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Die Erfindung betrifft eine Site-Installation für den Mobilfunk und eine Antenneneinrichtung für eine Site-Installation.
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Eine Site-Installation für die mobile Funkkommunikation ist eine Installation von Geräten an einem Standort (Site), die einerseits die von einer digitale Schnittstelle zum Mobilvermittlungsnetz empfangenen digitalen Signale in geeignete Hochfrequenzsignale umwandeln und in Form von hochfrequenter Strahlung zu den mobilen Endgeräten im Umkreis aussenden und andererseits Signale in Form von hochfrequenter Strahlung von den mobilen Endgeräten im Umkreis empfangen und in geeigneter Form an die Schnittstelle zum Mobilvermittlungsnetz senden. Eine Site-Installation für den Mobilfunk besteht in der Regel aus zumindest einer Basisstation und einer oder mehreren Antennen. Die Funktionseinheiten einer Site-Installationen können in unterschiedlicher Weise angeordnet sein.
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US 2001/0046225 A1 beschreibt eine Site-Installation, deren Basisstation einen Transceiver enthält. Im Empfangszweig werden die von einer Empfangsantenne empfangen Signale in einem Digitaltuner auf eine Zwischenfrequenz umgesetzt und digitalisiert. Der Digitaltuner verarbeitet die gesamte Bandbreite des Empfangsbandes des entsprechenden Mobilfunkstandards, z. B. GSM. Das digitale Kompositsignal wird durch einen digitalen Kanalisierer in einzelne Kanäle aufgeteilt, die von digitalen Signalprozessoren weiterverarbeitet werden. Im Sendezweig werden die einzelnen Kanäle in einem digitalen Kombinierer zusammengefasst, und das kombinierte Signal wird in einem Breitbanderreger in ein Hochfrequenzsignal umgewandelt. Das Hochfrequenzsignal wird durch einen Leistungsverstärker verstärkt und über eine Sendeantenne abgestrahlt. Ein Kodierer und ein Dekodierer stellen die Schnittstelle zum Mobilvermittlungsnetz her. Eine CPU, welche vom Mobilvermittlungsnetz gesteuert wird, übernimmt die Verwaltung und Einstellung aller Komponenten.
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US 2011/0310881 A1 beschreibt eine Site-Installation, bei der ein Teil der Komponenten des Sende- und Empfangspfades in einen ”Remote Radio Head” ausgelagert sind, der getrennt von der Basisstation an dem Antennenmast installiert ist. Der digitale Datenaustausch zwischen der Basisstation und dem Remote Radio Head erfolgt über breitbandiges Glasfaserkabel.
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WO 2012/027703 A2 beschreibt ein Frontend für Mobiltelefone, bei dem die verwendeten Antennen, Anpassungsnetzwerke, Filter und Verstärker in ihrer Frequenz abstimmbar ausgebildet sind.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Site-Installation für den Mobilfunk und eine Antenneneinrichtung für die Site-Installation bereitzustellen, in welcher Antennenelemente und notwendige Filter für den Sende- und den Empfangspfad derartig ausgebildet und angeordnet sind, dass sich wesentliche Einsparungen für Platzbedarf und Kosten ergeben. Weiter besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Site-Installation für den Mobilfunk und eine Antenneneinrichtung für die Site-Installation bereitzustellen, die mit wenigen Varianten alle bestehenden und geplanten Mobilfunkbänder abdecken kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Antenneneinrichtung gemäß Anspruch 1, eine Site-Installation gemäß Anspruch 9 und eine Verwendung einer Antenneneinrichtung für eine Site-Installation gemäß Anspruch 10. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Antenneneinrichtung für eine Site-Installation für den Mobilfunk enthält zumindest einen Empfangspfad mit zumindest einem abstimmbaren Empfangsantennenelement zum Empfang eines Mobilfunksignals und zumindest einem abstimmbaren Empfangsfilter zur Filterung des Signals von dem zumindest einen Empfangsantennenelement, wobei der Empfangspfad eine Bandbreite hat, die mindestens so groß ist wie die Bandbreite eines Empfangskanals, aber kleiner als die Bandbreite des Empfangsbandes, und/oder zumindest einen Sendepfad mit zumindest einem abstimmbaren Sendefilter zur Unterdrückung unerwünschter Signale außerhalb des Sendebandes und zumindest einem abstimmbaren Sendeantennenelement zum Aussenden eines Mobilfunksignals, wobei der Sendepfad eine Bandbreite hat, die mindestens so groß ist wie die Bandbreite eines Sendekanals, aber kleiner als die Bandbreite des Sendebandes.
