Technisches Gebiet der Erfindung
[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine breitbandige Antennenanordnung, insbesondere
geeignet für Schienenfahrzeuge.
Stand der Technik
[0002] Antennen sind essenzielle Bestandteile jedes drahtlosen Kommunikationssystems, um
einen ungestörten Empfang und eine effiziente störungsfreie Kommunikation zu gewährleisten.
Jede Anwendung nutzt unterschiedliche Frequenzbänder und ein universeller Einsatz
erfordert eine breitbandige Antennenanordnung mit reduzierter Komplexität und gleichzeitig
erhöhter Leistungsfähigkeit. Bei Anwendungen in Schienenfahrzeugen und/oder Transportfahrzeugen
sind darüber hinaus noch Anforderungen an die mechanische Robustheit, insbesondere
in Bezug auf Vibrationen und Stösse sowie hinsichtlich stark wechselnder Umwelteinflüsse
und hohe gesetzliche Sicherheitsanforderungen zu beachten. Neben Schienenfahrzeugen
können auch andere Fahrzeuge wie Kraftfahrzeuge oder Schiffe bzw. andere Verkehrsmittel
wie U-Bahnen oder Strassenbahnen mit einer Antennenanordnung ausgestattet werden,
um eine drahtlose Kommunikationsverbindung in unterschiedlichsten Frequenzbereichen
zu gewährleisten.
[0003] Bekannte im Transportwesen einsetzbare als omnidirektionale Antennen ausgebildete
Antennenanordnungen umfassen einen Rundstrahler, welcher aufgrund seiner erzielbaren
Breitbandigkeit alle momentan gängigen Frequenzbereiche abdeckt, die internationalen
Funkstandards unterstützt und störfest ist. Derartige Antennenanordnungen schaffen
Voraussetzungen für zukunftsfähige Kommunikations- und Navigationssysteme, welche
auch unter erschwerten Bedingungen zuverlässig Satellitensignale für eine präzise
Positionsbestimmung und störungsfreie Navigation empfangen.
[0004] So ist zum Beispiel aus
EP 3 276 745 A1 eine breitbandige omnidirektionale Antenne für Schienenfahrzeuge bekannt, umfassend
eine Grundplatte und einen monopolförmigen Strahler mit kegelförmigen Abschnitten,
welcher sich senkrecht von der Grundplatte erstreckt und mittels divergierender Wände
einen Aufnahmeraum bildet. Der Strahler ist ein Rundstrahler, dessen Form eine Aussenkontur
aufweist, welche formschlüssig in eine schalen- oder wannenförmige Aufnahmevorrichtung
aufgenommen ist. Der Strahler ist mittels einer Halteeinrichtung mit der Grundplatte
verbunden, welche mittels einer Verbindungskomponente den Strahler einseitig abstützt.
Angegeben ist, dass die Antenne in einem Frequenzbereich von 697 MHz bis 6000 MHz
betreibbar ist. Um den unteren Frequenzbereich zu erweitern, müsste ein höher bauender
Strahler vorgesehen sein, was aber je nach Einbauort nicht oder nur begrenzt möglich
ist.
[0005] Aus
WO 2007/048258 A1 ist eine Antennenanordnung bekannt, umfassend eine Breitband-Monopol-Antenne mit
einem rotationssymmetrischen Strahler mit Grundkörpern, welche koaxial hintereinander
angeordnet sind und einer elektrisch leitenden Grundplatte. Der Strahler weist einen
zur Grundplatte hin sich verjüngenden elektrisch leitenden Grundkörper auf, der am
unteren Ende einen Einspeisepunkt für die HF-Leitung hat und einen am oberen Ende
sich anschliessenden weiteren elektrisch leitenden Grundkörper, welcher am oberen
Rand mittels eines Verbindungsmittels elektrisch leitend an einer Stelle mit der Grundplatte
verbindbar ist. Das strahlende Element erreicht durch seine Form eine omnidirektionale
Abstrahlung mit hoher Bandbreite. Allerdings kann auch hier die untere Frequenzgrenze
nicht oder nur in engen Grenzen durch eine höher bauende Antenne zu niedrigeren Werten
verschoben werden, da eine beschränkte zulässige Höhe der Antenne einzuhalten ist.
Zusammenfassung der Erfindung
[0006] Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine kompakte und robuste Antennenanordnung
mit einer Breitband-Monopol-Antenne vorzusehen, welche über bekannte Antennenanordnungen
hinaus einen breiten Frequenzbereich mit einer flachbauenden Antennenanordnung abdeckt.
Dieser Frequenzbereich kann sowohl Frequenzen von ≤ 700 MHz, insbesondere ≤ 690 MHz
und hohe Frequenzen ≥ 6000 MHz, insbesondere bis 6500 MHz, überdecken. Darüber hinaus
ist die Antennenanordnung für den Einsatz im Transportbereich geeignet, insbesondere
für Schienenfahrzeuge unter Erfüllung aller Sicherheitsanforderungen. Es soll eine
vergleichsweise niedrig bauende, sehr breitbandfähige Antennenanordnung geschaffen
werden, um insbesondere auch den aerodynamischen Luftwiderstand des Schienenfahrzeugs
niedrig zu halten und eine vorgeschriebene Hüllkurve des Schienenfahrzeugs einzuhalten.
[0007] Die Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche
wiedergegeben.
[0008] Ausgehend von einer an sich bekannten Antenne wird eine breitbandige Antennenanordnung
für ein Schienenfahrzeug vorgeschlagen, umfassend eine Grundplatte mit einer Öffnung,
in die ein koaxiales Steckerelement anordenbar ist, ein monopolförmiges Strahlerelement,
umfassend mindestens einen Strahlerabschnitt mit einem Fusspunkt, nahegelegen der
Grundplatte, und einer sich parallel zur Grundplatte erstreckenden Abschlussfläche
in einer Ebene quer zu einer Längsachse, wobei das Strahlerelement divergierende Wände
in dem mindestens einen Strahlerabschnitt aufweist und Haltemittel zur Verbindung
des Strahlerelements mit der Grundplatte.
