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Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung.
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Auf dem Gebiet der Hochfrequenztechnik sind direktive Antennen mit einer schwenkbaren Hauptstrahlrichtung bekannt.
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Es können einzelne Antennen zu einem Array (sogenanntes „Phased Array”) zusammen geschaltet werden. Bei nicht phasengleicher Anregung der Antennen ergibt sich eine Hauptstrahlrichtung zur nacheilenden Phase hin, wodurch die Hauptstrahlrichtung durch Ansprechen der jeweiligen Antennen verschwenkt werden kann. Zum Schwenken der Hauptstrahlrichtung müssen die Antennen in ihrer Phase variiert werden. Dazu ist allerdings eine Vielzahl an Phasenschiebern notwendig, die viel Platz benötigen und teuer sind. Auch benötigt eine hohe Direktivität eine Vielzahl an Einzelantennen. Dies hat ein kompliziertes und verlustbehaftetes Speisenetzwerk zur Folge.
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Die hohe Anzahl an Phasenschiebern sowie ein komplexes Speisenetzwerk kann vermieden werden, indem eine dielektrische Linse zur Strahlbündelung eingesetzt wird. Durch Ansteuern einzelner Antennen kann über die dielektrische Linse ebenfalls die Hauptstrahlrichtung verschwenkt werden. Auch hier wird eine Vielzahl an Antennen gebraucht, wobei die Hauptstrahlrichtung nur diskret (ein Schritt pro Antenne) geschwenkt werden kann. Bei einer Linse bestimmt nicht die Richtung der überlagernden Wellenfront die Hauptstrahlrichtung, sondern lediglich die Position des Phasenzentrums. Für eine ausreichende Schwenkbarkeit sind somit sehr viele Antennen hinter der dielektrischen Linse erforderlich. Für jede diese Antennen wird ein Port einer Signalquelle benötigt, wobei nur die Sendeleistung des jeweiligen Ports genutzt werden kann; dabei bleiben die anderen Ports ungenutzt. Hierdurch wird diese Antennenanordnung sehr teuer.
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Friedlander, F. G. „A dielectric lens aerial for wide-angle beam scanning", Journal of the Institution of Electrical Engineers – Part IIIA: Radiolocation, vol. 93, no. 4, pp. 658–662, 1946 und Richter et al., „Experimental characterization of a wide angle lens for milimeter-wave imaging", Antennas and Propagation Society International Symposium, 2005 IEEE lehren, dass die Hauptstrahlrichtung einer Linsenantenne durch mechanisches Verschieben einer Hornantenne unter der Linse verschwenkt werden kann. Diese Konstruktion ist mit einem hohen mechanischen Aufwand verbunden und kann daher nicht kompakt aufgebaut und insbesondere nicht auf einer Platine integriert werden.
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Wu, Xidong et al. „Design and characterization of single- and multiple-beam mm-wave circularly polarized substrate lens antennas for wireless communications", Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions, vol. 49, no. 3, pp. 431–441, 2001 beschreiben, einzelne Antennen, die sich im Brennpunkt einer dielektrischen Linse befinden, an- oder auszuschalten, und dadurch den Strahl zu verschwenken. Hierbei wird immer nur ein Sender gleichzeitig verwendet, wodurch die vielen vorhandenen Sender nicht zur Erhöhung der Gesamt-Sendeleistung genutzt werden können. Diese werden bei hohen Frequenzen (z. B. im Millimeterwellenfrequenzbereich oberhalb 30 GHz) zu einem limitierenden Faktor.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Antennenanordnung bereitzustellen, die einfach aufgebaut ist und deren Hauptstrahlrichtung annähernd stufenlos verschwenkt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Antennenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Weiterbildungen bzw. bevorzugte Ausführungsformen der Antennenanordnung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform bezieht sich auf eine Antennenanordnung, die eine Signalquelle oder einen Signalempfänger, eine Vielzahl an Antennen und eine dielektrische Linse aufweist. Erfindungsgemäß ist zwischen der Signalquelle und der Vielzahl an Antennen ein Strahlformungsnetzwerk geschaltet. Es können auch ein oder mehrere Strahlformungsnetzwerke zwischengeschaltet sein.
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Die Antennenanordnung bildet ein System, bei dem mehrere Einzelstrahler unter einer dielektrischen Linse mit einem Strahlformungsnetzwerk (auch „beam forming network”) kombiniert werden, das auch als phasenabhängige Schaltmatrix bezeichnet werden kann. Durch Zwischenschalten dieser Schaltmatrix ist es möglich, eine vorgegebene Anzahl an Eingängen von ihrer Phasenlage zueinander primär einem beliebig festlegbaren Einzelstrahler zuzuweisen.
