EP1077508A2 - Indoor antenna with changeable antenna characteristics for communication with high data rates - Google Patents
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- EP1077508A2 EP1077508A2 EP00116905A EP00116905A EP1077508A2 EP 1077508 A2 EP1077508 A2 EP 1077508A2 EP 00116905 A EP00116905 A EP 00116905A EP 00116905 A EP00116905 A EP 00116905A EP 1077508 A2 EP1077508 A2 EP 1077508A2
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- H01Q3/242—Circumferential scanning
Definitions
- the invention relates to an antenna arrangement, in particular for an interior, according to the preamble of claim 1.
- Such an antenna is used in the context of a communication application used in the interior area, such Antenna at the base station to transmit the data via the radio channel to the receiving units or terminals (downlink) is arranged.
- Data sent from the terminals (Uplink) are correspondingly from the antenna of the base station receive.
- Such data exchange occurs either between the base station and a specific terminal or all Terminals. One can therefore of a "directed” or speak “undirected” data exchange.
- the non-directional or nationwide Radiation in a half-space can be, for example by means of monopoles, dipoles or patches with conductive planes or slots.
- Such Realization has the disadvantage that directly below no power is available to the antenna, however with specially shaped lens antenna this disadvantage is eliminated can be. Is the non-directional appearance constructive been set up, but it can be in the known antenna arrangements no longer in a directed broadcast switch.
- the directional broadcast can be e.g. with array antennas, which consist of horns, dipoles or patches, realize.
- array antennas which consist of horns, dipoles or patches.
- the network is fixed, so that the antenna characteristic generally does not change can be.
- a pivoting of the initially fixed Antenna beam can be made by inserting switchable detour lines can be realized, and also addressing everyone individual element may be possible. With the individual response the cost of each element increases significantly, however can generate almost any antenna characteristic become.
- the invention has for its object an antenna, preferably for the interior, the generic type too create that easily between nationwide and directional antenna characteristic is switchable, and to provide a method for operating such an antenna.
- an antenna comprises a base body with a Variety of radiating antenna elements, the Base body in the form of a cylinder with an attached polyhedron and each polyhedron surface has an antenna element.
- the attached polyhedron is preferably formed by a truncated cone formed, depending on the number of antenna elements used flattened on the sides (four, six, eight ...) is. This creates several flat surfaces, the fixed angular relationships to each other. The size of the angle will by calling for an optimal nationwide Characteristics, as well as after low radiation against the ceiling and walls given.
- the entire network is on a continuous substrate manufactured. Thanks to the special base body apply the two-dimensional substrate three-dimensionally. The This can be done mainly on the cylindrical network Part will be housed, with the network consisting of a flexible Substrate is produced.
- the individual radiant elements on the flattened Sides of the body are positioned over individual continuous conductor tracks fed.
- the substrate is glued to the surface of the base body or screwed on. The correct positioning is ensured by bores in the base body and in the substrate.
- Determining the direction from which the terminal station is sending can be done simply by measuring the individual elements. To complex signal processing, as in known Antennas is necessary, can therefore be dispensed with.
- the number of radiating elements used is arbitrary. The more elements are used, the more directed radiation lobes can be set up. As radiant elements can directly- as well as radiation-coupled patch elements or broadband dipoles can be used. So that can the relative frequency bandwidth and the polarization of the antenna adapt to the required specification. By a simultaneous excitation of several patches can be additional Form antenna lobes, with which an adaptation to the spatial conditions or to the requirements of the communication network is possible during operation.
- the antenna can not only at base stations, but because of their cost-effectiveness can also be used at terminals.
- the Switching logic can be integrated directly on the HF substrate.
- the individual radiating elements can with higher performance.
- An external switch board is with the antenna board over several RF lines connected.
- the digital logic is also on this switch board realized and the switching signals are sent to the Hand over the antenna board.
- the antenna has a base body G which consists of a cylindrical part Z and a part placed thereon Truncated cone K exists. In the most general form of The antenna becomes a corresponding polyhedron instead of the truncated cone K used.
- the truncated cone K has in the embodiment 1 four flattenings (or six, eight, ...) according to the number of radiating elements, whereby only the radiating elements E1 and E2 are shown are visible.
- On top of the truncated cone K is another one Surface essentially perpendicular to the truncated cone axis arranged, which also has a radiating element E5.
- the spatial positioning of the radiating elements E1, E2, ..., E5 is ensured by the base body G.
