CH718601A1 - Breitbandige Antennenanordnung. - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine breitbandige Antennenanordnung (1) für ein Schienenfahrzeug, umfassend eine Grundplatte (10) mit einer Öffnung (12), in die ein koaxiales Steckerelement anordenbar ist, ein monopolförmiges Strahlerelement (20), umfassend mindestens einen Strahlerabschnitt (21) mit einem Fusspunkt (22), nahegelegen der Grundplatte (10), und einer sich parallel zur Grundfläche erstreckenden Abschlussfläche (26), wobei das Strahlerelement (20) divergierende Wände (23a, 23b) in dem mindestens einen Strahlerabschnitt (21) aufweist und Haltemittel (40) zur Verbindung des Strahlerelements (20) mit der Grundplatte (10). Das Strahlerelement (20) ist in Form einer Pyramide mit der Abschlussfläche (26) als rechteckförmige Basis mit einer Länge (27), die ein Vielfaches einer Breite (28) der Abschlussfläche (26) beträgt und die Haltemittel (40) sind als Strukturabschnitte (31a, 31b) ausgebildet wobei sich ein erster Strukturabschnitt (31a) an einem ersten Ende und ein zweiter Strukturabschnitt (31b) an einem gegenüberliegenden zweiten Ende (30b) des Strahlerelements (20) anschliessen und mindestens eine der ersten und zweiten Strukturabschnitte (31a, 31b) mittels einer Stütze (32a, 32b) an der Grundplatte abstützbar ist, wobei eine Antennenstruktur (200) gebildet ist.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine breitbandige Antennenanordnung, insbesondere geeignet für Schienenfahrzeuge.

Stand der Technik

[0002] Antennen sind essenzielle Bestandteile jedes drahtlosen Kommunikationssystems, um einen ungestörten Empfang und eine effiziente störungsfreie Kommunikation zu gewährleisten. Jede Anwendung nutzt unterschiedliche Frequenzbänder und ein universeller Einsatz erfordert eine breitbandige Antennenanordnung mit reduzierter Komplexität und gleichzeitig erhöhter Leistungsfähigkeit. Bei Anwendungen in Schienenfahrzeugen und/oder Transportfahrzeugen sind darüber hinaus noch Anforderungen an die mechanische Robustheit, insbesondere in Bezug auf Vibrationen und Stösse sowie hinsichtlich stark wechselnder Umwelteinflüsse und hohe gesetzliche Sicherheitsanforderungen zu beachten. Neben Schienenfahrzeugen können auch andere Fahrzeuge wie Kraftfahrzeuge oder Schiffe bzw. andere Verkehrsmittel wie U-Bahnen oder Strassenbahnen mit einer Antennenanordnung ausgestattet werden, um eine drahtlose Kommunikationsverbindung in unterschiedlichsten Frequenzbereichen zu gewährleisten.

[0003] Bekannte im Transportwesen einsetzbare als omnidirektionale Antennen ausgebildete Antennenanordnungen umfassen einen Rundstrahler, welcher aufgrund seiner erzielbaren Breitbandigkeit alle momentan gängigen Frequenzbereiche abdeckt, die internationalen Funkstandards unterstützt und störfest ist. Derartige Antennenanordnungen schaffen Voraussetzungen für zukunftsfähige Kommunikations- und Navigationssysteme, welche auch unter erschwerten Bedingungen zuverlässig Satellitensignale für eine präzise Positionsbestimmung und störungsfreie Navigation empfangen.

[0004] So ist zum Beispiel aus EP 3 276 745 A1 eine breitbandige omnidirektionale Antenne für Schienenfahrzeuge bekannt, umfassend eine Grundplatte und einen monopolförmigen Strahler mit kegelförmigen Abschnitten, welcher sich senkrecht von der Grundplatte erstreckt und mittels divergierender Wände einen Aufnahmeraum bildet. Der Strahler ist ein Rundstrahler, dessen Form eine Aussenkontur aufweist, welche formschlüssig in eine schalen- oder wannenförmige Aufnahmevorrichtung aufgenommen ist. Der Strahler ist mittels einer Halteeinrichtung mit der Grundplatte verbunden, welche mittels einer Verbindungskomponente den Strahler einseitig abstützt. Angegeben ist, dass die Antenne in einem Frequenzbereich von 697 MHz bis 6000 MHz betreibbar ist. Um den unteren Frequenzbereich zu erweitern müsste ein höher bauender Strahler vorgesehen sein, was aber je nach Einbauort nicht oder nur begrenzt möglich ist.

[0005] Aus WO 2007/048258 A1 ist eine Antennenanordnung bekannt, umfassend eine Breitband-Monopol-Antenne mit einem rotationssymmetrischen Strahler mit Grundkörpern, welche koaxial hintereinander angeordnet sind und einer elektrisch leitenden Grundplatte. Der Strahler weist einen zur Grundplatte hin sich verjüngenden elektrisch leitenden Grundkörper auf, der am unteren Ende einen Einspeisepunkt für die HF-Leitung hat und einen am oberen Ende sich anschliessenden weiteren elektrisch leitenden Grundkörper, welcher am oberen Rand mittels eines Verbindungsmittels elektrisch leitend an einer Stelle mit der Grundplatte verbindbar ist. Das strahlende Element erreicht durch seine Form eine omnidirektionale Abstrahlung mit hoher Bandbreite. Allerdings kann auch hier die untere Frequenzgrenze nicht oder nur in engen Grenzen durch eine höher bauende Antenne zu niedrigeren Werten verschoben werden, da eine beschränkte zulässige Höhe der Antenne einzuhalten ist.

