Antennenkonzept für sektorielles Beamforming mit wählbaren Vorzugspattern in kleinen Zellen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Manteuffel
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420537850

Zukünftige zelluläre Funksysteme sehen mehr als zuvor die Einrichtung kleiner Zellen (sog. Small Cells) zur Versorgung vieler Nutzer mit hoch-datenratigen Diensten vor. Neben Sportstadien, Flughafen- und Bahnterminals, können auch Einkaufszonen in Innenstädten oder stark befahrene Straßen eine Nutzung kleiner Zellen erfordern. Ausführungen können hinsichtlich der Zellgröße, der zu verwendenden Frequenzen und Zugangskonzepte stark variieren. Einige Ausführungsformen sehen die Ausrichtung und Nachführung der Basisstationsantenne auf einzelne Nutzer innerhalb der Zelle vor. Die Zellradien dieser Small Cells in einem solchen Szenario werden oft mit wenigen zehn Metern angegeben. Anbauorte für Basisstationsantennen können daher z.B. Laternenpfähle, Brücken, Decken in Einkaufzentren oder Stadien sein. Aufgrund der geringen Höhe der Basisstation ergibt sich deshalb selbst bei einer relativ kleinen Zelle ein großer Winkelbereich, innerhalb dessen die nachführbare Antenne ihre Strahlungskeule schwenken können muss. Hierdurch ergeben sich zudem stark unterschiedliche Pfadlängen der LOS (Line of Sight) Verbindung zwischen der Basisstationsantenne und dem Endgerät des Nutzers. Der Verstärker eines TR Moduls der Basisstation muss allein deshalb schon einen großen Dynamikbereich abdecken, was zu einer geringen Effizienz führen kann. Scan Loss, Pattern Loss und Grating Lobes beinträchtigen die Situation noch zusätzlich.Im vorliegenden Projektantrag wird ein Antennenkonzept vorgeschlagen, in dem jedes Antennenelement mehrere wählbare Vorzugspattern aufweist, die über entkoppelte Antennenports parallel angesteuert werden können. So kann beim Schwenken der Antennenkeule je Sektor ein geeignetes Pattern ausgewählt werden. Die entkoppelten sektoriellen TR Module müssen somit nur einen geringeren Dynamikbereich aufweisen. Die Synthese der Mehrtorantennenelemente geschieht auf Basis der Theorie der Charakteristischen Moden. Mittels Speisenetzwerken werden geeignete Sätze orthogonaler Moden auf demselben Antennenelement angeregt.Nach Erforschung der grundlegenden Zusammenhänge wird als Demonstrationsbeispiel ein Beamformingarray für eine fiktive kleine Zelle in einem 5G Szenario aufgebaut. Die Antenneneigenschaften, insbesondere in Bezug auf das sektorielle Beamforming, werden messtechnisch untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen