EP3955385B1

EP3955385B1 - Erregerstruktur zur abstrahlung und/oder zum empfang von funksignalen

Info

Publication number: EP3955385B1
Application number: EP21190437.0A
Authority: EP
Inventors: René RÖDER
Original assignee: Antonics GmbH
Current assignee: Antonics GmbH
Priority date: 2020-08-10
Filing date: 2021-08-09
Publication date: 2025-06-04
Anticipated expiration: 2041-08-09
Also published as: DE102020120985B4; DE102020120985A1; EP3955385C0; EP3955385A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Erregerstruktur zur Abstrahlung und/oder zum Empfang von Funksignalen mit einem metallischen Dachelement und mit mindestens einem Erregerelement. Sie bezieht sich insbesondere auf eine sehr flachbauende Erregerstruktur, welche vorzugsweise als Multierregerstruktur ausgebildet ist, das heißt über mehrere Erregerelemente zur Unterstützung unterschiedlicher Funkstandards verfügt und hierbei trotz ihrer geringen Bauhöhe gute HF-Eigenschaften, insbesondere eine guten Wirkungsgrad, respektive einen hohen Gewinn, aufweist.
Die nachfolgend beschriebene Erregerstruktur ist entsprechend dem bevorzugten Einsatzzweck zur Montage im Bereich des Daches von Fahrzeugen, insbesondere von Fahrzeugen für den Zugverkehr konzipiert, ohne dass jedoch ihre Anwendung hierauf beschränkt wäre oder sich daraus Beschränkungen des Erfindungsgegenstandes ergeben würden. Im Zusammenhang mit dem vorgenannten Einsatzzweck weist eine entsprechende Erregerstruktur typischerweise eine Mehrzahl von Erregerelementen auf, die jeweils zur Unterstützung eines Funkstandards ausgebildet und dimensioniert sind. So ist es im Zusammenhang mit dem Einsatz im Zugverkehr gebräuchlich, mittels dafür geeigneter Erregerstrukturen verschiedene Funkstandards, wie unterschiedliche Mobilfunkstandards, TETRA-Funk, WLAN beziehungsweise WiFi und/oder Bluetooth, bezüglich des Sendens und Empfangens von Funksignalen entsprechend dieser Standards zu unterstützen.
Das aktive, das heißt in Bezug auf Sendesignale strahlende Erregerelement einer Erregerstruktur wird, unter Berücksichtigung gegebenenfalls zur Anpassung erforderlicher Verkürzungsfaktoren, bezüglich seiner Länge in der Regel in einem definierten Verhältnis zur Wellenlänge über das jeweilige Erregerelement auszusendender und zu empfangender Funksignale ausgelegt. Üblich ist es dabei insbesondere, dieses Element mit einer der Hälfte oder einem Viertel der Wellenlänge (Lambda) entsprechenden Länge auszulegen. Man spricht insoweit von Lambda-Halbe- oder Lambda-Viertel-Strahlern.
Insbesondere bei der Übertragung von Funksignalen nicht zu hoher Frequenz, das heißt mit Frequenzen im Megahertzbereich bis hinunter in den Kilohertzbereich, sind dabei wegen der umgekehrten Proportionalität von Frequenz und Wellenlänge sehr große Längen für das strahlende Element erforderlich. Im Hinblick auf Sendemasten, welche nach dem Grundprinzip des Stabelements ausgebildet sind, bedingt dies sehr hohe Masten mit Höhen von gegebenenfalls hundert Metern und mehr.
Aber auch im Bereich des Daten- und Mobilfunks, für welchen typischerweise Frequenzen von mehreren hundert Megahertz bis in den Gigahertzbereich hinein genutzt werden, wäre im Falle einer Realisierung von Erregerstrukturen, wie sie beispielsweise in entsprechenden Endgeräten verbaut werden, unter Verwendung von Stabelementen eine nicht unbeträchtliche Länge für ein solches Stabelement erforderlich.
Aufgrund der vorstehend erläuterten Zusammenhänge sind Stabelemente zum Senden und Empfangen von Funksignalen, insbesondere für den schon angesprochenen bevorzugten Einsatzzweck, nämlich etwa montiert auf den Dächern von Zügen, eher ungeeignet. Vielmehr geht es in diesem Bereich darum, die Erregerstrukturen mit einer möglichst geringen Bauhöhe auszuführen, um für das technische Gesamtkonstrukt aus Fahrzeug und Erregerstruktur eine aerodynamisch günstige Form zu erhalten, die auch bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten einen möglichst geringen Luftwiderstand aufweist. Trotz dieser wichtigen Randbedingung ist selbstverständlich dennoch für alle durch die Erregerstruktur unterstützten Funkstandards eine möglichst unbeeinträchtigte, das heißt insbesondere möglichst verlustarme Signalübertragung mit guter Signalqualität zu gewährleisten.
Daher sind im Laufe der Zeit Konzepte entwickelt worden, bei welchen das Prinzip des Stabelements mit dem Ziel einer mechanischen Verkürzung beziehungsweise einer Erzielung kompakterer Bauformen in unterschiedlicher Weise abgewandelt wurde. Ein Beispiel hierfür wird in US 2010/0295736 A1 beschrieben. Dort wird ein Mehrantennenmodul mit einer die elektrische Masse ausbildenden metallischen Grundplatte und einer Mehrzahl darauf angeordneter flacher Erregerelemente offenbart. Jedes der metallischen Erregerelemente besteht aus einem parallel zur Grundplatte angeordneten, an seinem Ende in Richtung der Grundplatte abgewinkelten Flächenabschnitt, der mit der Grundplatte mechanisch über zwei, jeweils orthogonal von dieser aufragende Flächenabschnitte verbunden ist. Einer der orthogonal von der Grundplatte aufragenden Flächenabschnitte ist ein schmaler, elektrisch mit einer Signalleitung verbundener Streifen. Über den anderen separaten sowie deutlich breiteren Flächenabschnitt ist der zur Grundplatte parallele Flächenabschnitt des jeweiligen Erregerelements elektrisch mit der Masse kurzgeschlossen.
