EP1077508A2 - Innenraum-Antenne mit änderbarer Antennencharakteristik für die Kommunikation mit hohen Datenraten - Google Patents

Innenraum-Antenne mit änderbarer Antennencharakteristik für die Kommunikation mit hohen Datenraten Download PDF

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EP1077508A2
EP1077508A2 EP00116905A EP00116905A EP1077508A2 EP 1077508 A2 EP1077508 A2 EP 1077508A2 EP 00116905 A EP00116905 A EP 00116905A EP 00116905 A EP00116905 A EP 00116905A EP 1077508 A2 EP1077508 A2 EP 1077508A2
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EP
European Patent Office
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antenna
antenna according
terminals
base body
network
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EP00116905A
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Markus Radimirsch
Dirk Mansen
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Publication of EP1077508A3 publication Critical patent/EP1077508A3/de
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
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    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/24—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 orientation by switching energy from one active radiating element to another, e.g. for beam switching
    • H01Q3/242—Circumferential scanning

Definitions

  • the invention relates to an antenna arrangement, in particular for an interior, according to the preamble of claim 1.
  • Such an antenna is used in the context of a communication application used in the interior area, such Antenna at the base station to transmit the data via the radio channel to the receiving units or terminals (downlink) is arranged.
  • Data sent from the terminals (Uplink) are correspondingly from the antenna of the base station receive.
  • Such data exchange occurs either between the base station and a specific terminal or all Terminals. One can therefore of a "directed” or speak “undirected” data exchange.
  • the non-directional or nationwide Radiation in a half-space can be, for example by means of monopoles, dipoles or patches with conductive planes or slots.
  • Such Realization has the disadvantage that directly below no power is available to the antenna, however with specially shaped lens antenna this disadvantage is eliminated can be. Is the non-directional appearance constructive been set up, but it can be in the known antenna arrangements no longer in a directed broadcast switch.
  • the directional broadcast can be e.g. with array antennas, which consist of horns, dipoles or patches, realize.
  • array antennas which consist of horns, dipoles or patches.
  • the network is fixed, so that the antenna characteristic generally does not change can be.
  • a pivoting of the initially fixed Antenna beam can be made by inserting switchable detour lines can be realized, and also addressing everyone individual element may be possible. With the individual response the cost of each element increases significantly, however can generate almost any antenna characteristic become.
  • the invention has for its object an antenna, preferably for the interior, the generic type too create that easily between nationwide and directional antenna characteristic is switchable, and to provide a method for operating such an antenna.
  • an antenna comprises a base body with a Variety of radiating antenna elements, the Base body in the form of a cylinder with an attached polyhedron and each polyhedron surface has an antenna element.
  • the attached polyhedron is preferably formed by a truncated cone formed, depending on the number of antenna elements used flattened on the sides (four, six, eight ...) is. This creates several flat surfaces, the fixed angular relationships to each other. The size of the angle will by calling for an optimal nationwide Characteristics, as well as after low radiation against the ceiling and walls given.
  • the entire network is on a continuous substrate manufactured. Thanks to the special base body apply the two-dimensional substrate three-dimensionally. The This can be done mainly on the cylindrical network Part will be housed, with the network consisting of a flexible Substrate is produced.
  • the individual radiant elements on the flattened Sides of the body are positioned over individual continuous conductor tracks fed.
  • the substrate is glued to the surface of the base body or screwed on. The correct positioning is ensured by bores in the base body and in the substrate.
  • Determining the direction from which the terminal station is sending can be done simply by measuring the individual elements. To complex signal processing, as in known Antennas is necessary, can therefore be dispensed with.
  • the number of radiating elements used is arbitrary. The more elements are used, the more directed radiation lobes can be set up. As radiant elements can directly- as well as radiation-coupled patch elements or broadband dipoles can be used. So that can the relative frequency bandwidth and the polarization of the antenna adapt to the required specification. By a simultaneous excitation of several patches can be additional Form antenna lobes, with which an adaptation to the spatial conditions or to the requirements of the communication network is possible during operation.
  • the antenna can not only at base stations, but because of their cost-effectiveness can also be used at terminals.