[0009] Die Antennenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlerelement in Form
einer Pyramide mit der Abschlussfläche als rechteckförmige Basis mit einer Länge ausgebildet
ist, die ein Vielfaches einer Breite der Abschlussfläche ist und die Haltemittel als
Strukturabschnitte ausgebildet sind, wobei sich ein erster Strukturabschnitt an einem
ersten Ende und ein zweiter Strukturabschnitt an einem gegenüberliegenden zweiten
Ende des Strahlerelements anschliessen und mindestens einer der ersten und zweiten
Strukturabschnitte mittels einer Stütze an der Grundplatte abstützbar ist, wobei eine
Antennenstruktur gebildet ist.
[0010] Die Form des Strahlerelements umfasst von dem unteren Strahlerabschnitt ausgehende,
sich zu der oberen rechteckförmigen Abschlussfläche erstreckende divergierende Wände.
Dabei können die divergierenden Wände das Strahlerelement abschnittsweise gegen die
Längsachse unterschiedlich geneigt sein. Die Wände selbst können in sich eine Wölbung
haben.
[0011] Die Form des Strahlerelements kann auch beschrieben werden als beschnittener Kegel
oder Konus, wobei ein flacher oder schlanker Kegel oder Konus entsteht mit einer näherungsweise
rechteckförmigen Querschnittsfläche, die ausgehend von dem unteren Fusspunkt sich
vergrössert. Ansatzweise kann das Strahlerelement als eine auf der Spitze stehende
Pyramide mit einer rechteckigen Grundfläche bzw. Basis beschrieben werden.
[0012] Das Strahlerelement kann zumindest teilweise als ein Hohlkörper ausgebildet sein,
umfassend einen Hohlraum, welcher quer zur Längsachse Querschnittsflächen aufweist,
die sich entlang der Längsachse in Richtung der Abschlussfläche verbreitern. Insbesondere
können die Querschnittsflächen des Hohlraums oval oder rechteckig sein, wobei sie
sich, ausgehend von dem unteren Strahlerabschnitt in Richtung des oberen Endes des
Strahlerelements verbreitern. Ein derartiges Strahlerelement mit einem solchen Aufnahmeraum
zeigt keine oder nur geringfügige Auswirkungen auf die Breitbandfähigkeit der Antennenanordnung,
aber reduziert vorteilhaft deren Masse.
[0013] Das zumindest in einem Bereich in der Form einer auf der Spitze stehenden flachen
Pyramide oder eines schlanken Trichters ausgebildete Strahlerelement mündet in bzw.
geht aus von einem Fussbereich bzw. dem Fusspunkt, welcher eingerichtet ist, um an
der Grundplatte aufnehmbar oder verbindbar zu sein. Das gemäss der Erfindung neugestaltete
Strahlerelement, welches in Abwandlung von einer an sich bekannten Kegel- bzw. Konus-Form
hin zu einer schlanken bzw. flachen Pyramiden-Form ausgebildet ist, hat überraschend
keinen oder nur einen geringen negativen Einfluss auf die Breitbandfähigkeit des Strahlerelements
verglichen mit den bekannten kegel-, konus- und/oder zylinderförmigen rotationssymmetrischen
Strahlern. Aber diese Form erweist sich als besonders geeignet für einen Einsatzort
auf einem Schienenfahrzeug.
[0014] Die flache oder schlanke Form des Strahlerelements ist derart ausgebildet, dass dessen
oberes Ende, d.h. distal zur Grundplatte, die senkrecht zur Längsachse sich erstreckende
rechteckige ebene Abschlussfläche bildet. Diese Abschlussfläche weist eine Breite
und eine Länge in einer Ebene quer zur Längsachse auf, welche derart wählbar sind,
dass die gesamte Antennenanordnung die Anforderungen der Breitbandigkeit bei gleichzeitiger
Reduzierung der Masse erfüllt. Die Breite der Abschlussfläche des oberen Endes des
Strahlerelements kann zumindest teilweise einer Breite der sich daran anschliessenden
Strukturabschnitte entsprechen.
[0015] Um eine noch niedriger bauende Antenne zu schaffen, wird die Antennenstruktur insgesamt
in die Länge, d.h. in einer Ebene quer zur Längsachse, gestreckt, bzw. die Abmessung
der Antennenstruktur parallel zur Grundplatte sind anpassbar. In einer Ebene senkrecht
zur Längsachse des Strahlerelements weist die Antennenstruktur demnach eine längsgestreckte
Form auf, einschliesslich der von sich an die Abschlussfläche des Strahlerelements
anschliessenden Strukturabschnitte. Diese werden auch als Kurzschlüsse bezeichnet,
welche die Erdung aller Metallteile der Antennenstruktur mittels entsprechend ausgebildeter
erster und/oder zweiter Stützen sichern. Die Kurzschlüsse bzw. die auf diese Weise
bereitgestellten Verbindungen zur Grundplatte sind so massiv ausgebildet, dass ein
vorgeschriebener Hochstromtest für den Einsatz der Antennenanordnung im Schienenverkehr
erfüllt ist. Denkbar ist aber auch, dass nur eine Stütze und das entsprechende Strukturelement
einen Kurzschluss bereitstellen. Falls eine weitere Stütze vorgesehen ist, um eine
Stabilisierung zu erreichen, kann diese aus einem Material gefertigt sein, welches
keinen Kurzschluss darstellt.
