DE102006005281A1 - Electronically controlled antenna and associated method for use with radio-based systems - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein funkbasiertes System, insbesondere ein RFID-System oder ein Funkortungssystem. Auf wirksame Weise sollen Mehrwegeausbreitungseffekte wirksam verringert werden. Dazu wird eine Basisstationsantenne (8) mittels einer Anzahl von Strahlern (7) ausgebildet. Diese Strahler (7) werden zur Einstellung einer bevorzugten Wirkrichtung der Antenne (8) mittels eines Speisenetzwerks (11) hinsichtlich Phase und/oder Amplitude elektronisch angesteuert. Die Strahler (7) senden oder empfangen elektromagnetische Wellen mit unterschiedlichen Phasen- und Amplitudenzuständen. Auf diese Weise erfolgt eine elektrische Einstellung der bevorzugten Sende- beziehungsweise Empfangsrichtung. Verwendung findet diese Erfindung insbesondere für RFID-Systeme und Funktortungssysteme, die auf einer direkten Sichtverbindung zwischen einer Basisstation (1) und Zielobjekten (4) beruhen. Identifikationen und Ortungen sollen mit großer Zuverlässigkeit ausführbar sein.The present invention relates to a radio-based system, in particular an RFID system or a radio location system. The aim is to effectively reduce multipath propagation effects. For this purpose, a base station antenna (8) is formed by means of a number of radiators (7). These radiators (7) are electronically controlled in terms of phase and / or amplitude by means of a feed network (11) to set a preferred effective direction of the antenna (8). The radiators (7) send or receive electromagnetic waves with different phase and amplitude states. In this way, the preferred transmission or reception direction is electrically set. This invention is used in particular for RFID systems and radio location systems that are based on a direct line of sight between a base station (1) and target objects (4). Identifications and localizations should be able to be carried out with great reliability.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein funkbasiertes System, insbesondere ein RFID-System oder allgemein ein Funkortungssystem. Das funkbasierte System weist eine Basisstation zum Aussenden eines Basissignals und/oder Empfangen von Antwortsignalen sowie mindestens ein Zielobjekt zum Empfang des Basissignals und zum Abgeben eines Antwortsignals auf. Funkbasierte Systeme sind alle technischen Systeme, die von Antennen sendbare und/oder empfangbare elektromagnetische Wellen verwenden. Dazu gehören beispielsweise Radarwellen, die beispielsweise im Bereich von 500 MHz bis 100 GHz verwendet werden, oder für RFID (Radio Frequency Identification) genutzte Wellen, die beispielsweise im Bereich von 800 MHz bis 2,4 GHz verwendet werden. Basissignale und Antwortsignale sind derartige elektromagnetische Wellen. Ebenso ist FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) Radar umfasst.The The present invention relates to a radio-based system, in particular an RFID system or generally a radio location system. The radio-based system has a base station for transmitting a base signal and / or Receive response signals and at least one target object for Receiving the base signal and outputting a response signal. Radio-based systems are all technical systems used by antennas use transmissible and / or receivable electromagnetic waves. This includes For example, radar waves, for example, in the range of 500 MHz to 100 GHz, or for RFID (Radio Frequency Identification) used waves, for example, in the range of 800 MHz to 2.4 GHz are used. Basic signals and response signals are such electromagnetic waves. Similarly, FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) includes radar.
Es
ist allgemein bekannt, dass die funkbasierten Systeme von Effekten
von Mehrwegeausbreitungen betroffen sind. Besonders störend sind
diese Effekte bei RFID-(Radio Frequency Identification)-Systemen
und Funkortungssystemen, deren Funktionsweise auf einer direkten
Sichtverbindung zwischen einem Lesegerät und Transpondern basiert.
