DE102007062079B4

DE102007062079B4 - Elektronisch steuerbares Antennenfeld

Info

Publication number: DE102007062079B4
Application number: DE102007062079.0A
Authority: DE
Inventors: Dirk Lohmann
Original assignee: IMST GmbH
Current assignee: IMST GmbH
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2027-12-22
Also published as: DE102007062079A1

Abstract

Antennenfeld (1) mit einer Vielzahl von Antennenelementen (6),die auf Knotenpunkten (5) einer Matrix (9) aus n Zeilen (3) und m Spalten (4) angeordnet sind, mit n und m jeweils größer gleich 2, bevorzugt größer als 8, besonders bevorzugt größer als 16,wobei jedem Antennenelement (6) jeweils zumindest eine Kalibriereinheit (7) zugeordnet ist, und jedem Antennenelement (6) eine Zwischenfrequenzeinheit (15) zugeordnet ist, die zumindest einen ersten Signaleingang (16),einen zweiten Signaleingang (17),einen Signalausgang (18),die Kalibriereinheit (7),einen Mischer (19) undeinen Bandpassfilter (20) aufweist,wobei jede Zeile (3) und jede Spalte (4) jeweils durch einen Steuerkanal (8) mit einer Phaseninformation ansteuerbar ist,wobei jedes Antennenelement (6) durch seine jeweilige Kalibriereinheit (7) auf eine Einheitsleistung und Einheitsphase kalibrierbar und durch die Phaseninformationen seiner jeweiligen Zeile (3) und Spalte (4) steuerbar ist, so dass mindestens eine Hauptstrahlrichtung (2) des gesamten Antennenfeldes (1) durch n + m Steuerkanäle (8) veränderbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antennenfeld zum Senden und/oder Empfangen von Signalen
Antennenfelder, die aus einer Vielzahl von einzelnen Antennenelementen bestehen, sind aus der Kommunikationstechnik bekannt. In der mobilen Funktechnik beispielsweise können Antennenfelder eingesetzt werden, um bestimmte Richtcharakteristiken des Antennenfeldes zu erzeugen. Dazu wird jedem Antennenelement ein komplexes Gewicht zugeordnet, das durch eine Phase und eine Amplitude beschreibbar ist. Mit der Einstellung dieser komplexen Gewichte kann eine bestimmte Richtcharakteristik des Antennenfeldes erreicht werden.
In mobilen Funkanwendungen, bei denen sich bewegende Teilnehmer mit einer Basisstation kommunizieren, kann die Richtcharakteristik beispielsweise so ausgebildet werden, dass sich eine Richtkeule in Richtung des zu empfangenden Signals eines bestimmten Teilnehmers bildet und dieser so besser empfangen werden kann als ohne Ausbildung einer Richtkeule. Zusätzlich können mehrere Keulen auf verschiedene Teilnehmer gerichtet werden und somit ein räumliches Multiplexverfahren erreicht werden. Weiterhin können Richtungen, aus denen Störsignale zu erwarten sind, durch ein geeignetes Ausformen der Richtcharakteristik unterdrückt werden. In zeitveränderlichen Kommunikationssystemen ist es auch erforderlich, dass sich die Richtcharakteristik zeitlich verändern kann. Beispielsweise soll eine Richtkeule einem sich bewegenden Teilnehmer folgen können. Dies erfordert jedoch ein ständiges Verändern der komplexen Gewichte aller Antennenelemente.
Ein Verfahren zum Betrieb eines Antennenfeldes in einem mobilen Kommunikationssystem ist beispielsweise aus der DE 100 58 336 A1 bekannt. Darin wird ein Konzept beschrieben, bei dem räumlich gerichtete Abstrahlungen von unterschiedlichen Datenströmen eingesetzt werden, um eine Kanalkapazität zu steigern. Dabei kann auch die Interferenz zwischen mobilen Stationen vermindert werden.
Das Berechnen der komplexen Gewichte der Antennenelemente im Rahmen eines digitalen „Beamformings“ kann in zeitlich veränderlichen Umgebungen einen enormen Rechenaufwand erfordern. Dies bedeutet auch einen enormen Hardwareaufwand bei der Realisierung von solchen Antennenfeldern. Zusätzlich muss jedes komplexe Gewicht an jedem Antennenelement ansteuerbar sein, damit eine gewünschte Richtcharakteristik des Antennenfeldes erreicht werden kann. Besteht ein Antennenfeld aus n Zeilen und m Spalten, wobei jedes komplexe Gewicht eines jeden Antennenelements angesteuert werden muss, dann sind insgesamt n * m Steuerkanäle erforderlich. Je größer die Antennenfelder werden, d. h. je mehr Antennenelemente sie aufweisen, desto größer werden demnach der Hardwareaufwand und der Signalverarbeitungsaufwand zum Berechnen und Einstellen der komplexen Gewichte. Ein komplexes Gewicht besteht aus einer Phase und einer Amplitude. Demnach müssen für ein Feld der Größe n * m insgesamt n * m Phasen und n * m Amplituden bestimmt werden, um eine gewünschte Richtcharakteristik auszubilden. Ein Verändern dieser Richtcharakteristik erfordert ein erneutes Berechnen der n * m komplexen Gewichte sowie das Ansteuern der entsprechenden Antennenelemente. Je mehr Antennenelemente in einem Feld enthalten sind, desto besser kann eine Richtcharakteristik ausgebildet werden und desto besser können die Sende- und Empfangseigenschaften des Feldes sein. Ebenso können große Antennenfelder die Flexibilität von Kommunikationssystemen, beispielsweise durch geeignete Raummultiplexverfahren, verbessern. Da mit der Größe des Feldes aber sowohl der Hardwareaufwand als auch die Komplexität im Hinblick auf die Berechnung der komplexen Gewichte sowie die entsprechende Ansteuerung des Antennenfeldes steigt, ist es wünschenswert, den Hardwareaufwand sowie die Komplexität der Berechnung und der Ansteuerung auch bei großen Antennenfeldern möglichst gering zu halten. GEISE, A. et al.: Smart Antenna Terminals for Broadband Mobile Satellite Communications at Ka-Band. In: 2nd International ITG Conference on Antennas, 2007. S. 199-204; - ISBN 978-3-00-021644-2.
Antennenfelder werden beispielsweise auch in der Radartechnik eingesetzt. Beispielsweise im Automobilbereich, um Entfernungen zu anderen Fahrzeugen zu ermitteln oder auch um Richtungen zu anderen Fahrzeugen zu bestimmen. Im Allgemeinen können mit Antennefeldern Entfernungs- und Richtungsmessungen durchgeführt werden.
Ein bedeutsames Anwendungsgebiet von Antennen mit einstellbarer Richtcharakteristik ist beispielsweise die Satellitenkommunikation oder der Satellitenempfang. Dabei wird beispielsweise eine Parabolantenne auf einen geostationären Satelliten ausgerichtet. Die vom Satelliten gesendeten Daten können erst dann empfangen werden, wenn die Hauptkeule der Parabolantenne ausreichend genau auf den Satelliten ausgerichtet ist. Ein Bewegen der Parabolantenne an einen anderen Ort erfordert ein erneutes Ausrichten dieser Antenne. Um einen mobilen Satellitenempfang, beispielsweise in Autos, Flugzeugen oder Zügen, zu ermöglichen, ist es daher wünschenswert, die Hauptkeule einer Empfangsantenne adaptiv auf den zu empfangenden geostationären Satelliten, auch bei der Bewegung, auszurichten. Auch eine solche Aufgabenstellung kann mit einem Antennenfeld, dessen Hauptkeule adaptiv eingestellt werden kann, gelöst werden.
