DE60009753T2

DE60009753T2 - Rundstrhlende antenne mit asymmetrischem doppelkonus als passives speiseelement für ein strahlerelement

Info

Publication number: DE60009753T2
Application number: DE60009753T
Authority: DE
Inventors: C. Peter STRICKLAND; Alan Kurt ZIMMERMAN; Elliot John WANN; Steven Thomas TAYLOR
Original assignee: EMS Technologies Inc
Current assignee: EMS Technologies Canada Ltd
Priority date: 1999-12-14
Filing date: 2000-12-11
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2020-12-12
Also published as: CN1423847A; US6642899B2; DK1250728T3; CN1262045C; US20020050955A1; JP2003517763A; EP1443598A1; AU783413B2; AU2006200355A1; WO2001045206A1; ATE264009T1; SG144726A1; JP4587630B2; TR200400875T4; DE60009753D1; EP1250728A1; AU2085301A; US6369766B1; PT1250728E; EP1250728B1

Description

TECHNISCHES SACHGEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf eine omnidirektionale bzw. rundstrahlende Antenne, die ein strahlendes Element besitzt, das passiv mit elektromagnetischen Signalen durch ein asymmetrisch geformtes Paar von Konusteilen oder Scheiben versorgt wird, gerichtet. Die Erfindung ist besonders gut für Anwendungen von Antennen mit niedrigem Profil geeignet, die das Senden und Empfangen von Daten in drahtlosen, lokalen Bereichsnetzwerken einsetzen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Antennen mit niedrigem Profil sind zur Verwendung in drahtlosen, lokalen Bereichsnetzwerk(Wireless Local Area Network – WLAN)-Anwendungen in Gebäuden erwünscht. Allerdings ist es technisch schwierig gewesen, die Erfordernisse einer hohen Verstärkung und erwünschte Antennenmuster für Kommunikationsanwendungen innerhalb von Gebäuden abzuwägen, wenn die Antenne auf eine physikalisch kleine Struktur beschränkt ist.
Designer von Antennen schätzen, dass eine Antennenverstärkung durch Platzieren des strahlenden Elements oberhalb einer großen, leitfähigen Oberfläche, wie beispielsweise einer Basisebene, verbessert werden kann. Eine große Basisebene kann die erwünschte Form eines Antennenmusters tragen. Übliche Design-Erfordernisse für eine Grundplatte für eine Antenne mit niedrigem Profil sind ein leitfähiges Material, das eine relativ große Oberfläche aufweist, typischerweise größer als 5 Wellenlängen. Dieses leitfähige Material kann entweder eine feste Oberfläche oder ein Gitter, das Löcher mit einem Durchmesser geringer als 0,1 der Wellenlänge besitzt, aufweisen. Obwohl eine infinit große Grundplatte eine theoretisch ideale, leitfähige Oberfläche schafft, zeigen herkömmliche Antennen mit niedrigem Profil oftmals "Real Estate"-Einschränkungen. Demzufolge sind Antennen mit niedrigem Profil oftmals in deren Funktionsweise durch eine verringerte Größe einer Grundebene und der beschränkten, physikalischen Größe eines abstrahlenden Elements innerhalb der praktischen Grenzen im Haus, der Arbeitsplatzumgebung, beschränkt. Zum Beispiel kann einer Dipolantenne, die eine direkte, aktive Signalzuführung besitzt und durch eine Konfiguration mit einem niedrigen Profil beschränkt ist, eine ausreichende Verstärkung, um effektive, drahtlose Kommunikationen in der Umgebung mit "High Multipath" einer typischen WLAN-Anwendung im Haus bzw. Gebäude zu unterstützen, fehlen.
In früheren Antennen-Design-Gestaltungen haben Designer eine zusätzliche Verstärkung und erwünschte Abstrahlmuster durch das Einsetzen eines gestapelten Konus und/oder von Scheibenelementen als Teil der Antennenanordnung erreicht. Herkömmliche Antennen-Design-Gestaltungen haben konus- oder scheibenförmige Elemente eingesetzt, die im Wechsel bzw. im Tandem arbeiten, um elektromagnetische Energie in einer Art und Weise ähnlich zu derjenigen einer Hornantenne zu reflektieren. Andere, frühere Antennen-Design-Gestaltungen haben gestapelte Bikonuselemente verwendet, um ein Feld von strahlenden Elementen, typischerweise versorgt durch eine zentrale, koaxiale Zuführung oder ein Wellenleiterverteilungsnetzwerk, zu bilden. Zum Beispiel ist ein Design einer Diskon-Antenne bzw. einer Scheibenkonusantenne mit gestapelten, vertikalen, hohlen, konischen Elementen ausgeführt worden, um Signal-Reflexionen zu beseitigen und die Antennenbandbreite zu verbessern. Allerdings haben diese früheren Antennen-Design-Gestaltungen nicht die physikalischen Charakteristika gezeigt, die für eine Anwendung einer Antenne mit niedrigem Profil erforderlich sind, die ein minimales, verfügbares Real Estate einsetzen.
Im Hinblick auf das Vorstehende besteht ein Erfordernis nach einem Antennensystem mit einem niedrigen Profil für WLAN-Anwendungen, das eine erhöhte Verstärkung und mehr erwünschte Strahlungsmuster liefert, als dies mit existierenden Antennen-Design-Gestaltungen möglich ist.