- the polarization of the antenna is due to the orientation with the radiating elements E1, E2, ..., E5 on the base body G are attached, and by the choice of elements fixed.
- radiating elements E1, E2, ..., E5 can all structures that can be made planar, e.g. Patch or Dipoles are used. It is also on the cylindrical Part Z of the base body G applied a substrate S, which Contains supply network for the radiating elements.
- FIG. 2 shows an overview of a communication system under Use of an antenna according to Fig. 1 presented.
- the antenna not separately here is used at the base station BS.
- the antenna is mounted on a ceiling and should have a direct line of sight to the terminals shown T1, T2, T3, T4, Tn. Possibly due to a Obstacle H a reflector R can be used like this is the case for Terminal T4.
- the antenna communicates with an indefinite number n of terminals. Their positions can change during communication.
- Downlink DL contains data D from the base station BS to the terminals T1, T2, ..., Tn. It sends information that is common to all terminals are important and are called broadcast BC namely in time slot 0, as well as those that are only for individual Terminals are determined, namely data D in the time slots D1, D2, D3, etc.
- broadcast BC For the broadcast BC case in the time slot 0 a nationwide broadcast is necessary.
- a directed radiation offers the advantage that Reflections and fading effects are reduced, in the uplink UL becomes data D directly from the terminals to the base station transfer.
- Each terminal sends on its own time slot U1, U2, U3, ... data D. Since known at the base station BS is where the individual terminals are, is for time slots U1, U2, U3, ... a directional antenna characteristic used.
- a random access channel RAC with time slots R1, R2, R3, ... of the frame enables the booking new terminals at the base station BS. Because at the base station BS this time is not known where the individual terminals must stand for time slots R1, R2, R3, ... with the nationwide Antenna characteristics are worked.
- Terminal T3 has listened to time slot 0 and is logging on the base station BS in time slot R1.
- Base station BS receives with omnidirectional, i.e. nationwide, characteristic and finds that the signal from Terminal T3 with antenna element E3 is best received.
- T2 moves from sector 2 to sector during transmission 1. Even if ES receives on E2, the reception level or the RSSI (Received Signal Strength Information) of the others Antenna elements evaluated. BS now notes that the Receive signal from T2 to E1 becomes stronger than to E2. in the next frame then E1 is used for T2. A variant is the introduction of a hysteresis regarding the reception power the antenna branches to avoid switching too often. This ensures that the terminals are adjusted accordingly.
- RSSI Received Signal Strength Information
- FIG. 5 shows a network which is used for small radio cells, where only a few participants are addressed must be easy to implement.
- Wilkinson divider W1, ..., W3 a constant power output of the individual radiating elements E1, ..., E4 independently ensured by the operating mode.
- the digital circuit arrangement to control the individual switches S1, ..., S4 can be integrated directly on the HF substrate. Through the control the corresponding switches S1, ..., S4 can also several radiating elements E1, ..., E4 excited simultaneously become, whereby additional directional lobes can be formed.
- FIG. 6 a network is shown that is more suitable is when very many different characteristics are formed should be, or if in the directional radiation as much power as possible should be available.
- the individual radiating elements E1, ..., E6 each with operated at maximum power.
- the effort that went into it is slightly higher because of an additional one Circuit board for the digital part, as well as for a first one HF switching step (1 on 4 - switch in the upper left part 6) and several RF feed lines 1, ..., 4 are required.
- the radiating elements E1, ..., E6 can only be operated individually or in combination switches at the distribution points T1, ..., T3, for example or Wilkinson divider can be used.
- the networks are designed that the line lengths to the radiating elements for the omnidirectional characteristics are all the same length, so in order Exclude phase errors caused by different lengths Paths are caused.
- Length differences of the lines of multiples of the wavelength use this is possible as long as the frequency bandwidth is low, and the omnidirectional characteristic over the frequency range within that for the respective application specified specifications remains.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung, insbesondere
für einen Innenraum, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an antenna arrangement, in particular
for an interior, according to the preamble of
Eine derartige Antenne wird im Rahmen einer Kommunikationsanwendung im Innenraum-Bereich eingesetzt, wobei eine solche Antenne an der Basisstation zur Übermittlung der Daten über den Funkkanal an die Empfangseinheiten oder Terminals (Downlink) angeordnet ist. Von den Terminals gesendete Daten (Uplink) werden entsprechend von der Antenne der Basisstation empfangen. Ein solcher Datenaustausch geschieht entweder zwischen der Basisstation und einem bestimmten Terminal oder allen Terminals. Man kann daher von einem "gerichteten" oder "ungerichteten" Datenaustausch sprechen.Such an antenna is used in the context of a communication application used in the interior area, such Antenna at the base station to transmit the data via the radio channel to the receiving units or terminals (downlink) is arranged. Data sent from the terminals (Uplink) are correspondingly from the antenna of the base station receive. Such data exchange occurs either between the base station and a specific terminal or all Terminals. One can therefore of a "directed" or speak "undirected" data exchange.