Um einen erforderlichen Antennengewinn zu erhalten, der zum Empfang von Fernsehsignalen von einem geostationären Satelliten nötig ist, besitzen handelsübliche Parabolantennen einen vergleichsweise großen Durchmesser, beispielsweise etwa 50 bis 100 cm. Wird zum Empfang anstelle einer solchen Parabolantenne ein Antennenfeld, das eine Vielzahl von Antennenelementen aufweist, verwendet, so sind die Dimensionen des Antennenfeldes, die nötig sind, um einen vergleichbaren Antennengewinn zu erzielen, in der gleichen Größenordnung wie die Dimensionen der entsprechenden Parabolantennen. Dabei sind die einzelnen Antennenelemente im Abstand von etwa λ/2 zueinander angeordnet, wobei λ die Wellenlänge eines Empfangssignals ist. Der Frequenzbereich der betrachteten Satellitenkommunikation liegt beispielsweise im Bereich von 6 bis 60 GHz. Das bedeutet, dass die betrachteten Wellenlängen beispielsweise etwa im Bereich 5 bis 0,5 cm liegen. Bei einem quadratischen Feld der Größe 50 cm und einer Wellenlänge von 1 cm werden demnach ca. 10 000 Antennenelemente benötigt. Diese Antennenelemente müssen dann einzeln mit beispielsweise Amplituden und Phaseninformationen angesteuert werden, um eine geeignete Richtcharakteristik des Antennenfeldes einstellen bzw. verändern zu können. Dies führt speziell bei solchen großen Antennenfeldern zu einem enormen Aufwand und einer großen Komplexität im Hinblick auf die benötigte Signalverarbeitung und Hardware.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Einstellen einer Hauptstrahlrichtung eines Antennenfeldes, welche die mit dem Stand der Technik bekannten Probleme zumindest teilweise lösen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Antennenfeld mit steuerbarer Hauptstrahlrichtung anzugeben, wobei ein im Vergleich zum Stand der Technik geringerer Aufwand nötig ist. Insbesondere soll der Hardware- und Softwareaufwand für ein entsprechendes Antennensystem reduziert werden. Dabei sollen insbesondere die Anzahl der nötigen Steuerkanäle verringert werden, die Basisbandverarbeitung vereinfacht werden, sowie eine kostengünstigere Realisierung ermöglicht werden. Weiterhin soll erreicht werden, dass die Geschwindigkeit und/oder die Genauigkeit mit der eine neue Hauptstrahlrichtung eingestellt wird, zum einen erhöht wird und zum anderen veränderbar bzw. einstellbar ist.
Die oben genannte Aufgabe wird durch ein Antennenfeld gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängig formulierten Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung und anhand der Zeichnungen näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Antennenfeld mit einer Vielzahl von Antennenelementen, die auf Knotenpunkten einer Matrix aus n Zeilen und m Spalten angeordnet sind, mit n und m jeweils größer gleich 2, bevorzugt größer als 8, besonders bevorzugt größer als 16, wobei jedem Antennenelement jeweils zumindest eine Kalibriereinheit zugeordnet ist, wobei jede Zeile und jede Spalte jeweils durch einen Steuerkanal mit einer Phaseninformation ansteuerbar ist. Dabei ist jedes Antennenelement durch seine jeweilige Kalibriereinheit auf eine Einheitsleistung und Einheitsphase kalibrierbar und durch die Phaseninformation seiner jeweiligen Zeile und Spalte steuerbar, so dass eine Hauptstrahlrichtung des gesamten Antennenfeldes durch n + m Steuerkanäle veränderbar ist.
Unter Antennenelementen sind Elemente zu verstehen, die elektromagnetische Wellen abstrahlen oder empfangen können. Die Antennenelemente weisen vorzugsweise in etwa eine Kugelcharakteristik bzw. Halbkugelcharakteristik auf. Eine solche Charakteristik ermöglicht einen möglichst großen Schwenkbereich der Hauptstrahlrichtung. Wenn mehrere solcher Antennenelemente zum Senden und/oder Empfangen von Signalen zusammenwirken, spricht man von einem Antennenfeld. In einem solchen Antennenfeld spielt die Lage der Antennenelemente zueinander eine wesentliche Rolle für die Arbeitsweise des Antennenfeldes beim Senden und Empfangen von Signalen. Um die Lage der Antennenelemente zueinander beschreiben zu können und um die einzelnen Antennenelemente identifizieren zu können, wird eine Matrix eingeführt. Diese Matrix umfasst n Zeilen und m Spalten. Die Punkte, an denen sich die Zeilen und Spalten der Matrix kreuzen, werden als Knotenpunkte bezeichnet. Die Abstände zwischen verschiedenen Knotenpunkten sind beliebig zu wählen. Weiterhin können die Knotenpunkte der Matrix beliebig in einem dreidimensionalen Raum angeordnet werden. Jedes Antennenelement ist einem Knotenpunkt der Matrix zugeordnet und somit eindeutig durch ein Indexpaar n, m bestimmbar. Nicht jedem Knotenpunkt muss ein Antennenelement zugeordnet werden. Für jedes Antennenelement wird eine Kalibriereinheit verwendet, mit der die Leistung und die Phase des zu sendenden Signals bzw. des zu empfangenden Signals eines jeden Antennenelements kalibriert werden können. Die Kalibriereinheiten der einzelnen Antennenelemente sind vorzugsweise so einzustellen, dass jedes Antennenelement den gleichen Kanal sieht, d. h., dass Signale an jedem Antennenelement mit gleicher Amplitude und Phase verarbeitet werden. Dies wird durch das Kalibrieren auf eine Einheitsphase und eine Einheitsleistung erreicht. Dass jedes Antennenelement den gleichen Kanal sieht, bedeutet demnach, dass jedes Antennenelement auf eine Einheitsleistung und Einheitsphase kalibriert ist. Die Antennenelemente müssen nur selten kalibriert werden, das heißt beispielsweise nur einmalig beim Start des Systems bzw. nur wenige Male an einem Tag. Demnach können die Kalibriereinheiten durch langsame und somit auch kostengünstige Bauteile realisiert werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Kalibriereinheiten auf der Seite der digitalen Signalverarbeitung, auf den Antennenelementen oder im Hochfrequenz-Teil des Antennenfeldes zu realisieren. Im Allgemeinen können verschiedene Einheiten durch eine entsprechende Hardware oder durch eine entsprechende Berechnung in einem Signalverarbeitungschip realisiert werden. Jede Zeile und jede Spalte der Matrix lässt sich durch jeweils einen Steuerkanal ansteuern. Das bedeutet, dass für eine Matrix mit n * m Antennenelementen insgesamt n + m Steuerkanäle ausreichend sind. Über diese Steuerkanäle erhalten die einzelnen Antennenelemente Phaseninformationen des zu sendenden bzw. des zu empfangenden Signals. Für jedes Antennenelement werden die Phaseninformationen der entsprechenden Zeile und Spalte, die das jeweilige Antennenelement definieren, aufaddiert. Dies kann durch eine sogenannte Mischung, die einer Multiplikation der Signale entspricht, geschehen. Denn eine Multiplikation von Signalen bewirkt unter anderem eine Addition der Phasen der Signale. Die Phaseninformationen der Zeilen und Spalten sind so gewählt, dass das Antennenfeld eine Hauptstrahlrichtung ausbildet. Die Hauptstrahlrichtung beschreibt eine Richtung aus der Signale bevorzugt empfangen werden können bzw. eine Richtung in die Signale bevorzugt gesendet werden können. Weiterhin kann an den Kalibrierelementen eine Amplitude für jedes Antennenelement eingestellt werden. Die geschieht beispielsweise unter der Maßgabe Nebenkeulen der Richtcharakteristik zu verkleinern oder Signale aus bestimmten Richtungen zu unterdrücken.
Ein wesentlicher Vorteil dieses Antennenfeldes besteht darin, dass die Hauptstrahlrichtung des gesamten Antennenfeldes ausschließlich durch Phaseninformationen die zeilenweise und spaltenweise, d. h. über n + m Steuerkanäle bereitgestellt werden, steuerbar ist. Da an die Kalibriereinheiten nur sehr geringe Geschwindigkeitsanforderungen gestellt werden, können diese durch sehr kostengünstige Bauteile realisiert werden. Die Phaseninformationen können im Vergleich zu den Kalibriereinheiten sehr häufig verändert bzw. aktualisiert werden. Damit kann eine zügige Veränderung der Hauptstrahlrichtung erreicht werden. Mit der Höhe der Aktualisierungsrate der Phaseninformationen in den Steuerkanälen der jeweiligen Zeilen und Spalten kann die Geschwindigkeit zur Veränderung der Hauptstrahlrichtung bestimmt werden. Für die Veränderung der Hauptstrahlrichtung sind keine Amplitudeninformationen in den Steuerkanälen nötig. Eine Amplitudeninformation können die einzelnen Elemente ausschließlich durch die entsprechende Kalibriereinheit erhalten.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Antennenfeld als Sender und/oder als Empfänger betreibbar.
