Unter dem Begriff Wireless-LAN (WLAN) Adapter versteht man ein informationstechnisches Modul, mit dessen Hilfe man einen Computer mittels Funkwellen drahtlos mit einem anderen Computer oder einem Computernetzwerk (i.d.R. über einen sogenannten Access-Point) verbinden und über diese Verbindung Daten auszutauschen kann. Ein solcher Adapter enthält Sende- und Empfangselektronik, eine geeignete Antenne bzw. ein Antennenelement sowie entsprechende Elektronik, die die aufbereiteten Daten an einem genormten Anschluss für die Verbindung zum Computer bereitstellt.

Die Richtlinien der Übertragung (Übertragungsverfahren, Geschwindigkeit, Trägerfrequenz etc.) sind in der Normenfamilie IEEE 802.11 des „Institute of Electrical and Electronics Engineers" festgelegt. Innerhalb dieser Normenfamilie existieren verschiedene im Lauf der Jahre weiterentwickelte Unternormen, die jeweils ein bestimmtes Trägerfrequenzband und eine bestimmte maximale Datentransferrate bezeichnen. Der momentan weltweit am weitesten verbreitete Standard ist der 2003 verabschiedete IEEE 802.11g, der eine Datentransferrate von max. 54 MBit/s und ein Träger-Frequenzband von 2,400 bis 2,485 GHz festlegt. Im Jahr 2006 wurde der neue Standard IEEE 802.11n verabschiedet, der Datenübertragungsraten bis max. 600 Mbit/s gewährleisten soll.

Jeder WLAN-Adapter besitzt eine Antenne. Die WLAN-Antenne dient zum Senden und Empfangen der elektromagnetischen Wellen, in die zu übertragende Daten umgewandelt werden. Unterschiedliche WLAN-Antennen besitzen unterschiedlich gute Sende- und Empfangseigenschaften. Zum Vergleich benutzt man den Begriff des Antennengewinns, der angibt, wie viel Leistung eine Antenne in ihrer Hauptrichtung bezogen auf eine Vergleichsantenne sendet oder empfängt. Die Einheit für den Antennengewinn ist das Dezibel (dB) – dieser wird durch viele verschiedene Faktoren wie z.B. den Öffnungs- bzw. Abstrahlwinkel, Länge und Fläche der Antenne sowie Länge und Beschaffenheit des Antennenkabels beeinflusst.

Es ist bereits bekannt, dass gängige WLAN-Adapter eine limitierte Reichweite haben, da die integrierten Antennen nur moderate Sende- und Empfangsleistung besitzen. Weiterhin wird die Reichweite durch die gesetzliche Begrenzung der Sendeleistung auf 100 mW (+20dBm) EIRP (Effective Isotropic Radiated Power – Abstrahlleistung gemessen an der Antenne) limitiert. Eine Erhöhung der Sendeleistung würde die Reichweite theoretisch steigern, verstößt aber gegen geltendes Recht. Weiterhin ist diese Maßnahme bei ungünstigen topologischen Verhältnissen wenig sinnig, da auch bei erhöhter Sendeleistung weiterhin Eigenschaften und Standort der Antenne maßgeblich sind. Daher kann eine Verbesserung der Reichweite in vielen Fällen nur durch ideale Platzierung der Antenne und/oder die Verbesserung der Antennenparameter realisiert werden.

Eine Möglichkeit, stabile WLAN-Verbindungen über größere Entfernungen zu realisieren, besteht im Einsatz von Richtantennen. Richtantennen erreichen den Antennengewinn und die damit besseren Sende- und Empfangseigenschaften im Wesentlichen durch eine Bündelung der Strahlung in Wirkrichtung (wie bei einem Scheinwerfer). Der Antennengewinn entsteht somit aus einer Reduzierung der Leistung in anderen Richtungen – die Gesamtleistung bleibt dabei unverändert.