Es existieren bereits Realisierungen für flächendeckende sowie gerichtete Funkausstrahlung. Die ungerichtete oder flächendeckende Ausstrahlung in einem Halbraum läßt sich beispielsweise mittels Monopole, Dipole oder Patche in Verbindung mit leitenden Ebenen oder Schlitzen erzeugen. Eine derartige Realisierung hat den Nachteil, daß direkt unterhalb der Antenne keine Leistung zur Verfügung steht, wobei jedoch mit speziell geformten Linsenantenne dieser Nachteil behoben werden kann. Ist die ungerichtete Ausstrahlung konstruktiv eingerichtet worden, läßt sie sich aber bei den bekannten Antennenanordnungen nicht mehr in eine gerichtete Ausstrahlung umschalten.Realizations already exist for nationwide as well directed radio transmission. The non-directional or nationwide Radiation in a half-space can be, for example by means of monopoles, dipoles or patches with conductive planes or slots. Such Realization has the disadvantage that directly below no power is available to the antenna, however with specially shaped lens antenna this disadvantage is eliminated can be. Is the non-directional appearance constructive been set up, but it can be in the known antenna arrangements no longer in a directed broadcast switch.
Die gerichtete Ausstrahlung läßt sich z.B. mit Array-Antennen, die aus Hornstrahlern, Dipolen oder Patchen bestehen, realisieren. Dabei wird die Richtung der größten Antennenabstrahlung durch die Eigenschaften der strahlenden Elemente sowie durch ein Speisenetzwerk, das die Amplituden- und Phasenbelegung der einzelnen Strahlungselemente definiert, festgelegt. Im einfachsten Fall ist das Netzwerk fest vorgegeben, so daß die Antennencharakteristik im allgemeinen nicht verändert werden kann. Ein Schwenken der zunächst festeingestellten Antennenkeule kann durch Einfügen schaltbarer Umwegleitungen realisiert werden, wobei auch ein Ansprechen jedes einzelnen Elements möglich sein kann. Mit dem einzelnen Ansprechen jedes Elements steigt der Aufwand erheblich an, jedoch kann so eine fast beliebige Antennencharakteristik erzeugt werden.The directional broadcast can be e.g. with array antennas, which consist of horns, dipoles or patches, realize. The direction of the largest antenna radiation through the properties of the radiating elements as well as through a feed network, which the amplitude and phase assignment of the individual radiation elements defined. In the simplest case, the network is fixed, so that the antenna characteristic generally does not change can be. A pivoting of the initially fixed Antenna beam can be made by inserting switchable detour lines can be realized, and also addressing everyone individual element may be possible. With the individual response the cost of each element increases significantly, however can generate almost any antenna characteristic become.
