WO1998054788A1 - Antenne zum abstrahlen von hochfrequenten funksignalen - Google Patents

Antenne zum abstrahlen von hochfrequenten funksignalen Download PDF

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Friedrich Landstorfer
Marcus Maier
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Definitions

  • the invention relates to an antenna for radiating high-frequency radio signals according to the preamble of the main claim.
  • an antenna for radiating high-frequency radio signals From the publication "Investigations of antennas for an indoor wideband communication system at 60 GHz” Zimmermann, MMMCOM, Dresden 12-13.5. 1997 it is known to design antennas for the communication between a base station and several mobile stations in a closed space as a lens antenna
  • the antenna is to establish radio connections in a system for high-bit data transmission in the frequency range of 60 GHz from a base station installed under the ceiling to several mobile stations located in a closed room.
  • the high-frequency signal of the base station present at the input of an antenna is radiated into the room to be supplied with the aid of the antenna.
  • the radiation pattern of the antenna enables uniform coverage of the entire room area at a defined working height.
  • mobile stations are supplied with more transmission power at a greater distance than mobile stations located at short distances below the transmitting antenna.
  • the signal directly perpendicular to the ground has a lower power level than the signal that is radiated against the boundary walls of the room.
  • reflections due to multipath propagation should be avoided. Otherwise, individual waves overlap at the receiving location, so that depending on the phase position, bs can be canceled by interferences of the total field strength.
  • the proposed antenna for radiating the high-frequency signal from the base station consists of a lenticular plexiglass shape, which is fed by a waveguide.
  • the geometry of the outer shell of the lens is similar to that
  • the radio signals emitted are linearly polarized. Due to the geometry of the outer shell of the lens, reflection losses occur in the transition between lens material and air. In addition, the antennas of the mobile subscribers must be aligned so that they receive the linearly polarized signals appropriately.
  • the antenna according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage over the fact that the inner shell of the dielectric lens has a geometry adapted to the space, while the outer shell consists of a hemisphere. This makes it easier to apply an anti-reflective layer and to avoid reflection losses when the lens material and air pass.
  • a primary radiator consisting of a waveguide with a helical antenna
  • lenses are possible to design with small ⁇ r in small dimensions. This makes it possible, for example, to manufacture the lens material from polyethylene. Such an advantage can also be achieved if the primary radiator is formed from a carbon conductor with a patch antenna.
  • Circular polarization of the radio signals is advantageously achieved by using such primary radiators. As a result, it is no longer necessary for the antennas of the mobile stations to have a specific orientation.
  • the use of radio signals with circular polarization also mitigates the effects of multipath propagation. This minimizes interference effects.
  • the electrical lens is advantageously anti-reflective by suitable measures. For this purpose, a ⁇ / 4 layer made of a suitable dielectric is advantageously applied or achieved by means of scoring.
  • FIG. 1 shows the communication system and FIG. 2 shows the antenna according to the invention.
  • FIG. 1 shows a base station 1 and a plurality of mobile stations 2 which communicate with one another via radio signals.
  • the mobile stations 2 are in a closed
  • the radio signals emitted by the base station are shaped into a steel cone 5. It can be seen that the radiation cone is shaped in such a way that reflections on the wall 4 are avoided as far as possible.
  • the transmission power is different within the radiation cone, it is higher in the cladding area of the cone in order to be able to supply more distant mobile stations with transmission power and is reduced in the middle of the radiation cone.
  • FIG. 2 shows the antenna 6 according to the invention, which consists of a primary radiator 13 and a dielectric lens 12.
  • the primary radiator 13 consists of a waveguide 7, on which a helical antenna 8 is attached.
  • the primary radiator projects into the inner shell of the dielectric lens 12.
  • the outer shell 10 of the dielectric lens 12 is hemispherical.
  • the anti-reflective layer 11 is located on the hemispherical surface of the outer shell 10.
  • the antenna of the base station consists of a primary radiator and the dielectric lens.
  • the primary radiator 13 is excited directly by the waveguide, so that no transitions and additional interfaces are necessary.
  • the primary radiator generates a 60 ° wide radiation diagram with circular polarization, which is shaped by the dielectric lens 12 to form the target diagram.
  • the shape of the dielectric lens depends on the spatial geometry and can be adapted to any room situation. Since the outer and inner shell of the lens can be used for beam shaping, there are two degrees of freedom. In order to be able to implement the simple anti-reflection layer, it is necessary that the wavefronts of the
  • the lens itself is made of a dielectric material that is easy to machine.
  • As a ⁇ / 4 anti-reflection layer for the dielectric-air transition grooves are screwed symmetrically into the material of the lens. These grooves must be smaller than the wavelength in the substrate. With these grooves of suitable depth and in a suitable duty cycle, a simple anti-reflective layer is possible without additional layering. For example, with a duty cycle of 1: 1, grooves of 0.5 mm wide and 1 mm deep are cut into the lens. This avoids reflection losses and improves the efficiency of the antenna. In addition, the radiation characteristics of the antenna are smoothed.