Auf herkömmliche
Weise werden die Probleme aufgrund von Mehrwegeausbreitungen durch
die Anwendung harter Gating-Algorithmen beziehungsweise diskreter
Ausschlußkriterien
und/oder von Trackingfiltern, beispielsweise dem Nachführen einer Fehlerellipse
im "Extended Kalmanfilter" gelöst, wie es
beispielsweise in der
Auf
herkömmliche
Weise werden bei funkbasierten Systemen so genannte omni-direktionale
Antennen verwendet. Auf herkömmliche
Weise wird in einem Funksystem lediglich eine rund strahlende Antenne
verwendet, die durch ihre isotropische Charakteristik keine Robustheit
gegenüber
Mehrwegeausbreitungen besitzt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung bei einem funkbasierten System beziehungsweise bei einem funkbasierten Übertragungssystem, beispielsweise bei einem RFID-System oder einem Funkortungssystem, bei dem insbesondere eine direkte Sichtverbindung zwischen einer Basisstation, die ein Lesegerät aufweist, und Zielobjekten beziehungsweise Transpondern notwendig ist, die Robustheit gegenüber Mehrwegeausbreitungseffekten wirksam zu erhöhen. Zudem soll das Kommunikationssystem in kritischen Messumgebungen, beispielsweise mit vielen Metallgegenständen, sicher funktionieren.It The object of the present invention is a radio-based system or in a radio-based transmission system, for example in an RFID system or a radio location system, in particular a direct line of sight between a base station, the one reader and target objects or transponders necessary is, the robustness opposite Effectively increase multipath propagation effects. In addition, the communication system in critical measuring environments, for example, with many metal objects, safe function.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.The The object is achieved by a device according to the main claim and a Method according to the independent claim solved. Further advantageous embodiments can be found in the subclaims.
Eine Systemarchitektur eines Funksystems wird um eine "intelligente" Antenne erweitert. Es wird eine phasengesteuerte beziehungsweise amplitudengesteuerte Antenne verwendet, um unerwünschte Einflüsse aufgrund von Mehrwegeausbreitungen wirksam zu verkleinern. Diese "intelligente" Antenne ist eine elektronisch gesteuerte Antenne, die eine herkömmliche omni-direktionale Antenne ersetzt. Gemäß dem erfindungsgemäßen System wird ein Funksystem mit einer phasengesteuerten beziehungsweise amplitudengesteuerten Antenne beziehungsweise Antennen gekoppelt, deren Strahl durch Phasen beziehungsweise durch Amplitudenkopplung gebildet wird. Die Strahlungsrichtung wird durch die komplexen Erregungskoeffizienten der Strahlerelemente gesteuert, und die Strahlungsrichtung beim Senden und beim Empfangen kann mittels eines elektrischen Steuersignals im Azimut verändert werden. Eine Antenne wird durch Strahler gebildet, deren Vielzahl die Antenne erzeugt. Die elektronisch gesteuerte Antenne ermöglicht eine elektrische Einstellung der bevorzugten Senderichtung und/oder Empfangsrichtung bei gleichzeitig maximaler Fokussierung der Sendeleistung. Eine derartige Antenne weist den Vorteil auf, dass die Strahler praktisch trägheitslos, schnell und beliebig geschwenkt werden können. Es werden keine mechanischen Verschleißteile benötigt. Die zielgenaue elektrische Justierung der Antenne ermöglicht eine Verfolgung von verschiedenen sich bewegenden und feststehenden Objekten, ohne eine Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen in ungewollte Richtungen. Durch den hohen Gewinn und schmalen Keulen werden sonstige Mehrwegausbreitungen aus anderen Azimutrichtungen effektiv ausgeblendet. Es ist möglich, auch in einer sehr schwierigen Messumgebung, beispielsweise in einem Industriebetrieb, eine Identifikation durch Radiowellen durchzuführen. Aufgrund des hohen Gewinns und der schmalen Keulen der Antenne werden die von Metallobjekten reflektierten Störsignale gedämpft und damit von einer Messung praktisch ausgeschlossen. Eine Wirkrichtung kann einer Hauptkeule in einem Antennenrichtdiagramm entsprechen. Wirkrichtung bedeutet Sende- und/oder Empfangsrichtung einer Antenne. Eine Antenne kann aus Strahlern gebildet werden.A system architecture of a