WO2020104652A1 - Verfahren und antennenanordnungen um funkkanäle statisch zu halten - Google Patents

Verfahren und antennenanordnungen um funkkanäle statisch zu halten

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WO2020104652A1
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movement trajectory
trajectory
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    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
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    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
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    • H04B7/046—Selection of precoding matrices or codebooks, e.g. using matrices antenna weighting taking physical layer constraints into account
    • H04B7/0469—Selection of precoding matrices or codebooks, e.g. using matrices antenna weighting taking physical layer constraints into account taking special antenna structures, e.g. cross polarized antennas into account
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    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0602—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using antenna switching
    • H04B7/0608—Antenna selection according to transmission parameters

Definitions

  • the invention relates to an antenna arrangement with at least one first antenna, which is designed to be connected to at least one second antenna via a radio channel, and a method for reducing fluctuations in a radio channel between two antennas.
  • the quality of the radio channel between the antennas essentially determines the quality and capacity of the transmission, so that devices and methods have been proposed in order to estimate the properties of the radio channel in advance and to adapt the characteristics of the transmitting and receiving antennas accordingly. This is particularly important when there is no line-of-sight (LOS) connection, but a large number of propagation paths between the antennas, and the received signal consists of a large number of more or less phase-shifted by reflection and more or less by attenuation attenuated partial signals
  • predictor antennas are arranged at a defined distance in the direction of travel in front of the actual transmitting or receiving antenna. During the journey, movement of the predictor antenna relative to the stationary antenna is detected by at least one detector, and the parameters of the radio channel at a specific position are estimated by the predictor antenna by sending a pilot sequence. The vehicle keeps moving, and that
  • Time slot-based transmission methods in particular methods based on TDMA (Time Division Multiple Access) such as GSM, UMTS and LTE,
  • the antenna arrangement comprises at least one first antenna, which is designed to be connected to at least one second antenna via a radio channel.
  • the second antenna can also be part of the antenna arrangement.
  • a device which detects or predicts a movement of the first antenna, a movement of the second antenna, or a movement of both antennas and is designed such that it determines a spatial movement trajectory of the first antenna relative to the second antenna.
  • a calculation unit is provided which is designed to calculate a spatial counter-movement trajectory when the first antenna moves, which in space is essentially opposite to the movement trajectory, and / or to calculate a spatial co-movement trajectory when the second antenna moves, which Space runs essentially the same as the movement trajectory.
  • the antenna arrangement comprises an adaptation device which is set up to adapt the spatial radiation characteristic of the first antenna during the movement of the first antenna, the second antenna or both antennas such that the properties of the radio channel between the first antenna and the second antenna essentially despite the movement remain unchanged.
  • the antennas can each be electromagnetic antennas, in particular mobile radio antennas, which are arranged on a vehicle, a mobile telephone, a tablet or laptop computer, an aircraft, a rocket or another movable device. But it can also be a
  • immovable antenna in particular a part of a mobile radio base station, a directional transmitter, a radio transmitter, a radar system or another immovable device. It can also be an immovable antenna that is moved unplanned, for example due to vibrations or movements in the wind, or if this is with a
  • Cellular antenna is connected via a radio channel.
  • the device for detection or prediction can be any component that is suitable for recording or predicting movement data of the first antenna and / or the second antenna or the platforms on which these antennas are mounted.
  • it can be one
  • Act motion sensor GPS sensor, a gyroscope, a rotation sensor or the like. It can also be a device for detecting a movement of the other antenna or platform, for example one
  • Radar detector a lidar detector or one or more cameras.
  • SLAM Simultaneous Localization and Mapping
  • Other methods for position determination can be used to detect the movement of the first antenna or the second antenna.
  • the device can be arranged on the first antenna, on the second antenna or on another component with which the antenna arrangement is connected.
  • the adaptation according to the invention of the spatial radiation characteristic of the first antenna ensures that the radio channel between the antennas remains static within the period under consideration during the movement of the first antenna and / or the second antenna; Any disturbances caused by the movement are compensated for by the adaptation.
  • the adaptation can be, in particular, a spatial shift of the first antenna or its radiation characteristic, so that the relative spacing of the antennas remains unchanged.
  • the invention is independent of whether the first antenna and the second antenna are transmitting or receiving antennas. It is also not necessary for the embodiment of the invention to transmit information about the detected movement or the movement trajectory to the second antenna.
  • the movement trajectory denotes the path that the first antenna travels relative to the second antenna within a certain period of time; in the case of a movement of the second antenna, the path which the second antenna travels relative to the first antenna within a certain period of time.
  • the movement trajectory is preferably determined in Cartesian coordinates or polar coordinates.
  • Countermovement trajectory for example by movement of the first antenna, can preferably be provided if the first antenna is mounted on a platform or a device that is large compared to the movement and / or wavelength performed, for example if the first antenna is mounted on a car roof . If an antenna is mounted on a platform or a device that is small compared to the movement and / or wavelength performed, but the platform of the other antenna is large, movement of one antenna can preferably be compensated for by moving the other antenna. This can be the case in particular if one antenna is mounted on a mobile phone and the other antenna on a base station. Both the
  • the antenna arrangement comprises both antennas, a further adaptation device being provided which is set up to adapt the spatial radiation characteristic of the second antenna, so that the properties of the radio channel can be stabilized by adapting the spatial radiation characteristics of both antennas.
  • the movement trajectory determined can be achieved through a cooperative adaptation of the
  • Radiation characteristics of the first antenna and the second antenna can be compensated. This is advantageous if both antennas are mounted on platforms or devices that are roughly equally suitable for carrying out movements. In this case, the two antennas divide the required adaptations in such a way that the relative spacing of the antennas remains the same.
  • the device for detecting a movement of the first antenna and / or the second antenna has at least one detector or a predictor for predicting the movement.
  • the predictor can in particular be designed such that it receives data of a planned trajectory from an external control unit.
  • the external control unit can in particular be the control unit of an autonomous vehicle, which calculates the planned trajectory in advance and transmits it to the predictor of the antenna arrangement.
  • the predictor can comprise its own computing unit, a memory and an interface unit. This is particularly advantageous when the movement trajectory is predetermined, for example by the structural design of a carrier of the second antenna, or in the case of previously known ones
  • the second antenna can be designed to determine its movement relative to the first antenna itself and to transmit it to the first antenna or the control unit via a separate communication channel.
  • the first antenna can also be designed to guess or extrapolate the movement trajectory from at least one known position of the second antenna.
  • the movement trajectory is preferably detected and the required countermovement trajectory is calculated within short time intervals for the next following time interval.
  • the time intervals are preferably adapted to the duration of the time slots of time slot-based transmission methods, for example 577 microseconds in the case of GSM. Of course, other time intervals are also provided according to the invention. In a variant of the invention, it is assumed that the speed, acceleration and direction of the
  • Antenna arrangement does not change significantly, so that the movement trajectory can be linearly extrapolated to determine the predicted counter-movement trajectory.
  • the movement trajectory is limited to a linear movement with constant speed and acceleration in a certain direction over a certain distance (linear trajectory), so that a counter-movement trajectory is a corresponding linear movement in the same or opposite direction with the same speed and acceleration.
  • Movements provided, for example two-dimensional or three-dimensional curves in space (non-linear trajectories), so that as
  • Trajectory is approximated by a two-dimensional curve or a one-dimensional line. This is particularly advantageous if the antenna arrangement is arranged on a surface of a mobile telephone that can move freely in space, for example on the back of a smartphone. In one embodiment, the three-dimensional movement of the mobile telephone in space is approximated by a two-dimensional movement of the antenna arrangement on the back.
  • the adaptation of the spatial radiation characteristics of the first or second antenna can be implemented in different ways. It is essential that the
  • the amplitude, phase and frequency of the transmitted signal are preferably kept constant by the adaptation along the co-motion or counter-motion trajectory.
  • the adaptation device can comprise a mechanical drive element, for example a stepper motor.
  • the drive element can be set up to keep the spatial position of the first antenna relative to the second antenna substantially constant during the movement. This can be done particularly through physical
  • the drive element can be set up to keep the spatial position of the first antenna relative to the second antenna constant over the longest possible period of time.
  • the time period preferably extends at least over the entire duration of a time slot of the radio protocol used.
  • the period can be at least 0.577 ms in the case of the GSM protocol.
  • the adaptation device comprises a groove and a movable slide, the first antenna being arranged on the slide and the slide preferably being movable in the groove via a stepper motor.
  • the groove can be arranged linearly, as for the short considered
  • Stepper motor and slide can be designed for high speed and acceleration.
  • the length of the groove is selected such that, with a predetermined speed of movement of the antenna arrangement relative to the second antenna, the properties of the radio channel remain constant over the longest possible period.
  • the groove can have a length of at least approximately 3 cm in order to match the properties of the radio channel at least over a period of 0.577 ms to be able to keep constant.
  • the groove can have a length of at least approximately 3 mm.
  • the length of the groove depends primarily on the area actually available for attaching the antenna arrangement.
  • the entire available area or a large part thereof is preferably used to arrange the groove in order to be able to cover as many time slots as possible.
  • a slide guided in a groove which takes a comparatively long time, can, according to the invention, also be a version with two,
  • Antenna comprises at least two sub-antennas, with a mechanical drive element, for example a stepper motor or a gear, is provided for each sub-antenna, which is set up to adjust the spatial position of a sub-antenna relative to the second antenna by displacement along the center or
  • the radio channel between one of the two sub-antennas and the second antenna is always kept static.
  • a switchover device can be provided in the antenna arrangement, which ensures that that sub-antenna is always selected as the first antenna for transmission or reception that moves along the moving or counter-motion trajectory.
  • the at least two sub-antennas are shifted alternately from a starting position A along the moving or counter-movement trajectory to an end position E, each sub-antenna being moved back to the starting position A after reaching the end position E.
  • the at least two sub-antennas are shifted alternately from a starting position A along the moving or counter-movement trajectory to an end position E, each sub-antenna being moved back to the starting position A after reaching the end position E.
  • Adaptation device comprises two grooves and two movable carriages, the partial antennas each being arranged on a carriage and the carriages
  • the starting position A and the end position E can be provided at opposite ends of the grooves. This is advantageous if the direction of the movement is essentially known, for example in the case of a car or an aircraft.
  • the starting position A is approximately in the middle of the groove, and the end position E at one end of the groove. This is advantageous if the direction of the movement is not known, for example in the case of a mobile phone.