[0016] Vorzugsweise sind die Abmessungen der Antennenstruktur der Antennenanordnung so gewählt,
dass unter Berücksichtigung einer Rückflussdämpfung von - 10 dB oder ein noch niedrigerer
Wert einen Frequenzbereich von zumindest etwa 690 MHz bis 6500 MHz abgedeckt ist.
Insbesondere liegt in einem X-Y-Z-Koordinatensystem die maximale Höhe der Antennenanordnung
in Z-Richtung im Bereich von 30 mm bis 50 mm, eine maximale Breite in Y-Richtung im
Bereich von etwa 80 mm bis 120 mm und eine Länge in X-Richtung im Bereich von 120
mm bis 160 mm. Mit diesen Abmessungen können Anforderungen für einen Einsatz im Schienenverkehr
erfüllt werden. Andere Abmessungen sind aber ebenfalls denkbar, wobei die Form einzelner
Abschnitte der Antennenstruktur anpassbar sind. Insbesondere kann im Falle einer Antennenanordnung,
welche nicht im Schienenverkehr eingesetzt wird und beispielsweise nicht Hochstromanforderungen
zu erfüllen hat, deren Höhe in weiteren Bereichen variieren.
[0017] In einer Ausführungsform der Antennenanordnung kann die Antennenstruktur neben dem
Strahlerelement mehrere Strukturelemente umfassen, welche miteinander verbindbar den
ersten Strukturabschnitt und/oder den zweiten Strukturabschnitt bilden.
[0018] In einer Ausführungsform der Antennenanordnung sind der erste und der zweite Strukturabschnitt
bzw. bei einer mehrteiligen Form einzelne Strukturelemente zumindest teilweise quaderförmig
ausgebildet. Vorzugsweise weisen die Strukturabschnitte und/oder die Strukturelemente
eine Breite quer zur Längsachse des Strahlerelements auf, die der Breite der Abschlussfläche
des Strahlerelements entspricht. Die Höhe und die Querschnittsfläche, d.h. die Abmessung
und/oder Form in Längsachsen-Richtung eines oder mehrerer Strukturabschnitte bzw.
Strukturelemente sind wählbar, insbesondere derart, dass die Breitbandfähigkeit der
Antennenstruktur bzw. der Antennenanordnung unter gleichzeitiger Berücksichtigung
der Masse der Antennenanordnung und den Sicherheitsanforderungen maximiert ist. Mit
anpassbaren Abmessungen und Formen der Strukturabschnitte und/oder der Strukturelemente
stehen Möglichkeiten zur Verfügung, negativen Effekten im Hinblick auf die Breitbandfähigkeit
der Antennenanordnung zu begegnen.
[0019] Manche Bereiche der Strukturabschnitte bzw. die Strukturelemente können L-förmig
ausgebildet sein, wobei bei niedriger Bauhöhe der Antennenanordnung eine zusätzliche
Kapazität geschaffen werden kann. Durch sorgfältig aufeinander abgestimmte Strukturabschnitte
bzw. Strukturelemente und deren Anordnung in der Antennenstruktur kann die Breitbandfähigkeit
der Antennenanordnung bei gleichzeitig eingehaltener niedriger Bauhöhe erweitert werden.
[0020] In einer Ausführungsform der Antennenanordnung kann die Antennenstruktur in Aufsicht
betrachtet eine Form bilden, bei welcher das Strahlerelement in einem Mittelabschnitt
angeordnet ist. Beispielsweise kann die Antennenstruktur näherungsweise eine Z-Form
bilden. Die mit dem Strahlerelement verbindbaren Strukturabschnitte bzw. Strukturelemente
komplementieren die Z-Form, welche vorzugsweise symmetrisch zu der Längsachse des
Strahlerelements sein kann. In Aufsicht betrachtet kann die Antennenstruktur ausgehend
von einem mittig angeordneten Strahlerelement eine mäandernde Struktur mit einer oder
mehrerer Ecken bilden.
[0021] Die sich an das Strahlerelement anschliessenden Strukturabschnitte bzw. Strukturelemente
bilden mit entsprechenden Stützen die Kurzschlüsse bzw. stellen eine elektrisch leitende
und/oder abstützende Verbindung zur Grundplatte dar. Die Antennenstruktur mit vorzugsweise
zwei Haltepunkten zu der Grundplatte erzielt eine robuste mechanische Verankerung
des Strahlerelements mit der Grundplatte, welche eine verbesserte Stabilität gegen
Stösse und Vibrationen bildet.
[0022] In einer bevorzugten Z-Form der Antennenstruktur einer Ausführungsform der Antennenanordnung
kann sich an das Strahlerelement im Bereich eines der Enden bzw. Endbereiche der Abschlussfläche
in ebener Verlängerung der erste Strukturabschnitt anschliessen. Hierbei kann der
erste Strukturabschnitt geformt sein, dass eine oder mehrere Ecke gebildet sind, wobei
zwischen dem Mittelabschnitt und dem ersten Strukturabschnitt ein Winkel von ≤ 90°
eingeschlossen sein kann. Der erste Strukturabschnitt kann ferner so geformt und angeordnet
sein, dass er sich weitgehend parallel zum Mittelabschnitt erstreckt und in einem
Endabschnitt eine sich in Richtung Grundplatte erstreckende erste Stütze zur Abstützung
an der Grundplatte umfasst. Alternativ kann die Struktur mehrteilig aus entsprechenden
Strukturelementen ausgebildet sein, wobei die Strukturelemente derart geformt und
miteinander verbunden sein können, dass in einer Ausführungsform näherungsweise die
Z-förmige Antennenstruktur gebildet ist. Beispielsweise kann ein Mittelast der Z-Form
durch das Strahlerelement gebildet sein und sich davon ausgehende Äste durch den ersten
Strukturabschnitt bzw. Strukturelement und einem zweiten Strukturabschnitt bzw. in
einer mehrteiligen Ausführung mittels mehrerer entsprechend geformter Strukturelemente
geformt sein. In einer mehrteiligen Ausführungsform können die einzelnen Strukturelemente
mittels einer Schweissverbindung miteinander verbindbar sein, wobei dies voraussetzt,
dass der erforderliche Hochstromtest und eine geforderte Masshaltigkeit erfüllt sind.
