PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE602004005687T2 27.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001609208
Titel PHASENGESTEUERTES GRUPPENANTENNENSYSTEM MIT VARIABLER ELEKTRISCHER NEIGUNG
Anmelder Quintel Technology Ltd., London, GB
Erfinder HASKELL, Philip Edward, Gosport, Hants, GB
Vertreter BEETZ & PARTNER Patentanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 602004005687
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 25.03.2004
EP-Aktenzeichen 047232384
WO-Anmeldetag 25.03.2004
PCT-Aktenzeichen PCT/GB2004/001297
WO-Veröffentlichungsnummer 2004088790
WO-Veröffentlichungsdatum 14.10.2004
EP-Offenlegungsdatum 28.12.2005
EP date of grant 04.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse H01Q 1/24(2006.01)A, F, I, 20070306, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01Q 3/36(2006.01)A, L, I, 20070306, B, H, EP   H04Q 7/36(2006.01)A, L, I, 20070306, B, H, EP   H01Q 25/00(2006.01)A, L, I, 20070306, B, H, EP   H01Q 3/40(2006.01)A, L, I, 20070306, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein phasengesteuertes Gruppenantennensystem mit variabler elektrischer Neigung. Das Antennensystem ist für die Verwendung in vielen Kommunikationssystemen geeignet, findet aber besonders Anwendung in zellulären Mobilfunknetzen, die herkömmlich als Mobiltelefonnetze bezeichnet werden. Insbesondere, aber ohne Begrenzung hierauf, kann das Antennensystem nach der Erfindung in Mobiltelefonnetzen der zweiten Generation (2G), wie etwa im GSM-System, und in Mobiltelefonnetzen der dritten Generation (3G), wie etwa im Universellen Mobiltelefonsystem (UMTS, Universal Mobile Telephone System), verwendet werden.

Betreiber von zellulären Mobilfunknetzwerken setzen im allgemeinen ihre eigenen Basisstationen ein, von denen jede wenigstens eine Antenne hat. In einem zellulären Mobilfunknetz sind die Antennen ein primärer Faktor bei beim Definieren eines Sendegebietes, in dem die Kommunikation mit der Basisstation stattfinden kann. Das Sendegebiet wird im allgemeinen in eine Anzahl von überlappenden Zellen aufgeteilt, von denen jede einer entsprechenden Antenne und Basisstation zugeordnet ist.

Jede Zelle enthält eine Basisstation zur Kommunikation mit allen mobilen Funkstationen in dieser Zelle. Die Basisstationen sind durch andere Kommunikationseinrichtungen miteinander verbunden, gewöhnlich durch feste terrestrische Leitungsverbindungen, die in einem Netz oder einer Maschenstruktur angeordnet sind, was es den mobilen Funkstationen ermöglicht, überall im Sendegebiet der Zelle miteinander zu kommunizieren, wie auch mit dem öffentlichen Telefonnetz außerhalb des zellulären Mobilfunknetzes.

Zelluläre Mobilfunknetze, die phasengesteuerte Antennengruppen verwenden, sind bekannt: eine solche Antenne umfasst eine Gruppe (gewöhnlich acht oder mehr) von Einzelantennenelementen, wie etwa Dipolantennen oder Patch-Antennen. Die Antenne hat eine Strahlungscharakteristik, die eine Hauptkeule und Nebenkeulen enthält. Das Zentrum der Hauptkeule ist die Richtung mit maximaler Empfindlichkeit der Antenne im Empfangsmodus und die Richtung ihres abgestrahlten Hauptrichtstrahls im Sendemodus. Es ist eine wohlbekannte Eigenschaft einer phasengesteuerten Antennengruppe, dass, wenn Signale, die von den Antennenelementen empfangen werden, mit einer Verzögerung verzögert werden, die mit die mit dem Abstand der Elemente von einem Ende der Gruppe variiert, der Hauptrichtstrahl der Antenne in Richtung der ansteigenden Verzögerung gelenkt wird. Der Winkel zwischen den Zentren von Hauptrichtstrahlen, die Nullvariation und Variation ungleich Null der Verzögerung entsprechen, das heißt, der Neigungswinkel, hängt vom Maß der Verzögerungsänderung über dem Weg entlang der Gruppe ab.

Die Verzögerung kann äquivalent durch Veränderung der Signalphase realisiert werden, daher der Ausdruck phasengesteuerte Gruppe. Der Hauptrichtstrahl der Antennenanordnung kann daher durch Einstellen der Phasenbeziehung zwischen Signalen verändert werden, die in die Antennenelemente gespeist werden. Dies ermöglicht, den Strahl zu lenken, um den Sendebereich der Antenne zu modifizieren.

Betreiber von phasengesteuerten Antennengruppen in zellulären Mobilfunknetzen haben einen Bedarf, die vertikale Richtcharakteristik ihrer Antennen einzustellen, das heißt den Querschnitt der Richtcharakteristik in der vertikalen Ebene. Dies ist erforderlich, um den vertikalen Winkel des Hauptrichtstrahls der Antenne zu verändern, auch als die „Neigung" bekannt, um das Sendegebiet der Antenne einzustellen. Eine solche Einstellung kann z. B. erforderlich sein, um Änderungen der Struktur des zellulären Netzes oder der Anzahl von Basisstationen oder Antennen zu kompensieren. Die mechanische und elektrische Einstellung des Neigungswinkels der Antenne sind bekannt, sowohl einzeln, als auch in Kombination.

Der Neigungswinkel der Antenne kann mechanisch eingestellt werden, indem die Antennenelemente oder ihr Gehäuse (Radom) bewegt werden: dies wird Einstellen des Winkels der „mechanischen Neigung" genannt. Wie zuvor beschrieben kann der Neigungswinkel der Antenne elektrisch eingestellt werden, indem die Zeitverzögerung oder Phase von Signalen verändert wird, die in alle Antennenelemente der Gruppe (oder jede Gruppe von Elementen) ohne physikalische Bewegung eingespeist werden oder von ihnen empfangen werden: dies wird Einstellen des „elektrischen Neigungswinkels" genannt.

Wenn sie in einem zellulären Mobilfunknetz verwendet wird, unterliegt die vertikale Richtcharakteristik (VRP, Vertical Radiation Pattern) einer phasengesteuerten Antennengruppe einer Anzahl von bedeutenden Anforderungen:

  • 1. Hoher Antennengewinn in Wirkrichtung;
  • 2. eine erste obere Nebenkeule, die ausreichend gering ist, um Störung von mobilen Stationen zu vermeiden, die eine Basisstation in einem anderen Netzwerk verwenden;
  • 3. eine erste untere Nebenkeule, die ausreichend groß ist, um Kommunikation in der unmittelbaren Nähe der Antenne zu ermöglichen.

Die Anforderungen stehen gegenseitig miteinander in Konflikt, z. B. erhöht die Steigerung des Antennengewinns in Wirkrichtung die Ausprägung der Nebenkeulen. Für einen Wert für die erste obere Nebenkeule von –18 dB bzgl. des Wertes in Wirkrichtung wurde gefunden, dass dieser einen günstigen Kompromiss für die Leistung des Gesamtsystems bietet.

Die Wirkung des Einstellens entweder des mechanischen Neigungswinkels oder des elektrischen Neigungswinkels dient dazu, die Wirkrichtung neu zu positionieren, sodass sie für eine Gruppe, die in einer vertikalen Ebene liegt, entweder über oder unter die Ebene der Horizontalen zeigt, und folglich das Sendegebiet der Antenne verändert. Es ist wünschenswert, die mechanische Neigung als auch die elektrische Neigung der Antenne einer zellulären Funkbasisstation variieren zu können: dies ermöglicht maximale Flexibilität bei der Optimierung des Sendegebiets der Zelle, da diese Formen der Neigung verschiedene Effekte auf das Sendegebiet am Boden und auch auf andere Antennen in unmittelbarer Nähe der Station haben. Außerdem wird die Effizienz des Betriebs verbessert, wenn der elektrische Neigungswinkel von der Antenne entfernt eingestellt werden kann. Während der mechanische Neigungswinkel der Antenne durch Neupositionierung ihres Radoms eingestellt werden kann, erfordert die Veränderung ihres elektrischen Neigungswinkels zusätzliche Schaltkreise, die die Kosten und die Komplexität der Antenne erhöhen. Wenn darüber hinaus eine einzelne Antenne von mehreren Betreibern gemeinsam verwendet wird, ist es vorteilhaft, verschiedene elektrische Neigungswinkel für jeden Betreiber bereitzustellen.