Zusammenfassung der Erfindung

[0006] Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine kompakte und robuste Antennenanordnung mit einer Breitband-Monopol-Antenne vorzusehen, welche über bekannte Antennenanordnungen hinaus einen breiten Frequenzbereich mit einer flachbauenden Antennenanordnung abdeckt. Dieser Frequenzbereich kann sowohl Frequenzen von ≤ 700 MHz, insbesondere ≤ 690 MHz und hohe Frequenzen ≥ 6000 MHz, insbesondere bis 6500 MHz, überdecken. Darüber hinaus ist die Antennenanordnung für den Einsatz im Transportbereich geeignet, insbesondere für Schienenfahrzeuge unter Erfüllung aller Sicherheitsanforderungen. Es soll eine vergleichsweise niedrig bauende, sehr breitbandfähige Antennenanordnung geschaffen werden, um insbesondere auch den aerodynamischen Luftwiderstand des Schienenfahrzeugs niedrig zu halten und eine vorgeschriebene Hüllkurve des Schienenfahrzeugs einzuhalten.

[0007] Die Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche wiedergegeben.

[0008] Ausgehend von einer an sich bekannten Antenne wird eine breitbandige Antennenanordnung für ein Schienenfahrzeug vorgeschlagen, umfassend eine Grundplatte mit einer Öffnung, in die ein koaxiales Steckerelement anordenbar ist, ein monopolförmiges Strahlerelement, umfassend mindestens einen Strahlerabschnitt mit einem Fusspunkt, nahegelegen der Grundplatte, und einer sich parallel zur Grundplatte erstreckenden Abschlussfläche in einer Ebene quer zu einer Längsachse, wobei das Strahlerelement divergierende Wände in dem mindestens einen Strahlerabschnitt aufweist und Haltemittel zur Verbindung des Strahlerelements mit der Grundplatte.

[0009] Die Antennenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlerelement in Form einer Pyramide mit der Abschlussfläche als rechteckförmige Basis mit einer Länge ausgebildet ist, die ein Vielfaches einer Breite der Abschlussfläche ist und die Haltemittel als Strukturabschnitte ausgebildet sind, wobei sich ein erster Strukturabschnitt an einem ersten Ende und ein zweiter Strukturabschnitt an einem gegenüberliegenden zweiten Ende des Strahlerelements anschliessen und mindestens einer der ersten und zweiten Strukturabschnitte mittels einer Stütze an der Grundplatte abstützbar ist, wobei eine Antennenstruktur gebildet ist.

[0010] Die Form des Strahlerelements umfasst von dem unteren Strahlerabschnitt ausgehende, sich zu der oberen rechteckförmigen Abschlussfläche erstreckende divergierende Wände. Dabei können die divergierenden Wände das Strahlerelement abschnittsweise gegen die Längsachse unterschiedlich geneigt sein. Die Wände selbst können in sich eine Wölbung haben.

[0011] Die Form des Strahlerelements kann auch beschrieben werden als beschnittener Kegel oder Konus, wobei ein flacher oder schlanker Kegel oder Konus entsteht mit einer näherungsweise rechteckförmigen Querschnittsfläche, die ausgehend von dem unteren Fusspunkt sich vergrössert. Ansatzweise kann das Strahlerelement als eine auf der Spitze stehende Pyramide mit einer rechteckigen Grundfläche bzw. Basis beschrieben werden.

[0012] Das Strahlerelement kann zumindest teilweise als ein Hohlkörper ausgebildet sein, umfassend einen Hohlraum, welcher quer zur Längsachse Querschnittsflächen aufweist, die sich entlang der Längsachse in Richtung der Abschlussfläche verbreitern. Insbesondere können die Querschnittsflächen des Hohlraums oval oder rechteckig sein, wobei sie sich, ausgehend von dem unteren Strahlerabschnitt in Richtung des oberen Endes des Strahlerelements verbreitern. Ein derartiges Strahlerelement mit einem solchen Aufnahmeraum zeigt keine oder nur geringfügige Auswirkungen auf die Breitbandfähigkeit der Antennenanordnung, aber reduziert vorteilhaft deren Masse.

[0013] Das zumindest in einem Bereich in der Form einer auf der Spitze stehenden flachen Pyramide oder eines schlanken Trichters ausgebildete Strahlerelement mündet in bzw. geht aus von einem Fussbereich bzw. dem Fusspunkt, welcher eingerichtet ist, um an der Grundplatte aufnehmbar oder verbindbar zu sein. Das gemäss der Erfindung neugestaltete Strahlerelement, welches in Abwandlung von einer an sich bekannten Kegel- bzw. Konus-Form hin zu einer schlanken bzw. flachen Pyramiden-Form ausgebildet ist, hat überraschend keinen oder nur einen geringen negativen Einfluss auf die Breitbandfähigkeit des Strahlerelements verglichen mit den bekannten kegel-, konus- und/oder zylinderförmigen rotationssymmetrischen Strahlern. Aber diese Form erweist sich aber als besonders geeignet für einen Einsatzort auf einem Schienenfahrzeug.

[0014] Die flache oder schlanke Form des Strahlerelements ist derart ausgebildet, dass dessen oberes Ende die senkrecht zur Längsachse sich erstreckende rechteckige ebene Abschlussfläche bildet. Diese Abschlussfläche weist eine Breite und eine Länge in einer Ebene quer zur Längsachse auf, welche derart wählbar sind, dass die gesamte Antennenanordnung die Anforderungen der Breitbandigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung der Masse erfüllt. Die Breite der Abschlussfläche des oberen Ende des Strahlerelements kann zumindest teilweise einer Breite der sich daran anschliessenden Strukturabschnitte entsprechen.

