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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Absenkung des vertikalen Richtdiagramms einer Sende- und/oder Empfangsantenne für die Mobilkommunikation, bestehend aus einer phasengesteuerten Antennengruppe versehen mit einer Schaltung zur Formung der Richtcharakteristik.
Antennen sind ein wesentliches Element der Funkübertragungsstrecke, insbesondere In der Mobilkommunikation. Derzeitige Mobilkommunikationssysteme, wie sie z. B. von G. W. Lorenz in Vergleich der
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und elektrisch oder rein elektrisch abgesenkt werden kann.
Die der Absenkung zugrundeliegende Idee ergibt sich aus G (e. ) = f (e ). F (e, < ), (1)
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! G (6, < < ') dEinzelelements und F (e. < ) die Gruppencharakteristik der Antennengruppe ist (dieses Prinzip der Diagrammultiplikation Ist z. B. in R. E. Collin, Antennas and Radiowave Propagation, McGraw-Hill 1985, Seite 107-109, beschrieben).
Zur Veränderung der Rlchtcharakteristik (Verschiebung des Maximums) wird bei derzeitigen Antennen
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gemacht. Der Grund dafür liegt darin, dass die Gruppencharakteristik einen weitaus grösseren Einfluss auf das Richtdiagramm der Antennengruppe ausübt als die Rlchtcharakteristik des Einzelelements.
Optimierungen des Richtdiagramms von Gruppenantennen, wie z. B des Vor-Rück-Verhältnisses, können auch durch rein mechnisch-konstruktive Massnahmen wie in der US-Patentschrift Nr. 4 516 132 (Bond, 5 Seiten) erzielt werden.
Zur Absenkung des vertikalen Richtdiagramms stehen Im allgemeinen drei Methoden zur Verfügung :
1) elektrische Absenkung
2) mechanische Schwenkung der Gesamtanordnung
3) aus 1) und 2) kombinierte Verfahren ad 1) Bei elektrischer Absenkung des vertikalen Richtdiagramms werden die Phasen der einzelnen Speiseströme so verändert, dass das Maximum von F (e, < ) in einer anderen Raumrichtung zu liegen kommt, was zu einer Veränderung der Richtcharakteristik führt.
Die Nachteile dieses Verfahrens liegen vor allem in den folgenden Punkten begründet : a) Zunehmende Verbreiterung der Haupkeule bel Absenkung und damit verbundene Gewinnminderung. b) Auftreten zusätzlicher unerwünschter Nebenkeulen, "grating lobes", die aufgrund der Periodizität der
Gruppencharakteristik bei einer Verschiebung derselben ins Gesichtsfeld der Antenne rücken und damit
Leistungsverlust (Gewinnminderung) und zusätzliche Störungen für Nachbarzellen im digitalen Mobilfunk im Sendebetrieb bzw. ein vermindertes Signal-zu-Geräusch-Verhältnis(SRV) und ein verringertes S/ ! (signal to interference ratio, C/t (carrier-to-interference-ratio im Empfangsbetrieb bewirken.
c) Mit zunehmendem Absenkwinkel nehmen die normalen Nebenkeulen des Richtdiagramms unverhält- nismässig stark zu, was ebenfalls zu Störungen für Nachbarzellen im Mobilfunk führt und Leistungsverlust bewirkt. d) Frequenzabhängigkeit des Absenkwinkels aufgrund der Frequenzabhängigkeit der Phasenverschie- bungen, welche nur für die Betriebsfrequenz optimal sind.
Um diese Nachteile gering zu halten, ist es notwendig, grosse Gruppenantennen mit geringen Abständen zwischen den Elementen der Gruppe zu verwenden, wie sie z. B. von Yoshihide Yamada und Makoto
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Systems, IEEEAntennas and Propagation Society, AP-S (1989), p. 138-141 beschrieben sind. ad 2) Bei rein mechanischer Schwenkung der Gesamtanordnung, wie es derzeitig Stand der Technik bei Sektorantennen für den Mobilfunk ist (siehe z. B. die Druckschriften der Firmen Kathrein, Dapa und Celwave), wird die Bezugsebene für die Gruppencharakteristik verändert, was in derselben Form wie bei der elektrischen Absenkung zu einer Änderung der Phasen der Speiseströme gegenüber der ursprünglichen vertikalen Bezugsebene und damit zur Absenkung des sonst unveränderten Richtdiagramms führt.
Da nur die Antennenachse verändert wird, bleibt die Form des Richtdiagramms erhalten, nur "blickt" das Strahlungsmaximum in eine andere Raumrichtung. Diese Form der Absenkung ist im Gegensatz zur elektrischen Absenkung frequenzunabhängig.