[0023] In einer weiteren Ausführungsform der Antennenanordnung ist die Antennenstruktur
derart ausgebildet, dass diese einen Höhenversatz aufweist, d.h. Strukturabschnitte
bzw. Strukturelemente liegen zumindest teilweise in parallelen Ebenen quer zur Längsachse.
Hierfür kann zumindest ein Zwischenstück in die Antennenstruktur integriert sein,
welches den Höhenversatz überbrückt. Erreicht wird dies beispielsweise dadurch, dass
eine der ersten und zweiten Stützen in der Länge verkürzt ausgeführt ist.
[0024] In einer Ausführungsform der Antennenanordnung ist an einem der Strukturabschnitte
bzw. Strukturelemente eine Auflagefläche ausgebildet. Auf der horizontalen Auflagefläche
kann eine weiteres Antennenelement, beispielsweise eine GPS (Global Positioning System)
- Antenne und/oder eine GNSS (Global Navigation Satellite System) - Antenne angeordnet
und gehalten sein. Mittels des weiteren Antennenelements kann der Anwendungsbereich
der Antennenanordnung erweitert werden.
[0025] Das oder die weiteren Antennenelemente können auf der vorgesehenen Auflagefläche
beispielsweise mittels Klebung gehalten sein. Alternativ kann an einem Radom, welches
die Antennenanordnung zumindest teilweise umschliesst, eine Halte- bzw. Lageschale
vorgesehen sein, mittels welcher das Antennenelement in Position haltbar ist
[0026] Vorzugsweise kann zur elektrischen Kontaktierung des zusätzlichen Antennenelements
ein Anschlusskabel entlang der Antennenstruktur und der Stütze zur Grundplatte und
dort zu einem Anschlusselement geführt werden.
[0027] Bevorzugt ist die Auflagefläche derart an dem entsprechenden Strukturabschnitt bzw.
Strukturelement vorgesehen, dass diese an das Zwischenstück angrenzt, welches den
Höhenversatz überbrückt. Durch die Form des Zwischenstücks kann eine Anlagefläche
für das weitere Antennenelement bereitgestellt sein. Eine andere Anordnung der weiteren
Antennenelemente, beispielsweise auf der Grundplatte, ist denkbar.
[0028] In einer Ausführungsform kann die Antennenanordnung ferner Abstimmelemente umfassen,
welche in Bezug zu der Antennenstruktur auf der Grundplatte anordenbar sind. Hierbei
können die Abstimmelemente als konzentrierte Elemente oder als Strukturteil ausgebildet
sein. Die Abstimmelemente können zumindest teilweise aus einem elektrisch leitenden
Material und/oder einem isolierenden Material gefertigt sein. Je nach Ausführungsform
können das eine oder die mehreren Abstimmelemente mit der Grundplatte mechanisch verbunden
sein.
[0029] Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Antennenanordnung kann zumindest
eine der Komponenten Strahlerelement, Strukturabschnitte und/oder Strukturelemente
aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium, gefertigt sein. Im Falle, dass die Antennenanordnung
nicht für den Schienenverkehr eingesetzt wird, d.h. diese nicht einen Hochstromtest
zu erfüllen hat, könnte das Strahlerelement auch aus Kunststoff gefertigt sein, beispielsweise
durch ein 3D-Druckverfahren gefertigt und mit einem Metall beschichtet.
[0030] Die Grundplatte, an welcher das Strahlerelement und Haltemittel befestigbar sind,
ist selbst mittels Befestigungsmitteln mit dem Schienenfahrzeug bzw. einer bereitgestellten
Montageplattform oder dergleichen verbindbar. Die Form und Gestaltung der Grundplatte
ist zumindest teilweise festgelegt, um einen Austausch und Einsatz auf unterschiedlichen
Fahrzeugen bzw. an unterschiedlichen Positionen zu gewährleisten. In einer vorteilhaften
Ausführungsform kann die Grundplatte zumindest teilweise auf einer Oberfläche eine
Vertiefung bzw. Ausnehmung aufweisen, welche ausgebildet ist, um die Antennenstruktur
in der Vertiefung aufzunehmen. Eine derartige Grundplatte hat durch die Ausnehmung
ein geringeres Gewicht.
[0031] Die Grundplatte kann beispielsweise aus Stahl, rostfreiem Stahl oder Aluminium gefertigt
sein.
[0032] Durch eine am Fusspunkt des Strahlerelements, nahegelegen zur Grundplatte, vorgesehene
Einspeiseeinheit erfolgt eine serielle oder kapazitive Leitungsankopplung des Strahlerelements.
Insbesondere kann die Leitungsankopplung mittels eines an der Grundplatte anordenbaren
koaxialen Steckerelements erfolgen. Beispielsweise kann an dem Steckerelement ein
Versorgungsleiter in Form eines Koaxialleiters anschliessbar sein, dessen Aussenleiter
mit der Grundplatte elektrisch leitend verbunden ist. Das Steckerelement ist vorzugsweise
in einer Öffnung der Grundplatte aufnehmbar und beispielsweise mittels einer Gewindeverbindung
in dieser gehalten. Das Steckerelement kann in Eingriff mit dem Strahlerelement gebracht
werden, so dass ein Innenleiter des Versorgungsleiters in elektrischem Kontakt mit
der Einspeiseeinheit steht. Durch den vorgesehenen Kurzschluss wird eine galvanische
Verbindung mit dem Strahlerelement erzeugt. Eine kapazitive Verbindung von Versorgungsleiter
und Strahlerelement kann mittels einer dielektrischen Hülse erfolgen. Da diese Kopplung
des Strahlerelements mit dem Versorgungsleiter mittels einer Steckverbindung ausgeführt
und somit ohne jede Lötung erfolgt, ist die Montage des Strahlerelements höchst einfach.