  • the Switching logic can be integrated directly on the HF substrate.
  • the individual radiating elements can with higher performance.
  • An external switch board is with the antenna board over several RF lines connected.
  • the digital logic is also on this switch board realized and the switching signals are sent to the Hand over the antenna board.
  • the antenna has a base body G which consists of a cylindrical part Z and a part placed thereon Truncated cone K exists. In the most general form of The antenna becomes a corresponding polyhedron instead of the truncated cone K used.
  • the truncated cone K has in the embodiment 1 four flattenings (or six, eight, ...) according to the number of radiating elements, whereby only the radiating elements E1 and E2 are shown are visible.
  • On top of the truncated cone K is another one Surface essentially perpendicular to the truncated cone axis arranged, which also has a radiating element E5.
  • the spatial positioning of the radiating elements E1, E2, ..., E5 is ensured by the base body G.
  • the polarization of the antenna is due to the orientation with the radiating elements E1, E2, ..., E5 on the base body G are attached, and by the choice of elements fixed.
  • radiating elements E1, E2, ..., E5 can all structures that can be made planar, e.g. Patch or Dipoles are used. It is also on the cylindrical Part Z of the base body G applied a substrate S, which Contains supply network for the radiating elements.
  • FIG. 2 shows an overview of a communication system under Use of an antenna according to Fig. 1 presented.
  • the antenna not separately here is used at the base station BS.
  • the antenna is mounted on a ceiling and should have a direct line of sight to the terminals shown T1, T2, T3, T4, Tn. Possibly due to a Obstacle H a reflector R can be used like this is the case for Terminal T4.
  • the antenna communicates with an indefinite number n of terminals. Their positions can change during communication.
  • Downlink DL contains data D from the base station BS to the terminals T1, T2, ..., Tn. It sends information that is common to all terminals are important and are called broadcast BC namely in time slot 0, as well as those that are only for individual Terminals are determined, namely data D in the time slots D1, D2, D3, etc.
  • broadcast BC For the broadcast BC case in the time slot 0 a nationwide broadcast is necessary.
  • a directed radiation offers the advantage that Reflections and fading effects are reduced, in the uplink UL becomes data D directly from the terminals to the base station transfer.
  • Each terminal sends on its own time slot U1, U2, U3, ... data D. Since known at the base station BS is where the individual terminals are, is for time slots U1, U2, U3, ... a directional antenna characteristic used.
  • a random access channel RAC with time slots R1, R2, R3, ... of the frame enables the booking new terminals at the base station BS. Because at the base station BS this time is not known where the individual terminals must stand for time slots R1, R2, R3, ... with the nationwide Antenna characteristics are worked.
  • Terminal T3 has listened to time slot 0 and is logging on the base station BS in time slot R1.
  • Base station BS receives with omnidirectional, i.e. nationwide, characteristic and finds that the signal from Terminal T3 with antenna element E3 is best received.
  • T2 moves from sector 2 to sector during transmission 1. Even if ES receives on E2, the reception level or the RSSI (Received Signal Strength Information) of the others Antenna elements evaluated. BS now notes that the Receive signal from T2 to E1 becomes stronger than to E2. in the next frame then E1 is used for T2. A variant is the introduction of a hysteresis regarding the reception power the antenna branches to avoid switching too often. This ensures that the terminals are adjusted accordingly.
  • RSSI Received Signal Strength Information
  • FIG. 5 shows a network which is used for small radio cells, where only a few participants are addressed must be easy to implement.
  • Wilkinson divider W1, ..., W3 a constant power output of the individual radiating elements E1, ..., E4 independently ensured by the operating mode.
  • the digital circuit arrangement to control the individual switches S1, ..., S4 can be integrated directly on the HF substrate. Through the control the corresponding switches S1, ..., S4 can also several radiating elements E1, ..., E4 excited simultaneously become, whereby additional directional lobes can be formed.
  • FIG. 6 a network is shown that is more suitable is when very many different characteristics are formed should be, or if in the directional radiation as much power as possible should be available.
  • the individual radiating elements E1, ..., E6 each with operated at maximum power.
