DE4430832A1 - Mehrstrahlantenne, Sende-/Empfangseinrichtung und Betriebsverfahren dazu - Google Patents

Description

Einleitung

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zur gleichzeitigen Ausbildung mehrerer, vonein­ ander unabhängiger Richtstrahlen mit einer Lune­ burg-Linse in zylindrischer Form, einer Sende- /Empfangseinrichtung und ein geeignetes Be­ triebsverfahren zur optimierten Nutzung dieser Antennenanordnung.

Mehrstrahlantennen werden in der Funkerfassung und Funkortung eingesetzt sowie in der Funk­ kommunikation dann, wenn mehrere Funk­ strecken in unterschiedliche Richtungen entweder gleichzeitig betrieben werden sollen oder in einer raschen Folge, die für eine mechanische Drehung einer Antennenanordnung zu schnell wäre.

Gegenüber Funkeinrichtungen, die in mehrere Richtungen gleichzeitig kommunizieren, sparen Einrichtungen mit schneller zyklischer Umschal­ tung der Antennenrichtung Sende- und Emp­ fangsgerät, weil sie mit nur einem Paar Sender und Empfänger je Funkstelle auskommen.

Antennenanordnungen für diesen Zweck sind an und für sich bekannt in Form von beispielsweise mehreren Richtantennen, Phased Array Antennen [S. M. Sussmann: "A Survivable Network of Ground Relays for Tactical Data Communicati­ ons", IEEE Trans. Com., Vol. 28, No. 9, 1980, S. 1616-1624, DE 41 34 357] und scheibenför­ migen Luneburg-Linsen [EP 0 015 018].

Phased Array Antennen und Luneburg-Linsen benötigen wesentlich weniger Volumen und Auf­ bauplatz als eine Gruppe mehrerer Richtantennen gleichen Gewinns.

Phased Array Antennen bestehen aus einer Grup­ pe von Strahlern, die über Phasenschieber mit einem gemeinsamen Antennenanschluß verbun­ den sind.

Der Strahl der Phased Array Antenne wird durch geeignete Einstellung der Phasenschieber ge­ formt. Digitale Phasenschieber enthalten bei­ spielsweise 7 oder 8 Umwegleitungen und dop­ pelt so viele Umschalter und haben einen ent­ sprechenden Verlust. Ihre Ansteuerung erfordert Hard- und Software und eine schnelle Daten­ übertragung zwischen Antenne und Steuerrech­ ner.

Zum Ausgleich der Verluste der Phasenschieber ist der Einsatz von Vorverstärkern üblich, die im Sendefall überbrückt werden müssen. In Halb­ duplex-Anlagen, die zu einem bestimmten Zeit­ punkt entweder senden oder empfangen, lassen sich für die Überbrückung Halbleiterschalter verwenden, während für Vollduplex-Anlagen, die gleichzeitig senden und empfangen, Frequenz­ weichen oder Zirkulatoren eingesetzt werden müßten. Der Aufwand von Bauelementen mit über der Frequenz identischem Phasenübertra­ gungsverhalten ist jedoch sehr hoch.

Soll eine Phased Array Antenne mehrere Richt­ strahlen gleichzeitig erzeugen, müssen für jedes einzelne Antennenelement so viele Phasenschie­ ber vorhanden sein wie Richtungen.

Die Komplexität der Phased Array Antennen und die Vielzahl ihrer Bauelemente führt zu einem hohen Fertigungsaufwand und zu einer niedrigen Zuverlässigkeit. Die Notwendigkeit, enge Tole­ ranzen im Phasenübertragungsverhalten aller Bauelemente im Signalweg einhalten zu müssen, damit die Diagrammform auch bei Temperatur­ wechseln und Alterung erhalten bleibt, trägt zu diesem Fertigungsaufwand nicht unerheblich bei.

Luneburg-Linsen dagegen bestehen aus einem rotationssymmetrischen Körper, üblicherweise einer Kugel aus Schaumstoff wie Styropor, aber auch andere Stoffe sind denkbar wie beispiels­ weise Aerogel, wie in EP 0464 647 A2 beschrie­ ben. Das Material wird so zusammengesetzt, daß sein Brechungsindex vom Umfang auf den Ku­ gelmittelpunkt hin zunimmt gemäß der Beziehung

mit
ε: relative Dielektriziätskonstante,
R: Außenradius der Linse, und
r: Abstand des betrachteten Punk­ tes vom Mittelpunkt.

Bei diesem Verlauf der Dielektrizitätskonstanten fokussiert die Luneburg-Linse eine einfallende ebene Wellenfront auf denjenigen Punkt ihrer Oberfläche, der der Einfallsrichtung diametral gegenüber liegt. Modifizierte Verläufe der Die­ lektrizitätskonstante ergeben optimale Diagrammformen für Anordnungen, bei denen der Fokus nicht direkt auf der Oberfläche liegen soll, sondern in einem bestimmten Abstand dazu.

Infolge der Rotationssymmetrie der Kugel sind der vertikale und der horizontale Öffnungswinkel des Richtstrahls miteinander verkoppelt.

Bei der scheibenförmigen und damit flachen Lun­ eburg-Linse gemäß EP 0 015 018 ist der verti­ kale Öffnungswinkel naturgemäß wesentlich grö­ ßer als der horizontale.

Werden am Umfang der Kugel mehrere Strahler angeordnet, ergibt sich für jeden dieser Strahler eine Richtcharakteristik, so daß sich die Lune­ burg-Linse als Mehrstrahlantenne nutzen läßt.

Gegenüber einer Phased Array Antenne ist ein Richtungswechsel sehr viel einfacher, da nicht für viele Phasenschieber die jeweils richtige Stellung ermittelt und eingestellt werden muß, sondern indem einfach mit einem Umschalter der Sender oder Empfänger an den Strahler mit der ge­ wünschten Senderichtung geschaltet wird.