[0015] Um eine noch niedriger bauende Antenne zu schaffen, wird die Antennenstruktur insgesamt in die Länge, d.h. in einer Ebene quer zur Längsachse, gestreckt, bzw. die Abmessung der Antennenstruktur parallel zur Grundplatte sind anpassbar. In einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Strahlerelements weist die Antennenstruktur demnach eine längsgestreckte Form auf, einschliesslich der von sich an die Abschlussfläche des Strahlerelements anschliessenden Strukturabschnitte. Diese werden auch als Kurzschlüsse bezeichnet, welche die Erdung aller Metallteile der Antennenstruktur mittels entsprechend ausgebildeter erster und zweiter Stützen sichern. Die Kurzschlüsse bzw. die auf diese Weise bereitgestellten Verbindungen zur Grundplatte sind so massiv ausgebildet, dass ein vorgeschriebener Hochstromtest für den Einsatz der Antennenanordnung im Schienenverkehr erfüllt ist. Denkbar ist aber auch, dass nur eine Stütze und das entsprechende Strukturelement einen Kurzschluss bereitstellen. Falls eine weitere Stütze vorgesehen ist, um eine Stabilisierung zu erreichen, kann diese aus einem Material gefertigt sein, welches keinen Kurzschluss darstellt.

[0016] Vorzugsweise sind die Abmessungen der Antennenstruktur der Antennenanordnung so gewählt, dass unter Berücksichtigung einer Rückflussdämpfung von - 10 dB oder ein noch niedrigerer Wert einen Frequenzbereich von zumindest etwa 690 MHz bis 6500 MHz abgedeckt ist. Insbesondere liegt in einem X-Y-Z-Koordinatensystem die maximale Höhe der Antennenanordnung in Z-Richtung im Bereich von 30 mm bis 50 mm, eine maximale Breite in Y-Richtung im Bereich von etwa 80 mm bis 120 mm und eine Länge in X-Richtung im Bereich von 120 mm bis 160 mm. Mit diesen Abmessungen können Anforderungen für einen Einsatz im Schienenverkehr erfüllt werden. Andere Abmessungen sind aber ebenfalls denkbar, wobei die Form einzelner Abschnitte der Antennenstruktur anpassbar sind. Insbesondere kann im Falle einer Antennenanordnung, welche nicht im Schienenverkehr eingesetzt wird und beispielsweise nicht Hochstromanforderungen zu erfüllen hat, deren Höhe in weiteren Bereichen variieren.

[0017] In einer Ausführungsform der Antennenanordnung kann die Antennenstruktur neben dem Strahlerelement mehrere Strukturelemente umfassen, welche miteinander verbindbar den ersten Strukturabschnitt und/oder den zweiten Strukturabschnitt bilden.

[0018] In einer Ausführungsform der Antennenanordnung sind der erste und der zweite Strukturabschnitt bzw. bei einer mehrteiligen Form einzelne Strukturelemente zumindest teilweise quaderförmig ausgebildet. Vorzugsweise weisen die Strukturabschnitte und/oder die Strukturelemente eine Breite quer zur Längsachse des Strahlerelements auf, die der Breite der Abschlussfläche des Strahlerelements entspricht. Die Höhe und die Querschnittsfläche, d.h. die Abmessung und/oder Form in Längsachsen-Richtung eines oder mehrerer Strukturabschnitte bzw. Strukturelemente ist wählbar, insbesondere derart, dass die Breitbandfähigkeit der Antennenstruktur bzw. der Antennenanordnung unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Masse der Antennenanordnung und den Sicherheitsanforderungen maximiert ist. Mit anpassbaren Abmessungen und Formen der Strukturabschnitte und/oder der Strukturelemente stehen Möglichkeiten zur Verfügung, negativen Effekten im Hinblick auf die Breitbandfähigkeit der Antennenanordnung zu begegnen.

[0019] Manche Bereiche der Strukturabschnitte bzw. die Strukturelemente können L-förmig ausgebildet sein, wobei bei niedriger Bauhöhe der Antennenanordnung eine zusätzliche Kapazität geschaffen werden kann. Durch sorgfältig aufeinander abgestimmte Strukturabschnitte bzw. Strukturelemente und deren Anordnung in der Antennenstruktur kann die Breitbandfähigkeit der Antennenanordnung bei gleichzeitig eingehaltener niedriger Bauhöhe erweitert werden.

[0020] In einer Ausführungsform der Antennenanordnung kann die Antennenstruktur in Aufsicht betrachtet eine Form bilden, bei welcher das Strahlerelement in einem Mittelabschnitt angeordnet ist. Beispielsweise kann die Antennenstruktur näherungsweise eine Z-Form bilden. Die mit dem Strahlerelement verbindbaren Strukturabschnitte bzw. Strukturelemente komplementieren die Z-Form, welche vorzugsweise symmetrisch zu der Längsachse des Strahlerelements sein kann. In Aufsicht betrachtet kann die Antennenstruktur ausgehend von einem mittig angeordneten Strahlerelement eine mäandernde Struktur mit einer oder mehrerer Ecken bilden.

[0021] Die sich an das Strahlerelement anschliessenden Strukturabschnitte bzw. Strukturelemente bilden mit entsprechenden Stützen die Kurzschlüsse bzw. stellen eine elektrisch leitende und/oder abstützende Verbindung zur Grundplatte dar. Die Antennenstruktur mit vorzugsweise zwei Haltepunkten zu der Grundplatte erzielt eine robuste mechanische Verankerung des Strahlerelements mit der Grundplatte, welche eine verbesserte Stabilität gegen Stösse und Vibrationen bildet.

