DE102004051725A1

DE102004051725A1 - Antenne

Info

Publication number: DE102004051725A1
Application number: DE200410051725
Authority: DE
Inventors: Ingo Dr. Gaspard
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 2004-10-23
Filing date: 2004-10-23
Publication date: 2006-04-27

Abstract

Bei einer Antenne, insbesondere für Eisenbahn-Fahrzeuge, ist vorgesehen, dass auf einer Massefläche ein Monopol und um ein Fünftel der Wellenlänge der zu sendenden und/oder zu empfangenden Strahlung gegenüber dem Monopol versetzt ein strahlungsgekoppelter Monopol-Reflektor angeordnet sind, dass der Monopol-Reflektor an seinem Fußpunkt leitend mit der Massefläche verbunden ist und dass der Monopol isoliert auf der Massefläche angeordnet ist und eine Zu- und/oder Ableitung aufweist. Als Massefläche kann auch das Fahrzeugdach dienen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne, insbesondere für Eisenbahn-Fahrzeuge.

Zur Kommunikation von und zu Zügen werden verschiedene Funksysteme verwendet. Dies sind zum einen für die Leittechnik und sicherheitsrelevante Dienste, die nichtöffentlich sind, vorgesehene Funksysteme im Frequenzbereich unterhalb 1 GHz, wie beispielsweise GSM-R. Ferner können die Bahnreisenden ihr privates Endgerät an bestimmten Stellen des Zuges in bestehenden Mobilfunknetzen verwenden, welche in den Frequenzbereichen um 900 MHz bzw. 1800 MHz arbeiten. Eine Versorgung der meist nach innen abgeschirmten Wagen kann durch die Verwendung einer Außenantenne auf dem Wagendach und einer Antenne im Innern des Wagens unter Zwischenschaltung eines Repeaters gewährleistet werden.

Diesen Funksystemen ist gemeinsam, dass eine oder mehrere Antennen zur Zug-Land-Anbindung verwendet werden, die auf dem Wagendach montiert sind. Dabei handelt es sich durchweg um vertikal polarisierte Strahler, die in der Azimuthalebene eine Rundstrahlcharakteristik aufweisen.

Für zukünftige Anforderungen, bei denen breitbandige Zug-Landverbindungen zur Bereitstellung individueller Internetzugänge der Bahnreisenden im Vordergrund stehen, muss das Funkübertragungssystem in der Lage sein, auch bei hohen Geschwindigkeiten des Zuges große Datendurchsätze zwischen einem Zugserver und den Basisstationen der landgebundenen Netzinfrastruktur zu gewährleisten. Um Störungen durch Eigeninterferenzen aufgrund von zeitvarianter Streuausbreitung zu minimieren, ist eine Sichtverbindung zwischen dem fahrenden Zug und landseitigen Basisstationen erforderlich.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf einer Massefläche ein Monopol und um ein Fünftel der Wellenlänge der zu sendenden und/oder zu empfangenden Strahlung gegenüber dem Monopol versetzt ein strahlungsgekoppelter Monopol-Reflektor angeordnet sind, dass der Monopol-Reflektor an seinem Fußpunkt leitend mit der Massefläche verbunden ist und dass der Monopol isoliert auf der Massefläche (angeordnet ist und eine Zu- und/oder Ableitung aufweist.

Für einen Monopol mit einer Länge, die einem Viertel der Freiraum-Wellenlänge entspricht, über einer leitenden Ebene kann dessen Spiegelbild (Spiegelung an der leitenden Ebene, Massefläche) wieder als Strahlungsquelle der von der Ebene reflektierten Welle angesehen werden. Es entsteht somit die Richtcharakteristik eines Dipols der doppelten Länge im Freiraum, vorausgesetzt die leitende Ebene ist genügend groß. In der Praxis genügen einige Wellenlängen.