Lange Antennenkabel zwischen Antenne und WLAN-Empfangs-/Sendeeinheit führen wiederum zu Verlusten – man spricht von Dämpfung. Je länger das Kabel ist, desto größer ist die resultierende Dämpfung. Diesem Problem lässt sich durch den Einsatz einer aktiven Richtantenne begegnen. Hier befindet sich die Sende- und Empfangselektronik sowie entsprechende Elektronik, die die aufbereiteten Daten an einem genormten Anschluss für die Verbindung zum Computer bereitstellt, in unmittelbarer Nähe bzw. direkt am Antennenelement. Durch eine sehr kurze Innenverkabelung mit vernachlässigbaren Verlisten entfällt die durch lange Antennenkabel und dazugehörige Steckverbindungen entstehende Dämpfung.

Das gesamte WLAN-Antennenmodul besitzt daher nur ein Daten- und kein Antennenkabel und kann damit direkt an eine passende Schnittstelle des Computers angeschlossen werden. Bei Verwendung eines USB-Anschlusses (der fast ausschließlich verwendeten Schnittstelle für aktive WLAN-Antennen) kann die Kabellänge problemlos 5 Meter und mehr betragen. Mit entsprechenden Verstärkerelementen können Kabellängen bis zu 45 Meter realisiert werden.

Richtantennen müssen jedoch relativ genau platziert und in Richtung der Gegenstation ausgerichtet werden. Nur dann kann eine optimale Verbindung gewährleistet werden.

Bei zunehmender Mobilität nutzen mehr und mehr Menschen mobile Computer (Laptops/Notebooks/Palmtops etc.) und möchten dabei uneingeschränkt Zugang zum Internet und damit verbundenen Diensten haben. Geräte mit eingebautem WLAN-Adapter ermöglichen dies, in vielen Situationen kann jedoch keine sichere oder nur eine sehr langsame Verbindung hergestellt werden, da die eingebauten Antenneneinheiten aus Platzgründen in Ihrer Größe und damit auch in Ihrer Leistungsfähigkeit beschränkt sind. Zusätzlich sind WLAN-Knoten oft ungünstig platziert und in Ihrem direkten Umfeld – z.B. in einem Café – nicht an jeder Stelle gleich gut zu empfangen

In solchen Fällen können aktive WLAN-Richtantennensysteme auch unter widrigen Umständen (große Entfernung zum nächsten Einwahlknoten, Hindernisse zwischen Laptop und Einwahlknoten etc.) eine sichere und schnelle Verbindung gewährleisten. Hierbei ist es aber essentiell, dass die Antenne schnell, sicher und weitestgehend stabil befestigt sowie einfach und ohne großen Aufwand ausgerichtet werden kann. Zudem muss das verwendete Gerät kompakte Abmessungen und möglichst geringes Gewicht besitzen.

Bei annährend allen aktiven Richtantennen auf dem Markt sind Justierung und Ausrichtung aufwendig und oft nur mit Werkzeug durchzuführen. Durch den hohen Antennengewinn ist die Abstrahlleistung an der Antenne (EIRP) zudem meist höher als der in Deutschland zugelassene Grenzwert von 100 mW (20dBm).

Die Schrift DE 20 2007000346.3 beschreibt eine Aktive USB WLAN-Richtantenne in einem Modulgehäuse, die eine Befestigungs- und Ausrichtungseinheit bestehend aus einem flexiblen Schwanenhals und Saugnapf-Fuß besitzt. Mit dieser Einheit kann die Antenne schnell befestigt und leicht justiert werden. Durch die Möglichkeit, die Sendeleistung elektronisch zu drosseln, ist der Betrieb in Deutschland zulässig.

Ein mobiler Einsatz ist bei diesem Gerät möglich, wegen den Abmessungen und dem größeren Gewicht der Einheit jedoch eingeschränkt und hauptsächlich dem Einsatz in KFZs oder in Gebäuden vorbehalten. Ein Mitführen des Gerätes z.B. in einer Laptop-Tasche ist kaum möglich.

