DE10025992A1 - Antennensystem - Google Patents

Abstract

Das Antennensystem weist eine erste Antenne und eine zweite Antenne auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Antenne vorwiegend elektrisch wirksam ist und die zweite Antenne vorwiegend magnetisch wirksam ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antennensystem mit zwei Antennen mit verringerter Beeinflussung zwischen den beiden Antennen, eine Verwendung des Antennensystems und ein Verfahren zur verringerten Beeinflussung.

Bisher sind Mobilfunkgeräte (sogenannte "Handys") bekannt, die eine einzige Antenne sowohl zum Senden als auch zum Emp­ fangen aufweisen. Die Trennung der Sende- bzw. Empfangs­ signale wird mit möglichst hoher Isolation systemabhängig ü­ ber geeignete Komponenten, z. B. Zirkulator, Duplexfilter, An­ tennenumschalter, durchgeführt. Hinzu kommen weitere Anpas­ sungen, wie z. B. der Antennenfußpunktimpedanz und der Anpas­ sungsnetzwerke, die meist eine Kompromisslösung darstellen. Die Güte der Anpassungsnetzwerke erlaubt im allgemeinen nur die Optimierung für ein Frequenzband und ist daher für eine breitbandige Anwendung ungeeignet.

Beispielsweise aus: Antenna Handbook, Vol. 1, Ed.: Y. T. Lo, S. W. Lee, pp 2-36 bis 2-37, ist ein bistatisches Radar zur Entkopplung zwischen Sendezweig und Empfangszweig der Einsatz zweier Richtfunkantennen bekannt, wobei die verringerte ge­ genseitige Beeinflussung durch die nur geringe Abstrahlung der beiden Antennen außerhalb ihrer Richtstrecke ausgenutzt wird. Diese Methode weist den Nachteil auf, dass die Antennen auf einen an einem bekannten Ort vorhandenen Sender bzw. Emp­ fänger gerichtet sein müssen. Diese Methode ist z. B. für den Einsatz in Handys weitgehend ungeeignet.

Aus: Antenna Handbook, Vol. 2, Ed.: Y. T. Lo, S. W. Lee, pp 6-25 bis 6-27, ist auch ein Antennensysteme mit zwei Antennen be­ kannt, bei denen eine Feldentkopplung mittels Polarisations­ entkopplung geschieht. Dabei werden die Antennen so einge­ stellt, dass das von einer Antenne ausgesandte Signal eine senkrechte Polarisationsrichtung zu dem von der anderen An­ tenne empfangbaren elektromagnetischen Signal aufweist. Die Wirksamkeit einer solchen Feldentkopplung wird durch die Zahl der im Bereich der beiden Antennen vorhandenen Streuzentren reduziert, weil bei einer Streuung der elektromagnetischen Strahlung in der Regel die Polarisationsrichtung nicht erhal­ ten bleibt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbes­ serte Möglichkeit zur reduzierten gegenseitigen Beeinflussung zweier Antennen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Antennensystem nach Anspruch 1, ein Funkgerät nach Anspruch 9 und ein Verfahren nach Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprü­ chen entnehmbar.

Das Antennensystem weist eine erste Antenne und eine zweite Antenne auf, wobei die erste Antenne vorwiegend elektrisch wirksam ist und die zweite Antenne vorwiegend magnetisch wirksam ist.

Vorwiegend elektrisch bzw. magnetisch wirksam bedeutet, dass die Antennen jeweils vor allem mit einer elektrischen bzw. magnetischen Feldkomponente wechselwirken, und nur zu einem geringeren Anteil mit der jeweils anderen Feldkomponente. Beim Betrieb des Antennensystems wird also mittels der ersten Antenne ein vorwiegend elektrisches Signal gesendet und/oder empfangen und mittels der zweiten Antenne ein vorwiegend mag­ netisches Signal gesendet und/oder empfangen. Durch diese Feldentkopplung ist eine verringerte Beeinflussung der beiden Antennen erreichbar, weil ein von einer Antenne ausgesandtes Signal von der anderen Antenne nur gedämpft aufgenommen wird.