  • the effort that went into it is slightly higher because of an additional one Circuit board for the digital part, as well as for a first one HF switching step (1 on 4 - switch in the upper left part 6) and several RF feed lines 1, ..., 4 are required.
  • the radiating elements E1, ..., E6 can only be operated individually or in combination switches at the distribution points T1, ..., T3, for example or Wilkinson divider can be used.
  • the networks are designed that the line lengths to the radiating elements for the omnidirectional characteristics are all the same length, so in order Exclude phase errors caused by different lengths Paths are caused.
  • Length differences of the lines of multiples of the wavelength use this is possible as long as the frequency bandwidth is low, and the omnidirectional characteristic over the frequency range within that for the respective application specified specifications remains.

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

Abstract

Eine Antenne zur Kommunikation zwischen einer Basisstation und i.a. mehreren Terminals, insbesondere für den Innenraum, weist auf einem Grundkörper angeordnete ansteuerbare strahlende Antennenelemente auf, wobei der Grundkörper die Form eines Zylinderstumpfes mit aufgesetztem Polyeder hat, und jede Fläche des Polyeder ein Antennenelement aufweist. Insbesondere wird der Polyeder durch einen Kegelstumpf, der einer Anzahl abgeflachter Seiten aufweist, gebildet. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung, insbesondere für einen Innenraum, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Antenne wird im Rahmen einer Kommunikationsanwendung im Innenraum-Bereich eingesetzt, wobei eine solche Antenne an der Basisstation zur Übermittlung der Daten über den Funkkanal an die Empfangseinheiten oder Terminals (Downlink) angeordnet ist. Von den Terminals gesendete Daten (Uplink) werden entsprechend von der Antenne der Basisstation empfangen. Ein solcher Datenaustausch geschieht entweder zwischen der Basisstation und einem bestimmten Terminal oder allen Terminals. Man kann daher von einem "gerichteten" oder "ungerichteten" Datenaustausch sprechen.
Es existieren bereits Realisierungen für flächendeckende sowie gerichtete Funkausstrahlung. Die ungerichtete oder flächendeckende Ausstrahlung in einem Halbraum läßt sich beispielsweise mittels Monopole, Dipole oder Patche in Verbindung mit leitenden Ebenen oder Schlitzen erzeugen. Eine derartige Realisierung hat den Nachteil, daß direkt unterhalb der Antenne keine Leistung zur Verfügung steht, wobei jedoch mit speziell geformten Linsenantenne dieser Nachteil behoben werden kann. Ist die ungerichtete Ausstrahlung konstruktiv eingerichtet worden, läßt sie sich aber bei den bekannten Antennenanordnungen nicht mehr in eine gerichtete Ausstrahlung umschalten.
Die gerichtete Ausstrahlung läßt sich z.B. mit Array-Antennen, die aus Hornstrahlern, Dipolen oder Patchen bestehen, realisieren. Dabei wird die Richtung der größten Antennenabstrahlung durch die Eigenschaften der strahlenden Elemente sowie durch ein Speisenetzwerk, das die Amplituden- und Phasenbelegung der einzelnen Strahlungselemente definiert, festgelegt. Im einfachsten Fall ist das Netzwerk fest vorgegeben, so daß die Antennencharakteristik im allgemeinen nicht verändert werden kann. Ein Schwenken der zunächst festeingestellten Antennenkeule kann durch Einfügen schaltbarer Umwegleitungen realisiert werden, wobei auch ein Ansprechen jedes einzelnen Elements möglich sein kann. Mit dem einzelnen Ansprechen jedes Elements steigt der Aufwand erheblich an, jedoch kann so eine fast beliebige Antennencharakteristik erzeugt werden.