[0022] In einer bevorzugten Z-Form der Antennenstruktur einer Ausführungsform der Antennenanordnung kann sich an das Strahlerelement im Bereich eines der Enden bzw. Endbereiche der Abschlussfläche in ebener Verlängerung der erste Strukturabschnitt anschliessen. Hierbei kann der erste Strukturabschnitt geformt sein, dass eine oder mehrere Ecke gebildet sind, wobei zwischen dem Mittelabschnitt und dem ersten Strukturabschnitt ein Winkel von ≤ 90° eingeschlossen sein kann. Der erste Strukturabschnitt kann ferner so geformt und angeordnet sein, dass er sich weitgehend parallel zum Mittelabschnitt erstreckt und in einem Endabschnitt eine sich in Richtung Grundplatte erstreckende erste Stütze zur Abstützung an der Grundplatte umfasst. Alternativ kann die Struktur mehrteilig aus entsprechenden Strukturelementen ausgebildet sein, wobei die Strukturelemente derart geformt und miteinander verbunden sein können, dass in einer Ausführungsform näherungsweise die Z-förmige Antennenstruktur gebildet ist. Beispielsweise kann ein Mittelast der Z-Form durch das Strahlerelement gebildet sein und sich davon ausgehende Äste durch den ersten Strukturabschnitt bzw. Strukturelement und einem zweiten Strukturabschnitt bzw. in einer mehrteiligen Ausführung mittels mehrerer entsprechend geformter Strukturelemente geformt sein. In einer mehrteiligen Ausführungsform können die einzelnen Strukturelemente mittels einer Schweissverbindung miteinander verbindbar sein, wobei dies voraussetzt, dass der erforderliche Hochstromtest und eine geforderte Masshaltigkeit erfüllt sind.

[0023] In einer weiteren Ausführungsform der Antennenanordnung ist die Antennenstruktur derart ausgebildet, dass diese einen Höhenversatz aufweist, d.h. Strukturabschnitte bzw. Strukturelemente liegen zumindest teilweise in parallelen Ebenen quer zur Längsachse. Hierfür kann zumindest ein Zwischenstück in die Antennenstruktur integriert sein, welches den Höhenversatz überbrückt. Erreicht wird dies beispielsweise dadurch, dass eine der ersten und zweiten Stützen in der Länge verkürzt ausgeführt ist.

[0024] In einer Ausführungsform der Antennenanordnung ist an einem der Strukturabschnitte bzw. Strukturelemente eine Auflagefläche ausgebildet. Auf der horizontalen Auflagefläche kann eine weiteres Antennenelement, beispielsweise eine GPS (Global Positioning System) - Antenne und/oder eine GNSS (Global Navigation Satellite System) - Antenne angeordnet und gehalten sein. Mittels des weiteren Antennenelements kann der Anwendungsbereich der Antennenanordnung erweitert werden.

[0025] Das oder die weiteren Antennenelemente können auf der vorgesehenen Auflagefläche beispielsweise mittels Klebung gehalten sein. Alternativ kann an einem Radom, welches die Antennenanordnung zumindest teilweise umschliesst, eine Halte- bzw. Lageschale vorgesehen sein, mittels welcher das Antennenelement in Position haltbar ist

[0026] Vorzugsweise kann zur elektrischen Kontaktierung des zusätzlichen Antennenelements ein Anschlusskabel entlang der Antennenstruktur und der Stütze zur Grundplatte und dort zu einem Anschlusselement geführt werden.

[0027] Bevorzugt ist die Auflagefläche derart an dem entsprechenden Strukturabschnitt bzw. Strukturelement vorgesehen, dass diese an das Zwischenstück angrenzt, welches den Höhenversatz überbrückt. Durch die Form des Zwischenstücks kann eine Anlagefläche für das weitere Antennenelement bereitgestellt sein. Eine andere Anordnung der weiteren Antennenelemente, beispielsweise auf der Grundplatte, ist denkbar.

[0028] In einer Ausführungsform kann die Antennenanordnung ferner Abstimmelemente umfassen, welche in Bezug zu der Antennenstruktur auf der Grundplatte anordenbar sind. Hierbei können die Abstimmelemente als konzentrierte Elemente oder als Strukturteil ausgebildet sein. Die Abstimmelemente können zumindest teilweise aus einem elektrisch leitenden Material und/oder einem isolierenden Material gefertigt sein. Je nach Ausführungsform können das eine oder die mehreren Abstimmelemente mit der Grundplatte mechanisch verbunden sein.

[0029] Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Antennenanordnung kann zumindest eine der Komponenten Strahlerelement, Strukturabschnitte und/oder Strukturelemente aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium, gefertigt sein. Im Falle, dass die Antennenanordnung nicht für den Schienenverkehr eingesetzt wird, d.h. diese nicht einen Hochstromtest zu erfüllen hat, könnte das Strahlerelement auch aus Kunststoff gefertigt sein, beispielsweise durch ein 3D-Druckverfahren gefertigt und mit einem Metall beschichtet.

[0030] Die Grundplatte, an welcher das Strahlerelement und Haltemittel befestigbar sind, ist selbst mittels Befestigungsmitteln mit dem Schienenfahrzeug bzw. einer bereitgestellten Montageplattform oder dergleichen verbindbar. Die Form und Gestaltung der Grundplatte ist zumindest teilweise festgelegt, um einen Austausch und Einsatz auf unterschiedlichen Fahrzeugen bzw. an unterschiedlichen Positionen zu gewährleisten. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Grundplatte zumindest teilweise auf einer Oberfläche eine Vertiefung bzw. Ausnehmung aufweisen, welche ausgebildet ist, um die Antennenstruktur in der Vertiefung aufzunehmen. Eine derartige Grundplatte hat durch die Ausnehmung ein geringeres Gewicht.

[0031] Die Grundplatte kann beispielsweise aus Stahl, rostfreiem Stahl oder Aluminium gefertigt sein.