Die US 5,038,152 offenbart eine rundstrahlende Breitbandantenne. Die Antenne weist einen Konus und eine äußere Hülle ebenso wie einen Mast auf. Der den Strahl formende Konus und ein Konus-Choke werden dahingehend beschrieben, dass sie aus leitenden Materialien realisiert werden sollen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Antennenanordnung zu schaffen, die zum Senden von Funkfrequenzenergie mit einer hohen Verstärkung und erwünschten Ausgangsmustern geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist, gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die vorliegende Erfindung schafft wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, indem eine Antenne mit niedrigem Profil geschaffen wird, um Hochfrequenz(HF)-Energie mit hoher Verstärkung und erwünschten Ausgangsmustern, typischerweise für eine Datenübertragung in einem sich innerhalb eines Gebäudes befindlichen, drahtlosen, lokalen Bereichsnetzwerks (Wireless Local Area Network – WLAN), zu senden. Allgemein ist die vorliegende Erfindung auf eine Antenne gerichtet, die ein Emitterelement, wie beispielsweise einen Dipol, besitzt, das passiv ein Signal, zugeführt von einem vertikal gestapelten Paar von asymmetrisch geformten Konuselementen, aufnimmt. Die Konuselemente oder Scheiben bilden eine Doppelkonusanordnung, die zentral durch einen Koaxialkabeleingang an einer Verbindung, gebildet durch ein indirektes Verbinden des Scheitelpunkts jedes Konus, versorgt wird. Diese erfindungsgemäße Antennenanordnung kann mit einer an einer standardmäßigen Wand oder an einer Decke befestigten Umhüllung befestigt werden, wobei sich die Antenne mit niedrigem Profil typischerweise unterhalb einer metallischen Umhüllungsabdeckung erstreckt, die als eine Grund- bzw. Erdungsebene dient.
Die vorliegende Erfindung schafft allgemeine ein rundstrahlendes Antennensystem mit niedrigem Profil, das ein asymmetrisches Doppelkonus-Design mit einer passiven Zuführung für ein Emitterelement, wie beispielsweise ein Dipolelement, einsetzt. Ein Zuführungssignal kann über ein herkömmliches Koaxialkabel zugeführt werden, das zentral ein Paar von gestapelten, leitfähigen Doppelkonuselementen, befestigt unterhalb des Dipolelements, versorgt. Das Koaxialkabel wird dazu verwendet, elektromagnetische Energie von einer Quelle zu den Doppelkonuselementen zu verteilen, wobei der Mittenleiter mit dem oberen Konus verbunden ist und die äußere, leitfähige Ummantelung oder das Netz mit dem unteren Konus verbunden ist. Die Doppelkonuselemente, die innerhalb der vertikalen Ebene der Antenne gestapelt sind, sind indirekt mit einer gemeinsamen Verbindung, gebildet durch einen Isolator, befestigt an dem Scheitelpunkt jedes Konus, verbunden. Ein oder mehrere Isolator(en) kann (können) auch dazu verwendet werden, die Kombination des oberen und des unteren, gestapelten Konus und ein vertikal befestigtes Dipolelement zu trennen. Das Dipolelement ist innerhalb der vertikalen Ebene der Antenne durch den oberen Konus getragen. Diese Konfiguration führt zu einer passiven Kopplung elektromagnetischer Energie innerhalb der vertikalen Ebene der Antennenanordnung und zu dem Dipolelement.
Der Doppelkonus-Isolator, der zwischen dem oberen und dem unteren Konus befestigt ist, kann den einzigen, mechanischen Träger des oberen Konus gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Doppelkonus-Isolator einen mit Gewinde versehenen Isolator aus einem nicht-leitfähigen Material aufweisen, der ein Innengewinde UNF 4-40 und ein Außengewinde UNC 10-24 besitzt. Die Buchsenkontaktaufnahme des Bikonus-Isolators nimmt die bodenseitige Spitze des oberen Konus auf, und das Steckkontaktelement passt innerhalb einer Öffnung des unteren Konus hinein, um so die gemeinsame Verbindung zwischen dem oberen und dem unteren Konuselement zu bilden. Der Doppelkonusisolator kontrolliert die elektrische Kapazität zwischen dem oberen und dem unteren Konus. Da der Mittenleiter des Koaxialkabels durch eine Öffnung in dem Doppelkonusisolator hindurch und in den oberen Konus hineinführt, bildet dieser Isolator die dielektrische Last einer Koaxialübertragungsleitung mit niedriger Impedanz. Es wird ersichtlich werden, dass diese Kombination von Komponenten für die erfindungsgemäße Antenne ohne Werkzeuge und ohne irgendein Löten des zentralen Leiters des Koaxialversorgungskabels an der Antenne selbst montiert werden kann. Dies unterstützt eine Ausführung unter niedrigen Kosten einer Antenne mit niedrigerem Profil für Anwendungen in einer drahtlosen Kommunikation, wie beispielsweise Anwendungen innerhalb von Gebäuden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Antenne in Verbindung mit einer an der Decke montierten Umhüllung, das eine Kommunikationsvorrichtung aufnimmt, verwendet werden. In dieser Betriebsumgebung ist das Emitterelement der Antenne typischerweise senkrecht zu einer leitfähigen Umhüllungsabdeckung, die als eine leitfähige Grund- bzw. Erdungsebene arbeitet, befestigt. Da die Umhüllung und deren Abdeckung typischerweise entlang der Decke einer Stelle in einem Gebäude montiert sind, weist die montierte Antenne nach unten zu dem Innenraum hin. Die Erdungsebene, die durch eine feste oder gitterähnliche Oberfläche einer metallischen Deckenplatte gebildet werden kann, ist zum Erhöhen der Antennenverstärkung und einer Formung der Strahlbreite innerhalb der Höhenebene nützlich. Insbesondere führt die Kombination einer an einer Decke befestigten Grund- bzw. Erdungsebene in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen, passiven Zuführungsnetzwerk für einen Emitter oder ein strahlendes Element zu einer Antenne, die eine verringerte Strahlbreite innerhalb der Höhenebene zeigt, während die erwünschten, nach unten gekippten Strahlcharakteristika erhalten werden. Das sich ergebende, nach unten gekippte Strahlungsmuster ist besonders in einer an der Decke befestigten WLAN-Anwendung erwünscht.