  • a third embodiment of the invention it can be provided that more than two partial antennas are moved in mutually parallel grooves in order to be able to use each successive time slot for communication, if possible.
  • a first number of the partial antennas are always active, a second number of the partial antennas are moved into their starting position, and a third number of the partial antennas are inactive.
  • a multidimensional array of partial antennas is provided, which is connected to the second antenna via a multiple-input multiple-output (MIMO) scheme.
  • MIMO multiple-input multiple-output
  • the mutually parallel grooves are preferably connected to one another at their ends in a semicircular manner.
  • at least two semicircular connecting grooves can be provided.
  • the grooves can also be meandering.
  • a plurality of spatially spaced, identical first antennas can be provided, and the
  • Adaptation device can be set up when the
  • the first antennas can be arranged in a row and the adaptation device can be set up to activate the first antennas in sequence when the antenna arrangement is moved.
  • the adaptation device can comprise an electronically switched multiplexer.
  • the first antennas can also be in a matrix
  • the chronological sequence of the activation of the respective first antennas can be matched to the spacing of the antennas from one another in such a way that a
  • Movement of the spatial radiation characteristic of the respectively activated first antenna results, which runs along the co-movement or counter-movement trajectory, in particular in a line or curve.
  • the first antenna is as
  • Antenna arrays of arranged antennas executed.
  • the antenna array has a common phase center, and the adaptation device is set up to shift the phase center of the antenna array along the counter motion trajectory in a purely electronic way.
  • This has the particular advantage that any two- or three-dimensional moving or counter-motion trajectory can be implemented. Again, it can be provided that the multi-dimensional
  • Antenna array is connected to the second antenna via a multiple-input multiple-output (MIMO) scheme.
  • MIMO multiple-input multiple-output
  • the first antenna is as
  • Slot antenna with a plurality of spatially spaced slots arranged in a row.
  • the slots can be activated electronically and, when activated, act as a radiation point for an electromagnetic wave.
  • Adaptation device is set up to activate the slits in succession along the with or counter movement trajectory.
  • the slot is formed by a large number of electronic switches, in particular diodes or microelectromechanical systems (MEMS), which are smaller than the slot itself.
  • MEMS microelectromechanical systems
  • the entire slot is formed by activating a group of switches arranged in series. If the slot is to be moved further, a switch is activated at the front and a switch is deactivated at the rear. This allows the slot to be moved at finer intervals.
  • the first antenna is designed as an arrangement of a plurality of slot antennas lying next to one another, so that a matrix-like arrangement of the slots results. This in turn has the advantage that any non-linear motion or counter motion trajectory can be realized.
  • the first antenna is formed by excitation of a surface wave radiated from a point as a free space wave.
  • the adaptation device is set up to shift the point of the radiation along the co-movement or counter-movement trajectory during the movement.
  • the antenna arrangement comprises a device for exciting a surface wave.
  • the surface wave propagates along the antenna arrangement or parts thereof, and the point at which the surface wave is to be emitted as a free-space wave is moved along the co-motion or counter-motion trajectory.
  • the elements which cause the transition between the surface wave and the free space wave at this point can be selected according to the prior art.
  • the elements can be parasitic conductor structures which can be short-circuited by means of selectively activatable diodes. These elements can be provided in a linear or matrix-shaped arrangement in order in turn to enable a linear or non-linear co-movement or counter-movement trajectory.
  • the first antenna can be part of a radio transmitter and the second antenna can be part of a radio receiver. Conversely, the first antenna can be part of a radio receiver and the second antenna can be part of a radio transmitter. Also executions as
  • Combined transmit / receive antennas are provided according to the invention.
  • the invention also extends to a mobile electronic device, for example a cell phone, smartphone, tablet, laptop or the like, comprising at least one antenna arrangement according to the invention.
  • a mobile electronic device for example a cell phone, smartphone, tablet, laptop or the like, comprising at least one antenna arrangement according to the invention.
  • the mobile electronic device for example a cell phone, smartphone, tablet, laptop or the like, comprising at least one antenna arrangement according to the invention.
  • Antenna arrangement a large extent, at least about 2 mm.
  • the invention further extends to a means of transportation, in particular a land vehicle, aircraft, watercraft or a missile, comprising at least one antenna arrangement according to the invention.
  • the means of transportation can have a roof.
  • the antenna arrangement can be arranged in a recess on the outer surface of the roof and have the largest possible extension, preferably an extension of at least about 2 cm.
  • the antenna arrangement can also be arranged on the side of the means of transportation.
  • the recess can be covered with a lid made of a dielectric.
  • a plurality of antenna arrangements according to the invention can also be provided for communication via different radio channels.
  • the invention further extends to methods for reducing fluctuations in the radio channel between at least one first antenna, which is connected to at least one second antenna via the radio channel, using at least one device for detecting or predicting a movement of the first antenna and / or the second antenna and for determining a spatial movement trajectory of the first antenna relative to the second antenna.
  • the method according to the invention comprises at least the following steps: calculation, by at least one
  • Countermovement trajectory which runs essentially opposite to the movement trajectory in space, and / or in the case of a movement of the second antenna of a spatial co-movement trajectory, which is essentially the same in space
  • Movement trajectory runs, adaptation, through an adaptation device, the spatial radiation characteristic of the first antenna along the
  • FIG. 1 is a schematic representation of a first embodiment of a
  • FIG. 2-9 schematic representations of further embodiments of antenna arrangements according to the invention.
  • Figs. 10a-10b are schematic representations of further embodiments
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a first embodiment of an antenna arrangement 1 according to the invention at two times t1 (top) and t2> t1 (bottom) in a side sectional view (left) and in a view from above (right).
  • the antenna arrangement 1 comprises a first electromagnetic antenna 2, which is designed to be connected to an electromagnetic second antenna 3, which is not part of the antenna arrangement 1 here, via a radio channel.
  • the second antenna 3 is an immobile mobile radio base station
  • the first antenna 2 is a mobile radio antenna of a mobile smartphone or a vehicle.
  • a detector 4 is provided which can detect a movement of the antenna arrangement 1 relative to the second antenna 3 along a movement trajectory 5.
  • the detector 4 is arranged on the antenna arrangement 1. It is also a
  • Calculation unit 6 which serves to process the data recorded by the detector 4.
  • the calculation unit 6 is connected to the adaptation device 8.
  • the calculation unit 6 calculates an essentially opposite one
  • the trajectories 5, 7 are processed in Cartesian or polar coordinates.
  • Movement trajectory 5 is a straight line
  • the counter-movement trajectory 7 is a correspondingly opposite straight line.
  • the calculation unit 6 transmits the calculated counter-movement trajectory 7 to the adaptation device 8, and this causes the first antenna 2 to move accordingly. This changes the spatial radiation characteristics of the first antenna 2 and the properties of the radio channel between the first antenna 2 and the second antenna 3 remain despite movement the antenna arrangement 1 in
  • the adaptation device 8 includes a for moving the first antenna 2
  • the mechanical drive element 1 1 in the form of a stepper motor. This is controlled by the calculation unit 6 or an interposed motor control unit.
  • the drive element 11 is set up to keep the spatial position of the first antenna 2 relative to the second antenna 3 constant for as long as possible, but at least for the duration of a time slot of the radio protocol used, about 0.577 ms.
  • the adaptation device 8 comprises a groove 9 and a slide 10 movable therein.
  • the movable slide 10 is connected to the
  • the first antenna 2 is arranged on the carriage 10 and can thus be moved along the groove 9.
  • the groove 9 has a length of approximately 3 mm. In other exemplary embodiments, the groove 9 can be longer, for example 30 cm, but also, depending on the area of application, several meters.
  • antenna arrangement 1 At time t1, antenna arrangement 1 is in a first position and moves along movement trajectory 5. At time t2, the
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a second embodiment of an antenna arrangement 1 according to the invention.
  • the first antenna 2 comprises two sub-antennas 2 ', 2 ". It will only be one of the two at a time
  • Partial antennas 2 ', 2 used to communicate with the second antenna 3.
  • the adaptation device 8 comprises two parallel grooves 9 ', 9 "and two movable carriages 10', 10", the partial antennas 2 ', 2 "each being arranged on a carriage 10', 10" and the carriages preferably over each a stepper motor in the grooves 9 ', 9 "can be moved.
  • the antenna arrangement 1 moves along the
  • Movement trajectory 5 this is recognized by the detector 4 (not shown) and the calculation unit 6 (not shown) calculates a counter-movement trajectory 7.
  • a partial antenna 2 ' is guided along its groove 9' and thus forms a static radio channel for communication with the second antenna 3
  • the partial antenna 2 is moved back along its groove 9'.
  • the partial antenna 2 “starts its movement along the now newly established counter-movement trajectory 7 and continues the communication with the second antenna 3 practically seamlessly.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a further embodiment of an antenna arrangement 1 according to the invention.
  • a large number of spatially spaced, identical first antennas 2 ', 2 ", 2'” arranged in a row are provided.
  • the adaptation device 8 is set up to activate one of these first antennas 2 ', 2 ", 2'" in succession, preferably using a switched electronic multiplexer, along the counter movement trajectory 7 when the antenna arrangement 1 is moved.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a further embodiment of an antenna arrangement 1 according to the invention.
  • a plurality of spatially spaced antennas 2 ′′, 2 ′′, 2 ′′ ”arranged in the form of a one-dimensional antenna array are provided.
  • the antenna array has one
  • the adaptation device 8 is set up to move the phase center of the antenna array electronically along the counter movement trajectory 7 when the antenna arrangement 1 is moving. In an exemplary embodiment, not shown, a large number are spatially
  • the antenna array has a common one
  • the first antenna 2 is designed as a slot antenna with a plurality of spatially spaced slots 12, 12 ′′, 12 ′′ arranged in a row in a rectangular waveguide.
  • the slots 12, 12 ', 12 "act as a radiation point when activated
  • electromagnetic wave the radiation characteristic of which is indicated by a dashed line, and thus serve as a spatially variable first antenna 2.
  • Adaptation device 8 is set up to select one of these slots 12, 12 ′, 12 ′′ along the counter movement trajectory 7 for transmission or reception when the antenna arrangement 1 is moved by electronically activating passive elements.
  • the other slots are deactivated and do not radiate.
  • several slots can be active at the same time and connected to the second antenna in a MIMO scheme.