Das Ziel ist daher, eine aktive USB WLAN-Richtantenne mit sehr kompakten Abmessungen zu konstruieren, die für den mobilen Einsatz insbesondere an Notebooks optimiert ist. Dennoch sollte sie sich leicht ausrichten lassen und ähnlich leistungsstark wie das in Schrift DE 20 2007000346.3 beschriebene Gerät sein. Die Sendeleistung sollte ebenfalls regulierbar sein, um die Ausgangsleistung an die gesetzlichen Grenzwerte im jeweiligen Land anzupassen.

Die vorgestellte Erfindung kombiniert einen USB WLAN-Adapter aktuellen Standards – z.B. nach IEEE 802.11g – mit einem speziell gefertigten Richtantennenelement in einem kompakten Gehäuse, an dem ein flexibler Schwanenhals mit endständigem USB-Stecker befestigt ist. Diese Gesamtheit wird im folgenden, u.A. in den Schutzansprüchen, auch als Modul bezeichnet.

Viele handelsübliche aktive USB WLAN-Richtantennen sind nur begrenzt für den mobilen Einsatz geeignet. Dies liegt einerseits an der Notwendigkeit, eine Richtantenne auf die Gegenstation mehr oder minder genau auszurichten. Die Mehrzahl der verfügbaren Geräte besitzt recht aufwendige und nur mit Werkzeug zu handhabende Montage- und Ausrichtungseinheiten, in jedem Fall sind diese aber verhältnismäßig groß und schwer. Weiterhin sind die verwendeten Gehäuse der Aktivantennen oft sperrig, zudem sind die Geräte durch lange USB-Anschlusskabel unpraktisch in der Handhabung Diese Probleme werden dadurch gelöst, dass durch Schutzanspruch 1 Datenverbindung, Montage- und Ausrichtungseinheit in einer Struktur zusammengefasst sind. Das kompakte und flexible Schwanenhalselement mit USB-Stecker dient zuerst einmal zur Fixierung der Erfindung am PC/Notebook. Durch Schutzanspruch 3 wird hierbei sichergestellt, dass der Schwanenhals bei verbundenem USB-Stecker stabil und tragfähig genug ist, das Gehäuse mit der eigentlichen Richtantenne in Position zu halten. Schliesslich ermöglicht Schutzanspruch 2 auch die für eine mobile Richtantenne essentielle Ausrichtung auf die Gegenstation, die schnell und ohne Werkzeug durch Biegen des Schwanenhalselementes in die gewünschte Position erzielt werden kann.

Aktive USB WLAN-Richtantennen verletzen durch den hohen Gewinn des eingesetzten Antennenelements oft die geltenden Vorschriften in Bezug auf die maximal zulässige Abstrahlleistung an der Antenne (EIRP). Beim mobilen Einsatz – insbesondere über die Landesgrenzen hinaus – stellt sich zusätzlich das Problem unterschiedlicher Grenzwerte in unterschiedlichen Ländern.

Durch Einsatz der in Schutzanspruch 4 bezeichneten Elektronik lässt sich diese Problem lösen. Durch eine elektronische Drosselung der Sendeleistung auf einen vom Benutzer per Software einstellbaren Wert kann die Abstrahlleistung in den zugelassenen Bereich gebracht werden. Dabei wird selbst bei Drosselung der Sendeleistung durch die verbesserten Abstrahleigenschaften des in Schutzanspruch 5 bis 12 näher bezeichneten Richtantennenelements die Verbindungs-Reichweite bzw. Übertragungsgeschwindigkeit des Gerätes im Vergleich zu handelsüblichen WLAN-Adaptern deutlich erhöht. In Ländern mit höheren Grenzwerten als Deutschland können durch das einfache Hochfahren der Sendeleistung nochmals größere Verbindungs-Reichweiten bzw. höhere Übertragungsgeschwindigkeiten realisiert werden, was für den flexiblen Einsatz in verschiedenen Lindern essentiell ist.