Wird das Antennenfeld als Sender verwendet, bedeutet dies, dass Signale von den Antennenelementen abgestrahlt werden können. Wird das Antennenfeld als Empfänger betrieben, werden von den Antennenelementen Signale aufgenommen. Ein Antennenfeld kann entweder nur als Sender, nur als Empfänger oder als Sender und Empfänger betrieben werden. Wird es gleichzeitig als Sender und Empfänger betrieben, dann kann ein geeignetes Duplexverfahren, z. B. Zeitduplex-, Frequenzduplex- oder Raumduplexverfahren, verwendet werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Matrix in Teilmatrizen zerlegt, vorzugsweise in Teilmatrizen bestehend aus 4 * 4 Antennenelementen, wobei die Teilmatrizen beliebig im Raum, insbesondere auf gekrümmten Flächen, angeordnet werden können.
Eine Teilmatrix ist ein beliebiger Ausschnitt aus der Matrix. Sie enthält also eine Teilmenge aller Knotenpunkte der Matrix. Jede dieser Teilmatrizen kann beliebig im Raum angeordnet werden. Damit kann z. B. der mögliche Bereich, in dem sich die Hauptstrahlrichtung bewegt, vergrößert werden. Ebenso kann bei der Herstellung großer Antennenfelder eine vereinfachte Produktion erreicht werden, wenn große Antennenfelder durch kleine Teilmatrizen aufgebaut werden. Weiterhin ermöglicht der Aufbau des Antennenfeldes in Teilmatrizen, dass das Antennenfeld auch auf gekrümmten Flächen befestigt werden kann. Die einzelnen Teilmatrizen können dann in einer Ebene liegen. Zwischen den Teilmatrizen besteht allerdings ein Winkel, so dass sich das gesamte Antennenfeld an gekrümmte Flächen anpassen kann.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Matrix in wenigstens einer Ebene angeordnet und/oder es liegen zwischen den Knotenpunkten entlang der Zeilen und/oder Spalten im Wesentlichen gleiche Abstände.
Eine Ebene beschreibt hier eine im Wesentlichen nicht gekrümmte Fläche. Eine Anordnung der Antennenelemente auf Knotenpunkten, die in einer Ebene liegen und in etwa gleich beabstandet sind, können zu einer guten Empfangs- und Sendequalität führen sowie zu einer platzsparenden und kostengünstigen Herstellung.
In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Antennenelemente eine bevorzugte, insbesondere im Wesentlichen kegelförmige, Einzelstrahlrichtung auf.
Bei der Kommunikation von einem Satelliten aus gesehen in Richtung eines Kommunikationspartners, der sich auf der Erde befindet, reicht es aus, dass die Hauptstrahlrichtung des Antennenfeldes des Satelliten nur um einen vergleichsweise kleinen Winkel, beispielsweise 15°, einstellbar ist. In diesem Winkelbereich kann jeder Punkt der Erde, vom Satelliten aus gesehen, erreicht werden. In einem solchen Fall kann es sinnvoll sein, dass die Einzelelemente keine im Wesentlichen kugelförmige bzw. halbkugelförmige Charakteristik aufweisen, sondern eine bevorzugte, insbesondere im Wesentlichen kegelförmige, Einzelstrahlrichtung. Denn so kann sich der Gewinn des Antennenfeldes gemäß dem genannten Beispiel erhöhen.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Kalibriereinheit über einen Digital-Analog-Wandler angesteuert. Ein Digital-Analog-Wandler setzt digitale Signale zu analogen Signalen um. Unter Verwendung eines solchen Wandlers kann eine anlog anzusteuernde Kalibriereinheit digital angesteuert werden. Die Auflösung, d. h. die Schrittweite der einzelnen Kalibrierstufen, ist durch die Anzahl der verwendeten Steuerbits bestimmt. Die Verwendung einer digital anzusteuernden Kalibriereinheit ermöglicht ein einfaches und elektronisch steuerbares Kalibrieren.
Jedem Antennenelement ist eine Zwischenfrequenzeinheit zugeordnet, die zumindest einen ersten Signaleingang, einen zweiten Signaleingang, einen Signalausgang, die Kalibriereinheit, einen Mischer und einen Bandpassfilter aufweist.
Nach der Verarbeitung von Signalen im Basisband werden diese Signale vor dem Senden über eine Antenne auf einen höheren Frequenzbereich gemischt. Dieser wird als Zwischenfrequenzbereich beschrieben. Signale, die in diesem Zwischenfrequenzbereich liegen, können in einer Zwischenfrequenzeinheit verarbeitet werden. Ein Mischer beschreibt einen Bauteil bzw. einen Vorgang, der die Frequenz eines Signals und/oder die Phase eines Signals ändern kann. Ein Bandpassfilter ist ein Filter, der Signale, die in einem bestimmten Frequenz-Bandbreitebereich liegen, durchlässt, während er Signale außerhalb dieser Bandbreite herausfiltert. Eine solche Zwischenfrequenzeinheit dient z. B. auch dem Aufbereiten eines Signals, das von der Antenne empfangen wird oder das der Antenne bereitgestellt wird. Ein solches Signal wird über einen zweiten Signaleingang einem Mischer, einer Kalibriereinheit und einem Bandpassfilter zugeführt. Der Mischer erhält über einen ersten Signaleingang ein weiteres Signal einer bestimmten Frequenz und Phase, damit er die erforderliche Mischfunktion, wie beispielsweise das Aufwärtsmischen, das Abwärtsmischen oder das Ändern der Phase durchführen kann. Die Durchführung der Kalibrierung im Zwischenfrequenzbereich stellt eine kostengünstige und effiziente Möglichkeit der Kalibrierung dar. Die Kalibrierung kann aber ebenso auf der Seite der digitalen Signalverarbeitung oder direkt im Hochfrequenzmodul an den Antennenelementen durchgeführt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der jeweils erste Signaleingang der Zwischenfrequenzeinheiten mit einer Frequenzerzeugungseinheit verbunden. Die Frequenzerzeugungseinheit weist zumindest eine Einstelleinheit, zumindest einen, vorzugsweise digitalen, Frequenzgenerator und vorzugsweise zumindest einen Mischer auf.
Die Frequenzerzeugungseinheit dient dem Bereitstellen von LO-Frequenz-Signalen. Die bereitgestellten Signale können sich in ihrer Phase unterscheiden. Diese Phasenunterschiede bewirken eine Ablenkung der Hauptstrahlrichtung in eine bestimmte Richtung. Daher kann durch die Einstellung der Phase der einzelnen LO-Frequenz-Signale eine gewünschte Ablenkung der Hauptstrahlrichtung in eine Richtung erreicht werden. Eine entsprechende Frequenzerzeugungseinheit kann beispielsweise mit Einstelleinheiten, mit vorzugsweise digitalen Frequenzgeneratoren und mit Mischern aufgebaut werden. Dabei dient der Frequenzgenerator dem Bereitstellen eines Signals von beispielsweise 14 MHz. Anstelle der Verwendung eines Frequenzgenerators kann der Frequenzerzeugungseinheit auch extern ein entsprechendes Signal von beispielsweise 14 MHz zugeführt werden. Die Einstelleinheiten können diesem Signal verschiedene Amplituden und Phasen aufprägen. Die Amplituden der Signale können von den Einstelleinheiten auch so angepasst werden, dass die Dämpfung des Signalpfades, den das jeweilige Signal durchläuft, ausgeglichen wird. Die Frequenzerzeugungseinheit kann mehrere Signale derselben Frequenz, aber mit unterschiedlicher Phase und Amplitude bereitstellen. Mit den Mischern kann ein Hochsetzen der Frequenz der Signale erreicht werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der jeweils zweite Signaleingang der Zwischenfrequenzeinheit mit einer Ablenkungseinheit verbunden, wobei die Ablenkungseinheit zumindest eine Signalverarbeitungseinheit und je Spalte zumindest eine Einstelleinheit aufweist.