Es ist ferner aus E. Gschwendtner et. al.: "Konforme, halbkreisförmige Array-Antenne für mobile Nutzer künftiger dienstintegrierender Satellitensysteme", ITG-Fachbericht 149, VDE-Verlag, Berlin, Offenbach 1998, S.117-122, bekannt, ansteuerbare Patchelemente auf einer halbkugel- oder zylinderförmigen Oberfläche eines Grundkörpers zu positionieren, wobei die einzelnen Patchelemente umschaltbar sind.It is also from E. Gschwendtner et. al .: "Compliant, semicircular Array antenna for mobile users of future service integrators Satellite Systems ", ITG Technical Report 149, VDE publishing house, Berlin, Offenbach 1998, S.117-122, known, controllable Patch elements on a hemispherical or cylindrical Position the surface of a body, where the individual patch elements are switchable.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne, vorzugsweise für den Innenraum, der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die auf einfache Weise zwischen flächendeckender und gerichteter Antennencharakteristik umschaltbar ist, sowie eine Verfahren zum Betreiben einer solchen Antenne anzugeben.The invention has for its object an antenna, preferably for the interior, the generic type too create that easily between nationwide and directional antenna characteristic is switchable, and to provide a method for operating such an antenna.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Antenne
nach Anspruch 1 sowie dem Verfahren nach Anspruch 13
gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände
der Unteransprüche.According to the invention, this object is achieved by the characteristics of the antenna
according to
Erfindungsgemäß umfaßt eine Antenne einen Grundkörper mit einer Vielzahl strahlender Antennenelemente auf, wobei der Grundkörper die Form eines Zylinders mit aufgesetztem Polyeder hat und jede Polyederfläche ein Antennenelement aufweist. Vorzugsweise wird der aufgesetzte Polyeder durch einen Kegelstumpf gebildet, der je nach Anzahl der verwendeten Antennenelemente an den Seiten (vier, sechs, acht...) abgeflacht ist. Dadurch entstehen mehrere ebene Flächen, die feste Winkelbeziehungen zueinander haben. Die Größe des Winkels wird durch die Forderung nach einer optimalen flächendeckenden Charakteristik, sowie nach geringer Abstrahlung gegen Decke und Wände vorgegeben.According to the invention, an antenna comprises a base body with a Variety of radiating antenna elements, the Base body in the form of a cylinder with an attached polyhedron and each polyhedron surface has an antenna element. The attached polyhedron is preferably formed by a truncated cone formed, depending on the number of antenna elements used flattened on the sides (four, six, eight ...) is. This creates several flat surfaces, the fixed angular relationships to each other. The size of the angle will by calling for an optimal nationwide Characteristics, as well as after low radiation against the ceiling and walls given.
Es ist jedoch auch möglich, den aufgesetzten Polyeder durch eine angenäherte, mit entsprechenden Abflachungen versehene Halbkugel zu verwenden.However, it is also possible to pass through the attached polyhedron an approximate one with corresponding flats Hemisphere to use.
Über die räumliche Anordnung der strahlenden Elemente wird eine erste Ausrichtung der Abstrahlung vorgenommen. Durch die gleichzeitige Anregung mehrerer strahlender Elemente kann die Richtwirkung während des Betriebs verändert werden. Eine bei bekannten schwenkbaren Antennen übliche Variation der Richtcharakteristik durch Amplituden/Phasen-Gewichte ist hier unnötig.About the spatial arrangement of the radiating elements a first alignment of the radiation. Through the the simultaneous excitation of several radiating elements Directivity can be changed during operation. One at known pivoting antennas usual variation of the directional characteristic due to amplitude / phase weights is unnecessary here.
Zur Änderung der Richtwirkung können einzelne strahlende Elemente ein- bzw. ausgeschaltet werden. Für die flächendeckende Ausstrahlung müssen alle strahlenden Elemente eine fest vorgegebene Phasenbeziehung zueinander haben. Um dies ohne zusätzlichen Abgleich bzw. Kalibriermessungen reproduzierbar und ohne fertigungsbedingte Schwankungen realisieren zu können, wird das gesamte Netzwerk auf einem durchgehenden Substrat gefertigt. Durch den speziellen Grundkörper läßt sich das zweidimensionale Substrat dreidimensional aufbringen. Das Netzwerk kann dadurch hauptsächlich auf dem zylindrischen Teil untergebracht werden, wobei das Netzwerk aus einem flexiblem Substrat hergestellt wird. Individual radiating elements can be used to change the directivity can be switched on or off. For the nationwide To radiate, all radiating elements must have a fixed default Have phase relationship to each other. To do this without additional Alignment or calibration measurements reproducible and without realizing production-related fluctuations, the entire network is on a continuous substrate manufactured. Thanks to the special base body apply the two-dimensional substrate three-dimensionally. The This can be done mainly on the cylindrical network Part will be housed, with the network consisting of a flexible Substrate is produced.
Die einzelnen strahlenden Elemente, die auf den abgeflachten Seiten des Grundkörpers positioniert sind, werden über einzelne durchgehende Leiterbahnen gespeist.The individual radiant elements on the flattened Sides of the body are positioned over individual continuous conductor tracks fed.
Das Substrat wird auf die Oberfläche des Grundkörpers aufgeklebt bzw. aufgeschraubt. Die richtige Positionierung ist durch Bohrungen im Grundkörper und im Substrat sichergestellt.The substrate is glued to the surface of the base body or screwed on. The correct positioning is ensured by bores in the base body and in the substrate.
Durch Verwendung von unsymmetrisch breiten Masseflächen rund um die einzelnen Patche ist es möglich die Abstände zwischen den Patchen minimal zu wählen, womit sich eine rundstrahlende Charakteristik mit einer Welligkeit kleiner 3 dB realisieren läßt.Round by using asymmetrically wide ground surfaces around the individual patches it is possible to set the distances between to choose the patches minimally, with which an omnidirectional Realize the characteristic with a ripple of less than 3 dB leaves.
Bei Monopol-Strahlern auf einem Reflektor bzw. bei symmetrisch auf Zylinderoberflächen angebrachten Strahlern bildet sich entlang der Achse des Strahlers bzw. des Zylinders immer eine Nullstelle in der Antennencharakteristik bei flächendekkender Abstrahlung aus. Bei der vorliegenden Antenne kann dies durch eine festeingestellte, leicht unsymmetrische Anregung der einzelnen strahlende Elemente behoben werden.With monopole emitters on a reflector or with symmetrical emitters mounted on cylinder surfaces always along the axis of the emitter or the cylinder a zero in the antenna characteristic with area coverage Radiation. With the present antenna can this by means of a fixed, slightly asymmetrical excitation of the individual radiating elements can be eliminated.
Die Bestimmung der Richtung, aus der die Terminalstation sendet, kann einfach durch Messung an den Einzelementen erfolgen. Auf eine aufwendige Signalverarbeitung, wie sie bei bekannten Antennen notwendig ist, kann daher verzichtet werden.Determining the direction from which the terminal station is sending can be done simply by measuring the individual elements. To complex signal processing, as in known Antennas is necessary, can therefore be dispensed with.
Vorteilhafterweise ist bei der erfindungsgemäßen Antenne der Produktions- und Montageaufwand gering. Daher ist die Antenne vielseitige und kostengünstige.Advantageously, in the antenna according to the invention Production and assembly effort low. Hence the antenna versatile and affordable.
Die Anzahl der verwendeten strahlenden Elemente ist beliebig. Je Elemente verwendet werden, um so mehr gerichtete Strahlungskeulen können eingerichtet werden. Als strahlende Elemente können direkt- als auch strahlungsgekoppelte Patchelemente oder Breitband-Dipole verwendet werden. Damit läßt sich die relative Frequenzbandbreite und die Polarisation der Antenne der geforderten Spezifikation anpassen. Durch eine gleichzeitige Anregung mehrerer Patche lassen sich zusätzliche Antennenkeulen ausbilden, womit eine Anpassung an die räumlichen Gegebenheiten bzw. an die Anforderungen des Kommunikationsnetzes während des Betriebs möglich ist. Die Antenne kann nicht nur an Basisstationen, sondern wegen ihrer Kostengünstigkeit auch an Terminals eingesetzt werden.The number of radiating elements used is arbitrary. The more elements are used, the more directed radiation lobes can be set up. As radiant elements can directly- as well as radiation-coupled patch elements or broadband dipoles can be used. So that can the relative frequency bandwidth and the polarization of the antenna adapt to the required specification. By a simultaneous excitation of several patches can be additional Form antenna lobes, with which an adaptation to the spatial conditions or to the requirements of the communication network is possible during operation. The antenna can not only at base stations, but because of their cost-effectiveness can also be used at terminals.
Als Netzwerkstrukturen gibt es mehrere Alternativen:There are several alternatives as network structures:
Ist hauptsächlich flächendeckende Abstrahlung geplant, kann ein symmetrisches Netzwerk z.B. mit Wilkinson-Teilern eingesetzt werden. Hier wird nur eine HF-Zuleitung benötigt. Die Schaltlogik kann direkt auf dem HF-Substrat integriert werden.If mainly extensive radiation is planned, can a symmetrical network e.g. used with Wilkinson dividers become. Only one RF lead is required here. The Switching logic can be integrated directly on the HF substrate.
Für eine gerichtete Ausstrahlung ist ein komplexeres Netzwerk vorteilhaft. Die einzelnen strahlenden Elemente können mit höherer Leistung angeregt werden. Eine externe Umschaltplatine wird mit der Antennenplatine über mehrere HF-Leitungen verbunden. Die Digitallogik wird ebenfalls auf dieser Umschaltplatine realisiert und die Schaltsignale werden an die Antennenplatine übergeben.For a directional broadcast is a more complex network advantageous. The individual radiating elements can with higher performance. An external switch board is with the antenna board over several RF lines connected. The digital logic is also on this switch board realized and the switching signals are sent to the Hand over the antenna board.