Der zulässige Anteil der jeweils anderen Feldkomponente er­ schließt sich dem Fachmann aus dem für eine Anwendung benö­ tigten Grad der Entkopplung. Je geringer der Anteil der jeweils anderen Feldkomponente ist, desto besser ist die Feld­ entkopplung. Die Feldentkopplung wird mit kleinerem Abstand der Antennen zueinander verstärkt, insbesondere falls sich die empfangende Antenne im Nahfeld der sendenden Antenne be­ findet. Im Grenzfall kann auch eine vollkommende Feldentkopp­ lung auftreten.

Unter Nahfeld wird verstanden, dass ein von einer Antenne ge­ sendetes Signal ohne signifikante Beimischung der jeweils an­ deren Feldkomponente die jeweils andere Antenne erreicht. Das Nahfeld wird üblicherweise als innerhalb einer Wellenlänge λ vom Strahlungsort definiert.

Im Fernfeld wird aufgrund des Feldwellenwiderstands des frei­ en Raumes (377 Ω) eine verstärkte Mischung der Feldkom­ ponenten auftreten, die Feldentkopplung also verringert bzw. aufgehoben. Eine Abschätzung zum Einsetzen des Fernfelds ist z. B. in John D. Kraus: Antennas, 2^nd ed., Seiten 60-61, und insbesondere zusammen mit einem kurzen elektrischen Dipol, auf Seite 210, Fig. 5-6, oder aus: R. Bansal, The Far-Field: How Far is Far Enough?, Design Ideas; Applied Microwave & Wi­ reless, pp. 58 und 60 erhaltbar.

Es ist möglich, dieses Antennensystem so zu betreiben, dass mittels beider Antennen sowohl gesendet als auch empfangen wird. Es kann aber auch eine Antenne nur zum Senden, und die andere Antenne nur zum Empfang gedacht sein.

Das Antennensystem ist selbstverständlich nicht auf den Ein­ satz in mobilen Funkgeräten beschränkt. Unter Funkgerät wird eine allgemeine Vorrichtung zur drahtlosen Datenübertragung mittels Funkwellen verstanden.

Es ergibt sich für dieses Antennensystem der Vorteil, dass eine gegenseitige Beeinflussung der Antennen stark reduzier­ bar ist. Dadurch können in einem Funkgerät auch mit den An­ tennen zusammenhängende Bauteile wie ein Sendezweig und ein Empfangszweig voneinander weitgehend kopplungsfrei betrieben werden. Beispielsweise bei einem Mobilfunkgerät kann so eine Überdeckung des erwünschten Empfangssignals, eine Übersteue­ rung der Eingangskomponenten des Empfangszweigs oder eine störende Beeinflussung der im Empfangszweig vorhandenen auto­ matischen Verstärkungsregelung vermieden werden. Dies ist insbesondere nützlich beim Einsatz von Multiband- und Multi­ mode-Geräten, z. B. dem sog. Software-Radio, weil dort die einzelnen Sende- bzw. Empfangskanäle besonders scharf vonein­ ander abgetrennt sein müssen.

Insbesondere ist es dann, wenn beide Antennen in Sende- /Empfangsmodus betrieben werden, bevorzugt, wenn sich die er­ ste Antenne im Nahfeld der zweiten Antenne befindet, und sich die zweite Antenne im Nahfeld der ersten Antenne befindet. Sendet nur eine Antenne, während die andere nur empfängt, so ist es ausreichend, wenn sich die empfangende Antenne, z. B. die erste Antenne, im Nahfeld der sendenden, z. B. zweiten, Antenne befindet.

Es wird bevorzugt, wenn die zweite Antenne sendet und die er­ ste Antenne empfängt.