Da die Strahlformung im Schaumstoffkörper als einem einzigen Bauelement erfolgt, und da durch den Wegfall der Phasenschieber und der Redu­ zierung der Anzahl der Vorverstärker erhebliche Einsparungen an Bauelementen möglich werden und da keinerlei Anforderungen in bezug auf Phasengleichlauf der Bauelemente gestellt wer­ den, ist eine Mehrstrahlantenne in der Art einer Luneburg-Linse prinzipiell sehr viel einfacher und preiswerter herzustellen und ihre Elektronik ist grundsätzlich zuverlässiger.

Folgende problematische Eigenschaften der Lun­ eburg-Linse stehen einer weiten Verbreitung je­ doch entgegen:

• - die Identität des horizontalen und vertikalen Öffnungswinkels der sphärischen Luneburg- Linse entspricht selten den Verhältnissen im Mobilfunkbereich. Häufig ist hier eine An­ tenne besser, deren vertikaler Öffnungswinkel wesentlich schmaler ist als der horizontale. In unebenem Gelände kann es sogar besser sein, wenn verschiedene Azimutsektoren unter­ schiedliche vertikale Öffnungswinkel aufwei­ sen.
• - Die Ausleuchtung der Apertur ist ungleich­ mäßig, da die Randzonen der Linse überpro­ portional zur Strahlung beitragen. Dies führt zur unerwünschten Verstärkung der Neben­ keulen.
• - Eine sphärische oder scheibenförmige Lune­ burg-Linse gemäß EP 0 015 018 ist nur für die Spitzenposition auf einem Mast tauglich, die aber selten zur Verfügung steht.
• - Der Öffnungswinkel des Richtstrahls einer Luneburg-Linse ist proportional zur Wellen­ länge. Ist eine Luneburg-Linse mit mehreren Strahlern so bemessen, daß sich benachbarte Diagramme bei einer Frequenz bei den jewei­ ligen -3 dB Punkten überschneiden, so werden die Diagramme mit höherer Frequenz schma­ ler und die Einzüge zwischen ihnen tiefer, was zu einem Verlust der Kommunikation führen könnte.

Um den Empfänger einer Vollduplex-Funkein­ richtung vor dem starken Signal des Senders und vor seinem Seitenbandrauschen zu schützen, werden allgemein Frequenzweichen oder Zirku­ latoren eingesetzt. Die Dämpfung dieser Fre­ quenzweiche erhöht die Rauschzahl des Empfän­ gers, reduziert die abgestrahlte Leistung und damit den Systemgewinn. Muß die Funkeinrich­ tung in der Lage sein, je nach Gegenstelle die Frequenzbandzuordnung von Empfänger und Sender austauschen zu können, kommt als weite­ rer Nachteil die Notwendigkeit verlustbehafteter Umschalter hinzu.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Mehrstrahlantenne aufzuzeigen, die mit geringem Aufwand realisiert werden kann und die eben genannten Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der Lune­ burg-Linse laut Oberbegriff des Hauptanspruchs durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Beschreibung

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Luneburg- Linse, deren Form weder eine Kugel, noch eine Scheibe, sondern ein Zylinder ist, der mindestens eine halbe bis viele Wellenlängen hoch ist, wobei der Strahler die Strahlungscharakteristik einer Gruppenantenne aus mindestens zwei vertikal gestockten Erregern hat.

Zur Mehrstrahlantenne wird diese zylindrische Luneburg-Linse, indem mehrere Gruppenanten­ nen spaltenweise nebeneinander angeordnet wer­ den, so daß jede einen eigenen Richtstrahl er­ zeugt.

Der horizontale Öffnungswinkel dieser Lune­ burg-Linse ergibt sich weiterhin aus dem Ver­ hältnis zwischen Durchmesser und Wellenlänge der vertikale Öffnungswinkel jedoch hängt vom Verhältnis der Wellenlänge zur Höhe der Linse ab, die sich nun je nach Aufgabenstellung wählen läßt.

Die beiden Öffnungswinkel können durch die Formgebung des Zylinders nun unabhängig von­ einander so gewählt werden, wie es der Aufga­ benstellung entspricht. Durch eine je nach Azi­ mutsektor unterschiedliche Wahl der Höhe der erregenden Gruppenantenne wird es sogar mög­ lich, jedem Azimutsektor einen eigenen vertikalen Öffnungswinkel zuzuordnen und die Strahlungs­ charakteristik der Antenne der Umgebung noch besser anzupassen.

Durch eine Neigung der erregenden Gruppenan­ tenne gegenüber der Senkrechten oder eine ge­ wollte Phasenverschiebung zwischen den ein­ zelnen Elementen läßt sich sogar die vertikale Abstrahlrichtung von Azimutsektor zu Azimut­ sektor ändern, wobei jedoch zu beachten ist, daß sich die horizontale Charakteristik verschlechtert, wenn sich ein Strahler zu weit außerhalb des Fokus befindet.

Der überdurchschnittliche Beitrag der Randzo­ nen der Luneburg-Linse zur Strahlformung, der zur erhöhten Ausbildung von Nebenzipfeln führt, läßt sich durch die Verwendung einer Richtan­ tenne als Strahler minimieren, die den Rand des Zylinders weniger stark ausleuchtet als den Kern.

Dies läßt sich alternativ oder zusätzlich auch erreichen, indem das Material für die Luneburg- Linse so gewählt wird, daß sein Verlustfaktor nach außen hin nicht abnimmt, so daß derjenige Teil der Welle, der die Linse geradlinig durch den Mittelpunkt durchquert, weniger gedämpft wird als ein anderer Teil der Welle, dessen Weg näher am Umfang verläuft.

Im breitbandigen Betrieb läßt sich die Abnahme des horizontalen Öffnungswinkels mit der Wel­ lenlänge vermeiden durch die Wahl eines Strah­ lers, dessen horizontaler Öffnungswinkel propor­ tional zur Wellenlänge abnimmt, wie beispiels­ weise ein Ganzwellen-Breitbanddipol. Dann wird der Sektor, den der Strahler ausleuchtet, mit abnehmender Wellenlänge schmaler, was den mit der Frequenz zunehmenden Gewinn der Lun­ eburg-Linse in erster Näherung kompensiert.

Weil der Ausbreitungsweg der Wellenfronten ungehindert und frei sein muß von reflektierenden Objekten wie beispielsweise Gruppenantennen oder Zuleitungen, kann eine einzelne Mehrstrahlantenne dieser Art daher nur einen Teil des Azimuts abdecken, indem bei­ spielsweise 90° oder 120° ihres Umfangs mit Erregern belegt und 270° bzw. 240° als Aus­ trittsfenster frei sind.

Für die Abdeckung des Vollkreises werden daher mehrere zylindrische Luneburg-Linsen benötigt.

Seitlich an einem Mast oder Gebäude sind eher Positionen zur Montage von Antennen zu finden als auf dem Mast. Mit mehreren zylindrischen Luneburg-Linsen, die jeweils nur einen Teil des Azimuts abdecken, ist dies leicht möglich.

Gleichzeitig wird eine räumliche Trennung der drei oder vier Luneburg-Linsen möglich, die zu­ sammen einen Vollkreis abdecken, so daß die Entkopplung der Antennen gesteigert werden kann.

Ist die Entkopplung genügend groß, und werden Sende und Empfangsrichtung jeweils so gewählt, daß Sender und Empfänger immer auf unter­ schiedliche Luneburg-Linsen geschaltet sind, läßt sich die Frequenzweiche zum Schutz des Emp­ fängers und damit ihre Dämpfung einsparen.

Ein weiterer Vorteil ist, daß die Zuordnung von Sender und Empfänger auf unterschiedliche Fre­ quenzbänder nicht mehr von der Frequenzweiche festgelegt wird, sondern allein durch die Fre­ quenzabstimmung, was bei entsprechend schnel­ len Synthesizern in einer vernachlässigbaren Zeit erfolgen kann.

Diese Flexibilität der Zuordnung von Frequenz­ bändern für Sendung und Empfang erleichtert die Planung, Installation und Änderung eines Funk­ netzes, da eine neu in das Funknetz hinzukom­ mende Funkstelle sich bei jeder Richtungsschal­ tung auf die Frequenzlage der jeweiligen Gegen­ station einstellen kann.

Kann die Koppeldämpfung zwischen Luneburg- Linsen, die gerade auf den Sendung und Empfän­ ger geschaltet sind, durch räumlichen Abstand oder Dämpfungs- oder Kompensationsmaßnah­ men sogar größer als die Ausbreitungsdämpfung zuzüglich des notwendigen Störabstandes ge­ macht werden, dann wird sogar gleichfrequenter Sende- und Empfangsbetrieb denkbar und damit eine bessere Ausnutzung des Spektrums.

Wird ein höherer Datendurchsatz im Funknetz erforderlich ohne Erhöhung der Bandbreite, in­ dem jede Funkeinrichtung in mehrere Richtungen gleichzeitig unterschiedliche Signale sendet, dann läßt sich dies mit einer Antennenanordnung der beschriebenen Art wesentlich leichter erreichen als mit Phased Array Antennen, indem einerseits eine Matrix verwendet wird, die die Strahler der Luneburg-Linsen mit jeweils einem von mehreren Sendern und Empfängern verbindet, und anderer­ seits zur Minimierung gegenseitiger Störungen momentane Sende- und Empfangsrichtungen aller Sender und Empfänger so gewählt werden, daß die Strahler einer Mehrstrahlantenne entweder nur mit Sendern oder nur mit Empfängern ver­ bunden sind.

Zur Abwicklung des Funkverkehrs treten die verschiedenen Funkeinrichtungen miteinander in Kontakt, wie bereits in DE 43 08 254.8 be­ schrieben, wobei sie einen gemeinsamen Funkka­ nals als Anrufkanal verwenden und ihre Sende- und Empfangsrichtungen winkelsynchron rotieren bzw. von Sektor zu Sektor springen lassen, wobei die Sende- der Empfangsrichtung um 180° nacheilt. Diese Synchronisation der Antennenro­ tation, die mit Hilfe eines externen Zeitreferenz­ signals und eines Zeitzeichenempfängers leicht eingehalten werden kann, und die Differenz von 180° stellen sicher, daß in dem Moment, in dem eine Sendeantenne auf eine andere Station ausge­ richtet ist, auch deren Empfangsantenne auf die sendende Station gerichtet sein wird, so daß jeder Anruf innerhalb eines Antennenumlaufs detektiert wird.

Gleichzeitig verlängert der 180°-Versatz in Ver­ bindung mit der Synchronisation die Wege für unerwünschte Einkopplungen zwischen benach­ barten Stationen. Erlaubt die Entkopplung der Antennen gleichzeitigen Sende- und Empfangsbe­ trieb, können die Stationen gleichzeitig rufen und Anrufe registrieren, andernfalls ist es günstig, wenn die Stationen jeweils in dem Zeitraum, in dem Sende- und Empfangsantennen aufeinander ausgerichtet sind, mehrfach zwischen Sendung und Empfang umschalten. Eine Umschaltung in einer individuellen zufälligen Folge stellt sicher, daß innerhalb eines kurzen Zeitraums die angeru­ fene Station auf Empfang und den Anruf regi­ striert.

Die Verwendung von Richtantennen für Sender und Empfänger reduziert sowohl die Abstrahlung von Energie in unerwünschte Richtungen als auch die Einstrahlung aus unerwünschten Rich­ tungen und reduziert für einen Funkdienst den für einen bestimmten Informationsfluß benötigten Bandbreitebedarf, während die Synchronisation der Antennenrotation in Verbindung mit dem 180°-Versatz zwischen Sende- und Empfangs­ richtung die Verbindungsaufnahme gegenüber einem Verfahren beschleunigt, bei dem eine Sta­ tion solange ruft, bis die angerufene Station ihre Empfangsrichtantenne ohne Synchronisation und eher zufällig in die Richtung der rufenden Station ausrichtet.