Des weiteren sind möglich: Aufwendigere Netzwerke, bei denen durch schaltbare Amplituden- und/oder Phasengewichtungen ein weitergehender Einfluß auf die gerichtete Abstrahlung genommen werden kann. Frei einstellbare Amplituden- und/oder Phasengewichtungen lassen sich beim erfindungsgemäßen Antennengrundkörper auch realisieren. Auch sind Mischformen der obigen Alternativen denkbar. The following are also possible: More complex networks where by switchable amplitude and / or phase weights further influence on the directional radiation can be. Freely adjustable amplitude and / or phase weights can be in the antenna base body according to the invention also realize. There are also mixed forms of the above Alternatives conceivable.
Zusammenfassend wird also durch die Verwendung mehrerer, teilweise voneinander unabhängiger bzw. intelligent schaltbarer Speisewege, die durch einfache Umschaltung ausgewählt werden, die erstrebte Richtwirkung der Antenne ein- und umgeschaltet. Alle Netzwerke, sowie die digitale Steuerschaltung, sind auf einem Substrat untergebracht, wodurch alle Phasenbeziehungen reproduzierbar vorgegeben sind. Die räumliche Ausrichtung der Patchelemente zueinander wird durch einen speziell geformten Grundkörper ermöglicht und dies ohne zusätzliche Justierung. Die vielseitig einsetzbare Antenne ist auch kostengünstig.In summary, the use of several, partially independent or intelligently switchable Feed routes selected by simple switching the desired directionality of the antenna is switched on and over. All networks, as well as the digital control circuit, are housed on a substrate, eliminating all phase relationships are reproducibly specified. The spatial orientation the patch elements to each other is identified by a special shaped base body allows and this without additional Adjustment. The versatile antenna is also inexpensive.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend
anhand der Zeichnungen näher erläutert.
In Fig.1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne
dargestellt. Die Antenne weist einen Grundkörper G auf,
der aus einem zylindrischen Teil Z sowie einem darauf aufgesetzten
Kegelstumpf K besteht. In der allgemeinsten Form der
Antenne wird ein entsprechender Polyeder anstelle des Kegelstumpfes
K verwendet. Der Kegelstupf K weist in der Ausführungsform
der Fig. 1 vier Abflachungen ( bzw. sechs, acht,
...) entsprechend der Anzahl der strahlenden Elemente, wobei
in der Darstellung nur die strahlenden Elemente E1 und E2
sichtbar sind. Oben auf dem Kegelstumpf K ist hier eine weitere
Fläche im wesentlichen senkrecht zur Kegelstumpfachse
angeordnet, die ebenfalls ein strahlendes Element E5 aufweist.
Die räumliche Positionierung der strahlenden Elemente
E1, E2, ..., E5 wird durch den Grundkörper G sichergestellt.
Die Polarisierung der Antenne ist durch die Orientierung, mit
der die strahlenden Elemente E1, E2, ..., E5 auf dem Grundkörper
G befestigt werden, und durch die Wahl der Elemente
festgelegt. Als strahlende Elemente E1, E2, ..., E5 können
alle planar herstellbaren Strukturen, wie z.B. Patche oder
Dipole eingesetzt werden. Ferner ist auf dem zylindrischen
Teil Z des Grundkörpers G ein Substrat S aufgebracht, das das
Versorgungsnetzwerk für die strahlenden Elemente enthält.1 shows an embodiment of an antenna according to the invention
shown. The antenna has a base body G
which consists of a cylindrical part Z and a part placed thereon
Truncated cone K exists. In the most general form of
The antenna becomes a corresponding polyhedron instead of the truncated cone
K used. The truncated cone K has in the
In Fig.2 wird eine Übersicht eines Kommunikationssystems unter Verwendung einer Antenne nach Fig. 1 vorgestellt. Insbesondere ist eine Konstellation innerhalb eines "point to multipoint"-Systems dargestellt. Die Antenne, hier nicht separat dargestellt, wird an der Basisstation BS eingesetzt. Beispielsweise wird die Antenne an einer Decke montiert und sollte direkte Sichtverbindung zu den dargestellten Terminals T1, T2, T3, T4, Tn besitzen. Eventuell muß aufgrund eines Hindernisses H ein Reflektor R eingesetzt werden, wie dies für Terminal T4 der Fall ist. Die Antenne kommuniziert mit einer unbestimmten Anzahl n an Terminals. Deren Positionen können sich während der Kommunikation ändern.2 shows an overview of a communication system under Use of an antenna according to Fig. 1 presented. In particular, a constellation within a "point to multipoint "system. The antenna, not separately here is used at the base station BS. For example, the antenna is mounted on a ceiling and should have a direct line of sight to the terminals shown T1, T2, T3, T4, Tn. Possibly due to a Obstacle H a reflector R can be used like this is the case for Terminal T4. The antenna communicates with an indefinite number n of terminals. Their positions can change during communication.