[0033] Gemäss einer Ausführungsform umfasst die Antennenanordnung des Weiteren ein Radom,
um diese vor äusseren Einflüssen zu schützen. Das Radom, auch als Abdeckhaube oder
Gehäuse bezeichnet, ist form- und/oder kraftschlüssig sowie feuchtigkeitsdicht mit
der Grundplatte verbindbar. Hierfür kann an der Grundplatte eine umlaufende Nut ausgebildet
sein, in welcher ein Dichtring aufnehmbar und fixierbar ist. Ferner können an dem
Radom Verrastmittel vorgesehen sein, welche mit komplementären Elementen der Grundplatte
in Eingriff bringbar sind. Mit den Verrastmitteln kann darüber hinaus auch der einlegbare
Dichtring in Position gehalten werden. Im Transportwesen und insbesondere bei Schienenfahrzeugen
ist die Gestalt und Abmessungen des Radoms unter Berücksichtigung eines durch die
auf einem Dach montierte eingehäuste Antennenanordnung erzeugten Luftwiderstands sowie
einer einzuhaltenden Hüllkurve des Schienenfahrzeugs weitgehend festgelegt. Insbesondere
die vorbestimmte Höhe des Radoms bedingt eine niedrig aufgebaute Struktur der Antennenanordnung,
welche eingerichtet ist, um auch in einem niedrigen Frequenzbereich einsetzbar zu
sein, ohne den oberen Frequenzbereich merklich zu reduzieren.
[0034] Gemäss einer Ausführungsform ist die breitbandige Antennenanordnung eingerichtet,
um einen Frequenzbereich von ≤ 690 MHz bis ≥ 6500 MHz abzudecken.
[0035] Gerade im Schienenverkehr ist eine hohe Funktionsfähigkeit einer breitbandigen Antennenanordnung
von hoher sicherheitstechnischer Relevanz für eine hochpräzise Ortung und deren Zuverlässigkeit.
Demnach gibt es eine Vielzahl von internationalen bzw. europäischen elektrotechnischen
Standards für elektrische, elektronische und programmierbarer elektronischer Systeme
im sicherheitsrelevanten Bereich, welche auch die Antennenanordnung gemäss der Erfindung
erfüllt. Dazu kann das Kundeninformationssystem, eine Fahrzeugplattform, ein bahnspezifischer
Mobilfunk für ETCS (European Train Control System), eine Fahrzeugortung und ähnliches
zählen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
[0036] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit
der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Antennenanordnung gemäss eines
Ausführungsbeispiels;
Fig. 2a eine schematische perspektivische Ansicht einer Antennenstruktur gemäss einer
Ausführungsform der erfindungsgemässen Antennenanordnung;
Fig. 2b eine schematische perspektivische Ansicht einer Antennenstruktur gemäss einer
weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Antennenanordnung;
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf die Antennenstruktur gemäss Fig. 2a;
Fig. 4 eine schematische perspektivische Ansicht einer Antennenanordnung gemäss einer
weiteren Ausführungsform;
Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht einer Grundplatte der erfindungsgemässen
Antennenanordnung;
Fig. 6 eine schematische perspektivische Ansicht eines die Antennenstruktur überdeckenden
Radoms.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
[0037] In Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Antennenanordnung 1
gemäss eines ersten Ausführungsbeispiels gezeigt. Die Antennenanordnung 1 umfasst
eine Grundplatte 10 und ein Strahlerelement 20, welches mittels Haltemitteln 40 mit
der Grundplatte 10 verbindbar ist.
[0038] Die Grundplatte 10 kann auch als Masseplatte bezeichnet sein und ist in Abmessungen
ausgeführt und/oder mit Verbindungsmitteln versehen, welche eingerichtet sind, um
diese an eine vorgegebene Montageplattform an einem Schienenfahrzeug oder dergleichen
lösbar zu befestigen. In der stark vereinfachten Darstellung der Fig. 1 ist die Grundplatte
10 rechteckig gestaltet. Sie kann aber auch quadratisch, oval, polygonal, kreisrund
etc. geformt sein. In etwa in der Mitte der Grundplatte 10 ist eine Öffnung 12 vorgesehen,
in welche ein Steckerelement (nicht dargestellt) positionierbar und gehalten ist,
welches beispielsweise als koaxiales Steckerelement ausgebildet sein kann. Dabei kann
der Aussenleiter des Steckerelements mit der Grundplatte 10 elektrisch galvanisch
verbunden sein. Der Innenleiter des Steckerelements, welcher vom Aussenleiter getrennt
ist, führt durch die Öffnung 12 und ist mit einer Einspeiseeinheit des Strahlerelements
20 elektrisch galvanisch verbindbar. Ferner sind an der Grundplatte 10 weitere Öffnungen
11 in Eckbereichen und Nuten 15 (nicht dargestellt) vorgesehen, welche einerseits
eine lösbare Verbindung mit einem Radom (dargestellt in Fig. 5) und andererseits mit
einer Montageplattform oder dergleichen bereitstellt.
[0039] In Fig. 1 ist auch das Strahlerelement 20 erkennbar, welches eine Komponente einer
Antennenstruktur 200 ist. Das Strahlerelement 20 kann als eine Art monopolartiger
Strahler ausgebildet sein, welcher mindestens einen Strahlerabschnitt 21 mit einem
Fusspunkt 22 nahe bzw. proximal der Grundplatte 10 umfasst. Das Strahlerelement 20
kann als eine auf der Spitze stehende Pyramide mit einer rechteckförmigen Basis verstanden
werden. Die Form der Basis ist ein langgestrecktes Rechteck mit einer Länge, welche
ein Vielfaches der Breite ist. Bevorzugt kann das Verhältnis von Länge zu Breite typischerweise
im Bereich von 6:1 bis 10:1 liegen. Ausgehend von dem Fusspunkt 22, erstreckt sich
das Strahlerelement 20 entlang einer Längsachse 24 zu einer oberen Abschlussfläche
26, d.h. distal zur Grundplatte 10. Das Strahlerelement 20 wird durch Wände 23a, 23b,
23c, 23d gebildet, welche sich teilweise abschnittsweise in unterschiedlicher Neigung
und teilweise mit einer Wölbung entlang der Längsachse 24 erstrecken. Alternativ kann
der untere Strahlerabschnitt 21 auch als ein sich erweiternder Konus- oder Kegelabschnitt
oder auch Pyramidenabschnitt ausgebildet sein. An diesen unteren Strahlerabschnitt
21 kann sich ein oberer Strahlerabschnitt 25 anschliessen, wobei zumindest an einem
Teil der Wände 23a, 23b, 23c, 23d durch deren unterschiedlicher Neigung ein Übergang
gebildet sein. Der obere Strahlerabschnitt 25 ist in der Fig. 1 ebenfalls in der Form
einer Pyramide dargestellt. Hierbei entspricht ein Durchmesser des unteren Strahlerabschnitts
21 am Übergang von dem unteren Strahlerabschnitt 21 zu dem oberen Strahlerabschnitt
25 dem Durchmesser des oberen Strahlerabschnitts 25. Alternativ kann der obere Strahlerabschnitt
25 eine andere Form aufweisen, beispielsweise konisch, kegelförmig oder zylindrisch
sein.
[0040] Das Strahlerelement 20 bildet einen Mittelabschnitt 30 der Antennenstruktur 200.
In einer Ebene quer zur Längsachse 24 weist das Strahlerelement 20 die obere Abschlussfläche
26 auf, welche eine Endfläche des Strahlerelements 20 ist und eine gewisse Höhe der
Antennenstruktur 200 festlegt. Insbesondere ist die Abschlussfläche 26 eine rechteckförmige
Fläche, deren Länge 27 ein Vielfaches von deren Breite 28 ist. An der Abschlussfläche
26 schliessen sich jeweils als Strukturabschnitte 31a, 31b ausgebildete Haltemittel
40 an.
[0041] Die Strukturabschnitte 31a, 31b sind ausgebildet, um das Strahlerelement 20 mit der
Grundplatte 10 zu verbinden. Hierfür umfassen in der dargestellten Ausführungsform
die Strukturabschnitte 31a, 31b jeweils eine Stütze 32a, 32b, welche mit einer Kontaktfläche
auf der Grundplatte 10 aufliegt. Beispielsweise sind diese mittels Schraubverbindungen
verbindbar. Vorzugsweise kann die Kontaktfläche im Vergleich zum Querschnitt der Stütze
32a, 32b vergrössert sein, um eine stabilere Abstützung der Antennenstruktur zu bewirken.
[0042] In der Darstellung der Fig. 1 ist die gesamte Antennenstruktur 200 einschliesslich
des Strahlerelements 20 und der sich jeweils anschliessenden Strukturabschnitte 31a,
31b als aus einem Stück gefertigt dargestellt. Alternativ können aber auch die Strukturabschnitte
31a, 31b als von dem Strahlerelement 20 separate Strukturelemente 33a, 33b, 33c, 33d,
wie in Fig. 2b dargestellt, ausgebildet sein, welche mit diesem in geeigneter Weise
verbunden sind bzw. an diesem befestigbar sind.
[0043] In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Antennenstruktur 200 kann diese
in Aufsicht näherungsweise eine Z-Form annehmen, wobei das Strahlerelement 20 im Mittelabschnitt
30 angeordnet ist. Andere geeignete Formen sind denkbar, welche eine Antennenanordnung
1 bereitstellen, die den gewünschten Frequenzbereich überdeckt. Insbesondere nehmen
geeignete Antennenstrukturen 200 eine langgestreckte Gestalt in einer Ebene quer zur
Längsachse 24 an. Andere geeignete Formen der Antennenstruktur 200 können sowohl symmetrisch,
ausgehend von dem Strahlerelement 20, als auch asymmetrisch sein. Ferner kann sich
die Antennenstruktur 200 mittels einer ersten Stütze 32a an der Grundplatte abstützen
und einen Kurzschluss bilden. Im Falle einer zweiten Stütze 32b kann diese ebenfalls
einen Kurzschluss bilden oder beispielsweise aus einem dielektrischen Material gefertigt
sein und somit eine Abstützung an der Grundplatte 10 bilden.
[0044] Fig. 2a zeigt die Antennenstruktur 200 gemäss der Fig. 1 in einer perspektivischen
Ansicht. Erkennbar in Fig. 2a ist eine längliche Form der Antennenstruktur 200. Eine
obere abschliessende Fläche 34 der Antennenstruktur 200, umfassend das Strahlerelement
20 mit seiner oberen Abschlussfläche 26 und die sich daran anschliessende Strukturabschnitten
31a, 31b, bildet eine horizontale Ebene quer zur Längsachse 24. Demnach sind die Strukturabschnitte
31a, 31b in einer gleichen Ebene wie die Abschlussfläche 26 und bilden mit dieser
einen glatten Übergang. Die Strukturabschnitte 31a, 31b können sich aus quaderförmigen
Bereichen zusammensetzen, welche in einer gleichen Breite wie die Breite 28 des Strahlerelements
20 ausgeführt sind. Einzelne Bereiche der Strukturabschnitte 31a, 31b können aber
auch in anderer Form ausgebildet sein, beispielsweise Eckelemente bilden. In Richtung
der Längsachse 24 betrachtet können Bereiche der Strukturabschnitte 31a, 31b einen
L-förmigen Querschnitt haben. Die Formgebung der Strukturabschnitte 31a, 31b ist anpassbar,
so dass die Antennenanordnung 1 einen möglichst grossen Frequenzbereich überdeckt,
ein geringes Gewicht hat und keine Schwachstellen aufweist, die für einen Hochstromtest
problematisch sein können.