Dass die Erfindung eine Antenne schafft, die eine Doppelkonusanordnung besitzt, für ein passives Einkoppeln von elektromagnetischer Energie in ein Dipolelement und zum Abgeben davon, wird aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen und der beigefügten Zeichnungen und Ansprüche ersichtlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Darstellung, die eine Explosionsansicht einer Anordnung einer Antenne für eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 zeigt eine Darstellung, die eine Seitenansicht einer montierten Anordnung einer beispielhaften Antenne, dargestellt in 1, zeigt.
3 zeigt eine Darstellung, die eine Querschnittsansicht einer montierten Anordnung der beispielhaften Antenne, gezeigt in 1, darstellt.
4 zeigt eine Darstellung, die ein vergrößertes Detail einer Querschnittsansicht der beispielhaften Antenne, die in 1 gezeigt ist, darstellt.
5A zeigt eine Darstellung, die ein vergrößertes Detail einer Querschnittsansicht einer Antenne, aufgebaut gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, darstellt.
5B zeigt eine Darstellung, die eine Explosionsansicht einer Anordnung eines Paars von Konusanordnungen, getrennt durch einen Doppelkonus-Isolator, gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, darstellt.
6A zeigt eine Darstellung, die eine Querschnittsansicht einer an der Decke oder der Wand befestigten Umhüllung für eine Rechenvorrichtung, verbunden mit einer Antenne, gemäß einer repräsentativen Betriebsumgebung für eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, darstellt.
6B zeigt eine Darstellung, die eine Ebenen-Ansicht der repräsentativen Antenne, befestigt zur Verwendung in der Betriebsumgebung, dargestellt in 6A, darstellt.
7 zeigt eine Darstellung, die eine Querschnittsansicht einer Antenne, abgedeckt durch ein Radom, gemäß einer alternativen Betriebsumgebung einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Antenne der vorliegenden Erfindung ist primär zum Senden und/oder Empfangen von Hochfrequenz(HF)-Signalen in Anwendungen, wie beispielsweise drahtlosen, lokalen Bereichscomputernetzwerken (Wireless Local Area Computer Networks – WLAN), nützlich, wo ein effizienter, ungestörter Betrieb erwünscht ist. Obwohl die erfindungsgemäße Antenne als ein Monopol ohne eine Erdungsebene arbeiten kann, weist die bevorzugte Betriebsumgebung die Kombination einer beispielhaften Ausführungsform der Antenne mit einer leitenden Erdungsebene auf. In ihrer bevorzugten Anwendung kann die Antennenanordnung auf einer leitfähigen Erdungsebene, wie beispielsweise einer Deckenplatte bzw. -kachel oder einem Gitter, montiert sein. Für eine typische Anwendung einer an einer Wand oder einer Decke befestigten Antenne ist die leitfähige Oberfläche der Erdungsebene typischerweise durch eine kundenseitige oder existierende Umhüllungsabdeckung, wie beispielsweise den Typ, der eine HVAC-Ventilierung oder einen Lautsprecher für ein Audio- oder Rufsystem abdeckt, gebildet.
Es wird ersichtlich werden, dass eine Erdungsebene zum Erhöhen der Antennenverstärkung oder der Formung der Strahlbreite innerhalb der Höhenebene nützlich ist. Insbesondere führt die Kombination der Erdungsebene in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Antenne zu einer Antenne, die eine verringerte Strahlbreite innerhalb der Höhenebene zeigt, während die erwünschten Charakteristika eines nach unten gekippten Strahls gezeigt werden. Die Antenne wird, wenn sie mit einer Erdungsebene, ausgeführt durch eine leitfähige Deckenplatte, kombiniert wird, typischerweise mit einer Kommunikationsvorrichtung, befestigt mit der Deckenumhüllung, verbunden, um ein WLAN zu unterstützen. Demzufolge weist das Emitterelement der Antenne typischerweise nach unten zu dem Inneren eines Raums hin, wenn die Antenne senkrecht an einer Deckenplatte, die als eine leitende Erdungsebene arbeitet, befestigt ist.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen sich entsprechende Bezugszeichen auf entsprechende Elemente durch die verschiedenen Figuren hinweg beziehen. 1 zeigt eine Explosionsansicht, die die primären Bauelemente einer beispielhaften Ausführungsform der Antenne darstellt. Die 2 und 3 stellen Seiten- und Querschnittsansichten einer montierten Version der Antenne, dargestellt in 1, dar. 4 stellt eine detaillierte Ansicht einer koaxialen Schnittstelle zu der beispielhaften Antenne, umfassend einen Koa xialkabeleingang, einen nicht-leitenden Adapter, einen Basiskonus, einen Isolator, einen Aufnahmestift und einen oberen Konus, dar. Obwohl die Sendevorgänge der Antenne primär nachfolgend in Verbindung mit den 1–4 erläutert werden, wird für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden, dass die Antenne auch zum Unterstützen von Empfangsvorgängen, basierend auf dem wechselseitigen Fluss von elektromagnetischen Signalen für das Antennen-Design, geeignet ist. Demzufolge ist die Bezugnahme auf ein strahlendes oder Emitterelement für die erfindungsgemäße Antenne, die dahingehend arbeitet, Sendeanwendungen zu unterstützen, auch bei Empfangs-Anwendungen anwendbar, die ein Empfangen von elektromagnetischen Signalen durch dieses Antennenelement umfassen.