Eine strenge Einhaltung sowohl des 180°-Versat­ zes als auch der Synchronisation begrenzt jedoch den Informationsfluß zwischen jedem Paar von Stationen.

Der Informationsfluß zwischen zwei Stationen läßt sich jedoch unter Beibehaltung der bisher genannten Vorteile steigern, indem diese Statio­ nen nach Verbindungsaufnahme verabreden, ihre Sendungen vor der Sollzeit zu beginnen, die durch die strenge Einhaltung der durch die Syn­ chronisation definierten rotierenden Sollrichtung gegeben ist, länger auszudehnen oder innerhalb eines Antennenumlaufs wiederholt aufzunehmen. Die dadurch entstehende Abweichung der Sende- und Empfangsrichtung von der Sollrichtung darf beliebig groß sein, so weit die Störungen einer Station auf sich, auf und durch andere tolerierbar sind.

Dies ermöglicht einer Station auch, mit zwei im selben Azimut, aber hintereinander liegenden Stationen getrennt zu kommunizieren, indem sie mit beiden Stationen nebeneinander liegende Perioden für die Kommunikation vereinbart.

Es sind Funknetze mit intelligenten Relaisstatio­ nen bekannt, die die Route einer Nachricht von der Quelle zur Senke automatisch wählen und dabei so optimieren, daß die Zahl der benutzten Relaisstationen minimal ist.

Weniger optimal ist dies für Funknetze, die In­ formationen übermitteln, die zeitkritisch sind und darüber hinaus mit fortschreitender Zeit an Infor­ mationswert verlieren, weil zum Beispiel eine aktualisierte Fassung wertvoller ist als eine veral­ tete Fassung.

Auch die Anwendung der seit alter Zeit bekann­ ten Priorisierung von Informationen hilft hier nicht weiter, weil die Nachrichtenquelle allen Fassungen dieselbe Priorität geben wird.

Eine bessere Alternative ist es hier, wenn die Informationspakete von der Quelle mit einer gewünschten Eintreffzeit und einer Verfallszeit gekennzeichnet werden, so daß die Relaisstellen anhand dieser Informationen

• - nicht den kürzesten Weg als optimal wäh­ len, sondern den, bei dem die Information mit hinreichender Wahrscheinlichkeit recht­ zeitig ankommen wird,
• - zur Reduzierung der Netzlast veraltete Infor­ mationspakete löschen können.

Dazu ist es ferner nützlich, wenn die einzelnen Stationen die Zuverlässigkeit und die Durchlauf­ zeit ihrer Verbindungen ermitteln und den ande­ ren Stationen im Netz zur Eintragung in die Routingtabelle mitteilen.

Anstelle einer Verfallszeit ist es auch denk­ bar, Termine zu nennen, zu denen die Eintreffzeit verlängert wird. Dies hat den Vorteil, daß alle Informationspakete irgendwann ankommen wer­ den, bei Netzüberlastung die Dringlichsten jedoch zuerst, die bereits veralteten später.

Es ist bekannt, für die Wahl der Route eines Informationspakets in jeder Station Routing-Ta­ bellen einzurichten, die alle Stationen des Netzes aufführen und für jede beliebige Senke alle alter­ nativen Routen mit allen jeweiligen Relaisstellen vermerken.

Zur Aktualisierung dieser Routentabellen muß jede Neueinrichtung oder Auflösung einer Ver­ bindung allen anderen Stationen mitgeteilt wer­ den, was zu einem nicht unerheblichen Datenaus­ tausch im Netz führen kann. Insbesondere in Netzen zwischen mobilen Stationen, dessen To­ pologie sich schnell ändert, kann dies zu einer unerwünschten Netzbelastung führen.

Eine Lösung besteht darin, die Routingtabellen nach geographischen Gesichtspunkten in eine begrenzte Zahl von Zielräumen zu unterteilen, wobei die Ausdehnung weiter entfernter Ziel­ räume weiter ist als die von nahen Zielräumen und daß für jeden Zielraum nur eine eng be­ grenzte Anzahl von Alternativen, vielleicht zwei oder drei, aufgezählt ist. Dazu wird für jede be­ kannte Station deren Ort angegeben, so daß bei einer Routenwahl anhand der gewünschten Senke zunächst der Zielraum und dann die nächste Re­ laisstelle bestimmt wird. Mit der Kennzeichnung von Informationspaketen mit Eintreff- und Ver­ fallszeit läßt sich der Informationsfluß im Funk­ netz weiter optimieren, wenn Stationen anderen Stationen ihre Auslastung für bestimmte Rich­ tungen zur Eintragung in die Routingtabellen mitteilen und daß eine Station bei der Wahl einer Route für eine weniger dringliche Information nach Möglichkeit eine Route über eine weniger ausgelastete Station wählt.

Zur Erhöhung des Informationsflusses wäre es auch denkbar, die Sendefrequenz je nach ge­ wünschter Reichweite in einen dämpfungsarmen Teil des elektromagnetischen Spektrums zu legen, z. B. bei 45 GHz, und für geringere Reichweiten in einen dämpfungsreichen Teil des Spektrums, z. B. bei 60 GHz, wo eine Dämpfung von allen ca. 15 dB/km durch Absorption auftritt.

Für portable Stationen wären Richtantennen kaum praktikabel, weil das für eine Richtwirkung benötigte Antennenvolumen die Portabilität be­ hinderte.

Bei gleicher Signalmodulation wird die Reich­ weite einer portablen Station daher geringer sein als die einer Station mit Richtantennen.

Bei ungenügender Reichweite ist es daher vorteil­ haft, die Sendung zu oder von einer portablen Station mit mehr Redundanz zu kodieren und dem Empfänger die Möglichkeit zu geben, diese Redundanz zur Steigerung der Empfindlichkeit zu verwenden. Erreichen ließe sich dies bei­ spielsweise durch eine niedrigere Datenrate, ver­ bunden mit einer Verlängerung der Übertra­ gungsdauer.