Die Nachteile der mechanischen Absenkung liegen im wesentlichen in a) Veränderung der Zellgösse (horizontale Verbreiterung der Flächendeckung der Antenne) mit zuneh- mendem Absenkwinkel
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b) Wesentliche Erhöhung der Abstrahlung in Nachbarzellen (Störemission) c) Geringe Flexibilität und schwierige Durchführung der Absenkung vor Ort aufgrund der Montagehöhe solcher Antennenanordnungen d) Verschlechterte Eigenschaften bezüglich der Windlast e) Eindruck in der Allgemeinheit, dass solche Antennen - weil scheinbar "schlecht montiert" - herunterfal- len könnten ad 3) Kombinierte Verfahren bestehen In der Anwendung beider Prinzipien, wobei die elektrische Absenkung im allgemeinen nicht vor Ort durchgeführt werden kann, sondern bereits bei der Fertigung der Antenne voreingestellt werden muss (siehe z.
B. die Druckschriften der Firmen Kathrein, Dapa und Celwave).
Dass mechanische und elektrische Eigenschaften von Gruppenantennen allgemein miteinander In Beziehung stehen, ist ebenfalls bekannt. In der US-Patentschrift Nr. 4 578 680 (Haupt, 12 Seiten) werden beispielsweise stochastisch auftretende mechanische Fertigungsfehler auf elektrische Welse kompensiert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Absenkung des vertikalen Richtdiagramms einer Antennengruppe so durchzuführen, dass die Vorteile der elektrischen (Flexibilität bei der Absenkung) und mechanischen Absenkung (Frequenzunabhängigkeit) kombiniert, deren Nachteile jedoch eliminiert werden
Dies wird dadurch erreicht, dass die Absenkung des vertikalen Richtdiagramms sowohl durch Schrägstellung der Einzelelemente bezüglich der Gruppenachse um einen für alle Elemente gleichen Winkel ev - (Veränderung der Richtcharakteristik des Einzelelements) bei unveränderter Lage der Gruppenachse erfolgt als auch durch Veränderung der Phasenverschiebung der Anspeiseströme (Änderung der Gruppencharakteristik).
Das vorgeschlagene Verfahren basiert also im wesentlichen auf einer Kombination zweier Schritte zur Absenkung des Richtdiagramms:
1) Schrägstellung der Einzelelemente (Veränderung von f (6, )) und damit Elimination der Nachteile bei rein elektrischer Absenkung des Richtdiagramms.
2) Veränderung der Phasenverschiebung der Speiseströme und damit verbunden eine Absenkung des vertikalen Richtdiagramms (Beeinflussung von F (fJ, c)).
Dabei ist es nicht notwendig, dass für jeden Absenkwinkel die Einzelelemente verändert werden, sondern es kann für bestimmte Bereiche ein bestimmter Schrägstellwinkel der Einzelelemente festgelegt werden, um Nebenkeulen und "Grating Lobes" zu eliminieren. Vorzugsweise ist dieser voreingestellte Schrägstellwinkel gleich der oberen Grenze des gewünschten Absenkbereichs.
Durch individuelle Schrägstellung der Einzelelemente sind auch nachträglich noch Feinkorrekturen eines eingestellten Richtdiagramms möglich.
Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich für jede Art von phasengesteuerten Gruppenantennen. Wie Simulationen zeigten, ist dieses Verfahren insbesonders für relativ kleine Antennen (wenige Elemente) vorteilhaft, welche erstmals aufgrund dieser Modifikation auch für Mobiifunkzwecke eingesetzt werden können. Durch das Schrägstellen der Einzelelemente werden störende Nebenkeulen eliminiert und der Gewinn in Hauptstrahlrichtung solcher Anordnungen um bis zu 2 dB erhöht.
Durch das erfundene Verfahren gelingt es also, die nutzbare Bandbreite deutlich zu erhöhen.
Dieser Vorteil hat in der Mobilkommunikation deswegen so grosse Bedeutung, weil dadurch die Verwendung ein und derselben Antennenelemente für Senden und Empfangen möglich wird. Nach dem Stand der Technik ist das heute nicht der Fall (siehe z. B. die Druckschrift der Firma Kathrein über GSMAntennen).