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Durch die abstimmbare Ausführung der einzelnen Komponenten des Sende- bzw. Empfangspfads und die Wahl einer kleineren Bandbreite als das Sende- bzw. Empfangsband ergeben sich reduzierte Anforderungen an die Flankensteilheit und Güte der verwendeten Filter, so dass die verwendeten Filterelemente wesentlich kleiner und kostengünstiger realisiert werden können. Daraus ergeben sich wesentliche Einsparungen für Platzbedarf und Kosten.
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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Site-Installation für den Mobilfunk gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt in vier Diagrammen a) bis d) schematisch die unterschiedlichen Anforderungen an Filtereinheiten für ein Mobilfunkband und einen Mobilfunkkanal.
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3 zeigt bestehende und geplante Frequenzbänder für die mobile Funkkommunikation.
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4 zeigt ein Blockschaltbild einer Site-Installation für den Mobilfunk gemäß einem Vergleichsbeispiel.
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5 zeigt ein Beispiel für eine Anordnung von Antennenelementen.
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6 zeigt ein Beispiel für einen Aufbau eines abstimmbaren Antennenelements in planarer Struktur.
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7 zeigt einen Querschnitt durch das in 6 gezeigte Antennenelement.
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8 zeigt ein Beispiel für einen Aufbau eines abstimmbaren Bandpasses.
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9 zeigt ein Beispiel für einen Aufbau eines verstellbaren Phasenschiebers.
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10 zeigt ein Blockschaltbild einer Site-Installation für den Mobilfunk gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
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Im Folgenden wird mit Bezug auf die beigefügten Figuren eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Site-Installation für den Mobilfunk gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Site-Installation enthält einen Empfänger 100, einen Sender 200, eine Steuereinheit 300 und eine Grundeinheit 400.
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Die Grundeinheit 400 ist zum einen über den Schnittstellenanschluss 401 mit dem (nicht dargestellten) Mobilvermittlungsnetz verbunden, zum anderen ist sie mit dem Empfänger 100, dem Sender 200 und der Steuereinheit 300 verbunden.
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Der Empfänger 100 beinhaltet einen oder mehrere Empfangsstufen. Als Beispiel sind in 1 drei Empfangsstufen 101, 102, 103 gezeigt. Die Empfangsstufen sind jeweils mit einem zugeordneten Empfänger-Array 110, 120, 130 verbunden. Die Empfänger-Arrays 110, 120, 130 haben denselben Aufbau. Als Beispiel wird der Aufbau des Empfänger-Arrays 110 beschrieben.
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Das Empfänger-Array 110 enthält ein Empfangsfilter 111, einen oder mehrere Empfangsphasenschieber 112 (bzw. einen Empfangsphasenschieber mit einem oder mehreren Ausgängen) und ein oder mehrere Empfangsantennenelemente 113a, 113b, 113c. Als Beispiel sind in 1 jedem Empfangsfilter ein Empfangsphasenschieber mit drei Ausgängen und jedem Empfangsphasenschieber drei Empfangsantennenelemente zugeordnet.
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Das Empfangsfilter 111 und die Empfangsantennenelemente 113a, 113b, 113c sind elektronisch oder mikromechanisch abstimmbar, d. h. ihre Frequenzlage und/oder Anpassung kann verändert werden. Der Empfangsphasenschieber 112 ist elektronisch oder mikromechanisch verstellbar, d. h. die Phasenlage seiner Ausgangssignale zueinander kann verändert werden.
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Das Empfangsfilter 111 ist einerseits mit der zugeordneten Empfangsstufe 110 verbunden, andererseits mit dem oder den zugeordneten Empfangsphasenschieber(n) 112. Jeder Empfangsphasenschieber ist mit einem oder mehreren zugeordneten Empfangsantennenelement(en) 113a, 113b, 113c verbunden. Jeder Signalpfad, der aus einem Empfangsfilter, einem Empfangsphasenschieber und einem Empfangsantennenelement besteht, bildet einen Empfangspfad in dem entsprechenden Empfänger-Array.