Im Zusammenhang mit Stabelementen ist zudem die Verwendung einer so genannten Dachkapazität bekannt geworden. Hierbei wird am Ende eines Erregerelementes, insbesondere eines Sendemastes, eine gitter- oder speichenförmige oder gar eine flächige Struktur aus Metall angeordnet. Diese Struktur wirkt gegenüber der elektrischen Masse der Anordnung - im Falle des Stabelementes gegenüber dem Erdboden - vergleichbar einer Kondensatorscheibe, welche über ein Dielektrikum, nämlich die Luft, von der Anordnungsmasse räumlich getrennt ist. Durch diese konstruktive Maßnahme wird, ohne die mechanische Länge eines Stabelementes beziehungsweise die Höhe eines Mastes vergrößern zu müssen, die elektrisch wirksame Länge des Erregerelements vergrößert.
Die Tatsache, dass sich mit Hilfe einer Dachkapazität, das heißt eines oberhalb oder am Ende eines Stabelements angeordneten metallischen Flächenelements, unter gleichzeitiger Einhaltung HF-technischer Resonanzbedingungen, eine Verkürzung von Erregerelementen beziehungsweise eine Verringerung der Bauhöhe von Erregerstrukturen mit entsprechenden Erregerelementen erreichen lässt, ist seit längerem bekannt. Von dieser Erkenntnis macht im Grunde auch eine durch die DE 10 2012 108 600 B3 bekannt gewordene Erregerstruktur Gebrauch, welche ein in seiner Wirkung mit einer Dachkapazität vergleichbares Dachelement aufweist.
Die in der vorgenannten Druckschrift beschriebene Erregerstruktur besteht aus einem eine ebene Oberfläche für die elektrische Masse der Gesamtstruktur ausbildenden Metallelement und mindestens einem in Form einer Ringstruktur ausgebildeten rundstrahlendem Erregerelement. Das besagte Erregerelement besteht dabei aus zwei von der Oberfläche des die Masse ausbildenden Metallelements beabstandet angeordneten, jeweils geschlossenen Ringen. Oberhalb der jeweils durch ein streifenförmiges Element ausgebildeten und mit einer Oberfläche dieses streifenförmigen Elements parallel zur Anordnungsmasse angeordneten geschlossenen Ringe ist eine mit der Masse elektrisch leitend verbundene Metallscheibe als Dachelement angeordnet, welches vergleichbar einer Dachkapazität wirkt und eine geringe Bauhöhe der Gesamtanordnung ermöglicht.
Eine Antennenanordnung mit einer Erregerstruktur gleicher Art wird außerdem in DE 20 2012 103520 U1 beschrieben, wobei die entsprechende Antennenanordnung hier an einer Kanalabdeckung angeordnet oder von einer solchen aufgenommen wird. Die ringförmigen Erregerelemente der in den beiden vorgenannten Druckschriften beschriebenen Erregerstrukturen empfangen im Wesentlichen, das heißt ganz überwiegend vertikal polarisierte Funksignale.
Letzteres gilt auch für eine in DE 295 06 693 U1 beschriebene Flachantennenanordnung, bei welcher auf einem metallischen, die Masse ausbildenden Basiselement mindestens ein als Antenne für den Mobilfunk ausgelegtes, zu dem Basiselement planparallel ausgerichtetes metallisches Erregerelement angeordnet ist. Das Erregerelement ist über einen sich orthogonal zum Basiselement erstreckenden Metallsteg mit der Masse kurzgeschlossen, wobei eine insoweit auch als Dachkapazität wirkende scheibenförmige GPS-Antenne über dem mindestens einen Mobilfunk-Erregerelement, dieses zumindest teilweise überdeckend angeordnet ist.
Im Hinblick auf den Empfang von Funksignalen ist es jedoch wünschenswert, nahezu alle Funksignale, unabhängig von ihrer Polarisation, vollständig empfangen zu können. Hierbei gilt es auch zu berücksichtigen, dass Funksignale des Mobilfunks typischerweise kreuzpolarisiert sind, so dass durch die zuvor beschriebene Anordnung aufgrund ihrer erläuterten Empfangscharakteristik häufig nur ein Teil der Leistung ankommender, gemäß dem jeweiligen Funkstandard übertragener Funksignale eingefangen und den nachgeordneten Empfangseinrichtungen zur Demodulation und weiteren Signalverarbeitung zugeleitet werden kann. Hinzu kommt, dass insbesondere Funksignale der im Mobilfunk verwendeten Frequenzen aufgrund ihrer verhältnismäßig kurzen Wellenlänge dazu neigen, dass sich ihre Hauptpolarisationsrichtung auf der Übertragungsstrecke und/oder zeitabhängig verändert. Ungeachtet dessen sollten jedoch die eingehenden Funksignale möglichst mit stets gleich hoher Qualität und Feldstärke empfangen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Erregerstruktur bereitzustellen, die einerseits eine möglichst geringe Bauhöhe aufweist und deren Erregerelement oder Erregerelemente für eingehende, das heißt empfangene Funksignale hinsichtlich deren Polarisation eine hohe Diversität aufweisen.
