EP0985248B1 - Antenna for high frequency radio signal transmission - Google Patents

Description

Translated fromGerman

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Antenne zum Abstrahlen vonhochfrequenten Funksignalen nach der Gattung des Hauptanspruchs.Aus der Veröffentlichung Sven Zimmermann: "Investigations ofantennas for an indoor wideband communication System at 60GHz", IEEE Workshop Mobile Millimeter Communications (MMMCOM), Technische Universität Dresden, 12-13.5. 1997, Seiten 89-92, ist bekannt,Antennen für die Kommunikation zwischen einer Basisstationund mehreren Mobilstationen in einem geschlossenen Raum alsLinsenantenne auszubilden. Ziel dieser Antenne ist es, ineinem System zur hochbitratigen Datenübertragung imFrequenzbereich von 60 GHz Funkverbindungen von einer unterder Decke angebrachten Basisstation zu mehreren in einemgeschlossenen Raum befindlichen Mobilstationen aufzubauen.Das am Eingang einer Antenne anliegende hochfrequente Signalder Basisstation wird mit Hilfe der Antenne in den zuversorgenden Raum abgestrahlt. Die Strahlungscharakteristikder Antenne ermöglicht die gleichmäßige Versorgung dergesamten Raumfläche in einer definierten Arbeitshöhe. Unteranderem werden Mobilstationen in weiterer Entfernung mitmehr Sendeleistung versorgt, als Mobilstationen die sich inkurzen Entfernungen unterhalb der sendenden Antennebefinden. Das direkt senkrecht zum Boden gerichtete Signalbesitzt einen kleineren Leistungspegel, als das Signal, das gegen die Begrenzungswände des Raumes abgestrahlt wird. Beider Signalübertragung zwischen Basisstation und Mobilstationsollen Reflektionen durch Mehrwegeausbreitung vermiedenwerden. Ansonsten überlagern sich am Empfangsort einzelneWellen, so daß es je nach Phasenlage bis zur Auslöschungdurch Interferenzen der Gesamtfeldstärke kommt. Dievorgeschlagene Antenne für das Abstrahlen des hochfrequentenSignals der Basisstation besteht aus einer linsenförmigenPlexiglasform, die von einem Wellenleiter gespeist wird. DieGeometrie der äußeren Schale der Linse ist an dieGegebenheiten des Raumes angepaßt, der mit dem HochfrequenzSignal versorgt werden soll. Die abgestrahlten Funksignalesind linear polarisiert. Durch die Geometrie der äußerenSchale der Linse entstehen Reflektionsverluste im Übergangzwischen Linsenmaterial und Luft. Zudem müssen die Antennender mobilen Teilnehmer so ausgerichtet werden, daß sie dielinear polarisierten Signale geeignet empfangen.The invention is based on an antenna for radiatinghigh-frequency radio signals according to the genus of the main claim.From the publication Sven Zimmermann: "Investigations ofantennas for an indoor wideband communication system at 60GHz ", IEEE Workshop Mobile Millimeter Communications (MMMCOM), Technical University Dresden, May 12-13, 1997, pages 89-92, is knownAntennas for communication between a base stationand several mobile stations in a closed room asTraining lens antenna. The aim of this antenna is toa system for high bit rate data transmission inFrequency range of 60 GHz radio connections from one belowbase station attached to the ceiling to multiple in oneto set up enclosed mobile stations.The high-frequency signal at the input of an antennathe base station is connected to the antennaradiated supplying room. The radiation patternthe antenna enables uniform coverage of theentire room area at a defined working height. Underother mobile stations are further away withsupplies more transmission power than mobile stations inshort distances below the transmitting antennaare located. The signal directly perpendicular to the floorhas a lower power level than the signal thatis radiated against the boundary walls of the room. Atthe signal transmission between base station and mobile stationreflections caused by multipath propagation should be avoidedbecome. Otherwise, some overlap at the receiving locationWaves, so that depending on the phase position until extinctiondue to interference of the total field strength. Theproposed antenna for radiating the high frequencyBase station signal consists of a lenticularPlexiglass shape, which is fed by a waveguide. TheGeometry of the outer shell of the lens is attached to theAdapted to the conditions of the room with the high frequencySignal should be supplied. The radiated radio signalsare linearly polarized. Due to the geometry of the outerShell of the lens creates reflection losses in the transitionbetween lens material and air. In addition, the antennasof mobile subscribers are aligned so that they cansuitably receive linearly polarized signals.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Antenne mit den kennzeichnenden Merkmalendes Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, daßdie innere Schale der dielektrischen Linse eine an den Raumangepaßte Geometrie aufweist, während die äußere Schale auseiner Halbkugel besteht. Dadurch ist es einfacher möglicheine Antireflektionsschicht aufzubringen und Reflektionsverlustebeim Übergang von Linsenmaterial und Luft zuvermeiden.The antenna according to the invention with the characteristic featuresof the main claim has the advantage thatthe inner shell of the dielectric lens one to the roomhas adapted geometry, while the outer shella hemisphere. This makes it easier to doto apply an anti-reflective layer and reflection lossesat the transition from lens material to airavoid.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen isteine vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserung der imHauptanspruch angegebenen Antenne möglich.By the measures listed in the subclaimsan advantageous training and improvement of theMain claim specified antenna possible.

