DE102018222589A1

DE102018222589A1 - Antennenanordnung sowie Schienenfahrzeug mit Antennenanordnung, aufweisend mehrere Antennen

Info

Publication number: DE102018222589A1
Application number: DE102018222589.3A
Authority: DE
Inventors: Frank Kaiser
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-25
Also published as: AU2019407255A1; US20220077601A1; WO2020126668A3; EP3898379A2; WO2020126668A2; AU2019407255B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für die mobile Kommunikation eines Schienenfahrzeugs (11a, 11b) (sowie auch ein Schienenfahrzeug mit einer solchen Antennenanordnung), wobei die Antennenanordnung über mindestens zwei Sendeantennen (S) und mindestens zwei Empfangsantennen (E) verfügt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Sendeantennen (S) örtlich in einer Sendegruppe (SG) und die Empfangsantennen (E) örtlich in einer Empfangsgruppe (EG) zusammengefasst sind, wobei die Abstände der Sendeantennen (S) bzw. der Empfangsantennen (E) untereinander geringer sind als der Gesamtabstand zwischen Sendegruppe (SG) und Empfangsgruppe (EG). Es hat sich nämlich gezeigt, dass hierdurch die Antennen sehr viel platzsparender auf den Fahrzeugen (11, 11a, 11b) angeordnet werden können, da große Abstände (13) lediglich zwischen den Gruppen selbst, jedoch nicht zwischen den Antennen untereinander vorgesehen werden müssen. Bei geringem Platzbedarf ist so vorteilhaft ein störungsfreier Betrieb der Antennen möglich.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für die mobile Kommunikation eines Schienenfahrzeugs, wobei die Antennenanordnung über mindestens zwei Sendeantennen und mindestens zwei Empfa201828ngsantennen verfügt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug mit einer solchen Antennenanordnung.
Schienenfahrzeuge, die mit einem standardisierten ETCS (European Train Control System) Mobilfunksystem ausgerüstet sind und gemäß ETCS Level 2 oder 3 betrieben werden, nutzen für die Kommunikation mit der jeweils zuständigen streckenseitigen Zentrale bzw. Leitstelle (fachsprachlich RBC oder Radio Block Center) das digitale Mobilfunknetz GSM-R (R steht für Railway). Um eine lückenlose Zugsicherung zu gewährleisten, sind die Mobilfunkeinrichtungen - fachsprachlich auch OBUs (OBU oder On Board Unit) genannt - üblicherweise jeweils mit drei GSM-R Transceivern (Sende- und Empfangseinheiten) bestückt. Zwei der Transceiver dienen dazu, während eines Übergangs von der jeweils aktuell zuständigen Streckenzentrale zur jeweils nächsten zuständigen Streckenzentrale zwei parallele Mobilfunkverbindungen zu ermöglichen, nämlich sowohl eine zur vorherigen Streckenzentrale als auch eine zur nachfolgenden Streckenzentrale. Ein dritter Transceiver ermöglicht eine Sprachkommunikation zwischen dem Lokführer und dem Fahrdienstleiter (kurz Zugfunk). Ein weiteres Kommunikationssystem kann für eine automatischen Steuerung der Züge, auch ATO oder Automated Train Operation genannt, verwendet werden. Eine ATO kennt den Fahrplan des Fahrzeuges, das von ETCS vorgegebene Geschwindigkeitsprofil, seine Position und seine Geschwindigkeit. Sie berechnet die „optimale“ Geschwindigkeit und steuert die Motoren und Bremsen entsprechend. Optimal kann beispielsweise früheste mögliche Ankunft aber insbesondere auch energieoptimiertes Fahren sein. Für diese ATO Steuerung werden je nach Anforderungen ein oder zwei weitere Transceiver vorgesehen. Somit sind unter Berücksichtigung der vorstehend erläuterten Applikationen auf einem Schienenfahrzeug, beispielsweise einer Lokomotive, bis zu fünf Transceiver erforderlich.
Zukünftig ist es auch geplant, die Kommunikation mit dem Schienenfahrzeug über FRMCS (Future Railway Mobile Communications System) abzuwickeln. Hierbei handelt es sich um ein innovatives System, bei dem die zur Verfügung stehende Bandbreite über einen Router verschiedenen Anwendungen (auch Applikationen genannt) des Schienenfahrzeugs zur Verfügung gestellt wird. Dabei können neben GSM-R unterschiedliche Kommunikationsstandards zum Einsatz kommen, beispielsweise UMTS (3G), LTE (4G) und der geplante G5-Standard. Außerdem kann abhängig von der Verfügbarkeit zum Beispiel an Bahnhöfen auch WLAN genutzt werden.
Die Verwendung mehrerer Endgeräte bzw. die Verwendung mehrerer Mobilfunkstandards sowie WLAN machen es erforderlich, auf dem Schienenfahrzeug mehrere Antennen gleichzeitig zu installieren. Da diese sich untereinander störend beeinflussen, ist es daher erforderlich, eine Mindestentkopplung zu gewährleisten. Ein mögliches Mittel hierfür ist die sog. Freiraumdämpfung, die die Dämpfung zwischen zwei Antennen in Abhängigkeit von ihrem Abstand beinhaltet. Ein anderes Mittel sind geeignete Filter oder eine Abschirmung oder auch Richtcharakteristik der Antenne (wobei die für ein Fahrzeug wegen der fehlenden Rundumsicht nur eine untergeordnete Rolle spielt). So werden die genannten Störeinflüsse auf ein funktionsbedingt zulässiges Maximum begrenzt. Andererseits ist der durch das Schienenfahrzeug zur Verfügung gestellte Bauraum für die Antennen begrenzt.
Gemäß der DE 10 2016 221 758 A1 ist es bekannt, dass eine Verbesserung der Sende- und Empfangsqualität dadurch erreicht werden kann, dass gesonderte Sendeantennen und Empfangsantennen vorgesehen werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine Rückkopplung eigener Sendesignale in eigene Empfangspfade weitgehend vermieden wird. Jedoch bewirkt diese Maßnahme, dass auf dem Schienenfahrzeug doppelt so viele Antennen installiert werden müssen, wodurch das Problem des begrenzten Bauraums noch verschärft wird. Durch die Verwendung von Filtern ließe sich der Abstand zwischen den Antennen zwar verringern, jedoch führt die Verwendung von Filtern auch zu einer Dämpfung der Signale und einer Erhöhung der Kosten für das Antennensystem und damit zu unerwünschten Begleiteffekten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antennenanordnung für ein Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, anzugeben, das einen zuverlässigen Sende- und Empfangsbetrieb bei einem begrenzten Raumangebot ermöglicht. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Schienenfahrzeug mit einer solchen Antennenanordnung anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Antennenanordnung für die mobile Kommunikation eines Fahrzeugs erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Sendeantennen örtlich in einer Sendegruppe und die Empfangsantennen örtlich in einer Empfangsgruppe zusammengefasst sind, wobei