In der Signalverarbeitungseinheit kann beispielsweise ein zu sendendes Signal im Basisband verarbeitet werden. Dann stellt die Signalverarbeitungseinheit ein Signal zur Verfügung, das für jede Spalte des Antennenfeldes mit unterschiedlicher Amplitude und/oder Phase beaufschlagt wird. Dies wird durch die Einstelleinheiten erreicht. Da das zu sendende Signal für jede Spalte mit unterschiedlicher Phase ausgestattet ist, kann eine Ablenkung in eine Richtung, beispielsweise eine X-Richtung, erreicht werden. Die Ablenkungseinheit bewirkt damit durch Einstellen der Einstelleinheiten ein Ablenken des zu sendenden Signals in eine bestimmte Richtung.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die zweiten Signaleingänge der Zwischenfrequenzeinheiten einer Spalte mit einer Verarbeitungseinheit verbunden. Die Verarbeitungseinheit weist zumindest einen ersten Signaleingang, zumindest einen zweiten Signaleingang, zumindest einen Signalausgang und einen Mischer auf.
In dieser Verarbeitungseinheit können Signale im Zwischenfrequenzbereich verarbeitet werden. Beispielsweise können in dieser Verarbeitungseinheit dem ersten Signaleingang ein erstes und dem zweiten Signaleingang ein zweites Signal zugeordnet werden, wobei die beiden Signale in der Verarbeitungseinheit einem Mischer zugeführt werden und das so gemischte Signal einem Ausgang zugeführt wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der jeweils erste Signaleingang der Verarbeitungseinheiten mit einer Frequenzerzeugungseinheit verbunden. Der jeweils zweite Signaleingang der Verarbeitungseinheit ist mit einer Signalquelle verbunden und der Signalausgang der Verarbeitungseinheit einer Spalte ist mit den zweiten Signaleingängen der Zwischenfrequenzeinheit derselben Spalte verbunden.
Die Signalquelle kann beispielsweise ein Signal erzeugen, das Informationen, die zu übertragen sind, enthält. Dieses Signal wird dann den jeweils zweiten Eingängen der Verarbeitungseinheit zugefügt. Eine Ablenkung beispielsweise in X-Richtung kann dann erreicht werden, indem den zweiten Eingängen der Verarbeitungseinheiten jeder Spalte jeweils LO-Frequenz-Signale mit unterschiedlicher Phase und/oder Amplitude zugeführt werden. Über einen Mischvorgang kann dann für jede Spalte ein Signal erzeugt werden, welches über die jeweiligen Signalausgänge der Verarbeitungseinheiten den entsprechenden Zwischenfrequenzeinheiten zugeführt wird. Dieses Signal kann dann die zu sendende Information sowie die gewünschte Ablenkung in beispielsweise X-Richtung sowie auch eine geeignete Frequenz für die Verarbeitung in den Zwischenfrequenzeinheiten enthalten. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Ablenkung in beispielsweise Y-Richtung und die Ablenkung in beispielsweise X-Richtung durch baugleiche Frequenzerzeugungseinheiten erzeugt werden können.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Zwischenfrequenzeinheit zusätzlich zumindest einen Verstärker auf. Wird das Antennenfeld als Empfänger betrieben, ist es insbesondere nötig, empfangene Signale, die im Allgemeinen einen sehr niedrigen Pegel aufweisen, zu verstärken. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, die Zwischenfrequenzeinheit mit einem entsprechenden Verstärker auszustatten. Dieser kann beispielsweise beim Empfang eines Signals zum Verstärken des von der Antenne bereitgestellten Signals verwendet werden. Ebenso können aber bei einem als Sender verwendeten Antennenfeld Verstärker notwendig sein, um beispielsweise ein gefordertes Signal-Rauschverhältnis zu erreichen, eine bestimmte Signalqualität sicherzustellen oder um einen gewünschten Sendepegel zu erreichen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der jeweils zweite Signaleingang der Zwischenfrequenzeinheiten mit dem zugeordneten Antennenelement verbunden, wobei die zweiten Signalausgänge der Zwischenfrequenzeinheiten einer jeden Spalte jeweils zumindest mit einer Addiereinheit verbunden sind.
Die Addiereinheit dient dazu, mehrere Signale von verschiedenen Signalpfaden aufzuaddieren. Dies kann z. B. durch das Zusammenführen von Leitungen geschehen oder aber auch durch ein entsprechendes Bauteil zur Addition von beispielsweise digitalen Signalen. Ebenso kann eine Additionsoperation durch eine Software beschrieben werden, die beispielsweise in einem digitalen Signalprozessor ausgeführt wird. Ein solches Antennenfeld kann beispielsweise als Empfänger betrieben werden. Die Addiereinheiten können dann dazu genutzt werden, Signale aus den Signalausgängen der Zwischenfrequenzeinheiten, die zu einer Spalte gehören, aufzuaddieren. Unter Nutzung von Addiereinheiten können demnach aufaddierte Spaltensignale auf einfache Weise bereitgestellt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Addiereinheiten mit einer Empfangseinheit verbunden, die zumindest eine Einstelleinheit je Spalte und zumindest eine weitere Addiereinheit aufweist.
In der Empfangseinheit können die Spaltensignale von den Addiereinheiten weiterverarbeitet werden. Jedes Spaltensignal kann einer Einstelleinheit zugefügt werden, mit der die Amplitude und/oder die Phase eines der Spaltensignale verändert werden kann. Durch das Einstellen insbesondere der Phase kann eine Ablenkung in eine Richtung, insbesondere in die X-Richtung, erreicht werden. Auf diese Art wird eine bevorzugte Empfangsrichtung festgelegt. Nach der Einstellung der Amplitude und/oder Phase der Spaltensignale werden die eingestellten Spaltensignale aufaddiert bzw. zu einem Gesamtsignal zusammengefügt. Dieses Gesamtsignal beschreibt das Signal, das aus einer bestimmten Richtung empfangen worden ist. Die Richtung wurde durch die Phaseninformation an den verwendeten Einstelleinheiten definiert. Dieses Signal steht zur weiteren Bearbeitung, vorzugsweise im Basisband, bereit. Durch das Einstellen der Phase der Spaltensignale in der Empfangseinheit kann ein einfaches Ablenken in eine Richtung, insbesondere in die X-Richtung, erreicht werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung werden Addiereinheiten mit einem zweiten Signaleingang der Verarbeitungseinheit verbunden, wobei die Verarbeitungseinheit zumindest einen ersten Signaleingang, zumindest einen zweiten Signaleingang, zumindest einen Signalausgang und zumindest einen Mischer aufweist.
Beispielsweise können die Spaltensignale den jeweils zweiten Signaleingang der Verarbeitungseinheit jeder Spalte zugeführt werden. Den jeweils ersten Eingängen der Verarbeitungseinheiten können LO-Frequenz-Signale unterschiedlicher Phase zugeführt werden, die beispielsweise von einer Frequenzerzeugungseinheit erzeugt worden sind. Der jeweilige Mischer in der jeweiligen Verarbeitungseinheit führt ein Mischen der Signale des ersten und zweiten Signaleingangs durch und gibt im Falle des Empfangsbetriebes ein herunter gemischtes Ausgangssignal je Spalte aus. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Ablenkung in eine erste Richtung, beispielsweise in Y-Richtung, und die Ablenkung in eine zweite Richtung, beispielsweise in X-Richtung, durch baugleiche Frequenzerzeugungseinheiten erreicht wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der jeweils erste Signaleingang der Verarbeitungseinheiten mit einer Frequenzerzeugungseinheit verbunden und die Signalausgänge der Verarbeitungseinheiten werden einer Addiereinheit zugeführt.