Durch den Einsatz eines Primärstrahlers, der aus einem Hohlleitermit einer Helixantenne besteht, ist es möglich Linsen mit niedrigem ε_r in kleinen Abmessungen zu gestalten. Es istz.B. dadurch möglich, das Linsenmaterial aus Polyethylenherzustellen. Einen solchen Vorteil erreicht man auch wennman den Primärstrahler aus einem Hohlleiter mit einerPatchantenne ausbildet.By using a primary radiator, which consists of a waveguide with a helical antenna, it is possible to design lenses with a low ε_r in small dimensions. This makes it possible, for example, to manufacture the lens material from polyethylene. Such an advantage can also be achieved if the primary radiator is formed from a waveguide with a patch antenna.

Vorteilhafter Weise wird durch den Einsatz solcher Primärstrahlereine zirkulare Polarisation der Funksignaleerreicht. Dadurch ist es nicht mehr nötig, daß die Antennender mobilen Stationen eine bestimmte Ausrichtung aufweisen.Durch die Verwendung von Funksignalen mit zirkularer Polarisationwird auch der Effekte der Mehrwegeausbreitung entschärft.Es ist dadurch eine Minimierung von Interferenzeffektenerreichbar. Vorteilhafter Weise wird die elektrischeLinse durch geeignete Maßnahmen entspiegelt. Dazu wirdvorteilhafter Weise eine λ/4-Schicht aus einem geeignetenDielektrikum aufgebracht oder durch eine Rillung erzielt.The use of such primary radiators is advantageouscircular polarization of the radio signalsreached. This means that it is no longer necessary for the antennasof the mobile stations have a certain orientation.By using radio signals with circular polarizationthe effects of multipath propagation are also mitigated.This minimizes interference effectsreachable. The electrical is advantageouslyAnti-glare treatment by appropriate measures. This willadvantageously a λ / 4 layer from a suitableDielectric applied or achieved by scoring.

Zeichnungendrawings

Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestelltund in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Eszeigt Figur 1 das Kommunikationssystem und Figur 2 dieerfindungsgemäße Antenne.An embodiment is shown in the drawingsand explained in more detail in the following description. ItFigure 1 shows the communication system and Figure 2 shows theantenna according to the invention.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

Figur 1 zeigt eine Basisstation 1 und mehrere Mobilstationen2, die über Funksignale miteinander kommunizieren. Diemobilen Stationen 2 befinden sich in einem geschlossenenRaum, der durch eine Wand 4 und eine Decke 3 begrenzt ist.Die von der Basisstation abgestrahlten Funksignale sind zueinem Abstrahlkegel 5 geformt.Figure 1 shows a base station 1 and severalmobile stations2, which communicate with each other via radio signals. Themobile stations 2 are in a closedSpace that is delimited by a wall 4 and aceiling 3.The radio signals emitted by the base station are closedaradiation cone 5 shaped.

Es ist zu erkennen, daß der Abstrahlkegel so geformt ist,daß möglichst Reflektionen an der Wand 4 vermieden werden.Die Sendeleistung ist innerhalb des Abstrahlkegels unterschiedlich,sie ist im Mantelbereich des Kegels höher, umweiter entfernte Mobilstationen mit Sendeleistung versorgenzu können und verringert sich in der Mitte des Abstrahlkegels.It can be seen that the radiation cone is shaped sothat possible reflections on the wall 4 are avoided.The transmission power is different within the radiation cone,it is higher in the mantle region of the coneProvide more distant mobile stations with transmission powerto be able to and decreases in the middle of the radiation cone.

Figur 2 zeigt die erfindungsgemäße Antenne 6, die aus einemPrimärstrahler 13 und einer dielektrischen Linse 12 besteht.Der Primärstrahler 13 besteht aus einem Hohlleiter 7, an demeine Helixantenne 8 angebracht ist. Der Primärstrahler ragtin die innere Schale der dielektrischen Linse 12 hinein. Dieäußere Schale 10 der dielektrischen Linse 12 ist halbkugelförmigausgebildet. Auf der halbkugelförmigen Oberfläche deräußeren Schale 10 befindet sich die Antireflektionsschicht11.FIG. 2 shows theantenna 6 according to the invention, which consists of aPrimary radiator 13 and adielectric lens 12 is made.Theprimary radiator 13 consists of a waveguide 7 on whicha helical antenna 8 is attached. The primary radiator protrudesinto the inner shell of thedielectric lens 12. TheOuter shell 10 ofdielectric lens 12 is hemisphericaleducated. On the hemispherical surface of theouter shell 10 is theanti-reflective layer11.