Alternativ kann eine nicht regelbare Elektronik mit festem Sendeleistungswert eingesetzt werden, die sich für den Einsatz in Ländern mit entsprechenden Grenzwerten eignet.

Das in Schutzanspruch 5 bis 12 näher bezeichnete Richtantennenelement bündelt die Strahlen mit einem Reflektorblech ähnlich einem Scheinwerfer horizontal und vertikal in Wirkrichtung. Dadurch lässt sich bei korrekter Ausrichtung eine Verbindung auch über große Entfernungen realisieren bzw. die Qualität der Verbindung deutlich erhöhen, woraus eine erhöhte Datentransferrate resultiert. Essentiell ist dabei, dass wie in Schutzanspruch 5 beschrieben die Gesamtlänge des Drahtes, aus dem das eigentliche Antennenelement gefertigt ist, der verwendeten Wellenlänge &lgr; oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht. Das Antennenelement kann z.B. in der Form von eines Quadrates (Quad), einem Ring (Loop) oder einer anderen in Bezug auf die Abstrahlcharakteristika günstigen Form eingesetzt werden.

Beim Einsatz von aktiven USB WLAN-Richtantennen ist der genaue Abstand zwischen Antennenelement und Reflektorblech entscheidend für die gewünschten guten Sende- und Empfangseigenschaften. Durch den in Schutzanspruch 6 erwähnten Abstand werden ideale Abstrahlparameter realisiert. Dieser Abstand muss exakt eingestellt werden und auch konstant blieben, daher müssen Antennenelement und Reflektorblech dauerhaft und sicher fixiert werden. Nach Möglichkeit sollte aber auf Abstandshalter verzichtet werden, da diese das Gewicht der Erfindung erhöhen, was für den mobilen Einsatz hinderlich ist. Durch die in Schutzanspruch 7 beschriebene Fixierung wird auf zusätzliche Bauteile verzichtet, dennoch ist eine sichere Befestigung und dadurch ein konstanter Abstand zwischen Antennenelement und Reflektor gewährleistet.

Die kompakte Bausweise der Erfindung ist essentiell für den mobilen Einsatz. Daher muss die Innenarchitektur des Moduls für optimale Leistung auf kleinstem Raum ausgelegt sein. Durch Schutzanspruch 8 kann der verwendete WLAN-Sender/Empfänger exakt in das Modulgehäuse unterhalb des Reflektorbleches eingepasst und zusätzlich fixiert sowie die notwendige Innenverkabelungen (Verbindung von Antennenelement und Elektronik) vorgenommen werden.

Zusätzlich wird dabei durch Schutzanspruch 9 sichergestellt, dass eventuell entstehende Abwärme der Elektronik gleichmässig an das Reflektorblech abgegeben wird, welches somit gleichzeitig als Kühlkörper fungiert. Dies verhindert eine Überhitzung der Elektronik und gewährleistet einwandfreie Funktion auch bei hohen Umgebungstemperaturen.

Bei der Konstruktion von HF-Antennen stellen jegliche Antennenkabel ein Problem dar, da durch die auftretende Dämpfung des Kabels der Antennengewinn wieder reduziert wird. Dennoch darf die Innenverkabelung nicht zu kurz sein, da das Kabel sonst möglicherweise stark geknickt innerhalb des Gehäuses verläuft. Diese Belastungen des Kabels können dessen Lebensdauer verringern. Durch die in Schutzanspruch 10 beschriebene Kabelkonfiguration werden nur geringe Verluste erreicht, gleichzeitig wird die in Schutzanspruch 11 beschriebene schonende Kabelführung ermöglicht. Die Verbindung von HF-Antennenkabel und Antennenelement muss dabei für einwandfreie Funktion der Richtantenne wie in Schutzanspruch 12 beschrieben erfolgen.

