder Polarisation kombiniert werden.

Die AEM3-Konfiguration, wie in 9 gezeigt, ist sehr ähnlich zu der der AEM2 (die Position der Mehrstufenelemente und der Typ der Elemente selbst ist derselbe wie in dem vorhergehenden Fall), mit dem Unterschied, daß die rechte Spalte mit Bezug auf die linke Spalte umgedreht ist. Auf diese Art und Weise wird eine Antenne mit Dualband und Polarisation erhalten, wobei die Gesamtbreite der Antenne bezüglich des vorhergehenden Falles reduziert ist (in diesem speziellen Beispiel ist die Breite um etwa 10% reduziert). Um die Isolierung zwischen den Spalten der Doppelpolarisation zu vergrößern, ist es zweckdienlich, daß eine schräge Rippe zwischen benachbarten Elementen eingeführt wird. In diesem Fall sind ebenfalls seitliche Rippen bei allen Elementen, die in dem GSM 1800 arbeiten, enthalten, Rippen, welche zur Verengung des Strahlungsstrahls in der horizontalen Ebene beitragen (die Ebene, welche im rechten Winkel zu der Längsachse der Gruppe angeordnet ist).

Auch das Signalverteilersystem ist insbesondere kein Kennzeichen der MIA-Konfiguration und dasselbe System kann wie im vorgehenden Fall verwendet werden.

Ein anderes Beispiel einer ineinandergeschachtelten Mehrbandgruppe ist das, welches AEM4 genannt wird, und das schematisch in 11 gezeigt ist. in diesem Fall ist das Mehrbandelement eine geschichtete viereckige Patchantenne (10), so daß es für jemanden, der mit dem Gegenstand vertraut ist, offensichtlich ist, daß Patches anderer Form verwendet werden können. Viereckige oder kreisförmige Typen sind in der Ausgestaltung bevorzugt, welche mit Doppelpolarisation arbeiten sollen. In dem Beispiel der 10 ist der spezielle Fall von rechteckigen Patches beschrieben.

Der untere Patch hat eine angemessene Größe, damit seine Resonanzfrequenz (typischerweise mit dem Grundmodus des Schaltfeldes verbunden) mit dem unteren Band (GSM 900 in diesem speziellen Fall) übereinstimmt; zudem wirkt dieser Patch als Grundebene für den oberen Patch. Der Letztere ist von einer derartigen Größe, daß seine Resonanz in dem oberen Band (GSM 1800) zentriert ist. Die Elemente der Gruppe sind auf einer metallischen oder metallbeschichteten Oberfläche montiert, die als Grundebene für alle Elemente der Gruppe wirkt. Das Versorgungssystem ist vorzugsweise vom koaxialen Typ, wobei ein Kabel für den unteren Patch und das untere Band angewendet wird und ein anderes Kabel für den oberen Patch und das obere Band angewendet wird. Die Anregungspunkte sind örtlich vereint auf den Winkelhalbierenden der Patch aufgestellt (beispielsweise werden die ungefähren Anregungspunkte mittels Kreisen auf der Draufsicht der Antenne markiert), wenn vertikale oder horizontale Polarisation gewünscht wird oder auf den Diagonalen, wenn auf der anderen Seite lineare Polarisation mit einem Winkel von 45° gewünscht ist. In dieser Ausgestaltung ist es gewünscht, daß die Gruppe mit Doppelpolarisation arbeitet, wobei jeder der Patches zusätzlich an der Winkelhalbierenden oder diagonalen Gegenseite (orthogonal) zu dem ersten angeregt wird.

Die Versorgung der Elemente der Gruppe AEM4 ist kein Kennzeichen der Erfindung der MIAs und es kann Rückgriff auf irgendein herkömmliches System gemacht werden. Insbesondere und angesichts dessen, daß die geschichtete Patchantenne an zwei verschiedenen Punkten angeregt wird, ist es möglich, Verwendung von einem unabhängigen Verteilungsnetzwerk für jedes Band und jede Polarisation zu machen. Eine andere Alternative beinhaltet die Anwendung eines Breitband- oder Dualband-Verteilungsnetzwerks, durch Ankopplung eines Kombinators/Diplexers, welcher das Netzwerk mit den zwei Anregungspunkten der Mehrlevelantenne verbindet.

Die Antenne kann dann mit vier Input/Output-Verbindern (einer für jedes Band und jede Polarisation) oder auch mit nur zwei Verbindern (einer für jede unabhängige Polarisation) mittels eines Kombinator/Diplexer-Netzwerks in jeder Polarisation, versehen sein.

Die AEM5-Konfiguration, wie in 12 gezeigt, verwendet die selbe Annäherung wie die AEM4, obwohl alle Elemente um 45° in der Ebene der Antenne gedreht sind. Auf diese Art und Weise ist das Strahlungsmuster in der horizontalen Ebene zusätzlich zur Drehung der Polarisation durch 45° verändert.

Es ist von Interesse herauszustellen, daß die Tatsache, daß sowohl in der AEM4- als auch in der AEM5-Konfiguration das Mehrbandelement durch geschichtete Patch gegeben ist, wirklich nur grundsätzlich notwendig ist, wenn die gleichen strategischen Positionen, in denen Elemente, welche aus den ursprünglichen Monobandgruppen stammen, übereinstimmen. In den übrigen Positionen soll es möglich sein, unbestimmte Mehrband- oder Monobandelemente anzuwenden, die bei einer für ihre Position festgelegten Frequenz arbeiten, solange, wie ihr Strahlungsmuster ausreichend dem der geschichteten Patchantenne ähnelt, um das Auftreten von Streuungsstrahlungskeulen zu verhindern.

Es wird nicht als notwendig erachtet, den Inhalt dieser Beschreibung weiter zu erweitern, damit ein Experte dieses Gegenstands die Reichweite und die Vorteile begreifen kann, die aus der Erfindung hervorgehen, wie auch den Gegenstand der Erfindung in der Praxis zu entwickeln und anzuwenden.

Gleichwohl muß verstanden sein, daß die Erfindung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung derselben beschrieben wurde, weshalb sie empfänglich für Modifikationen ist, ohne daß dadurch ihre Grundlage geändert wird, und es ist möglich, daß solche Modifikationen insbesondere die Form, die Größe und/oder die Materialien der Herstellung berühren.