Die Aufgabe wird durch eine Erregerstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind durch die Unteransprüche gegeben.
Die zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen flachbauende Erregerstruktur weist ein flächiges, die elektrische Masse der Erregerstruktur ausbildendes metallisches Basiselement mit einer ebenen Oberfläche, ein ebenfalls flächiges, im Abstand parallel zu dem Basiselement angeordnetes und mit diesem elektrisch leitend verbundenes metallisches Dachelement und mindestens ein, zwischen dem Basiselement und dem Dachelement angeordnetes Erregerelement zum Abstrahlen und/oder Empfangen von Funksignalen auf. Dieses mindestens eine Erregerelement ist mit dem Ende einer durch das Basiselement hindurchgeführten und gegenüber diesem isolierten Signalleitung elektrisch leitend verbunden.
Das eine Erregerelement oder mindestens eines von mehreren zwischen dem Basiselement und dem Dachelement angeordneten Erregerelementen ist flächig ausgebildet und ragt dabei von einem zu seiner Verbindung mit dem Signalkabel ausgebildeten Fußpunkt am Basiselement in einer in Bezug auf das Basiselement sowohl eine vertikale als auch eine horizontale Komponente aufweisenden Erstreckungsrichtung, unter Verbleib eines Abstands zu dem Dachelement in Richtung des Dachelements auf, welches, wie gesagt, leitend mit dem die elektrische Masse ausbildenden Basiselement verbunden ist.
Eine elektrische Verbindung zwischen dem Basiselement und dem Dachelement ist dabei bei Erregerstrukturen, welche für den Einsatz auf Dächern von Schienenfahrzeugen mit insbesondere Oberleitungsbetrieb zwingend erforderlich, um zum Beispiel im Falle einer auf das Dach des Fahrzeugs fallendenden gerissenen Oberleitung (eines gerissenen Fahrdrahts) die Oberleitungsspannung gegen Masse (das Basiselement) kurzzuschließen. Die Verbindung kann dabei über ein auch das Dachelement gegenüber dem Basiselement auf Abstand haltendes und das Dachelement gleichzeitig stützendes Metallelement hergestellt sein, welches beispielsweise zylinderförmig ausgebildet ist. Das platten- oder scheibenförmige Dachelement selbst kann je nach Konfiguration der Erregerstruktur und den von dieser unterstützten Funkstandards sowie in Abhängig der konkreten Ausbildung des oder der Erregerelemente und den sich hieraus für die Abstimmung der Gesamtanordnung ergebenden Erfordernisse in unterschiedlicher Materialstärke oder auch als "Sandwich"-Struktur ausgebildet sein.
Durch die spezielle Ausbildung und Ausrichtung ihres oder ihrer Erregerelemente, mit einer sowohl eine vertikale Komponente als auch eine horizontale Komponente aufweisenden Erstreckungsrichtung, wird für die Erregerstruktur und die durch sie unterstützten Funkstandards bezüglich der Polarisation insbesondere empfangener Funksignale, das heißt deren Trägersignal eine hohe Diversität erreicht. Hierdurch können durch die Erregerstruktur Funksignale unterschiedlichster Polarisation zur Weiterverarbeitung an sie verarbeitende Empfangseinheiten weitergleitet werden. Das Dachelement wirkt hierbei vergleichbar einer Dachkapazität und ermöglicht dadurch eine vergleichsweise kurze Gesamtlänge des oder der Erregerelemente, wobei durch deren zumindest abschnittsweise bezüglich des Basiselements (der elektrischen Masse der Erregerstruktur) im Wesentlichen horizontale Ausrichtung eine niedrige Bauhöhe der Gesamtanordnung zusätzlich begünstigt wird, was zudem mit einer erhöhten Diversität der Polarisationscharakteristik einhergeht.
Die zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagene Erregerstruktur weist wenigstens ein aus mindestens zwei einstückig miteinander verbundenen Flächenabschnitten bestehendes Erregerelement auf. Hierbei ragt ein erster Flächenabschnitt des entsprechenden Erregerelements in Bezug auf das Basiselement (Masseelement) überwiegend in vertikaler Richtung von einem Fußpunkt am Basiselement auf, wobei dieser erste Flächenabschnitt mit einem zweiten, sich überwiegend in horizontaler Richtung in Bezug auf das Basiselement erstreckenden Flächenabschnitt des Erregerelements einstückig verbunden ist.
Die etablierten Mobilfunkstandards unterstützen jeweils die Übertragung von Funksignalen beziehungsweise Trägersignalen in zwei oder mehr Frequenzbändern. Dem Rechnung tragend, ist es bei der erfindungsgemäßen Erregerstruktur so, dass das eine Erregerelement oder mindestens eines von mehreren zwischen dem Basiselement und dem Dachelement angeordneten Erregerelementen wenigstens zwei, an dem schon mehrfach erwähnten Fußpunkt zusammenlaufende, jeweils aus mindestens zwei einstückig miteinander verbundenen Flächenabschnitten bestehende Flügel aufweist.