Die Frequenzerzeugungseinheit kann jeder Verarbeitungseinheit ein LO-Frequenz-Signal unterschiedlicher Amplitude und Phase zuordnen. Die Wahl der jeweiligen Phase des jeweiligen LO-Frequenz-Signals definiert die Ablenkung des Empfangssignals in eine Richtung, insbesondere eine X-Richtung. Die Ausgänge der Verarbeitungseinheit können ein Signal bereitstellen, das aus einer Mischung eines Spaltensignals und eines zugehörigen LO-Frequenz-Signals erzeugt wird. Im Falle des Empfangsbetriebs liegt ein Heruntermischen des Spaltensignals vor. Durch ein Aufaddieren der Signale, die in den Signalausgängen der Verarbeitungseinheiten vorhanden sind, kann ein Gesamtausgangssignal erzeugt werden, das die Information des Empfangssignals aus einer bestimmten Richtung trägt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist für jedes Antennenelement mit dem Indexpaar (n,m) zumindest ein Mischer vorgesehen, der die Steuersignale der zugehörigen Zeile n und Spalte m multipliziert.
Das Indexpaar (n,m) bezeichnet einen Knotenpunkt der Matrix, dem ein Antennenelement zugeordnet sein kann. Dieses Antenneelement ist über den Steuerkanal der Zeile n und den Steuerkanal der Spalte m ansteuerbar. Die Phaseninformation für jedes Antenneelement (n,m) zur Bildung einer Hauptstrahlrichtung wird so zerlegt, dass eine Addition der Phase, die dem Steuerkanal der Zeile n zugeordnet ist, mit der Phase, die dem Steuerkanal der Spalte m zugeordnet ist, die Phaseninformation zur Bildung der Hauptstrahlrichtung für das Antennenelement (n,m) bestimmt. Dann ist eine Addition der Phasen des Steuerkanals der Zeile n und der Phase des Steuerkanals der Spalte m nötig für jedes Antennenelement, um die Hauptstrahlrichtung des Antennenfeldes auszubilden. Die Addition der Phasen kann durch eine Multiplikation der Steuersignale in den Steuerkanälen, die beispielsweise mit einem Mischer durchgeführt wird, erreicht werden.
Die entsprechende Zerlegung der Phaseninformation für jedes Antennenelement zusammen mit der Addition der Phasen durch Multiplikation der entsprechenden Steuersignale kann zu einer geringeren Komplexität der benötigten Signalverarbeitung und Hardware führen.
Bei Verfahren zur elektronischen Einstellung einer Hauptstrahlrichtung eines Antennenfeldes, die im Stand der Technik genannt sind, wird zur Ausbildung einer gewünschten Charakteristik eines Antennenfeldes im Allgemeinen jedem Antennenelement ein komplexes Gewicht, das mit einer Amplitude und einer Phase beschreibbar ist, zugeordnet. Durch das Einstellen dieser komplexen Gewichte ist ein Verändern der Richtcharakteristik des Antennenfeldes möglich. Hier wird hingegen erlaubt, eine Hauptstrahlrichtung des Antennenfeldes mit ausschließlich Phaseninformationen anzusteuern und damit eine Änderung der Hauptstrahlrichtung zu bewirken. Weiterhin wird jeder Zeile und jeder Spalte jeweils eine eigene Phaseninformation zugeordnet. Somit sind n + m Steuerkanäle ausreichend, um eine Hauptstrahlrichtung auszubilden. Bekannte Verfahren erfordern n * m Steuerkanäle, um n * m Antennenelemente mit Phaseninformation und Amplitudeninformationen ansteuern zu können. Voraussetzung für die Ansteuerung mit geringem Aufwand ist, dass die einzelnen Antennenelemente zumindest einmalig kalibriert werden, bzw. auf eine Einheitsleistung und eine Einheitsamplitude kalibriert werden, so dass sich für jedes Antennenelement ein gleicher Kanal ergibt. Weiterhin kann an den Kalibrierelementen eine Amplitude für jedes Antennenelement eingestellt werden. Die geschieht beispielsweise unter der Maßgabe Nebenkeulen der Richtcharakteristik zu verkleinern oder Signale aus bestimmten Richtungen zu unterdrücken.
Eine Geschwindigkeit bzw. eine Genauigkeit beim Einstellen der Hauptstrahlrichtung hängt von einer Aktualisierungsrate der Phaseninformationen in den Steuerkanälen ab.
Die Kalibrierung der einzelnen Antennenelemente auf einen gleichen Kanal, d.h. auf eine Einheitsleistung und eine Einheitsphase muss im Vergleich zum Aktualisieren der Phaseninformation in den Steuerkanälen nur sehr selten durchgeführt werden. Beispielsweise kann es ausreichen, ein Kalibrieren nur einmal täglich durchzuführen, während die Phaseninformationen in den Steuerkanälen beispielsweise mit einer Rate im KHz-Bereich aktualisiert werden können. Das bedeutet auch, dass die Bauteile und/oder Verfahren zur Einstellung der Kalibrierung langsam und damit kostengünstig realisiert werden können. Das Aktualisieren der Phaseninformationen wird häufiger durchgeführt. Im Unterschied zu im Stand der Technik bekannten Verfahren, werden im Gegensatz zu Amplituden- und Phaseninformationen für jedes Antennenelement nur Phaseninformationen zeilen- und spaltenweise zur Verfügung gestellt. Ein zusätzliches zur Verfügung Stellen von Amplitudeninformationen kann die Richtcharakteristik des Antennenfeldes weiter optimieren. Die Phaseninformationen in den Steuerkanälen stellen die Hauptstrahlrichtung des Antennenfeldes ein. Je höher die Aktualisierungsrate der Phaseninformation in den Steuerkanälen ist, desto schneller kann ein Einstellen bzw. Umstellen der Hauptstrahlrichtung erfolgen. Somit können mit der Aktualisierungsrate die Geschwindigkeit bzw. die Genauigkeit beim Einstellen der Hauptstrahlrichtung und auch die Geschwindigkeit der Bewegung der Hauptstrahlrichtung bestimmt werden.
Phaseninformationen und/oder Amplitudeninformationen auf den n + m Steuerkanälen werden zur Steuerung des Antennenfeldes verwendet.
Die Verwendung von zusätzlichen Amplitudeninformationen ermöglicht einen weiteren Freiheitsgrad, der helfen kann, die Charakteristik des Antennenfeldes weiter zu optimieren. Um jedoch die Anzahl der Steuerkanäle nicht weiter zu erhöhen, werden in einer Ausgestaltungsform des Verfahrens Amplitudeninformationen, ebenso wie die Phaseninformationen, nur zeilenweise und/oder spaltenweise zur Verfügung gestellt.
Ein Kalibrieren, insbesondere das Kalibrieren eines jeden Antennenelementes auf eine Einheitsphase und Einheitsleistung, wird nach dem Einschalten und/oder nach einer Veränderung eines Systemparameters, insbesondere der Temperatur, insbesondere eine Veränderung um 10 °C, und/oder nach der Fertigung und/oder zu bestimmten Zeitpunkten, die vorzugsweise einige Minuten, besonders bevorzugt einige Stunden auseinander liegen, durchgeführt.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Kalibrierung, mit der eine Einheitsphase und Einheitsleistung für jedes Antenneelement eingestellt werden kann und/oder auch eine Unterdrückung von Nebenkeulen erreicht werden kann nur sehr selten durchgeführt werden muss, während die Veränderung der Hauptstrahlrichtung deutlich häufiger über die Phaseninformationen in den Steuerkanälen erreicht wird. Besonders geeignet ist es, das Kalibrieren nur einmalig nach dem Einschalten oder nach der Fertigung durchzuführen. Änderungen von Systemparametern, wie beispielsweise der Temperatur, können ein erneutes kalibrieren erfordern. Beispielsweise ist es geeignet, eine erneute Kalibrierung nach einer Temperaturveränderung von 10 °C durchzuführen. Eine einfache Steuerung der Kalibrierung wird auch erreicht, wenn das Kalibrieren in bestimmten zeitlichen Abständen erfolgt, bevorzugt in Abständen von einigen Minuten, besonders bevorzugt in Abständen von einigen Stunden.
Für die Steuerung der Hauptstrahlrichtung des Antennefeldes wird für jedes Antennenelement mit dem Indexpaar (n,m) eine Addition der Phasen der zugehörigen Zeile n und Spalte m durchgeführt.