Während eine Station mit Richtantennen, die auf einem erhöhten Punkt steht, weit entfernte Statio­ nen mit Richtantennen direkt ansprechen kann, ohne seitwärts von der Verbindungslinie liegende nähere Stationen zu stören, und dadurch eine große Wahlfreiheit für die Routenwahl genießt, wird dies für eine portable Station nicht gelten. Wahrscheinlich wird für sie eine Zahl möglicher nächster Relaisstellen von etwa 6 ausreichend sein, so daß ihre Routingtabelle erheblich einfa­ cher wird, insbesondere, da die nächstgelegene Station über eine umfangreichere Routingtabelle verfügt.

Infolge der fehlenden Richtwirkung portabler Stationen sind sowohl ihre Störwirkung als auch ihre Störempfindlichkeit höher. Andere Stationen mit Richtantennen müßten darauf Rücksicht nehmen, was sie zwänge, die zulässige Abweichung zwischen Soll- und Istrichtung für Sende und Empfangsantennen zu reduzieren, was den Informationsfluß begrenzt.

Um dies zu vermeiden ist es sinnvoll, Verbindun­ gen zwischen Stationen mit Richtantennen und Verbindungen zu portablen Stationen zwar mit demselben Gerät, aber auf unterschiedlichen Funkkanälen abzuwickeln, so daß die Stationen mit Richtantennen auf portable Stationen keine Rücksicht mehr nehmen müssen.

Zum Verbindungsaufbau einer portablen Station zu einer Station mit Richtantennen an einem unbekannten Standort wäre es möglich, die por­ table Station solange rufen zu lassen, bis die Richtempfangsantenne der angerufenen Station mindestens einmal umgelaufen ist.

Da für den erstmaligen Aufbau einer Verbindung zwischen einer portablen und einer Station mit Richtantennen eine größere Zeitperiode vertretbar ist als die, die zwischen aufeinanderfolgenden Informationspaketen des Informationsflusses tolerierbar ist, läßt sich die Belastung der Batte­ rie reduzieren, indem die Station mit Richtanten­ nen von Zeit zu Zeit, vielleicht alle paar Sekun­ den, ihre Sendeantenne alle relevanten Azimut­ sektoren abtasten läßt und dabei portable Statio­ nen zur Antwort aufruft. Die portablen Stationen vergleichen unmittelbar aufeinanderfolgende Auf­ rufe, z. B. nach ihrer Amplitude, und antworten, sofern der Aufruf nichts anderes vorgibt, nach genau einer halben Umlaufperiode nach dem Aufruf mit der höchsten Empfangsqualität in genau dem Moment, in dem die Richtempfangs­ antenne der aufrufenden Station optimal auf die portable Station ausgerichtet ist.

In diesem Fall kommt die Verbindung auch dann zustande, wenn der direkte Ausbreitungspfad behindert und der mit geringster Dämpfung Reflexionen mit einschließt, wie es in bebauten Gebieten sehr wahrscheinlich ist.

Eine portable Station kann durchaus mit mehre­ ren Stationen mit Richtantennen in ihrer Umge­ bung in Verbindung stehen, sofern sich diese in unterschiedlichen Azimuten befinden, da Sende- und Empfangszeiten unterschiedlich sind. Auf diese Art und Weise kann auch eine portable Station als Relaisstation bis zu den Grenzen ihrer Speicherfähigkeit verwendet werden.

Die hier für portable Stationen mit omnidirektio­ nalen Antennen angeführten Überlegungen gelten in geringerem Maße auch für Stationen, die An­ tennen mit einer Richtwirkung benutzen, die größer als die der portablen Stationen ist, aber kleiner als die der hier angeführten Stationen mit hoher Richtwirkung.

Je höher die Richtwirkung der Antennen einer Station, desto nützlicher wird die Synchronisation der Antennenabtastung.

Insgesamt zeigt sich, daß eine Mehrstrahlantenne nach Art der Luneburg-Linse einfacher ist und daß aufgrund der Einfachheit eine höhere Zuver­ lässigkeit ihre Elektronik zu erwarten sein wird im Vergleich zu Phased Array Antennen oder Gruppenantennen mit vergleichbaren Strahlfor­ mungsnetzwerken, insbesondere, wenn die An­ tennenanordnung mehrere Signale gleichzeitig abstrahlen oder empfangen soll.

Es zeigt sich ferner, daß wichtige Probleme be­ kannter Antennenanordnungen mit Luneburg- Linsen durch geeignete Maßnahmen wie die zy­ lindrische Form in Verbindung mit einem ge­ stockten Strahler bewältigt werden können, so daß die beschriebene Antennenanordnung eine einfache und preiswerte Alternative zu Phased Array Antennen darstellt.

Detaillierte Beschreibung

Fig. 1 zeigt die charakteristische Antennenanord­ nung, die aus einer zylindrischen Luneburg- Linse 1 mit einer vertikalen Rotationsachse 2, einer aus Einzelstrahlern 7 bestehende Strahler­ gruppe 6, die entlang einer Mantellinie 3 auf dem Umfang der zylindrischen Luneburg-Linse 1 montiert ist.

Diese Antennenanordnung erzeugt eine Richt­ keule mit der horizontalen Bündelung 4 und der vertikalen Bündelung 5.

Fig. 2 veranschaulicht das Wirkungsprinzip der im Querschnitt gezeigten zylindrischen Lune­ burg-Linse 1. Die zunehmende Grautönung in Richtung Mitte verdeutlicht den Brechungsindex. Die am Umfang montierten Strahlergruppen 6 erzeugen je eine Richtkeule. Die einfallende Wellenfront 8 tritt in die zylindrische Luneburg- Linse 1 ein und wird durch den zunehmenden Brechungsindex Richtung Zentrum gerade so weit gebeugt, daß sich ein Fokus am entgegenge­ setzten Ende der Luneburg-Linse 1 ergibt.