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Der Sender 200 beinhaltet einen oder mehrere Sendestufen. Als Beispiel sind in 1 drei Sendestufen 201, 202 und 203 gezeigt. Die Sendestufen sind jeweils mit einem zugeordneten Sender-Array 210, 220, 230 verbunden. Die Sender-Arrays 210, 220, 230 haben denselben Aufbau. Als Beispiel wird der Aufbau des Sender-Arrays 210 beschrieben.
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Das Sender-Array 210 enthält ein Sendefilter 211, einen oder mehrere Sendephasenschieber 212 (bzw. einen Sendephasenschieber mit einem oder mehreren Ausgängen) und ein oder mehrere Sendeantennenelemente 213a, 213b, 213c. Als Beispiel sind in 1 jedem Sendefilter ein Sendephasenschieber mit drei Ausgängen und jedem Sendephasenschieber drei Sendeantennenelemente zugeordnet.
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Das Sendefilter 211 und die Sendeantennenelemente 213a, 213b, 213c sind elektronisch oder mikromechanisch abstimmbar, d. h. ihre Frequenzlage und Anpassung kann verändert werden. Der Sendephasenschieber 212 ist elektronisch oder mikromechanisch verstellbar, d. h. die Phasenlage seiner Ausgangssignale zueinander kann verändert werden.
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Das Sendefilter 211 ist einerseits mit der zugeordneten Sendestufe 210 verbunden, andererseits mit dem oder den zugeordneten Sendephasenschieber(n) 212. Jeder Sendephasenschieber ist mit einem oder mehreren zugeordneten Sendeantennenelement(en) 213a, 213b, 213c verbunden. Jeder Signalpfad, der aus einem Sendefilter, einem Sendephasenschieber und einem Sendeantennenelement besteht, bildet einen Sendepfad in dem entsprechenden Sender-Array.
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Die Steuereinheit 300 ist einerseits mit der Grundeinheit 400 und andererseits mit den abstimmbaren Empfangsfiltern 111 ..., den verstellbaren Empfangsphasenschiebern 112 ..., den abstimmbaren Empfangsantennenelementen 113a, 113b, 113c ..., mit den abstimmbaren Sendefiltern 211 ..., den verstellbaren Sendephasenschiebern 212 ... und den abstimmbaren Sendeantennenelementen 213a, 213b, 213c ... verbunden.
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Im folgenden werden Beispiele für die Ausführung der einzelnen Elemente des Empfangs- bzw. Sendezweigs gegeben.
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6 zeigt ein Beispiel für einen Aufbau eines abstimmbaren Antennenelements, das als Empfangs- oder Sendeantennenelement verwendet werden kann. 7 zeigt einen Querschnitt durch das Antennenelement. Das Antennenelement ist in planarer Technologie ausgeführt. Solche Antennen sind unter der Bezeichnung Patchantenne bekannt. Auf einem Substrat S mit einer Substrathöhe h und einer Dielektrizitätskonstante er, dessen Rückseite ganzflächig mit einer Metallschicht M überzogen ist, ist eine rechteckige leitende Antennenfläche A mit einer Länge l und einer Breite w gebildet. Ein variabler Kondensator CV, der beispielsweise in MEMS-Technologie ausgeführt sein kann, dient als Abstimmelement.
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8 zeigt ein Beispiel für einen Aufbau eines abstimmbaren Bandpasses, der als Empfangs- oder Sendefilter verwendet werden kann. Das abstimmbare Filter ist in dem gezeigten Beispiel als aus festen und veränderlichen Kondensatoren (CF, CV) und aus Induktivitäten (L) zusammengesetztes LC-Filter verwirklicht. Dabei zeigt 8 als Beispiel ein Filter mit zwei gekoppelten Resonatoren, bei dem durch die Verwendung veränderlicher Kondensatoren CV eine Verstellbarkeit der Mittenfrequenz erzielt werden kann.
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9 zeigt ein Beispiel für einen Aufbau eines verstellbaren Phasenschiebers, der als Empfangs- oder Sendephasenschieber verwendet werden kann. Der in 9 gezeigte Phasenschieber hat einen Eingang (E1) und zwei Ausgänge (A1, A2) zum Anschluss von zwei Antennenelementen. Das über den Eingang (E) empfangene Eingangssignal wird in einem Leistungsteiler T auf zwei Pfade aufgeteilt. In einem dieser Pfade sind Leitungsstücke (L1, L2) mit unterschiedlichen Längen und Schalter S angeordnet. Diese elektronisch oder mikromechanisch betätigbaren Schalter können dabei den Signalpfad über die längeren Leitungsstücke L1 oder über die kürzeren Leitungsstücke L2 einstellen und somit die Phase am Ausgang A2 relativ zum Ausgang A1 beeinflussen.
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Im Betrieb bewirkt die Grundeinheit 400 unter anderem die Konvertierung der Protokolle der Luftschnittstelle für den Schnittstellenanschluss 401. Dabei werden zum einen alle Signale von den Empfängern für den jeweiligen Mobilfunkstandard oder für mehrere Mobilfunkstandards geeignet detektiert, entzerrt und gemäß dem Mobilfunkstandard verarbeitet. Zum anderen werden alle Sendesignale in digitaler Form erzeugt. Die Verwaltung und Steuerung aller Komponenten der Site-Installation, insbesondere die Frequenzabstimmung der Filter und Antennenelemente sowie die Phaseneinstellung des Phasenschiebers wird durch die Steuereinheit 300 bewirkt.
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Im Empfangsbetrieb empfangen die zu einem Empfangskanal gehörenden abstimmbaren Empfangsantennenelemente, beispielsweise die Antennenelemente 113a, 113b und 113c des Empfänger-Arrays 110, ein als elektromagnetische Strahlung eingehendes Funksignal und geben es als hochfrequentes elektrisches Signal an den entsprechenden Empfangsphasenschieber 112 weiter. Durch einen schmalbandigen Aufbau der Empfangsantennenelemente, wie er beispielsweise durch den Aufbau als planare Antenne gewonnen werden kann, wird gleichzeitig eine Filterung des Empfangssignals erzielt.
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Der verstellbare Empfangsphasenschieber 112 bewirkt zum einen über die Einstellung der Phasen der Empfangssignale der Empfangsantennenelemente 113a, 113b und 113c eine einstellbare Richtwirkung der aus den Empfangsantennenelementen 113a, 113b und 113c gebildeten Empfangsantenne. Zum anderen stellt er durch Ausgleichen der aus einer Änderung der Empfangsfrequenz folgenden geänderten Phasendifferenz sicher, dass die relative Phasenlage der Empfangssignale und somit die Richtwirkung der Empfangsantennenelemente über einen weiten abstimmbaren Frequenzbereich konstant bleibt. Der Empfangsphasenschieber 112 kann eine weitere Filterung des Empfangssignals bewirken.
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Anschließend gelangt das hochfrequente Empfangssignal über das abstimmbare Empfangsfilter 111, in dem es weiter gefiltert wird, und die Empfangsstufe 103, in der es in ein Digitalsignal umgewandelt wird, an die Grundeinheit 400, die es in bekannter Weise weiterverarbeitet und über den Schnittstellenanschluss 401 an das Mobilvermittlungsnetz überträgt.
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Die Filterung des Empfangssignals erfolgt also in mehreren Stufen durch die schmalbandigen Empfangsantennenelemente 113a, 113b und 113c, den Empfangsphasenschieber 112 und das Empfangsfilter 111. Dabei muss das Empfangsfilter 111 lediglich die restliche notwendige Filterwirkung übernehmen, die durch den Empfangsphasenschieber 112 und die Empfangsantennenelemente 113a, 113b und 113c noch nicht erreicht werden konnte.
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Im Sendebetrieb verarbeitet die Grundeinheit 401 ein über den Schnittstellenanschluss 401 von dem Mobilvermittlungsnetz empfangenes Signal und gibt es als Digitalsignal an die entsprechende Sendestufe aus, beispielsweise die Sendestufe 201, in der es in ein hochfrequentes Sendesignal umgewandelt und auf den erwünschten Pegel verstärkt wird. In umgekehrter Reihenfolge wie in dem Empfangskanal wird das Sendesignal dann über das abstimmbare Sendefilter 211 und den verstellbaren Sendephasenschieber 212 zu den dem entsprechenden Sendekanal zugeordneten abstimmbaren Sendeantennenelementen 213a, 213b, 213c, übertragen, die das Signal als elektromagnetisches Funksignal abstrahlen. Durch einen schmalbandigen Aufbau der Sendeantennenelemente, wie er beispielsweise durch den Aufbau als planare Antenne gewonnen werden kann, wird gleichzeitig eine Filterung des Sendesignals erzielt.