Um die beschriebene Aktiv-Richtantenne in größeren Stückzahlen herstellen zu können, ist es von großer Bedeutung, möglichst alle Teile industriell fertigen zu können und das Modul in wenigen Arbeitsschritten aus wenigen Einzelteilen zu konstruieren. Daher ist es sinnvoll, das flexible Schwanenhalselement durch die in Schutzanspruch 14 erwähnte Einheit zu realisieren. Diese handelsübliche USB-Verlängerung mit Schwanenhals besitzt bei der in Schutzanspruch 15 beschriebenen Länge gute Flexibilität und ist dennoch in der Lage, das Modulgehäuse mit der eigentlichen Richtantenne zu tragen. Durch die in Schutzanspruch 13 beschriebene Positionierung des USB-Anschlusses des eingebauten WLAN-Senders/Empfängers kann das Schwanenhalselement mit einem Handgriff am Modulgehäuse befestigt werden. Dies ist auch für die Fertigung großer Stückzahlen wichtig. Die in Schutzanspruch 16 beschriebene Fixierung gewährleistet zusätzlich eine dauerhafte und stabile Verbindung. Diese Lötverbindung kann wahlweise auch unterbleiben, was es ermöglicht, Modulgehäuse und Schwanenhalselement voneinander zu trennen und z.B. in einer Laptop-Tasche noch leichter und ggf. getrennt zu verstauen.

Das in Schutzanspruch 17 beschriebene kompakte Gehäuse nimmt die Elektronik sowie die Antenneneinheit mit ihren Bestandteilen auf und wird nach Abschluss der Montage mit Klebstoff verschlossen, was zusätzliche Stabilität gewährleistet. Die Verwendung eines Gehäuses aus 2 Halbschalen erlaubt einen einfachen und übersichtlichen Fertigungsprozess. Das gewählte Gehäusematerial (Plastik) dämpft die Abstrahlleistung praktisch nicht und ist gleichzeitig leicht und stabil.

Neu an der vorgestellten Erfindung ist zusammenfassend die Kombination eines handelsüblichen, in der Sendeleistung regelbaren USB WLAN-Adapters – z.B. nach IEEE 802.11g – mit einem speziell gefertigten Richtantennenelement in einem kompakten Gehäuse mit sehr geringem Gewicht und Abmessungen – an diesem befestigt ist dabei ein flexibles Schwanenhalselement mit USB-Stecker, dass gleichzeitig sowohl zur Verbindung der Aktiv-Richtantenne mit dem PC als auch zur Fixierung und Ausrichtung des Modulgehäuses dient.

Einsatz und Konzeption der beschriebenen Erfindung sind in den unter Punkt 6 aufgeführten 1-9 dargestellt.

Es zeigen:

1: Das Modul, bestehend aus Gehäuse (1) und dem daran mittels der USB-Buchse (3) befestigten flexiblen Schwanenhalselement (2) mit endständigem USB-Stecker (4).

Die Erfindung ist perspektivisch von der Seite dargestellt, das Schwanenhalselement ist hier in ganzer Länge und gebogen gezeigt.

2: Das Modul, bestehend aus Gehäuse (1) und dem daran mittels der USB-Buchse (3) befestigten flexiblen Schwanenhalselement (2). H1 und B1 entsprechen Höhe und Breite des Gehäuses und können z.B. 63 mm und 21 mm betragen.

Die Erfindung ist mit Blick auf die kurze Seite des Gehäuses (1) dargestellt.

3: Das Modul, bestehend aus Gehäuse (1) und dem daran mittels der USB-Buchse (3) befestigten flexiblen Schwanenhalselement (2). L1 und H1 entsprechen Länge und Höhe des Gehäuses und können z.B. 60 mm und 63 mm betragen.

Die Erfindung ist mit Blick auf die lange Seite des Gehäuses (1) dargestellt.