Die Phaseninformation für jedes Antennenelement (n,m) ist so zerlegt, dass mit einer Addition der Phasen des Steuerkanals der Zeile n und der Phase des Steuerkanals der Spalte m für jedes Antennenelement die Hauptstrahlrichtung des Antennenfeldes auszubilden. Die Addition der Phasen kann durch eine Multiplikation der Steuersignale in den Steuerkanälen erreicht werden. Die entsprechende Zerlegung der Phaseninformation für jedes Antennenelement zusammen mit der Addition der Phasen entsprechenden Steuersignale kann zu einer geringeren Komplexität der benötigten Verfahrensschritte führen.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nun anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Figuren veranschaulichten Ausführungsvarianten die Erfindung nicht beschränken. Es zeigen schematisch:

1: ein erfindungsgemäßes Antennenfeld,
2: den Aufbau einer erfindungsgemäßen Zwischenfrequenzeinheit,
3: eine Topologie eines erfindungsgemäßen Antennenfeldes, das als Sender betrieben wird,
4: eine zweite Topologie eines erfindungsgemäßen Antennenfeldes, das als Sender betrieben wird,
5: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zwischenfrequenzeinheit,
6: eine erste Topologie eines erfindungsgemäßen Antennenfeldes, das im Empfangsmodus betrieben wird,
7: eine zweite Topologie eines erfindungsgemäßen Antennenfeldes, das im Empfangsmodus betrieben wird,
8: eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer Verarbeitungseinheit und
9: eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform einer Verarbeitungseinheit.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Antennenfeld 1 mit einer Vielzahl von Antennenelementen 6, denen Knotenpunkte 5 einer Matrix 9 zugeordnet sind. Die Matrix 9 ist aus Zeilen 3 und Spalten 4 aufgebaut. Jeder Zeile 3 und jeder Spalte 4 wird je ein Steuerkanal 8 zugeordnet. Jedem Knotenpunkt 5 der Matrix 9 ist ein Kalibrierelement 7 und ein Antennenelement 6 zugeordnet. Die Matrix 9 kann in Teilmatrizen 27 der Größe 2 * 2 zerlegt werden. Die Kalibrierelemente 7 dienen dazu, die Antennenelemente 6 so einzustellen, dass jedes der Antennenelemente 6 den gleichen Kanal sieht, das bedeutet, dass jedes Antennenelement 6 ein Signal mit gleicher Amplitude und gleicher Phase verarbeitet. Daher kann mit jeder Kalibriereinheit 7 an jedem Antennenelement 6 eine Einheitsphase und eine Einheitsleistung eingestellt werden. Für den Fall einer mobilen Kommunikation mit einem geostationären Satelliten ist es nötig, dass eine Hauptstrahlrichtung 2 des Antennenfeldes 1 einstellbar ist bzw. dem Satelliten folgen kann. Das Verändern der Hauptstrahlrichtung 2 wird nicht durch die Kalibrierelemente 7 erreicht, sondern durch ein Ansteuern der Antennenelemente 6 über die Steuerkanäle 8. Für jede Zeile 3 und jede Spalte 4 des Antennenfeldes 1 steht je ein Steuerkanal 8 zur Verfügung. Für jede Zeile 3 und jede Spalte 4 wird eine Phaseninformation zur Verfügung gestellt. Jedes Antennenelement 6 nutzt die Phaseninformation der zugehörigen Zeile 3 und Spalte 4, um in der Hauptstrahlrichtung 2 senden bzw. empfangen zu können. Dazu werden die Phasen der entsprechenden Zeile 3 und Spalte 4 aufaddiert. Zum Nachführen der Hauptstrahlrichtung 2 ist es nicht nötig, die Kalibriereinheiten 7 neu einzustellen, das Nachführen der Hauptstrahlrichtung 2 geschieht ausschließlich durch das Ansteuern der Zeilen 3 und Spalten 4 mit den Phaseninformationen.
2 zeigt die Topologie einer Zwischenfrequenzeinheit 15. Diese ist aufgebaut aus einem ersten Signaleingang 16, einem zweiten Signaleingang 17, einem Mischer 19, einer Kalibriereinheit 7, einem Digital-Analog-Wandler 14, einem Bandpassfilter 20 und einem Signalausgang 18. Die Kalibriereinheit 7 wird durch den Digital-Analog-Wandler 14 angesteuert. Ein Signal des zweiten Signaleingangs 17 wird über die Kalibriereinheit 7 auf eine Einheitsphase und Einheitsamplitude kalibriert. Dieses kalibrierte Signal wird in dem Mischer 19 mit dem Signal des ersten Signaleingangs 16 gemischt. Das gemischte Signal ist nach einer Filterung mit dem Bandpassfilter 20 an dem Signalausgang 18 anliegend. Jeweils eine Zwischenfrequenzeinheit 15 ist in den 3 und 4 jedem Antennenelement 6 zugeordnet.
3 zeigt eine Ansteuerung eines Antennenfeldes 1 in einer ersten Topologie für einen Betrieb des Antennenfelds 1 im Sendemodus. Das Antennenfeld 1 umfasst vier Antennenelemente 6. Diese sind durch eine Feldzuordnung 34 bestimmt. Die Antennenelemente 6 werden über eine Zwischenfrequenzschnittstelle 31 angesteuert. Jedem Antennenelemente 6 ist eine der Zwischenfrequenzeinheiten 15 zugeordnet. Die Zwischenfrequenzeinheiten 15, die zu derselben Zeile gehören erhalten in ihrem ersten Signaleingang 16 ein erstes LO-Frequenz-Signal 37. Die ersten Signaleingänge 16 der Zwischenfrequenzeinheiten 15 der zweiten Zeile erhalten ein zweites LO-Frequenz-Signal 38. Das erste LO-Frequenz-Signal 37 unterscheidet sich von dem zweiten LO-Frequenz-Signal 38 durch die zugeordnete Phase. Das erste LO-Frequenz-Signal 37 und das zweite LO-Frequenz-Signal 38 werden durch eine Frequenzerzeugungseinheit 21 bereitgestellt. Diese enthält einen Frequenzgenerator 23, der ein Signal über zwei verschiedene Signalpfade mit unterschiedlichen Phasen mittels der Einstelleinheiten 22 beaufschlagt. Mit einer Einstelleinheit 22 werden die Phase und die Amplitude des Signals des zugehörigen Signalpfades eingestellt. Jeder dieser Signalpfade weist einen Mischer 19 auf, um das Signal für die ersten Signaleingänge 16 der Zwischenfrequenzeinheiten 15 auf eine gewünschte Frequenz aufwärts zu mischen. Die Einstellung der Phasen des ersten LO-Frequenz-Signal 37 und des zweiten LO-Frequenz-Signals 38 bewirkt eine Y-Ablenkung 33 einer Hauptstrahlrichtung 2 des Antennenfeldes 1. Den zweiten Signaleingängen 17 der Zwischenfrequenzeinheiten 15, die zu einer Spalte gehören, erhalten ein erstes Spaltensignal 39. Die zweiten Signaleingänge 17 der Zwischenfrequenzeinheiten 15, die zur zweiten Spalte gehören, erhalten ein zweites Spaltensignal 40. Ein Sendesignal 41 wird von einer Signalverarbeitungseinheit 25 bereitgestellt. Nach der Zerlegung in das erste Spaltensignal 39 und das zweite Spaltensignal 40 werden das erste Spaltensignals 39 und das zweiten Spaltensignal 40 jeweils durch eine Einstelleinheit 22 mit einer Amplitude und einer Phase beaufschlagt. Das Einstellen der Phase des ersten Spaltensignals 39 und das Einstellen der Phase des zweiten Spaltensignals 40 bewirken eine X-Ablenkung 32 der Hauptstrahlrichtung 2 des Antennenfeldes 1. Jede Zwischenfrequenzeinheit 15 liefert über den Signalausgang 18 ein Signal, das dem zugeordneten Antennenelement 6 über die Zwischenfrequenzschnittstelle 31 bereitgestellt wird.