Fig. 3 zeigt als Ergänzung zur Fig. 1 eine zylin­ drische Luneburg-Linse 1 mit geringerer Höhe, was dazu führt, daß die horizontale Bündelung 4a dieser Linse der der Linse von Fig. 1 entspricht, während die vertikale Bündelung 5a einen größe­ ren Öffnungswinkel aufweist.

In Fig. 4 ist der Effekt einer Richtantenne als Strahler 6 gezeigt, deren horizontaler Öffnungs­ winkel in etwa proportional zur Wellenlänge ist. Bei einer tiefen Frequenz zeigt der Strahler 6 den großen Öffnungswinkel 9, der die Luneburg- Linse 1 über einen großen Querschnitt ausleuch­ tet, was zu einer hohen Apertur 11 führt, die mit einer hohen Bündelung einhergeht.

Bei kürzeren Wellenlängen ergibt sich der Öff­ nungswinkel 10, der zur kleineren Apertur 12 führt, die in Verbindung mit der kürzeren Wel­ lenlänge wiederum eine ähnliche Bündelung er­ gibt.

Aus Fig. 2 wird deutlich, daß die einem Strah­ ler 6 gegenüberliegende Seite frei von Hindernis­ sen sein muß, und zwar über die Breite der Aper­ tur 11 bzw. 12.

Zur Abdeckung eines vollen Azimuts von 360 werden daher mehrere zylindrische Luneburg- Linsen 1 benötigt, wie in Fig. 5 im Querschnitt und in Fig. 6 in der Ansicht gezeigt. Alternativ können die Luneburg-Linsen 1 auch übereinander gestapelt werden.

Sind die Luneburg-Linsen 1 in unmittelbarer Nähe, so wie in Fig. 6 gezeigt, dann erfordert die Kopplung zwischen sendenden und empfangen­ den Strahlern eine Frequenzweiche oder andere Maßnahmen zur Entkopplung des Empfängers vom Sender.

Fig. 7 zeigt, wie sich die Kopplung zwischen Sende- und Empfangsantennen minimieren läßt, indem die Luneburg-Linsen 1 seitlich am Turm 16 befestigt und zudem mit schirmenden und dämpfenden Platten 17 entkoppelt werden.

Fig. 8 schließlich stellt das Blockschaltbild der hier wesentlichen Teile einer Funkeinrichtung mit zylindrischen Luneburg-Linsen 1 dar.

Diese zylindrischen Luneburg-Linsen 1 sind mit Matrizen 21 verbunden. Diese Matrizen 21 ver­ binden einen der Strahler 6 wahlweise mit einem Antennenvorverstärker 22 oder über einen Schalter 24 an den Sender 26. Die Signale der Antennenvorverstärker werden über einen Schal­ ter 23 an den Empfänger 25 geführt.

Empfänger 25 und Sender 26 sind mit einer Spei­ chervermittlung 27 verbunden, die ankommende Nachrichten speichert, zu neuen Nachrichten an eine weitere Funk- oder über die Anschlußleitun­ gen 31 an andere Kommunikationseinrichtung zusammenfaßt und im passenden Moment über den Sender 26 wieder abgestrahlt.

Eine Steuereinheit 28 steuert diesen Prozeß. Sie verfügt dazu sowohl über einen Speicher 29 mit den Orts- und Richtungsangaben zu den anderen bekannten, erreichbaren Funkeinrichtungen, so­ wie einen Normalzeitempfänger 30.

Die vom Normalzeitempfänger 30 gelieferte ge­ naue Zeit dient zur Synchronisation der Funk­ einrichtungen und insbesondere für einen ra­ schestmöglichem Aufbau und Wiederaufbau einer Funkverbindung.

Dazu lassen alle Funkeinrichtungen, die die Ver­ bindung verloren haben, ihre Sende- und Emp­ fangsrichtungen winkelsynchron rotieren, wie in Fig. 7 angedeutet. Senderichtung 19 und Emp­ fangsrichtung 18 rotieren gemeinsam, wobei die Senderichtung 19 der Empfangsrichtung 18 um 180° hinterher eilt.

Dies stellt sicher, daß in genau dem Moment, in dem die Sendeantenne einer Funkeinrichtung auf eine andere Funkeinrichtung zeigt, deren Emp­ fangsantenne optimal ausgerichtet sein wird.

Nach Aufnahme der Verbindung können die Funkeinrichtungen ihre Richtungen so schalten, wie es zum Erzielen eines hohen Informations­ flusses nützlich und zur Vermeidung gegenseiti­ ger Störungen möglich ist.

Fig. 9 zeigt den nun wesentlichen Teil eines Blockschaltbilds für eine Funkeinrichtung der beschriebenen Art, wobei hier ein Moment ge­ zeigt ist, in dem zwei Luneburg-Linsen 1 aus zwei verschiedenen Richtungen 32 empfangen, während die Sender 26 über eine Luneburg- Linse 1 in zwei Richtungen 33 gleichzeitig strah­ len.

In dieser Funkeinrichtung sind die Matrizen 21a komplizierter als die Matrizen 21, da die Matri­ zen 21a bis zu zwei Strahler 6 entweder über die Vorverstärker 22 und die Schalter 23a mit den Empfängern 25 oder mit bis zu Sender 26 über die Schalter 24a verbinden.

Zur Minimierung der gegenseitigen Störungen muß die hier nicht gezeigte Steuereinrichtung 28 dafür sorgen, daß immer über unterschiedliche Luneburg-Linsen 1 empfangen und gesendet wird.