4: Das Reflektorblech (5) mit der Aussparung (10) für den USB-Anschluss des WLAN-Senders/Empfängers sowie der Aussparung (11) für das HF-Antennenkabel. L2 und B2 entsprechen Länge und Breite des Reflektorbleches und können z.B. 55 mm und 54 mm betragen. L3 und B3 entsprechen Länge und Breite der Aussparung für den USB-Anschluss und können z.B. 5 mm und 13 mm betragen. L4 und B4 entsprechen Länge und Breite der Aussparung für das HF-Antennenkabel und können z.B. 4 mm und 35 mm betragen. Das Reflektorblech ist von oben dargestellt.

5: Das Antennenelement (12) in Quad-Bauweise. L1 und H1 entsprechen dem Längs- und Querdurchmesser des Antennenelements und können z.B. 45 mm und 45 mm betragen. Das Antennenelement ist von oben betrachtet dargestellt.

6: die Verbindung von HF-Antennenkabel (6) und Antennenelement (12) im Detail. Die Abschirmung (7) des Kabels ist mit dem einen Ende des Antennenelements (12a), der Innenleiter (9) des Kabels mit dem anderen Ende des Antennenelements (12b) verlötet.

Die Verbindungsstelle ist von oben betrachtet dargestellt.

7: das verwendete HF-Antennenkabel (6) im Detail. Zu sehen ist die Abschirmung (7) des Kabels, der Innenleiter (9) sowie die Ummantlung des Innenleiters (8). L5 ist die Länge des verwendeten Kabels, die z.B. 60 mm betragen kann.

Das Kabel ist von oben betrachtet dargestellt.

8: das Reflektorblech (5) mit darunter befestigtem, hier schraffiert dargestelltem WLAN-Sender/Empfänger mit USB-Anschluss (13) in eingebautem Zustand im geöffneten Gehäuse (1). Der WLAN-Sender/Empfänger mit USB-Anschluss (13) ist auf der Unterseite des Reflektorbleches (5) montiert. Der USB-Stecker (14) am linken Ende des WLAN-Senders/Empfängers mit USB-Anschluss (13) liegt in der dafür vorgesehenen Aussparung (10) im Reflektorblech (5).

Auf den USB-Stecker (14) wird später die USB-Buchse (3) des flexiblen Schwanenhals-Elements (2) aufgesteckt und durch eine Lötverbindung fixiert.

Am rechten Ende des WLAN-Senders/Empfängers mit USB-Anschluss (13) ist das HF-Antennenkabel (6) befestigt; zu sehen ist auch die Aussparung (11) im Reflektorblech, durch die das HF-Antennenkabel (6) bei geschlossenem Gehäuse auf die Oberseite des Reflektorbleches (5) zum hier nicht dargestellten Antennenelement geführt wird.

Die Elemente sind von oben betrachtet dargestellt.

9: das Reflektorblech mit darunter befestigtem WLAN-Sender/Empfänger mit USB-Anschluss (13) in eingebautem Zustand im geöffneten Gehäuse (1). Das Reflektorblech (5) liegt der Abschirmung (15) des WLAN-Senders/Empfängers mit USB-Anschluss (13) direkt auf.

Die Elemente sind von der Seite dargestellt.

1

Gehäuse

2

Flexibles Schwanenhals-Element

3

USB-Buchse (des flexiblen Schwanenhals-Elements)

4

USB-Stecker (des flexiblen Schwanenhals-Elements)

5

Reflektorblech

6

HF-Antennenkabel

7

Abschirmung (des HF-Antennenkabels)

8

Ummantlung des Innenleiters (des HF-Antennenkabels)

9

Innenleiter (des HF-Antennenkabels)

10

Aussparung (im Reflektorblech)

11

Aussparung (im Reflektorblech)

12

Antennenelement

13

WLAN-Sender/Empfänger mit USB-Anschluss

14

USB-Stecker (des WLAN-Senders/Empfängers mit USB-Anschluss)

15

Abschirmung (des WLAN-Senders/Empfängers mit USB-Anschluss)