DE102017122450A1

DE102017122450A1 - Vorrichtung, Netzwerk und Verfahren zur Erlangung einer definierten Phasenverschiebung

Info

Publication number: DE102017122450A1
Application number: DE102017122450.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas MERKLE
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2019-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (11) zum Erzeugen von Signalen mit definierter Phasenlage mit zumindest einem Signaleingang (12) und einer Mehrzahl Signalausgänge (13) umfassend eine Mehrzahl Phasenschieber (PS), welche zwischen dem Signaleingang (12) und den Signalausgängen (13) angeordnet sind. Wesentlich ist, dass die Phasenschieber (PS) zwischen dem Signaleingang (12) und den Signalausgängen (13) als eine Baumstruktur mit N Ebenen angeordnet sind, wobei N der Höhe der Baumstruktur entspricht und N => zwei ist, wobei n {n=1, 2, ..., N} den Stellenwert in der Baumstruktur darstellt und die Ebene n=1 mittelbar oder unmittelbar an den Signalausgängen (13) und die Ebene n=N an dem Signaleingang (12) angeordnet ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Netzwerk zur Strahlformung und/oder Strahlschwenkung einer Gruppenantenne sowie ein Verfahren und eine Verwendung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Signalen mit definierter Phasenlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Netzwerk zur Strahlformung und/oder Strahlschenkung einer Gruppenantenne gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8 sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Parameter für die Phasenverschiebung zur Strahlschwenkung und/oder Strahlformung einer Gruppenantenne gemäß dem Anspruch 9 sowie die Verwendung der genannten Vorrichtungen und Verfahren.
Vorrichtungen zum Erzeugen von Signalen mit einer definierten Phasenlage weisen üblicherweise zumindest einen Signaleingang und eine Mehrzahl Signalausgänge sowie eine Mehrzahl Phasenschieber auf. Phasenschieber sind elektronische Schaltungen, die die Phase einer elektrischen Schwingung verschieben. Der Grad der Phasenverschiebung bewegt sich zwischen 0° und 360°.
Vorrichtungen der genannten Art werden typischerweise bei der Realisierung der Strahlformung und Strahlschwenkung in Gruppenantennen (Phased-Array-Antennen) eingesetzt. Bei verschiedenen Anwendungen im Bereich Radar oder Mobilfunk ist es vorteilhaft, elektromagnetische Wellen mit einer Hauptabstrahlungsrichtung auszusenden, um Objekte zu detektieren oder bestimmte Bereiche abzudecken. Hier kann es vorteilhaft sein, die Richtung, in welche die elektromagnetischen Wellen ausgestrahlt werden, zu variieren, um so einen größeren räumlichen Bereich abzudecken. Dies kann über Phased-Array-Antennen erfolgen, die ein elektronisch schwenkbares Antennen-Array darstellen. Phased-Array-Antennen bestehen aus einer Anordnung mehrerer Antennenelemente, die mittels einer gemeinsamen Signalquelle gesteuert werden. Durch die Ansteuerung der einzelnen Antennenelemente mit einem entsprechend phasenverschobenen Signal kann durch eine Überlagerung der einzelnen ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen eine konstruktive Interferenz in einer gewünschten Richtung (der Hauptabstrahlungsrichtung) erreicht werden. Diese Gruppenantennen finden beispielsweise im Bereich der Millimeterwellen- und THz-Funkkommunikation im Bereich Mobilfunk (inklusive 5G und Beyond 5G) und in der Radartechnik Anwendung.