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Bevorzugt sieht die Erfindung vor, dass das Strahlformungsnetzwerk umgekehrt eingesetzt werden kann. Umgekehrt im Sinne der Erfindung heißt, dass das jeweilig ausgewählte Strahlformungsnetzwerk in anderer Speisrichtung wie üblich verwendet wird, d. h. dass die bisherigen Ausgänge als Eingänge und die ursprünglichen Eingänge als Ausgänge genutzt werden.
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Ferner kann die Erfindung vorsehen, dass das Strahlformungsnetzwerk eine Rotman-Linse oder eine Butler-Matrix ist. Es können einzelne Linsen oder auch sogenannte Linsenstapel eingesetzt werden. Bspw. kann ein zweistufiger Rotman-Linsenstapel Verwendung finden. Derartige Linsenstapel sind u. a. in
US 8 604 989 und
US 3 979 754 beschrieben und in
Nussler et al., „A two dimensional lens stack design for 94 GHz", German Microwave Conference, 16–18 März 2009 veröffentlicht. Es kann aber auch jedes äquivalente Beamsteering-Netzwerk verwendet werden, wenn es phasenabhängig und reziprok ist und damit auch umgekehrt eingesetzt werden kann.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Strahlformungsnetzwerk eine vorbestimmte Anzahl N an Eingängen und eine vorbestimmte Anzahl M an Ausgängen aufweist, wobei die Anzahl der Eingänge kleiner ist als die Anzahl der Ausgänge. Die Anzahl M der Ausgänge kann erfindungsgemäß unabhängig von der Anzahl N der Eingänge gewählt werden, je nach verwendetem Strahlformungsnetzwerk. Wird mehr Leistung gefordert, kann die Anzahl N der Eingänge erhöht werden, wobei dann mehr Sender benötigt werden. Die Anzahl M der Ausgänge kann unabhängig davon so optimiert werden, dass das Richtdiagramm und die Schwenkfunktion optimal sind. Somit existiert ein Sender bzw. Empfängersystem mit mehreren, wenigen Ports bzw. Ein- oder Ausgänge, deren Phasenlage und Amplitude jeweils eingestellt werden kann (sogenannte Vektormodulation). Für ein hochdirektives Array aus dem Stand der Technik mit vielen Elementen wäre die Port- bzw. Eingangsanzahl nicht ausreichend, ebenso wenig gäbe es bei einer einfachen dielektrischen Linse ebenfalls nur eine beschränkte Anzahl an Möglichkeiten – es wäre nur jeweils ein Port je Richtung aktiv, wodurch die Sendeleistung geringer ist. Wird eine Butler-Matrix verwendet, besteht ein zusätzlicher Vorteil darin, dass sich die Leistung der M Eingangssignale kombinieren lässt, sodass eine um M mal höhere Ausgangsleistung im Vergleich zum Ansteuern einer einzelnen Antenne realisiert werden kann.
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Für den Empfangsfall kann sowohl ein Vektormodulationsempfänger mit Phasenschiebern an jedem Port und einem einzigen Analog-Digital-Wandler, als auch ein sogenannter Digital-Beam-Forming-Empfänger (DBF-Empfänger) mit einem Analog-Digital-Wandler an jedem Port verwendet werden. Der DBF-Empfänger wertet die Phasenlage der einzelnen Ports zueinander digital aus und kann das Signal durch alle Winkelbereiche hindurch auswerten. Dadurch kann mit der digitalen Abtastung in alle Richtungen gesehen werden. Im Sendefall kann dies ebenfalls erfolgen, wobei dann die Signale durch eine entsprechende Kodierung auseinander gehalten werden. Diese Art der Vektormodulation wird auch unter dem Begriff MIMO-Radar („multiple input multiple output) zusammengefasst. Somit gestaltet sich ein Vektormodulator als einfacher Baustein, der für die erfindungsgemäße Antennenanordnung verwendet werden kann. Es können aber auch komplexere Verfahren, wie bspw. DBF-Verfahren o. ä. verwendet werden.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Anzahl der Antennen gleich der Anzahl der Ausgänge des Strahlformungsnetzwerk ist. Die Anzahl der Antennen kann durch ein Strahlformungsnetzwerk mit mehr Ausgängen entsprechend angepasst werden. Vorteilhaft können durch Wahl des passenden Phasenversatzes so einzelne Antennen angesteuert werden. Die Anzahl der Antennen sollte dabei so gewählt werden, dass der maximal mögliche bzw. gewünschte Schwenkbereich erreicht wird und gleichzeitig keine unerwünschten Artefakte, wie bspw. ein gespaltener Strahl, auftreten.
