Details
| Autor: | Gerald Staats |
| Titel: | Mehrstrahlantennen für Basisstationen |
| Typ: | Dissertation |
| Fachgebiet: | Informationstechnik |
| Auflage: | 1 |
| Sprache: | Deutsch |
| Erscheinungsdatum: | Januar 2007 |
| Lieferstatus: | Lieferbar |
| Umfang: | 277 Seiten |
| Bindung: | Soft |
| Preis: | 60,00 EUR |
| ISBN: | 9783938860014 |
| Umschlag: | (vorn) |
| Inhaltsverzeichnis: | (pdf) |
Abstrakt in Englisch
During the past decade, wireless communications systems have experienced a tremendous and world-wide increase in demand. The requirements on mobility and connectivity can be expected to push further growth in this sector in the years to come. At the same time, interactive contents lead to a significant increase of data rate per connection, a fact seriously challenging the capacity of existing networks. One promising concept to overcome these limitations is the usage of antennas with steerable antenna characteristics.
By means of steerable antennas every cell frequency can be used multiple times, for independent connections into different directions within the same cell, thus significantly increasing channel capacity. This principle is also referred to as SDMA (space division multiple access) since all radio links are mutually isolated in space for the reason that directive beams are used.
In this work two fundamentally different concepts have been investigated. A 96-element phase array with adaptive feed network is considered first, followed by a multimode biconical antenna with differently designed feed systems. All antennas described offer electronic beam steering capabilities in the horizontal plane, additionally, the biconical antennas are also suited for polarisation diversity.
The planar 96-element phased array has been developed for WLL (wireless local loop) base station applications operating at the 3.4 GHz band with a 120 degree steering sector. Parasitic elements have been introduced to increase the maximally available steering range.
Subsequently, the multimode biconical antenna has been investigated. It consists of a biconical horn incorporating a radial waveguide with a central reflector and a circular configuration of excitation elements, which eliminates the need of having an external feeding network in order to determine the beam direction. By principle, it offers a 360-degrees steering in the azimutal plane.
For the synthesis of the desired radiation pattern, the field distribution at the position of the excitation elements has been developed into a series of modes of the radial waveguide (64 for the prototype case). The fields are transformed to biconical modes prior to radiation into free space. It has to be noted, that very large operating bandwidth has been achieved with this antenna type.
Based on the results gained during the work on the multimode biconical antenna several further design variations could be derived.
One type comprises of the basic configuration with centre-fed radial guide and biconical horn, additionally, supplemented by an electronically controllable slot array. The latter has been positioned at the transition point between the radial and the biconical waveguide. Controlling the transmission properties of the slots by means of electronic elements selects the desired beam characteristics.
Further, a biconical antenna including a parallel plate Luneburg lens has been presented. Here, the field distributions at the inner radius of the biconical antenna, required to obtain a certain radiation pattern, are determined by a Luneburg lens surrounded by the excitation elements. By selecting a feed element the beam direction can be directly adjusted.
Abstrakt in Deutsch
Drahtlose Kommunikationsdienste haben im letzten Jahrzehnt weltweit einen drastischen Nachfrageanstieg erfahren. Die Forderungen nach Mobilität und Erreichbarkeit lassen in den nächsten Jahren ein weiteres Anwachsen des Bedarfs erwarten. Gleichzeitig führen interaktive Inhalte zu einer wesentlichen Steigerung der für die einzelne Verbindung erforderlichen Datenrate, die mit den bisherigen Konzepten nur schwer realisiert werden kann. Ein erfolgversprechender Ansatz in dieser Richtung ist die Verwendung von Antennen mit steuerbarer Richtcharakteristik.
Die Verwendung von steuerbaren Antennen ermöglicht es, in einer Funkzelle jede Frequenz für unabhängige Verbindungen in verschiedene Richtungen des Raums zu benutzen und so die verfügbare Kanalkapazität wesentlich zu steigern. Dieses Verfahren wird als SDMA (space division multiple access) oder auch als räumliches Mehrfachzugriffsverfahren bezeichnet, da die einzelnen Sender-Empfänger-Paare durch gerichtete Funkverbindungen räumlich voneinander entkoppelt sind.
In dieser Arbeit werden zwei grundsätzlich verschiedene Konzepte für die Realisierung derartiger Antennen untersucht, zum einen ein 96-elementiges Phased-Array mit adaptivem Speisenetzwerk und zum anderen mehrmodige bikonische Antennen mit unterschiedlich gestalteter Anregung. Dabei realisieren alle vorgestellten Antennen eine elektronische Strahlschwenkung in der horizontalen Ebene und die bikonischen Antennen sind darüber hinaus für Polarisationsdiversity geeignet.
Das planare, 96-elementigen Phased-Array ist für die Verwendung an WLL(wireless local loop)-Basisstationen im 3.4GHz WLL-Band bestimmt und deckt mit elektronischer Strahlschwenkung einen 120 Grad-Sektor ab. Die maximal mögliche elektronische Strahlschwenkung wird dabei durch die Verwendung parasitärer Elemente vergrößert.
Die anschließend untersuchte mehrmodige bikonische Antenne mit kreisförmiger Anordnung der Erregerelemente und zentralem Reflektor benötigt kein externes Speisenetzwerk zur Erzeugung der unterschiedlichen Hauptstrahlrichtungen und deckt prinzipbedingt 360 Grad in der horizontalen Ebene ab. Die für die gewünschte Richtcharakteristik erforderlichen Feldverteilungen auf der Apertur werden am Ort der Erregerlemente nach Moden (maximal 64 beim Prototypen der Antenne) des radialen Wellenleiters entwickelt und breiten sich von dort radial nach außen bis zur Apertur aus, an welcher der Übergang in den Freiraum erfolgt. Besonders hervorzuheben ist die sehr hohe Bandbreite dieser Antenne.
Unter Verwendung der Erkenntnisse, die bei dieser mehrmodigen bikonischen Antenne gewonnen wurden, konnten zwei weitere Ausführungsvarianten entworfen werden.
So die bikonische Antenne mit elektronisch steuerbarer Schlitzblende und zentraler Anregung. Bei dieser Antenne wird eine am Ort des Überganges vom radialen Wellenleiter zum bikonischen Wellenleiter angebrachte Schlitzblende mit Hilfe von elektronischen Bauelementen in ihrem Transmissionsverhalten beeinflußt und damit die Richtcharakteristik entsprechend gesteuert.
Oder aber die bikonische Antenne mit Parallel-Platten-Luneburg-Linse. In diesem Fall erfolgt die Erzeugung der für die gewünschte Richtcharakteristik erforderlichen Feldverteilung am inneren Radius der bikonischen Antenne durch eine Luneburg-Linse, die von Erregerelementen umgeben ist. Bei dieser Antenne kann durch die Auswahl der Speiseanschlüsse unmittelbar die Steuerung der Richtcharakteristik erfolgen.