Jeder der Flügel eines solchen Erregerelements weist hierbei wiederum einen ersten, in Bezug auf das Basiselement überwiegend in vertikaler Richtung von dem Fußpunkt aufragenden Flächenabschnitt und einen zweiten, sich in Bezug auf das Basiselement überwiegend in horizontaler Richtung erstreckenden, mit dem ersten Flächenabschnitt desselben Flügels verbundenen Flächenabschnitt auf. Die Gestaltung eines entsprechenden Erregerelements ist hierbei so, dass dessen mindestens zwei Flügel nur an dem Fußpunkt im Bereich des Basiselements miteinander in Kontakt beziehungsweise verbunden sind. Jeder der Flügel eines solchen Erregerelements ist dabei hinsichtlich der Dimensionierung seiner Flächenabschnitte für jeweils einen durch den von dem durch das Erregerelement unterstützten Mobilfunkstandard verwendeten Frequenzbereich (Frequenzband) ausgelegt. Soweit durch einen Mobilfunkstandard mehr als zwei Frequenzbänder unterstützt werden, kann dem Rechnung getragen werden durch eine Ausbildung des Erregerelements mit mehr als zwei Flügeln, welche jeweils aus zwei Flächenabschnitten bestehen.
Der jeweils zweite Flächenabschnitt eines in der vorbeschriebenen Weise ausgebildeten Erregerelements kann sich auch parallel zu dem Basiselement erstrecken. Dies heißt, dass sich dieser Flächenabschnitt aufgrund seiner Anordnung zwischen dem Basiselement und dem dazu parallelen Dachelement folglich auch parallel zu dem Dachelement erstreckt. Soweit vorstehend und in den damit korrespondierenden Patentansprüchen von Flächenabschnitten eines Erregerelements gesprochen wird, soll dies zum Ausdruck bringen, dass die betreffenden Abschnitte des Erregerelements jeweils flächig ausgebildet sind, das heißt zwei einander gegenüberliegende Oberflächen haben, die im Verhältnis zur Größe dieser Oberflächen zueinander nur einen geringen, durch die Materialstärke eines zur Ausbildung des Erregerelements verwendeten Stahlblechs bestimmten Abstand aufweisen.
Insoweit ist bei der zuletzt beschriebenen Ausbildungsform eine Oberfläche des besagten zweiten Flächenabschnitts parallel zu der ebenen Oberfläche des Basiselements und seine andere, gegenüberliegende Oberfläche parallel zu dem flächigen Dachelement angeordnet. Zur mechanischen Stabilisierung kann dabei der zweite, sich in Bezug auf das Basiselement überwiegend in horizontaler Richtung erstreckende oder sogar parallel zu diesem angeordnete Flächenabschnitt mittels eines Stützelements auf dem Basiselement abgestützt sein. Sofern die Erregerstruktur für den Einsatz auf dem Dach eines Schienenfahrzeugs vorgesehen ist, besteht dabei das vorgenannte Stützelement vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus Metall, um hierüber gegebenenfalls, ebenso wie über einen entsprechenden metallischen Verbinder zwischen dem Dachelement und dem Basiselement der Erregerstruktur die von einer beschädigten Oberleitung geführte Spannung kurzschließen zu können.
Soweit im Zusammenhang mit der zuletzt beschriebenen Ausbildungsform und mit deren nachfolgen beschriebenen Varianten hinsichtlich mindestens eines Erregerelements von einem sich (in Bezug auf das Basiselement) überwiegend in vertikaler Richtung erstreckenden Flächenabschnitt und von einem sich (in Bezug auf das Basiselement) überwiegend in horizontaler Richtung erstreckenden Flächenabschnitt gesprochen wird, wird hierbei regelmäßig von flachen Flächenabschnitten ausgegangen, die sich in einem geraden (das heißt nicht in einem gebogenen oder in einem seine Richtung in sonstiger Weise ändernden) Verlauf in der betreffenden Richtung erstrecken.
Im Zusammenhang mit der zuvor erläuterten Ausbildungsform und ihren Varianten, also einer Erregerstruktur mit mindestens einem Erregerelement, welches aus einem ersten, sich in Bezug auf das Basiselement überwiegend in vertikaler Richtung erstreckenden und aus einem zweiten, sich in Bezug auf das Basiselement überwiegend in horizontaler Richtung erstreckenden Flächenabschnitt besteht, ragt vorzugsweise der erste Flächenabschnitt ausgehend von dem Fußpunkt am Basiselement mit einem Winkel von 0° bis 25° gegen eine von der ebenen Oberfläche des Basiselements ausgehende Orthogonale geneigt in Richtung des Dachelements auf.
In Versuchen hat sich gezeigt, dass die in zuvor beschriebener Weise ausgebildeten und angeordneten Erregerelemente einer Erregerstruktur, insbesondere bei einer entsprechenden Auslegung und Dimensionierung für das Senden und Empfangen von Funksignalen nach einem Mobilfunkstandard, eine hohe Polarisationsdiversität aufweisen. Demgemäß werden mit ihnen Funksignale des entsprechenden Mobilfunkstandards unabhängig von ihrer Polarisation im Moment des Auftreffens auf das Erregerelement gut empfangen. Das heißt, die Funksignale werden mit hoher Feldstärke und sehr geringen Verlusten aus der Umgebung aufgenommen und den nachfolgenden Einheiten zugeleitet. Im Zusammenhang mit dem oberhalb der Erregerelemente angeordneten Dachelement wird dabei durch die planare Erregerstruktur beispielsweise bei einem für den LTE-Mobilfunkstandard, konkret für LTE700 ausgelegten Erregerelement im Vergleich zu einem herkömmlichen Lambda-Viertel-Strahler bezüglich der Höhe eine Verkürzung des Elements auf ein Drittel bis ein Fünftel erreicht.