  • the movement of the antenna arrangement is predicted via a predictor 13.
  • the slots are not fixed in the waveguide, but are generated electronically, for example with diodes or microelectromechanical systems (MEMS).
  • MEMS microelectromechanical systems
  • a large number of diodes are arranged close to one another and are activated such that a plurality of activated diodes lying next to one another form a single slot. The position of the slot is moved by activating adjacent diodes or
  • the first antenna 2 is not designed as a physical component, but is formed by excitation of a surface wave, for example by excitation with a
  • the adaptation device 8 is set up to move the point of the radiation of the surface wave along the counter movement trajectory 7 when the antenna arrangement 1 is moving. This can be done by electrically activating and deactivating slots, for example with diodes 15 or MEMS. This will be the place where the surface wave turns into a
  • Free space wave is transferred, postponed.
  • FIG. 7-9 show schematic representations of further embodiments
  • first antenna 2 is designed such that its radiation characteristic can follow the correspondingly opposite, non-linear counter-movement trajectory 7.
  • a large number of first antennas 2 ', 2 ", 2'" are provided, arranged in the form of a two-dimensional antenna array. The antennas activated at successive points in time are shown in bold, so that the course of the activated first antennas
  • Counter motion trajectory 7 forms.
  • the adaptation device 8 is provided to control the antenna array.
  • the first antenna 2 is by parallel arrangement of
  • the adaptation device 8 is provided to control the antenna array.
  • the slits 12 ′′, 12 ′′, 12 ′′ “act as a radiation point when activated
  • electromagnetic wave the radiation characteristic of which is indicated by a dashed line, and thus serve as a spatially variable first antenna 2.
  • Adaptation device 8 is set up to select one of these slots 12, 12 ′′, 12 ′′ along the counter movement trajectory 7 for transmission or reception when the antenna arrangement 1 is moved by electronically activating passive elements.
  • the other slots are deactivated and do not radiate.
  • the first antenna 2 is a parallel arrangement of
  • the surface wave is excited in such a way that it is formed two-dimensionally in the surface waveguides or the antenna arrangement 1.
  • the adaptation device 8 is set up to move the point of radiation of the surface wave along the counter movement trajectory 7. This can be done by electrically activating and deactivating slots, for example with diodes 15 ′′, 15 ′′, 15 ′′ ”or MEMS. The elements activated at successive times are shown in bold, so that the course of the activated first antennas forms the counter-movement trajectory 7.
  • 10a shows a further embodiment of an inventive
  • Antenna arrangement in which the second antenna 3 moves A detector of the antenna arrangement 1 detects the movement trajectory 5 of the second antenna 3 and a calculation unit 6 of the antenna arrangement 1 calculates one
  • Co-movement trajectory 7 ' which is spatially essentially the same as
  • Movement trajectory runs.
  • An adaptation device 8 of the antenna arrangement moves the first antenna 2 along the moving trajectory 7 ′, so that the
  • Antenna arrangement in which a movement of the platform of the second antenna 3 is compensated for by cooperative co-and counter-movements.
  • the second antenna 3 is part of the antenna arrangement 1, and it is a second adaptation device 8 'for moving the second antenna 3
  • a detector detects the movement trajectory 5 of the second antenna 3 or its platform and a calculation unit 6 calculates one
  • Counter-motion trajectory 7 and a co-motion trajectory 7 ' such that the combination of co-motion and counter-motion trajectory compensate for the motion trajectory.
  • An adaptation device 8 of the first antenna 2 moves the first antenna 2 along the moving trajectory 7 ′′
  • an adaptation device 8 ′′ of the second antenna 3 moves the second antenna 3 along the
  • the invention is not limited to the present exemplary embodiments, but encompasses all antenna arrangements within the scope of the following
  • the invention also includes any

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung (1), umfassend zumindest eine erste Antenne (2), die dazu ausgeführt ist, mit zumindest einer zweiten Antenne (3) über einen Funkkanal in Verbindung zu stehen, zumindest eine Vorrichtung zur Detektion oder Prädiktion einer Bewegung der ersten Antenne (2) und/oder der zweiten Antenne (3) und zur Bestimmung einer räumlichen Bewegungstrajektorie (5) der ersten Antenne (2) relativ zur zweiten Antenne (3), wobei zumindest eine Berechnungseinheit (6) vorgesehen ist, die dazu ausgeführt ist, bei einer Bewegung der ersten Antenne (2) eine räumliche Gegenbewegungstrajektorie (7) zu berechnen, die im Raum im Wesentlichen entgegengesetzt zur Bewegungstrajektorie (5) verläuft, und/oder bei einer Bewegung der zweiten Antenne (3) eine räumliche Mitbewegungstrajektorie zu berechnen, die im Raum im Wesentlichen gleich zur Bewegungstrajektorie (5) verläuft, eine Adaptionsvorrichtung (8) vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, die räumliche Strahlungscharakteristik der ersten Antenne (2) während der Bewegung derart entlang der Gegenbewegungstrajektorie (7) und/oder Mitbewegungstrajektorie zu adaptieren, dass die Eigenschaften des Funkkanals trotz der Bewegung im Wesentlichen unverändert bleiben.

Description

Verfahren und Antennenanordnungen um Funkkanäle statisch zu halten
Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung mit zumindest einer ersten Antenne, die dazu ausgeführt ist, mit zumindest einer zweiten Antenne über einen Funkkanal in Verbindung zu stehen, und ein Verfahren zur Reduktion von Schwankungen in einem Funkkanal zwischen zwei Antennen.
Derartige Antennenanordnungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Qualität des Funkkanals zwischen den Antennen bestimmt dabei die Qualität und Kapazität der Übertragung wesentlich, sodass Vorrichtungen und Verfahren vorgeschlagen wurden, um die Eigenschaften des Funkkanals vorab zu schätzen und die Charakteristik der Sende- und Empfangsantennen entsprechend anzupassen. Dies ist besonders dann von Bedeutung, wenn keine Line-of-Sight (LOS) Verbindung besteht, sondern eine Vielzahl an Ausbreitungspfaden zwischen den Antennen vorliegt, und das empfangene Signal aus einer Vielzahl an mehr oder weniger durch Reflexion phasenverschobenen und mehr oder weniger durch Dämpfung abgeschwächten Teilsignalen
zusammengesetzt werden muss.
Diese Problematik ist insbesondere bei der Funkübertragung zwischen einem
stationären Sender und einem bewegten Empfänger oder umgekehrt besonders kritisch, da sich die Charakteristika des Funkkanals in diesem Fall aufgrund des kurzfristigen Fadings, also des Durchlaufens räumlicher Wellentäler, zwangsläufig ändern. Gleiches gilt für die Kommunikation zwischen bewegten Sendern und
Empfängern. Eine Abschätzung der Kanalcharakteristika ist bei bewegten Objekten in der Regel nicht möglich oder mit unvorhersehbaren Fehlern behaftet. Aus diesem Grund wurde beispielsweise für Fahrzeuge der Einsatz sogenannter Prädiktorantennen vorgeschlagen. Diese Prädiktorantennen sind in einem definierten Abstand in Fahrtrichtung vor der eigentlichen Sende- bzw. Empfangsantenne angeordnet. Während der Fahrt wird durch zumindest einen Detektor eine Bewegung der Prädiktorantenne relativ zur stationären Antenne detektiert und es werden von der Prädiktorantenne durch Senden einer Pilotsequenz die Parameter des Funkkanals an einer bestimmten Position geschätzt. Das Fahrzeug bewegt sich weiter, und die
Parameter werden für die eigentliche Funkübertragung, wenn die Sende- /Empfangsantenne kurze Zeit später an derselben Position angelangt ist, benutzt. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass das Fahrzeug der stationären Antenne, in der Regel eine Mobilfunk-Basisstation, den Abstand der Antenne und seine
Geschwindigkeit, oder den Zeitpunkt der Übertragung, mitteilen muss. Dies ist in der Praxis für zeitschlitzbasierte Übertragungsverfahren, insbesondere auf TDMA (Time Division Multiple Access) basierende Verfahren wie GSM, UMTS und LTE,
unvorteilhaft.
Diese und andere Probleme werden durch eine Antennenanordnung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 19 gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst die Antennenanordnung zumindest eine erste Antenne, die dazu ausgeführt ist, mit zumindest einer zweiten Antenne über einen Funkkanal in Verbindung zu stehen. In erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann auch die zweite Antenne Teil der Antennenanordnung sein.
Es ist eine Vorrichtung vorgesehen, die eine Bewegung der ersten Antenne, eine Bewegung der zweiten Antenne, oder eine Bewegung beider Antennen detektiert oder prädiziert und derart ausgebildet ist, dass sie eine räumliche Bewegungstrajektorie der ersten Antenne relativ zur zweiten Antenne bestimmt. Es ist eine Berechnungseinheit vorgesehen, die dazu ausgeführt ist, bei einer Bewegung der ersten Antenne eine räumliche Gegenbewegungstrajektorie zu berechnen, die im Raum im Wesentlichen entgegengesetzt zur Bewegungstrajektorie verläuft, und/oder bei einer Bewegung der zweiten Antenne eine räumliche Mitbewegungstrajektorie zu berechnen, die im Raum im Wesentlichen gleich zur Bewegungstrajektorie verläuft. Die Antennenanordnung umfasst eine Adaptionsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die räumliche Strahlungscharakteristik der ersten Antenne während der Bewegung der ersten Antenne, der zweiten Antenne oder beider Antennen derart zu adaptieren, dass die Eigenschaften des Funkkanals zwischen erster Antenne und zweiter Antenne trotz der Bewegung im Wesentlichen unverändert bleiben.
Bei den Antennen kann es sich jeweils um elektromagnetische Antennen handeln, insbesondere Mobilfunkantennen, die auf einem Fahrzeug, einem Mobiltelefon, einem Tablet- oder Laptop-Computer, einem Flugzeug, einer Rakete oder einer anderen beweglichen Vorrichtung angeordnet sind. Es kann sich aber auch um eine
unbewegliche Antenne handeln, insbesondere um einen Teil einer Mobilfunk- Basisstation, eines Richtsenders, eines Rundfunksenders, einer Radaranlage oder einer anderen unbeweglichen Vorrichtung. Es kann sich auch um eine an sich unbewegliche Antenne handeln, die ungeplant bewegt wird, beispielsweise durch Erschütterungen oder Bewegungen im Wind, oder wenn diese mit einer
Mobilfunkantenne über einen Funkkanal verbunden ist.