Die erfindungsgemäße Antenne kann für verschiedene Zwecke verwendet werden. Vorzugsweise ist eine Anwendung auf Eisenbahn-Fahrzeugen möglich. Dazu kann die erfindungsgemäße Antenne derart ausgebildet sein, dass ein Dach eines Eisenbahn-Fahrzeugs die Massefläche bildet und dass der Monopol und der Monopol-Reflektor in Längsrichtung des Fahrzeugs gegeneinander versetzt sind.

Die erfindungsgemäße Antenne ist außer für die Zug-Land-Anbindung auch für eine flexible Anbindung zwischen dem Zugserver in einem der Wagen und einzelnen anderen Wagen des Zuges verwendbar, um die Bahnreisenden eines Zuges an den Server anbinden zu können, was eine Verkabelung der einzelnen Wagen eines Zuges untereinander erspart.

Mit der erfindungsgemäßen Antenne werden unerwünschte Leistungsanteile, die nicht aus der Richtung der gewünschten Basisstation bzw. des gewünschten Wagens am Empfangsort eintreffen, entsprechend der Richtwirkung der Antenne abgeschwächt. Ebenso wird die Breite des Doppler-Leistungs-Dichte-Spektrums des gewünschten Signals, die eventuell zu Eigeninterferenz führen kann, vermindert. Durch den Antennengewinn ergibt sich ferner gegenüber ungerichteten Antennen eine größere Reichweite für eine gegebene Sendeleistung.

Folgende Vorteile ergeben sich bei der Anwendung im beschriebenen Bahnumfeld:
Die erfindungsgemäße Antenne benötigt eine geringe Bauhöhe, die lediglich etwa einem Viertel der Freiraum-Wellenlänge entspricht, also 3,75 cm bei 2-GHz-Trägerfrequenz. Diese Bauhöhe ist vergleichbar zu marktgängigen Monopolantennen. Damit und mit der Tatsache, dass die einzelnen Elemente der neuartigen Antenne auf einer Linie in Richtung der Wagenlängsachse angeordnet sind, ergibt sich ein zu marktüblichen Monopolantennen vergleichbarer, geringer Windwiderstand. Die mechanische Belastung eines Radoms über der Antenne zum Schutz gegen äußere Umweltfaktoren (z.B. Regen) und zur Isolation im Fall eines Oberleitungsschadens bleibt deshalb während der Fahrt gering.

Die parasitären Monopolelemente (Reflektoren und gegebenenfalls Direktoren) sind leitend mit dem metallischen Dach des Zuges verbunden und haben keine Leitungsverbindung ins Innere eines Wagens: im Falle eines Schadens an der Oberleitung besteht keine Gefahr, dass durch die Parasitärelemente Hochspannung in das Wageninnere geleitet wird.

Die erfindungsgemäße Antenne gewährleistet eine Richtwirkung mit Antennengewinn, wobei Störungen durch vorgebbare Formung des Richtdiagramms ausgeblendet werden können. Durch den Antennengewinn können größere Funkfeldlängen bei gegebener Sendeleistung überbrückt werden. Insbesondere für eine Zug-Land-Anbindung können dadurch die Abstände der Basisstationen entlang der Schienenstrecke (Linienversorgung) vergrößert werden. Zur Dimensionierung im Einzelnen können bekannte Entwurfsprinzipien, die für den Entwurf von Yagi-Uda-Antennen entwickelt wurden, eingesetzt werden.