Bei der vorgestellten Erregerstruktur mit mehreren jeweils aus zwei Flächenabschnitten bestehenden Erregerelementen und/oder mit mindestens einem, wenigstens zwei Flügel mit jeweils zwei Flächenabschnitten aufweisenden Erregerelement sind die Erregerelemente respektive deren Flügel vorzugsweise derart ausgebildet, dass alle sich in Bezug auf das Basiselement überwiegend in horizontaler Richtung oder sogar parallel zu dem Basiselement erstreckenden Flächenabschnitte des oder der Erregerelemente den gleichen Abstand gegenüber dem Dachelement aufweisen. Soweit der zweite Flächenabschnitt eines entsprechenden Erregerelements parallel zu dem Basiselement und damit auch parallel zu dem Dachelement angeordnet ist, bezieht sich der genannte Abstand auf den Abstand zwischen der dem Dachelement zugewandten Oberfläche des betreffenden Abschnitts des Erregerelements und dem Dachelement. Weist ein zweiter Flächenabschnitt eines entsprechenden Erregerelements einen nicht exakt parallelen Verlauf zu dem Basiselement, sondern einen in Bezug auf dieses nur überwiegend horizontalen Verlauf auf, so ist in diesem Falle der Abstand zwischen der Kante am freien Ende des betreffenden Flächenabschnitts und dem Dachelement gemeint. Durch die zuvor beschriebene Ausbildung der Erregerstruktur lassen sich in besonders einfacher Weise alle von gegebenenfalls mehreren Erregerelementen beziehungsweise deren Flügel mit der Montage des Dachelements gleichzeitig abstimmen.
Die erfindungsgemäße Erregerstruktur kann zusätzlich wenigstens ein aus mindestens zwei einstückig miteinander verbundenen Flächenabschnitten bestehendes Erregerelement aufweisen, bei dem ein erster Flächenabschnitt, welcher sich orthogonal zu dem Basiselement in Richtung des Dachelements erstreckt, mit einem zweiten, sich in einem Winkel von 40° bis 70° oder von 110° bis 140° gegen das Basiselement geneigten Flächenabschnitt verbunden ist. Erregerelemente mit entsprechender Ausbildung beziehungsweise Ausrichtung ihrer Flächenabschnitte haben sich in Versuchen im Zusammenhang mit der Übertragung von WLAN-Signalen als vorteilhaft erwiesen. Die Erregerelemente können hierbei, trotz ihrer Ausbildung mit nur einem Flügel, so dimensioniert und ausgelegt werden, dass sie sowohl ein erstes Frequenzband als auch ein zweites Frequenzband, dessen Wellenlängen im Bereich der Wellenlängen der Oberwellen des ersten Frequenzbands liegen, unterstützen.
In Weiterbildung der Erfindung kann eine Erregerstruktur mit einem oder mehreren Erregerelementen der zuvor beschriebenen Varianten noch durch ein oder mehrere Erregerelemente in der Form eines Rings ergänzt sein. Erregerelemente in Form eines geschlossenen Rings dienen hierbei als Sende- und Empfangselemente für den TETRA-Funk, solche, die als offenerer Ring ausgebildet sind, zur Unterstützung des LSA-Funkstandards (LSA = Licht-Signal-Anlagensteuerung) im Schienenverkehr. Für ein LSA unterstützendes Erregerelement kann durch eine entsprechende Ringstruktur in Kombination mit dem vergleichbar einer Dachkapazität wirkenden Dachelement gegenüber der Länge eines herkömmlichen Lambda-Viertel-Strahlers eine Verkürzung auf 1/16 bis 1/20 erreicht werden.
Die vorgestellte Erregerstruktur kann zudem noch durch ein oder mehrere Erregerelemente in Form von Patchelementen ergänzt sein, welche(s) durch (ein) oberhalb des Dachelements angeordnete(s) weitere(s) flächige(s) Element(e) ausgebildet wird/werden, das/die mit einer Signalleitung verbunden ist/sind, die durch einen das Basiselement und das Dachelement leitend miteinander verbindenden metallischen Hohlsteg oder Hohlzylinder geführt ist. Im Falle einer für den Einsatz im Bahnverkehr vorgesehenen Konfiguration einer solchen Ausbildungsform ist das/sind die Patchelement(e) aus den schon mehrfach erläuterten sicherheitstechnischen Gründen, betreffend eine eventuelle Beschädigung einer Oberleitung, galvanisch mit Masse verbunden.
Eine besonders kompakte Bauform ergibt sich für die Erregerstruktur, wenn deren Basiselement und das Dachelement, entsprechend einer möglichen Ausbildungsform der Erregerstruktur, die Form einer Scheibe mit einem der Kreisform folgenden Außenumfang aufweisen. Es hat sich zudem gezeigt, dass eine solche Form im Hinblick auf eine omnidirektionale Abstrahlung beziehungsweise auf omnidirektional gleiche Empfangseigenschaften besonders günstig ist. Das Basiselement und das Dachelement sind hierbei vorzugsweise zueinander so angeordnet, dass ihre Mittelpunkte auf einer gedachten, orthogonal zu dem Basiselement aufragenden Achse liegen. Zudem sind die beiden Elemente (Basiselement und Dachelement) hierbei vorzugsweise über einen sich entlang dieser Achse erstreckenden zylinderförmigen metallischen Steg miteinander verbunden. Soweit die Erregerstruktur hierbei auch ringförmige Erregerelemente für den TETRA-Funk oder für LSA aufweist, sind diese vorzugsweise konzentrisch zu dem vorgenannten Steg angeordnet, wobei die in erfindungsgemäßer Weise mit einer eine horizontale und eine vertikale Komponente aufweisenden Erstreckungsrichtung ausgebildeten Erregerelemente in Abhängigkeit von der Gesamtkonfiguration und der Dimensionierung der einzelnen Erregerelemente innerhalb und/oder außerhalb der ringförmigen Erregerelemente angeordnet sein können.