• die Abstände der Sendeantennen untereinander geringer ausfallen als der erforderliche Abstand zwischen der Sendegruppe und der Empfangsgruppe sowie
• die Abstände der Empfangsantennen untereinander geringer ausfallen, als der erforderliche Abstand zwischen der Sendegruppe und der Empfangsgruppe.

Das erfindungsgemäße Prinzip, welches der vorstehend beschriebenen Antennenanordnung zugrunde liegt, macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass der Abstand zwischen einzelnen Antennen, die gewöhnlich für das Senden und Empfangen verwendet werden, vorrangig aufgrund der Sendefunktion dieser Antennen beim Senden von Signalen die Größenordnung von mehreren Metern haben muss. Wird jedes Endgerät jedoch mit einer getrennten Sendeantenne und Empfangsantenne versorgt, so können die Sendeantennen untereinander wie auch die Empfangsantennen untereinander mit einem wesentlichsten geringeren Abstand angeordnet werden. Auf diesem Wege erstehen erfindungsgemäß die Sendegruppe und die Empfangsgruppe, wobei diese in einem größeren Abstand voneinander angeordnet werden müssen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung soll nachstehend anhand eines rechnerischen Beispiels erläutert werden. Verbaut man beispielsweise vier kombinierte Sende- und Empfangsantennen, die jeweils einen Abstand von 5 m zueinander aufweisen müssen, auf einer Strecke hintereinander, so muss jeder dieser Antennen einen freien Radius von 5 m ohne weitere Antennen aufweisen. Damit müssen die Antennen auf einer Strecke von 15 m untergebracht werden. Bei der ersten und letzten Antenne dieser Reihe müssen ebenfalls 5 m zu weiteren Antennen berücksichtigt werden, womit insgesamt eine Strecke von 25 m zum störungsfreien Betrieb der Antennen erforderlich ist.
Ordnet man jedoch die Antennen dieses Beispiels in einer Sendegruppe und einer Empfangsgruppe an, wobei der Abstand der Antennen untereinander mit 30 cm angenommen wird, dann können die beiden Gruppen (also die Sendegruppe und die Empfangsgruppe) in einem Abstand von 5 m angeordnet werden. Da die beiden Gruppen bei einer quadratischen Anordnung der Antennen eine Ausdehnung von 30 cm haben, ist der Bauraum damit auf 5,60 m begrenzt. Berücksichtigt man den Radius zu benachbarten Antennengruppen, so ist insgesamt ein Bauraum von 15,60 m erforderlich.
Bei der Ermittlung der notwendigen Abstände zwischen den Antennen sind verschiedene Einflussfaktoren zu berücksichtigen, die im Folgenden erläutert werden sollen.
Für den Leistungsverlust an einer einzeln stehenden Antenne ist insbesondere der Returnloss verantwortlich. Dieser entsteht durch eine Fehlanpassung, d.h. der Wellenwiderstand der Antenne unterscheidet sich von dem des Kabels. Das führt zu einer Teilreflexion der Leistung in Form einer Stehwelle. Diese reflektierte Leistung wird zum größten Teil durch den Innenwiderstand des Senders in Verluste umgewandelt. Dieser Effekt lässt sich in der Praxis nicht ganz verhindern. In der Praxis beträgt der Returnloss einer Antenne 12 - 14 dB (bei 10 dB würden z. B. 10% der Energie reflektiert, bei 13 dB 5%).
Stellt man in die Nähe der Sendeantenne eine weitere Sendeantenne, so wird letztere einen Teil der durch erstere abgestrahlten Leistung aufnehmen und im angeschlossenen Sender in Wärme umwandeln. Die Verluste sind dabei hauptsächlich von der Entkopplung der Antennen untereinander abhängig. Bei steigender Entfernung sinken die Verluste. Aus Sicht des ersten Senders addieren sich diese Verluste mit denen, verursacht durch den Returnloss. Dieser Effekt kann durch die Entfernung der Antennen untereinander beeinflusst werden. Bei Empfangsantenenn sind vergleichbare Effekte zu beobachten, auch wenn deren Ursachen sich von denen bei Sendeantennen unterscheiden.
Eine Optimierung des einen Verlustes (Einfluss benachbarter Antennen) wesentlich über den des anderen Verlustes (Returnloss) bringt keine spürbaren Verbesserungen. Damit ergibt sich eine sinnvolle Grenze für die Verluste durch andere Antennen auch mit 10 - 15 dB. Beachten sollte man, dass sich natürlich die Verluste durch alle in der Nähe befindlichen Antennen addieren. Hat man z.B. 4 Antennen im Quadrat aufgestellt, so erhöht sich der Verlust durch die anderen Antennen um 4 - 5 dB im Vergleich zu nur einer Antenne mit Abstand der Seitenlänge des Quadrats (zwei Antennen mit Basisentfernung ergibt 3 dB, zusätzlich kommt eine weitere Antenne überschlagsweise mit dem 1,41-fachen der Basisentfernung, d.h. 1 - 2 dB hinzu.
Mit diesem Ansatz ergibt sich der Abstand zwischen den Sendeantennen bei GSM-R-Transceivern etwa zu Lambda (Wellenlänge der Arbeitsfrequenz), die bei 900 MHz Arbeitsfrequenz bei 30 - 35 cm liegt. Letztendlich gilt das auch für Empfangsantennen.
Bei den Empfangsantennen müssen für eine wirkungsvolle Bekämpfung von Störungen zwei Aspekte betrachtet werden. Innerhalb des Arbeitsbandes der jeweils betrachteten, der Empfangsantenne zugeordneten Empfängers müssen die Störsignale benachbarter Antennen unter Berücksichtigung eines minimalen zur Dekodierung notwendigen Signal-Rausch-Verhältnisses von beispielsweise mindestens 9 dB schwächer sein, als die geforderte Empfindlichkeit dieser Empfangsantenne. Das Arbeitsband ist dabei der Frequenzbereich, in dem die Empfangsantenne Funksignale empfangen soll (1. Aspekt). Außerhalb des Arbeitsbandes der jeweils betrachteten Arbeitsantenne sollen Störsignale von benachbarten Antennen jeweils schwächer sein als der Blocking-Grenzwert des zugehörigen Empfängers. Unter einem Blocking versteht man die Resistenz eines Empfängers auf Signale außerhalb seines Arbeitsbandes. (2. Aspekt). Beide Aspekte bezogen auf alle Sende-/Empfangsantennenkombinationen sind bei der Bestimmung des Abstandes von Sende- zur Empfangsantennengruppe zu berücksichtigen. Es gilt der größte dieser Werte al maßgeblich.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Antennenanordnung sowie auch des mit der Antennenanordnung ausgestatteten Schienenfahrzeug lassen sich damit wie folgt zusammenfassen.