Sollte für die jeweilige Anwendung die erfindungsgemäße Antenne mit einem Monopol und mit einem Monopol-Reflektor eine ungenügende Richtwirkung aufweisen, so kann bei der erfindungsgemäßen Antenne auch vorgesehen sein, dass ferner in entgegengesetzter Richtung mindestens ein Monopol- Direktor angeordnet ist, der mit dem Fußpunkt leitend mit der Massefläche verbunden ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antenne besteht darin, dass der Monopol eine Länge aufweist, die einem Viertel der Freiraum-Wellenlänge der zu sendenden und/oder zu empfangenden Strahlung entspricht, und dass der Monopol-Reflektor eine Länge von etwa der 0,26-fachen Freiraum-Wellenlänge der zu sendenden und/oder zu empfangenden Strahlung aufweist. Für eine Frequenz von 2GHz weisen der Monopol eine Länge von 3,75 cm und der Monopol-Reflektor eine Länge von 3,9 cm bei einem Abstand voneinander von 3 cm auf.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel,
3 ein Elevations-Richtdiagramm der Antenne nach 1 und
4 ein Azimuth-Richtdiagramm der Antenne nach 1.
Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen Monopol 1 und einen Monopol-Reflektor 2 auf. Der Monopol-Reflektor 2 ist an seinem Fußpunkt leitend mit dem Wagendach 3 verbunden, das nur ausschnittsweise dargestellt ist. Am Fußpunkt des Monopols 1 ist eine Zu- bzw. Ableitung 4 angeschlossen, sowie eine isolierende Durchführung 5 durch das Wagendach 3 vorgesehen. Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist für eine Frequenz von 2 GHz ausgelegt, wenn die Länge des Monopol-Strahlers 3,75 cm und die Länge des Monopol-Reflektors 3,9 cm beträgt. Der Abstand zwischen beiden ist dann 3 cm. Die Längsrichtung des Fahrzeugs ist durch einen Doppelpfeil dargestellt.
Neben den bereits im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Elementen weist das Ausführungsbeispiel nach 2 noch zwei Direktoren 6, 7 auf, die Im Abstand von jeweils 3 cm leitend auf dem Wagendach 3 angeordnet sind und deren Länge kleiner als die des Monopols 1 bzw. des jeweils vorangegangenen Direktors ist.
Im Elevations-Richtdiagramm gemäß 3 ist ein deutlicher Gewinn in horizontaler Richtung, insbesondere in Richtung der Verlängerung des Monopol-Reflektors 2 zum Monopol 1 erkennbar, der bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 8,55 dBi beträgt. Auf diesen wert sind die Diagramme in den 3 und 4 normiert. Das Vor-Rückverhältnis ergibt sich zu 9,53 dB.
Die in 4 dargestellte horizontale Richtcharakteristik in der Ebene des Wagendaches (Elevation 0°) weist einen azimuthalen Öffnungswinkel (–3 dB) von circa 160° auf.

Claims

Antenne, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Massefläche (3) ein Monopol (1) und um ein Fünftel der Wellenlänge der zu sendenden und/oder zu empfangenden Strahlung gegenüber dem Monopol (1) versetzt ein strahlungsgekoppelter Monopol-Reflektor (2) angeordnet sind, dass der Monopol-Reflektor (2) an seinem Fußpunkt leitend mit der Massefläche (3) verbunden ist und dass der Monopol (1) isoliert auf der Massefläche (3) angeordnet ist und eine Zu- und/oder Ableitung (4) aufweist.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dach eines Eisenbahn-Fahrzeugs die Massefläche (3) bildet und dass der Monopol (1) und der Monopol-Reflektor (2) in Längsrichtung des Fahrzeugs gegeneinander versetzt sind.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ferner in entgegengesetzter Richtung mindestens ein Monopol-Direktor (6, 7) angeordnet ist, der mit dem Fußpunkt leitend mit der Massefläche (3) verbunden ist.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Monopol (1) eine Länge aufweist, die einem Viertel der Freiraum-Wellenlänge der zu sendenden und/oder zu empfangenden Strahlung entspricht, und dass der Monopol-Reflektor (2) eine Länge von etwa der 0,26-fachen Freiraum-Wellenlänge der zu sendenden und/oder zu empfangenden Strahlung aufweist.
Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Frequenz von 2GHz der Monopol (1) eine Länge von 3,75 cm und der Monopol-Reflektor (2) eine Länge von 3,9 cm bei einem Abstand voneinander von 3 cm aufweisen.