Es ist ferner aus E. Gschwendtner et. al.: "Konforme, halbkreisförmige Array-Antenne für mobile Nutzer künftiger dienstintegrierender Satellitensysteme", ITG-Fachbericht 149, VDE-Verlag, Berlin, Offenbach 1998, S.117-122, bekannt, ansteuerbare Patchelemente auf einer halbkugel- oder zylinderförmigen Oberfläche eines Grundkörpers zu positionieren, wobei die einzelnen Patchelemente umschaltbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne, vorzugsweise für den Innenraum, der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die auf einfache Weise zwischen flächendeckender und gerichteter Antennencharakteristik umschaltbar ist, sowie eine Verfahren zum Betreiben einer solchen Antenne anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Antenne nach Anspruch 1 sowie dem Verfahren nach Anspruch 13 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß umfaßt eine Antenne einen Grundkörper mit einer Vielzahl strahlender Antennenelemente auf, wobei der Grundkörper die Form eines Zylinders mit aufgesetztem Polyeder hat und jede Polyederfläche ein Antennenelement aufweist. Vorzugsweise wird der aufgesetzte Polyeder durch einen Kegelstumpf gebildet, der je nach Anzahl der verwendeten Antennenelemente an den Seiten (vier, sechs, acht...) abgeflacht ist. Dadurch entstehen mehrere ebene Flächen, die feste Winkelbeziehungen zueinander haben. Die Größe des Winkels wird durch die Forderung nach einer optimalen flächendeckenden Charakteristik, sowie nach geringer Abstrahlung gegen Decke und Wände vorgegeben.
Es ist jedoch auch möglich, den aufgesetzten Polyeder durch eine angenäherte, mit entsprechenden Abflachungen versehene Halbkugel zu verwenden.
Über die räumliche Anordnung der strahlenden Elemente wird eine erste Ausrichtung der Abstrahlung vorgenommen. Durch die gleichzeitige Anregung mehrerer strahlender Elemente kann die Richtwirkung während des Betriebs verändert werden. Eine bei bekannten schwenkbaren Antennen übliche Variation der Richtcharakteristik durch Amplituden/Phasen-Gewichte ist hier unnötig.
Zur Änderung der Richtwirkung können einzelne strahlende Elemente ein- bzw. ausgeschaltet werden. Für die flächendeckende Ausstrahlung müssen alle strahlenden Elemente eine fest vorgegebene Phasenbeziehung zueinander haben. Um dies ohne zusätzlichen Abgleich bzw. Kalibriermessungen reproduzierbar und ohne fertigungsbedingte Schwankungen realisieren zu können, wird das gesamte Netzwerk auf einem durchgehenden Substrat gefertigt. Durch den speziellen Grundkörper läßt sich das zweidimensionale Substrat dreidimensional aufbringen. Das Netzwerk kann dadurch hauptsächlich auf dem zylindrischen Teil untergebracht werden, wobei das Netzwerk aus einem flexiblem Substrat hergestellt wird.
Die einzelnen strahlenden Elemente, die auf den abgeflachten Seiten des Grundkörpers positioniert sind, werden über einzelne durchgehende Leiterbahnen gespeist.
Das Substrat wird auf die Oberfläche des Grundkörpers aufgeklebt bzw. aufgeschraubt. Die richtige Positionierung ist durch Bohrungen im Grundkörper und im Substrat sichergestellt.
Durch Verwendung von unsymmetrisch breiten Masseflächen rund um die einzelnen Patche ist es möglich die Abstände zwischen den Patchen minimal zu wählen, womit sich eine rundstrahlende Charakteristik mit einer Welligkeit kleiner 3 dB realisieren läßt.
Bei Monopol-Strahlern auf einem Reflektor bzw. bei symmetrisch auf Zylinderoberflächen angebrachten Strahlern bildet sich entlang der Achse des Strahlers bzw. des Zylinders immer eine Nullstelle in der Antennencharakteristik bei flächendekkender Abstrahlung aus. Bei der vorliegenden Antenne kann dies durch eine festeingestellte, leicht unsymmetrische Anregung der einzelnen strahlende Elemente behoben werden.
Die Bestimmung der Richtung, aus der die Terminalstation sendet, kann einfach durch Messung an den Einzelementen erfolgen. Auf eine aufwendige Signalverarbeitung, wie sie bei bekannten Antennen notwendig ist, kann daher verzichtet werden.