Gruppenantennen mit Strahlschwenkungs- bzw. Strahlformungseigenschaften sind Schlüsselkomponenten für die praktische Realisierung moderner Radarsysteme sowie drahtloser Kommunikationssysteme. Dies betrifft insbesondere jedoch nicht ausschließlich Frequenzbereiche des Millimeterwellen- und THz-Bandes. So machen zum Beispiel auch 5G-Mobilfunkkonzepte maßgeblich Gebrauch von Methoden der Strahlformung und Strahlschwenkung. Mit zunehmender Frequenz steigen bei diesen drahtlosen Funksystemen sowohl die Dämpfung im freien Raum als auch die zusätzlich bedingte Dämpfung durch Atmosphärengase stark an. Ein Ausgleich dieser Dämpfung kann nur durch eine erhöhte Sendeleistung in Kombination mit immer stärker gerichteten Antennen - dies bedeutet üblicherweise eine immer schmaler werdende Antennenkeule - erreicht werden. Durch diese immer kleiner werdenden Antennenkeulen wird die Ausrichtung der Antennenabstrahlrichtung zwischen Sender und Empfänger immer schwieriger, insbesondere, wenn zusätzlich Sender und Empfänger relativ zueinander in Bewegung sind. Dies ist beispielsweise bei mobilen Anwendungen der Fall und erfordert eine elektronische Ausrichtung der Antennenabstrahlwinkel sowie der Formung der Antennenhauptkeule. Relativbewegungen zwischen Sender und Empfänger können jedoch auch statistischer oder ungewollter Natur sein, beispielsweise aufgrund von Wind oder Motorenvibrationen oder thermischen Ausdehnungen, und erfordern eine Korrektur durch Nachführung der Abstrahlrichtung.
Dazu ist es aus dem Stand der Technik bekannt, mit Phasenschiebern im Basisband im LO-Pfad oder direkt im Signalpfad des Übertragungsfrequenzbereichs eine Strahlschwenkung und/oder Strahlformung zu erreichen, typischerweise mit bis zu 6-Bit Auflösung. Dabei werden üblicherweise bei N Antennenelementen N*6 Steuerleitungen benötigt, was zu einem hohen Platzbedarf bei der Integration auf dem Chip führt. Weiter nachteilig ist, dass eine komplexe Kalibration erforderlich ist und mit konstanten Phasen und Amplitudeneinstellungen keine breitbandige Realisierung möglich ist.
Alternativ ist es bekannt, Lokaloszillator (LO)-Phasenschieber einzusetzen. Beispielsweise ist in der WO 2013/096266 A1 ein mehrstufiger Phasenschieber beschrieben, der eine Ansteuerung der einzelnen Antennenelemente mittels einer kompletten unabhängigen Frequenzmultipliziererkette vorsieht. Nachteilig an diesem Ansatz ist, dass die eingesetzten Injection Locked Oszillatoren (IL)-Oszillatoren einen meist stark limitierten Frequenzabstimmbereich aufweisen und daher nicht für breitbandige Radaranwendungen geeignet sind. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Abhängigkeit der Phasenverschiebung von der Tuningspannung der Abstimmkapazitäten lineararisiert werden muss. Hierzu sind zwei verschiedene Steuerleitungen vorgesehen, was zu einer vergleichsweisen komplexen Ansteuerung führt.
Zusätzlich haben Arbeiten der Anmelderin gezeigt, dass der in der genannten Druckschrift beschriebene Ansatz dazu führt, dass sich die Kohärenz der Signale verschiedener Antennenelemente zueinander mit steigendem Vervielfachungsfaktor erheblich verschlechtert durch die unkorrelierten Anteile des Phasenrauschens in verschieden Signalpfaden. Durch diese Kohärenzproblematik ist die beschriebene Topologie insbesondere für Kommunikationsanwendungen im Millimeterwellen- / THz-Bereich eher ungeeignet.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung vorzuschlagen, die eine geringere Fehlerfortpflanzung, verbesserte Kohärenz und geringere Störanfälligkeit sowie einen geringen Bauraumbedarf aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Erzeugen von Signalen mit definierter Phasenlage gemäß Anspruch 1, durch ein Netzwerk zur Strahlformung und/oder Strahlschwenkung einer Gruppenantenne gemäß Anspruch 10, durch ein Verfahren für die Bestimmung der Parameter für die Phasenverschiebung zur Strahlschwenkung und/oder Strahlformung in Gruppenantennen gemäß Anspruch 11 sowie durch eine Verwendung gemäß den Ansprüchen 13 und 14. Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung finden sich in den Ansprüchen 2 bis 9. Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens findet sich in Anspruch 12. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung einbezogen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst, wie an sich bekannt, zumindest einen Signaleingang und eine Mehrzahl Signalausgänge. Weiter sind eine Mehrzahl Phasenschieber vorgesehen. Die Phasenschieber sind zwischen dem Signaleingang und den Signalausgängen angeordnet.