radio system is extended by an "intelligent" antenna. A phased array is used to effectively reduce unwanted effects due to multipath propagation. This "intelligent" antenna is an electronically controlled antenna that replaces a conventional omnidirectional antenna. According to the system according to the invention, a radio system is coupled to a phased or amplitude-controlled antenna or antennas whose beam is formed by phases or by amplitude coupling. The direction of radiation is controlled by the complex excitation coefficients of the radiating elements, and the radiation direction during transmission and reception can be changed by means of an electrical control signal in the azimuth. An antenna is formed by radiators, the plurality of which generates the antenna. The electronically controlled antenna enables an electrical adjustment of the preferred transmission direction and / or reception direction with simultaneous maximum focusing of the transmission power. Such an antenna has the advantage that the emitters can be pivoted virtually inertia-free, fast and arbitrary. There will be no mechanical wear parts needed. The accurate electrical adjustment of the antenna allows tracking of various moving and stationary objects without emitting electromagnetic waves in unwanted directions. Due to the high profit and narrow clubs other Mehrwegausbreitungen from other azimuth directions are effectively hidden. It is possible to carry out identification by radio waves even in a very difficult measuring environment, for example in an industrial enterprise. Due to the high gain and the narrow lobes of the antenna, the noise reflected from metal objects are attenuated and thus practically excluded from a measurement. An effective direction may correspond to a main lobe in an antenna directivity diagram. Effective direction means transmitting and / or receiving direction of an antenna. An antenna can be made up of radiators.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist ein Speisenetzwerk zur Ansteuerung der Strahler Schalter und/oder Phasenschieber und/oder Dämpfungsglieder auf, die mittels einer Steuereinrichtung angesteuert werden. Die Steuerung der Schalter und Phasenschieber beziehungsweise Dämpfungsglieder kann digital mit Hilfe eines Mikrocontrollers ausgeführt werden. Auf diese Weise kann eine Ansteuerung der Strahler direkt erfolgen.According to one advantageous embodiment, a feed network for driving the radiator switch and / or phase shifter and / or attenuators on, which are controlled by a control device. The Control of the switches and phase shifters or attenuators can be done digitally using a microcontroller. In this way, a control of the radiator can be done directly.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Strahler als Mikrostreifenantennen ausgeführt. Zudem können die Strahler vorteilhaft entlang einer punktsymmetrischen Geometrie angeordnet sein. Beispiele für punktsymmetrische Geometrien sind Kreise, Ringe oder Kugeln. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung der die Antenne bildenden Antennenelemente, das heißt der Strahler, auf einem Metallzylinder, wie beispielsweise einem Kupferzylinder. Die Vielzahl der Mikrostreifenantennen wird in einer zirkulären Geometrie auf einem Kupferzylinder angeordnet. Diese Mikrostreifenantennen besitzen die Vorteile einer geringen Bauhöhe, einer kostengünstigen Herstellung sowie einer guten Integrierbarkeit. Aufgrund einer krummlinigen Geometrie kann die Antenne in alle Richtungen strahlen. Ein verwendeter Zylinder hat den wesentlichen Vorteil, dass die einzelnen Strahler lediglich mit dem Nachbarstrahler koppeln können.According to one In another advantageous embodiment, the radiators are designed as microstrip antennas. moreover can the radiator advantageous along a point-symmetric geometry be arranged. examples for point-symmetric geometries are circles, rings or spheres. Especially advantageous is the arrangement of the antenna elements forming the antenna, the is called the radiator, on a metal cylinder, such as a copper cylinder. The multitude of microstrip antennas will be in a circular geometry arranged on a copper cylinder. These microstrip antennas have the advantages of a low height, a cost-effective Production as well as a good integrability. Because of a curvilinear Geometry can radiate the antenna in all directions. One used Cylinder has the significant advantage that the individual emitters can only couple with the neighboring radiator.