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Durch die Möglichkeit, eine Hauptstrahlrichtung der Antennenanordnung durch phasenversetzte Anregung zu verschieben, kann die Hauptstrahlrichtung der Antennenanordnung in einem Winkelbereich von insgesamt ±10 bis ±30°, bevorzugt in einem Bereich von ±10° bis ±15° relativ zu einer Mittelachse der dielektrischen Linse verschwenkt werden. Aufgrund der Verschiebung des Wellenmaximums über die Strahlformungsnetzwerk kann die Hauptstrahlrichtung abhängig von der Anzahl der Ausgänge des Strahlformungsnetzwerks annähernd stufenlos bzw. fein diskretisiert in diesem Winkelbereich verschwenkt werden. Die durch die Abstrahlung durch die dielektrische Linse entstehende Strahlkeule kann somit in ihrer Ausrichtung in die jeweilig gewünschte Richtung geschwenkt werden. Dies kann bei Backhaul-Richtfunkantennen von Mobilfunk-Pikozellen-Basisstationen, die an Häuserwänden oder -dächern angebracht sind, eine Feinjustage durch Fachpersonal ersetzen: Bisher war die Ausrichtung dieser Funkantennen nur durch teures Fachpersonal manuell möglich. Nun kann, nachdem die Grundausrichtung der Antennenanordnung erfolgt ist, die Ausrichtung durch das Verschwenken der Hauptstrahlrichtung problemlos nachjustiert werden.
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Die Erfindung sieht vor, dass die Signalquelle oder der Signalempfänger, das Strahlformungsnetzwerk sowie die Vielzahl an Antennen auf einer Platine unterhalb der dielektrischen Linse angeordnet sind, wobei die Antennen in einem Brennpunktbereich der dielektrischen Linse angeordnet sind. Die Antennen können dabei äquidistant auf einer Linie oder als zweidimensionale Matrix bzw. Array angeordnet sein. Die erfindungsgemäße Antennenanordnung kann dadurch kompakt aufgebaut sein und platzsparend eingesetzt werden. Die Komponenten können ohne weiteres planar auf einer Platine aufgebracht und elektrisch miteinander verbunden werden. Dabei können elektronische Standardbauteile verwendet werden, wodurch die Antennenanordnung auch günstig herzustellen ist.
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Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1–3 schematische Ansichten einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung,
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4 eine weitere Ausführungsform der Antennenanordnung mit einem zweidimensionalen Strahlformungsnetzwerk, und
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5, 6 Anwendungsbeispiele für die erfindungsgemäße Antennenanordnung.
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Die erfindungsgemäße Antennenanordnung bezieht sich auf ein Linsensystem zur Abstrahlung hochfrequenter Strahlen, wie Radar oder Richtfunk, wobei eine Abstrahlcharakteristik annähernd stufenlos verschwenkt werden kann.
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In 1 ist eine Antennenanordnung 1 dargestellt, die eine Signalquelle 2, eine Vielzahl an Antennen 4 sowie eine dielektrische Linse 5 aufweist. Es kann anstatt einer Signalquelle 2 auch ein Signalempfänger vorgesehen sein. Die elektronischen Komponenten sind untereinander mit elektrischen Verbindungen 6 verbunden. Zwischen der Signalquelle 2 und den Antennen 4 ist ein Strahlformungsnetzwerk 3 geschaltet, das dazu genutzt werden kann, das Maximum der Hauptstrahlrichtung zu verschieben und damit eine Strahlkeule als Abstrahlcharakteristik in einem Winkelbereich zu verschwenken. Der Winkelbereich, in dem die Hauptstrahlrichtung verschwenkt werden kann, ist durch einen Winkel α relativ von einer Mittelachse B-B aus gesehen in 1 dargestellt. Es kann um einen Winkel von ±10° bis ±15° verschwenkt werden, wodurch sich ein Gesamtwinkelbereich von ±20° bis ±30° um die Mittelachse B herum ergibt.
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Beispielhaft kann als Strahlformungsnetzwerk 3 in Form einer phasenabhängigen Schaltmatrix eine Rotman-Linse verwendet werden, wie insbesondere 2 und 3 darstellen. Die 2 zeigt die Antennenanordnung 1 in einer Draufsicht, 3 in einem Schnitt entlang einer Achse A-A. Die elektronischen Komponenten sind auf einer Platine 7 angeordnet und elektrisch miteinander kontaktiert. Die Antennen 4 sind, wie 2 und 3 zeigen, entlang der Achse A-A im Brennpunktbereich der dielektrischen Linse angeordnet.