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Der verstellbare Sendephasenschieber 212 bewirkt zum einen über die Einstellung der Phasen der Sendesignale der Sendeantennenelemente 213a, 213b und 213c eine einstellbare Richtwirkung der aus den Sendeantennenelementen 213a, 213b und 213c gebildeten Sendeantenne. Zum anderen stellt er durch Ausgleichen der aus einer Änderung der Sendefrequenz folgenden geänderten Phasendifferenz sicher, dass die relative Phasenlage der Sendesignale und somit die Richtwirkung der Sendeantennenelemente über einen weiten abstimmbaren Frequenzbereich konstant bleibt. Der Sendephasenschieber 212 kann eine weitere Filterung des Sendesignals bewirken.
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Ebenso wie die Filterung des Empfangssignals erfolgt also auch die Filterung des Sendesignals in mehreren Stufen durch die schmalbandigen Sendeantennenelemente 213a, 213b und 213c, den Sendephasenschieber 212 und das Sendefilter 211. Dabei muss das Sendefilter 211 lediglich die restliche notwendige Filterwirkung übernehmen, die durch den Sendephasenschieber 212 und die Sendeantennenelemente 213a, 213b und 213c noch nicht erreicht werden konnte.
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Die notwendige Einstellung aller abstimmbaren Elemente auf den gewünschten Frequenzbereich (die Empfangs- bzw. Sendefrequenz des entsprechenden Empfangs- bzw. Sendekanals) wird durch die Steuereinheit 300 bewirkt.
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In 2 sind mehrere Diagramme über der Frequenz aufgetragen, die die Frequenzverläufe im Mobilfunk für den FDD-Betrieb (frequency division duplexing, Frequenzduplex) zeigen.
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Diagramm a) zeigt eine Bandverteilung für den Fall, dass das Empfangsband rx unterhalb des Sendebandes tx liegt. Die Bänder rx und tx sind durch die Duplexlücke g getrennt.
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In Diagramm b) sind beispielhaft ein einzelner Empfangskanal rxch und ein einzelner Sendekanal txch dargestellt, die jeweils in dem Empfangsband rx bzw. dem Sendeband tx liegen. Der Empfangskanal rxch und der Sendekanal txch liegen in einem Frequenzabstand dx voneinander entfernt, der Duplexabstand genannt wird.
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Diagramm c) zeigt schematisch die Anforderung an ein Empfangsfilter, welches für das jeweilige Mobilfunkband geeignet ist. Die notwendige Sperrdämpfung ist dabei mit as bezeichnet.
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Diagramm d) zeigt beispielhaft die Filteranforderung an ein Empfangsfilter, welches auf den Empfangskanal rxch optimiert ist. Die notwendige Sperrdämpfung ist dabei wiederum mit as bezeichnet.
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3 zeigt verschiedene bereits genutzte bzw. geplante Frequenzbänder für die mobile Funkkommunikation. Wie aus der Figur ersichtlich unterscheiden sich diese Frequenzbänder voneinander durch ihre Lage im Frequenzbereich, die Bandbreite ihres unteren und oberen Bandes, die jeweils als Empfangsband bzw. als Sendeband genutzt werden, und die Duplexlücke zwischen dem Empfangsband und dem Sendeband. Insgesamt liegen diese Mobilfunkbänder in einem Frequenzbereich zwischen 500 und 4000 MHz.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung hat jeder Sendepfad eine Bandbreite (= Differenz der beiden Frequenzen, bei denen die Sperrdämpfung 3dB beträgt), die mindestens so groß ist wie die Bandbreite eines Sendekanals txch, jedoch kleiner als die Bandbreite des Sendebandes tx. Analog dazu hat jeder Empfangspfad eine Bandbreite, die mindestens so groß ist wie die Bandbreite eines Empfangskanals rxch, jedoch kleiner als die Bandbreite des Empfangsbandes rx. Jeder Sende- oder Empfangspfad kann also der Übertragung eines einzelnen Sende- bzw. Empfangskanals dienen oder der Übertragung benachbarter Kanäle, aber nicht der Übertragung des gesamten Sende- bzw. Empfangsbands.
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Die abstimmbaren Filter übernehmen den Rest der notwendigen Filterwirkung, welcher durch die Summe der Filterwirkungen von verstellbarem Phasenschieber und abstimmbarem Antennenelement nicht erreicht werden kann.