Nachfolgend sollen anhand von Zeichnungen und zugehöriger Erläuterungen einige Ausführungsbeispiele für die Erfindung gegeben werden. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

Fig. 1:: eine mögliche Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Erregerstruktur,
Fig. 2:: die Ausbildungsform gemäß Fig. 1 bei entferntem Dachelement,
Fig. 3:: eine mögliche Ausbildungsform der Erregerstruktur mit Erregerelementen für WLAN-Funksignale,
Fig. 4:: eine weitere mögliche Ausbildungsform der Erregerstruktur mit zusätzlichen ringförmigen Erregerelementen und einem Patchelement,

Bei den in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen Erregerstruktur 1 handelt es sich um solche, die zur Montage auf einem Fahrzeugdach, insbesondere auf dem Dach eines Schienenfahrzeugs vorgesehen sind. Zum Zweck der Montage ist an dem Basiselement 4 eine Mehrzahl von Schraubbolzen 21 vorgesehen.
Die Fig. 1 zeigt eine erste grundsätzliche Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Erregerstruktur 1 in einer räumlichen Darstellung. Die Erregerstruktur 1 besteht aus einem die elektrische Masse der Anordnung ausbildenden metallischen Basiselement 4 mit einer ebenen Oberfläche 5, einem im Abstand dazu angeordneten, mit dem Basiselement 4 leitend verbundenen metallischen Dachelement 6 und aus mehreren, zwischen dem Basiselement 4 und dem Dachelement 6 angeordneten (selbstverständlich ebenfalls metallischen), mit einer Signalleitung 17 verbundenen Erregerelementen 2. In dem gezeigten Beispiel weisen die Oberfläche 5 des Basiselements 4 und das flächige Dachelement 6 eine Kreisform auf. Das Basiselement 4 und das Dachelement 6 sind über ein jeweils an den Mittelpunkten beider Elemente befestigtes zylinderförmiges Verbindungselement aus Metall (Hohlsteg 16) miteinander verbunden und zueinander parallel angeordnet.
Aufgrund der galvanischen Verbindung zwischen dem Dachelement 6 und dem Basiselement 4 wird, im Hinblick auf den Einsatz der Erregerstruktur 1 auf dem Dach eines Schienenfahrzeugs, die von einer elektrischen Oberleitung (einem Fahrdraht) geführte Spannung im Falle eines Reißens der Oberleitung über das Dachelement 6 der Erregerstruktur 1 und den elektrisch leitenden Hohlsteg 16 gegen die Masse des Basiselements 4 kurzgeschlossen.
Bei den zwischen dem Basiselement 4 und dem Dachelement 6 angeordneten Erregerelementen 2 handelt es sich um Erregerelemente 2 für den Mobilfunk. Aufgrund des Vorhandenseins des vergleichbar einer Dachkapazität wirkenden metallischen Dachelements 6 können die Erregerelemente 2 unter Erfüllung der Lambdahalbe- beziehungsweise der Lambdaviertel-Bedingung verhältnismäßig klein dimensioniert werden, so dass die gesamte Erregerstruktur 1 eine geringe Höhe aufweist. Durch die Wirkung des Dachelements 6 als Dachkapazität verkürzen sich die Längen der Erregerelemente 2 gegenüber der Lambda-Viertel-Länge auf ein Drittel bis ein Fünftel. Bei der dargestellten Ausbildungsform besitzt die, ohne oberhalb des Dachelements 6 angeordnetes zusätzliches Patchelement ausgeführte Erregerstruktur 1 eine Gesamthöhe von beispielsweise nur 40 mm, wobei sogar noch kleinere Bauformen möglich sind.
Jedes der Erregerelemente 2 ist zur Unterstützung zweier Frequenzbänder ausgebildet. Hierzu sind die Erregerelemente 2 durch zwei an einem Fußpunkt 7 zusammengeführte Flügel mit jeweils zwei Flächenabschnitten 8₁, 9₁, 8₂, 9₂ ausgebildet. Ein erster Flächenabschnitt 8₁, 8₂ eines jeweiligen Flügels erstreckt sich leicht geneigt gegen die Orthogonale zur ebenen Oberfläche 5 des Basiselements 4 in Richtung des Dachelements 6. An diesen, sich folglich in Bezug auf das Basiselement 4 überwiegend in vertikaler Richtung erstreckenden Flächenabschnitt 8₁, 8₂ eines Flügels des Erregerelements 2 schließt sich ein zweiter, vorliegend zumindest annähernd parallel zu dem Basiselement 4 verlaufender Flächenabschnitt 9₁, 9₂ an. Dieser Flächenabschnitt 9₁, 9₂ ist jeweils über ein Stützelement 10₁, 10₂ auf dem Basiselement 4 abgestützt sowie mit diesem und damit mit der elektrischen Masse - ebenfalls aus Sicherheitsgründen, für den Fall einer reißenden Oberleitung - elektrisch leitend verbunden. Jeder Flügel eines entsprechenden Erregerelements 2 weist durch die spezielle Ausrichtung seiner Flächenabschnitte 8₁, 9₁, 8₂, 9₂ bezüglich eingehender Funksignale eine hohe Polarisationsdiversität auf.