[0032] Durch eine am Fusspunkt des Strahlerelements, nahegelegen zur Grundplatte, vorgesehene Einspeiseeinheit erfolgt eine serielle oder kapazitive Leitungsankopplung des Strahlerelements. Insbesondere kann die Leitungsankopplung mittels eines an der Grundplatte anordenbaren koaxialen Steckerelements erfolgen. Beispielsweise kann an dem Steckerelement ein Versorgungsleiter in Form eines Koaxialleiters anschliessbar sein, dessen Aussenleiter mit der Grundplatte elektrisch leitend verbunden ist. Das Steckerelement ist vorzugsweise in einer Öffnung der Grundplatte aufnehmbar und beispielsweise mittels einer Gewindeverbindung in dieser gehalten. Das Steckerelement kann in Eingriff mit dem Strahlerelement gebracht werden, so dass ein Innenleiter des Versorgungsleiters in elektrischem Kontakt mit der Einspeiseeinheit steht. Durch den vorgesehenen Kurzschluss wird eine galvanische Verbindung mit dem Strahlerelement erzeugt. Eine kapazitive Verbindung von Versorgungsleiter und Strahlerelement kann mittels einer dielektrischen Hülse erfolgen. Da diese Kopplung des Strahlerelements mit dem Versorgungsleiter mittels einer Steckverbindung ausgeführt und somit ohne jede Lötung erfolgt, ist die Montage des Strahlerelements höchst einfach.

[0033] Gemäss einer Ausführungsform umfasst die Antennenanordnung des Weiteren ein Radom, um diese vor äusseren Einflüssen zu schützen. Das Radom, auch als Abdeckhaube oder Gehäuse bezeichnet, ist form- und/oder kraftschlüssig sowie feuchtigkeitsdicht mit der Grundplatte verbindbar. Im Transportwesen und insbesondere bei Schienenfahrzeugen ist die Gestalt und Abmessungen des Radoms unter Berücksichtigung eines durch die auf einem Dach montierte eingehäuste Antennenanordnung erzeugten Luftwiderstands sowie einer einzuhaltenden Hüllkurve des Schienenfahrzeugs weitgehend festgelegt. Insbesondere die vorbestimmte Höhe des Radoms bedingt eine niedrig aufgebaute Struktur der Antennenanordnung, welche eingerichtet ist, um auch in einem niedrigen Frequenzbereich einsetzbar zu sein, ohne den oberen Frequenzbereich merklich zu reduzieren.

[0034] Gemäss einer Ausführungsform ist die breitbandige Antennenanordnung eingerichtet, um einen Frequenzbereich von ≤ 690 MHz bis ≥ 6500 MHz abzudecken.

[0035] Gerade im Schienenverkehr ist eine hohe Funktionsfähigkeit einer breitbandigen Antennenanordnung von hoher sicherheitstechnischer Relevanz für eine hochpräzise Ortung und deren Zuverlässigkeit. Demnach gibt es eine Vielzahl von internationalen bzw. europäischen elektrotechnischen Standards für elektrische, elektronische und programmierbarer elektronischer Systeme im sicherheitsrelevanten Bereich, welche auch die Antennenanordnung gemäss der Erfindung erfüllt. Dazu kann das Kundeninformationssystem, eine Fahrzeugplattform, ein bahnspezifischer Mobilfunk für ETCS (European Train Control System), eine Fahrzeugortung und ähnliches zählen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0036] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Antennenanordnung gemäss eines Ausführungsbeispiels; Fig. 2a eine schematische perspektivische Ansicht einer Antennenstruktur gemäss einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Antennenanordnung; Fig. 2b eine schematische perspektivische Ansicht einer Antennenstruktur gemäss einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Antennenanordnung; Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf die Antennenstruktur gemäss Fig. 2a; Fig. 4 eine schematische perspektivische Ansicht einer Antennenanordnung gemäss einer weiteren Ausführungsform; Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht einer Grundplatte der erfindungsgemässen Antennenanordnung; Fig. 6 eine schematische perspektivische Ansicht eines die Antennenstruktur überdeckenden Radoms.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

[0037] In Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Antennenanordnung 1 gemäss eines ersten Ausführungsbeispiels gezeigt. Die Antennenanordnung 1 umfasst eine Grundplatte 10 und ein Strahlerelement 20, welches mittels Haltemitteln 40 mit der Grundplatte 10 verbindbar ist.

[0038] Die Grundplatte 10 kann auch als Masseplatte bezeichnet sein und ist in Abmessungen ausgeführt und/oder mit Verbindungsmitteln versehen, welche eingerichtet sind, um diese an eine vorgegebene Montageplattform an einem Schienenfahrzeug oder dergleichen lösbar zu befestigen. In der stark vereinfachten Darstellung der Fig. 1 ist die Grundplatte 10 rechteckig gestaltet. Sie kann aber auch quadratisch, oval, polygonal, kreisrund etc. geformt sein. In etwa in der Mitte der Grundplatte 10 ist eine Öffnung 12 vorgesehen, in welche ein Steckerelement (nicht dargestellt) positionierbar und gehalten ist, welches beispielsweise als koaxiales Steckerelement ausgebildet sein kann. Dabei kann der Aussenleiter des Steckerelements mit der Grundplatte 10 elektrisch galvanisch verbunden sein. Der Innenleiter des Steckerelements, welcher vom Aussenleiter getrennt ist, führt durch die Öffnung 12 und ist mit einer Einspeiseeinheit des Strahlerelements 20 elektrisch galvanisch verbindbar. Ferner sind an der Grundplatte 10 weitere Öffnungen 11 in Eckbereichen und Nuten 15 (nicht dargestellt) vorgesehen, welche einerseits eine lösbare Verbindung mit einem Radom (dargestellt in Fig. 5) und andererseits mit einer Montageplattform oder dergleichen bereitstellt.