• Die Sende- und Empfangsantennen können in ihrer jeweiligen Antennenbaugruppe mit einem minimierten Abstand zueinander angeordnet werden, wobei die Tatsache, dass die jeweiligen Antennen nur zum Senden und nur zum Empfang genutzt werden, einen vergleichsweise geringen Abstand zulassen.
• Der Störeinfluss, der zwischen Sendebaugruppe und Empfangsbaugruppe berücksichtigt werden muss, kann zur Abstandsbestimmung der Sendebaugruppe zur Empfangsbaugruppe einmalig herangezogen werden. Dies bedeutet, dass für die Antennenanordnung, bei der die Antennen in einer Sendebaugruppe und einer Empfangsbaugruppe zusammengefasst sind, der Raumbedarf insgesamt verringert ist.
• Die Sendebaugruppe und die Empfangsbaugruppe können jeweils vormontiert werden, sodass die endgültige Montage am Einbauort (beispielsweise einem Fahrzeug, insbesondere einem Schienenfahrzeug) verringert ist. Dies bewirkt in der Endmontage einen Kostenvorteil. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist demnach vorgesehen, dass die Sendegruppe und/oder die Empfangsgruppe als vormontierte Baugruppen ausgeführt sind.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Sendeantennen und ein Teil der Empfangsantennen für den GSM-R Standard und/oder für den FRMCS Standard ausgelegt sind.
Nachdem GSM-R Standard arbeitende Antennen (ist im Folgenden allgemein von Antennen die Rede, so sind die getroffenen Aussagen immer für die Sendeantennen und Empfangsantennen gleichermaßen gültig) werden üblicherweise einer bestimmten Applikation zugeordnet (mit zugeordnet ist beispielsweise eine signaltechnische Verbindung gemeint). Diese Zuordnung erfolgt über einen Transceiver, einer Sende- und Empfangseinrichtung für Funksignale, die erhaltene Signale an die Applikation sendet und zu sendende Signale von der Applikation erhält. Der Vorteil von Antennen, die nach dem GSM-R Standard arbeiten ist, dass diese Technologie eine breite Anwendung im Markt hat und zuverlässig und kostengünstig ist.
Der FRMCS Standard ermöglicht es, verschiedene Applikationen an einen Router anzuschließen, welcher seinerseits mit mehreren Sende- und Empfangsantennen ausgestattet sein kann. Dabei können diese Antennen in unterschiedlichen Bändern senden und empfangen, so dass jede Applikation Signale über unterschiedliche Systeme senden und empfangen kann. Hierdurch ist die Verfügbarkeit mit einer vorteilhaft größeren Flächendeckung gewährleistet, was insbesondere beim automatisierten Verkehr von Fahrzeugen wegen der damit verbundenen Sicherheitsanforderungen von großem Vorteil ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sendeantennen untereinander sowie die Empfangsantennen untereinander einen Abstand von mindestens der Wellenlänge (1 x λ) des Sende- oder Empfangsbandes aufweisen.
Es hat sich vorteilhaft gezeigt, dass sich durch das Abstellen auf die Wellenlänge des Sende- oder Empfangsbandes eine einfache Auslegungsregel für die Sendebaugruppe und Empfangsbaugruppe hinsichtlich der zu wählenden Antennenabstände ergibt. Hierbei ist bei benachbarten Antennen immer dasjenige Sende- oder Empfangsband ausschlaggebend, welches die größere Wellenlänge verwendet. Wird diese Auslegungsregel berücksichtigt, lässt sich eine genügend große Entkopplung der Sendeantennen untereinander und der Empfangsantennen untereinander erreichen.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass

• eine durch den Antennenabstand bedingte Entkopplung zwischen allen Sendeantennen der Sendegruppe und
• eine durch den Antennenabstand bedingte Entkopplung zwischen allen Empfangsantennen der Empfangsgruppe größer als 10 dB, vorzugsweise größer als 15 dB ist.

