Mehrstrahlantennen für Basisstationen

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°-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° 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.