[0039] In Fig. 1 ist auch das Strahlerelement 20 erkennbar, welches eine Komponente einer Antennenstruktur 200 ist. Das Strahlerelement 20 kann als eine Art monopolartiger Strahler ausgebildet sein, welcher mindestens einen Strahlerabschnitt 21 mit einem Fusspunkt 22 nahe der Grundplatte 10 umfasst. Das Strahlerelement 20 kann als eine auf der Spitze stehende Pyramide mit einer rechteckförmigen Basis verstanden werden. Die Form der Basis ist ein langgestrecktes Rechteck mit einer Länge, welche ein Vielfaches der Breite ist. Bevorzugt kann das Verhältnis von Länge zu Breite typischerweise im Bereich von 6:1 bis 10:1 liegen. Ausgehend von dem Fusspunkt 22, erstreckt sich das Strahlerelement 20 entlang einer Längsachse 24 zu einer oberen Abschlussfläche 26. Das Strahlerelement 20 wird durch Wände 23a, 23b, 23c, 23d gebildet, welche sich teilweise abschnittsweise in unterschiedlicher Neigung und teilweise mit einer Wölbung entlang der Längsachse 24 erstrecken. Alternativ kann der untere Strahlerabschnitt 21 auch als ein sich erweiternder Konus- oder Kegelabschnitt oder auch Pyramidenabschnitt ausgebildet sein. An diesen unteren Strahlerabschnitt 21 kann sich ein oberer Strahlerabschnitt 25 anschliessen, wobei zumindest an einem Teil der Wände 23a, 23b, 23c, 23d durch deren unterschiedlicher Neigung ein Übergang gebildet sein. Der obere Strahlerabschnitt 25 ist in der Fig. 1 ebenfalls in der Form einer Pyramide dargestellt. Hierbei entspricht ein Durchmesser des unteren Strahlerabschnitts 21 am Übergang von dem unteren Strahlerabschnitt 21 zu dem oberen Strahlerabschnitt 25 dem Durchmesser des oberen Strahlerabschnitts 25. Alternativ kann der obere Strahlerabschnitt 25 eine andere Form aufweisen, beispielsweise konisch, kegelförmig oder zylindrisch sein.

[0040] Das Strahlerelement 20 bildet einen Mittelabschnitt 30 der Antennenstruktur 200. In einer Ebene quer zur Längsachse 24 weist das Strahlerelement 20 die obere Abschlussfläche 26 auf, welche eine Endfläche des Strahlerelements 20 ist und eine gewisse Höhe der Antennenstruktur 200 festlegt. Insbesondere ist die Abschlussfläche 26 eine rechteckförmige Fläche, deren Länge 27 ein Vielfaches von deren Breite 28 ist. An der Abschlussfläche 26 schliessen sich jeweils als Strukturabschnitte 31a, 31b ausgebildete Haltemittel 40 an.

[0041] Die Strukturabschnitte 31a, 31b sind ausgebildet, um das Strahlerelement 20 mit der Grundplatte 10 zu verbinden. Hierfür umfassen in der dargestellten Ausführungsform die Strukturabschnitte 31a, 31b jeweils eine Stütze 32a, 32b, welche mit einer Kontaktfläche auf der Grundplatte 10 aufliegt. Beispielsweise sind diese mittels Schraubverbindungen verbindbar. Vorzugsweise kann die Kontaktfläche im Vergleich zum Querschnitt der Stütze 32a, 32b vergrössert sein, um eine stabilere Abstützung der Antennenstruktur zu bewirken.

[0042] In der Darstellung der Fig. 1 ist die gesamte Antennenstruktur 200 einschliesslich des Strahlerelements 20 und der sich jeweils anschliessenden Strukturabschnitte 31a, 31b als aus einem Stück gefertigt dargestellt. Alternativ können aber auch die Strukturabschnitte 31a, 31b als von dem Strahlerelement 20 separate Strukturelemente 33a, 33b, 33c, 33d, wie in Fig. 2b dargestellt, ausgebildet sein, welche mit diesem in geeigneter Weise verbunden sind bzw. an diesem befestigbar sind.

[0043] In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Antennenstruktur 200 kann diese in Aufsicht näherungsweise eine Z-Form annehmen, wobei das Strahlerelement 20 im Mittelabschnitt 30 angeordnet ist. Andere geeignete Formen sind denkbar, welche eine Antennenanordnung 1 bereitstellen, die den gewünschten Frequenzbereich überdeckt. Insbesondere nehmen geeignete Antennenstrukturen 200 eine langgestreckte Gestalt in einer Ebene quer zur Längsachse 24 an. Andere geeignete Formen der Antennenstruktur 200 können sowohl symmetrisch, ausgehend von dem Strahlerelement 20, als auch asymmetrisch sein. Ferner kann sich die Antennenstruktur 200 mittels einer ersten Stütze 32a an der Grundplatte abstützen und einen Kurzschluss bilden. Im Falle einer zweiten Stütze 32b kann diese ebenfalls einen Kurzschluss bilden oder beispielsweise aus einem dielektrischen Material gefertigt sein und somit eine Abstützung an der Grundplatte 10 bilden.

[0044] Fig. 2a zeigt die Antennenstruktur 200 gemäss der Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht. Erkennbar in Fig. 2a ist eine längliche Form der Antennenstruktur 200. Eine obere abschliessende Fläche 34 der Antennenstruktur 200, umfassend das Strahlerelement 20 mit seiner oberen Abschlussfläche 26 und die sich daran anschliessende Strukturabschnitten 31a, 31b, bildet eine horizontale Ebene quer zur Längsachse 24. Demnach sind die Strukturabschnitte 31a, 31b in einer gleichen Ebene wie die Abschlussfläche 26 und bilden mit dieser einen glatten Übergang. Die Strukturabschnitte 31a, 31b können sich aus quaderförmigen Bereichen zusammensetzen, welche in einer gleichen Breite wie die Breite 28 des Strahlerelements 20 ausgeführt sind. Einzelne Bereiche der Strukturabschnitte 31a, 31b können aber auch in anderer Form ausgebildet sein, beispielsweise Eckelemente bilden. In Richtung der Längsachse 24 betrachtet können Bereiche der Strukturabschnitte 31a, 31b einen L-förmigen Querschnitt haben. Die Formgebung der Strukturabschnitte 31a, 31b ist anpassbar, so dass die Antennenanordnung 1 einen möglichst grossen Frequenzbereich überdeckt, ein geringes Gewicht hat und keine Schwachstellen aufweist, die für einen Hochstromtest problematisch sein können.