Vorteilhafterweise ist bei der erfindungsgemäßen Antenne der Produktions- und Montageaufwand gering. Daher ist die Antenne vielseitige und kostengünstige.
Die Anzahl der verwendeten strahlenden Elemente ist beliebig. Je Elemente verwendet werden, um so mehr gerichtete Strahlungskeulen können eingerichtet werden. Als strahlende Elemente können direkt- als auch strahlungsgekoppelte Patchelemente oder Breitband-Dipole verwendet werden. Damit läßt sich die relative Frequenzbandbreite und die Polarisation der Antenne der geforderten Spezifikation anpassen. Durch eine gleichzeitige Anregung mehrerer Patche lassen sich zusätzliche Antennenkeulen ausbilden, womit eine Anpassung an die räumlichen Gegebenheiten bzw. an die Anforderungen des Kommunikationsnetzes während des Betriebs möglich ist. Die Antenne kann nicht nur an Basisstationen, sondern wegen ihrer Kostengünstigkeit auch an Terminals eingesetzt werden.
Als Netzwerkstrukturen gibt es mehrere Alternativen:
Ist hauptsächlich flächendeckende Abstrahlung geplant, kann ein symmetrisches Netzwerk z.B. mit Wilkinson-Teilern eingesetzt werden. Hier wird nur eine HF-Zuleitung benötigt. Die Schaltlogik kann direkt auf dem HF-Substrat integriert werden.
Für eine gerichtete Ausstrahlung ist ein komplexeres Netzwerk vorteilhaft. Die einzelnen strahlenden Elemente können mit höherer Leistung angeregt werden. Eine externe Umschaltplatine wird mit der Antennenplatine über mehrere HF-Leitungen verbunden. Die Digitallogik wird ebenfalls auf dieser Umschaltplatine realisiert und die Schaltsignale werden an die Antennenplatine übergeben.
Des weiteren sind möglich: Aufwendigere Netzwerke, bei denen durch schaltbare Amplituden- und/oder Phasengewichtungen ein weitergehender Einfluß auf die gerichtete Abstrahlung genommen werden kann. Frei einstellbare Amplituden- und/oder Phasengewichtungen lassen sich beim erfindungsgemäßen Antennengrundkörper auch realisieren. Auch sind Mischformen der obigen Alternativen denkbar.
Zusammenfassend wird also durch die Verwendung mehrerer, teilweise voneinander unabhängiger bzw. intelligent schaltbarer Speisewege, die durch einfache Umschaltung ausgewählt werden, die erstrebte Richtwirkung der Antenne ein- und umgeschaltet. Alle Netzwerke, sowie die digitale Steuerschaltung, sind auf einem Substrat untergebracht, wodurch alle Phasenbeziehungen reproduzierbar vorgegeben sind. Die räumliche Ausrichtung der Patchelemente zueinander wird durch einen speziell geformten Grundkörper ermöglicht und dies ohne zusätzliche Justierung. Die vielseitig einsetzbare Antenne ist auch kostengünstig.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Antenne in schematischer Ansicht,
  • Fig.2 zeigt ein Schema eines Kommunikationssystems,
  • Fig.3 zeigt eine zeitliche Rahmenstruktur für die Kommunikation eines Kommunikationssystems nach Fig. 2,
  • Fig.4 stellt eine Kommunikation einer Basisstation mit den Terminals dar,
  • Fig.5 zeigt ein erstes Netzwerk einer erfindungsgemäßen Antenne , und
  • Fig.6 zeigt ein zweites Netzwerk einer erfindungsgemäßen Antenne.