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Um die Empfindlichkeit des Empfängers nicht zu beeinträchtigen, müssen Signale, die der Sender außerhalb des Sendebandes tx erzeugt, insbesondere solche, die er innerhalb des Empfangsbandes rx erzeugt, unterdrückt werden. Das wird einerseits durch die Filterwirkung der abstimmbaren Sendefilter, der verstellbaren Sendephasenschieber und der abstimmbaren Sendeantennenelemente erzielt, andererseits aber auch durch Entkopplung von Sende- und Empfangsantennen bewirkt. Eine solche Entkopplung wird beispielsweise erreicht durch die Verwendung planarer Technologien, da planare Antennen eine geringere Überkopplung im Vergleich zu üblichen Dipolen aufweisen, und durch eine spezielle Anordnung von Sende- und Empfangsantennenelementen.
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5 zeigt ein Beispiel für eine Anordnung von Empfangs- und Sendeantennenelementen. Auf einem Substrat S sind dabei alle Sendeantennenelemente in dem mit tx bezeichneten Bereich angeordnet, und alle Empfangsantennenelemente sind in dem mit rx bezeichneten Bereich angeordnet. Wesentlich für die Entkopplung sind dabei der Abstand und die Polarisation der jeweiligen Antennenelemente. So haben bei der in 5 gezeigten Anordnung jeweils benachbarte Antennenelemente entweder einen großen Abstand a oder eine unterschiedliche Polarisation. In dem in 5 gezeigten Beispiel sind alle ungeradzahligen Antennenelemente horizontal polarisiert (h), und alle geradzahligen Antennenelemente sind vertikal polarisiert (v).
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Zum Verdeutlichen der Wirkungen der Erfindung ist in 4 eine Site-Installation für den Mobilfunk gemäß einem Vergleichsbeispiel gezeigt. Gleiche oder ähnliche Elemente wie die in 1 gezeigten sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
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Die Site-Installation gemäß dem Vergleichsbeispiel enthält eine Basisstation 500 und eine aktive Antenne 600, die über ein Schnittstellenkabel 510 miteinander verbunden sind. Dabei ist in der Regel die Basisstation in einem Gebäude untergebracht, während die aktive Antenne auf einem Gebäudedach oder an einem Antennenmast angebracht ist.
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Die Basisstation 500 enthält wie die vorliegende Ausführungsform eine Grundeinheit 400, die über den Schnittstellenanschluss 401 mit dem (nicht dargestellten) Mobilvermittlungsnetz verbunden ist. Die Basisstation 500 enthält weiter eine digitalen Schnittstelleneinheit 501, die einerseits mit der Grundeinheit 400 und andererseits mit dem Schnittstellenkabel 510 verbunden ist, über das die digitalen Sende- und Empfangssignale im Multiplex zwischen Basisstation 500 und aktiver Antenne 600 hin und her übertragen werden.
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Dementsprechend enthält auch die aktive Antenne 600 eine digitale Schnittstelleneinheit 601 für die Kommunikation mit der Basisstation 500 über das Schnittstellenkabel 510 im Multiplexbetrieb. Die aktive Antenne 600 enthält weiter ähnlich wie die vorliegende Ausführungsform Empfangs- und Sendestufen 602, 603, Empfangs- und Sendefilter 611, 612, Empfangs- und Sendephasenschieber 620, 630 sowie Empfangs- und Sendeantennenelemente 621a–c, 631a–c. Diese Elemente unterscheiden sich jedoch von denen der vorliegenden Ausführungsform darin, dass sie nicht abstimmbar sind. Außerdem sind sie so breitbandig ausgebildet, dass jeder einzelne Empfangs- und Sendepfad den vollen Frequenzbereich des Empfangs- bzw. Sendefrequenzbands abdeckt. Die Phasenschieber 620 und 630 werden durch eine mechanische Apparatur 641 verstellt, welche durch einen Motor 640 angetrieben wird.
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Die in den breitbandigen Empfangsantennenelementen 621a, 621b, 621c empfangenen hochfrequenten Signale werden in dem mechanisch verstellbaren Phasenschieber 620 addiert und zu dem nicht abstimmbaren breitbandigen Empfangsfilter 611 übertragen, das alle Signale eines bestimmten Empfangsbandes herausfiltert. Von dort werden die Signale zu den Empfangsstufen 613 weiterleitet, in denen sie in Digitalsignale umgewandelt werden.
