Emerging Technologies - Zukunftstechnologien

SARABAND-Antennentechnologie für Breitbandkommunikation

Komponenten der Q-band CSPA-Antenne.
© Foto Fraunhofer FHR

Komponenten der Q-band CSPA-Antenne.

Der Q-band Prototyp mit einem Gehäuse unterhalb der Antenne zur Aufnahme von Kommunikations- und Steuerelektronik.
© Foto Fraunhofer FHR

Der Q-band Prototyp mit einem Gehäuse unterhalb der Antenne zur Aufnahme von Kommunikations- und Steuerelektronik.

Gemessene Strahlungsdiagramme für eine ausgesuchte Schwenkrichtung in der horizontalen und der vertikalen Ebene bei 42 GHz.
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Gemessene Strahlungsdiagramme für eine ausgesuchte Schwenkrichtung in der horizontalen und der vertikalen Ebene bei 42 GHz.

In zukünftigen Mobilfunknetzen mit kleinen Funkzellen stellen drahtlose Backhauls mit Übertagungsfrequenzen nahe 42 GHz kosteneffiziente Breitbandlösungen dar. In dem EU-Projekt SARABAND wurden entsprechende Technologien für integrierte Netzwerkknoten entwickelt. 

Mobilfunknetze mit kleinen Funkzellen

Durch die rasante Verbreitung sogenannter Smart Terminals wie Smartphones und Tablets werden die Betreiber von Mobilfunknetzen mit enorm ansteigenden Kapazitätsanforderungen konfrontiert. Um eine hohe Anwendungsqualität zu gewährleisten, müssen Betreiber Netze errichten, die eine lückenlose Abdeckung mit hoher Bandbreite bieten. Damit gewinnt die Technologie kleiner Funkzellen (Small Cells) wachsende Bedeutung. Der Betrieb von Small Cell-Netzen wiederum stellt hohe Anforderungen an die Verbindungstechnologie (Backhaul) zu den Kernnetzen, die ebenfalls für hohe Kapazitäten ausgelegt, kosteneffizient, sicher und rasch ausbaufähig sein muss. Die Fähigkeit einer kostenneutralen und autonomen Anpassung an eine sich rasch ändernde Netzwerkumgebung ist ein wichtiger Aspekt bei der Auswahl der Netzwerkkomponenten. Für zukünftige Mobilfunknetze mit kleinen Funkzellen stellen drahtlose Millimeterwellen-Backhauls kosteneffiziente Lösungen dar. Das Q-Band (40,5 GHz bis 43,5 GHz) ist für diese Anwendung besonders interessant. Es repräsentiert einen guten Kompromiss zwischen erwarteter Performance und anfallenden Kosten.

In diese Nische stößt das von der Europäischen Union geförderte Projekt »Smart Antenna & Radio for Access and Backhaul for Advanced Network noDes« (SARABAND), mit einem multi-nationalen Konsortium bestehend aus Industrieunternehmen, Universitäten und Forschungseinrichtungen. Im Rahmen des SARABAND-Projekts (www.sarabandfp7.eu) wurden kosteneffiziente Technologien, wie intelligente Antennenlösungen und Radiomodule, für integrierte Hochleistungsnetzwerkknoten entwickelt.

Neben Antennen mit hohem Gewinn und starrem Strahlungsdiagramm für Datenverbindungen über große Entfernungen, werden elektronisch schwenkende Antennen benötigt, um den reservierten Frequenzbereich effektiv auszunutzen, die Installationskosten zu minimieren und einen Service von konstanter Qualität zu sichern. Die höchste Flexibilität wird mit einem Schwenkbereich von 360° in der horizontalen Ebene erreicht, gepaart mit einer kompakten Bauform und einer schmalen Elevationskeulenbreite, um Interferenzen zu minimieren und den Gewinn zu maximieren. 

Circular Switched Parasitic Array Antennen

Das Fraunhofer FHR verfolgt als Mitglied des SARABAND-Konsortiums einen kostengünstigen Ansatz basierend auf dem Prinzip sogenannter Circular Switched Parasitic Arrays (CSPA). Dabei werden mehrere parasitäre Antennenelemente in gleichen Winkelabständen entlang einer kreisförmigen Bahn, in deren Mittelpunkt ein aktives, rundum strahlendes Antennenelement sitzt, angeordnet. Die parasitären Antennenelemente können über elektronisch steuerbare Schalter zwischen zwei Zuständen umgeschaltet werden. Dadurch sind diese parasitären Elemente für die vom zentralen Antennenelement ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen entweder transparent oder sie wirken wie Reflektoren. Mit einer solchen Konfiguration ist eine elektronische Strahlschwenkung in einer Ebene mit einem Schwenkbereich von 360° möglich. Die meisten Umsetzungen des CSPA-Prinzips arbeiten bei Frequenzen bis zu einigen Gigahertz und verwenden Monopole als Antennenelemente, die auf einer gemeinsamen, kreisscheibenförmigen Metallplatte sitzen. Wie bei der für das C-Band entwickelten CSPA-Antenne in Abb. 4 kann eine Fokussierung des Strahlungsdiagrams in der Elevationsrichtung mit einer weiteren Metallplatte oberhalb der Antennenelemente und einer kegelstumpfartigen, mit Schaumstoff verfüllten Aufweitung der umlaufenden Strahlungsfläche erzielt werden. 

Eine CSPA-Antenne für das Q-Band

Bei Frequenzen im Millimeterwellenbereich sind Monopole schwierig zu realisieren. Daher wurde am Fraunhofer FHR eine neuartige CSPA-Antenne mit gedruckten Antennenelementen für das Q-Band entwickelt. Um die Abmessungen der Antenne möglichst klein zu halten, wurde aus der Schaumstofffüllung zwischen den beiden Kegelstümpfen eine omni-direktionale Linse geformt (Abb.1). Unterhalb der eigentlichen Antenne wurde ein Gehäuse zur Aufnahme des Q-Band Radiomoduls und der Ansteuerelektronik integriert (Abb. 2). 

Der am Fraunhofer FHR hergestellt Prototyp soll Anfang 2015 in einem drahtlosen Demonstrationsnetzwerk der Telekommunikationsindustrie zusammen mit weiteren innovativen Entwicklungen des SARABAND-Projekts vorgeführt werden. Eine bereits weit fortgeschrittene Weiterentwicklung der Antenne, mit deutlich geringeren Abmessungen und ebenfalls deutlich verbesserten Antenneneigenschaften, wird derzeit am Fraunhofer FHR ersten Tests unterzogen.