Bei der Vorrichtung zur Detektion oder Prädiktion kann es sich um eine beliebige Komponente handeln, die geeignet ist, Bewegungsdaten der ersten Antenne und/oder der zweiten Antenne bzw. der Plattformen, auf denen diese Antennen montiert sind, aufzunehmen oder zu prädizieren. Beispielsweise kann es sich um einen
Bewegungssensor, GPS-Sensor, ein Gyroskop, einen Rotationssensor oder dergleichen handeln. Es kann sich auch um eine Vorrichtung zur Detektion einer Bewegung der anderen Antenne bzw. Plattform handeln, beispielsweise einen
Radardetektor, einen Lidardetektor oder eine oder mehrere Kameras.
Zur Detektion der Bewegung der ersten Antenne oder der zweiten Antenne können bekannte Verfahren wie SLAM (Simultaneous Localization and Mapping ) oder andere Verfahren zur Positionsbestimmung eingesetzt werden. Die Vorrichtung kann an der ersten Antenne, an der zweiten Antenne oder an einer anderen Komponente angeordnet sein, mit der die Antennenanordnung in Verbindung steht. Durch die erfindungsgemäße Adaption der räumlichen Strahlungscharakteristik der ersten Antenne wird erreicht, dass der Funkkanal zwischen den Antennen innerhalb des betrachteten Zeitraums während der Bewegung der ersten Antenne und/oder der zweiten Antenne statisch bleibt; allfällige Störungen durch die Bewegung werden durch die Adaption kompensiert. Bei der Adaption kann es sich insbesondere um eine räumliche Verschiebung der ersten Antenne oder ihrer Strahlungscharakteristik handeln, sodass der Relativabstand der Antennen unverändert bleibt.
Die Erfindung ist unabhängig davon, ob es sich bei der ersten Antenne und der zweiten Antenne um Sende- oder Empfangsantennen handelt. Auch ist es für die Ausführung der Erfindung nicht erforderlich, Informationen über die detektierte Bewegung oder die Bewegungstrajektorie an die zweite Antenne zu übermitteln.
Im Fall einer Bewegung der ersten Antenne bezeichnet die Bewegungstrajektorie den Weg, den die erste Antenne innerhalb einer bestimmten Zeitdauer relativ zur zweiten Antenne zurücklegt; im Fall einer Bewegung der zweiten Antenne den Weg, den die zweite Antenne innerhalb einer bestimmten Zeitdauer relativ zur ersten Antenne zurücklegt. Die Bewegungstrajektorie wird vorzugsweise in kartesischen Koordinaten oder Polarkoordinaten bestimmt.
Eine Adaption der räumlichen Strahlungscharakteristik entlang der
Gegenbewegungstrajektorie, beispielsweise durch Bewegung der ersten Antenne, kann bevorzugt dann vorgesehen sein, wenn die erste Antenne auf einer Plattform oder einem Gerät montiert ist, welches groß gegenüber der durchgeführten Bewegung und/oder Wellenlänge ist, beispielsweise falls die erste Antenne auf einem Autodach montiert ist. Falls eine Antenne auf einer Plattform oder einem Gerät montiert ist, welche klein gegenüber der durchgeführten Bewegung und/oder Wellenlänge ist, die Plattform der anderen Antenne jedoch groß ist, kann eine Bewegung der einen Antenne vorzugsweise durch eine Mitbewegung der anderen Antenne kompensiert werden. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die eine Antenne auf einem Mobiltelefon montiert ist und die andere Antenne auf einer Basisstation. Sowohl die
Gegenbewegungstrajektorie, als auch die Mitbewegungstrajektorie sind also
Kompensationstrajektorien für die jeweils festgestellte Bewegungstrajektorie. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Antennenanordnung beide Antennen umfasst, wobei eine weitere Adaptionsvorrichtung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, die räumliche Strahlungscharakteristik der zweiten Antenne zu adaptieren, sodass die Stabilisierung der Eigenschaften des Funkkanals durch Adaption der räumlichen Strahlungscharakteristika beider Antennen ermöglicht wird. In diesem Fall kann die festgestellte Bewegungstrajektorie durch eine kooperative Adaption der
Strahlungscharakteristiken der ersten Antenne und der zweiten Antenne kompensiert werden. Dies ist vorteilhaft wenn beide Antennen auf Plattformen oder Geräten montiert sind, welche in etwa gleich gut geeignet sind, um Bewegungen durchzuführen. Die beiden Antennen teilen in diesem Fall die benötigten Adaptionen derart auf, dass der Relativabstand der Antennen gleich bleibt.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur Detektion einer Bewegung der ersten Antenne und/oder der zweiten Antenne zumindest einen Detektor oder einen Prädiktor zur Prädiktion der Bewegung aufweist. Der Prädiktor kann insbesondere derart ausgeführt sein, dass er Daten einer geplanten Trajektorie von einer externen Steuereinheit empfängt. Bei der externen Steuereinheit kann es sich insbesondere um die Steuereinheit eines autonomen Fahrzeuges handeln, welches die geplante Trajektorie voraus berechnet und an den Prädiktor der Antennenanordnung übermittelt. Der Prädiktor kann zu diesem Zweck eine eigene Recheneinheit, einen Speicher und eine Schnittstelleneinheit umfassen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Bewegungstrajektorie vorgegeben ist, beispielsweise durch den konstruktiven Aufbau eines Trägers der zweite Antenne, oder bei vorbekannten
Fahrstrecken. Die zweite Antenne kann dazu ausgeführt sein, ihre Bewegung relativ zur ersten Antenne selbst zu bestimmen und der ersten Antenne oder der Steuereinheit über einen getrennten Kommunikationskanal zu übermitteln. Die erste Antenne kann auch dazu ausgeführt sein, die Bewegungstrajektorie aus zumindest einer bekannten Position der zweiten Antenne zu erraten oder zu extrapolieren.
Vorzugsweise erfolgt die Detektion der Bewegungstrajektorie und Berechnung der erforderlichen Gegenbewegungstrajektorie innerhalb kurzer Zeitintervalle für das jeweils nächstfolgende Zeitintervall. Vorzugsweise sind die Zeitintervalle an die Dauer der Zeitschlitze zeitschlitzbasierter Übertragungsverfahren angepasst, beispielsweise 577 Mikrosekunden im Fall von GSM. Selbstverständlich sind auch andere Zeitintervalle erfindungsgemäß vorgesehen. In einer Variante der Erfindung wird davon ausgegangen, dass sich innerhalb derart kurzer Zeitintervalle die Geschwindigkeit, Beschleunigung und Richtung der
Antennenanordnung nicht wesentlich ändert, sodass die Bewegungstrajektorie zur Bestimmung der prädizierten Gegenbewegungstrajektorie linear extrapoliert werden kann.
In Ausführungsformen der Erfindung beschränkt sich die Bewegungstrajektorie auf eine lineare Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit und Beschleunigung in eine bestimmte Richtung über eine bestimmte Distanz (lineare Trajektorie), sodass als Gegenbewegungstrajektorie eine entsprechende lineare Bewegung in gleicher oder entgegengesetzter Richtung mit gleicher Geschwindigkeit und Beschleunigung ist.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung sind jedoch auch nichtlineare
Bewegungen vorgesehen, beispielsweise zweidimensional oder dreidimensional verlaufende Kurven im Raum (nichtlineare Trajektorien), sodass sich als
Gegenbewegungstrajektorie eine entsprechende nichtlineare Bewegung in jeweils gleicher oder entgegengesetzter Richtung mit gleicher Geschwindigkeit und
Beschleunigung ergibt. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass derartige Kurven im Raum durch eine oder mehrere gerade Linien abschnittsweise approximiert werden.
Erfindungsgemäß kann ebenfalls vorgesehen sein, dass eine dreidimensionale
Trajektorie durch eine zweidimensionale Kurve oder eine eindimensionale Linie approximiert wird. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Antennenanordnung auf einer, frei im Raum beweglichen Fläche eines Mobiltelefons, beispielsweise auf der Rückseite eines Smartphones, angeordnet ist. In einer Ausführungsform wird die dreidimensionale Bewegung des Mobiltelefons im Raum durch eine zweidimensionale Bewegung der Antennenanordnung auf der Rückseite approximiert. Die Adaption der räumlichen Strahlungscharakteristik der ersten oder zweiten Antenne kann auf unterschiedliche Arten realisiert werden. Wesentlich dabei ist, dass die
Eigenschaften des Funkkanals zwischen erster Antenne und zweiter Antenne im
Wesentlichen erhalten bleiben, sodass der Funkkanal aus Sicht der ersten Antenne bzw. der zweiten Antenne einem unbewegten bzw. statischen Funkkanal entspricht. Vorzugsweise werden Amplitude, Phase und Frequenz des übertragenen Signals durch die Adaption entlang der Mit- oder Gegenbewegungstrajektorie konstant gehalten.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die
Adaption auf rein mechanischem Weg erfolgt, sodass die Antenne physisch verschoben wird und der Relativabstand der Antennen zueinander gleich bleibt. Zu diesem Zweck kann die Adaptionsvorrichtung ein mechanisches Antriebselement, beispielsweise einen Schrittmotor, umfassen. Das Antriebselement kann dazu eingerichtet sein, die räumliche Position der ersten Antenne relativ zur zweiten Antenne bei der Bewegung im Wesentlichen konstant zu halten. Dies kann insbesondere durch physische
Verschiebung der ersten Antenne entlang der bestimmten Mit- oder
Gegenbewegungstrajektorie, insbesondere entlang einer geraden Linie erfolgen.
Erfindungsgemäß kann das Antriebselement dazu eingerichtet sein, die räumliche Position der ersten Antenne relativ zur zweiten Antenne über einen möglichst langen Zeitraum konstant zu halten. Der Zeitraum erstreckt sich vorzugsweise zumindest über die gesamte Dauer eines Zeitschlitzes des verwendeten Funkprotokolls. Beispielsweise kann der Zeitraum zumindest 0,577 ms im Fall des GSM-Protokolls sein. Dies hat den Vorteil, dass der Funkkanal zwischen erster Antenne und zweiter Antenne aus Sicht der Antennen zumindest für die Dauer eines Zeitschlitzes im GSM-Protokoll statisch unverändert bleibt.