4 zeigt eine zweite Topologie eines Antennenfeldes 1 im Sendemodus, das sich von der ersten Topologie gemäß 3 im Wesentlichen durch die Erzeugung einer X-Ablenkung 32 einer Hauptstrahlrichtung 2 unterscheidet. Die X-Ablenkung 32 wird erreicht, indem jeder Spalte des Antennefeldes 1 eine Verarbeitungseinheit 26 zugeordnet wird. Diese weist einen ersten Signaleingang 16, einen zweiten Signaleingang 17 und einen Signalausgang 18 auf. Den zweiten Signaleingängen 17 der Verarbeitungseinheiten 26 der ersten und zweiten Spalte wird ein Sendesignal 41 zugeführt. Den ersten Signaleingängen 16 der Verarbeitungseinheiten 26 jeder Spalte werden ein erstes LO-Frequenz-Signal 37 und ein zweites LO-Frequenz-Signal 38 zugeführt. Diese beiden Signale unterscheiden sich in ihrer Phase. Dieser Phasenunterschied bewirkt die gewünschte X-Ablenkung 32 der Hauptstrahlrichtung 2 des Antennenfeldes 1. In der Verarbeitungseinheit 26 erfolgt eine Mischung des ersten LO-Frequenz-Signals 37 mit dem Sendesignal 41 bzw. eine Mischung des zweiten LO-Frequenz-Signals 38 mit einem Sendesignal 41. Zwischenfrequenzeinheiten 15 stellen über die Signalausgänge 18 dann ein erstes Spaltensignal 39 sowie ein zweites Spaltensignal 40 zur Verfügung. Die weitere Verarbeitung der Signale entspricht der Verarbeitung gemäß 3. Ein Vorteil der zweiten Topologie liegt darin, dass die X-Ablenkung 32 und eine Y-Ablenkung 33 über baugleiche Frequenzerzeugungseinheiten 21 erzeugt werden.
5 zeigt eine Zwischenfrequenzeinheit 15, die bei einem Antennenfeld 1 eingesetzt wird, wenn dieses als Empfänger betrieben wird. Diese Zwischenfrequenzeinheit 15 weist einen ersten Signaleingang 16, einen zweiten Signaleingang 17, einen Signalausgang 18 und einen Verstärkersteuereingang 35 auf. Weiterhin sind ein Verstärker 28, ein Mischer 19, ein Bandpassfilter 20, eine Kalibriereinheit 7 sowie ein Digital-Analog-Wandler 14 vorhanden. Dem zweiten Signaleingang 17 wird ein Signal eines Antennenelements 6 zugeführt. Dieses wird über den Verstärker 28 verstärkt. Der Verstärker 28 wird über den Verstärkersteuereingang 35 gesteuert. Die verstärkte Signal eines Antennenelements 6 und ein weiteres Signal, das dem ersten Signaleingang 16 zugeordnet ist, werden dem Mischer 19 zugeführt. Nach dem Mischen dieser Signale wird eine Bandpassfilterung mit dem Bandpassfilter 20 und eine Kalibrierung mit der Kalibriereinheit 7 durchgeführt, bevor das Signal dem Signalausgang 18 bereitgestellt wird. Die Kalibriereinheit 7 wird durch den Digital-Analog-Wandler 14 gesteuert.
6 zeigt ein Antennenfeld 1, das zum Empfang von Signalen eingesetzt wird. Antennenelemente 6 sind in zwei Zeilen und zwei Spalten gemäß einer Feldzuordnung 34 eingeteilt. Über eine Zwischenfrequenzschnittstelle 31 werden die empfangenen Signale der Antennenelemente 6 jeweils einem zweiten Signaleingang 17 einer jedem Antennenelement 6 zugeordneten Zwischenfrequenzeinheit 15 zugeführt. Den Zwischenfrequenzeinheiten 15, die zur ersten Zeile gehören, wird ein erstes LO-Frequenz-Signal 37 zugeführt, den ersten Signaleingängen 16 der Zwischenfrequenzeinheiten 15 der zweiten Zeile wird ein zweites LO-Frequenz-Signal 38 zugeführt. Das erste LO-Frequenz-Signal 37 und das zweite LO-Frequenz-Signal 38 werden durch eine Frequenzerzeugungseinheit 21 bereitgestellt. Die Erzeugung dieser Signale wurde in Abschnitt zu 3 erläutert. Das erste LO-Frequenz-Signal 37 unterscheidet sich von dem zweiten LO-Frequenz-Signal 38 in seiner Phase. Mit diesem Phasenunterschied wird eine Y-Ablenkung 33 einer Hauptschallrichtung 2 festgelegt. Die Zwischenfrequenzeinheiten 15 liefern für jedes Antennenelement 6 ein Signal am jeweiligen Signalausgang 18. Dieses entsteht durch Abwärtsmischen. Die Signale an den Signalausgängen 18 der Zwischenfrequenzeinheiten 15, die zur selben Spalte gehören, werden an einer Addiereinheit 29 aufaddiert. Nach der Addition liegt für die erste Spalte ein erstes Spaltensignal 39 und für die zweite Spalte ein zweites Spaltensignal 40 vor. Über Einstelleinheiten 22 wird dem ersten Spaltensignal 39 und dem zweiten Spaltensignal 40 jeweils eine Phase zugeordnet. Nach dieser Phasenzuordnung werden das erste Spaltensignal 39 und das zweite Spaltensignal 40 aufaddiert. Das so entstehende Signal enthält die Empfangsinformation des empfangenen Signals aus der gewünschten Hauptstrahlrichtung 2. Eine X-Ablenkung 32 ist durch die Phaseneinstellung der Einstelleinheiten 22 in einer Ablenkungseinheit 24 erreicht worden.
7 zeigt eine zweite Topologie eines Antennenfeldes 1, das in einem Empfangsmodus betrieben wird. Es unterscheidet sich von der ersten Topologie nach 6 im Wesentlichen dadurch, dass eine X-Ablenkung 32 durch eine weitere Frequenzerzeugungseinheit 21 erzeugt wird. Hier werden ein erstes Spaltensignal 39 und ein zweites Spaltensignal 40 jeweils einem zweiten Signaleingang 17 einer Verarbeitungseinheit 26 zugeordnet. Einem ersten Signaleingang 16 der Verarbeitungseinheit 26 der ersten Spalte wird ein erstes LO-Frequenz-Signal 37 und dem ersten Signaleingang 16 der Verarbeitungseinheit 26 der zweiten Spalte wird ein zweites LO-Frequenz-Signal 38 zugeordnet. In der Verarbeitungseinheit 26 werden entsprechende Mischvorgänge durchgeführt und ein abwärts gemischtes erstes Spaltensignal 39 sowie ein abwärts gemischtes zweite Spaltensignal 40 werden einer Addiereinheit 29 zugeführt. Nach der Addition liegt ein Empfangssignal 42 vor, dass Empfangsinformationen aus einer bevorzugten Hauptstrahlrichtung 2 gemäß der eingestellten X-Ablenkung 32 und einer Y-Ablenkung 33 enthält. Ein Vorteil dieser Topologie besteht darin, dass das erste Spaltensignal 39 und das zweite Spaltensignal 40 nach Durchlaufen der Verarbeitungseinheiten 26 aufaddiert werden. Der weiteren Signalverarbeitung wird demnach, verglichen mit der Topologie 1 nach 6, nur ein Signal zugeführt, was die Komplexität der noch nötigen Signalverarbeitung verringert. Weiterhin erfolgt in den Verarbeitungseinheiten 26 ein Abwärtsmischen, was die benötigte Abtastfrequenz bei einer folgenden Analog-Digital-Wandlung verringert, und so den Verarbeitungsaufwand reduziert.
8 zeigt eine Verarbeitungseinheit 26, die bei einem Antennefeld 1, das im Empfangsmodus betrieben wird, verwendet wird. Die Verarbeitungseinheit 26 verarbeitet Signale in einem Zwischenfrequenzbereich. Sie weist einen ersten Signaleingang 16, einen zweiten Signaleingang 17, einen Mischer 19, einen Bandpassfilter 19, einen Digital-Analog-Wandler 14, einen Verstärker 28 und einen Signalausgang 18 auf. Der Verstärker 28 wird über den Digital-Analog-Wandler angesteuert. Solche Verarbeitungseinheiten 26 werden in der zweiten Topologie eines erfindungsgemäßen Antennenfeldes 1 eingesetzt, das im Empfangsmodus betrieben wird (siehe 7).