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Strahler mittels eines Leistungsverteilers mit einer bestimmten Anzahl von Dämpfungsgliedern mit jeweils einem Phasenschieber und einem Schalter mittels des Speisenetzwerkes ansteuerbar. Das heißt, eine Anzahl r von Strahlern (r ϵ N) wird auf eine Anzahl s (s ϵ N) von Dämpfungsgliedern mit jeweiligem Phasenschieber und jeweiligem Schalter aufgeteilt. Über einen Schalter sind jeweils (r/s) Strahler ((r/s) ϵ N) ansteuerbar. Auf diese Weise wird besonders vorteilhaft der Aufbau einer vollelektronisch gesteuerten Antenne aufgrund der Verringerung der Anzahl von erforderlichen Phasenschiebern und Dämpfungsgliedern erheblich vereinfacht. Auf diese weise wird die erforderliche Anzahl von Elementen wesentlich verringert.According to one Another embodiment, the radiator by means of a power distributor with a certain number of attenuators each a phase shifter and a switch by means of the feed network controllable. That is, one Number r of radiators (r ε N) is reduced to a number s (s ε N) of attenuators divided with respective phase shifter and respective switch. About one Switches are each (r / s) emitter ((r / s) ε N) controllable. In this way, the construction of a fully electronic is particularly advantageous controlled antenna due to the reduction in the number of required Phase shifters and attenuators considerably simplified. In this way, the required number significantly reduced by elements.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die einem Schalter zugeordneten Strahler jeweils im gleichen Abstand entlang der Strahleranordnung zueinander benachbart. Auf diese Weise können, insbesondere bei punktsymmetrischen Strahleranordnungen, alle Wirkrichtungen gemäß einer vorteilhaften Geometrie bereitgestellt werden. Auf diese Weise wird eine Ansteuerung wesentlich vereinfacht.According to one Another advantageous embodiment, which are associated with a switch Emitters each at the same distance along the radiator arrangement adjacent to each other. In this way, in particular in the case of point-symmetrical radiator arrangements, all directions of action according to one advantageous geometry can be provided. This way will a control much easier.
Ebenso gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Abstände zwischen allen benachbarten Strahlern gleich groß. Aufgrund von Symmetrien sind die Ansteuerungen und Auslesungen vereinfacht.As well according to a Another advantageous embodiment, the distances between equal to all neighboring emitters. Due to symmetries the controls and readings are simplified.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist mit allen Schaltern zusammen, zu jeder Zeit eine Gruppe von s benachbarten Strahlern ansteuerbar. Auf diese Weise kann eine wirkende Hauptkeule der Antenne wirksam erzeugt werden. Eine Gruppe von s benachbarten Strahlern erzeugt eine Hauptkeule. Eine Hauptkeule entspricht einer Hauptwirkrichtung der gesamten Antenne in einem Antennenrichtdiagramm. Grundsätzlich kann eine mittels einer Gruppe erzeugte Hauptkeule als eigenständige Antenne betrachtet werden.According to one further advantageous embodiment is associated with all switches, at any time a group of s adjacent radiators can be controlled. In this way, an active main lobe of the antenna can be effective be generated. A group of s adjacent radiators creates one Main lobe. A main lobe corresponds to a main direction of the entire antenna in an antenna directional diagram. Basically a main lobe generated by means of a group as a separate antenna to be viewed as.