Wie oben bereits erklärt, handelt es sich vorteilhaft um eine Auslegungsregel, mit der die Abstände der Sendeantennen untereinander und der Empfangsantennen untereinander bestimmt werden können. Hierbei kann insbesondere so vorgegangen werden, dass die Antennen der Sendebaugruppe sowie die Antennen der Empfangsbaugruppe montiert werden und die Entkopplung aufgrund ihrer Abstände zueinander gemessen wird. Ist die Entkopplung nicht ausreichend, so muss der Antennenabstand vergrößert werden bis eine ausreichende Entkopplung gemessen wird. Zum Zwecke der Ermittlung der erforderlichen Abstände durch Messen und Experiment kann beispielsweise eine Testvorrichtung zur Montage der Sendegruppe sowie der Empfangsgruppe zur Anwendung kommen, bei der die Befestigungspunkte der Antennen beweglich in der Testvorrichtung angeordnet sind, sodass sich der Abstand der Antennen zueinander variieren lässt. Ein anderer Ansatz zur Auslegung der Antennenabstände ist die Anwendung von einschlägigen Berechnungsansätzen.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Signal

• im Arbeitsband eines jeweiligen zur Empfangsantenne zuzuordnenden Empfängers kommend von jeder der Sendeantennen geringer ist als die Empfindlichkeit des Empfängers verringert um das minimale zur Dekodierung nötige Signal-Rausch-Verhältnis des Signals,
• außerhalb des Arbeitsbandes des jeweiligen Empfängers kommend von jeder der Sendeantennen geringer ist als der Blocking-Grenzwert des Empfängers.

Wie oben bereits erklärt, handelt es sich hierbei vorteilhaft um eine Auslegungsregel, mit der die Entfernung zwischen Sendebaugruppe und Empfangsbaugruppe bestimmt werden kann, damit eine genügende Entkopplung zwischen den Antennengruppen erreicht werden kann. Auch diese Auslegungsregel kann im Wege des Experimentierens mit den unterschiedlichen Antennen aufgefunden werden.
Hierzu müssen die Sendebaugruppe und die Empfangsbaugruppe aufgebaut werden und anschließend in unterschiedlichen Abständen zueinander getestet werden. Dabei müssen die Sendeantennen mit der für die Anwendung erforderlichen Leistung senden. Das von jeder der Sendeantennen ankommende Signal bei der betreffenden Empfangsantenne wird gemessen und mit dem erforderlichen minimal zur Dekodierung nötigen Signal-Rausch-Verhältnis verglichen, dabei werden nur Signale berücksichtigt, die sich im Arbeitsband der Empfangsantennen befinden.
Außerdem werden auch Signale der Sendeantennen berücksichtigt, welche sich außerhalb des Arbeitsbandes des jeweiligen Empfängers befinden. Diese dürfen hinsichtlich ihres Messergebnisses nicht höher ausfallen als der Blocking-Grenzwert eines Empfängers, der mit der betreffenden untersuchten Empfängerantenne verbunden ist. Dies bedeutet, dass bei der Auslegung das Arbeitsband und die Grenzwerte für die Sendeleistung, die Nebenkanalaussendung der Sender, die Empfindlichkeit der Empfänger sowie für das Blocking der Empfänger bekannt sein müssen, auch wenn der jeweilige Empfänger noch nicht an die auszulegende Antennenanordnung angeschlossen ist (und die Antennenanordnung auch ohne den zugehörigen Empfänger ausgeliefert werden soll).
Beide experimentellen Ergebnisse müssen gemeinsam betrachtet werden. Dasjenige, welches zu einem größeren erforderlichen Abstand der Sendegruppe von der Empfangsgruppe führt, muss bei der Auslegung berücksichtigt werden. Selbstverständlich können auch zur Auslegung des Abstandes der Sendegruppe von der Empfangsgruppe Berechnungen angestellt werden.
Die genannte Aufgabe wird alternativ mit dem eingangs angegebenen Anspruchsgegenstand (Schienenfahrzeug) erfindungsgemäß auch dadurch gelöst, dass die Sendeantennen örtlich in einer Sendegruppe und die Empfangsantennen örtlich in einer Empfangsgruppe zusammengefasst sind, wobei

• die Abstände der Sendeantennen untereinander geringer sind als der Abstand zwischen der Sendegruppe und der Empfangsgruppe sowie
• die Abstände der Empfangsantennen untereinander geringer sind, als der Abstand zwischen der Sendegruppe und der Empfangsgruppe.

Die für die erfindungsgemäße Antennenanordnung obenstehend gemachten Angaben zur Auslegung gelten für ein Schienenfahrzeug mit einer solchen Antennenanordnung analog. Auch die mit der Antennenanordnung verbundenen Vorteile werden mit dem Schienenfahrzeug, in dem oder auf dem eine solche Antennenanordnung verbaut ist, gleichermaßen erreicht. Daher soll an dieser Stelle nicht noch einmal darauf eingegangen werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass

• eine durch den Antennenabstand bedingte Entkopplung zwischen allen Sendeantennen der Sendegruppe und
• eine durch den Antennenabstand bedingte Entkopplung zwischen allen Empfangsantennen der Empfangsgruppe größter als 10 dB, vorzugsweise größer als 15 dB ist und dass das Signal
• im Arbeitsband eines jeweiligen zur Empfangsantenne zugeordneten Empfängers kommend von jeder der Sendeantennen geringer ist als die Empfindlichkeit des Empfängers verringert um das minimale zur Dekodierung nötige Signal-Rausch-Verhältnis des Signals,
• außerhalb des Arbeitsbandes des jeweiligen Empfängers kommend von jeder der Sendeantennen geringer ist als der Blocking-Grenzwert des Empfängers.