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Die Sendesignale eines Mobilfunkbandes werden in den Sendestufen 603 in ein hochfrequentes Sendesignal umgewandelt und gemeinsam in dem nicht abstimmbaren breitbandigen Sendefilter 612 gefiltert. Das gefilterte Signal wird über den mechanisch verstellbaren Phasenschieber 620 auf die breitbandigen Sendeantennenelemente 631a, 631b, 631c verteilt, von denen sie abgestrahlt werden.
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Als breitbandige Sende- und Empfangsantennenelemente werden bei einer solchen Site-Installation in der Regel dreidimensionale Dipolstrukturen eingesetzt.
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Wie aus 2 ersichtlich sind die Anforderungen an die Selektivität der verwendeten Filter in dem Fall, in dem die Filterbandbreite der Bandbreite eines Empfangs- bzw. Sendekanals rxch, txch entspricht, bei gleicher Sperrdämpfung as weniger anspruchsvoll als in dem Fall, in dem die Filterbandbreite der Bandbreite eines Empfangs- bzw. Sendebandes rx, tx entspricht. So muss beispielsweise die in Diagramm c) von 2 gezeigte Flanke F1 des Empfangsfilters in dem Fall, in dem die Empfangsfilterbandbreite der Bandbreite des Empfangsbandes rx entspricht, die gewünschte Sperrdämpfung as über den meist relativ geringen Frequenzabstand der Duplexlücke g erreichen. Die in Diagramm d) von 2 gezeigte Flanke F2 des Empfangsfilters in dem Fall, in dem die Empfangsfilterbandbreite der Bandbreite des Empfangskanals rxch entspricht, kann dagegen wesentlich flacher sein, da sie die gewünschte Sperrdämpfung as über den wesentlich größeren Duplexabstand dx erreichen muss.
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Für die Realisierung der Sende- und Empfangsfilter bedeutet das, dass die Anforderungen an die Filter wesentlich reduziert sind. Wenn die Filterbandbreite das gesamte Empfangs- bzw. Sendeband abdecken muss, müssen sowohl die notwendige Ordnung der Filter als auch die notwendige Filtergüte hoch sein. In der Praxis werden für diesen Fall daher hochwertige Resonatorfilter verwendet, welche üblicherweise in versilbertem Aluminium ausgeführt werden müssen. Gemäß der vorliegenden Erfindung können jedoch wesentlich kostengünstigere und kleinere Filter zur Anwendung kommen.
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Durch die Trennung von Empfangs- und Sendeantennenelementen und durch eine auch für die Entkopplung der Antennenelemente optimierte Anordnung, wie sie mit Bezug auf 5 beschrieben wurde, kann gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem planarem Aufbau der Antennenelemente eine verbesserte Entkopplung erreicht werden.
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Im Vergleich zu den im Mobilfunk üblichen breitbandigen und dreidimensionalen Dipolstrukturen sind planare Antennenstrukturen schmalbandig. Während herkömmliche Dipole eine relative Bandbreite (Verhältnis der 3dB-Bandbreite zu der Mittenfrequenz) von mehr als 10% haben, liegt die relative Bandbreite der schmalbandigen planaren Antennen unter 5%, typischerweise unter 3%. Durch die Abstimmbarkeit und die Verringerung der erforderlichen Bandbreite bis auf eine Kanalbandbreite können bei der vorliegenden Erfindung planare Antennen zum Einsatz kommen. Dadurch können sich wesentliche Vorteile in Bezug auf den notwendigen Raumbedarf und die Herstellkosten einer derartigen Einrichtung ergeben.
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Dadurch, dass die Empfangs- und Sendeantennen sowie die Empfangs- und Sendefilter schmalbandiger im Vergleich zum Stand der Technik sind, können bessere Betriebsparameter wie z. B. Einfügedämpfung, Antennenwirkungsgrad etc. erzielt werden.
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Durch die elektronische oder mikromechanische Einstellbarkeit der Phasenschieber wird erreicht, dass zum einen die relative Phasenlage der Sende- und Empfangsdipole und damit die Abstrahlcharakteristik im gesamten Abstimmbereich konstant gehalten werden kann. Zum anderen können die Abstrahlcharakteristiken von Sende- und Empfangsdipolen durch eine elektronische Vorrichtung mit geringem Platzbedarf ausgeführt werden.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die anhand von 4 beschriebene Site-Installation gemäß dem Vergleichsbeispiel bandspezifisch entworfen ist. Das bedeutet, dass für jedes der in 3 gezeigten Mobilfunkbänder eine eigene Site-Installation bereitgestellt werden muss.