    • In Fig.1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne dargestellt. Die Antenne weist einen Grundkörper G auf, der aus einem zylindrischen Teil Z sowie einem darauf aufgesetzten Kegelstumpf K besteht. In der allgemeinsten Form der Antenne wird ein entsprechender Polyeder anstelle des Kegelstumpfes K verwendet. Der Kegelstupf K weist in der Ausführungsform der Fig. 1 vier Abflachungen ( bzw. sechs, acht, ...) entsprechend der Anzahl der strahlenden Elemente, wobei in der Darstellung nur die strahlenden Elemente E1 und E2 sichtbar sind. Oben auf dem Kegelstumpf K ist hier eine weitere Fläche im wesentlichen senkrecht zur Kegelstumpfachse angeordnet, die ebenfalls ein strahlendes Element E5 aufweist. Die räumliche Positionierung der strahlenden Elemente E1, E2, ..., E5 wird durch den Grundkörper G sichergestellt. Die Polarisierung der Antenne ist durch die Orientierung, mit der die strahlenden Elemente E1, E2, ..., E5 auf dem Grundkörper G befestigt werden, und durch die Wahl der Elemente festgelegt. Als strahlende Elemente E1, E2, ..., E5 können alle planar herstellbaren Strukturen, wie z.B. Patche oder Dipole eingesetzt werden. Ferner ist auf dem zylindrischen Teil Z des Grundkörpers G ein Substrat S aufgebracht, das das Versorgungsnetzwerk für die strahlenden Elemente enthält.
    In Fig.2 wird eine Übersicht eines Kommunikationssystems unter Verwendung einer Antenne nach Fig. 1 vorgestellt. Insbesondere ist eine Konstellation innerhalb eines "point to multipoint"-Systems dargestellt. Die Antenne, hier nicht separat dargestellt, wird an der Basisstation BS eingesetzt. Beispielsweise wird die Antenne an einer Decke montiert und sollte direkte Sichtverbindung zu den dargestellten Terminals T1, T2, T3, T4, Tn besitzen. Eventuell muß aufgrund eines Hindernisses H ein Reflektor R eingesetzt werden, wie dies für Terminal T4 der Fall ist. Die Antenne kommuniziert mit einer unbestimmten Anzahl n an Terminals. Deren Positionen können sich während der Kommunikation ändern.
    Fig.3 zeigt eine prinzipielle Rahmenstruktur für die Kommunikation zwischen der Basisstation und den Terminals eines Systems der Fig. 2, wobei Zeitschlitze für die Datenübertragung verwendet werden. Im Downlink DL werden Daten D von der Basisstation BS zu den Terminals T1, T2, ..., Tn übertragen. Dabei werden sowohl Informationen gesendet, die für alle Terminals wichtig sind und mit Broadcast BC bezeichnet werden , nämlich im Zeitschlitz 0, als auch solche, die nur für einzelne Terminals bestimmt sind, nämlich Daten D in den Zeitschlitzen D1, D2, D3, usw. Für den Fall Broadcast BC im Zeitschlitz 0 ist eine flächendeckende Ausstrahlung nötig. Bei den Zeitschlitzen D1, D2, D3,... für die Datenübertragung D hingegen bietet eine gerichtete Ausstrahlung den Vorteil, daß Reflexionen und Schwundeffekte vermindert werden, Im Uplink UL werden Daten D direkt von den Terminals zur Basisstation übertragen. Jedes Terminal sendet auf einem eigenen Zeitschlitz U1, U2, U3,... Daten D. Da an der Basisstation BS bekannt ist, wo die einzelnen Terminals stehen, wird für Zeitschlitze U1, U2, U3,... eine gerichtete Antennencharakteristik eingesetzt. Ein Random Access Channel RAC mit Zeitschlitzen R1, R2, R3,... des Rahmens ermöglicht das Einbuchen neuer Terminals bei der Basisstation BS. Da an der Basisstation BS diesmal nicht bekannt ist, wo die einzelnen Terminals stehen, muß für Zeitschlitze R1, R2, R3,... mit der flächendeckenden Antennencharakteristik gearbeitet werden.
    In Fig.4 wird eine mögliche Situation der Kommunikation der Basisstation BS mit den Terminals T1, T2, T3, T4 dargestellt. Dabei wird eine Antenne mit 4 Elementen E1, E2, E3, E4 verwendet, die 4 Sektoren S1, S2, S3, S4 definieren. Zum Verständnis der Funktionsweise der Antenne und ihrer Integration im System wird im folgenden eine kurze Kommunikationssequenz veranschaulicht.