Die Forderung nach einem individuellen elektrischen Neigungswinkel einer gemeinsamen Antenne hat bisher zu Kompromissen bei der Leistungsfähigkeit der Antenne geführt. Der Antennengewinn in Wirkrichtung sinkt proportional zum Kosinus des Neigungswinkels wegen einer Verringerung der effektiven Apertur der Antenne (dies ist unvermeidlich und geschieht bei allen Antennenauslegungen). Weitere Verringerungen des Antennengewinns in Wirkrichtung können sich als Konsequenz des Verfahrens ergeben, das verwendet wird, um den Neigungswinkel zu verändern.

R. C. Johnson, Antenna Engineers Handbook, 3rd Ed 1993, Mc Graw Hill, ISBN 0-07-032381-X, Ch 20, 20-2 veröffentlicht ein bekanntes Verfahren zur lokalen oder ferngesteuerten Einstellung eines elektrischen Neigungswinkels einer phasengesteuerten Gruppenantenne. Bei diesem Verfahren wird ein Hochfrequenz (RF, Radio Frequency)-Trägersignal eines Senders in die Antenne gespeist und auf die abstrahlenden Elemente der Antenne verteilt. Jedem Antennenelement ist ein entsprechender Phasenschieber zugeordnet, sodass die Signalphase als Funktion des Abstands entlang der Antenne eingestellt werden kann, um den Winkel der elektrischen Neigung der Antenne zu variieren. Die Verteilung von Leistung an die einzelnen Elemente wird, wenn die Antenne nicht geneigt ist, derart durchgeführt, dass die Ausprägung der Nebenkeulen und der Antennengewinn in Wirkrichtung eingestellt werden. Die optimale Steuerung des Neigungswinkels erhält man, wenn die Wellenfront für alle Neigungswinkel derart gesteuert wird, dass die Ausprägung der Nebenkeulen über den Bereich der Neigung nicht erhöht wird. Der Winkel der elektrischen Neigung kann mit einem Servo-Mechanismus, der die Phasenschieber steuert, ferngesteuert eingestellt werden, wenn erforderlich.

Diese Antenne nach einem Verfahren nach dem Stand der Technik hat eine Anzahl von Nachteilen. Für jedes Antennenelement ist ein Phasenschieber erforderlich. Die Kosten der Antenne sind wegen der Anzahl der erforderlichen Phasenschieber hoch. Kostenreduktion, indem Verzögerungseinrichtungen auf Gruppen von Antennenelementen statt auf einzelne Elemente angewendet werden, erhöht die Ausprägung der Nebenkeule. Mechanische Kopplung von Verzögerungseinrichtungen wird verwendet, um Verzögerungen einzustellen, es ist jedoch schwierig, dies richtig auszuführen, darüber hinaus sind mechanische Verbindungen und Mechanismen erforderlich, was zu einer nicht-optimalen Verteilung von Verzögerungen führt. Die Ausprägung der oberen Nebenkeule steigt, wenn die Antenne nach unten geneigt wird, was folglich eine potenzielle Quelle für Störungen von mobilen Stationen, die andere Basisstationen verwenden, entstehen lässt. Wenn die Antenne von mehreren Betreibern geteilt wird, haben die Betreiber einen gemeinsamen elektrischen Neigungswinkel statt verschiedener Winkel. Wenn schließlich die Antenne in einem Kommunikationssystem verwendet wird, das (wie e s üblich ist) die Verbindung stromaufwärts und die Verbindung stromabwärts auf verschiedenen Frequenzen betreibt (Frequenzmultiplex-Duplexsystem), ist der elektrische Neigungswinkel beim Senden von dem beim Empfangen verschieden.

Die internationalen Patentanmeldungen mit den Nummern WO 03/36756 und WO 03/43127 beschreiben das lokale oder ferngesteuerte Einstellen des elektrischen Neigungswinkels einer Antenne durch eine Phasendifferenz zwischen einem Paar von Speisesignalen, die mit der Antenne verbunden sind. Die internationale Patentanmeldungsnummer WO 01/29926 veröffentlicht eine Antenne, die mit mobilen Kommunikationseinrichtungen kommuniziert.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Form von phasengesteuerten Gruppenantennensystem zu schaffen.

Die vorliegende Erfindung schafft ein phasengesteuertes Gruppenantennensystem mit variabler elektrischer Neigung und enthält eine Gruppe von Antennenelementen, einen Aufteiler zum Aufteilen eines Hochfrequenz (RF, Radio Frequency)-Trägersignals in ein erstes und ein zweites Signal und einen variablen Phasenschieber zum Einbringen einer variablen relativen Phasenverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Signal, dadurch gekennzeichnet, dass das System folgendes umfasst:

  • a) einen Phase-in-Leistung-Wandler zum Wandeln des ersten und zweiten relativ zueinander phasenverschobenen Signals in Signale, deren Leistungen eine Funktion der relativen Phasenverschiebung sind,
  • b) einen ersten und einen zweiten Leistungsaufteiler zum Aufteilen der gewandelten Signale in wenigstens zwei Sätze von aufgeteilten Signalen, wobei die Gesamtanzahl von aufgeteilten Signalen in den Sätzen wenigstens gleich der Anzahl von Antennenelementen in der Gruppe ist,
  • c) zwei Leistung-in-Phase-Wandler zum Überlagern von Paaren von aufgeteilten Signalen aus verschiedenen Leistungsaufteilern, um Anteile mit Vektorsumme und -differenz mit geeigneter Phase für die Versorgung von entsprechenden Paaren von einzelnen Elementen zu erzeugen, die in gleichen Abständen bezüglich einem Antennenzentrum angeordnet sind.

In ihren verschiedenen Ausführungen kann die Erfindung dazu eingerichtet werden, eine Vielzahl von Vorteilen zu bieten, im Einzelnen:

  • a) erfordert sie nur einen Phasenschieber oder eine Zeitverzögerungseinrichtung pro Betreiber, um den elektrischen Neigungswinkel einzustellen;
  • b) kann sie einen guten Grad an Unterdrückung der Nebenkeule bieten;
  • c) hat sie eine kontrollierte Ausprägung der oberen Nebenkeule, wenn sie nach unten geneigt wird,
  • d) kann sie verschiedene Neigungswinkel für verschiedene Betreiber bereitstellen, wenn sie als gemeinsame Antenne verwendet wird;
  • e) kann sie entweder lokale oder fernbediente Steuerung des elektrischen Neigungswinkels bieten;
  • f) kann sie mit geringeren Kosten realisiert werden als zeitgenössische Antennen mit ähnlichem Leistungsgrad; und
  • g) sie kann einen elektrischen Neigungswinkel bei allen Sendefrequenzen aufweisen, der entweder derselbe wie der elektrische Neigungswinkel bei Empfangsfrequenzen oder davon verschieden ist, je nach Wahl des Betreibers.

Das System nach der Erfindung kann eine ungerade Anzahl von Antennenelementen haben, die ein zentrales Antennenelement umfassen, das zentral zu jedem gleich weit entfernten Paar von Antennenelementen angeordnet ist. Es kann einen dritten Leistungsaufteiler umfassen, der zwischen dem Phase-in-Leistung-Wandler und einem der ersten und zweiten Leistungsaufteiler angeschlossen ist, und dazu eingerichtet ist, einen Anteil der Leistung von dem Phase-in-Leistung-Wandler zu dem Zentralelement umzuleiten.

Der Phase-in-Leistung- und der Leistung-in-Phase-Wandler können Kombinationen von Phasenschiebern und 90- oder 180-Grad-Hybridkopplern sein. Der Aufteiler, Phasenschieber, Phase-in-Leistung- und die Leistung-in-Phase-Wandler und Leistungsaufteiler können zusammen mit der Gruppe von Antennenelementen als eine Antennenbaugruppe angeordnet werden, und die Antennenbaugruppe kann eine einzelne Speiseleitung mit Hochfrequenzeingangsleistung aus einer entfernten Quelle haben.

Der Aufteiler und der Phasenschieber können alternativ entfernt von den Phase-in-Leistung- und Leistung-in-Phase-Wandlern, den Leistungsaufteilern und der Gruppe von Antennenelementen, die zusammen als eine Antennenbaugruppe angeordnet sind, angeordnet sein, und die Baugruppe kann eine doppelte Speiseleitung mit Hochfrequenzeingangsleistung aus einer entfernten Quelle haben. Sie können für die Verwendung zum Variieren des elektrischen Neigungswinkels durch einen Betreiber zusammen mit der entfernten Quelle angeordnet sein.