Um in dem Schienenfahrzeug eine wirksame Entkopplung aller Sendeantennen und aller Empfangsantennen untereinander und gleichzeitig eine wirksame Entkopplung der Sendegruppe und der Empfangsgruppe zu gewährleisten, müssen die gemäß dieser Ausgestaltung angegebenen Auslegungsregeln gleichzeitig Berücksichtigung finden. Nur so ist gewährleistet, dass aufgrund einer genügenden Entkopplung alle Antennen störungsarm miteinander arbeiten können.
Anders verhält sich dies bei der oben angegebenen Antennenanordnung. Diese weist im Zustand der Auslieferung eine Sendegruppe und eine Empfangsgruppe auf. Selbstverständlich müssen die Auslegungsregeln hinsichtlich der Dämpfung jeweils der Sendeantennen und der Empfangsantennen Berücksichtigung finden. Dies bedeutet, dass die Abstände der Sendeantennen untereinander in der Sendegruppe und die Abstände der Empfangsantennen untereinander in der Empfangsgruppe unter Berücksichtigung der Störeinflüsse untereinander ermittelt werden müssen, bevor die Sendegruppe und die Empfangsgruppe montiert werden. Durch vormontieren der Sendegruppe und der Empfangsgruppe ist es daher möglich, dass eine Endmontage diese Baugruppen erfolgen kann, ohne die oben genannten Auslegungsregeln für die Antennenabstände jeweils der Sendeantennen untereinander und der Empfangsantennen untereinander zu berücksichtigen. Diese sind bereits bei der Herstellung der Sendergruppe und der Empfangsgruppe berücksichtigt worden und bestimmen die Geometrie dieser Baugruppen.
Der Abstand der Sendegruppe und der Empfangsgruppe zueinander ist jedoch erst bei Montage der Antennenanordnung am Einbauort (zum Beispiel einem Schienenfahrzeug) zu berücksichtigen. Dieser kann bei Kenntnis der zu verwendenden Empfänger bereits ermittelt und als Einbauregel für die Antennenanordnung definiert werden. Dies ist allerdings nicht unbedingt erforderlich. Die notwendigen Abstände können alternativ auch erst vor der Montage der Antennenanordnung (beispielsweise nach dem oben angegebenen experimentellen Verfahren) ermittelt werden. Dies hat den Vorteil, dass bei der Montage bereits die zu verwendenden Empfänger zur Verfügung stehen und so eine Ermittlung auf experimentellem Wege erfolgen kann.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Applikation ein Computer (EVC), der in das European Train Control System (ETCS) eingebunden ist, und/oder ein Zugfunkgerät (Z) und/oder ein Computer (C) für einen automatischen Zugbetrieb (ATO) angeschlossen ist.
Hierbei handelt es sich um Applikationen, die insbesondere für einen automatischen Zugbetrieb sowie das manuelle Führen des Schienenfahrzeugs durch einen Zugführer erforderlich sind. Diese Applikationen sind beispielsweise in Lokomotiven eingebaut, wobei diese alle entweder jeweils einzeln mit einer Antenne versorgt sein müssen oder gemeinsam an einen Router angeschlossen werden müssen, welcher seinerseits vorzugsweise mehrere Antennen und Transceiver für unterschiedliche Übertragungsfrequenzen nutzt. Werden diese Antennen auf einem Fahrzeug verbaut, so kann von der erfindungsgemäß platzsparenden Anordnung mit einer Sendegruppe und einer Empfangsgruppe vorteilhaft profitiert werden. Hierdurch ist es möglich, mehrere Transceiver auf einem Fahrzeug zu verbauen.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Applikationen jeweils einen Transceiver aufweisen,

• dessen Sendmodul jeweils mit einer Sendeantenne und
• dessen Empfangsmodul jeweils mit einer Empfangsantenne verbunden ist.