Wie in den 1–2 dargestellt ist, weist eine beispielhafte Antenne 20 einen Basiskonus 1, einen oberen Konus 3 und ein Dipolelement 5 auf. Der Basiskonus 1 und der obere Konus 3 bilden ein Doppelkonuselement, das eine zentrale Verbindung besitzt, gebildet durch den Scheitelpunkt jedes Konus, und wird mit elektromagnetischer Energie durch ein Sendemedium, wie beispielsweise ein koaxiales Kabel, versorgt. Ein Isolator 2 kann an dieser zentralen Verbindung platziert sein, um physikalisch jede der Konus-Anordnungen 1 und 3 zu trennen, um dadurch elektrisch die leitenden Oberflächen der Konus-Anordnungen zu isolieren. Ein Isolator, gebildet durch einen Adapter 4, verbindet den oberen Konus 3 mit einem vertikal montierten, strahlenden Element, gebildet durch das Dipolelement 5. Der Basiskonus 1 besitzt vorzugsweise eine breite Konus-Form, wogegen der obere Konus 3 vorzugsweise eine schmale Konus-Form besitzt. Diese bevorzugte, asymmetrische Konfiguration des Paars der Konus-Anordnungen 1 und 3 unterstützt die passive Kopplung der elektromagnetischen Energie zu dem Dipolelement 5 und von diesem aus innerhalb der vertikalen Ebene der Antenne 20. Die asymmetrische Form für das Konus-Paar beeinflußt die Eingangs-Impedanz an dem zentralen Zuführungspunkt, angeordnet an der Konus-Verbindung, während weiterhin ein relativ breiter Betriebsfrequenzbereich für die Antenne 20 unterstützt wird und eine Kopplung zu dem Dipolelement 5 erhöht wird.
Der Basiskonus 1 ist vorzugsweise als kegelstumpfförmiger Konus mit breiter Basis, ein Aluminium- oder ähnliches, leitfähiges Material aufweisend, ausgeführt. Eine repräsentative Ausführung des Basiskonus 1 ist hohl, mit einer offenen Basis und einer abgeflachten, oberen Fläche, die eine zentrale Öffnung enthält. Der Isolator 2, der auch als ein Doppelkonus-Isolator beschrieben ist, kann an dem Außenbereich des Basiskonus 1, typischerweise an der zentralen Öffnung des Konus, befestigt werden. Der Basiskonus 1 kann durch einen Basisisolator 7 getragen werden, der nützlich zum Befestigen der Antenne 20 an der erwünschten Substrat-Struktur ist.
Der obere Konus 3 ist vorzugsweise ein umgekehrter Konus mit kleinem Winkel aus festem Aluminium oder einem ähnlich leitfähigen Metall. An dem schmaleren Basisende des oberen Konus 3 ist eine zentrale Vertiefung, dimensioniert so, um eine Stiftaufnahme 9 aufzunehmen, vorhanden. An dem breiteren, gegenüberliegenden Ende des oberen Konus 3 ist eine zentrale Vertiefung vorhanden, die so dimensioniert ist, um die gebildete Basis eines nicht-leitfähigen, zylindrischen Adapters 4 aufzunehmen. Der zylindrische Adapter 4 verbindet den oberen Konus 3 mit dem stabähnlichen Dipolelement 5 innerhalb der vertikalen Ebene der Antenne 20. Das Dipolelement 5 endet mit einer Kunststoffendkappe 6, die typischerweise aus Sicherheitsgründen eingesetzt wird.
Ein elektromagnetisches Signal kann durch ein Sendemedium geführt werden und zu einer zentralen Verbindung, angeordnet zwischen dem Basiskonus 1 und dem oberen Konus 3, zugeführt werden. Der Isolator 2, der vorzugsweise eine niedrige, absolute Dielektrizitätskonstante besitzt, ist an dieser Verbindung zwischen sowohl dem unteren Konus 1 als auch dem oberen Konus 3 befestigt. Für die bevorzugte Ausführungsform wird das Übertragungsmedium durch ein Koaxialkabel 8 ausgeführt, das einen Mittenleiter 8a und eine äußere Abschirmung 8b aufweist. Ein zylindrischer Adapter 10, der eine Öffnung besitzt, die sich durch seine Länge hinweg erstreckt, ist innerhalb des hohlen Bereichs des Basiskonus 1 positioniert und nimmt das Koaxialkabel 8 auf. Der Adapter 10 bildet eine elektrische Verbindung zwischen der äußeren, leitfähigen Ummantelung 8b und der leitfähigen, inneren Fläche des Basiskonus 1. Der Koaxialleiter 8a erstreckt sich durch die in Längsrichtung weisende Öffnung des zylindrischen Adapters 10 und steht durch die zentrale Öffnung in der oberen Oberfläche des Basiskonus 1 vor. Der zentrale Koaxialleiter 8a führt durch eine zentrale Öffnung in dem Isolator 2 hindurch, die angrenzend an den Außenbereich der Öffnung des Basiskonus 1 positioniert ist, und endet an der leitfähigen Stift-Aufnahme 9, die innerhalb einer Vertiefung des oberen Konus 3 positioniert ist.
Der Basiskonus 1 und der obere Konus 3, die durch den Isolator 2 voneinander getrennt sind, arbeiten in einer Tandem-Art, um ein elektromagnetisches Feld innerhalb der vertikalen Ebene der Antennenanordnung zu erzeugen, wenn ein Signal aktiv zu der Dop pelkonusanordnung zugeführt wird. Genauer gesagt, wird elektromagnetische Energie typischerweise zu dem oberen Konus 3 über den Koaxialkabelleiter 8a zugeführt, der in der Stiftaufnahme 9 an dem oberen Konus 3 endet. Das elektromagnetische Feld, erzeugt durch die vertikal gestapelte Anordnung des Basiskonus 1 und des oberen Konus 3, versorgt passiv das Dipolelement 5, das vertikal oberhalb des Konusfelds mit der Zwischenfügung des isolierenden Adapters 4 befestigt ist. Die zentrale Art der Zuführung durch das Koaxialkabel in ein Paar der Konus-Anordnungen, von denen jede eine symmetrische Form um deren jeweilige, zentrale Achsen besitzt, führt zu der Einkopplung elektromagnetischer Energie in das Dipolelement 5 und der Erzeugung eines Rundstrahlmusters. Diese passive Kopplung der elektromagnetischen Energie in das Dipolelement 5 (und davon) führt schließlich zu einem gesendeten (empfangenen) Signal durch den Dipol mit wesentlich erhöhten Verstärkungscharakteristika.