Das System kann Duplexgeräte enthalten, um durchlaufende Signale von verschiedenen Betreibern, die das Gruppenantennensystem gemeinsam verwenden, zu überlagern oder Signale, die zu verschiedenen Betreibern durchlaufen, aufzuteilen. Die Leistungsaufteiler können dazu eingerichtet sein, bezüglich der Antennenelemente dafür zu sorgen, dass sie Ansteuerspannungen empfangen, die von einem Maximum im Zentrum der Antennengruppe zu einem Minimum an den Enden der Gruppe abfallen.

Ein Leistungsaufteiler kann dazu eingerichtet sein, einen Satz von Spannungen zu liefern, die von einem Minimum bis zu einem Maximum ansteigen, die jeweils dem Zentrum der Antennengruppe beziehungsweise ihren Enden zugeordnet sind, die dazu geeignet sind, eine progressive Wellenfront entlang der Antennengruppe aufzubauen, wobei die Wellenfront im wesentlichen linear ist, wenn ein Neigungswinkel in einem Arbeitsbereich der Neigung erhöht wird, wie es für einen akzeptablen Antennengewinn in Wirkrichtung und Unterdrükkung von Nebenkeulen erforderlich ist.

In einem alternativen Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung von variabler elektrischer Neigung in einem phasengesteuerten Gruppenantennensystem, das eine Gruppe von Antennenelementen aufweist, wobei das Verfahren das Aufteilen eines Hochfrequenz-Trägersignals in ein erstes und ein zweites Signal und das Einbringen einer variablen relativen Phasenverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Signal enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgendes umfasst:

  • a) Wandeln der relativ phasenverschobenen ersten und zweiten Signale in Signale, deren Leistung eine Funktion der relativen Phasenverschiebung ist,
  • b) Verwenden von Leistungsaufteilern, um die gewandelten Signale in wenigstens zwei Sätze von aufgeteilten Signalen aufzuteilen, wobei die Gesamtanzahl von aufgeteilten Signalen in den Sätzen wenigstens gleich der Anzahl von Antennenelementen in der Gruppe ist,
  • c) Überlagern von Paaren von aufgeteilten Signalen aus verschiedenen Leistungsaufteilern, um Anteile mit Vektorsumme und -differenz mit geeigneter Phase bereitzustellen und die Anteile an entsprechende Paare von Antennenelementen zu liefern, die bezüglich einem Zentrum der Gruppe in gleichen Abständen angeordnet sind.

Die Antenne kann eine ungerade Anzahl von Antennenelementen (E0 bis E7L) haben, einschließlich eines zentralen Antennenelementes (E0), das zentral zu jedem Paar von gleich weit entfernten Antennenelementen angeordnet ist. Das phasengesteuerte Gruppenantennensystem kann einem dritten Leistungsaufteiler enthalten, der angeschlossen ist, um eines der Signale zu empfangen, deren Leistung eine Funktion der relativen Phasenverschiebung ist, und das Verfahren umfasst die Verwendung eines solchen Aufteilers, um einen Teil der Leistung in einem solchen Signal zu dem zentralen Antennenelement umzuleiten.

Das Wandeln der relativ phasenverschobenen ersten und zweiten Signale und die Überlagerung von Paaren von aufgeteilten Signalen kann jeweils mit Phase-in-Leistung- und Leistung-in-Phase-Wandlern realisiert werden, die 90- oder 180-Grad-Hybridkoppler enthalten.

Die Schritte a) bis e) des Verfahrens können mit Komponenten realisiert werden, die zusammen mit der Gruppe von Antennenelementen angeordnet sind, die eine Antennenbaugruppe mit Eingangssignal aus einer einzelnen Speiseleitung mit Hochfrequenzleistung aus einer entfernten Quelle bilden. Alternativ können die Schritte a) und b) mit Komponenten realisiert werden, die von der Gruppe von Antennenelementen entfernt angeordnet sind, wobei die Schritte c) bis e) mit Komponenten realisiert werden, die zusammen mit der Gruppe angeordnet sind und damit eine Antennenbaugruppe bilden, die eine doppelte Speiseleitung mit Hochfrequenzleistung aus einer entfernten Quelle hat. Schritt b) kann das Variieren der relativen Phasenverschiebung umfassen, um den elektrischen Neigungswinkel zu variieren.

Das Verfahren kann die Überlagerung von Signalen, die von verschiedenen Betreibern durchlaufen, die das Antennensystem gemeinsam verwenden, oder das Aufteilen von Signalen umfassen, die zu verschiedenen Betreibern durchlaufen. Es kann umfassen, bezüglich der Antennenelemente dafür zu sorgen, dass sie Ansteuerspannungen empfangen, die von einem Maximum im Zentrum der Antennengruppe zu einem Minimum am Ende der Gruppe abfallen.

Schritt d) kann umfassen, dafür zu sorgen, dass ein Satz der aufgeteilten Signale von einem Minimum zu einem Maximum ansteigt, das dem Zentrum der Antennengruppe beziehungsweise ihren Enden zugeordnet ist, wie es geeignet ist, eine progressive Wellenfront über die Antennengruppe aufzubauen, wobei die Wellenfront im Wesentlichen linear ist, wenn ein Neigungswinkel in einem Arbeitsbereich der Neigung erhöht wird, wie es für angemessenen Antennengewinn in Wirkrichtung und Unterdrückung der Nebenkeule erforderlich ist.

Damit die Erfindung vollständiger verstanden werden kann, werden nun Ausführungen davon, nur als Beispiel, mit Bezug auf die Zeichnungen im Anhang beschrieben, in denen:

1 die vertikale Richtcharakteristik (VRP, Vertical Radiation Pattern) mit Neigungswinkeln gleich Null und ungleich Null zeigt;

2 eine phasengesteuerte Antenne nach dem Stand der Technik mit einstellbarem elektrischem Neigungswinkel zeigt;

3 ein Blockdiagramm eines phasengesteuerten Gruppenantennensystems nach der Erfindung in einer Anwendung mit einfacher Speiseleitung ist;

4 die Beziehungen zwischen den Spannungsausgängen und der eingegebenen Phasendifferenz in einem Phase-in-Leistung-Wandler zeigt, der in dem System in 3 verwendet wird;

5 zu 4 äquivalent ist, wobei die Leistung durch Spannung ersetzt ist;

6 Beispiele von möglichen Spannungsverteilungen an Ausgängen von einem Spannungsaufteiler angibt, der in dem System in 3 verwendet wird;

7 ein Blockdiagramm eines Teils eines weiteren phasengesteuerten Gruppenantennensystems nach der Erfindung ist und Phasenverschiebung, Phase-in-Leistung-Wandlung und Leistungsaufteilung darstellt,

8 ein Blockdiagramm des Rests des phasengesteuerten Gruppenantennensystems in 7 ist und Leistung-in-Phase-Wandlung, Phasenverschiebung und Antennenelemente zeigt;

9 Anordnung, Abstand und Phase des Ansteuersignals von Antennenelementen in dem System in 7 zeigt;

10 ein Blockdiagramm eines Teils noch eines weiteren phasengesteuerten Gruppenantennensystems nach der Erfindung ist und eine Ausführung mit doppelter Versorgung zeigt, die Phasenverschiebung, Phase-in-Leistung-Wandlung und Leistungsaufteilung mit Erzeugung eines zusätzlichen Signals für ein zentrales Antennenelement verwendet,

11 den Rest des phasengesteuerten Gruppenantennensystems in 10 darstellt und eine Antennengruppe mit einem einzelnen zentralen Antennenelement zeigt (der Abstand der Elemente ist nicht maßstäblich);

12 die Verwendung der Erfindung mit einer einzelnen Speiseleitung darstellt;

13 eine Modifikation der Erfindung zeigt, die ermöglicht, dass der Winkel der elektrischen Neigung im Sendemodus von dem im Empfangsmodus verschieden ist; und

14 ein Blockdiagramm eines anderen phasengesteuerten Gruppenantennensystems nach der Erfindung ist, das die gemeinsame Verwendung der Antenne von mehreren Benutzern mit doppelter Speiseleitung und integrierter Sende-/Empfangsfunktion darstellt.