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es besonders zweckmäßig die Gruppe von s benachbarten Strahlern derart anzusteuern, dass die Gruppe die gesamte Strahleranordnung durchläuft. Das heißt, die Gruppe "springt" jeweils um einen Strahler in die jeweilige Laufrichtung und dabei wird eine sich bewegende Hauptkeule erzeugt. Bei einer zylinderförmigen Strahleranordnung kann die Hauptkeule in alle Wirkrichtungen rotieren.According to one further advantageous embodiment, it is particularly useful the Group of s adjacent radiators to drive such that the Group goes through the entire radiator array. That is, the Group "jumps" one at a time Spotlight in the respective direction and thereby becomes a generated moving main lobe. In a cylindrical radiator arrangement The main lobe can rotate in all effective directions.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden r = 16 Einzelstrahler verwendet, die auf s = 4 Schaltern, Phasenschieber und Dämpfungsglieder aufgeteilt werden. Ein Schalter steuert dabei (r/s) = 4 Strahler an. Die Gesamtstrahleranzahl = r = 16. Mit dieser Ausführungsform kann ein 360°-Wirkbereich wirksam "abgetastet" werden. Es erfolgt ein Umlauf einer Hauptstrahlenkeule jeweils um 360°. Auf diese Weise kann das gesamte Umfeld einer Basisstation erfasst werden.According to one Another advantageous embodiment r = 16 single radiator used on s = 4 switches, phase shifters and attenuators be split. A switch controls (r / s) = 4 spotlights at. The total number of radiators = r = 16. With this embodiment can be a 360 ° -effective area effectively "scanned". It takes place one revolution of a main beam lobe in each case by 360 °. To this In this way, the entire environment of a base station can be detected.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt eine Phasenanregung phasenkohärent und/oder eine Amplitudenverteilung entsprechend einer Hamming-Amplitudenverteilung. Auf diese Weise kann eine gute Balance zwischen der Halbwertsbreite der Hauptkeule und der Nebenkeulenunterdrückung bewirkt werden.According to a further advantageous embodiment, a phase excitation is phase-coherent and / or an amplitude distribution corresponding to a Hamming amplitude distribution. On the In this way, a good balance can be achieved between the half width of the main lobe and the sidelobe suppression.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden Mehrwegeausbreitungseffekte zusätzlich durch die Anwendung von Trackingfiltern, und zwar dem Nachführen einer Fehlerellipse im square-root unscented Kalman filter (SR-UKF) reduziert.According to one Further advantageous embodiment are multipath propagation effects additionally through the application of tracking filters, namely the tracking of a Error ellipse reduced in square-root unscented Kalman filter (SR-UKF).
Gemäß dem Nebenanspruch wird ein Verfahren zum Betreiben eines funkbasierten Systems gemäß den vorstehenden Ausgestaltungen beansprucht.According to the secondary claim discloses a method of operating a radio-based system according to the above Embodiments claimed.
Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung wird mittels unterschiedlicher Wirkrichtungen
der Antenne eine Winkelinformation einer Orientierung der Basisstation
erzeugt. Bei einem FMCW- funkbasierten Radarsystem wird neben einer
Ortung eine Winkelinformation einer Orientierung der Basisstation mittels
einer hinsichtlich Phase und/oder Amplitude elektronisch gesteuerten
Antenne bestimmt. Dabei kann zur Bestimmung der Winkelinformation
ein Amplitudenvergleichsansatz verwendet werden. Die Signale P1
und P2, die in zwei Wirkrichtungen von der Antenne empfangen wurden,
unterscheiden sich in der Amplitude. Durch Bestimmung der Differenz
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:The The present invention will be described with reference to exemplary embodiments closer with the figures described. Show it:
Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann vorteilhaft die Robustheit eines Funksystems gegenüber Mehrwegeausbreitungseffekten
wirksam erhöht werden.
Zudem werden die Genauigkeit und die Reichweite eines Systems insgesamt
verbessert. Ebenso ist die Verwendung des Systems in einem kritischen
elektromagnetischen Umfeld möglich.
Ein kritisches elektromagnetisches Umfeld ist dabei durch das Vorliegen
vieler metallischer Gegenstände in
der näheren
Umgebung der Basisstation
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20121212 |