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HINTERGRUND
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1. Gebiet der Erfindung
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Hier offenbarte Ausführungsformen betreffen Telekommunikationssysteme und insbesondere ein MIMO(Multiple-Input, Multiple-Output)-Antennensystem mit kanalübergreifender Isolierung.
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2. Stand der Technik
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Die zunehmende Verwendung von Standards für eine Datenübertragung mit höheren Geschwindigkeiten, wie zelluläre LTE(Long-Term Evolution)- sowie IEEE 802.11n (und höhere) WLAN-Systeme hat zu einer verstärkten Anforderung nach MIMO(Multiple-Input, Multiple-Output)-Antennensystemen sowohl innerhalb als auch außerhalb von Basisstations- oder Zugangspunktanordnungen geführt.
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Eine MIMO-Antenne enthält zwei oder mehr getrennte Antennen. Ein MIMO-Antennensystem kann auf mehrere unterschiedliche Arten betrieben werden. Zum Ersten ist ein Vorcodieren eine räumliche Multi-Stream-Strahllenkungsformung, die im Sender stattfindet. Bei der (Single-Stream)-Strahlformung wird dasselbe Signal von jeder der Sendeantennen mit einer angemessenen Phasen- und Verstärkungsgewichtung derart abgestrahlt, dass die Signalleistung am Empfängereingang maximiert ist. Zum Zweiten wird beim Raummultiplexen ein Signal mit hoher Rate in mehrere Ströme mit geringerer Rate geteilt und jeder Strom von einer anderen Sendeantenne im selben Frequenzkanal übertragen. Zum Dritten wird in Diversitätsmethoden ein einzelner Strom von jeder der Sendeantennen mit vollständiger oder fast orthogonaler Codierung gesendet. Diversitätscodieren nutzt das unabhängige Fading in den Mehrfach-Antennen-Verbindungen zur Verstärkung der Signaldiversität.
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Heute nutzen die meisten drahtlosen MIMO-Zugangspunkte (beispielsweise diejenigen, die mit 802.11n arbeiten) externe Antennen vom Stabtyp. Diese Antennen sind preiswert, aber weder typisch Breitband noch flach, da das Abdeckmuster derartiger Antennen omnidirektional, in etwa senkrecht zu der Achse, entlang der der Stab ausgerichtet ist, verläuft. Somit müssen die Stabantennen eines an einer Decke montierten Zugangspunkts zum Boden weisen, um die notwendige omnidirektionale Abdeckung bereitzustellen.
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Ein anderer Antennentyp, der häufig an Standorten mit kleinen Zellen oder in einigen WLAN-Anwendungen genutzt wird, ist eine Resonanzpatchantenne. Derartige Antennen weisen eine planare Form auf, was das Profilproblem von Stabantennen löst, und sind normalerweise ebenfalls preisgünstig, sie sind aber im Allgemeinen auch schmalbandiger Natur und somit nur für Einzelbandsysteme (z. B. nur WLAN oder WCDMA, aber nicht beides in einem Gerät) geeignet. Die Komplexität einer Patchantenne lässt sich erhöhen, um eine größere Bandbreite zu erreichen, die wichtigsten Verfahren, um dies zu erreichen, wie Nutzung einer Anordnung mit Öffnungskopplung und Patch-Stapel, verursachen allerdings eine erhebliche Erhöhung der Komplexität und der Präzision/Schwierigkeit des Herstellungsprozesses während sie auch teure dielektrische Materialien mit geringen Verlusten erfordern, um eine brauchbare Verstärkung und Effizienz zu erreichen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die folgenden Beschreibungen sind nicht als Begrenzungen in irgendeiner Form aufzufassen. Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Elemente dieselbe Bezugsziffer haben, ist:
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1 ein Blockdiagramm einer typischen MIMO-Antenne mit Stabantennenelementen gemäß einer Ausführungsform;
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2 ein Blockdiagramm einer typischen MIMO-Antenne mit Stabantennenelementen gemäß einer anderen Ausführungsform;
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3 ein Blockdiagramm einer typischen MIMO-Antenne mit Patchantennenelementen gemäß einer Ausführungsform;
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4 ein Blockdiagramm einer typischen MIMO-Antenne mit Patchantennenelementen gemäß einer anderen Ausführungsform;
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5 eine Darstellung von Kurven des Frequenzgangs einer MIMO-Antenne ohne ein magneto-dielektrisches Element; und
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6 eine Darstellung von Kurven des Frequenzgangs einer MIMO-Antenne mit einem ein magneto-dielektrisches Element.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Eine genaue Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen des offenbarten Systems, der offenbarten Vorrichtung und des offenbarten Verfahrens wird hier als beispielhafte Darstellung und nicht als Begrenzung unter Bezugnahme auf die Figuren vorgelegt.