Es kann aber auch vorgesehen sein, die räumliche Position über einen Zeitraum von zumindest 1 ms, zumindest 10 ms oder zumindest 100 ms konstant zu halten.
Vorzugsweise wird der Funkkanal über mehrere aufeinanderfolgende Zeitschlitze konstant gehalten, um die Qualität der Übertragung zu verbessern. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Adaptionsvorrichtung eine Nut und einen beweglichen Schlitten umfasst, wobei die erste Antenne auf dem Schlitten angeordnet ist und der Schlitten vorzugsweise über einen Schrittmotor in der Nut beweglich ist. Die Nut kann linear angeordnet sein, da für die kurze betrachtete
Zeitdauer die Bewegung der Antennenanordnung in der Regel ebenfalls als linear verlaufend approximiert werden kann. Schrittmotor und Schlitten können für eine hohe Geschwindigkeit und Beschleunigung ausgelegt sein.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Länge der Nut derart gewählt ist, dass bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit der Bewegung der Antennenanordnung relativ zur zweiten Antenne die Eigenschaften des Funkkanals über einen möglichst langen Zeitraum konstant bleiben.
Beispielsweise kann bei einer Geschwindigkeit der Antennenanordnung relativ zur zweiten Antenne von etwa 150 km/h, entsprechend der Bewegung eines Fahrzeugs, insbesondere Automobils, die Nut eine Länge von zumindest etwa 3 cm haben, um die Eigenschaften des Funkkanals zumindest über eine Zeitdauer von 0,577 ms konstant halten zu können. Hingegen kann bei einer Geschwindigkeit der Antennenanordnung relativ zur zweiten Antenne von etwa 20 km/h, entsprechend der maximal üblichen Bewegung eines Mobiltelefons ohne Benutzung eines Fahrzeugs, die Nut eine Länge von zumindest etwa 3 mm haben.
Die Länge der Nut hängt jedoch in erster Linie davon ab, welche Fläche zum Anbringen der Antennenanordnung tatsächlich zur Verfügung steht. Vorzugsweise wird die gesamte zur Verfügung stehende Fläche oder ein großer Teil davon zum Anordnen der Nut benutzt, um möglichst viele Zeitschlitze abdecken zu können.
Im Betrieb einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung ergibt sich bei einer rein mechanischen Ausführung der Erfindung die Notwendigkeit, die Antenne nach dem Abfahren der Mit- oder Gegenbewegungstrajektorie zurück an ihren Ausgangspunkt zu bewegen. Da die Abbremsung und Umkehr eines mechanischen Elements,
beispielsweise eines in einer Nut geführten Schlittens, vergleichsweise viel Zeit in Anspruch nimmt, kann erfindungsgemäß auch eine Ausführung mit zwei, in
entgegengesetzte Richtungen verfahrbaren Teilantennen vorgesehen sein. In dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste
Antenne zumindest zwei Teilantennen umfasst, wobei für jede Teilantenne ein mechanisches Antriebselement, beispielsweise ein Schrittmotor oder ein Getriebe, vorgesehen ist, welches dazu eingerichtet ist, die räumliche Position einer Teilantenne relativ zur zweiten Antenne durch Verschiebung entlang der Mit- oder
Gegenbewegungstrajektorie im Wesentlichen konstant zu halten.
Bei dieser Ausführungsform wird also stets der Funkkanal zwischen einer der beiden Teilantennen und der zweiten Antenne statisch gehalten. In der Antennenanordnung kann eine Umschaltvorrichtung vorgesehen sein, die dafür sorgt, dass stets jene Teilantenne als erste Antenne zum Senden bzw. Empfangen ausgewählt wird, die sich entlang der Mit- oder Gegenbewegungstrajektorie bewegt.
Insbesondere kann in dieser Ausführungsform vorgesehen sein, dass die zumindest zwei Teilantennen abwechselnd von einer Ausgangsposition A entlang der Mit- oder Gegenbewegungstrajektorie zu einer Endposition E verschoben werden, wobei jede Teilantenne nach dem Erreichen der Endposition E in die Ausgangsposition A zurück verschoben wird. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass die
Adaptionsvorrichtung zwei Nuten und zwei bewegliche Schlitten umfasst, wobei die Teilantennen jeweils auf einem Schlitten angeordnet sind und die Schlitten
vorzugsweise über jeweils einen Schrittmotor in den Nuten verfahrbar sind.
Die Ausgangsposition A und die Endposition E können an gegenüberliegenden Enden der Nuten vorgesehen sein. Dies ist dann von Vorteil, wenn die Richtung der Bewegung im Wesentlichen bekannt ist, beispielsweise bei einem Auto oder einem Flugzeug.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass sich die Ausgangsposition A ungefähr in der Mitte der Nut befindet, und die Endposition E an einem Ende der Nut. Dies ist dann von Vorteil, wenn die Richtung der Bewegung nicht bekannt ist, beispielsweise bei einem Mobiltelefon.
In einer dritten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mehr als zwei Teilantennen in zueinander parallelen Nuten verfahren werden, um möglichst jeden aufeinanderfolgenden Zeitschlitz zur Kommunikation nutzen zu können. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt stets eine erste Anzahl der Teilantennen aktiv sind, eine zweite Anzahl der Teilantennen in ihre Ausgangsposition bewegt werden, und eine dritte Anzahl der Teilantennen inaktiv sind. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein mehrdimensionales Array von Teilantennen vorgesehen ist, das mit der zweiten Antenne über ein Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Schema in Verbindung steht.
In einer vierten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die zueinander parallelen Nuten an ihren Enden miteinander vorzugsweise halbkreisförmig verbunden sind. Dazu können zumindest zwei halbkreisförmige Verbindungsnuten vorgesehen sein. Die Nuten können auch mäanderförmig verbunden sein. Dadurch können die Teilantennen in einer laufenden Bewegung verbleiben, sodass es nicht erforderlich ist, die jeweiligen Schlitten abzubremsen und in die Gegenrichtung zu beschleunigen.
In weiteren Ausführungsform der Erfindung, die im Folgenden beschrieben werden, kann vorgesehen sein, dass die Adaption der räumlichen Strahlungscharakteristik der ersten Antenne auf rein elektronischem Weg erfolgt, um mechanische Probleme, insbesondere Abnutzung und Verschmutzung, einer mechanischen
Adaptionsvorrichtung zu verhindern.
So können in einer fünften Ausführungsform der Erfindung eine Vielzahl räumlich beabstandeter, identischer erster Antennen vorgesehen sein, und die
Adaptionsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, bei Bewegung der
Antennenanordnung jeweils nur eine dieser ersten Antennen zu aktivieren. Die ersten Antennen können in einer Reihe angeordnet sein und die Adaptionsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, bei Bewegung der Antennenanordnung die ersten Antennen der Reihe nach zu aktivieren.
Zu diesem Zweck kann die Adaptionsvorrichtung einen elektronisch geschalteten Multiplexer umfassen. Die ersten Antennen können aber auch in einer Matrix
angeordnet sein, um eine Aktivierung der ersten Antennen entlang einer Kurve zu ermöglichen. Die zeitliche Abfolge der Aktivierung der jeweiligen ersten Antennen kann derart auf den Abstand der Antennen zueinander abgestimmt sein, dass sich im Ergebnis eine
Bewegung der räumlichen Strahlungscharakteristik der jeweils aktivierten ersten Antenne ergibt, die entlang der Mit- oder Gegenbewegungstrajektorie, insbesondere in einer Linie oder Kurve verläuft.
Gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Antenne als
Vielzahl räumlich beabstandeter, in Form eines ein- oder mehrdimensionalen
Antennenarrays angeordneter Antennen ausgeführt. Das Antennenarray weist ein gemeinsamen Phasenzentrum auf, und die Adaptionsvorrichtung ist dazu eingerichtet, das Phasenzentrum des Antennenarrays auf rein elektronischem Weg entlang der Gegenbewegungstrajektorie zu verschieben. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass eine beliebige zwei- oder dreidimensionale Mit- oder Gegenbewegungstrajektorie realisierbar ist. Wiederum kann vorgesehen sein, dass das mehrdimensionale
Antennenarray mit der zweiten Antenne über ein Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Schema in Verbindung steht.
In einer siebenten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Antenne als
Schlitzantenne mit einer Vielzahl räumlich beabstandeter, in einer Reihe angeordneter Schlitze ausgeführt. Die Schlitze können auf elektronischem Weg aktiviert werden und wirken bei Aktivierung als Abstrahlpunkt einer elektromagnetischen Welle. Die
Adaptionsvorrichtung ist dazu eingerichtet, der Reihe nach die Schlitze entlang der Mit oder Gegenbewegungstrajektorie zu aktivieren.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der Schlitz durch eine Vielzahl von elektronischen Schaltern, insbesondere Dioden oder mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), welche kleiner sind als der Schlitz selbst, geformt wird. Der gesamte Schlitz wird in diesem Fall gebildet durch Aktivierung einer Gruppe hintereinander angeordneter Schalter. Soll der Schlitz weiterbewegt werden, wird vorne ein Schalter aktiviert, und hinten ein Schalter deaktiviert. Dadurch kann der Schlitz in feineren Abständen verschoben werden. In weiteren Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die erste Antenne als Anordnung einer Vielzahl nebeneinander liegender Schlitzantennen ausgeführt ist, sodass sich eine matrixartige Anordnung der Schlitze ergibt. Dies hat wiederum den Vorteil, dass eine beliebige nichtlineare Mit- oder Gegenbewegungstrajektorie realisierbar ist.
In einer achten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antennenanordnung ist die erste Antenne durch Anregung einer, von einem Punkt als Freiraumwelle abgestrahlten Oberflächenwelle ausgebildet. Die Adaptionsvorrichtung ist in dieser Ausführungsform dazu eingerichtet, während der Bewegung den Punkt der Abstrahlung entlang der Mit oder Gegenbewegungstrajektorie zu verschieben. Zu diesem Zweck umfasst die Antennenanordnung eine Vorrichtung zur Anregung einer Oberflächenwelle.
Die Oberflächenwelle breitet sich entlang der Antennenanordnung oder Teilen dieser aus, und der Punkt, an dem die Oberflächenwelle als Freiraumwelle abgestrahlt werden soll, wird entlang der Mit- oder Gegenbewegungstrajektorie bewegt. Die Elemente, welche an diesem Punkt den Übergang zwischen der Oberflächenwelle und der Freiraumwelle bewirken, können gemäß des Standes der Technik gewählt sein. Bei den Elementen kann es sich um parasitäre Leiterstrukturen handeln, die mittels selektiv aktivierbarer Dioden kurzgeschlossen werden können. Diese Elemente können in einer linearen oder matrixförmigen Anordnung vorgesehen sein, um wiederum eine lineare oder nichtlineare Mit- oder Gegenbewegungstrajektorie zu ermöglichen.