[0045] Das Strahlerelement 20 umfasst in dem unteren Strahlerabschnitt 21 den Fusspunkt
22. Der Fusspunkt 22 ist über eine untere Endfläche 22a mit der Grundplatte 10 galvanisch
verbunden. Die Leitungsankoppelung des Strahlerelements 20 erfolgt über ein von unterhalb
der Grundplatte 10 zugängliches koaxiales Steckerelement, dessen Aussenleiter mit
der Grundplatte 10 und dessen Innenleiter mit dem Strahlerelement 20 elektrisch leitend
verbindbar ist.
[0046] Die untere Endfläche 22a hat in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine rechteckige
Form, wobei sich von den Seiten der rechteckigen Endfläche 22a die divergierenden
Wände 23a, 23b, 23c, 23c entlang der Längsachse 24 über den unteren Strahlerabschnitt
21 und über den oberen Strahlerabschnitt 25 erstrecken. Erkennbar ist, dass zumindest
zwei der Wände 23a, 23b, 23c, 23d am Übergang zwischen dem unteren Strahlerabschnitt
21 und dem oberen Strahlerabschnitt 25 eine Kante ausbilden.
[0047] Fig. 2b zeigt eine alternative Ausführungsform mit einer Antennenstruktur 200 in
einer perspektivischen Ansicht. Die dargestellte Antennenstruktur 200 unterscheidet
sich unteranderem von derjenigen in Fig. 2a dargestellten, dass die Strukturabschnitte
31a, 31b aus mehreren Strukturelementen 33a, 33b, 33c, 33d, 33e zusammengesetzt sind.
Die Strukturelemente 33a, 33b, 33c, 33d, 33e können unterschiedlich gestaltet sein.
Hierbei liegen nicht alle oberen Abschlussflächen von Strahlerelement 20 und Strukturabschnitten
31a, 31b bzw. Strukturelementen 33a, 33b, 33c, 33d, 33e auf einer Ebene parallel zur
Grundplatte. Vielmehr sind Abschnitte der Antennenstruktur 200 auf einer tieferen
Ebene und damit näher an der Grundplatte 10 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform
ist dies das Strukturelement 33d. Der Höhenversatz kann beispielsweise in einem Abschnitt
parallel zum Mittelabschnitt 30 mittels einer verkürzten Stütze 32b realisiert werden.
Der Höhenunterschied zwischen dem tiefer gelegenen Abschnitt 33d und dem höher gelegenen
Abschnitt der Antennenstruktur 200 kann auch mittels eines geeigneten Zwischenstücks
33e überbrückt sein.
[0048] In dem tiefergelegenen Strukturabschnitt 31a ist eine Auflagefläche 36 ausgebildet,
auf welcher ein weiteres Antennenelement 35 (nicht dargestellt) anordenbar ist. Beispielsweise
eine GPS- und/oder GNSS-Antenne. In dieser Platzierung ergibt sich eine optimale Funktionsfähigkeit
dieses weiteren Antennenelements 35. Zur elektrischen Kontaktierung des weiteren Antennenelements
35 kann ein weiterer koaxialer Steckeranschluss an einer Unterseite der Antennenstruktur
200 vorgesehen sein.
[0049] Aus der Darstellung der Fig. 2b ist ebenfalls ersichtlich, dass in dem Mittelabschnitt
30 der Antennenstruktur 200 ein Hohlraum 50 ausgebildet ist. Dieser Hohlraum 50 ist
in dem Strahlerelement 20 derart gestaltet, dass er in Ebenen senkrecht zur Längsachse
24 sich verändernde Querschnittsflächen hat, welche von dem unteren Strahlerabschnitt
21 bis zum oberen Strahlerabschnitt 25 sich erweitern bzw. verbreitern.
[0050] In Fig. 3 ist eine Aufsicht der Antennenstruktur 200 gemäss der Ausführungsform nach
Fig. 2a dargestellt. In dieser Ansicht ist erkennbar, dass die Antennenstruktur 200
näherungsweise eine Z-Form ausbildet. Hierbei ist das Strahlerelement 20 in dem Mittelabschnitt
30, entsprechend einem Mittelast der Z-Form, angeordnet, an welchen sich an einem
ersten Ende 30a der erste Strukturabschnitt 31a und an einem gegenüberliegenden zweiten
Ende 30b der zweite Strukturabschnitt 31b anschliessen. Die Form der Antennenstruktur
200 kann in ihrer Form variieren. So sind ganz unterschiedliche Formen denkbar, welche
in Aufsicht symmetrische oder asymmetrische Formen bilden.
[0051] Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Antennenanordnung 1 in einer schematischen
und perspektivischen Ansicht. Die Antennenanordnung 1 ist ergänzt durch das zusätzliche
Antennenelement 35, welches auf eines der Strukturabschnitte 31b auf einer hierfür
vorgesehenen Fläche 36 angeordnet und gehalten ist. Die elektrische Kontaktierung
dieses Antennenelements 35 kann mittels eines weiteren koaxialen Steckerelements erfolgen,
welches an geeigneter Stelle an der Grundplatte 10 vorsehbar ist (nicht dargestellt).
Ferner ist ein Abstimmelement 37 vorgesehen, welches an der Grundplatte 10 anordenbar
und verbindbar ist und eingerichtet ist, um den Frequenzbereich der Antennenanordnung
1 zu maximieren.