In der praktischen Anwendung wird es eine Beimischung der je­ weils anderen Feldkomponente zur vorwiegend wirksamen Feld­ komponente geben. Es ist dann zur weiteren Verringerung der gegenseitigen Beeinflussung vorteilhaft, wenn bezüglich einer gleichgearteten Feldkomponente die erste Antenne und die zweite Antenne polarisationsentkoppelt sind, wobei eine erste Polarisation der ersten Antenne und eine zweite Polarisation der zweiten Antenne im Nahfeld zueinander orthogonal stehen. Beispielsweise kann eine vorwiegend wirksame elektrische Feldkomponente der ersten Antenne in x-Richtung und eine un­ terdrückte elektrische Feldkomponente der zweiten Antenne in y-Richtung polarisiert sein. Bei einer sendenden und einer empfangenden Antenne ist es ausreichend, wenn die Polarisationsrichtungen am Ort der empfangenden Antenne senkrecht ste­ hen.

Zur weiteren Verringerung der gegenseitigen Beeinflussung ist es vorteilhaft, wenn die vorwiegend magnetisch wirksame An­ tenne mittels eines Abschirmmittels aus leitfähigem, nicht­ magnetischen Material, z. B. Silber oder Kupfer, ohne Erzeu­ gung eines Ringstroms im Abschirmmittel elektrisch abschirm­ bar ist, siehe The ARRL Antenna Book: Electrostatically shielded loops, Seite 5-5, ARRL, 16^th ed., 1992. Durch das Abschirmmittel kann eine Durchstrahlung elektrischer Wellen unterbunden werden, während magnetische Wellen das Abschirm­ mittel weitgehend ungehindert durchstrahlen können. Ein sol­ ches Abschirmmittel, z. B. eine Umhüllung oder Schirmplatten, ist vor allem bei einer magnetisch wirksamen Sendeantenne vorteilhaft.

Es wird zur Unterdrückung der elektrischen Feldkomponente be­ vorzugt, wenn die zweite Antenne eine elektrisch kleine Lei­ terschleife umfasst, insbesondere, wenn der Durchmesser d der Leiterschleife weniger als ein Zehntel der kürzesten ausge­ sandten Wellenlänge ?_min misst, vorzugsweise weniger als 1,25 cm, insbesondere weniger als 0,8 cm.

Die erste Antenne umfasst bevorzugt einen Monopol mit gegen­ überliegender Masse oder einen Dipol, weil diese vor allem elektrische Signale senden bzw. empfangen, und vergleichs­ weise gering mit magnetischer Strahlung wechselwirken.

Es ist zur weiteren Verringerung einer Beeinflussung bei ei­ nem Vorliegen einer zweiten Antenne in Form einer Leiter­ schleife und einer dipol- oder monopolartigen ersten Antenne günstig, wenn der Dipol oder Monopol in Richtung eines Norma­ lenvektors einer die Leiterschleife der ersten Antenne um­ schließenden Fläche ausgerichtet ist. Dadurch ist auf einfa­ che Weise die Feldentkopplung mit der Polarisationsentkopp­ lung kombinierbar. Dies kann z. B. dadurch geschehen, das ein längliches Dipolelement senkrecht durch eine Leiterschleife geführt wird.

Ein Funkgerät, insbesondere ein Mobilfunkgerät, z. B. ein tragbares Telefon ("Handy"), das mit dem Antennensystem aus­ gerüstet ist, weist den Vorteil auf, dass es keine aufwendi­ gen Vorrichtungen zur Verringerung der Beeinflussung der An­ tennen mehr aufweisen muss.

In einem solchen Funkgerät ist das Nahfeld günstigerweise so ausgelegt, dass es eine Ausdehnung aufweist, die kleiner ist als die kürzeste nutzbare Wellenlänge ?_min. Die Antennen sind dann also weniger als λ_min voneinander entfernt. Es ist auch eine weitere Auslegung des Nahfeldes möglich, wobei aber die Wirkung der Feldentkopplung durch den Einfluss des Feldwel­ lenwiderstands entsprechend verringert wird.