    Rahmen 1:
    Die Terminals T1 und T2 sind bekannt. Basisstation BS teilt im Zeitschlitz 0 per "Broadcast" die Nutzung der Kanäle mit:
  • D1 → T1 ⇒ BS sendet auf E1   U1 → T1 ⇒ BS empfängt auf E1
  • D2 → T1 ⇒ BS sendet auf E1   U2 → T2 ⇒ BS empfängt auf E2
  • D3 → T2 ⇒ BS sendet auf E2   U3 → T2 ⇒ BS empfängt auf E2
    • Terminal T3 hat Zeitschlitz 0 abgehört und meldet sich bei der Basisstation BS im Zeitschlitz R1. Basisstation BS empfängt mit rundstrahlender, d.h. flächendeckender, Charakteristik und stellt fest, daß das Signal von Terminal T3 mit Antennenelement E3 am besten empfangen wird.
    Rahmen 2:
    Terminals T1, T2 und T3 sind bekannt. Basisstation BS teilt im Zeitschlitz 0 per Broadcast die Nutzung der Kanäle mit:
  • D1 → T1 ⇒ BS sendet auf E1   U1 → T1 ⇒ BS empfängt auf E1
  • D2 → T2 ⇒ BS sendet auf E2   U2 → T2 ⇒ BS empfängt auf E2
  • D3 → T2 ⇒ BS sendet auf E2   U3 → T3 ⇒ BS empfängt auf E3
  • D4 → T3 ⇒ BS sendet auf E3
    • T2 bewegt sich während des Sendens von Sektor 2 nach Sektor 1. Auch wenn ES auf E2 empfängt, wird der Empfangspegel oder das RSSI (Received Signal Strength Information) der anderen Antennenelemente ausgewertet. BS stellt nun fest, daß das Empfangssignal von T2 auf E1 stärker wird als auf E2. Im nächsten Rahmen wird dann E1 für T2 benutzt. Eine Variante ist das Einführen einer Hysterese bezüglich der Empfangsleistung der Antennenzweige, um zu häufiges Umschalten zu vermeiden. So ist eine Leistungsanpassung der Terminals gewährleistet.
    In Fig.5 ist ein Netzwerk dargestellt, das für kleine Funkzellen, bei denen nur wenige Teilnehmer angesprochen werden müssen, einfach zu realisieren ist. Zum Beispiel wird durch Wilkinson-Teiler W1,...,W3 eine gleichbleibende Leistungsabgabe der einzelnen strahlenden Elemente E1,...,E4 unabhängig von der Betriebsart sichergestellt. Die digitale Schaltungsanordnung zum Ansteuern der einzelnen Schalter S1,...,S4 kann direkt auf dem HF-Substrat integriert werden. Durch die Ansteuerung der entsprechenden Schalter S1,...,S4 können auch mehrere strahlende Elemente E1,...,E4 gleichzeitig angeregt werden, wodurch sich zusätzliche Richtkeulen ausbilden lassen.
    In Fig.6 ist ein Netzwerk dargestellt, das besser geeignet ist, wenn sehr viele verschiedene Charakteristiken ausgebildet werden sollen, oder wenn bei der gerichteten Abstrahlung möglichst viel Leistung zur Verfügung stehen soll. Hier werden die einzelnen strahlenden Elemente E1, ...,E6 jeweils mit maximaler Leistung betrieben. Der Aufwand, der dafür getrieben werden muß, ist etwas höher, weil eine zusätzliche Schaltplatine für den digitalen Teil, sowie für einen ersten HF-Schaltschritt (1 auf 4 - Schalter im linken oberen Teil der Fig. 6) und mehrere HF-Zuleitungen 1, ...,4 benötigt werden. Abhängig davon, ob die strahlenden Elemente E1,...,E6 nur einzeln oder auch gekoppelt betrieben werden sollen, können an den Verteilpunkten T1,...,T3 beispielsweise Schalter oder Wilkinson-Teiler eingesetzt werden. In den Verbindungsleitungen zwischen den Verteilpunkten T1,...,T3 und den Schaltern S1,...,S6 lassen sich zusätzlich schaltbare Phasenschieber einbauen. Oder es wird z.B. an den Verteilpunkten T1,...,T3 eine unsymmetrische Leistungsaufteilung vorgenommen, um auf diese Weise spezielle gerichtete Charakteristiken fest einzustellen. Damit können verschiedene, genau auf das jeweilige Einsatzgebiet zugeschnittene Varianten erzeugt werden. Bei beiden Varianten sind die Netzwerke so entworfen, daß die Leitungslängen zu den strahlenden Elementen für die rundstrahlende Charakteristik alle gleichlang sind, um somit Phasenfehler auszuschließen, die durch unterschiedlich lange Laufwege hervorgerufen werden. Als eine Variante lassen sich Längenunterschiede der Leitungen vom Vielfachen der Wellenlänge verwenden Dies ist möglich, solange die Frequenzbandbreite gering ist, und die rundstrahlende Charakteristik über dem Frequenzbereich innerhalb der für die jeweilige Anwendung vorgegebenen Spezifikationen bleibt.