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Die Rotman-Linse 3 wird umgekehrt eingesetzt und Ausgangsports bzw. Ausgänge M mit Signalen gleicher Amplitude, aber unterschiedlicher Phase gespeist. Dadurch lässt sich gezielt ein Eingangsport oder Eingang N ansteuern, der dazu noch die kombinierte Leistung der vier Ausgangsports bzw. Ausgänge M besitzt. Statt einer vorbestimmten größeren Anzahl an Eingangssignalen, die notwendig wären, um die geforderte Diskretisierung der Hauptstrahlrichtung zu realisieren, werden nur noch wenige Eingangssignale (N ist somit kleiner als M) benötigt, die sich in ihrer Phase variieren lassen müssen. Abhängig von der gewählten Phase der Eingangssignale zueinander, wird einer der Ausgänge ausgewählt. Das Hauptmaximum liegt dann bei dem ausgewählten Port, so dass sich die Hauptstrahlrichtung zu der daran angeschlossenen Antenne 4 verschiebt. Bei einer Rotman-Linse mit normalerweise sieben Eingangsports und vier Ausgangsports können also mit N = 4 Eingangssignalen M = 7 einzelne Antennen 4 angesteuert werden. Es sind jedoch auch andere Portkonfigurationen mit veränderter Anzahl an Eingangs- bzw. Ausgangsports verwendbar. Dies ist lediglich abhängig davon, wie viele Antennen 4 verwendet werden.
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Werden gleich viele Eingänge wie Ausgänge verwendet, kann auch eine Butler-Matrix anstelle einer Rotman-Linse verwendet werden, wobei die Butler-Matrix genauso eingesetzt wird, wie die Rotman-Linse, nämlich in reziproker Weise. Mit dieser Matrix lassen sich Ausgangsleistungen kombinieren und der Strahl stärker bündeln.
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In 4 sind die Antennen 4 nicht mehr in einer Linie angeordnet, sondern auf einer Fläche verteilt, wobei sie zueinander äquidistant angeordnet sind. Eine Möglichkeit, dieses Netzwerk zu speisen, kann durch das vorgenannte Strahlformungsnetzwerk, einer Rotman-Linse erfolgen. Eine weitere Möglichkeit zur Speisung besteht darin, einen zweistufigen Rotman-Linsen-Stapel zu verwenden, dessen jeweilige Ausgänge M mit Reihen oder Spalten der flächig angeordneten Antennen 4 verbunden sind.
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In 5 und 6 sind zwei Anwendungsbeispiele für eine solche Antennenanordnung 1 dargestellt, wobei in 5 auf zwei Gebäuden 9 jeweils eine Antennenanordnung 1 angeordnet ist. Die Antennenanordnungen 1 sind mit Richtfunksignalquellen 10 verbunden und zeigen jeweils eine bestimmte Abstrahlcharakteristik in Form einer Strahlkeule 8. Die Antennenanordnungen 1 sind zueinander ausgerichtet, so dass die Strahlkeulen 8 ebenfalls zueinander weisen und damit eine Funkverbindung möglich ist.
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Die Ausrichtung der Antennenanordnung 1 erfolgt bei der Montage derselben an dem jeweiligen Gebäude 9 durch das Fachpersonal, das Richtfunkantennen installiert. Verändert sich die Ausrichtung der Antennenanordnungen 1 zueinander oder ist sie nicht exakt, kann durch Verschwenken der Hauptstrahlrichtung die Strahlkeule 8 in die entsprechende Richtung gelenkt werden, wodurch die Antennenanordnungen 1 auf den verschiedenen Gebäuden 9 in besserer Qualität senden bzw. empfangen können.
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In 6 ist eine Antennenanordnung 1 mit einem Radar 12 eines Autos 11 verbunden, wobei die Strahlkeule 8 in Fahrtrichtung des Autos 11 erzeugt wird. Um eine Straße 13 in ihrer Breite abzudecken, kann die Hauptstrahlrichtung der Antennenanordnung 1 gebündelt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antennenanordnung
- 2
- Signalquelle
- 3
- Strahlformungsnetzwerk
- 4
- Antennen
- 5
- Dielektrische Linse
- 6
- Elektrische Verbindungen
- 7
- Platine
- 8
- Abstrahlkeule
- 9
- Gebäude
- 10
- Richtfunkeinheit
- 11
- Auto
- 12
- Radareinheit
- 13
- Straße
- M
- Anzahl Ausgänge
- N
- Anzahl Eingänge
- A
- Schnittachse
- B
- Mittelachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8604989 [0013]
- US 3979754 [0013]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Friedlander, F. G. „A dielectric lens aerial for wide-angle beam scanning”, Journal of the Institution of Electrical Engineers – Part IIIA: Radiolocation, vol. 93, no. 4, pp. 658–662, 1946 [0005]
- Richter et al., „Experimental characterization of a wide angle lens for milimeter-wave imaging”, Antennas and Propagation Society International Symposium, 2005 [0005]
- Wu, Xidong et al. „Design and characterization of single- and multiple-beam mm-wave circularly polarized substrate lens antennas for wireless communications”, Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions, vol. 49, no. 3, pp. 431–441, 2001 [0006]
- Nussler et al., „A two dimensional lens stack design for 94 GHz”, German Microwave Conference, 16–18 März 2009 [0013]