Bei einem Mobilfunkgerät (z. B. "Handy") beträgt eine typi­ sche höchste genutzte Frequenz ca. 2,45 GHz im ISM-Band, ent­ sprechend ?_min ∼ 12,5 cm. In Zukunft wird die nutzbare Fre­ quenz weiter steigen, z. B. bis auf das WLL-Band bei 3,77 GHz, entsprechend λ_min ∼ 8 cm. Innerhalb dieser Längen liegen auch die typischen Abmessungen eines Handys, so dass z. B. für eine Anbringung der Antennen vor allem konstruktive Ein­ schränkungen vorhanden sind. Eine bevorzugter Abstand der An­ tennen am Handy ergibt sich aus seiner typischen Breite von weniger als 5 cm.

Bei tieferen Frequenzen, z. B. dem Polizeifunk bei 80 MHz, ist die Einhaltung des Nahbereichs, und damit eine sehr hohe Feldentkopplung, entsprechend einfacher.

Es wird ein Funkgerät bevorzugt, bei dem das Antennensystem an einen Frequenzmultiplex-Transceiver angeschlossen ist, insbesondere wenn die erste Antenne an einen Empfangszweig des Frequenzmultiplex-Transceiver angeschlossen ist, die zweite Antenne an einen Sendezweig des Frequenzmultiplex- Transceivers angeschlossen ist, und der Sendezweig und der Empfangszweig in Vollduplextechnik betreibbar sind. Durch diese Kombination können die vom Frequenzmultiplex-Trans­ ceiver verwendeten unterschiedlichen Frequenzen gut voneinan­ der entkoppelt werden.

Besonders bevorzugt wird ein Zusammenwirken des Antennen­ systems mit einem Frequenzmultiplex-Transceiver, wenn am Fre­ quenzmultiplex-Transceiver ein Hilfs-Sendezweig vorgesehen ist, der mit dem Empfangszweig verbunden ist, und der zu dem Empfangssignal ein Signal addiert, dessen Phase zu der Phase des Sendesignals um 180° versetzt ist, und das den gleichen Frequenzbereich wie das Sendesignal aufweist, wobei der Hilfs-Sendezweig unabhängig vom ersten Sendezweig ansteuerbar ist.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird das Antennen­ system schematisch näher ausgeführt.

Fig. 1 zeigt als Skizze ein Antennensystem mit einer mag­ netischen Schleife und einem Dipol,

Fig. 2 zeigt als Skizze eine magnetische Schleife zwischen zwei Schirmplatten in Schrägansicht,

Fig. 3 zeigt die Anordnung aus Fig. 2 in Seitenansicht,

Fig. 4 zeigt eine Skizze eines Mobilfunkgerät, das mit dem Antennensystem und einem Frequenzmultiplex- Transceiver ausgerüstet ist.

In Fig. 1 ist ein Antennensystem zum Sende-/Empfangsbetrieb bei 900 MHz, umfassend eine elektrisch wirksame erste Antenne E in Form eines länglichen Dipols 1 und eine magnetisch wirk­ same zweite Antenne M in Form einer kleinen magnetischen Schleife 2.

Die Schleife 2 mit den Abmessungen 20 mm × 20 mm liegt in der (x, y)-Ebene. Sie besteht aus einem Draht mit einem Durchmes­ ser von 2 mm mit einer Leitfähigkeit von 54 . 10⁶ Ω/m. Die Schleife 2 wird mittels eines Wechselstroms als Sendeantenne betrieben.

Durch die die Mitte der Schleife 2 führt der elektrisch kurze Dipol 1 mit symmetrischer Speisung durch den Ursprung bei z = 0. Eine Definition eines "kurzen Dipols" bzw. einer "kleinen Schleife" ergibt sich z. B. aus John D. Kraus: Antennas, 2^nd ed., pp. 200-201 bzw. pp. 238-239. Die beiden Arme des Dipols 1 sind jeweils 15 mm lang. Der Dipol 1 ist parallel zum Nor­ malenvektor der von der Schleife 1 umschlossenen Fläche aus­ gerichtet.