Fig.3 zeigt eine prinzipielle Rahmenstruktur für die Kommunikation
zwischen der Basisstation und den Terminals eines Systems
der Fig. 2, wobei Zeitschlitze für die Datenübertragung
verwendet werden. Im Downlink DL werden Daten D von der Basisstation
BS zu den Terminals T1, T2, ..., Tn übertragen.
Dabei werden sowohl Informationen gesendet, die für alle Terminals
wichtig sind und mit Broadcast BC bezeichnet werden ,
nämlich im Zeitschlitz 0, als auch solche, die nur für einzelne
Terminals bestimmt sind, nämlich Daten D in den Zeitschlitzen
D1, D2, D3, usw. Für den Fall Broadcast BC im Zeitschlitz
0 ist eine flächendeckende Ausstrahlung nötig. Bei
den Zeitschlitzen D1, D2, D3,... für die Datenübertragung D
hingegen bietet eine gerichtete Ausstrahlung den Vorteil, daß
Reflexionen und Schwundeffekte vermindert werden, Im Uplink
UL werden Daten D direkt von den Terminals zur Basisstation
übertragen. Jedes Terminal sendet auf einem eigenen Zeitschlitz
U1, U2, U3,... Daten D. Da an der Basisstation BS bekannt
ist, wo die einzelnen Terminals stehen, wird für Zeitschlitze
U1, U2, U3,... eine gerichtete Antennencharakteristik
eingesetzt. Ein Random Access Channel RAC mit Zeitschlitzen
R1, R2, R3,... des Rahmens ermöglicht das Einbuchen
neuer Terminals bei der Basisstation BS. Da an der Basisstation
BS diesmal nicht bekannt ist, wo die einzelnen Terminals
stehen, muß für Zeitschlitze R1, R2, R3,... mit der flächendeckenden
Antennencharakteristik gearbeitet werden.3 shows a basic frame structure for communication
between the base station and the terminals of a
In Fig.4 wird eine mögliche Situation der Kommunikation der Basisstation BS mit den Terminals T1, T2, T3, T4 dargestellt. Dabei wird eine Antenne mit 4 Elementen E1, E2, E3, E4 verwendet, die 4 Sektoren S1, S2, S3, S4 definieren. Zum Verständnis der Funktionsweise der Antenne und ihrer Integration im System wird im folgenden eine kurze Kommunikationssequenz veranschaulicht.4 shows a possible situation of communication of the Base station BS shown with the terminals T1, T2, T3, T4. An antenna with 4 elements E1, E2, E3, E4 is used, define the 4 sectors S1, S2, S3, S4. For your understanding the functioning of the antenna and its integration in the system there follows a short communication sequence illustrated.
Die Terminals T1 und T2 sind bekannt. Basisstation BS teilt
im Zeitschlitz 0 per "Broadcast" die Nutzung der Kanäle mit:
Terminal T3 hat Zeitschlitz 0 abgehört und meldet sich bei
der Basisstation BS im Zeitschlitz R1. Basisstation BS empfängt
mit rundstrahlender, d.h. flächendeckender, Charakteristik
und stellt fest, daß das Signal von Terminal T3 mit Antennenelement
E3 am besten empfangen wird.Terminal T3 has listened to
Terminals T1, T2 und T3 sind bekannt. Basisstation BS teilt
im Zeitschlitz 0 per Broadcast die Nutzung der Kanäle mit:
T2 bewegt sich während des Sendens von Sektor 2 nach Sektor
1. Auch wenn ES auf E2 empfängt, wird der Empfangspegel oder
das RSSI (Received Signal Strength Information) der anderen
Antennenelemente ausgewertet. BS stellt nun fest, daß das
Empfangssignal von T2 auf E1 stärker wird als auf E2. Im
nächsten Rahmen wird dann E1 für T2 benutzt. Eine Variante
ist das Einführen einer Hysterese bezüglich der Empfangsleistung
der Antennenzweige, um zu häufiges Umschalten zu vermeiden.