9 zeigt eine Verarbeitungseinheit 26, die bei einem Antennefeld 1, das im Sendemodus betrieben wird, eingesetzt wird. Die Verarbeitungseinheit 26 verarbeitet Signale in einem Zwischenfrequenzbereich. Sie weist einen ersten Signaleingang 16, einen zweiten Signaleingang 17, einen Mischer 19, einen Bandpassfilter 19 und einen Signalausgang 18 auf. Solche Verarbeitungseinheiten 26 werden in der zweiten Topologie eines erfindungsgemäßen Antennenfeldes 1 eingesetzt, das im Sendemodus betrieben wird (siehe 4).
Bezugszeichenliste

1: Antennenfeld
2: Hauptstrahlrichtung
3: Zeilen
4: Spalten
5: Knotenpunkt
6: Antennenelement
7: Kalibriereinheit
8: Steuerkanal
9: Matrix
10: Sender
11: Empfänger
12: Ebene
13: Einzelstrahlrichtung
14: Digital-Analog-Wandler
15: Zwischenfrequenzeinheit
16: Erster Signaleingang
17: Zweiter Signaleingang
18: Signalausgang
19: Mischer
20: Bandpassfilter
21: Frequenzerzeugungseinheit
22: Einstelleinheit
23: Frequenzgenerator
24: Ablenkungseinheit
25: Signalverarbeitungseinheit
26: Verarbeitungseinheit
27: Teilmatrix
28: Verstärker
29: Addiereinheit
30: Empfangseinheit
31: Zwischenfrequenzschnittstelle
32: X-Ablenkung
33: Y-Ablenkung
34: Feldzuordnung
35: Verstärkersteuereingang
36: Signalquelle
37: Erstes LO-Frequenz-Signal
38: Zweites LO-Frequenz-Signal
39: Erstes Spaltensignal
40: Zweites Spaltensignal
41: Sendesignal
42: Empfangssignal

Claims

Antennenfeld (1) mit einer Vielzahl von Antennenelementen (6), die auf Knotenpunkten (5) einer Matrix (9) aus n Zeilen (3) und m Spalten (4) angeordnet sind, mit n und m jeweils größer gleich 2, bevorzugt größer als 8, besonders bevorzugt größer als 16, wobei jedem Antennenelement (6) jeweils zumindest eine Kalibriereinheit (7) zugeordnet ist, und jedem Antennenelement (6) eine Zwischenfrequenzeinheit (15) zugeordnet ist, die zumindest einen ersten Signaleingang (16), einen zweiten Signaleingang (17), einen Signalausgang (18), die Kalibriereinheit (7), einen Mischer (19) und einen Bandpassfilter (20) aufweist, wobei jede Zeile (3) und jede Spalte (4) jeweils durch einen Steuerkanal (8) mit einer Phaseninformation ansteuerbar ist, wobei jedes Antennenelement (6) durch seine jeweilige Kalibriereinheit (7) auf eine Einheitsleistung und Einheitsphase kalibrierbar und durch die Phaseninformationen seiner jeweiligen Zeile (3) und Spalte (4) steuerbar ist, so dass mindestens eine Hauptstrahlrichtung (2) des gesamten Antennenfeldes (1) durch n + m Steuerkanäle (8) veränderbar ist.
Antennenfeld (1) nach Anspruch 1, wobei das Antennenfeld (1) als Sender (9) und/oder als Empfänger (10) betreibbar ist.
Antennenfeld (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Matrix (9) aus Teilmatrizen (27) aufgebaut ist, vorzugsweise aus Teilmatrizen (27) bestehend aus 4 * 4 Antennenelementen (6), wobei die Teilmatrizen (27) beliebig im Raum, insbesondere auf gekrümmten Flächen, angeordnet werden können.
Antennenfeld (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Matrix (9) in wenigstens einer Ebene (10) angeordnet ist und/oder zwischen den Knotenpunkten (5) entlang der Zeilen (3) und/oder Spalten (4) im Wesentlichen gleiche Abstände liegen.
Antennenfeld (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennenelemente (6) eine bevorzugte, insbesondere im Wesentlichen kegelförmige, Einzelstrahlrichtung (13) aufweisen.
Antennenfeld (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kalibriereinheit (7) über einen Digital-Analog-Wandler (14) ansteuerbar ist.
Antennenfeld (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der jeweils erste Signaleingang (16) der Zwischenfrequenzeinheiten (15) mit einer Frequenzerzeugungseinheit (21) verbunden ist, wobei die Frequenzerzeugungseinheit (21) zumindest eine Einstelleinheit (22), zumindest einen, vorzugsweise digitalen, Frequenzgenerator (23) und vorzugsweise zumindest einen Mischer (19) aufweist.
Antennenfeld (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der jeweils zweite Signaleingang (17) der Zwischenfrequenzeinheiten (15) mit einer Ablenkungseinheit (24) verbunden ist, wobei die Ablenkungseinheit (24) zumindest eine Signalverarbeitungseinheit (25) und je Spalte (4) zumindest eine Einstelleinheit (22) aufweist.
Antennenfeld (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweiten Signaleingänge (17) der Zwischenfrequenzeinheiten (15) einer Spalte (4) mit einer Verarbeitungseinheit (26) verbunden sind, wobei die Verarbeitungseinheit (26) zumindest einen ersten Signaleingang (16), zumindest einen zweiten Signaleingang (17), zumindest einen Signalausgang (18) und einen Mischer (19) aufweist.
Antennenfeld (1) nach Anspruch 9, wobei der jeweils erste Signaleingang (16) der Verarbeitungseinheiten (26) mit einer Frequenzerzeugungseinheit (21) verbunden ist, wobei der jeweils zweite Signaleingang (16) der Verarbeitungseinheit (26) mit einer Signalquelle (36) verbunden ist und wobei der Signalausgang (18) der Verarbeitungseinheit (26) einer Spalte (4) mit den zweiten Signaleingängen (17) der Zwischenfrequenzeinheit (15) derselben Spalte (4) verbunden ist.
Antennenfeld (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Zwischenfrequenzeinheit (15) zusätzlich zumindest einen Verstärker (28) aufweist.
Antennenfeld (1) nach Anspruch 11, wobei der jeweils zweite Signaleingang (17) der Zwischenfrequenzeinheiten (15) mit dem zugeordneten Antennenelement (6) verbunden ist, wobei die zweiten Signalausgänge (18) der Zwischenfrequenzeinheiten (15) einer jeden Spalte (4) jeweils zumindest mit einer Addiereinheit (29) verbunden sind.
Antennenfeld (1) nach Anspruch 12, wobei die Addiereinheiten (29) mit einer Empfangseinheit (30) verbunden sind, die zumindest eine Einstelleinheit (22) je Spalte (4) und zumindest eine weitere Addiereinheit (29) aufweist.
Antennenfeld (1) nach Anspruch 11, wobei Addiereinheiten (29) mit einem zweiten Signaleingang (17) der Verarbeitungseinheit (26) verbunden sind, wobei die Verarbeitungseinheit (26) zumindest einen ersten Signaleingang (16), zumindest einen zweiten Signaleingang (17), zumindest einen Signalausgang (18) und zumindest einen Mischer (19) aufweist.
Antennenfeld (1) nach Anspruch 14, wobei der jeweils erste Signaleingang (16) der Verarbeitungseinheit (26) mit einer Frequenzerzeugungseinheit (21) verbunden ist und die Signalausgänge (18) der Verarbeitungseinheit (26) einer Addiereinheit (29) zugeführt wird.
Antennenfeld (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei für jedes Antennenelement (6) mit dem Indexpaar n,m zumindest ein Mischer (19) vorgesehen ist, der die Steuersignale der zugehörigen Zeile n (3) und Spalte m(4) multipliziert.