Die erste Antenne kann Teil eines Funksenders und die zweite Antenne Teil eines Funkempfängers sein. Umgekehrt kann die erste Antenne Teil eines Funkempfängers und die zweite Antenne Teil eines Funksenders sein. Auch Ausführungen als
kombinierte Sende-/Empfangsantenne sind erfindungsgemäß vorgesehen.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf ein mobiles elektronisches Gerät, beispielsweise ein Mobiltelefon, Smartphone, Tablet, Laptop oder dergleichen, umfassend zumindest eine erfindungsgemäße Antennenanordnung. Vorzugsweise weist die
Antennenanordnung eine große Erstreckung auf, zumindest jedoch etwa 2 mm. Die Erfindung erstreckt sich ferner auf ein Fortbewegungsmittel, insbesondere ein Landfahrzeug, Luftfahrzeug, Wasserfahrzeug oder einen Flugkörper, umfassend zumindest eine erfindungsgemäße Antennenanordnung.
Das Fortbewegungsmittel kann ein Dach aufweisen. Die Antennenanordnung kann in einer Vertiefung an der äußeren Oberfläche des Dachs angeordnet sein und eine möglichst große Erstreckung aufweisen, vorzugsweise eine Erstreckung von zumindest etwa 2 cm. Die Antennenanordnung kann auch seitlich am Fortbewegungsmittel angeordnet sein. Die Vertiefung kann mit einem Deckel aus einem Dielektrikum abgedeckt sein. Es können auch mehrere erfindungsgemäße Antennenanordnungen zur Kommunikation über unterschiedliche Funkkanäle vorgesehen sein.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf Verfahren zur Reduktion von Schwankungen im Funkkanal zwischen zumindest einer ersten Antenne, die mit zumindest einer zweiten Antenne über den Funkkanal in Verbindung steht, unter Verwendung zumindest einer Vorrichtung zur Detektion oder Prädiktion einer Bewegung der ersten Antenne und/oder der zweiten Antenne und zur Bestimmung einer räumlichen Bewegungstrajektorie der ersten Antenne relativ zur zweiten Antenne. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: Berechnung, durch zumindest eine
Berechnungseinheit, bei Bewegung der ersten Antenne einer räumlichen
Gegenbewegungstrajektorie, die im Raum im Wesentlichen entgegengesetzt zur Bewegungstrajektorie verläuft, und/oder bei einer Bewegung der zweiten Antenne einer räumlichen Mitbewegungstrajektorie, die im Raum im Wesentlichen gleich zur
Bewegungstrajektorie verläuft, Adaptierung, durch eine Adaptionsvorrichtung, der räumlichen Strahlungscharakteristik der ersten Antenne entlang der
Gegenbewegungstrajektorie und/oder Mitbewegungstrajektorie während der Bewegung derart, dass die Eigenschaften des Funkkanals trotz der Bewegung im Wesentlichen unverändert bleiben.
Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Patentansprüchen, den Zeichnungen und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
Die Erfindung wird nun an Hand nicht ausschließlicher Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Antennenanordnung bei Bewegung der ersten Antenne;
Figs. 2 - 9 schematische Darstellungen weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Antennenanordnungen;
Figs. 10a - 10b schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen
erfindungsgemäßer Antennenanordnungen bei Bewegung der zweiten Antenne.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung 1 zu zwei Zeitpunkten t1 (oben) und t2 > t1 (unten) in einer seitlichen Schnittdarstellung (links) und in einer Ansicht von oben (rechts).
Die Antennenanordnung 1 umfasst eine erste elektromagnetische Antenne 2, die dazu ausgeführt ist, mit einer elektromagnetischen zweiten Antenne 3, die hier nicht Teil der Antennenanordnung 1 ist, über einen Funkkanal in Verbindung zu stehen. Die zweite Antenne 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine unbewegliche Mobilfunk-Basisstation, und die erste Antenne 2 eine Mobilfunkantenne eines beweglichen Smartphones oder eines Fahrzeugs.
Es ist ein Detektor 4 vorgesehen, der eine Bewegung der Antennenanordnung 1 relativ zur zweiten Antenne 3 entlang einer Bewegungstrajektorie 5 detektieren kann.
Der Detektor 4 ist an der Antennenanordnung 1 angeordnet. Es ist ferner eine
Berechnungseinheit 6 vorgesehen, die dazu dient, die vom Detektor 4 aufgenommen Daten zu verarbeiten. Die Berechnungseinheit 6 steht mit der Adaptionsvorrichtung 8 in Verbindung.
Auf Grundlage der vom Detektor 4 aufgenommenen Bewegungstrajektorie 5 berechnet die Berechnungseinheit 6 eine im Wesentlichen entgegengesetzt verlaufende
Gegenbewegungstrajektorie 7.
Die Trajektorien 5, 7 werden in kartesischen oder Polarkoordinaten verarbeitet.
Selbstverständlich ist auch eine Verarbeitung in anderen Koordinatensystem
erfindungsgemäß vorgesehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die
Bewegungstrajektorie 5 eine gerade Linie, und die Gegenbewegungstrajektorie 7 eine entsprechend entgegengesetzt verlaufende gerade Linie. Die Berechnungseinheit 6 übermittelt die berechnete Gegenbewegungstrajektorie 7 an die Adaptionsvorrichtung 8, und diese veranlasst eine entsprechende Bewegung der ersten Antenne 2. Dadurch ändert sich die räumliche Strahlungscharakteristik der ersten Antenne 2 und die Eigenschaften des Funkkanals zwischen erster Antenne 2 und zweiter Antenne 3 bleiben trotz Bewegung der Antennenanordnung 1 im
Wesentlichen unverändert, da der Relativabstand zwischen erster und zweiter Antenne gleich bleibt.
Die Adaptionsvorrichtung 8 umfasst zur Bewegung der ersten Antenne 2 ein
mechanisches Antriebselement 1 1 in Form eines Schrittmotors. Dieser wird von der Berechnungseinheit 6 oder einer zwischengeschalteten Motorsteuerungseinheit angesteuert. Das Antriebselement 1 1 ist dazu eingerichtet, die räumliche Position der ersten Antenne 2 relativ zur zweiten Antenne 3 über einen möglichst langen Zeitraum, zumindest jedoch für die Dauer eines Zeitschlitzes des verwendeten Funkprotokolls, etwa 0,577 ms konstant zu halten.
Zur Bewegung der ersten Antenne 2 umfasst die Adaptionsvorrichtung 8 eine Nut 9 und einen darin beweglichen Schlitten 10. Der bewegliche Schlitten 10 ist mit dem
Antriebselement 1 1 verbunden, entweder direkt oder über ein mechanisches Getriebe. Die erste Antenne 2 ist auf dem Schlitten 10 angeordnet und kann somit entlang der Nut 9 bewegt werden. Die Nut 9 weist eine Länge von etwa 3mm auf. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Nut 9 länger sein, beispielsweise 30cm, aber auch, je nach Anwendungsgebiet, mehrere Meter.
Zum Zeitpunkt t1 befindet sich die Antennenanordnung 1 an einer ersten Position und bewegt sich entlang der Bewegungstrajektorie 5. Zum Zeitpunkt t2 hat sich die
Antennenanordnung um die Distanz As nach links bewegt. Gleichzeitig hat sich der Schlitten 10 mit der ersten Antenne 2 um dieselbe Distanz entlang der
Gegenbewegungstrajektorie 7 nach rechts bewegt. Bezüglich der zweiten Antenne 3 bleibt die erste Antenne 2 somit an derselben Stelle bzw. weist den selben
Relativabstand auf und der Funkkanal ist im Wesentlichen unverändert. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung 1. In dieser Ausführungsform umfasst die erste Antenne 2 zwei Teilantennen 2‘, 2“. Es wird jeweils nur eine der beiden
Teilantennen 2‘, 2“ benutzt, um mit der zweiten Antenne 3 zu kommunizieren. Für jede Teilantenne 2‘, 2“ ist ein mechanisches Antriebselement 1 T, 1 1“, beispielsweise ein Schrittmotor oder ein mechanisches Getriebe, vorgesehen. Diese sind dazu
eingerichtet, die zwei Teilantennen 2‘, 2“ abwechselnd von einer Ausgangsposition A entlang der berechneten Gegenbewegungstrajektorie 7 zu einer Endposition E zu verschieben. Jede Teilantenne 2‘, 2“ wird nach dem Erreichen der Endposition E in die Ausgangsposition A zurück verschoben.
Die Adaptionsvorrichtung 8 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel zwei parallele Nuten 9‘, 9“ und zwei bewegliche Schlitten 10‘, 10“, wobei die Teilantennen 2‘, 2“ jeweils auf einem Schlitten 10‘, 10“ angeordnet sind und die Schlitten vorzugsweise über jeweils einen Schrittmotor in den Nuten 9‘, 9“ verfahrbar sind.