Beide Antennen E, M befinden sich innerhalb eines Radius' von 15 mm um den Ursprung, was bei einer Sendefrequenz von 900 MHz, entsprechend λ ? 37 cm, mehr als 1/10 kleiner ist als λ. Die Antennen E, M befinden sich also weit innerhalb des Nahbe­ reichs.

Diese Anordnung bedingt eine Feldentkopplung der beiden An­ tennen E, M, weil das durch die Leiterschleife 2 erzeugte mag­ netische Feld keinen Strom im Dipol 1 erzeugt. Umgekehrt würde durch das vom Dipol 1 abgestrahlte elektrische Feld kein Ringstrom in der Leiterschleife 2 induziert.

Außerdem sind diese beiden Antennen polarisationsentkoppelt, weil im Nahbereich die Vektoren der gleichen Feldkomponenten die vom Dipol 1 und von der Schleife ausgestrahlt werden, senkrecht aufeinander stehen.

Fig. 2 zeigt in Schrägansicht das Antennensystem aus Fig. 1, wobei diesmal die magnetische Schleife 2 zwischen zwei zu ihr parallel angebrachte Schirmplatten 3 elektrisch abge­ schirmt wird. Durch eine mittige Aussparung in den Schirm­ platten 3 führt der Dipol 1.

Jede Schirmplatte 3 besteht aus leitendem Material und ist 100 µm dick. Die planare Abmessung betrδgt 40 mm × 40 mm. In jeder Schirmplatte 3 ist zur Verhinderung eines Ringstroms eine Einkerbung vorhanden, die bis zur Mitte reicht.

Der Dipol 1 steht in diesem Ausführungsbeispiel nicht genau senkrecht zur Schleife 2, sondern ist um wenige Grad geneigt.

Durch den Einsatz der beiden Schirmplatten wird, trotz schrä­ gem Dipol 1 eine Kopplungsdämpfung von -37 dB erreicht, was einer Verbesserung gegenüber einem Antennensystem ohne Schirmplatten von 30 dB entspricht.

Fig. 3 zeigt als Schnittdarstellung durch den Ursprung das Antennensystem aus Fig. 2. Der Abstand der beiden Schirm­ platten 3 zur magnetischen Schleife beträgt jeweils 1,5 mm.

Selbstverständlich ist es zur Realisierung der Feldentkopp­ lung nicht notwendig, einen Dipol 1 und/oder eine Schleife 2 oder eine ineinander geschachtelte Positionierung zu verwen­ den. Vielmehr ist es dem Fachmann überlassen, die für den je­ weiligen Anwendungsfall günstigste Anordnung zu treffen.

Fig. 4 zeigt skizzenhaft ein Konzept eines Multifrequenz- Transceivers mit getrennten Antennen E, M für Sende- und Emp­ fangszweig und einem Hilfssender zur aktiven Unterdrückung des Senderübersprechens. Ein solcher Transceiver ist insbe­ sondere vorteilhaft einsetzbar in einem Handy.

An einen Sender Tx ist über einen D/A-Wandler 4 und ein Mit­ tel zur Frequenzverschiebung 5 eine kleine Schleife 2 als zweite Antenne M angeschlossen. Die Schleife 2 ist elektrisch geerdet.

An einen Empfänger Rx ist über einen zweiten D/A-Wandler 6 und ein weiteres Mittel zur Frequenzverschiebung 7, diesmal mit umgekehrtem Vorzeichen, ein kurzer Dipol 1 als erste An­ tenne E angeschlossen.

Vorteilhafterweise ist die erste Antenne E zusätzlich über einen dritten D/A-Wandler 8 und ein Mittel zur Frequenzver­ schiebung 9 mit einem Hilfs-Sendezweig Ax verbunden.