Wie schon erwähnt, handelt es sich bei dieser Ausgestaltung der Erfindung um eine Anordnung, bei der jede der Applikationen mit einem eigenen Transceiver ausgestattet ist. Diese Ausführung ist weit verbreitet und stellt vorteilhaft eine kostengünstige und zuverlässige Möglichkeit dar, die verschiedenen Applikationen über Funk kommunizieren zu lassen. Der Transceiver weist zu diesem Zweck ein Sendemodul und ein Empfangsmodul auf, wobei diese nicht notwendigerweise in ein und demselben Gehäuse verbaut sein müssen. Die Funktion des Transceivers ergibt sich somit als Summe der Funktionen des Sendemoduls und des Empfangsmoduls.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem Transceiver und der Antennenanordnung ein Zirkulator vorgesehen ist, welcher einen getrennten Antenneneingang und Antennenausgang aufweist und eine kombinierte Sende- und Empfangsschnittstelle für den Transceiver aufweist.
Der Zirkulator ermöglicht es vorteilhaft, dass der Transceiver auch dann mit einer separaten Sendeantenne und einer separaten Empfangsantenne verbunden werden kann, wenn der Transceiver nur einen kombinierten Anschluss für eine Sende- und Empfangsantenne aufweist. Der Zirkulator selbst weist eine Sende- und Empfangsschnittstelle für den Transceiver sowie eine Sendeschnittstelle für eine Sendeantenne und eine Empfangsschnittstelle für eine Empfangsantenne auf. Das vom Transceiver kommende bzw. empfangene Sende- und Empfangssignal kann somit auf die beiden Schnittstellen (Empfangsschnittstelle und Sendeschnittstelle) aufgeteilt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Router (R) an die Antennenanordnung angeschlossen ist, wobei der Router insbesondere als Teil eines Future Railway Mobile Communications Systems (FRMCS) ausgestaltet ist.
Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei FRMCS um einen Standard, der zukünftig die Zugkommunikation verbessern soll. Auch dieser Standard kann von den erfindungsgemäßen Sendegruppen und Empfangsgruppen von Antennenanordnungen profitieren. Auch wenn der Router den Anschluss mehrerer Geräte ermöglicht, können vorteilhaft dennoch mehrere Antennen und Transceiver vorgesehen werden. Diese dienen bei FRMCS allerdings dazu, in mehreren Funknetzen gleichzeitig zu arbeiten, damit u.a mehrere Sende- und Empfangsfrequenzen genutzt werden können. Dies ermöglicht eine flächendeckende Kommunikation auch in Fällen, in denen ein Mobilfunkstandard beispielsweise aufgrund des Vorhandenseins von Funklöchern oder des Ausfalls einzelner Sendestation nicht verfügbar sein sollte. Auch ist es möglich, beispielsweise in Bahnhöfen über WLAN zu kommunizieren.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem Router und der Antennenanordnung ein Zirkulator vorgesehen ist, welcher einen getrennten Antenneneingang und Antennenausgang aufweist und eine kombinierte Sende- und Empfangsschnittstelle für den Router aufweist.
Die Vorzüge der Verwendung eines Zirkulartors sind vorstehend bereits erläutert worden, sodass diesbezüglich auf diese Erläuterung Bezug genommen wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sendegruppe und/oder die Empfangsgruppe einen Abstand zu zumindest einem Ende des Schienenfahrzeugs aufweisen, welcher wenigstens die Hälfte des erforderlichen Abstandes zwischen Sendegruppe und Empfangsgruppe beträgt.
Die genannte Anordnung der Sendegruppe und/oder der Empfangsgruppe auf dem Schienenfahrzeug hat den Vorteil, dass benachbarte Schienenfahrzeuge, die beispielsweise mittels einer Kupplung zu einem Zug zusammengefügt werden, ebenfalls nach dem beschriebenen Prinzip mit einer Sendegruppe und einer Empfangsgruppe ausgestattet werden können. Selbst wenn die Fahrzeuge dann aneinandergekoppelt werden, ist sichergestellt, dass der geforderte Mindestabstand von Sendegruppe und Empfangsbaugruppe von benachbarten Fahrzeugen gewährleistet ist. Dies wird dadurch garantiert, dass die Hälfte des erforderlichen Abstandes zwischen Sendegruppe und Empfangsgruppe von beiden der benachbarten Schienenfahrzeuge gemeinsam eingehalten wird.
Auch ist es möglich, den Mindestabstand bei Lokomotiven oder Triebköpfen von Zügen nur in Richtung des an zu koppelten Zuges zu berücksichtigen. Dem gegenüber muss der Sicherheitsabstand an der Spitze des Zuges, d. h. an der Front der Lokomotive bzw. des Triebkopfes nicht eingehalten werden, wenn an dieser Stelle eine Kopplung von weiteren Fahrzeugen nicht vorgesehen ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
Es zeigen:

1 die Anordnung von kombinierten Sende-Empfangsantennen auf einem Fahrzeug gemäß dem Stand der Technik als schematische Aufsicht,
2 die Anordnung von Sendeantennen und Empfangsantennen jeweils in einer Sendegruppe und einer Empfangsgruppe auf benachbarten Schienenfahrzeugen gemäß der Erfindung als schematische Aufsicht auf das Schienenfahrzeug, wobei das Schienenfahrzeug ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung darstellt,
3 und 4 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs mit Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Antennenanordnungen jeweils schematisch im Längsschnitt.