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Hier offenbarte Ausführungsformen stellen eine MIMO-Antenne mit geringerer Kopplung zwischen den einzelnen Antennen bereit. Zwar betrifft die nachstehende Diskussion eine 2x2-Antenne, es ist jedoch offensichtlich, dass die Lehren für jede beliebige Anzahl an Eingängen/Ausgängen gelten, wie beispielsweise 2x2-, 3x3-oder 4x4-MIMO. In einigen Ausführungsformen kann das Antennensystem in einer kleinen, flachprofilierten Struktur aufgenommen sein. Die offenbarten Ausführungsformen können auch übliche für die meisten Antennenprodukte dieser Art geltende Anforderungen erfüllen; Anforderungen wie beispielsweise: hohe Verstärkung, niedrige Kosten und einfache Herstellung.
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Unter Bezugnahme auf 1 ist ein vereinfachtes Diagramm einer 2x2-MIMO-Antenne 100 dargestellt. Die MIMO-Antenne 100 enthält erste und zweite Anschlüsse 101, 102. Jeder der Anschlüsse 101, 102 kann ein Eingangs-/Ausgangsanschluss sein und ist mit einem jeweiligen Antennenelement 103, 104 verbunden. Die Antennenelemente 103, 104 sind zwar als Stabantennen dargestellt, es ist jedoch offensichtlich, dass sie jede Art von Antennenelement sein können, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, Patch, Stab oder dergleichen.
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Während des Betriebs beschreiben sogenannte S-Parameter die Eingang-Ausgang-Beziehung zwischen den Anschlüssen 101, 102. Wenn beispielsweise Anschluss 101 als Anschluss 1 und Anschluss 102 als Anschluss 2 bezeichnet wird, dann repräsentiert S12 die von Anschluss 2 an Anschluss 1 übertragene Leistung und S21 repräsentiert die von Anschluss 1 an Anschluss 2 übertragene Leistung. Weiterhin ist S11 die zurückgestrahlte Leistung (zum Beispiel Rückstreuverlust), die wieder an Anschluss 101 empfangen wird, wenn dort ein Eingangssignal anliegt. Idealerweise ist S11 Null (z. B. -unendlich dB). Allerdings ist die Rückstrahlung eines Teils der an der Antenne 103 anliegenden Leistung einfach auf die Antennenkonstruktion zurückzuführen. Eine andere Energiequelle, die als zurückgestrahlte Leistung aufgefasst werden kann, dies aber nicht ist, existiert aufgrund von S12. Das heißt: Wenn das Antennenelement 104 nicht vom Antennenelement 103 getrennt wird, kann ein Teil des vom Antennenelement 104 übertragenen Signals vom Antennenelement 103 empfangen werden und von der Antenne 103 am Anschluss 101 als zurückgestrahlte Leistung (S11) wahrgenommen werden. Die hier offenbarten Ausführungsformen können die Kopplung zwischen den Antennenelementen (z. B. den Elementen 103, 104) in einem MIMO-System reduzieren oder eliminieren. Dies kann beispielsweise durch Anordnen eines magneto-dielektrischen Materials zwischen den Antennen erreicht werden. In einer Ausführungsform kann das magneto-dielektrische Material 105 eine reale und imaginäre Dielektrizitätskonstante (ε‘ und ε‘‘) von 9 und 0,015 sowie eine reale und imaginäre Permeabilität (µ‘ und µ‘‘) von 9 und 0,016 aufweisen. Selbstverständlich können auch andere Werte verwendet werden.