Die Fig. 2 zeigt die Erregerstruktur 1 entsprechend der Ausbildungsform gemäß Fig. 1 nochmals in einer Darstellung, bei welcher das Dachelement 6 entfernt wurde, so dass die einzelnen Erregerelemente 2 besser sichtbar sind. Gut erkennbar ist hierbei die spezielle Form und Ausrichtung der Flächenabschnitte 8₁, 9₁, 8₂, 9₂ der jeweils zwei Flügel jedes der Erregerelemente 2.
Die Fig. 3 zeigt - in einer Draufsicht - eine Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Erregerstruktur 1, welche neben mehreren Erregerelementen 2 für den Mobilfunk zwei Erregerelemente 3 für WLAN-Funksignale aufweist. Das betreffende Erregerelement 3 weist nur einen Flügel auf, welcher aus einem von einem Fußpunkt 11 an dem Basiselement 4 vertikal aufragenden Flächenabschnitt 12 und einen sich daran anschließenden, mit ihm einstückig ausgebildeten zweiten Flächenabschnitt 13 besteht, der sich in einem Winkel von etwa 50° bis 60° gegenüber dem Basiselement (Masse) geneigt erstreckt. Bei diesem, für WLAN-Funksignale ausgebildeten Erregerelement 3 ist es möglich, auch mittels nur eines Flügels zwei Frequenzbänder für die WLAN-Übertragung zu unterstützen. Das mit einer Signalleitung 18 verbundene Erregerelement 3 ist dabei so ausgebildet und dimensioniert, dass es ein erstes Frequenzband und ein zweites Frequenzband, dessen Wellenlängen den Wellenlängen der Oberwellen des ersten Frequenzbandes entsprechen, unterstützt.
Alle Erregerelemente 2, 3 der gezeigten Ausbildungsform der Erregerstruktur 1, also sowohl die jeweils zwei Flügel aufweisenden Erregerelemente 2 für den Mobilfunk als auch die beiden WLAN-Erregerelemente 3, erstrecken sich jeweils ausgehend von einem Fußpunkt 7, 11 am Basiselement 4 in Richtung des (hier entfernten und daher nicht gezeigten) Dachelements 6 und weisen dabei, dem Grundgedanken der Erfindung folgend, bezüglich ihrer Erstreckungsrichtung jeweils eine vertikale Komponente und eine horizontale Komponente auf. Die Erregerelemente 2 weisen dabei einen ersten, sich in Bezug auf das Basiselement 4 vertikal oder überwiegend in vertikaler Richtung erstreckenden Flächenabschnitt 8₁, 8₂ und einen zweiten, sich in Bezug auf das Basiselement 4 horizontal oder überwiegend in horizontaler Richtung erstreckenden Flächenabschnitt 9₁, 9₂, auf.
Die Fig. 4 zeigt eine Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Erregerstruktur 1, welche um zwei zusätzliche Erregerelemente 14, 14' in Form zweier flacher Ringe, nämlich eines offenen Rings und eines geschlossenen Rings, ergänzt ist, die parallel zu dem Basiselement (4) angeordnet und ein oder mehrere flügelförmigen Erregerelemente 2 für den Mobilfunk und/oder Elemente 3 für WLAN umgeben. Das mit der Signalleitung 19 verbundene Erregerelement 14 in Form des offenen Rings ist zur Unterstützung des TETRA-Funks Bestandteil der dargestellten Erregerstruktur 1, wohingegen das als geschlossener Ring ausgebildete, mit der Signalleitung 19' verbundene Erregerelement 14' zur Unterstützung der LSA, das heißt insbesondere der Aussendung von Funksignalen der Licht-Signal-Steuerung im Zugverkehr, dient.
Die gezeigte Ausbildungsform weist zudem oberhalb des Dachelements 6 ein, mit einer durch den Hohlsteg 16 geführten Signalleitung 20 verbundenes sowie in Bezug auf dieses Verbindungselement (Hohlsteg 16) außermittig angeordnetes Patchelement 15 auf. Es handelt sich hierbei um ein zusätzliches Erregerelement, zum Beispiel für den Empfang von GPS-Signalen, welches durch eine gegenüber dem Dachelement 6 kleinere Metallscheibe ausgebildet ist. Je nach Konfiguration und unterstützten Funkstandards können auch mehrere Patchelemente oberhalb des Dachelementes angeordnet sein, wobei auch mehr als eines davon dem Empfang von GPS-Signalen dienen kann.