In 1 sind vertikale Richtcharakteristiken (VRP, Vertical Radiation Pattern) 10a und 10b einer Antenne 12 gezeigt, die eine phasengesteuerte Gruppe aus einzelnen Antennenelementen (nicht gezeigt) ist. Die Antenne 12 ist planar, hat ein Zentrum 14 und erstreckt sich senkrecht zur Zeichenebene. Die VRPs 10a und 10b entsprechen einer Variation gleich Null beziehungsweise ungleich Null der Verzögerung oder Phase der Signale der einzelnen Elemente mit dem Abstand der Gruppenelemente über die Antenne 12 von einem Ende der Gruppe aus. Sie haben entsprechende Hauptkeulen 16a und 16b mit Zentrallinien oder „Wirkrichtungen" 18a und 18b, ersten oberen Nebenkeulen 20a und 20b und ersten unteren Nebenkeulen 22a und 22b; 18c bezeichnet die Wirkrichtung für Variation der Verzögerung gleich Null im Vergleich zum Äquivalent 18b ungleich Null. Wenn sich darauf ohne das Suffix a oder b bezogen wird, z. B. Nebenkeule 20, wird sich auf jedes der relevanten Paare von Elementen ohne Unterscheidung bezogen. Die VRP 10b ist relativ zu VRP 10a verkippt (nach unten, wie dargestellt), das heißt es gibt einen Winkel – den Neigungswinkel – zwischen den Zentrallinien des Hauptstrahls 18b und 18c, der eine Größe hat, die von dem Maß abhängt, mit dem die Verzögerung mit dem Abstand entlang der Antenne 12 variiert.

Die VRP muss einer Anzahl von Kriterien genügen: a) hoher Antennengewinn in Wirkrichtung; b) die erste oberen Nebenkeule 20 soll auf eine Ausprägung haben, die gering genug ist, um zu vermeiden, dass Störungen von mobilen Stationen verursacht werden, die eine andere Basisstation verwenden; und die erste untere Nebenkeule 22 sollte eine Ausprägung haben, die ausreicht, um Kommunikation in unmittelbarer Nähe der Antenne 12 zu ermöglichen. Diese Anforderungen stehen miteinander in Konflikt, z. B. vergrößert die Maximierung des Antennengewinns in Wirkrichtung die Nebenkeulen 20 und 22. Für eine Ausprägung der ersten oberen Nebenkeule von –18 dB relativ zu dem Wert der Wirkrichtung (Länge des Hauptstrahls 16) wurde festgestellt, dass dies einen günstigen Kompromiss für die Leistung des Gesamtsystems ergibt. Der Antennengewinn in Wirkrichtung sinkt wegen der Verringerung der effektiven Apertur der Antenne proportional zum Kosinus des Neigungswinkels. Weitere Verringerungen des Antennengewinns in Wirkrichtung können sich in Abhängigkeit davon ergeben, wie der Neigungswinkel verändert wird.

Die Wirkung des Einstellens entweder des mechanischen Neigungswinkels oder des elektrischen Neigungswinkels dient dazu, die Wirkrichtung neu zu positionieren, sodass sie für eine Gruppe, die in einer vertikalen Ebene liegt, entweder über oder unter die Ebene der Horizontalen zeigt, und folglich das Sendegebiet der Antenne einstellt. Für die maximale Flexibilität bei der Verwendung hat eine zelluläre Funkbasisstation vorzugsweise sowohl mechanische Neigung als auch elektrische Neigung zur Verfügung, da jede einen anderen Effekt auf das Sendegebiet und auch auf andere Antennen in unmittelbarer Nähe hat. Es ist auch günstig, wenn die elektrische Neigung einer Antenne von der Antenne entfernt eingestellt werden kann. Wenn darüber hinaus eine einzelne Antenne von einer Anzahl von Betreibern gemeinsam verwendet wird, wird bevorzugt, verschiedene elektrische Neigungswinkel für jeden Betreiber bereitzustellen, obwohl dies der Leistungsfähigkeit der Antenne nach dem Stand der Technik schadet.

In 2 ist ein phasengesteuertes Gruppenantennensystem 30 nach dem Stand der Technik gezeigt, bei dem der elektrischen Neigungswinkel eingestellt werden kann. Das System 30 enthält einen Eingang 32 für ein Hochfrequenz (RF, Radio Frequency)-Trägersignal des Senders wobei der Eingang mit einem Leistungsverteilungsnetz 34 verbunden ist. Das Netz 34 ist über Phasenschieber Phi.E0, Phi.E1L bis Phi.E[n]L und Phi.E1U bis Phi.E[n]U mit den entsprechenden abstrahlenden Antennenelementen E0, E1L bis E[n]L beziehungsweise E1U bis E[n]U des phasengesteuerten Gruppenantennensystems 30 verbunden: hier bedeuten die Suffixe U und L obere (Upper) beziehungsweise untere (Lower), n ist eine beliebige positive ganze Zahl größer als der Einheitswert, die die Größe der phasengesteuerten Gruppe definiert, und die gestrichelten Linien, wie etwa 36, die das relevante Element anzeigen, können reproduziert oder entfernt werden, wie es für eine beliebige gewünschte Größe der Gruppe erforderlich ist.

Das phasengesteuerte Gruppenantennensystem 30 arbeitet wie folgt. Ein Hochfrequenz-Trägersignal des Senders wird über den Eingang 32 in das Leistungverteilungsnetz 34 gespeist: das Netz 34 teilt dieses Cstimmt werden. Die Phase ϕu[i] des Signals, das in das i-te obere Element 60U[i] gespeist wird, wird angegeben durch:

Die Phasenverschiebung ϕI[i] des Signals, das in das i-te untere Element 60L[i] gespeist wird, wird angegeben durch:

Die Gleichungen (1) und (2) zeigen, dass die Phase des Ansteuersignals, das an das i-te obere Antennenelement 60U[i] angelegt wird, in entgegengesetzter Richtung zu der von dem Ansteuersignal liegt, das an das i-te untere Antennenelement 60L[i] angelegt wird. Nun werden die Spannungen, die aus dem zweiten Aufteiler 54 ausgegeben werden, derart ausgewählt, dass sie von Vb1 bis Vb[n] ansteigen, das heißt, Vb[n] > ... Vb[i] > ... Vb2 > Vb1: folglich wird aus den Gleichungen (1) und (2) eine progressive Wellenfront über die Antenne 60 aufgebaut, die bewirkt, dass sie einen elektrischen Neigungswinkel ungleich Null hat. Darüber hinaus verbleibt die Wellenfront im wesentlichen linear, wenn der Neigungswinkel erhöht wird, was folglich den Antennengewinn in Wirkrichtung und die Unterdrückung der Nebenkeule aufrechterhält. Aus den Gleichungen (1) und (2) kann man ersehen, dass die Empfindlichkeit der Neigung durch die Leistung bestimmt wird, die von dem zweiten Aufteiler 54 geliefert wird. Wenn es auf diese Weise realisiert wird, hat das phasengesteuerte Gruppenantennensystem 40 eine Neigungsempfindlichkeit, die typischerweise 1 Grad elektrische Neigung pro 10 Grad Phasendrehung beträgt.

Das Antennensystem 40 kann als ein System mit einzelner Speiseleitung oder als ein System mit doppelter Speiseleitung (in jedem Fall pro Betreiber) realisiert werden. In einem System mit einzelner Speiseleitung liefert eine einzelne Signalzuführung 42 ein Signal Vin an die Antennengruppe 60, die auf einem Mast befestigt sein kann, und die anderen Elemente 44 bis 64 in 3 sind mit der Antennengruppe befestigt. Dies hat den Vorteil, dass nur eine Signalzuführung gebraucht wird, die von einem entfernten Benutzer zu dem Antennensystem weitergeleitet werden muss, aber Gegensatz dazu kann ein entfernter Betreiber den elektrischen Neigungswinkel ohne Zugang zu dem Antennensystem nicht einstellen. Außerdem haben alle Betreiber, die eine einzelne Antenne gemeinsam benutzen, denselben elektrischen Neigungswinkel.