[0045] Das Strahlerelement 20 umfasst in dem unteren Strahlerabschnitt 21 den Fusspunkt 22. Der Fusspunkt 22 ist über eine untere Endfläche 22a mit der Grundplatte 10 galvanisch verbunden. Die Leitungsankoppelung des Strahlerelements 20 erfolgt über ein von unterhalb der Grundplatte 10 zugängliches koaxiales Steckerelement, dessen Aussenleiter mit der Grundplatte 10 und dessen Innenleiter mit dem Strahlerelement 20 elektrisch leitend verbindbar ist.

[0046] Die untere Endfläche 22a hat in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine rechteckige Form, wobei sich von den Seiten der rechteckigen Endfläche 22a die divergierenden Wände 23a, 23b, 23c, 23c entlang der Längsachse 24 über den unteren Strahlerabschnitt 21 und über den oberen Strahlerabschnitt 25 erstrecken. Erkennbar ist, dass zumindest zwei der Wände 23a, 23b, 23c, 23d am Übergang zwischen dem unteren Strahlerabschnitt 21 und dem oberen Strahlerabschnitt 25 eine Kante ausbilden.

[0047] Fig. 2b zeigt eine alternative Ausführungsform mit einer Antennenstruktur 200 in einer perspektivischen Ansicht. Die dargestellte Antennenstruktur 200 unterscheidet sich unteranderem von derjenigen in Fig. 2a dargestellten, dass die Strukturabschnitte 31a, 31b aus mehreren Strukturelementen 33a, 33b, 33c, 33d, 33e zusammengesetzt sind. Die Strukturelemente 33a, 33b, 33c, 33d, 33e können unterschiedlich gestaltet sein. Hierbei liegen nicht alle oberen Abschlussflächen von Strahlerelement 20 und Strukturabschnitten 31a, 31b bzw. Strukturelementen 33a, 33b, 33c, 33d, 33e auf einer Ebene parallel zur Grundplatte. Vielmehr sind Abschnitte der Antennenstruktur 200 auf einer tieferen Ebene und damit näher an der Grundplatte 10 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist dies das Strukturelement 33d. Der Höhenversatz kann beispielsweise in einem Abschnitt parallel zum Mittelabschnitt 30 mittels einer verkürzten Stütze 32b realisiert werden. Der Höhenunterschied zwischen dem tiefer gelegenen Abschnitt 33d und dem höher gelegenen Abschnitt der Antennenstruktur 200 kann auch mittels eines geeigneten Zwischenstücks 33e überbrückt sein.

[0048] In dem tiefergelegenen Strukturabschnitt 31a ist eine Auflagefläche 36 ausgebildet, auf welcher ein weiteres Antennenelement 35 (nicht dargestellt) anordenbar ist. Beispielsweise eine GPS- und/oder GNSS-Antenne. In dieser Platzierung ergibt sich eine optimale Funktionsfähigkeit dieses weiteren Antennenelements 35. Zur elektrischen Kontaktierung des weiteren Antennenelements 35 kann ein weiterer koaxialer Steckeranschluss an einer Unterseite der Antennenstruktur 200 vorgesehen sein.

[0049] Aus der Darstellung der Fig. 2b ist ebenfalls ersichtlich, dass in dem Mittelabschnitt 30 der Antennenstruktur 200 ein Hohlraum 50 ausgebildet ist. Dieser Hohlraum 50 ist in dem Strahlerelement 20 derart gestaltet, dass er in Ebenen senkrecht zur Längsachse 24 sich verändernde Querschnittsflächen hat, welche von dem unteren Strahlerabschnitt 21 bis zum oberen Strahlerabschnitt 25 sich erweitern bzw. verbreitern.

[0050] In Fig. 3 ist eine Aufsicht der Antennenstruktur 200 gemäss der Ausführungsform nach Fig. 2a dargestellt. In dieser Ansicht ist erkennbar, dass die Antennenstruktur 200 näherungsweise eine Z-Form ausbildet. Hierbei ist das Strahlerelement 20 in dem Mittelabschnitt 30, entsprechend einem Mittelast der Z-Form, angeordnet, an welchen sich an einem ersten Ende 30a der erste Strukturabschnitt 31a und an einem gegenüberliegenden zweiten Ende 30b der zweite Strukturabschnitt 31b anschliessen. Die Form der Antennenstruktur 200 kann in ihrer Form variieren. So sind ganz unterschiedliche Formen denkbar, welche in Aufsicht symmetrische oder asymmetrische Formen bilden.

[0051] Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Antennenanordnung 1 in einer schematischen und perspektivischen Ansicht. Die Antennenanordnung 1 ist ergänzt durch das zusätzliche Antennenelement 35, welches auf eines der Strukturabschnitte 31b auf einer hierfür vorgesehenen Fläche 36 angeordnet und gehalten ist. Die elektrische Kontaktierung dieses Antennenelements 35 kann mittels eines weiteren koaxialen Steckerelements erfolgen, welches an geeigneter Stelle an der Grundplatte 10 vorsehbar ist (nicht dargestellt). Ferner ist ein Abstimmelement 37 vorgesehen, welches an der Grundplatte 10 anordenbar und verbindbar ist und eingerichtet ist, um den Frequenzbereich der Antennenanordnung 1 zu maximieren.