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Abstract

Es wird eine Antenne (6) zum Abstrahlen von hochfrequenten Signalen in einem geschlossenen Raum (3, 4) vorgeschlagen, wobei der Abstrahlkegel (5) durch eine dielektrische Linse (12) um den Primärstrahler (13) bestimmt wird und wobei die dielektrische Linse (12) aus einer an den Raum angepassten inneren Schale (9) und aus einer halbkugeligen äusseren Schale (10) besteht. Die Antenne (6) wird vorzugsweise in einer Basisstation (1) eines Kommunikationssystems verwendet, wobei die Basisstation (1) und mehrere Mobilstationen (2) über Funksignale miteinander kommunizieren.

Description

Antenne zum Abstrahlen von hochfrequenten Funksignalen
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Antenne zum Abstrahlen von hochfrequenten Funksignalen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der Veröffentlichung „Investigations of antennas for an indoor wideband communication System at 60 GHz" Zimmermann, MMMCOM, Dresden 12-13.5. 1997 ist bekannt, Antennen für die Kommunikation zwischen einer Basisstation und mehreren Mobilstationen in einem geschlossenen Raum als Linsenantenne auszubilden. Ziel dieser Antenne ist es, in einem System zur hochbitratigen Datenübertragung im Frequenzbereich von 60 GHz Funkverbindungen von einer unter der Decke angebrachten Basisstation zu mehreren in einem geschlossenen Raum befindlichen Mobilstationen aufzubauen.
Das am Eingang einer Antenne anliegende hochfrequente Signal der Basisstation wird mit Hilfe der Antenne in den zu versorgenden Raum abgestrahlt. Die Strahlungscharakteristik der Antenne ermöglicht die gleichmäßige Versorgung der gesamten Raumfläche in einer definierten Arbeitshöhe. Unter anderem werden Mobilstationen in weiterer Entfernung mit mehr Sendeleistung versorgt, als Mobilstationen die sich in kurzen Entfernungen unterhalb der sendenden Antenne befinden. Das direkt senkrecht zum Boden gerichtete Signal besitzt einen kleineren Leistungspegel , als das Signal, das gegen die Begrenzungswände des Raumes abgestrahlt wird. Bei der Signalübertragung zwischen Basisstation und Mobilstation sollen Reflektionen durch Mehrwegeausbreitung vermieden werden. Ansonsten überlagern sich am Empfangsort einzelne Wellen, so daß es je nach Phasenlage b s zur Auslöschung durch Interferenzen der Gesamtfeldstärke kommt. Die vorgeschlagene Antenne für das Abstrahlen des hochfrequenten Signals der Basisstation besteht aus einer linsenförmigen Plexiglasform, die von einem Wellenleiter gespeist wird. Die Geometrie der äußeren Schale der Linse ist an die
Gegebenheiten des Raumes angepaßt, der mit dem Hochfrequenz Signal versorgt werden soll. Die abgestrahlten Funksignale sind linear polarisiert. Durch die Geometrie der äußeren Schale der Linse entstehen Reflektionsverluste im Übergang zwischen Linsenmaterial und Luft. Zudem müssen die Antennen der mobilen Teilnehmer so ausgerichtet werden, daß sie die linear polarisierten Signale geeignet empfangen.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Antenne mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, daß die innere Schale der dielektrischen Linse eine an den Raum angepaßte Geometrie aufweist, während die äußere Schale aus einer Halbkugel besteht. Dadurch ist es einfacher möglich eine Antireflektionsschicht aufzubringen und Reflektions- verluste beim Übergang von Lmsenmaterial und Luft zu vermeiden.
Durch die m den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ist eine vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserung der im Hauptanspruch angegebenen Antenne möglich.
Durch den Einsatz eines Primärstrahlers , der aus einem Hohl- leiter mit einer Helixantenne besteht, ist es möglich Linsen mit niedrigem εr in kleinen Abmessungen zu gestalten. Es ist z.B. dadurch möglich, das Linsenmaterial aus Polyethylen herzustellen. Einen solchen Vorteil erreicht man auch wenn man den Primärstrahler aus einem Kohlleiter mit einer Patchantenne ausbildet.
Vorteilhafter Weise wird durch den Einsatz solcher Primärstrahler eine zirkuläre Polarisation der Funksignale erreicht. Dadurch ist es nicht mehr nötig, daß die Antennen der mobilen Stationen eine bestimmte Ausrichtung aufweisen. Durch die Verwendung von Funksignalen mit zirkularer Polarisation wird auch der Effekte der Mehrwegeausbreitung entschärft. Es ist dadurch eine Minimierung von Interferenzeffekten erreichbar. Vorteilhafter Weise wird die elektri- sehe Linse durch geeignete Maßnahmen entspiegelt. Dazu wird vorteilhafter Weise eine λ/4-Schicht aus einem geeigneten Dielektrikum aufgebracht oder durch eine Rillung erzielt.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 das Kommunikationssystem und Figur 2 die erfindungsgemäße Antenne.