In einem System mit doppelter Speiseleitung werden zwei Signale V2a und V2b in eine Antennengruppe gespeist: die Elemente 42 bis 48 (Neigungssteuerkomponenten) in 3 können bei einem Benutzer, entfernt von der Antennengruppe 60, angeordnet sein, und die Bauteile 50 bis 64 sind bei der Antennengruppe angeordnet. Der Benutzer kann nun direkten Zugang zu dem Phasenschieber 46 haben, um den elektrischen Neigungswinkel einzustellen. Es ist auch günstig, die Neigungsempfindlichkeit zu verringern, um die Effekte von Phasenabweichungen der zwischen den Zuführungen und folglich Abweichungen zwischen dem elektrischen Neigungswinkel, der von dem Betreiber gebraucht wird, und dem an der Antenne zu verringern. Mit einem jeweiligen Satz von Neigungssteuerkomponenten 42 bis 48, die bei jedem Betreiber und auf der Eingangsseite eines frequenzselektiven Überlagerers angeordnet sind, der an der Basisstation des Betreibers angeordnet ist, ist es möglich, ein gemeinsam benutztes Antennensystem mit individuellem Neigungswinkel für jeden Betreiber zu realisieren.

Um die Effekte von Variationen der Amplitude und Phase zwischen den zwei Zuführungen in einem System mit zwei Zuführungen nach der Erfindung zu verringern, kann die Neigungsempfindlichkeit verringert werden, indem die Leistung aus dem zweiten Aufteiler 54 verringert wird, der für die elektrische Neigung verwendet wird. Die Neigungsleistung aus dem zweiten Aufteiler 54 kann durch (a) Speisen von etwas der Leistung aus dem Aufteiler 54 in ein zusätzliches Antennenelement, dessen Phasenverschiebung konstant ist, und das im Zentrum der Antenne positioniert ist, oder durch (b) Umleiten von etwas dieser Leistung in einen Leitungsabschluss oder (c) eine Kombination von (a) und (b) verringert werden.

Um eine unangemessene Verringerung des Maximalwertes des Antennengewinns in Wirkrichtung zu vermeiden, wird es bevorzugt, etwas der Leistung aus dem zweiten Aufteiler in eine zusätzliches zentrales Antennenelement umzuleiten. Wenn die Hälfte der Gesamtleistung aus dem zweiten Aufteiler in ein zentrales Antennenelement gespeist wird, ist die Neigungsempfindlichkeit typischerweise 20 Grad Phasenverschiebung pro 1 Grad elektrischer Neigung. Wenn die Neigung durch Null läuft, verändert sich die Phasenverschiebung in dem zentralen Antennenelement um 180 Grad. Dies hat den Effekt, dass zwischen den Ausprägungen der oberen und unteren Nebenkeulen Asymmetrie entsteht, anders als in 1, wo diese Keulen symmetrisch sind. Insbesondere unterdrückt diese Asymmetrie die obere Nebenkeule (entsprechend 20a), um die Möglichkeit von Störungen von Mobiltelefonen, die andere Basisstationen verwenden, weiter zu verringern.

Die Ausführung 40 der Erfindung bietet eine Anzahl von Vorteilen:

  • 1. die Neigung wird mit einer einzelnen variablen Zeitverzögerungseinrichtung oder Phasenschieber pro Benutzer statt pro Antennenelement realisiert;
  • 2. Phasen- und Amplitudenabnahme bleiben im wesentlichen konstant über einen Neigungsbereich (4 Grad bis 6 Grad, in Abhängigkeit der Frequenz); hier bedeutet „Abnahme" Amplituden- oder Phasenprofil entlang Antennenelementen;
  • 3. Unterdrückung von Nebenkeulen bleibt über den Neigungsbereich wirksam und kann auf weniger als 18 dB unter den Wert der Wirkrichtung gesteuert werden;
  • 4. die Neigungsempfindlichkeit kann auf ein Optimum eingestellt werden;
  • 5. individuelle Neigungswinkel sind für die gemeinsame Benutzung einer Antenne durch mehrere Benutzer verfügbar;
  • 6. der Neigungswinkel im Sendemodus kann entweder der selbe oder verschieben von dem Neigungswinkel im Empfangsmodus sein, obwohl diese Modi verschiedene Frequenzen haben, wie später beschrieben wird; und
  • 7. man kann asymmetrische Ausprägungen von Nebenkeulen erhalten werden, um das Potenzial für Störungen von mobilen Stationen zu verringern, die andere Basisstation benutzen.

Nun ist in 7 ein Schaltkreis 80 für die Phase-in-Leistung-Wandlung und Spannungsteilung gezeigt, der dem oberen Abschnitt von 3 ähnelt. Es werden nur Unterschiede beschrieben. Die Unterschiede in Vergleich zu 3 sind, dass ein fester Phasenschieber 82 seriell (statt parallel) mit einem variablen Phasenschieber 84 verbunden ist, ein Beispiel eines Phase-in-Leistung-Wandlers ist angegeben, und zwei Aufteiler 88a und 88b teilen jeweils in sieben Ausgangssignale Va1/Vb1 usw. auf. Signale laufen von dem festen und dem variablen Phasenschieber 82 und 84 zu einem Quadratur-Hybridrichtkoppler („Quadratur-Hybrid"), der vier Anschlüsse A, B, C, und D hat. Pfade zwischen Eingang und Ausgangs für Paare von Anschlüssen A bis D werden durch gekrümmte Linien wie 92 angegeben. Phase-in-Leistung-Wandlung wird aus der Kombination von dem festen Phasenschieber 82 und dem Koppler 86 erhalten. Wie durch die Markierungen –90 oder –180 angegeben wird, schiebt der Quadratur-Hybrid 86 die Phase seiner Eingangssignale um –90 oder –180, davon abhängig, wo solche Signale ein- und ausgegeben werden: Signal V2a aus dem variablen Phasenschieber 84 wird in Anschluss B eingegeben und an den Anschlüssen A und C zu den Aufteilern 88a und 88b mit Phasenverschiebungen von –90 bzw. –180 Grad ausgegeben. Ebenso wird das Signal V2b in den Anschluss D eingegeben und an den Anschlüssen A und C zu den Aufteilern 88a und 88b mit Phasenverschiebungen –180 Grad beziehungsweise –90 Grad ausgegeben. Die Aufteiler 88a und 88b liefern allgemein gesprochen Leistungsaufteilung wie zuvor beschrieben.

Wie schon gesagt ist in 7 Phase-in-Leistung-Wandlung gezeigt, die mit Quadratur-Hybrids realisiert wird, die auch als 90-Grad-Hybrids bekannt sind, die auch Leistung-in-Phase-Wandlung leisten können. Darüber hinaus können sowohl Phase-in-Leistung- als auch Leistung-in-Phase-Wandlung auch mit 180-Grad Hybrids realisiert werden, die auch als Summen- und Differenzhybrids bekannt sind, wenn sie geeigneten festen Phasenschiebern zugeordnet sind, um die erforderliche Gesamtfunktion zu leisten.

Nun ist auch mit Bezug auf 8 eine phasengesteuerte Gruppe 94 mit dem Schaltkreis 80 verbunden (nicht gezeigt) und umfasst 14 Antennenelemente 96E1U bis 96E7U und 96E1L bis 96E7L, die in Paaren aus oberen/unteren wie etwa 96E1U und 96E1L gezeigt sind. 8 zeigt das elektrische Anschlussschema in einer Darstellung nach herkömmlicher Art und Weise mit Paaren von Elementen Rükken an Rücken, aber in der Praxis sind die Antennenelemente 96E1U usw. in einer geraden Linie angeordnet, und alle zeigen in dieselbe Richtung. Die oberen Antennenelemente 96E1U bis 96E7U sind über entsprechende voreingestellte Phasenschieber 98U1 bis 98U7 und feste –90 Grad Phasenschieber 99U1 bis 99U7 an Quadratur-Hybridrichtkoppler 100C1 bis 100C7 angeschlossen. Die unteren Antennenelemente 96E1L bis 96E7L sind über entsprechende voreingestellte Phasenschieber 98L1 bis 98L7 auch mit den Kopplern 100C1 bis 100C7 verbunden, wobei es einen jeweiligen Koppler 100Ci für jedes obere/untere Paar von Elementen 96EUi/96ELi (i = 1, 2, ..., 7) gibt. Die voreingestellten Phasenschieber 98L1 bis 98L7 sind optional: sie geben der Antennengruppe 96 eine voreingestellte Wirkrichtung, die elektrischer Neigung gleich Null entspricht und die Unterdrückung der Nebenkeulen über den Neigungsbereich optimiert.