Gemäß 1 ist ein Schienenfahrzeug 11 dargestellt, welches mit mehreren kombinierten Sende-Empfangsantennen 12 gemäß dem Stand der Technik ausgestattet ist. In 1 (und auch in 2, hierzu im Folgenden noch mehr) wird die Funktion des Sendens mit Tx und die Funktion des Empfangs mit Rx gekennzeichnet. Die kombinierten Sende-Empfangsantennen 12 sind in 1 außerdem mit einem Einflussbereich 13 dargestellt, der die Sende-Empfangsantennen kreisförmig umgibt.
Um zu gewährleisten, dass die Sende-Empfangsantennen 12 einander im Betrieb nicht stören, sind benachbarte Sende-Empfangsantennen 12 jeweils außerhalb oder zumindest am Rande dieser Einflussbereiche 13 angeordnet. Hierdurch ergibt sich, dass auf dem Schienenfahrzeug 11 nur eine begrenzte Anzahl an Sende-Empfangsantennen 12 angeordnet werden kann (im Ausführungsbeispiel gemäß 1 insgesamt vier Sende-Empfangsantennen 12).
Ein Vergleich der Schienenfahrzeuge 11a, 11b gemäß 2 mit demjenigen 11 gemäß 1 macht die Unterschiede zum Stand der Technik deutlich. Gemäß 2 sind zwei Schienenfahrzeuge 11a, 11b über eine Kupplung 14 aneinandergekoppelt. Auf beiden der Schienenfahrzeuge 11a, 11b sind je eine Sendegruppe SG und eine Empfangsgruppe EG angebracht, wobei die Sendegruppe SG jeweils aus vier Sendeantennen S und die Empfangsgruppen EG aus vier Empfangsantennen E zusammengesetzt sind (auf dem Schienenfahrzeug 11b sind die Empfangsantennen E nicht näher dargestellt). Die Abstände der Sendeantennen S untereinander sowie der Empfangsantennen E untereinander ist gering im Vergleich zum Abstand der Sendegruppen SG von den Empfangsgruppen EG. Für die Anordnung der Sendegruppen SG sowie Empfangsgruppen EG ist wieder ein Einflussbereich 13 zu beachten, außerhalb dessen jeweils die benachbarten Sende- bzw. Empfangsgruppen liegen müssen.
Aus 2 wird auch deutlich, dass auch Sendegruppen SG bzw. Empfangsgruppen EG benachbarter Fahrzeuge 11a, 11b einen genügenden Abstand voneinander aufweisen müssen, damit die Einflussbereiche 13 dieser Gruppen berücksichtigt werden können. Nur so ist sichergestellt, dass sich die Sendegruppe SG und Empfangsgruppe EG benachbarter Fahrzeuge nicht stören.
Aus 2 wird auch deutlich, dass auf dem Schienenfahrzeug 11a genauso viele Sendeantennen S bzw. Empfangsantennen E angebracht sind, wie auf dem Schienenfahrzeug 11 gemäß 1 kombinierte Sende-Empfangsantennen 12. Trotzdem benötigt das Fahrzeug eine geringere Gesamtlänge als das Schienenfahrzeug 11 gemäß 1, ohne dass es zu einer gegenseitigen schädlichen Beeinflussung benachbarter Antennensysteme kommt. Dies liegt daran, dass die Sendeantennen S und die Empfangsantennen E untereinander mit einem wesentlich kleineren Abstand angeordnet werden können, durch den die Abmessungen der Sendegruppe SG und der Empfangsgruppe EG bestimmt werden. Diese Abmessungen sind bedeutend geringer, als der durch die Einflussbereiche 13 erforderliche Abstand der Gruppen untereinander, die im Wesentlichen den Einflussbereichen 13 gemäß 1 entsprechen.
In den 3 und 4 sind Schienenfahrzeuge 11 dargestellt, die jeweils mit einer Antennenanordnung 15 auf dem Dach ausgestattet sind. Schematisch sind jeweils die notwendigen Abstände a zwischen den einzelnen Empfangsantennen EG und den einzelnen Sendeantennen SG untereinander zu erkennen. Außerdem weisen die durch die Empfangsantennen E gebildete Empfangsgruppe EG und die durch die Sendeantennen S gebildete Sendegruppe SG einen größeren Abstand b auf. Die diesbezüglichen Anordnungsprinzipien sind zu 2 bereits näher erläutert worden, wobei die dort erläuterten Anordnungsprinzipien auch für die 3 und 4 gelten.
Die Antennenanordnung 15 ist außerdem über Signalleitungen mit einer Steuereinrichtung 16 des Schienenfahrzeugs verbunden. Die Steuereinrichtungen 16 gemäß 3 und 4 weisen jedoch gewisse Unterschiede auf, die im Folgenden näher erläutert werden sollen.
Gemäß 3 sind im Steuermodul 16 verschiedene Applikationen APP, deren nähere Funktionen nicht weiter spezifiziert sind (jedoch beispielsweise wie in 4 beschrieben spezifiziert sein können), implementiert. Zwei dieser Applikationen APP sind an einen Router R angeschlossen. Dieser verfügt über je zwei Sendeantennen S und zwei Empfangsantennen E, wobei diese auf unterschiedlichen Bändern übertragen können. Dies soll schematisch das bereits erläuterte Anwendungsbeispiel für FRMCS andeuten.
Eine weitere Anwendung APP ist über einen Transceiver T mit einem Zirkulator Z verbunden. Der Zirkulator Z weist wiederum einen Antenneneingang für eine Empfangsantenne E und einen Antennenausgang für eine Sendeantenne S auf. Der Zirkulator Z hat die Aufgabe, eine Möglichkeit des Anschlusses einer Sendeantenne S und einer Empfangsantenne E zu gewährleisten, wenn in dem Fahrzeug 11 ein Transceiver T mit nur einem kombinierten Ein- und Ausgang für die Funksignale zur Verfügung steht.
In 4 sind in der Steuereinrichtung 16 verschiedene Applikationen APP dargestellt, von denen eine unspezifiziert ist und die drei anderen besondere Funktionen übernehmen (auch hierbei handelt es sich um Applikationen). Eine Applikation stellt einen Computer C für den automatischen Zugbetrieb ATO zur Verfügung. Eine weitere Applikation ist für den Zugfunk ZF gedacht. Eine weitere Applikation besteht in einem EVC (European Vital Computer), der die Einbindung des Schienenfahrzeugs in das ETCS gewährleistet.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind alle Applikationen APP über eigene Transceiver T mit einzelnen Sendeantennen S und Empfangsantennen E verbunden. Zu diesem Zweck weist jeder der Transceiver T ein Sendemodul SM und ein Empfangsmodul EM auf, so dass, anders als in 3 (wo ein Zirkulator erforderlich ist), die Empfangsantennen E und die Sendeantennen S direkt an die Transceiver T angeschlossen werden können.
Bezugszeichenliste

E: Empfangsantenne
S: Sendeantenne
EG: Empfangsgruppe
SG: Sendegruppe
EM: Empfangsmodul
SM: Sendemodul
R: Router
T: Transceiver
APP: Application
ZF: Zugfunkgerät
EVC: European Vital Computer
C: Computer für den automatischen Zugbetrieb ATO
Z: Zirkulator
a: Abstand
b: Abstand
11, 11a, 11b: Schienenfahrzeug
12: Sende-Empfangsantennen
13: Einflussbereich
14: Kupplung
15: Antennenanordnung
16: Steuereinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016221758 A1 [0005]