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Wie in 1 dargestellt, kann das magneto-dielektrische Material 105 als Einzelbogen ausgebildet sein, der zwischen den Antennen 103, 104 angeordnet ist. Die Größe und Dicke des magneto-dielektrischen Materials 105 kann entsprechend der jeweiligen Umsetzung variieren.
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In einer anderen Ausführungsform, und wie in 2 dargestellt, können eines oder beide der Antennenelemente 103, 104 ein magneto-dielektrisches Material 105a, 105b enthalten, das diese jeweils umgibt.
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In einer anderen Ausführungsform können die Antennenelemente Patchantennen sein. Ein Beispiel für eine derartige Ausführungsform ist in 3 dargestellt. Die MIMO-Antenne 300 dieser Ausführungsform enthält die Anschlüsse 301 und 302. Die Anschlüsse 301, 302 können elektrisch mit dem jeweiligen Patchantennenelement 303, 304 verbunden sein. Die MIMO-Antenne 300 dieser Ausführungsform (sowie anderer Ausführungsformen) kann eine Groundplane 306 enthalten, die von den Patchantennenelementen 303, 304 durch eine dielektrische Schicht 307 getrennt ist. Jedes der Patchantennenelemente 303, 304 kann aus einem beliebigen metallischen Material, einschließlich Kupfer, ausgebildet sein. Magneto-dielektrische Abdeckplatten 305a, 305b decken die Patchantennenelemente 303, 304 jeweils ab.
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In eine andere Ausführungsform, und wie in 4 dargestellt, kann ein magneto-dielektrisches Material 405 als Einzelbogen ausgebildet sein, der zwischen den Antennen 303, 304 angeordnet ist. Die Größe und Dicke des magneto-dielektrischen Materials 405 kann entsprechend der jeweiligen Umsetzung variieren.
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In sowohl 3 als auch 4 sind die Patchantennenelemente 303, 304 auf der Oberseite der dielektrischen Schicht 307 dargestellt. Es ist offensichtlich, dass andere Anordnungen möglich sind, einschließlich beispielsweise des Einsenkens, ganz oder teilweise, der Patchantennenelemente 303, 304 in das dielektrische Material. In sowohl 3 als auch 4 wird die Groundplane 306 von einer zusätzlichen Schicht 308 getragen, die beispielsweise als steifes oder halbsteifes dielektrisches Material ausgebildet sein kann.
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5 zeigt einen beispielhaften Frequenzgang einer MIMO-Antenne, die wie in 3 aufgebaut ist und keine magneto-dielektrischen Abdeckplatten enthält. Die Kurven enthalten S11 (Element 502) und S22 (Element 504), die in Abhängigkeit von der Frequenz aufgezeichnet sind. In diesem Beispiel haben die Patchantennenelemente 303 und 304 eine Größe von 3,4 × 4,4 cm und die Groundplane weist die Abmessungen 4,6 × 8,8 cm auf und das dielektrische Material 307 hat eine Dicke von 0,5 mm mit einer realen und imaginären Dielektrizitätskonstante (ε‘ und ε‘‘) von 5,7 und 0,005 sowie einer realen und imaginären Permeabilität (µ‘ und µ‘‘) von 1,8 und 0,08. Die Tatsache, dass S11 und S22 nicht deckungsgleich sind, besagt, dass die Patches gekoppelt sind (d. h. ein Signal von einem wird von dem andern empfangen und erscheint in S11/S22).
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Im Gegensatz hierzu zeigt 6 einen beispielhaften Frequenzgang einer MIMO-Antenne, die wie in 3 aufgebaut ist, die keine magneto-dielektrische Abdeckplatten enthält. Die Kurven enthalten S11 (Element 602) und S22 (Element 604), die in Abhängigkeit von der Frequenz aufgezeichnet sind. In diesem Beispiel sind S11 und S22 übereinander angeordnet, was besagt, dass sie vollständig oder beinahe vollständig getrennt sind. In diesem Beispiel haben die Patchantennenelemente 303, 304, die Groundplane 306 und das dielektrische Material 307 dieselben Abmessungen und Eigenschaften wie oben und die magneto-dielektrischen Patches 305a, 305b haben eine reale und imaginäre Dielektrizitätskonstante (ε‘ und ε‘‘) von 9 und 0,015 sowie eine reale und imaginäre Permeabilität (µ‘ und µ‘‘) von 9 und 0,016.