[0052] In Fig. 5 ist in schematischer und perspektivischer Ansicht die Grundplatte 10 gemäss
einer Ausführungsform dargestellt. Die dargestellte Grundplatte 10 weist näherungsweise
eine Rechteckform auf, wobei in Eckbereichen Durchgangslöcher 11 vorgesehen sind,
welche zur Befestigung mit einer Montageplattform ausgebildet sein können. In einem
mittleren Bereich umfasst die Grundplatte 10 eine Ausnehmung 13, in welche die Antennenstruktur
200 aufnehmbar und mittels eines in der Öffnung 12 einführbaren koaxialen Steckerelement
14 elektrisch und galvanisch kontaktierbar ist. Die Ausnehmung 13 trägt auch zu einer
Gewichtsreduzierung der Antennenanordnung 1 bei.
[0053] Zur Komplementierung kann die Antennenanordnung 1 mit einem Radom 60 umschlossen
sein. Um eine feuchtigkeitsdichte Verbindung zwischen Grundplatte 10 und Radom 60
vorzusehen, ist an der Grundplatte 10 eine Nut 15 vorgesehen, in welche eine Dichtung
aufnehmbar ist.
[0054] Die Fig. 6 zeigt einen Radom 60, welcher als Gehäuse die Antennenstruktur 200 umschliesst
und mit der Grundplatte 10 feuchtigkeitsdicht verbindbar ist. Der Radom 60 hat vorzugsweise
die Form eines langgestreckten flachen Quaders. Eine Verbindung mit der Grundplatte
und/oder einer Montageplattform kann mittels Schraub-, Klebe-, Niet- und/oder Schnapp-
oder Verrastverbindungen erfolgen.
1. Breitbandige Antennenanordnung (1) für ein Schienenfahrzeug, umfassend
- eine Grundplatte (10) mit einer Öffnung (12), in die ein koaxiales Steckerelement
(14) anordenbar ist,
- ein monopolförmiges Strahlerelement (20), umfassend mindestens einen Strahlerabschnitt
(21) mit einem Fusspunkt (22), nahegelegen der Grundplatte (10) und einer sich parallel
zur Grundfläche erstreckenden Abschlussfläche (26), wobei das Strahlerelement (20)
divergierende Wände (23a, 23b,23c, 23d) in dem mindestens einen Strahlerabschnitt
(21) aufweist; und
- Haltemittel (40) zur Verbindung des Strahlerelements (20) mit der Grundplatte (10),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Strahlerelement (20) in Form einer Pyramide mit der Abschlussfläche (26) als rechteckförmige
Basis mit einer Länge (27) ausgebildet ist, welche ein Vielfaches einer Breite (28)
der Abschlussfläche (26) beträgt und die Haltemittel (40) als Strukturabschnitte (31a,
31b) ausgebildet sind, wobei sich ein erster Strukturabschnitt (31a) an einem ersten
Ende (30a) und ein zweiter Strukturabschnitt (31b) an einem gegenüberliegenden zweiten
Ende (30b) des Strahlerelements (20) anschliessen und mindestens eine der ersten und
zweiten Strukturabschnitte (31a, 31b) mittels einer Stütze (32a, 32b) an der Grundplatte
(10) abstützbar ist, wobei eine Antennenstruktur (200) gebildet ist.
2. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Strukturabschnitte (31a, 31b) aus mehreren miteinander verbindbaren
Strukturelementen (33a, 33b, 33c, 33d) gebildet sind.
3. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturabschnitte (31a, 31b) und/oder die Strukturelemente (33a, 33b, 33c, 33d)
zumindest teilweise quaderförmig ausgebildet sind und mit dem in einem Mittelabschnitt
(30) angeordneten Strahlerelement (20) die Antennenstruktur (200) bilden.
4. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenstruktur (200) in Richtung der Längsachse (24) betrachtet näherungsweise
eine Z-Form bildet, wobei das Strahlerelement (20) den Mittelabschnitt (30) formt.
5. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass eine der Stützen (32a, 32b) eine verkürzte Länge aufweist.
6. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass an einem der Strukturabschnitte (31a, 31b) und/oder der Strukturelemente (33a, 33b,
33c, 33d) eine Auflagefläche (36) ausgebildet ist, auf weiche ein weiteres Antennenelement
(35) positionierbar und gehalten ist.
7. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Antennenelement (35) eine GPS- und/oder eine GNSS-Antenne ist.
8. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlerelement (20) einen Hohlraum (50) umfasst, welcher quer zur Längsachse
(24) Querschnittsflächen aufweist, die sich entlang der Längsachse (24) in Richtung
der Abschlussfläche (26) verbreitern.
9. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass Abstimmelemente anordenbar sind, um die Breitbandfähigkeit der Antennenanordnung
(1) zu erweitern.
10. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlerelement (20), die Strukturabschnitte (31a, 31b) und/oder die Strukturelemente
(33a, 33b, 33c, 33d) aus Metall gefertigt sind.
11. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Radom (60) umfasst ist, welches form- und/oder kraftschlüssig und feuchtigkeitsdicht
mit der Grundplatte (10) verbindbar ist, wobei der Radom (60) die Antennenstruktur
(200) berührungsfrei umschliesst.
12. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (10) mehrere Öffnungen (11, 12) aufweist, die zur Leitungsdurchführung
und/oder zur Befestigung an einem Schienenfahrzeug vorgesehen sind, wobei die Anordnung
der Öffnungen (11, 12) durch das Schienenfahrzeug vorgebbar ist.
13. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (10) an einer Oberfläche eine Ausnehmung (13) aufweist, in welche
die Antennenstruktur (200) aufnehmbar ist.
14. Breitbandige Antennenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass diese eingerichtet ist, um einen Frequenzbereich von 690 MHz bis 6500 MHz abzudecken.