Claims

Antennenanordnung (15) für die mobile Kommunikation eines Schienenfahrzeugs (11, 11a, 11b), wobei die Antennenanordnung (15) über mindestens zwei Sendeantennen (S) und mindestens zwei Empfangsantennen (E) verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantennen (S) örtlich in einer Sendegruppe (SG) und die Empfangsantennen (E) örtlich in einer Empfangsgruppe (EG) zusammengefasst sind, wobei • die Abstände der Sendeantennen (S) untereinander geringer ausfallen als der erforderliche Abstand zwischen der Sendegruppe (SG) und der Empfangsgruppe (EG) sowie • die Abstände der Empfangsantennen (E) untereinander geringer ausfallen, als der erforderliche Abstand zwischen der Sendegruppe (SG) und der Empfangsgruppe (EG) .
Antennenanordnung (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, zumindest ein Teil der Sendeantennen (S) und ein Teil der Empfangsantennen (E) für den GSM-R Standard und/oder für den FRMCS Standard ausgelegt sind.
Antennenanordnung (15) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendegruppe (SG) und/oder die Empfangsgruppe (EG) als vormontierte Baugruppen ausgeführt sind.
Antennenanordnung (15) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantennen (S) untereinander sowie die Empfangsantennen (E) untereinander einen Abstand von mindestens der Wellenlänge (1 x λ) des Sende- oder Empfangsbandes aufweisen.
Antennenanordnung (15) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • eine durch den Antennenabstand bedingte Entkopplung zwischen allen Sendeantennen (S) der Sendegruppe (SG) und • eine durch den Antennenabstand bedingte Entkopplung zwischen allen Empfangsantennen (E) der Empfangsgruppe (SG) größer als 10 dB, vorzugsweise größer als 15 dB ist.
Antennenanordnung (15) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal • im Arbeitsband eines jeweiligen zur Empfangsantenne (E) zuzuordnenden Empfängers kommend von jeder der Sendeantennen (S) geringer ist als die Empfindlichkeit des Empfängers verringert um das minimale zur Dekodierung nötige Signal-Rausch-Verhältnis des Signals, • außerhalb des Arbeitsbandes des jeweiligen Empfängers kommend von jeder der Sendeantennen (S) geringer ist als der Blocking-Grenzwert des Empfängers (E).
Schienenfahrzeug (11, 11a, 11b) mit einer Antennenanordnung (15) für die mobile Kommunikation eines Schienenfahrzeugs (11, 11a, 11b), wobei die Antennenanordnung (15) über mindestens zwei Sendeantennen (S) und mindestens zwei Empfangsantennen (E) verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantennen (S) örtlich in einer Sendegruppe (SG) und die Empfangsantennen (E) örtlich in einer Empfangsgruppe (EG) zusammengefasst sind, wobei • die Abstände der Sendeantennen (S) untereinander geringer sind als der Abstand zwischen der Sendegruppe (SG) und der Empfangsgruppe (EG) sowie • die Abstände der Empfangsantennen (E) untereinander geringer sind, als der Abstand zwischen der Sendegruppe (SG) und der Empfangsgruppe (EG).
Schienenfahrzeug (11, 11a, 11b) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass • eine durch den Antennenabstand bedingte Entkopplung zwischen allen Sendeantennen (S) der Sendegruppe (SG) und • eine durch den Antennenabstand bedingte Entkopplung zwischen allen Empfangsantennen (E) er Empfangsgruppe (EG) größer als 10 dB, vorzugsweise größer als 15 dB ist und dass das Signal • im Arbeitsband eines jeweiligen zur Empfangsantenne (E) zugeordneten Empfängers kommend von jeder der Sendeantennen (S) geringer ist als die Empfindlichkeit des Empfängers verringert um das minimale zur Dekodierung nötige Signal-Rausch-Verhältnis des Signals, • außerhalb des Arbeitsbandes des jeweiligen Empfängers kommend von jeder der Sendeantennen (S) geringer ist als der Blocking-Grenzwert des Empfängers.
Schienenfahrzeug (11, 11a, 11b) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Applikation ein Computer (EVC), der in das European Train Control System (ETCS) eingebunden ist, und/oder ein Zugfunkgerät (Z) und/oder ein Computer (C) für einen automatischen Zugbetrieb (ATO) angeschlossen ist.
Schienenfahrzeug (11, 11a, 11b) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Applikationen jeweils einen Transceiver aufweisen, • dessen Sendmodul (SM) jeweils mit einer Sendeantenne (S) und • dessen Empfangsmodul (EM) jeweils mit einer Empfangsantenne (E) verbunden ist.
Schienenfahrzeug (11, 11a, 11b) Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Transceiver (T) und der Antennenanordnung (15) ein Zirkulator (Z) vorgesehen ist, welcher einen getrennten Antenneneingang und Antennenausgang aufweist und eine kombinierte Sende- und Empfangsschnittstelle für den Transceiver (T) aufweist.
Schienenfahrzeug (11, 11a, 11b) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Router (R) an die Antennenanordnung (15) angeschlossen ist, wobei der Router (R) insbesondere als Teil eines Future Railway Mobile Communications Systems (FRMCS) ausgestaltet ist.
Schienenfahrzeug (11, 11a, 11b) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Router (R) und der Antennenanordnung (15) ein Zirkulator (Z) vorgesehen ist, welcher einen getrennten Antenneneingang und Antennenausgang aufweist und eine kombinierte Sende- und Empfangsschnittstelle für den Router (R) aufweist.
Schienenfahrzeug (11, 11a, 11b) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendegruppe (SG) und/oder die Empfangsgruppe (EG) einen Abstand zu zumindest einem Ende des Schienenfahrzeugs (11, 11a, 11b) aufweisen, welcher wenigstens die Hälfte des erforderlichen Abstandes zwischen Sendegruppe (SG) und Empfangsgruppe (EG) beträgt.