Fig. 10 schließlich zeigt eine Vision für Funkein­ richtungen der beschriebenen Art, die sich sowohl für die Versorgung großer Gebiete mit Telekom­ munikationsdiensten wie auch für den Weitver­ kehr eignet. Funkeinrichtungen der beschriebenen Art werden vorzugsweise auf hochgelegenen Punkten mit hoher Reichweite aufgebaut, bei­ spielsweise auf Fernsehtürmen 34. Sie sind un­ tereinander über die Funkstrecken 36 verbunden und zugleich mit Teilnehmeranschlußstellen 35 über die Funkstrecken 37.

Über die Funkstrecken 37 vermitteln die Funk­ einrichtungen Nachrichtenaustausch zwischen den Teilnehmeranschlußstellen 35 im selben Be­ reich, und über die Funkstrecken 36 zu Teilneh­ mern in den Bereichen anderer Funkeinrichtun­ gen.

Die Teilnehmeranschlußstellen 35 können mit einer einfachen Richtantenne oder, wenn gegen­ seitige Störungen ausgeschlossen sind, sogar mit omnidirektionalen Antenne ausgestattet sein.

Fig. 11 veranschaulicht den drehenden Vektor 38, der die Sollrichtung für Sendung und Empfang darstellt. Die aktuelle Senderichtung 41 und die aktuelle Empfangsrichtung 42 können von dem drehenden Vektor 38 abweichen zur Erhöhung des Informationsflusses zu bestimmten Stationen, solange die Abweichung im Toleranzbereich 39 für die Senderichtung und im Toleranzbereich 40 für die Empfangsrichtung bleiben, wobei sich die Toleranzbereiche aus dem Maß der Störungen der Funkeinrichtung auf sich selber, auf andere Funkeinrichtungen und durch andere Funkein­ richtungen ergibt. Die Toleranzbereiche können sich durchaus mit der Zeit und über den Azimut je nach Störwirkung verändern.

Fig. 12 zeigt drei Funkstationen mit Richtanten­ nen 34 sowie eine Funkeinrichtung mit omnidi­ rektionaler Antenne 43, die gestört werden könn­ te, wenn beide Funkstationen 34 ihren Toleranz­ bereich für die Sendung 39 ausnutzen wollten.

Dies könnte eine Reduzierung des Informations­ flusses bedeuten, die sich vermeiden läßt, wenn für die Verbindungen 36 und 37 unterschiedliche Funkkanäle gewählt werden.

Fig. 13 stellt die Abfolge des Verbindungsauf­ baus zwischen einer Funkeinrichtung mit Richt­ antennen 34 und Funkeinrichtungen mit Antennen geringeren bis gar keinen Gewinns 35.

Das Diagramm zeigt sowohl die Empfangsquali­ tät 44 der einzelnen Aufforderungen zur Antwort, die die Funkeinrichtung mit den geringer bün­ delnden Antennen 35 erhält und die sich je nach Ausbreitungsbedingungen unterscheiden.

Die Strecke 46 entspricht dabei genau einer halben Umlaufperiode, mit der die Funkeinrich­ tung mit der geringer bündelnden Antenne 35 auf die beste Aufforderung zur Antwort 44 antwortet, um genau in dem Moment ihre Ant­ wort 45 zu senden, in dem die hochbündelnde Richtempfangsantenne der Funkeinrichtung 34 in die Richtung zeigt, in die die Sendeantenne im Moment bester Verbindung gezeigt hat.

Die Funkeinrichtung mit geringer bündelnder Antenne kann auch Teil eines abgesetzten, unbe­ dienten Sensors sein, beispielsweise zur Erfas­ sung von Umweltdaten, der Folgesendungen im­ mer genau nach einer vollen Umlaufperiode sen­ det. Auf diese Art und Weise braucht die Funk­ einrichtung 34 nur selten zu senden und die Bat­ terien des Sensors werden geschont, weil die Sendeleistung infolge des Antennengewinns der Empfangsantenne der Funkeinrichtung 34 gering sein kann.

Die Fähigkeit der beschriebenen Funkeinrichtung, mit mehreren anderen Funkeinrichtungen dersel­ ben Art Nachrichten austauschen zu können, wobei die Anzahl der Nachbarstationen unab­ hängig von der Geräteausstattung ist, ergibt eine hohe Flexibilität, eine leichte Erweiterbarkeit des Funknetzes und ermöglicht einen hohen Grad der Vermaschung und damit eine hohe Sicherheit vor Ausfällen ergibt.

Infolge der Einfachheit der zylindrischen Lune­ burg-Linse 1 lassen sich solch komplexe Funk­ systeme mit verhältnismäßig geringem Aufwand realisieren.

Claims (18)

1. Antennenanordnung nach Art der Luneburg- Linse, gekennzeichnet durch einen Strahler mit der Strahlungscharakteristik einer Grup­ penantenne aus in der Höhe gestockten Ein­ zelantennen und einer zylindrische Form der Linse, wobei der Zylinder mindestens so hoch ist wie der Strahler.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß als Strahler eine Antenne gewählt wird, deren horizontaler Öffnungswinkel proportional zur Wellenlän­ ge abnimmt und somit den ebenfalls propor­ tional zur Wellenlänge abnehmenden Öff­ nungswinkel der Luneburg-Linse kompen­ siert.

3. Luneburg-Linse, gekennzeichnet durch einen Verlauf des Verlustfaktors, der Wel­ len, die die Linse durch den Mittelpunkt durchqueren, in gleicher Höhe oder weniger bedämpft als Wellen, die sich entlang der Peripherie ausbreiten.

4. Antennenanordnung nach einem der vorge­ nannten Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere Gruppenantennen in einem Sektor um den Umfang des Zylinders ne­ beneinander derart angeordnet sind, daß ihre Richtstrahlen gemeinsam einen Azimutsek­ tor abdecken.

5. Antennenanordnung nach einem der vorge­ nannten Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die elektrisch wirksame vertikale Ausdehnung der Gruppenantennen unab­ hängig voneinander einstellbar ist, so daß der vertikale Öffnungswinkel von Azimut­ sektor zu Azimutsektor optimierbar ist.