Wie in den 3 und 4 dargestellt ist, wird die Kopplung des äußeren Koaxialleiters oder der Ummantelung mit dem Innenbereich des Basiskonus 1 durch eine Zwischenverbindung mit dem Adapter 10 erreicht. Im Gegensatz dazu versorgt der zentrale Koaxialleiter 8a aktiv den oberen Konus 3, in dem er sich durch Öffnungen in sowohl dem Basiskonus 1 als auch dem Isolator 2 erstreckt, um in der Stiftaufnahme 9 zu enden, die innerhalb einer Vertiefung des Scheitelpunkts des oberen Konus 3 befestigt ist. Der Isolator 2 isoliert die leitende Oberfläche des Koaxialleiters 8a gegen die leitfähige Oberfläche des Basiskonus 1. Ähnlich trennt der Isolator 2 auch physikalisch den Scheitelpunkt des Basiskonus 1 von dem Scheitelpunkt des oberen Konus 3, um dadurch die leitfähigen Oberflächen dieses Konus-Paars zu isolieren. Ein Signal, das über den Koaxialleiter 8a zu der Antenne 20 übertragen wird, erzielt eine direkte Zuführung, was den oberen Konus 3 anregt und ein erwünschtes, elektromagnetisches Feld in der vertikalen Ebene des oberen Konus 3 und dem geerdeten Basiskonus 1 erzeugt. Der Isolator 2, der zwischen dem Basiskonus 1 und dem oberen Konus 3 zwischengefügt ist, ermöglicht, dass dieses elektromagnetische Feld zwischen den konischen Elementen in einer Art und Weise, definiert durch die relative Asymmetrie des Basiskonus 1 und des oberen Konus 3, aufgebaut wird.
Der Isolator 2, der alternativ als der Doppelkonusisolator beschrieben ist, bildet vorzugsweise den einzigen, mechanischen Träger des oberen Konus 3. Für eine beispielhafte Ausführungsform weist der Isolator 2 ein geformtes, nicht-leitfähiges Material auf, das ein Innengewinde UNF 4-40 und ein Außengewinde UNC 10-24 besitzt. Der obere Bereich des Isolators 2 weist eine Buchsenkontaktaufnahme auf, die die bodenseitige Spitze des oberen Konus 3 (und die Stift-Aufnahme 9) aufnimmt. Der Bodenbereich des Isolators 2 weist ein Steckkontaktelement auf, das innerhalb der Öffnung innerhalb der oberen, flachen Oberfläche des Basiskonus 1 eingesetzt werden kann. Eine Öffnung, die sich entlang der Länge des Isolators 2 erstreckt, kann den Mittenleiter des Koaxialkabels 8 aufnehmen. Diese Anordnung für den Isolator 2 legt die elektrische Kapazität zwischen den Doppelkonuselementen 1 und 3 fest und bildet eine dielektrische Last einer Koaxialübertragungsleitung mit niedriger Impedanz.
5A stellt eine alternative Ausführungsform der Antennenanordnung für Antennen-Anwendungen mit niedrigem Profil dar. Wie 5A zeigt, weist eine Antennenanordnung 20' ein Dipolelement 5' auf, das einen Aufbau einer offenen Spule oder eines offenen Spulen- oder Federtyps, anstelle der Anordnung eines linearen Stabs für das Dipolelement 5, dargestellt in den 1–4, besitzt. Dieses Design mit offener Spule führt zu einer größeren Haltbarkeit bei bestimmten Antennenanwendungen, während das Erfordernis des Beibehaltens eines verfügbaren "Real Estate" für eine Antenne in einer Betriebsumgebung mit niedrigem Profil erfüllt wird. Ähnlich zu der Antenne 20 ist das Dipolelement 5' mit dem oberen Konus 3 über den isolierenden Adapter 4 verbunden und kann die Kunststoffendkappe 6 an dem gegenüberliegenden Ende, dem Endpunkt der Spule, umfassen. Das gegenüberliegende Ende des oberen Konus 3 ist indirekt mit dem Scheitelpunkt des Basiskonus 1 über den Isolator 2 verbunden. Der Isolator 2 isoliert elektrisch die leitenden Oberflächen der Konus-Anordnungen, während die Stapelung dieser Konus-Anordnungen innerhalb der vertikalen Ebene der Antennenanordnung 20' getragen wird. Das Paar der asymmetrisch geformten Konus-Anordnungen 1 und 3 kann passiv elektromagnetische Energie zu und von dem Dipolelement 5' in einer Art und Weise ähnlich zu derjenigen, die vorstehend in Bezug auf die Antenne 20 beschrieben ist, koppeln. Auf diese Art und Weise kann das Dipolelement 5' sowohl Sende- als auch Empfangsvorgänge für die Antennenanordnung 20' unterstützen.
5B zeigt eine Explosionsansicht einer Anordnung von Doppelkonuselementen, getrennt durch einen Isolator, gemäß einer alternativen, beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne. Um sich auf die Verbindung, gebildet durch den Isolator 2', platziert zwischen dem unteren und dem oberen Konus 1' und 3', zu konzentrieren, führt der Mittenleiter 8a durch den unteren Konus 1', den Isolator 2' hindurch und in eine Aufnahme des oberen Konus 3' hinein. Der Mittenleiter 8a kann mit dem oberen Konus 3' durch Einstellen einer Einstellschraube 16, angeordnet entlang einer Seite des oberen Konus 3', und in der Nähe zu der Konus-Aufnahme, die den Mittenleiter aufnimmt, verbunden werden. Auf diese Art und Weise ist der Mittenleiter 8a mit dem oberen Konus 3' ohne die Verwendung einer Lötmittelverbindung verbunden. Die Einstellschraube ist innerhalb einer Gewindeaufnahme entlang einer Seite des oberen Konus 3' eingesetzt und kann durch manuelles Drehen der Einstellschraube innerhalb der mit Gewinde versehenen Aufnahme eingestellt werden. Dieser lötmittellose Abschnitt des Mittenleiters 8a an dem oberen Konus 3' führt zu einer kostengünstigen Anordnung der Antenne, ohne dass Werkzeuge erforderlich sind.
Die 6A und 6B stellen eine Antennenanordnung, befestigt für einen Betrieb innerhalb einer typischen Betriebsumgebung eines WLAN, d.h. einer Befestigung an einer Deckenplatte (oder Wand), innerhalb des Innenraums einer Fabrik, die eine oder mehrere, drahtlose Netzwerkzugriffspunkte besitzt, die mit einem zentralen Computer über ein drahtloses Kommunikationsnetzwerk kommunizieren, dar. Diese Betriebsumgebung und die Befestigung an der Decken/Wandplatte und die zugeordnete Umhüllung für eine Kommunikationsvorrichtung, wie beispielsweise ein drahtloser Netzwerkzugriffspunkt, sind im Detail in der US-Patentanmeldung Serial No. 09/092,621, angemeldet am 05. Juni 1998, die auf den Inhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen ist und vollständig hier unter Bezugnahme darauf eingeschlossen wird, beschrieben. Zum Beispiel kann ein Zugriffspunkt auf ein drahtloses Netzwerk innerhalb einer an einer Decke oder Wand befestigten Umhüllung in der inneren Gebäudestruktur eingehüllt sein. Die Antenne für diesen Zugriffspunkt auf ein drahtloses Netzwerk kann durch die Antennenanordnung 20, dargestellt in den 1–4, oder die Antennenanordnung 20' der 5A vorgesehen werden. Diese Antenne kann an einer Aufnahme, angeordnet in entweder der Abdeckung der Umhüllung oder innerhalb der Umhüllung selbst, befestigt sein, und erstreckt sich typischerweise in die Umgebung des Raums hinein. Demzufolge sind die Charakteristika mit niedrigem Profil der Antennenanordnungen 20 und 20' besonders gut für diese Anwendung einer drahtlosen Kommunikation geeignet.
Wie die 6A und 6B für eine repräsentative Anordnung einer Decken-Befestigung zeigen, ist die gestapelte Antennen-Anordnung zentral über der leitfähigen Oberfläche einer Deckenplatte 14 befestigt, die an einem Tragerahmen 13 einer Umhül lung angeschweißt ist, die innerhalb eines herkömmlichen Deckenplattengitters 12 hineinpasst. Diese Umhüllung nimmt typischerweise eine Rechenvorrichtung, wie beispielsweise einen Zugriffspunkt auf ein drahtloses Netzwerk, verbunden mit einer Antenne, um drahtlose Kommunikationen, wie beispielsweise WLAN-Anwendungen, zu unterstützen, auf. Eine Antennenanordnung 11, die durch entweder die Antennenanordnung 20, dargestellt in den 1–4, oder die Antennenanordnung 20' in 5, ausgeführt sein kann, ist vertikal befestigt, wobei sie von der Deckenstelle entlang der Deckenplatte 14 nach unten weist. Die Antennenanordnung 20 kann direkt an dem Außenbereich der Deckenplatte 14 befestigt sein, oder, in der Alternativen, kann diese Antenne innerhalb der Umhüllung befestigt sein und erstreckt sich durch eine Öffnung innerhalb der Deckenplatte 14. Zum Beispiel kann ein Koaxialkabel, verbunden mit der Rechenvorrichtung, montiert innerhalb der Umhüllung, über eine Öffnung in der Deckenplatte 14 eintreten, um zentral die Antennenanordnung 11 zu versorgen.
Wenn die Antennenanordnung 11 über der leitfähigen Oberfläche der Deckplatte 14 montiert ist, erzeugt die größere Erdungsebene, die durch die Oberfläche der Metallplatte erzielt wird, ein stärkeres, elektromagnetisches Feld. Dies führt zu einer stärkeren, passiven Kopplung elektromagnetischer Energie innerhalb der vertikalen Ebene zu dem Dipolelement 5 (oder dem Dipolelement 5'). Die verbesserte Signalqualität, die sich schließlich ergibt, zusammen mit der ungestörten Art der Deckenbefestigung in einer Arbeitsstätte innerhalb eines Raums, liefert wesentliche Vorteile für beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gegenüber existierenden Alternativen einer Antenne in WLAN-Anwendungen.
7 stellt eine alternative Ausführungsform einer an einer Decke befestigten Antenne, angeordnet innerhalb eines schützenden Radoms, dar. Wie in 7 dargestellt ist, kann die Antennenanordnung 20 (oder die Antennenanordnung 20') innerhalb eines Radoms 15 untergebracht werden, um die Antennen-Komponenten gegen Einflüsse in Bezug auf die Betriebsumgebung zu schützen. Die Form der nicht-leitfähigen Oberfläche des Radoms 15 kann so variiert werden, um am besten die Form der Antenne 20 und die ästhetischen Betrachtungen der bestimmten Anwendung anzupassen. Der Radom 15 weist vorzugsweise ein Material auf, das im Wesentlichen transparent in Bezug auf Funkfrequenzsignale ist, die durch die Antennenanordnung, die innerhalb des Radoms untergebracht ist, gesendet und empfangen werden.