Claims

Erregerstruktur (1), nämlich Anordnung zur Abstrahlung und/oder zum Empfang von Funksignalen mit einem eine ebene Oberfläche (5) aufweisenden metallischen Basiselement (4) zur Ausbildung der elektrischen Masse der Erregerstruktur (1), mit einem flächigen, im Abstand parallel zu dem Basiselement (4) angeordneten und mit diesem elektrisch leitend verbundenen metallischen Dachelement (6) und mit mindestens einem in einem Zwischenraum zwischen dem Basiselement (4) und dem Dachelement (6) angeordneten Erregerelement (2; 3), mit welchem das Ende einer durch das Basiselement (4) hindurchgeführten und gegenüber diesem isolierten Signalleitung (17; 18) elektrisch leitend verbunden ist, wobei das eine Erregerelement (2; 3) oder mindestens eines von mehreren zwischen dem Basiselement (4) und dem Dachelement (6) angeordneten Erregerelementen (2; 3) flächig ausgebildet ist und von einem zu seiner Verbindung mit der Signalleitung (17; 18) ausgebildeten Fußpunkt (7; 11) am Basiselement (4) in einer, in Bezug auf die ebene Oberfläche (5) das Basiselements (4) sowohl eine vertikale als auch eine horizontale Komponente aufweisenden Erstreckungsrichtung, unter Verbleib eines Abstandes zu dem Dachelement (6) in Richtung des Dachelementes (6) aufragt, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerstruktur (1) wenigstens ein aus mindestens zwei einstückig miteinander verbundenen Flächenabschnitten (8₁; 9₁; 8₂; 9₂) bestehendes Erregerelement (2) aufweist, wobei ein erster, in Bezug auf das Basiselement (4) in im Wesentlichen vertikaler Richtung von dem Fußpunkt (7) aufragender Flächenabschnitt (8₁; 8₂) mit einem zweiten, sich in im Wesentlichen horizontaler Richtung erstreckenden Flächenabschnitt (9₁; 9₂) des Erregerelements (2) verbunden ist und dass dieses wenigstens eine Erregerelement (2) wenigstens zwei, an dem Fußpunkt (7) zusammenlaufende, jeweils aus mindestens zwei einstückig miteinander verbundenen Flächenabschnitten (8₁; 9₁; 8₂; 9₂) bestehende Flügel aufweist, mit je einem in Bezug auf das Basiselement (4) überwiegend in vertikaler Richtung von dem Fußpunkt (7) aufragenden ersten Flächenabschnitt (8₁; 8₂) und mit je einem, sich in Bezug auf das Basiselement (4) überwiegend in horizontaler Richtung erstreckenden, mit dem ersten Flächenabschnitt (8₁; 8₂) desselben Flügels verbundenen zweiten Flächenabschnitt (9₁; 9₂), wobei die wenigstens zwei Flügel des Erregerelements (2) miteinander nur an dem Fußpunkt (7) in Kontakt kommen und für das Senden und Empfangen von Signalen in unterschiedlichen, durch einen Funkstandard unterstützen Frequenzbändern ausgebildet sind.
Erregerstruktur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Flächenabschnitt (9₁; 9₂) des mindestens einen Erregerelements (2) sowohl parallel zu dem Basiselement (4) als auch zu dem Dachelement (6) erstreckt, also eine Oberfläche dieses Flächenabschnitts (9₁; 9₂) parallel zu dem Basiselement (4) und eine ihr gegenüberliegende Oberfläche parallel zu dem Dachelement (6) angeordnet ist.
Erregerstruktur (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite, sich in Bezug auf das Basiselement (4) überwiegend in horizontaler Richtung oder parallel zu diesem erstreckende Flächenabschnitt (9₁; 9₂) des mindestens einen Erregerelements (2) mittels eines Stützelements (10₁; 10₂) auf dem Basiselement (4) abgestützt ist.
Erregerstruktur (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der abgestützte Flächenabschnitt (9₁; 9₂) durch das Stützelement (10₁; 10₂) leitend mit dem Basiselement (4) verbunden ist.
Erregerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Flächenabschnitt (8₁; 8₂) des mindestens einen Erregerelements (2), ausgehend von dem Fußpunkt (7) und mit einem Winkel von 0° bis 25° gegen eine von der ebenen Oberfläche (5) des Basiselements (4) ausgehende Orthogonale geneigt, in Richtung des Dachelements (6) aufragt.
Erregerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit mehreren, jeweils aus zwei Flächenabschnitten (8₁; 9₁; 8₂; 9₂) bestehenden Erregerelementen (2) und/oder mit mindestens einem, wenigstens zwei Flügel mit jeweils zwei Flächenabschnitten (8₁; 9₁; 8₂; 9₂) aufweisenden Erregerelement (2), dadurch gekennzeichnet, dass alle sich in Bezug auf das Basiselement (4) überwiegend in horizontaler Richtung oder parallel zu dem Basiselement (4) erstreckenden Flächenabschnitte (9₁; 9₂) des oder der Erregerelemente (2) den gleichen Abstand gegenüber dem Dachelement (6) aufweisen.
Erregerstruktur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens ein aus mindestens zwei einstückig miteinander verbundenen Flächenabschnitten (12; 13) bestehendes Erregerelement (3) aufweist, bei dem sich an den ersten Flächenabschnitt (12), welcher sich, ausgehend von einem Fußpunkt (11), orthogonal zum Basiselement (4) in Richtung des Dachelements (6) erstreckt, der zweite, mit diesem einstückig verbundene Flächenabschnitt (13) anschließt, der in einem Winkel von 40° bis 70° oder von 110° bis 140° gegen das Basiselement (4) geneigt ist.
Erregerstruktur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese zusätzlich mindestens ein Erregerelement (14; 14') in Form eines Rings aufweist.
Erregerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Dachelements (6) und parallel zu diesem mindestens ein scheibenförmiges Patchelement (15; 15') als zusätzliches Erregerelement angeordnet ist.
Erregerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (4) und das flächige Dachelement (6) als kreisförmige flächige Elemente ausgebildet sind, deren Kreismittelpunkte auf einer gemeinsamen, orthogonal zu ihnen verlaufenden Achse angeordnet sind.