Der Transceiver ist mittels eines DSP(Digital Signal Proces­ sing)-Prozessors steuerbar.

Claims (17)

1. Antennensystem, aufweisend
eine erste Antenne (E) und eine zweite Antenne (M),
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Antenne (E) vorwiegend elektrisch wirksam ist und
die zweite Antenne (M) vorwiegend magnetisch wirksam ist.

2. Antennensystem nach Anspruch 1, bei dem bei dem die ersten Antenne und die zweiten Antenne polarisa­ tionsentkoppelt sind.

3. Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die erste Antenne (E) und die zweite Antenne (M) sich inner­ halb ihres typischen Nahfelds, insbesondere in einem maxima­ len Abstand von 12,5 cm zueinander, befinden.

4. Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Antenne (M) mittels eines leitenden und nichtmagnetischem Materials ohne Erzeugung eines Ringstroms elektrisch abschirmbar ist.

5. Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Antenne (M) eine kleine Schleife (2) um­ fasst.

6. Antennensystem nach Anspruch 5, bei dem der Durchmesser (d) der Schleife (2) kleiner als 1,25 cm ist, insbesondere kleiner als 0,8 cm.

7. Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Antenne (E) einen Monopol gegenüber einer Masse oder einen Dipol (1) umfasst.

8. Antennensystem nach Anspruch 7, bei dem der Dipol (1) weitgehend in Richtung eines Normalenvektors einer die Schleife (2) umschließenden Fläche ausgerichtet ist.

9. Funkgerät, insbesondere Mobilfunkgerät, welches ein Anten­ nensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.

10. Funkgerät nach Anspruch 9, bei dem die erste Antenne (E) mit einem Empfangszweig (Rx) verbunden ist, und die zweite Antenne (M) mit einem Sendezweig (Tx) verbunden ist.

11. Funkgerät nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem das Antennensystem an einen Frequenzmultiplex-Transceiver ange­ schlossen ist.

12. Funkgerät nach Anspruch 11, bei dem
die erste Antenne (E) an einen Empfangszweig (Rx) des Fre­ quenzmultiplex-Transmitters angeschlossen ist,
die zweite Antenne (M) an einen Sendezweig (Tx) des Fre­ quenzmultiplex-Transmitters angeschlossen ist,
der Sendezweig (Tx) und der Empfangszweig (Rx) in Voll­ duplextechnik betreibbar sind.

13. Funkgerät nach Anspruch 12, bei dem ein Hilfs-Sendezweig (Ax) des Frequenzmultiplex-Transmitters vorgesehen ist, der mit dem Empfangszweig (Rx) verbunden ist, und der zu dem Empfangssignal ein Signal addiert, dessen Pha­ se zu der Phase des Sendesignals um 180° versetzt ist, und das den gleichen Frequenzbereich wie das Sendesignal auf­ weist, wobei der Hilfs-Sendezweig (ax) unabhängig vom ersten Sendezweig (Tx) ansteuerbar ist.

14. Verfahren zur Entkopplung von Antennen, bei dem beim Betrieb einer ersten Antenne (E) und einer zweiten An­ tenne (M) mittels der ersten Antenne (E) ein vorwiegend elektrisches Signal gesendet bzw. empfangen wird und mittels der zweiten Antenne ein vorwiegend magnetisches Signal gesendet bzw. empfangen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem sich mindestens die empfangende der beiden Antennen (E, M) im Nahfeld der sendenden Antenne (E, M) befindet.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Nahfeld sich in einem Abstand um die sendende Antenne (E, M) erstreckt, der kleiner ist als die kürzeste ausgesandte Wellenlänge (?_min).

17. Antennensystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem eine Ausdehnung der sendenden Antenne (E, M) weniger als ein Zehntel der kürzesten ausgesandten Wellenlänge (?_min) be­ trägt.