Die Antenne der Basisstation besteht aus einem Primärstrahlerund der dielektrischen Linse. Der Primärstrahler 13 wirddirekt durch den Hohlleiter erregt, wodurch keine Übergängeund zusätzliche Schnittstellen notwendig sind. Der Primärstrahlererzeugt ein 60° breites Strahlungsdiagramm mitzirkularer Polarisation, das durch die dielektrische Linse12 zum Solldiagramm geformt wird. Die Form derdielektrischen Linse richtet sich nach der räumlichenGeometrie und kann an jede Raumsituation angepaßt werden. Dazur Strahlformung die äußere und die innere Schale der Linsegenutzt werden kann, sind zwei Freiheitsgrade vorhanden. Umdie einfache Antireflektionsschicht realisieren zu können,ist es notwendig, daß die Wellenfronten desHochfrequenzsignals möglichst parallel zur Linsenoberflächeaus dem Material der äußeren Schale 10 austreten. Deshalbwird für die äußere Schale die halbkugelförmige Geometriegewählt. Die innere, rotationssymetrische Schale 9 kann an verschiedene Raumsituationen angepaßt werden. Die Linseselbst besteht aus einem dielektrischen Material, daseinfach zu bearbeiten ist. Beispielsweise wird Polyethylenmit einem ε_r = 2,14 verwendet. Als λ/4-Antireflektionsschichtfür den Übergang Dielektrikum-Luftwerden in das Material der Linse symmetrisch Nuteneingedreht. Diese Nuten müssen kleiner als die Wellenlängeim Substrat sein. Durch diese Nuten geeigneter Tiefe und ineinem geeigneten Tastverhältnis wird eine einfache Antireflexschichtohne zusätzliches Aufbringen einer Schichtungmöglich. Beispielsweise wird bei einem Tastverhältnis von1:1 Nuten von 0,5 mm Breite und 1 mm Tiefe in die Linsegeschnitten. Dadurch werden Reflektionsverluste vermiedenund der Wirkungsgrad der Antenne verbessert. Zudem wird dieStrahlungscharakteristik der Antenne geglättet.The antenna of the base station consists of a primary radiator and the dielectric lens. Theprimary radiator 13 is excited directly by the waveguide, so that no transitions and additional interfaces are necessary. The primary radiator generates a 60 ° wide radiation diagram with circular polarization, which is shaped by thedielectric lens 12 to form the target diagram. The shape of the dielectric lens depends on the spatial geometry and can be adapted to any room situation. Since the outer and inner shell of the lens can be used for beam shaping, there are two degrees of freedom. In order to be able to implement the simple anti-reflection layer, it is necessary that the wave fronts of the high-frequency signal emerge from the material of theouter shell 10 as parallel as possible to the lens surface. Therefore the hemispherical geometry is chosen for the outer shell. The inner, rotationally symmetrical shell 9 can be adapted to different spatial situations. The lens itself is made of a dielectric material that is easy to machine. For example, polyethylene with an ε_r = 2.14 is used. As a λ / 4 anti-reflection layer for the dielectric-air transition, grooves are screwed symmetrically into the material of the lens. These grooves must be smaller than the wavelength in the substrate. These grooves of suitable depth and in a suitable duty cycle make a simple anti-reflective layer possible without the additional application of a layer. For example, with a duty cycle of 1: 1, grooves 0.5 mm wide and 1 mm deep are cut into the lens. This avoids reflection losses and improves the efficiency of the antenna. In addition, the radiation characteristics of the antenna are smoothed.

Claims (8)

1. Antenna (6) for transmitting radio-frequencyradio signals in an enclosed area, with thetransmission lobe (5) being determined by a dielectriclens (12) which encloses a primary antenna element(13), with the dielectric lens (12) comprising an innershell (9) and an outer shell (10),characterized inthat the geometry of the inner shell (9) is matched tothe characteristics of the area in such a manner as toform a radiation characteristic for the antenna (6)which results in the entire indoor area being supplieduniformly with transmitted power at a defined operatinglevel, andin that the outer shell (10) has ahemispherical geometry.
2. Antenna according to Claim 1,characterized inthat the material of the dielectric lens ispolyethylene.
3. Antenna according to Claim 1 or 2,characterized in that the outer shell (10) hasrotationally symmetrical grooves which form a λ/4layer.
4. Antenna according to Claim 1 or 2,characterized in that the outer antenna shell (10) hasa dielectric coating.
5. Antenna according to Claims 1 to 4,characterized in that the primary antenna elementconsists of a waveguide (7) with a helical antenna (8).
6. Antenna according to Claims 1 to 4,characterized in that the primary antenna elementconsists of a waveguide (7) with a patch antenna (8).
7. Antenna according to Claims 1 to 4,characterized in that the primary antenna elementconsists of a waveguide (7).
8. Antenna according to Claims 1 to 7,characterized in that the radio signals are circular-polarized.

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