Im Zeitpunkt t1 befinden sich die beiden Teilantennen 2’, 2“ jeweils an der
Ausgangsposition A. Die Antennenanordnung 1 bewegt sich entlang der
Bewegungstrajektorie 5; dies wird vom Detektor 4 (nicht dargestellt) erkannt und die Berechnungseinheit 6 (nicht dargestellt) berechnet eine Gegenbewegungstrajektorie 7. Eine Teilantenne 2‘ wird entlang ihrer Nut 9‘ geführt und bildet somit einen statischen Funkkanal für die Kommunikation mit der zweiten Antenne 3. Nach Erreichen der Endposition E im Zeitpunkt t2 > t1 wird die Teilantenne 2‘ entlang ihrer Nut 9‘ zurück bewegt. Gleichzeitig startet die Teilantenne 2“ ihre Bewegung entlang der nunmehr neu festgestellten Gegenbewegungstrajektorie 7 und setzt die Kommunikation mit der zweiten Antenne 3 praktisch nahtlos fort.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Nuten 9‘, 9“ an ihren Enden vorzugsweise halbkreisförmig oder mäanderförmig miteinander verbunden, sodass die Schlitten 1 T, 1 1“ nicht abgebremst und umgekehrt werden müssen, sondern in einer kontinuierlichen, jedoch nichtlinearen Bewegung gehalten werden können. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung 1. In dieser Ausführungsform sind eine Vielzahl räumlich beabstandeter, in einer Reihe angeordneter identischer erster Antennen 2‘, 2“, 2‘“ vorgesehen. Die Adaptionsvorrichtung 8 ist dazu eingerichtet, bei Bewegung der Antennenanordnung 1 jeweils eine dieser ersten Antennen 2‘, 2“, 2‘“, vorzugsweise unter Verwendung eines geschalteten elektronischen Multiplexers, der Reihe nach entlang der Gegenbewegungstrajektorie 7 zu aktivieren.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung 1. In dieser Ausführungsform sind eine Vielzahl räumlich beabstandeter, in Form eines eindimensionalen Antennenarrays angeordneter Antennen 2’, 2“, 2‘“ vorgesehen. Das Antennenarray weist eine
Strahlungscharakteristik mit einem gemeinsamen Phasenzentrum auf, das mit einer strichlierten Linie angedeutet ist. Die Adaptionsvorrichtung 8 ist dazu eingerichtet, bei Bewegung der Antennenanordnung 1 das Phasenzentrum des Antennenarrays auf elektronischem Weg entlang der Gegenbewegungstrajektorie 7 zu verschieben. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind eine Vielzahl räumlich
beabstandeter, in Form eines zweidimensionalen Antennenarrays angeordneter Antennen 2’, 2“, 2‘“ vorgesehen. Das Antennenarray weist ein gemeinsames
Phasenzentrum auf, und die Adaptionsvorrichtung 8 ist dazu eingerichtet, bei
Bewegung der Antennenanordnung 1 das Phasenzentrum des Antennenarrays auf elektronischem Weg entlang einer zweidimensionalen, nichtlinear verlaufenden
Gegenbewegungstrajektorie 7 in der Ebene des Antennenarrays zu verschieben.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung. In dieser Ausführungsform ist die erste Antenne 2 als Schlitzantenne mit einer Vielzahl räumlich beabstandeter, in einer Reihe angeordneter Schlitze 12, 12‘, 12“ in einem Rechteckhohlleiter ausgeführt.
Die Schlitze 12, 12‘, 12“ wirken bei Aktivierung als Abstrahlpunkt einer
elektromagnetischen Welle, deren Strahlungscharakteristik mit strichlierter Linie angedeutet ist, und dienen somit als räumlich variable erste Antenne 2. Die
Adaptionsvorrichtung 8 ist dazu eingerichtet, bei Bewegung der Antennenanordnung 1 durch elektronisches Aktivieren passiver Elemente der Reihe nach jeweils einen dieser Schlitze 12, 12‘, 12“ entlang der Gegenbewegungstrajektorie 7 zum Senden oder Empfangen auszuwählen. Die anderen Schlitze sind deaktiviert und strahlen nicht. Alternativ können mehrere Schlitze gleichzeitig aktiv sein und mit der zweiten Antenne in einem MIMO-Schema in Verbindung stehen. Die Bewegung der Antennenanordnung wird in diesem Ausführungsbeispiel über einen Prädiktor 13 prognostiziert.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform sind die Schlitze nicht fix im Hohlleiter angeordnet, sondern werden elektronisch erzeugt, beispielsweise mit Dioden oder mikroelektromechanischen Systemen (MEMS). Zu diesem Zweck sind eine
Vielzahl an Dioden dicht nebeneinander angeordnet und werden derart aktiviert, dass mehrere nebeneinanderliegende aktivierte Dioden einen einzigen Schlitz bilden. Die Position des Schlitzes wird bewegt, indem angrenzende Dioden aktiviert bzw.
deaktiviert werden. Dadurch kann eine stetige Bewegung des Schlitzes in feiner
Abstufung auf elektronischem Wege erzielt werden.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung 1. In dieser Ausführungsform ist die erste Antenne 2 nicht als physische Komponente ausgebildet, sondern wird durch Anregung einer Oberflächenwelle ausgebildet, beispielsweise durch Anregung mit einer
Hornantenne 14 und gegebenenfalls Umleitung mit einem Spiegel. Die
Oberflächenwelle wird so angeregt, dass sie entlang der Antennenanordnung 1 verläuft, wie in der Abbildung schematisch dargestellt ist. Die Adaptionsvorrichtung 8 ist dazu eingerichtet, bei Bewegung der Antennenanordnung 1 den Punkt der Abstrahlung der Oberflächenwelle entlang der Gegenbewegungstrajektorie 7 zu verschieben. Dies kann durch elektrisches Aktivieren und Deaktivieren von Schlitzen zB mit Dioden 15 oder MEMS erfolgen. Dadurch wird der Ort, an dem die Oberflächenwelle in eine
Freiraumwelle übergeführt wird, verschoben.
Figs. 7 - 9 zeigen schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen
erfindungsgemäßer Antennenanordnungen 1. In diesen Ausführungsformen liegt eine nichtlineare Bewegungstrajektorie 5 vor, und die erste Antenne 2 ist jeweils derart ausgeführt, dass ihre Strahlungscharakteristik der entsprechend entgegengesetzt verlaufenden, nichtlinearen Gegenbewegungstrajektorie 7 folgen kann. Im Beispiel der Fig. 7 sind eine Vielzahl erster Antennen 2‘, 2“, 2‘“ vorgesehen, in Form eines zweidimensionalen Antennenarrays angeordnet sind. Die jeweils zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten aktivierten Antennen sind fett dargestellt, sodass der Verlauf der aktivierten ersten Antennen die
Gegenbewegungstrajektorie 7 bildet. Zur Ansteuerung des Antennenarrays ist die Adaptionsvorrichtung 8 vorgesehen.
Im Beispiel der Fig. 8 ist die erste Antenne 2 durch parallele Anordnung von
Schlitzantennen mit einer Vielzahl räumlich beabstandeter, in einem Array angeordneter Schlitzen 12‘, 12“, 12‘“ in einem Rechteckhohlleiter ausgeführt. Die jeweils zu
aufeinanderfolgenden Zeitpunkten aktivierten Schlitze sind fett dargestellt, sodass der Verlauf der aktivierten ersten Antennen die Gegenbewegungstrajektorie 7 bildet. Zur Ansteuerung des Antennenarrays ist die Adaptionsvorrichtung 8 vorgesehen. Die Schlitze 12‘, 12“, 12‘“ wirken bei Aktivierung als Abstrahlpunkt einer
elektromagnetischen Welle, deren Strahlungscharakteristik mit strichlierter Linie angedeutet ist, und dienen somit als räumlich variable erste Antenne 2. Die
Adaptionsvorrichtung 8 ist dazu eingerichtet, bei Bewegung der Antennenanordnung 1 durch elektronisches Aktivieren passiver Elemente der Reihe nach jeweils einen dieser Schlitze 12, 12‘, 12“ entlang der Gegenbewegungstrajektorie 7 zum Senden oder Empfangen auszuwählen. Die anderen Schlitze sind deaktiviert und strahlen nicht.
Im Beispiel der Fig. 9 ist die erste Antenne 2 als parallele Anordnung von
Oberflächenwellenleitern gebildet. Die Oberflächenwelle wird so angeregt, dass sie zweidimensional in den Oberflächenwellenleitern bzw. der Antennenanordnung 1 gebildet ist. Die Adaptionsvorrichtung 8 ist dazu eingerichtet, den Punkt der Abstrahlung der Oberflächenwelle entlang der Gegenbewegungstrajektorie 7 zu bewegen. Dies kann durch elektrisches Aktivieren und Deaktivieren von Schlitzen zB mit Dioden 15‘, 15“, 15‘“ oder MEMS erfolgen. Die jeweils zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten aktivierten Elemente sind fett dargestellt, sodass der Verlauf der aktivierten ersten Antennen die Gegenbewegungstrajektorie 7 bildet.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele gelten in analoger Weise für
Ausführungsformen der Erfindung, in denen die Strahlungscharakteristik der Antenne entlang einer Mitbewegungstrajektorie, also gleich zur Bewegungstrajektorie, adaptiert wird. Fig. 10a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Antennenanordnung, bei der sich die zweite Antenne 3 bewegt. Ein Detektor der Antennenanordnung 1 detektiert die Bewegungstrajektorie 5 der zweiten Antenne 3 und eine Berechnungseinheit 6 der Antennenanordnung 1 berechnet eine
Mitbewegungstrajektorie 7‘, die räumlich im Wesentlichen gleich zur
Bewegungstrajektorie verläuft. Eine Adaptionsvorrichtung 8 der Antennenanordnung bewegt die erste Antenne 2 entlang der Mitbewegungstrajektorie 7‘, sodass der
Relativabstand zwischen den Antennen im Wesentlichen unverändert bleibt.
Fig. 10b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Antennenanordnung, bei der eine Bewegung der Plattform der zweiten Antenne 3 durch kooperative Mit- und Gegenbewegungen kompensiert wird. In diesem
Ausführungsbeispiel ist die zweite Antenne 3 ein Teil der Antennenanordnung 1 , und es ist eine zweite Adaptionsvorrichtung 8‘ zur Bewegung der zweiten Antenne 3
vorgesehen. Ein Detektor detektiert die Bewegungstrajektorie 5 der zweiten Antenne 3 bzw. deren Plattform und eine Berechnungseinheit 6 berechnet eine
Gegenbewegungstrajektorie 7 sowie eine Mitbewegungstrajektorie 7‘ derart, dass die Kombination aus Mit- und Gegenbewegungstrajektorie die Bewegungstrajektorie kompensieren. Eine Adaptionsvorrichtung 8 der ersten Antenne 2 bewegt die erste Antenne 2 entlang der Mitbewegungstrajektorie 7‘, und eine Adaptionsvorrichtung 8‘ der zweiten Antenne 3 bewegt die zweite Antenne 3 entlang der
Gegenbewegungstrajektorie 7, sodass der Relativabstand zwischen den Antennen im Wesentlichen unverändert bleibt.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorliegenden Ausführungsbeispiele, sondern umfasst sämtliche Antennenanordnungen im Rahmen der nachfolgenden
Patentansprüche. Insbesondere umfasst die Erfindung auch beliebige
Fortbewegungsmittel, Kommunikationseinrichtungen und Zubehör mit einer
erfindungsgemäßen Antennenanordnung.