    Claims (16)

    1. Antenne, insbesondere für den Innenraum, mit auf einem Grundkörper angeordneten ansteuerbaren strahlenden Antennenelementen,
         dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (G) die Form eines Zylinderstumpfes (Z) mit aufgesetztem Polyeder (K) hat, wobei jede Fläche des Polyeder (K) ein Antennenelement (E1, E2, E3, E4, E5) aufweist.
    2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyeder (K) durch einen Kegelstumpf, der einer Anzahl abgeflachter Seiten aufweist, gebildet ist.
    3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der abgeflachten Seiten eine gerade Zahl größer oder gleich 4 ist.
    4. Antenne nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelspitze als Fläche ausgebildet ist und ein Antennenelement (E5) aufweist.
    5. Antenne nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente (E1, E2, E3, E4, E5) als planar herstellbare Strukturen ausgebildet sind.
    6. Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die planar herstellbaren Strukturen Dipole oder Patche sind.
    7. Antenne nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne für jedes strahlende Antennenelement (E1, E2, E3, E4, E5) einen Schalter (S1, S2, S3, S4) aufweist, der jedes strahlende Antennenelelement (E1, E2, E3, E4, E5) separat ein oder ausschaltet.
    8. Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S1, S2, S3, S4) Teil eines Antennennetzwerkes sind.
    9. Antenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk Wilkinson-Teiler (W1, W2, W3) aufweist.
    10. Antenne nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk auf einem durchgehenden flexiblen Substrat (S) aufgebracht ist.
    11. Antenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat überwiegend oder ganz auf dem zylindrischen Teil des Grundkörpers (G) aufgebracht ist.
    12. Antenne nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (S) durch entsprechende Justierbohrungen im Grundkörper (G) und Substrat (S) justiert wird.
    13. Verfahren zum Betreiben einer Antenne nach einem der vorangegangenen Ansprüche in einem Point-to-Multipoint Kommunikationssystem mit einer Basisstation (BS) und mindestens einem Terminal (T1, T2, T3, T4, Tn), dadurch gekennzeichnet, daß zur Kommunikation zwischen Basisstation (BS) und Terminals (T1, T2, T3, T4, Tn) eine Rahmenstruktur aus Zeitschlitzen (0, D1,...,U1..., R1...) verwendet wird, wobei eine erste vorbestimmte Anzahl von Zeitrahmen für den Downlink (DL), eine zweite vorbestimmte Anzahl von Zeitschlitzen für den Uplink (UL) und eine dritte vorbestimmte Anzahl von Zeitschlitzen für einen Random Access Channel (RAC) verwendet werden.
    14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Downlink (DL) für die Daten, die für alle Terminals wichtig sind, eine flächendeckende Antennencharakteristik verwendet wird, während für Daten, die an eingebuchte Terminals gerichtet sind, eine gerichtete Antennencharakteristik verwendet wird.
    15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß für den Uplink (UL) bereits eingebuchter Terminals eine gerichtete Antennencharakteristik verwendet wird.
    16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 - 15, dadurch gekennzeichnet, daß für den Random Access Channel (RAC) eine flächendeckende Antennencharakteristik verwendet wird.
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