Beschreibung des AusführungsbeiSpiels
Figur 1 zeigt eine Basisstation 1 und mehrere Mobilstationen 2, die über Funksignale miteinander kommunizieren. Die mobilen Stationen 2 befinden sich in einem geschlossenen
Raum, der durch eine Wand 4 und eine Decke 3 begrenzt ist. Die von der Basisstation abgestrahlten Funksignale sind zu einem Abstahlkegel 5 geformt. Es ist zu erkennen, daß der Abstrahlkegel so geformt ist, daß möglichst Reflektionen an der Wand 4 vermieden werden. Die Sendeleistung ist innerhalb des Abstrahlkegels unterschiedlich, sie ist im Mantelbereich des Kegels höher, um weiter entfernte Mobilstationen mit Sendeleistung versorgen zu können und verringert sich in der Mitte des Abstrahl- kegels .
Figur 2 zeigt die erfindungsgemäße Antenne 6, die aus einem Primärstrahler 13 und einer dielektrischen Linse 12 besteht. Der Primärstrahler 13 besteht aus einem Hohlleiter 7, an dem eine Helixantenne 8 angebracht ist. Der Primärstrahler ragt in die innere Schale der dielektrischen Linse 12 hinein. Die äußere Schale 10 der dielektrischen Linse 12 ist halbkugel- förmig ausgebildet. Auf der halbkugelförmigen Oberfläche der äußeren Schale 10 befindet sich die Antireflektionsschicht 11.
Die Antenne der Basisstation besteht aus einem Primärstrah- 1er und der dielektrischen Linse. Der Primärstrahler 13 wird direkt durch den Hohlleiter erregt, wodurch keine Übergänge und zusätzliche Schnittstellen notwendig sind. Der Primärstrahler erzeugt ein 60° breites Strahlungsdiagramm mit zirkularer Polarisation, das durch die dielektrische Linse 12 zum Solldiagramm geformt wird. Die Form der dielektrischen Linse richtet sich nach der räumlichen Geometrie und kann an jede Raumsituation angepaßt werden. Da zur Strahlformung die äußere und die innere Schale der Linse genutzt werden kann, sind zwei Freiheitsgrade vorhanden. Um die einfache Antireflektionsschicht realisieren zu können, ist es notwendig, daß die Wellenfronten des
Hochfrequenzsignals möglichst parallel zur Linsenoberfläche aus dem Material der äußeren Schale 10 austreten. Deshalb wird für die äußere Schale die halbkugelförmige Geometrie gewählt. Die innere, rotationssymetrische Schale 9 kann an verschiedene Raumsituationen angepaßt werden. Die Linse selbst besteht aus einem dielektrischen Material, das einfach zu bearbeiten ist. Beispielsweise wird Polyethylen mit einem εr = 2,14 verwendet. Als λ/4- Antireflektionsschicht für den Übergang Dielektrikum-Luft werden in das Material der Linse symmetrisch Nuten eingedreht. Diese Nuten müssen kleiner als die Wellenlänge im Substrat sein. Durch diese Nuten geeigneter Tiefe und in einem geeigneten Tastverhältnis wird eine einfache Anti- reflexschicht ohne zusätzliches Aufbringen einer Schichtung möglich. Beispielsweise wird bei einem Tastverhältnis von 1 : 1 Nuten von 0 , 5 mm Breite und 1 mm Tiefe in die Linse geschnitten. Dadurch werden Reflektionsverluste vermieden und der Wirkungsgrad der Antenne verbessert . Zudem wird die Strahlungscharakteristik der Antenne geglättet.

Claims

Ansprüche
1. Antenne (6) zum Abstrahlen von hochfrequenten Funksignalen in einem geschlossenen Raum, wobei der Abstrahlkegel (5) durch eine dielektrische Linse (12), die den Primärstrahler (13) umschließt, bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Linse (12) aus einer an die Abmessungen ds Raumes angepaßten inneren Schale (9) und aus einer halbkugeligen äußeren Schale (10) besteht.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der dielektrischen Linse aus Polyethylen besteht.
3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schale (10) rotationssymmetrische Nuten, die eine λ/4-Schicht bilden, aufweist.
4. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Antennenschale (10) eine dielektrische Beschichtung trägt.
5. Antenne nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstrahler aus einem Hohlleiter (7) mit einer Helixantenne (8) besteht.
6. Antenne nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstrahler aus einem Hohlleiter (7) mit einer Patchantenne (8) besteht.
7. Antenne nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstrahler aus einem Hohlleiter (7) besteht.
8. Antenne nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Funksignale eine zirkuläre Polarisation erhalten.
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