Jeder Koppler 100C1 usw. empfängt ein jeweiliges Paar von Eingangssignalen von den Aufteilern 88a und 88b, das heißt, der i-te Koppler 100Ci empfängt Eingangssignale Vai und Vbi, wobei i wie zuvor Werte von 1 bis 7 annimmt. Jeder Koppler 100C1 usw. entspricht dem Koppler 86, der oben erwähnt wurde, das heißt, jeder hat vier Anschlüsse A bis D mit Pfaden zwischen Eingängen und Ausgängen, die durch gebogene Linien wie etwa 102 gezeigt sind. Der Koppler 100C1 empfängt die Eingangssignale Va1 und Vb2 an B beziehungsweise D und erzeugt um –90 Grad und –180 Grad phasenverschobene Versionen von jedem: der Ausgang A empfängt Va1 um –90 Grad phasenverschoben und Vb2 um –180 Grad phasenverschoben, und der Ausgang C empfängt Va1 um –180 Grad phasenverschoben und Vb2 um –90 Grad phasenverschoben. Der Ausgang A ist über einen –90-Grad-Phasenschieber 99U1 und einen voreingestellten Phasenschieber 98U1 mit dem Antennenelement 96E1U verbunden, und der Ausgang C ist über einen voreingestellten Phasenschieber 98L1 mit dem Antennenelement 96E1L verbunden. Ähnliche Anordnungen werden für die Leistungseinspeisungen in die anderen oberen/unteren Paare von Antennenelementen 96E2U/96E2L bis 96E7U/96E7L eingesetzt. Der i-te Quadratur-Hybridrichtkoppler 1000i und der –90-Grad-Phasenschieber 99Ui liefern in Kombination Leistung-in-Phase-Wandlung, wie sie in 56 in 3 gezeigt ist.

Nun ist auch mit Bezug auf 9 die phasengesteuerte Gruppe 96 in ihrer tatsächlichen linearen Form gezeigt, wobei jedes Antennenelement 96E1U usw. auf der linken Seite zusammen mit einem entsprechenden Vektordiagramm 110U1 bis 110L7 auf seiner rechten Seite gezeigt ist. Das Vektordiagramm 110U1 zeigt einen resultierenden Pfeil 112, der aus der Vektoraddition der Vektoren a1 und b1 entsteht, und der die Summe der Signale Va1 und Vb1 darstellt, die an das Antennenelement 96E1U nach verschiedenen Phasenverschiebungen, wie oben beschrieben wurde, angelegt wird. Ähnliche Anmerkungen gelten für andere Antennenelemente. Das i-te obere Antennenelement 96EiU empfängt die Vektorsumme ai + bi und das i-te untere Antennenelement 96EiL empfängt die Vektordifferenz ai – bi.

Die Spannungs- und Leistungsverhältnisse für den ersten Aufteiler 88a in 7 sind in Tabelle 1 unten gezeigt. Für die Zweckmäßigkeit der Darstellung sind die Leistungsniveaus normiert, sodass die Gesamtleistung, die aus dem Aufteiler 88a austritt, 1 Watt beträgt.

Die Spannungen sind die Quadratwurzeln der Leistungen, folglich sind auch sie relative Werte. Die Spannungsniveaus der einzelnen Elemente haben Kosinus-Quadrat-Verteilung. Sie ist ähnlich der Kurve 74 in 6, außer dass die Kurve 74 genau gesprochen binomial und kein Kosinus ist, und Krümmungen voneinander abweichen.

Tabelle 1

Die Spannungs- und Leistungsverhältnisse für den zweiten Aufteiler 88b in 7 sind in Tabelle 2 gezeigt und auf die gleiche Weise wie die in Tabelle 1 als relative Werte oder Verhältnisse ausgedrückt.

Tabelle 2

Nun ist mit Bezug auf die 10 und 11 eine Modifikation der Ausführung gezeigt, die mit Bezug auf die 7 bis 9 beschrieben wurde, und Teile, die oben beschrieben wurden, haben die gleichen Bezugsnummern. Sie ist insbesondere für eine Realisierung der Erfindung mit doppelter Speiseleitung geeignet, wobei bevorzugt wird, die Neigungsempfindlichkeit zu verringern, um mögliche Neigungsfehler wegen des Effektes von Phasendifferenzen zwischen den Signalen auf den Speiseleitungen zu verringern. Es gibt zwei Modifikationen: die erste Modifikation ist, einen zusätzlicher Aufteiler 120 – einen Zwei-Wege-Aufteiler – zwischen Ausgang C des Kopplers 86 und dem zweiten Aufteiler 88b einzusetzen. Dies ermöglicht, dass etwas von der Leistung, die bisher in den zweiten Aufteiler 88b gespeist wurde, umgeleitet wird, was ein anderes Signal Vb0 liefert. Wie in 11 gezeigt ist, ist die Gruppe 94 durch die Einführung eines zusätzlichen Antennenelementes 122 modifiziert, das das Signal Vb0 über einen festen 180-Grad-Phasenschieber 124 empfängt. Das zusätzliche Antennenelement 122 ist zentral in der Gruppe 94 angeordnet, die ansonsten unverändert ist; das heißt, das Element 122 ist in einem Abstand S/2 von jedem der Antennenelemente 96E1U und 96E1L positioniert, wobei S der Abstand zwischen allen anderen aneinandergrenzenden Paaren von Antennenelementen wie etwa 96E1U und 96E2U ist. Es sei bemerkt, dass für die Zweckmäßigkeit der Darstellung der Abstand zwischen dem zusätzlichen Antennenelement 122 als gleich mit den anderen Abständen S gezeigt, aber als S/2 bezeichnet ist.

11 ist äquivalent zu 9, wobei das Antennenelement 122 und der Phasenschieber 124 hinzugefügt sind: wie durch das Vektordiagramm 126 angezeigt empfängt dieses Element 122 das Signal Vb0 ohne Subtraktion irgend eines anderen Vektorsignals aus dem Aufteiler 88a. Die Spannungs- und Leistungsverhältnisse für den Aufteiler 88b sind in Tabelle 3 unten gezeigt. Wie zuvor sind die Leistungspegel normiert, sodass die Gesamtleistung, die aus dem Aufteiler 88b austritt, 1 Watt beträgt. Die entsprechenden Werte für den Aufteiler 88a verhalten sich wie in Tabelle 1 oben.

Die Richtung des maximalen Antennengewinns einer phasengesteuerten Gruppenantenne wird durch die Phasen und Amplituden der Spannungen auf ihren Antennenelementen bestimmt. Wenn es erforderlich ist, dass die Leistungsfähigkeit der Antenne über ein Frequenzband im Wesentlichen gleich bleibt, dann sollten die Phasen und Amplituden der Signale, die in die Elemente gespeist werden, gleich bleiben, wenn die Frequenz verändert wird. Ein Stück einer Übertragungsleitung hat eine Verzögerung, die konstant und frequenzunabhängig ist, und folglich steigt die Phasenverschiebung mit der Frequenz, die sie in ein Signal einbringt, das auf ihr entlang läuft. Folglich hat eine phasengesteuerte Antennengruppe, die Übertragungsleitungen als Verzögerungselemente nutzt, eine Leistung, die sich mit der Frequenz ändert. Ein Breitband-Richtkoppler hat die Eigenschaft, dass die Phasenbeziehungen an seinen Anschlüssen über seinen Frequenz-Arbeitsbereich konstant bleibt. Wenn folglich Richtkoppler als Verzögerungselemente in einer phasengesteuerten Gruppenantennen verwendet werden, bleibt die Leistung über der Frequenz konstant. Es kann auch vorteilhaft sein, als Kompensationseinrichtung für Änderungen der Ausprägung der Nebenkeule über dem elektrischen Neigungswinkel die Verwendung von Übertragungsleitungen als Verzögerungselement beizubehalten. Maximale Flexibilität der Auslegung ergibt sich, wenn eine Kombination aus einer Übertragungsleitung und einem Richtkoppler zum Zwecke der Verzögerung/Phasenverschiebung verwendet wird.

In 12 ist nun ein Teil von 3 wiederholt und modifiziert, um Anordnungen mit einzelner Speiseleitung darzustellen. Teile, die zuvor beschrieben wurden, haben die gleichen Bezugsnummern mit einem Vorsatz 100, und es werden nur Änderungen beschrieben. Eine einzelne Signaleinspeisung 165 versorgt den Aufteiler 144 mit einem einzelnen Hochfrequenz-Trägersignal, der zusammen mit allen Komponenten von 146 bis einschließlich 160 zusammen angeordnet ist. Dies erfordert die Einstellung der Neigung der Antennengruppe 160, die sich auf einem Mast befinden kann.