Ein weitere wesentliche Verbesserung bringt eine Anwendung dieses Verfahrens auf Antennen mit grossen Gewinnen, welche nun bei unveränderten Gewinnen mit einer kleineren Anzahl von Einzelelementen ausgestattet werden können, da "Grating Lobes", welche bei Absenkung der vertikalen Richtcharakteristik aufgrund der grossen Abständen zwischen den Einzelelementen sehr rasch und massiv auftreten, durch das Schrägstellen der Einzelelemente eliminiert werden.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen :
Figur 1 die Grundanordnung
Figur 2 eine rein elektrische Absenkung des Richtdiagramms
Figur 3 das Prinzip der mechanische Absenkung des Richtdiagramms
Figur 4 zeigt die charakteristischen Formen der Richtdiagramme bei mechanischer Absenkung
Figur 5 eine Prinzipskizze des neuartigen Verfahrens
Figur 6 eine Gegenüberstellung des herkömmlichen Verfahres der elektrischen Absenkung und des erfundenen Verfahrens
Figur 7 eine Gegenüberstellung des herkömmlichen Verfahrens der mechanischen Absenkung und des erfundenen Verfahrens
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Allgemein gilt für die dargestellten Richtdiagramme : -) Die Richtdiagramme gelten für eine Frequenz von 900 MHz. Die Skalierung auf andere Frequenzen ist trivial und kann vom Fachmann leicht bewerkstelligt werden.
Eine dargestellte Einheit bel der Skalierung entspricht 10 dB.
-) Die Referenzlme (äusserster Kreis) liegt bel 20 dB Gewinn über dem Isotropstrahler.
Figur 1a zeigt eine phasengesteuerte Gruppenantenne bestehend aus 5 Elementen (10, 11, 12,13, 14), den Phasenschiebern 20, 21, 22, 23 sowie 25,26, 27,28 und dem Leistungsteiler 30. Die Phasenschieber 20, 21,22, 23 dienen zur Grundeinstellung des gewünschten Richtdiagramms, während die Phasenschieber 25, 26, 27,28 zur Aufprägung von Phasenverschiebungen zur Absenkung des Richtdiagramms vorgesehen sind.
In Figur 1 b sind die entsprechenden Richtdiagramme dargestellt. Sie zeigen zwei Schnitte durch die Richtcharakteristik der Anordnung, man erkennt im Vertikaldiagramm die aufgefüllten Nullstellen zwischen 90'6180 und die unterdrückten Nebenkeulen zwischen 0 SiS90 .
Figur 2 zeigt ein um 260 abgesenktes Richtdiagramm der Anordnung aus Figur 1, wobei die Differenz der Phasenverschiebung zweier Einzeleiemente (konsekutive Phasenverschiebung) konstant ist.
In den Diagrammen erkennt man die wesentlich grösseren Nebenkeulen und den damit verbundenen Leistungsverlust sowie die ungünstige Veränderung der Form der Hauptkeule gegenüber Figur 1 b.
Figur 3 zeigt eine Prinzipskizze der mechanischen Absenkung. Man erkennt, dass die gesamte Antennenstruktur 1 gegenüber der vertikalen Achse um den gewünschten Absenkwinkel des Richtdia- gramms/1T verdreht ist, womit die Absenkung erzielt wird.
Figur 4a zeigt die Richtdiagramme bei mechanischer Absenkung.
Figur 4b zeigt anhand der Gegenüberstellung der horizontalen Richtdiagramme für elektrische (10) und mechanische Absenkung (20) den grossen Nachteil mechanischer Schwenkungen der Gesamtanordnung, welche eine wesentliche Verbreiterung des horizontalen Richtdiagramms und damit a) eine veränderte Zellgrösse sowie b) erhöhte Störungsaussendungen in Nachbarzellen bewirken.
Figur 5 zeigt eine Prinzipskizze des erfundenen Verfahrens. Man erkennt die Schrägstellung der Einzelelemente 10, 11, 12,13, 14 gegenüber der Gruppenachse um den Winker os (Vorabsenkung), die weitere Absenkung des Richtdiagramms erfolgt durch konsekutive Phasenverschiebung der Speiseströme.
Ein Vorteil ist, dass die Antenne nun im wesentlichen vertikal montiert werden kann. Sie kann also viel einfacher und wesentlich stabiler an Masten und Gebäuden montiert werden und erweckt auch nicht den
Eindruck, dass sie herabfallen könnte.
Aus Figur 6 erkennt man den wesentlichen Vorteil einer Vorabsenkung gegenüber einem rein elektrisch abgesenkten Richtdiagramm (strichliert dargestellt). Man erkennt, dass die Nebenkeulen bei diesem Beispiel um 10 dB unterdrückt werden und die ursprüngliche Form des Richtdiagramms wiederhergestellt wird.
Figur 7 zeigt den Unterschied zwischen rein mechanischer Absenkung (7a) und dem erfundenen
Verfahren (7b). Man erkennt, dass bei gleichem Absenkwinkel die Zellverbreiterung und damit die Störemis- sionen in Nachbarzellen beim erfundenen Verfahren wesentlich gegenüber den Werten bei rein mechani- scher Absenkung verringert werden konnte.