Im Hinblick auf das Vorstehende wird ersichtlich werden, dass die Erfindung eine Antennenanordnung schafft, die eine Konusanordnung zum passiven Koppeln elektromagnetischer Signale zu und von einem Antennenelement umfasst. Es sollte verständlich werden, dass sich das Vorstehende nur auf die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezieht, und dass zahlreiche Änderungen darin vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist, zu verlassen.

Claims

Antennenanordnung, die aufweist: eine Konusanordnung (1, 3), aufweisend mindestens zwei Strukturen aus leitendem Material zum Erzeugen elektromagnetischer Signale; eine dielektrische Substanz (2), die die mindestens zwei Strukturen aus leitenden Materialien separiert, wobei die Konusanordnung (1, 3) so betreibbar ist, um passiv die elektromagnetischen Signale innerhalb der vertikalen Ebene der Antennenanordnung zu einem Antennenelement (5) zuzuführen, und das Antennenelement (5), befestigt an der Konusanordnung (1, 3) innerhalb der vertikalen Ebene der Antennenanordnung, so arbeitend, um elektromagnetische Signale in Abhängigkeit eines passiven Zuführens der elektromagnetischen Signale durch die Konusanordnung (1, 3) abzustrahlen.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, wobei die zwei Strukturen einen Doppelkonus bilden, der einen Basiskonus (1) aus leitendem Material und einen oberen Konus (3) aus leitendem Material besitzt, wobei der obere Konus (3) oberhalb des Basiskonus (1) innerhalb der vertikalen Ebene der Antennenanordnung befestigt ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 2, wobei jede Struktur des Bikonus einen Kegelstumpf aus leitendem Material aufweist, der asymmetrisch relativ zu einem gegenüberliegenden Konus ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, die weiterhin ein Koaxialkabel zum Führen der elektromagnetischen Signale zu der Konusanordnung (1, 3) aufweist, wobei das Koaxialkabel einen zentralen, koaxialen Leiter, zugeführt zu einer gemeinsamen Verbindung zwischen den Koni, aufweist, wobei die koaxiale Leitung mit dem oberen Konus (3) verbunden ist und elektrisch gegen den Basiskonus (1) isoliert ist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Basiskonus (1) hohl und glockenförmig ist, mit einer unteren Oberfläche, die eine breite Basis besitzt, und einer schmaleren abgeflachten, oberen Oberfläche.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der obere Konus (3) einen umgekehrten Konus mit kleinem Winkel aus leitendem Material aufweist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei ein Ende des Basiskonus (1) und ein Ende des oberen Konus (3) an einer gemeinsamen Verbindung durch die dielektrische Substanz verbunden sind, wobei die dielektrische Substanz einen Isolator aufweist, der eine niedrige Permeabilität besitzt, um dadurch elektrisch die leitenden Oberflächen des Basiskonus (1) gegen den oberen Konus (3) zu isolieren.
Antennenanordnung nach Anspruch 7, wobei der Isolator einen Aufnahmestift aus leitendem Material aufnimmt, wobei der Isolator so wirkt, um eine zentrale Öffnung des Basiskonus (1) zu verbinden und schnittstellenmäßig mit dem oberen Konus (3) zu verbinden, wobei der Aufnahmestift mit dem oberen Konus (3) verbunden ist und so arbeitet, um einen Leiter eines Koaxialkabels, das die elektromagnetischen Signale zu der Antennenanordnung führt, aufzunehmen, wobei sich die koaxiale Leitung durch die zentrale Öffnung des Basiskonus (1) und in den Aufnahmestift hinein über den Isolator erstreckt.
Antennenanordnung nach Anspruch 8, wobei das Koaxialkabel durch die zentrale Achse des Basiskonus (1) hindurchführt, wobei das Koaxialkabel einen äußeren , Leiter, der in Kontakt mit dem Basiskonus (1) endet, und den zentralen Koaxialleiter, der an dem Aufnahmestift endet, aufweist, wobei der zentrale Koaxialleiter durch den Isolator hindurchführt, der den Basiskonus (1) von dem oberen Konus (3) trennt und den Aufnahmestift kontaktiert, wodurch eine aktive Zuführung der elektrischen Signale zu dem oberen Konus (3) erhalten wird.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei das Antennenelement (5) einen Zylinder aus leitendem Material, aufweist, wobei der Zylinder an dem oberen Konus (3) durch einen isolierenden Adapter befestigt ist und innerhalb der vertikalen Ebene der Antennenanordnung montiert ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 10, wobei eine Kombination der Basis- und oberen Koni, auf die Zuführung der elektromagnetischen Signale durch ein Koaxial kabel zu einer gemeinsamen Verbindung zwischen den Koni ansprechend, ein elektromagnetisches Feld innerhalb der vertikalen Ebene der Antennenanordnung erzeugt, um passiv das Antennenelement (5) zu stimulieren, um dadurch zu einer Abstrahlung der elektromagnetischen Signale durch das Antennenelement (5) zu führen.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, die weiterhin einen Isolator zum Befestigen des Basiskonus (1) aufweist, wobei der Isolator so anwendbar ist, um die Antennenanordnung an einer Montagefläche zu montieren.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Antennenelement (5) eine Spule aus leitfähigem Material aufweist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, die weiterhin eine Antennenkuppel aufweist, die die Kombination des Antennenelements (5) und der Konusanordnung (1, 3) abdeckt, um dadurch die Antennenanordnung gegen Umwelteinflüsse zu schützen.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Konusanordnung (1, 3) in der Nähe einer leitenden Deckenplatte für eine an der Decke befestigte Umhüllung befestigt ist, um eine Kommunikationsvorrichtung aufzunehmen, die mit der Konusanordnung (1, 3) verbunden ist, über ein Koaxialkabel, das die elektromagnetischen Signale zum Abstrahlen durch das Antennenelement (5) führt.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Konusanordnung (1, 3) einen Basiskonus (1) aus leitendem Material und einen oberen Konus (3) aus leitendem Material aufweist, wobei der obere Konus (3) oberhalb des Basiskonus (1) innerhalb der vertikalen Ebene der Antennenanordnung befestigt ist, wobei der obere Konus (3) elektrisch von dem Basiskonus (1) durch die dielektrische Substanz isoliert ist, wobei die dielektrische Substanz einen mit Gewinde versehenen Isolator, der eine niedrige, absolute Dielektrizitätskonstante besitzt und zwischen dem oberen Konus (3) und dem Basiskonus (1) positioniert ist, aufweist, wobei der mit Gewinde versehene Isolator eine mit Gewinde versehene, buchsenartige Kontaktaufnahme zum Aufnehmen eines Bodenbereichs des oberen Konus (3) und ein mit Gewinde versehenes, steckerartiges Kontaktelement zum Einsetzen in eine Öffnung innerhalb eines oberen Bereichs des Basiskonus (1) besitzt, wobei der mit Gewinde versehe ne Isolator eine effiziente Anordnung einer gemeinsamen Verbindung, gebildet durch die Kombination des Basiskonus (1) und des oberen Konus (3), trägt.