13 zeigt ein phasengesteuertes Gruppenantennensystem 171 nach der Erfindung, das zu dem in 12 gezeigten bis auf die Modifikation für die Verwendung sowohl im Empfangs- als auch im Sendemodus äquivalent ist. Zuvor beschriebene Teile haben die gleichen Bezugsnummern und es werden nur Änderungen beschrieben. Der variable Phasenschieber 146, mit dem die Neigung gesteuert wird, wird nun nur noch im Sendemodus (Tx) verwendet, und ist in einem Sendepfad 173 zwischen und in Reihe zu den Bandpassfiltern (BPF) 175 und 177 angeschlossen. Es gibt außerdem einen ähnlichen Empfangspfad (Rx) 179 mit variablem Phasenschieber 181 zwischen und in Reihe zu Bandpassfiltern 183 und 185. Die Sende- und Empfangsfrequenzen sind normalerweise ausreichend verschieden, sodass es möglich ist, sie durch Bandpassfilter 175 usw. voneinander zu trennen. Alle Elemente 144 bis 160 arbeiten im Empfangsmodus umgekehrt, wobei zum Beispiel Aufteiler Überlagerer werden. Der einzige Unterschied zwischen den zwei Modi ist, dass der Aufteiler 165 im Sendemodus ein Eingangssignal liefert und der Übertragungspfad 173 von einem Sendesignal von links nach rechts durchlaufen wird, während im Empfangsmodus der Empfangspfad 179 von einem Empfangssignal von rechts nach links durchlaufen wird und die Speiseleitung 165 ein Ausgangssignal liefert. Diese Anordnung ist vorteilhaft, weil sie ermöglicht, dass die elektrischen Neigungswinkel sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus unabhängig eingestellt und gleich gemacht werden können: normalerweise (und nachteilhaft) ist dies nicht möglich, weil die Komponenten frequenzabhängige Eigenschaften haben, die bei den Sende- und Empfangsfrequenzen voneinander abweichen.

In 14 ist nun ein phasengesteuertes Gruppenantennensystem 200 nach der Erfindung für die Verwendung im Sende- und Empfangsmodus durch mehrere (zwei) Betreiber 201 und 202 einer einzelnen phasengesteuerten Antenne 205 gezeigt. Teile, zu den oben beschriebenen äquivalent sind, haben die gleichen Bezugsnummern mit einem Vorsatz 200. Die Figur zeigt eine Anzahl von verschiedenen Kanälen: Teile in verschiedenen Kanälen, die äquivalent sind, haben die gleichen Bezugsnummern mit einem oder mehreren Suffixen: ein Suffix T oder R gibt einen Sende-(Transmit) oder Empfangskanal (Receive) an, ein Suffix 1 oder 2 zeigt einen ersten oder zweiten Betreiber 201 oder 202 an, und ein Suffix A oder B zeigt den Pfad A oder B an.

Zu Beginn wird ein Sendekanal 207T1 des ersten Betreiber 201 beschrieben. Dieser Sendekanal hat einen Hochfrequenzeingangssignal 242, das einen Aufteiler 244T1 speist, der das Eingangssignal zwischen variablen und festen Phasenschiebern 246T1A und 248T1B aufteilt. Signale laufen von den Phasenschiebern 246T1A und 248T1B zu Bandpassfiltern (BPF) 209T1A und 209T1B in verschiedenen Duplexgeräten 211A bzw. 211B. Die Bandpassfilter 209T1A und 209T1B haben Zentren der Durchlassbänder bei einer Sendefrequenz des ersten Betreiber 201, wobei diese Frequenz als Ftx1 bezeichnet ist, wie in der Figur angegeben ist. Der erste Betreiber 201 hat auch eine Empfangsfrequenz, die als Frx1 bezeichnet ist, und die Äquivalenten für den zweiten Betreiber 202 sind Ftx2 und Frx2.

Das Sendesignal des ersten Betreibers bei der Frequenz Ftx1, das aus dem Bandpassfilter 209T1A ganz links ausgegeben wird, wird von dem ersten Duplexgerät 211A mit einem gleichartig erzeugten Sendesignal des zweiten Betreibers bei der Frequenz Ftx2 überlagert, das von einem daneben angeordneten Bandpassfilter 209T2A ausgegeben wird. Diese überlagerten Signale laufen über eine Speiseleitung 213A zu einem solchen Antennenneigungsnetz 215, das in vorangehenden Beispielen beschrieben wurde, und dann zu der phasengesteuerten Antenne 205. Ebenso wird das andere Sendesignal des ersten Betreibers bei der Frequenz Ftx1, das aus dem Bandpassfilter 209T1B ausgegeben wird, von dem zweiten Duplexgerät 211B mit einem gleichartig erzeugten Sendesignal des zweiten Betreibers bei der Frequenz Ftx2 überlagert, das von einem daneben angeordneten Bandpassfilter 209T2B ausgegeben wird. Diese überlagerten Signale laufen über einen zweiten Aufteiler 213B über ein Antennenneigungsnetz 215 zu der phasengesteuerten Gruppenantenne 205. Obwohl dieselbe phasengesteuerte Gruppenantenne 205 verwendet wird, können die zwei Betreiber ihre elektrischen Neigungswinkel der Antenne 205 beim Senden sowohl unabhängig als auch ferngesteuert durch bloßes Einstellen der variablen Phasenschieber 246T1A beziehungsweise 246T2A ändern.

Die Empfangssignale, die von der Antenne 205 über das Netzwerk 215 und die Speiseleitungen 213A und 213B zurückkommen, werden analog von den Duplexgeräten 211A und 211B aufgeteilt. Diese aufgeteilten Signale werden dann gefiltert, um in Bandpassfiltern 209R1A, 209R2A, 209R1B und 209R2B einzelne Frequenzen Frx1 und Frx2 zu isolieren, die Signale an variable und feste Phasenschieber 246R1A, 246R2A, 248R1B beziehungsweise 248R2B liefern. Die elektrischen Neigungswinkel für den Empfang sind dann durch die Betreiber 201 und 202 unabhängig einstellbar, indem sie ihre jeweiligen variablen Phasenschieber 246R1A und 246R2A einstellen.


Anspruch[de]
Phasengesteuertes Gruppenantennensystem mit variabler elektrischer Neigung, das eine Gruppe (60) von Antennenelementen (60U1 bis 60L[n]) enthält, das folgendes umfasst:

a) einen Aufteiler (44) zum Aufteilens eines Hochfrequenz (RF)-Trägersignals in ein erstes und ein zweites Signal,

b) einen variablen Phasenschieber (46) zum Einbringen einer variablen relativen Phasenverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Signal,

dadurch gekennzeichnet, dass das System (40) folgendes umfasst:

c) einen Phase-in-Leistung-Wandler (50) zum Wandeln des relativ phasenverschobenen ersten und zweiten Signals in Signale, deren Leistung eine Funktion der relativen Phasenverschiebung ist,

d) erste und zweite Leistungsaufteiler (52, 54) zum Aufteilen der gewandelten Signale in wenigstens zwei Sätze von aufgeteilten Signalen, wobei die Gesamtanzahl von aufgeteilten Signalen in den Sätzen wenigstens gleich der Anzahl von Antennenelementen in der Gruppe ist,