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Die Site-Installation gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann demgegenüber über mehrere Mobilfunkbänder hinweg abstimmbar sein, so dass nicht mehr für jedes Frequenzband eine spezialisierte Site-Installation bereitgestellt werden muss. Legt man bei der in 1 beschriebenen abstimmbaren Site-Installation einen Abstimmbereich (Verhältnis der größten erzielbaren Mittenfrequenz zu der kleinsten erzielbaren Mittenfrequenz) von 2:1 zugrunde, so werden beispielsweise zur Abdeckung aller in 3 gezeigten Mobilfunkbänder lediglich 3 verschieden dimensionierte Empfangs- und Sendepfade benötigt. Ein solcher Abstimmbereich ist mit den oben beschriebenen Ausführungen der einzelnen Komponenten leicht erzielbar. Dies bedeutet für die Hersteller wesentliche Einsparungen in Entwicklungsaufwand, Logistik und Kosten.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 10 gezeigt. Gleiche oder ähnliche Elemente wie die in 1 und 4 gezeigten sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
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Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform, die als Ganzes in einem Gehäuse integriert und an einem Antennenmast montiert sein kann, ist die Site-Installation der vorliegenden Ausführungsform ähnlich wie bei dem in 4 gezeigten Vergleichsbeispiel in eine Basisstation 500 und eine aktive Antenne 610 unterteilt, die über ein Schnittstellenkabel 510 miteinander verbunden sind.
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Die Basisstation 500 ist so aufgebaut wie in dem Vergleichsbeispiel. Die aktive Antenne 610 enthält alle Elemente der in 1 gezeigten Site-Installation bis auf die Grundeinheit 400, die in der vorliegenden Ausführungsform in der Basisstation 500 enthalten ist. Stattdessen enthält die aktive Antenne 610 wie in dem Vergleichsbeispiel eine digitale Schnittstelleneinheit 601 für die Kommunikation mit der Basisstation 500 über das Schnittstellenkabel 510 im Multiplexbetrieb. Vorzugsweise ist auch in der vorliegenden Ausführungsform die Basisstation in einem Gebäude untergebracht, während die aktive Antenne auf einem Gebäudedach oder an einem Antennenmast angebracht ist.
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Der Betrieb der Site-Installation gemäß vorliegenden Ausführungsform entspricht dem Betrieb der Site-Installation gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform. Dementsprechend können die gleichen Wirkungen und Vorteile erzielt werden. Bei der Site-Installation gemäß der vorliegenden Ausführungsform können eventuell erforderliche Änderungen zur Anpassung an geänderte Standards, die sich nur auf die digitale Signalverarbeitung beziehen, leichter durchgeführt werden, da die digitale Signalverarbeitung in der Grundeinheit 400 erfolgt, die gemäß der vorliegenden Ausführungsform in der Basisstation 500 enthalten und durch ihre Lage in einem Gebäude leichter zugänglich ist.
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Auch wenn die obigen Ausführungsformen für eine Site-Installation mit drei Empfangs- und Sendepfaden beschrieben wurden, ist die Anzahl der möglichen Kanäle nicht auf dieses Beispiel eingeschränkt, und die Site-Installation kann auch mehr oder weniger als drei Empfangs- und Sendepfade enthalten, und die Anzahl der Empfangs- und Sendepfade kann voneinander verschieden sein. Die Site-Installation kann auch einen oder mehrere Empfangspfade und keinen Sendepfad oder einen oder mehrere Sendepfade und keinen Empfangspfad enthalten.
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In allen oben beschriebenen Ausführungsformen sind die Anzahl der Empfangs- und Sendestufen, die Anzahl der abstimmbaren Filter pro Empfangs- oder Sendestufe, die Anzahl der verstellbaren Phasenschieber (bzw. der Ausgänge eines Phasenschiebers) pro Filter und die Anzahl der Antennenelemente pro Phasenschieber nicht auf die in den Figuren dargestellten Beispiele beschränkt, sondern je nach der gewünschten Anwendung beliebig wählbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2001/0046225 A1 [0003]
- US 2011/0310881 A1 [0004]
- WO 2012/027703 A2 [0005]