So ist eine Leistungsanpassung der Terminals gewährleistet. T2 moves from
In Fig.5 ist ein Netzwerk dargestellt, das für kleine Funkzellen, bei denen nur wenige Teilnehmer angesprochen werden müssen, einfach zu realisieren ist. Zum Beispiel wird durch Wilkinson-Teiler W1,...,W3 eine gleichbleibende Leistungsabgabe der einzelnen strahlenden Elemente E1,...,E4 unabhängig von der Betriebsart sichergestellt. Die digitale Schaltungsanordnung zum Ansteuern der einzelnen Schalter S1,...,S4 kann direkt auf dem HF-Substrat integriert werden. Durch die Ansteuerung der entsprechenden Schalter S1,...,S4 können auch mehrere strahlende Elemente E1,...,E4 gleichzeitig angeregt werden, wodurch sich zusätzliche Richtkeulen ausbilden lassen.5 shows a network which is used for small radio cells, where only a few participants are addressed must be easy to implement. For example, by Wilkinson divider W1, ..., W3 a constant power output of the individual radiating elements E1, ..., E4 independently ensured by the operating mode. The digital circuit arrangement to control the individual switches S1, ..., S4 can can be integrated directly on the HF substrate. Through the control the corresponding switches S1, ..., S4 can also several radiating elements E1, ..., E4 excited simultaneously become, whereby additional directional lobes can be formed.
In Fig.6 ist ein Netzwerk dargestellt, das besser geeignet
ist, wenn sehr viele verschiedene Charakteristiken ausgebildet
werden sollen, oder wenn bei der gerichteten Abstrahlung
möglichst viel Leistung zur Verfügung stehen soll. Hier werden
die einzelnen strahlenden Elemente E1, ...,E6 jeweils mit
maximaler Leistung betrieben. Der Aufwand, der dafür getrieben
werden muß, ist etwas höher, weil eine zusätzliche
Schaltplatine für den digitalen Teil, sowie für einen ersten
HF-Schaltschritt (1 auf 4 - Schalter im linken oberen Teil
der Fig. 6) und mehrere HF-Zuleitungen 1, ...,4 benötigt werden.
Abhängig davon, ob die strahlenden Elemente E1,...,E6
nur einzeln oder auch gekoppelt betrieben werden sollen, können
an den Verteilpunkten T1,...,T3 beispielsweise Schalter
oder Wilkinson-Teiler eingesetzt werden. In den Verbindungsleitungen
zwischen den Verteilpunkten T1,...,T3 und den
Schaltern S1,...,S6 lassen sich zusätzlich schaltbare Phasenschieber
einbauen. Oder es wird z.B. an den Verteilpunkten
T1,...,T3 eine unsymmetrische Leistungsaufteilung vorgenommen,
um auf diese Weise spezielle gerichtete Charakteristiken
fest einzustellen. Damit können verschiedene, genau auf das
jeweilige Einsatzgebiet zugeschnittene Varianten erzeugt werden.
Bei beiden Varianten sind die Netzwerke so entworfen,
daß die Leitungslängen zu den strahlenden Elementen für die
rundstrahlende Charakteristik alle gleichlang sind, um somit
Phasenfehler auszuschließen, die durch unterschiedlich lange
Laufwege hervorgerufen werden. Als eine Variante lassen sich
Längenunterschiede der Leitungen vom Vielfachen der Wellenlänge
verwenden Dies ist möglich, solange die Frequenzbandbreite
gering ist, und die rundstrahlende Charakteristik über
dem Frequenzbereich innerhalb der für die jeweilige Anwendung
vorgegebenen Spezifikationen bleibt.In Figure 6 a network is shown that is more suitable
is when very many different characteristics are formed
should be, or if in the directional radiation
as much power as possible should be available. Be here
the individual radiating elements E1, ..., E6 each with
operated at maximum power. The effort that went into it
is slightly higher because of an additional one
Circuit board for the digital part, as well as for a first one
HF switching step (1 on 4 - switch in the upper left part
6) and several
Claims (16)
dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (G) die Form eines Zylinderstumpfes (Z) mit aufgesetztem Polyeder (K) hat, wobei jede Fläche des Polyeder (K) ein Antennenelement (E1, E2, E3, E4, E5) aufweist.Antenna, in particular for the interior, with controllable radiating antenna elements arranged on a base body,
characterized in that the base body (G) has the shape of a truncated cylinder (Z) with an attached polyhedron (K), each surface of the polyhedron (K) having an antenna element (E1, E2, E3, E4, E5).
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