6. Antennenanordnung nach einem der vorge­ nannten Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gruppenantennen einzeln ge­ genüber der Vertikalen zur Einstellung eines vertikalen Abstrahlwinkels geneigt werden können.

7. Antennenanordnung nach Anspruch 4 oder 5 für eine Funkeinrichtung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Strahler über eine Matrix wahlweise an einen von mehreren Sendern oder Empfängern schaltbar ist.

8. Anordnung mehrerer Antennen nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Antennen um einen Mast oder ein anderes Ausbreitungshinder­ nis so angeordnet sind, daß sie gemeinsam den vollen Azimut abdecken.

9. Funkeinrichtung mit einer Anordnung meh­ rerer Antennen nach einem der vorgenannten Ansprüche und mindestens einem Paar Sen­ der und Empfänger, dadurch gekennzeich­ net, daß der räumliche Abstand zwischen einzelnen, jeweils einen Sektor abdeckenden und entgegengesetzte Richtungen abdecken­ de Luneburg-Antennen so groß gewählt oder durch andere Maßnahmen die Entkopplung zwischen Antennen, deren Sende- und Emp­ fangswinkel gegeneinander um mehr als 120 differiert, so gesteigert wird, daß sie eine für gleichzeitigen Empfangs- und Sen­ debetrieb in unterschiedlichen Frequenzbän­ dern sonst erforderliche Frequenzweiche er­ übrigt.

10. Anordnung mehrerer Antennen nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der räumliche Abstand zwischen einer Sende- und einer Empfangs­ antenne oder die Behinderung unerwünschter Kopplungen durch andere Maßnahmen so groß gewählt wird, daß die Entkopplung größer ist als die Ausbreitungsdämpfung zu­ züglich Störabstand, so daß ein gleichzeiti­ ger Sende- und Empfangsbetrieb mit unter­ schiedlichen Sende- und Empfangsrichtun­ gen auf einer gemeinsamen Frequenz mög­ lich wird.

11. Funksystem mit Funkeinrichtungen nach einem der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß bereits mitein­ ander in Verbindung stehende Funkstellen vereinbaren, ihre Kommunikation vor der durch den Azimut zwischen beiden Stationen und der Synchronisation definierten Periode beginnen und später beenden oder sogar er­ neut aufzunehmen, sofern die Störwirkungen der einer Station auf sich selbst, auf andere oder durch andere tolerierbar bleiben.

12. Funksystem mit Funkeinrichtungen nach einem der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß für Weitbe­ reichsverbindungen Frequenzen im dämp­ fungsarmen, und für Nahbereichsverbindun­ gen Frequenzen im dämpfungsreichen Teil des elektromagnetischen Spektrums gewählt werden.

13. Funksystem mit Funkeinrichtungen nach einem der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß in den Funkein­ richtungen Routing-Tabellen vorhanden sind, die nach geographischen Gesichtspunk­ ten in Zielräume unterteilt sind, deren Aus­ dehnung mit zunehmender Entfernung grö­ ßer wird, daß zu jeder bekannten Zielstation der entsprechende Zielraum verzeichnet ist und daß zu jedem Zielraum nur eine be­ grenzte Anzahl bevorzugter alternativer Re­ laisstellen verzeichnet ist und daß eine Funkeinrichtung zur Routingwahl anhand des Zielraums einer Zielstation die vorzugs­ weise in Frage kommenden nächsten Re­ laisstellen bestimmt.

14. Funksystem mit Funkeinrichtungen nach einem der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß in den Routing- Tabellen der Auslastungsgrad von Funkein­ richtungen für bestimmte Richtungen ver­ zeichnet ist und daß sich die Funkeinrich­ tungen bei der Wahl einer Route im Zwei­ felsfalle die weniger ausgelastete Route ent­ scheiden.

15. Funksystem mit Funkeinrichtungen nach einem der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß Informations­ pakete mit gewünschter Eintreffzeit und Verfallszeit gekennzeichnet werden, die ein­ zelnen Stationen die Route eines Informati­ onspakets nach der verbleibenden Restlauf­ zeit wählen unter Berücksichtigung der voraussichtlichen Laufzeiten der mögli­ chen Routen, und daß sie Informationspa­ kete löschen oder langsamer transportie­ ren, wenn das Informationspaket vor Ver­ fallszeit voraussichtlich nicht mehr ankom­ men kann.

16. Funksystem mit Funkeinrichtungen nach einem der vorgenannten Ansprüche sowie mit Funkeinrichtungen mit Antennen gerin­ gerer Richtwirkung, dadurch gekennzeich­ net, daß für die Kommunikation zwischen Funkeinrichtungen mit Antennen hohen Gewinns andere Funkkanäle gewählt werden als für die Kommunikation von und zu Funkeinrichtungen mit geringer bündelnden Antennen.

17. Funksystem mit Funkeinrichtungen nach einem der vorgenannten Ansprüche sowie mit Funkeinrichtungen mit Antennen gerin­ gerer Richtwirkung, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Steigerung der Reichweite die Redundanz einer Sendung erhöht und vom Empfänger genutzt wird, beispielsweise einer Reduzierung der Datenrate auf Kosten einer verlängerten Übertragungszeit.

18. Funksystem mit Funkeinrichtungen nach einem der vorgenannten Ansprüche sowie mit Funkeinrichtungen mit Antennen gerin­ gerer Richtwirkung, dadurch gekennzeich­ net, daß der Aufbau einer Funkverbindung von der Funkeinrichtung mit höher bündeln­ den Antennen ausgeht, indem sie in periodi­ schen Abständen ihre Sendeantenne rele­ vante Azimutbereiche in ihrer Umgebung abtasten läßt und dabei zur Antwort auffor­ dert, während die Funkeinrichtungen mit Antennen geringerer Bündelung aufeinander­ folgende Rufe miteinander vergleichen und genau eine halbe Umlaufperiode nach dem Aufruf mit der höchsten Empfangsqualität antworten.