[0052] In Fig. 5 ist in schematischer und perspektivischen Ansicht die Grundplatte 10 gemäss einer Ausführungsform dargestellt. Die dargestellte Grundplatte 10 weist näherungsweise eine Rechteckform auf, wobei in Eckbereichen Durchgangslöcher 11 vorgesehen sind, welche zur Befestigung mit einer Montageplattform ausgebildet sein können. In einem mittleren Bereich umfasst die Grundplatte 10 eine Ausnehmung 13, in welche die Antennenstruktur 200 aufnehmbar und mittels eines in der Öffnung 12 einführbaren koaxialen Steckerelement 14 elektrisch und galvanisch kontaktierbar ist. Die Ausnehmung 13 trägt auch zu einer Gewichtsreduzierung der Antennenanordnung 1 bei.

[0053] Zur Komplementierung kann die Antennenanordnung 1 mit einem Radom 60 umschlossen sein. Um eine feuchtigkeitsdichte Verbindung zwischen Grundplatte 10 und Radom 60 vorzusehen, ist an der Grundplatte 10 eine Nut 15 vorgesehen, in welche eine Dichtung aufnehmbar ist.

[0054] Die Fig. 6 zeigt einen Radom 60, welcher als Gehäuse die Antennenstruktur 200 umschliesst und mit der Grundplatte 10 feuchtigkeitsdicht verbindbar ist. Der Radom 60 hat vorzugsweise die Form eines langgestreckten flachen Quaders. Eine Verbindung mit der Grundplatte und/oder einer Montageplattform kann mittels Schraub-, Klebe-, Niet- und/oder Schnappverbindungen erfolgen.

Claims (14)

1. Breitbandige Antennenanordnung (1) für ein Schienenfahrzeug, umfassend – eine Grundplatte (10) mit einer Öffnung (12), in die ein koaxiales Steckerelement (14) anordenbar ist, – ein monopolförmiges Strahlerelement (20), umfassend mindestens einen Strahlerabschnitt (21) mit einem Fusspunkt (22), nahegelegen der Grundplatte (10) und einer sich parallel zur Grundfläche erstreckenden Abschlussfläche (26), wobei das Strahlerelement (20) divergierende Wände (23a, 23b,23c, 23d) in dem mindestens einen Strahlerabschnitt (21) aufweist; und – Haltemittel (40) zur Verbindung des Strahlerelements (20) mit der Grundplatte (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlerelement (20) in Form einer Pyramide mit der Abschlussfläche (26) als rechteckförmige Basis mit einer Länge (27) ausgebildet ist, welche ein Vielfaches einer Breite (28) der Abschlussfläche (26) beträgt und die Haltemittel (40) als Strukturabschnitte (31a, 31b) ausgebildet sind, wobei sich ein erster Strukturabschnitt (31a) an einem ersten Ende (30a) und ein zweiter Strukturabschnitt (31b) an einem gegenüberliegenden zweiten Ende (30b) des Strahlerelements (20) anschliessen und mindestens eine der ersten und zweiten Strukturabschnitte (31a, 31b) mittels einer Stütze (32a, 32b) an der Grundplatte (10) abstützbar ist, wobei eine Antennenstruktur (200) gebildet ist.

2. Breitbandige Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Strukturabschnitte (31a, 31b) aus mehreren miteinander verbindbaren Strukturelementen (33a, 33b, 33c, 33d) gebildet sind.

3. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturabschnitte (31a, 31b) und/oder die Strukturelemente (33a, 33b, 33c, 33d) zumindest teilweise quaderförmig ausgebildet sind und mit dem in einem Mittelabschnitt (30) angeordneten Strahlerelement (20) die Antennenstruktur (200) bilden..

4. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenstruktur (200) in Richtung der Längsachse (24) betrachtet näherungsweise eine Z-Form bildet, wobei das Strahlerelement (20) den Mittelabschnitt (30) formt.

5. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Stützen (32a, 32b) eine verkürzte Länge aufweist.

6. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einem der Strukturabschnitte (31a, 31b) und/oder der Strukturelemente (33a, 33b, 33c, 33d) eine Auflagefläche (36) ausgebildet ist, auf welche ein weiteres Antennenelement (35) positionierbar und gehalten ist.

7. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Antennenelement (35) eine GPS- und/oder eine GNSS-Antenne ist.

8. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlerelement (20) einen Hohlraum (50) umfasst, welcher quer zur Längsachse (24) Querschnittsflächen aufweist, die sich entlang der Längsachse (24) in Richtung der Abschlussfläche (26) verbreitern.

9. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Abstimmelemente anordenbar sind, um die Breitbandfähigkeit der Antennenanordnung (1) zu erweitern.

10. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlerelement (20), die Strukturabschnitte (31a, 31b) und/oder die Strukturelemente (33a, 33b, 33c, 33d) aus Metall gefertigt sind.

11. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radom (60) umfasst ist, welches form- und/oder kraftschlüssig und feuchtigkeitsdicht mit der Grundplatte (10) verbindbar ist, wobei der Radom (60) die Antennenstruktur (200) berührungsfrei umschliesst.

12. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (10) mehrere Öffnungen (11, 12) aufweist, die zur Leitungsdurchführung und/oder zur Befestigung an einem Schienenfahrzeug vorgesehen sind, wobei die Anordnung der Öffnungen (11, 12) durch das Schienenfahrzeug vorgebbar ist.

13. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (10) an einer Oberfläche eine Ausnehmung (13) aufweist, in welche die Antennenstruktur (200) aufnehmbar ist.

14. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese eingerichtet ist, um einen Frequenzbereich von 690 MHz bis 6500 MHz abzudecken.