Claims

Patentansprüche
1. Antennenanordnung (1 ), umfassend
a. zumindest eine erste Antenne (2), die dazu ausgeführt ist, mit zumindest einer zweiten Antenne (3) über einen Funkkanal in Verbindung zu stehen, b. zumindest eine Vorrichtung zur Detektion oder Prädiktion einer Bewegung der ersten Antenne (2) und/oder der zweiten Antenne (3) und zur
Bestimmung einer räumlichen Bewegungstrajektorie (5) der ersten Antenne (2) relativ zur zweiten Antenne (3),
dadurch gekennzeichnet, dass
c. zumindest eine Berechnungseinheit (6) vorgesehen ist, die dazu ausgeführt ist,
i. bei einer Bewegung der ersten Antenne (2) eine räumliche
Gegenbewegungstrajektorie (7) zu berechnen, die im Raum im Wesentlichen entgegengesetzt zur Bewegungstrajektorie (5) verläuft, und/oder
ii. bei einer Bewegung der zweiten Antenne (3) eine räumliche
Mitbewegungstrajektorie (7‘) zu berechnen, die im Raum im
Wesentlichen gleich zur Bewegungstrajektorie (5) verläuft, d. eine Adaptionsvorrichtung (8) vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, die räumliche Strahlungscharakteristik der ersten Antenne (2) während der Bewegung derart entlang der Gegenbewegungstrajektorie (7) und/oder Mitbewegungstrajektorie (7‘) zu adaptieren, dass die Eigenschaften des Funkkanals trotz der Bewegung im Wesentlichen unverändert bleiben.
2. Antennenanordnung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Vorrichtung zur Detektion oder Prädiktion einer Relativbewegung zwischen der ersten Antenne (2) und der zweiten Antenne (3) ausgeführt ist, wobei die
Berechnungseinheit (6) dazu ausgeführt ist, je nach Richtung der
Relativbewegung eine Gegenbewegungstrajektorie (7) oder eine
Mitbewegungstrajektorie (7‘) zu berechnen.
3. Antennenanordnung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Adaptionsvorrichtung (8‘) vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, die räumliche Strahlungscharakteristik der zweiten Antenne (3) entlang einer
Trajektorie zu adaptieren, sodass die Stabilisierung des Funkkanals durch kooperative Adaption der räumlichen Strahlungscharakteristika beider Antennen (2, 3) erfolgt.
4. Antennenanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Adaptionsvorrichtung (8) ein mechanisches
Antriebselement (1 1 ), beispielsweise einen Schrittmotor, umfasst, welches dazu eingerichtet ist, die räumliche Position der ersten Antenne (2) relativ zur zweiten Antenne (3) bei der Bewegung im Wesentlichen konstant zu halten.
5. Antennenanordnung (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (1 1 ) dazu eingerichtet ist, die räumliche Position der ersten Antenne (2) relativ zur zweiten Antenne (3) über einen möglichst langen Zeitraum, vorzugsweise die gesamte Dauer der Kommunikation, zumindest jedoch über die gesamte Dauer eines Zeitschlitzes des verwendeten Funkprotokolls konstant zu halten.
6. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Adaptionsvorrichtung (8) eine Nut (9) und einen beweglichen Schlitten (10) umfasst, wobei die erste Antenne (2) auf dem Schlitten (10) angeordnet ist und der Schlitten vorzugsweise über einen Schrittmotor in der Nut (9) beweglich ist.
7. Antennenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Nut (9) möglichst groß und derart gewählt ist, dass bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit der Bewegung die Eigenschaften des Funkkanals über einen möglichst langen Zeitraum, vorzugsweise über zumindest 0,577 ms, konstant bleiben, wobei die Nut vorzugsweise eine Länge von zumindest etwa 3 mm aufweist.
8. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die erste Antenne (2) zumindest zwei Teilantennen (2‘, 2“) umfasst, wobei für jede Teilantenne (2‘, 2“) ein mechanisches Antriebselement (1 T, 1 1“), beispielsweise ein Schrittmotor oder ein Getriebe, vorgesehen ist, welches dazu eingerichtet ist, die räumliche Position einer Teilantenne (2‘, 2“) relativ zur zweiten Antenne (3) durch Verschiebung entlang der
Gegenbewegungstrajektorie (7) oder Mitbewegungstrajektorie (7‘) im
Wesentlichen konstant zu halten.
9. Antennenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
zumindest zwei Teilantennen (2‘, 2“) abwechselnd von einer Ausgangsposition A entlang der Gegenbewegungstrajektorie (7) oder Mitbewegungstrajektorie (7‘) zu einer Endposition E verschoben werden, wobei jede Teilantenne (2‘, 2“) nach dem Erreichen der Endposition E in die Ausgangsposition A zurück verschoben wird.
10. Antennenanordnung (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Adaptionsvorrichtung (8) zumindest zwei Nuten (9‘, 9“) und zumindest zwei bewegliche Schlitten (10‘, 10“) umfasst, wobei die Teilantennen (2‘, 2“) jeweils auf einem Schlitten (10‘, 10“) angeordnet sind und die Schlitten vorzugsweise über jeweils einen Schrittmotor in den Nuten (9‘, 9“) verfahrbar sind.
11. Antennenanordnung (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (9‘, 9“) an ihren Enden vorzugsweise halbkreisförmig oder mäanderförmig miteinander verbunden sind.
12. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl räumlich beabstandeter, in einer Reihe oder Linie angeordneter identischer erster Antennen (2‘, 2“, 2‘“) vorgesehen sind, und die
Adaptionsvorrichtung (8) dazu eingerichtet ist, während der Bewegung jeweils eine dieser ersten Antennen (2‘, 2“, 2‘“), vorzugsweise unter Verwendung eines geschalteten Multiplexers, der Reihe oder Linie nach entlang der
Gegenbewegungstrajektorie (7) oder Mitbewegungstrajektorie (7‘) zu aktivieren.
13. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl räumlich beabstandeter, in Form eines ein- oder
mehrdimensionalen Antennenarrays angeordneter erster Antennen (2’, 2“, 2‘“) vorgesehen sind, wobei das Antennenarray ein gemeinsamen Phasenzentrum aufweist, und wobei die Adaptionsvorrichtung (8) dazu eingerichtet ist, während der Bewegung das Phasenzentrum des Antennenarrays entlang der
gegebenenfalls nichtlinearen Gegenbewegungstrajektorie (7) oder
Mitbewegungstrajektorie (7‘) zu verschieben.
14. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Antenne (2) als Schlitzantenne mit einer Vielzahl räumlich beabstandeter, in einer Reihe, in einer Linie oder matrizenförmig angeordneter Schlitze (12, 12‘, 12“) ausgeführt ist, die bei Aktivierung als Abstrahlpunkt wirken, und die Adaptionsvorrichtung (8) dazu eingerichtet ist, während der Bewegung durch elektronisches Aktivieren passiver Elemente jeweils einen dieser Schlitze (12, 12‘, 12“) entlang der gegebenenfalls nichtlinearen
Gegenbewegungstrajektorie (7) oder Mitbewegungstrajektorie (7‘) zu aktivieren.
15. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Antenne (2) durch Anregung einer, von einem Punkt abgestrahlten Oberflächenwelle ausgebildet ist, wobei die die Adaptionsvorrichtung (8) dazu eingerichtet ist, während der Bewegung den Punkt der Abstrahlung der
Oberflächenwelle entlang der gegebenenfalls nichtlinearen
Gegenbewegungstrajektorie (7) oder Mitbewegungstrajektorie (7‘) zu verschieben.
16. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, dass die Detektion einer Bewegung der ersten Antenne (2) und/oder der zweiten Antenne (3) durch GPS-Sensoren, Gyroskope,
Rotationssensoren, Radar, Lidar, Kameras, SLAM oder andere Vorrichtungen und Verfahren zur Positionsbestimmung erfolgt.
17. Mobile elektronische Kommunikationseinrichtung, insbesondere Mobiltelefon, Smartphone, Tablet oder Laptop, oder Fortbewegungsmittel, insbesondere
Landfahrzeug, Luftfahrzeug, Wasserfahrzeug oder Flugkörper, umfassend zumindest eine Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
18. Unbewegliche elektronische Kommunikationseinrichtung, insbesondere Funk- Basisstation, Rundfunksender, Radaranlage oder dergleichen, umfassend zumindest eine Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
19. Verfahren zur Reduktion von Schwankungen im Funkkanal zwischen zumindest einer ersten Antenne (2), die mit zumindest einer zweiten Antenne (3) über den Funkkanal in Verbindung steht, unter Verwendung zumindest einer Vorrichtung zur Detektion oder Prädiktion einer Bewegung der ersten Antenne (2) und/oder der zweiten Antenne (3) und zur Bestimmung einer räumlichen
Bewegungstrajektorie (5) der ersten Antenne (2) relativ zur zweiten Antenne (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a. Berechnung, durch zumindest eine Berechnungseinheit (6), bei Bewegung der ersten Antenne (2) einer räumlichen Gegenbewegungstrajektorie (7), die im Raum im Wesentlichen entgegengesetzt zur Bewegungstrajektorie (5) verläuft, und/oder bei einer Bewegung der zweiten Antenne (5) einer räumlichen Mitbewegungstrajektorie (7‘), die im Raum im Wesentlichen gleich zur Bewegungstrajektorie (5) verläuft,
b. Adaptierung, durch eine Adaptionsvorrichtung, der räumlichen Strahlungscharakteristik der ersten Antenne (2) entlang der Gegenbewegungstrajektorie (7) und/oder Mitbewegungstrajektorie (7‘) während der Bewegung derart, dass die Eigenschaften des Funkkanals trotz der Bewegung im Wesentlichen unverändert bleiben.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Relativbewegung zwischen der ersten Antenne (2) und der zweiten Antenne (3) detektiert oder prädiziert wird, wobei die Berechnungseinheit (6) je nach Richtung der Relativbewegung eine Gegenbewegungstrajektorie (7) oder eine
Mitbewegungstrajektorie (7‘) berechnet.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die
räumliche Strahlungscharakteristik der zweiten Antenne (3) durch eine weitere Adaptionsvorrichtung (8‘) adaptiert wird, sodass der Funkkanals durch kooperative Adaption der räumlichen Strahlungscharakteristika beider Antennen (2, 3) stabilisiert wird.
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