Antennenanordnung nach Anspruch 16, wobei der Bikonus-Isolator die dielektrische Kapazität zwischen dem oberen Konus (3) und dem Basiskonus (1) kontrolliert.
Antennenanordnung nach Anspruch 16 oder 17, die weiterhin ein Koaxialkabel zum Führen von elektrischer Energie zu der und von der Antennenanordnung aufweist, wobei das Koaxialkabel einen Mittenleiter und einen äußeren Leiter besitzt, wobei der Mittenleiter durch die Öffnung des Basiskonus (1) hindurch und in eine Öffnung hinein führt, die sich entlang der Länge des mit Gewinde versehenen Isolators erstreckt, für eine Verbindung mit dem oberen Konus (3), um dadurch eine dielektrische Last einer Koaxialübertragungsleitung mit niedriger Impedanz zu erzielen.
Antennenanordnung nach Anspruch 18, wobei der Mittenleiter des Koaxialkabels mit dem oberen Konus (3) über einen Aufnahmestift, positioniert an einer Spitze des Mittenleiters, verbunden ist, wobei sich der Aufnahmestift in eine Öffnung des oberen Konus (3) hinein erstreckt, wenn der obere Konus (3) in die Aufnahme mit buchsenartigem Kontakt des mit Gewinde versehenen Isolators eingeschraubt ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 18, wobei der Mittenleiter des Koaxialkabels elektrisch mit dem oberen Konus (3) durch einen direkten, elektrischen Kontakt, gebildet durch die Verbindung des Aufnahmestifts mit dem oberen Konus (3), verbunden ist, um dadurch die Verwendung einer Lötmittelverbindung für die elektrische Verbindung des Koaxialkabels mit der Antennenanordnung zu vermeiden.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, die eine Konfiguration mit einem niedrigen Profil besitzt, wobei die Konusanordnung eine asymmetrisch geformte Bikonusanordnung (1, 3), die einen leitenden Basiskonus (1) und einen leitenden, oberen Konus (3), montiert oberhalb des Basiskonus (1), innerhalb der vertikalen Ebene der Antennenanordnung, aufweist, wobei das Antennenelement (5) an dem oberen Konus (3) befestigt ist, und wobei die Antennenanordnung weiterhin ein Koaxialkabel zum Führen von elektromagnetischen Signalen zwischen einer Kommunikationsvorrichtung und einer gemeinsamen Verbindung zwischen dem Basis- und dem oberen Konus aufweist, wobei das Koaxialkabel eine zentrale Leitung, verbunden mit dem oberen Konus und elektrisch isoliert gegen den Basiskonus (1), und einen äußeren Leiter, verbunden mit dem Basiskonus (1), aufweist.
Antennenanordnung nach Anspruch 21, wobei der Basiskonus (1) und der obere Konus (3) asymmetrische Kegelstümpfe aus leitendem Material aufweisen, wobei der Basiskonus (1) eine hohle und glockenförmige Konfiguration besitzt, mit einer unteren Oberfläche, die eine breite Basis besitzt, und einer schmaleren abgeflachten, oberen Oberfläche und dem oberen Konus (3), einen umgekehrten, festen Kegel mit kleinem Winkel aus leitfähigem Material aufweisend.
Antennenanordnung nach Anspruch 22, die weiterhin ein Befestigungselement aufweist, das ein nicht-leitendes Material zum Befestigen des oberen Konus (3) an dem Basiskonus (1) aufweist, um dadurch elektrisch die leitenden Oberflächen des Basiskonus (1) und des oberen Konus (3) zu isolieren.
Antennenanordnung nach Anspruch 23, wobei das Befestigungselement so anwendbar ist, um die Leitung des Koaxialkabels aufzunehmen, wobei das Befestigungselement die Leitung gegen die leitende Oberfläche des Basiskonus (1) abschirmt und die Leitung in Kontakt mit der leitenden Oberfläche des oberen Konus (3) richtet, was dadurch zu einer aktiven Zuführung der elektromagnetischen Signale zu dem oberen Konus (3) führt.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei das Antennenelement (5) einen zylindrischen Stift aus leitendem Material aufweist, wobei der Stift an dem oberen Konus (3) durch einen isolierenden Adapter, montiert innerhalb der vertikalen Ebene der Antennenanordnung, befestigt ist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei das Antennenelement (5) eine Spule aus leitendem Material aufweist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, wobei der Basiskonus (1) nahe zu einer Erdungsebene befestigt ist, die eine Abdeckplatte aus leitendem Material aufweist, für eine Decken- und Wandbefestigung, aufweist.