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Im Vergleich von 5 und 6 ist eine leichte Verschiebung der Übertragungsfrequenz der Patchantennen zu erkennen. Dies lässt sich von einem Fachmann zur Anpassung an die jeweilige Situation einstellen.
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Es ist offensichtlich, dass alle in 1–4 dargestellten Vorrichtungen vereinfachte Blockdiagramme sind. Die mit diesen Zeichnungen verbundenen Lehren können bei allen Antennentypen angewendet werden. Jede dreidimensionale metallisierte dielektrische Antennenkonstruktion kann beispielsweise die hier offenbarten magneto-dielektrischen Trennelemente enthalten.
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Die Erfindung ist ferner anhand der folgenden Ausführungsformen näher erläutert.
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Ausführungsform 1. Eine Antennenanordnung, umfassend: eine dielektrische Schicht mit einer Oberseite und einer Unterseite; eine an der Unterseite der dielektrischen Schicht angeordnete Groundplane; zwei von der Oberseite der dielektrischen Schicht getragene und darauf angeordnete Antennenelemente; und ein zwischen den zwei Antennenelementen angeordnetes magneto-dielektrisches Material.
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Ausführungsform 2. Antennenanordnung nach Ausführungsform 1, wobei die Antennenelemente Stabantennen sind.
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Ausführungsform 3. Antennenanordnung nach Ausführungsform 2, wobei das magneto-dielektrische Material auf oder über der Oberseite angeordnet ist.
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Ausführungsform 4. Antennenanordnung nach Ausführungsform 2, wobei das magneto-dielektrische Material auf einem oder beiden der zwei Antennenelemente angeordnet ist.
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Ausführungsform 5. Antennenanordnung nach Ausführungsform 1, wobei die Antennenelemente Patchantennen sind.
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Ausführungsform 6. Antennenanordnung nach Ausführungsform 5, wobei das magneto-dielektrische Material auf oder über der Oberseite angeordnet ist.
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Ausführungsform 7. Antennenanordnung nach Ausführungsform 6, wobei das magneto-dielektrische Material auf einem oder beiden der zwei Antennenelemente angeordnet ist.
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Ausführungsform 8. Antennenanordnung nach Ausführungsform 6, wobei das magneto-dielektrische Material eines oder beide der zwei Antennenelemente bedeckt.
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Ausführungsform 9. Antennenanordnung nach einem oder mehreren der Ausführungsformen 1 bis 8, weiterhin umfassend: mindestens einen Anschluss für jedes der einen oder mehreren Antennenelemente.
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Ausführungsform 10. Antennenanordnung nach einem oder mehreren der Ausführungsformen 1 bis 9, weiterhin umfassend: eine dielektrische Trägerschicht, die die Groundplane trägt.
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Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass die verschiedenen Komponenten und Technologien bestimmte notwendige oder vorteilhafte Funktionen oder Merkmale bereitstellen können. Demgemäß sind diese Funktionen und Merkmale, die zur Unterstützung der anhängenden Ansprüche und Variationen davon erforderlich sind, als inhärenter Teil der vorliegenden Lehren eingeschlossen und als Teil der offenbarten Erfindung anerkannt.
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Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, für den Fachmann ist es jedoch offensichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Elemente davon durch gleichwertige Teile ersetzt werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Weiterhin ist es für den Fachmann offensichtlich, dass zahlreiche Modifikationen zur Anpassung eines bestimmten Instruments, einer bestimmten Situation oder eines bestimmten Materials an die erfindungsgemäßen Lehren ohne Abweichung vom grundsätzlichen Schutzumfang möglich sind. Daher ist nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die speziellen hier offenbarten Ausführungsformen, die als bevorzugte Ausführungsweise der Erfindung vorgesehen sind, zu beschränken, vielmehr umfasst die Erfindung alle in den Schutzumfang der anhängenden Ansprüche fallenden Ausführungsformen.