e) Leistung-in-Phase-Wandler (56) zum Überlagern der Paare von aufgeteilten Signalen aus verschiedenen Leistungsaufteilern, um Anteile mit der Vektorsumme und -differenz mit geeigneter Phase für die Speisung in entsprechende Paare von Antennenelementen (z. B. 60U[n], 60L[n]) bereitzustellen, die bezüglich einem Zentrum der Gruppe (62) in gleichen Abständen angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine ungerade Anzahl von Antennenelementen (E0 bis E7L) aufweist, die ein zentrales Antennenelement (E0) umfassen, das zentral zu jedem Paar von gleich weit entfernten Antennenelementen (zum Beispiel E7U, E7L) angeordnet ist. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es einen dritten Leistungsaufteiler (120) umfasst, der zwischen dem Phase-in-Leistung-Wandler und einem der ersten und zweiten Leistungsaufteiler (88a, 88b) angeschlossen ist, und dazu eingerichtet ist, zu dem zentralen Antennenelement (E0) einen Anteil der Leistung von dem Phase-in-Leistung-Wandler (82/86) umzuleiten. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase-in-Leistung- und die Leistung-in-Phase-Wandler (50, 56) Kombinationen von Phasenschiebern (82) und Quadratur-Hybridkopplern (86) sind. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase-in-Leistung- und Leistung-in-Phase-Wandler Kombinationen von Phasenschiebern und 180-Grad-Hybridkopplern sind. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufteiler (144), der Phasenschieber (146), die Phase-in-Leistung- und die Leistung-in-Phase-Wandler (150, 156) und die Leistungsaufteiler (152, 154) zusammen mit der Gruppe (160) von Antennenelementen als eine Antennenbaugruppe (144) angeordnet sind, und die Baugruppe (144) eine einzelne Hochfrequenz-Leistungseinspeisung (165) von einer entfernten Quelle hat. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufteiler (z. B. 244T1) und der Phasenschieber (z. B. 246T1A) entfernt von den Phase-in-Leistung- und den Leistung-in-Phase-Wandlern, den Leistungsaufteilern (kollektiv 215) und der Gruppe (205) von Antennenelementen angeordnet ist, die als eine Antennenbaugruppe zusammen angeordnet sind, und die Baugruppe doppelte Hochfrequenz-Leistungseinspeisung (213A, 213B) aus einer entfernten Quelle hat. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufteiler (z. B. 244T1) und der Phasenschieber (z. B. 246T1A) bei der entfernten Quelle angeordnet sind, um sie durch einen Betreiber (201, 202) zur Veränderung des elektrischen Neigungswinkels zu verwenden. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es Duplexgeräte (211A, 211B) enthält, um Signale zu überlagern, die von verschiedenen Betreibern (201, 202), die das Gruppenantennensystem (200) gemeinsam verwenden, darüber laufen, oder Signale aufzuteilen, die zu den verschiedenen Betreibern darüber laufen. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufteiler (52, 54) dazu eingerichtet sind, für die Antennenelemente (z. B. 60U1) dafür zu sorgen, dass sie Ansteuerspannungen empfangen, die von einem Maximum im Zentrum der Antennengruppe (60) zu einem Minimum an den Enden der Gruppe (60U[n], 60L[n]) abfallen. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungsaufteiler (54) dazu eingerichtet ist, einen Satz von Spannungen zu liefern, die von einem Minimum zu einem Maximum ansteigen, die dem Zentrum der Antennengruppe bzw. ihren Enden zugeordnet sind, derart, dass sie geeignet sind, eine progressive Wellenfront über die Antennengruppe aufzubauen, wobei die Wellenfront im wesentlichen linear ist, wenn ein Neigungswinkel in einem Arbeitsbereich der Neigung erhöht wird, wie es für geeigneten Antennengewinn in Wirkrichtung und Unterdrückung von Nebenkeulen erforderlich ist. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass:

a) der variable Phasenschieber ein erster variabler Phasenschieber (146) ist, der ersten Filtereinrichtungen (175, 177) zugeordnet ist, die einen Sendepfad (173) definieren,

b) das System (171) einen zweiten variablen Phasenschieber (181) enthält, der zweiten Filtereinrichtungen (183, 185) zugeordnet ist, die einen Empfangspfad (179) definieren,

c) das System (171) auch Elemente (z. B. 144) enthält, die in einer Richtung im Sendemodus und in einer umgekehrten Richtung im Empfangsmodus betrieben werden können, und

d) die elektrischen Neigungswinkel des Systems im Sende- und Empfangsmodus unabhängig durch erste beziehungsweise zweite variable Phasenschieber (146, 181) eingestellt werden können.
Verfahren zur Bereitstellung variabler elektrischer Neigung in einem phasengesteuerten Gruppenantennensystem, das eine Gruppe von Antennenelementen aufweist, wobei das Verfahren folgendes umfasst:

a) Aufteilen eines Hochfrequenz-Trägersignals in ein erstes und ein zweites Signal, und

b) Einbringen einer variablen relativen Phasenverschiebung zwischen dem ersten und zweiten Signal,

dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgendes umfasst:

c) Wandeln des relativen phasenverschobenen ersten und zweiten Signals in Signale, deren Leistungen eine Funktion der relativen Phasenverschiebung sind,

d) Verwenden von Leistungsaufteilern (52, 54), um die gewandelten Signale in wenigstens zwei Sätze von aufgeteilten Signalen aufzuteilen, wobei die Gesamtanzahl von aufgeteilten Signalen in den Sätzen wenigstens gleich der Anzahl von Antennenelementen in der Gruppe ist,

e) Überlagern von Paaren von aufgeteilten Signalen von verschiedenen Leistungsaufteilern (52, 54), um Anteile mit der Vektorsumme und -differenz mit geeigneter Phase zu erzeugen und entsprechende Paare von Antennenelementen, die in Bezug auf ein Zentrum der Gruppe in gleichen Abständen angeordnet sind, mit den Anteilen zu speisen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennengruppe eine ungerade Anzahl von Antennenelementen (E0 bis E7L) aufweist, die ein zentrales Antennenelement (E0) umfassen, das zentral zu jedem Paar von gleich weit entfernten Antennenelementen (zum Beispiel E7U, E7L) angeordnet ist. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das phasengesteuerte Gruppenantennensystem einen dritten Leistungsaufteiler (120) umfasst, der angeschlossen ist, um eines der Signale zu empfangen, dessen Leistung eine Funktion der relativen Phasenverschiebung ist, und dass das Verfahren die Verwendung eines solchen Aufteilers umfasst, um einen Teil der Leistung in einem solchen Signal zu dem Zentralelement (E0) umzuleiten. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlung des relativ phasenverschobenen ersten und zweiten Signals und die Überlagerung von Paaren von aufgeteilten Signalen jeweils mit Phase-in-Leistung- und Leistung-in-Phase-Wandlern realisiert ist, die 90- oder 180-Grad-Hybridkoppler enthalten. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis e) mit Komponenten (144 bis 158) realisiert werden, die zusammen mit der Gruppe (160) von Antennenelementen angeordnet sind, um eine Antennenbaugruppe mit Eingangssignal aus einer einzelnen Hochfrequenzleistungseinspeisung (165) aus einer entfernten Quelle zu bilden. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) und b) mit Komponenten (z. B. 244T1, 246T1A) realisiert sind, die entfernt von der Gruppe (205) von Antennenelementen angeordnet sind, und die Schritte c) bis e) mit Komponenten (215) realisiert sind, die zusammen mit der Gruppe 205 angeordnet sind, und damit eine Antennenbaugruppe bilden, die eine doppelte Hochfrequenz-Leistungseinspeisung (213A, 213B) von einer entfernten Quelle hat. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) das Variieren der relativen Phasenverschiebung umfasst, um den elektrischen Neigungswinkel zu variieren. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass es die Überlagerung von Signalen, die von verschiedenen Betreibern (201, 202), die das Gruppenantennensystem (200) gemeinsam verwenden, weitergeleitet werden oder die Aufteilung von Signalen umfasst, die zu den Betreibern weitergeleitet werden. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es dafür sorgt, dass die Antennenelemente Ansteuerspannungen empfangen, die von einem Maximum im Zentrum der Antennengruppe zu einem Minimum an den Enden der Gruppe abfallen. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt d) umfasst, dafür zu sorgen, dass ein Satz von aufgeteilten Signalen von einem Minimum zu einem Maximum ansteigt, die dem Zentrum der Antennengruppe bzw. ihren Enden zugeordnet sind, derart, dass sie geeignet ist, eine progressive Wellenfront über die Antennengruppe aufzubauen, wobei die Wellenfront im wesentlichen linear ist, wenn ein Neigungswinkel in einem Arbeitsbereich der Neigung erhöht wird, wie es für geeigneten Antennengewinn in Wirkrichtung und Unterdrückung der Nebenkeulen erforderlich ist. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass:

a) die variable Phasenverschiebung eine erste variable Phasenverschiebung ist, die in einen Sendepfad (173) eingebracht wird,

b) das Verfahren das Einbringen einer zweiten variablen Phasenverschiebung in einen Empfangspfad (179) umfasst,

c) das Gruppenantennensystem (171) in einer Richtung im Sendemodus und in einer umgekehrten Richtung im Empfangsmodus betrieben werden kann, und

d) das Verfahren das unabhängige Einstellen des elektrischen Neigungswinkels des Systems im Sende- und Empfangsmodus umfasst, indem die erste beziehungsweise zweite variable Phasenverschiebung eingestellt wird.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com