Wesentlich ist, dass die Phasenschieber zwischen dem Signaleingang und den Signalausgängen als eine Baumstruktur mit N Ebenen angeordnet sind, wobei N der Höhe der Baumstruktur entspricht und N≥2 ist. n läuft von 1 bis N und stellt den Stellenwert in der Baumstruktur dar, derart, dass n = 1 mittelbar oder unmittelbar an den Signalausgängen angeordnet ist und die Ebene n = N an dem Signaleingang angeordnet ist.
Die Erfindung unterscheidet sich somit in wesentlichen Aspekten von vorbekannten Vorrichtungen:
Die Phasenschieber zwischen dem Signaleingang und den Signalausgängen sind nicht - wie aus dem Stand der Technik bekannt - als lineare Ketten angeordnet, sondern als eine Baumstruktur mit N Ebenen. Durch die Baumstruktur werden Untergruppen gebildet, die eine gemeinsame Ansteuerung der zu dieser Untergruppe gehörigen Signalausgänge ermöglichen.
Die Ansteuerung über die Untergruppen mittels der Baumstruktur bedeutet, dass nicht für jeden Signalausgang eine vollständige Kette an Phasenschiebern vorgesehen werden muss. Vielmehr übernehmen Phasenschieber höherer Ebenen die Funktion für mehrere Untergruppen und damit auch für mehrere Signalausgänge. Das heißt, die Phasenschieber mit höherem Stellenwert stellen die Phasendifferenz zwischen größeren Untergruppen ein, die Phasenschieber mit kleinerem Stellenwert dann zwischen kleineren Untergruppen bis hin zum inkrementellen Unterschied zwischen benachbarten Signalausgängen.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Anzahl der benötigten Phasenschieber minimiert und die Eindeutigkeit innerhalb der Untergruppen von Signalausgängen gewährleistet ist. Dadurch können im Vergleich zum Stand der Technik sowohl platzsparende als auch kostengünstige Phasenschiebernetzwerke realisiert werden. Darüber hinaus ergibt sich durch den Einsatz der Phasenschieber für Untergruppen eine verbesserte Kohärenz zwischen den Signalen einzelner Signalausgänge oder auch kleinerer Untergruppen.
Damit steuert jeder Phasenschieber abhängig vom Stellenwert eine Untergruppe von Signalausgängen gemeinsam an, die mit geringerem Stellenwert (entsprechend einer weiteren Verzweigung im Baum) immer weniger Signalausgänge umfasst. Die parallel liegenden Untergruppen, die von dem identischen Phasenschieber mit höherem Stellenwert angesteuert werden, unterliegen zueinander keinem relativen Phasenfehler. Hierdurch wird die Kohärenz deutlich verbessert: Da das differenzielle Phasenrauschen zwischen den Signalen an den Signalausgängen angeschlossenen Elementen geringgehalten werden kann, wird eine negative Fehlerfortpflanzung vermieden.
Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für sehr breitbandige Anwendungen geeignet, da das Lokaloszillatorsignal nicht wie aus dem Stand der Technik bekannt mit IL-Oszillatoren in der Phase geschoben wird, sondern über mehrere Ebenen inkrementeller Phasenschieber, vorzugsweise mit nichtlinearen Hochfrequenzvervielfachern.
Der Begriff „Baumstruktur“ soll im Rahmen dieser Erfindungsbeschreibung verschiedene Baumstrukturen mit variablen Höhen, Tiefen sowie Ausgangsgrad der Knoten umfassen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass Zwischenebenen mit Ausgangsgrad k=1 oder einer anderen Funktionalität vorgesehen sein können.
Vorzugsweise enthält die Baumstruktur Verstärkerelemente. Höchstvorzugsweise ist bei jeder Verzweigung ein Verstärkerelement vorgesehen, insbesondere bevorzugt jeweils nach dem Phasenschieber. Dadurch wird die Abschwächung des Signals durch die Verzweigung vermieden bzw. kompensiert. Mit den Verstärkerelementen werden also vorzugsweise zumindest die Signalabschwächungen durch die Verzweigungen kompensiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung Frequenzvervielfacher, welche Frequenzvervielfacher mit den Phasenschiebern in der Baumstruktur angeordnet sind. Dadurch ergeben sich Phasenschieberelemente bestehend aus einem Phasenschieber und einem Frequenzvervielfacher. Durch den Einsatz von Frequenzvervielfachern ergibt sich der Vorteil, dass die einzelnen Phasenschieberstufen wegen des Vervielfachungsfaktors kleinere Inkremente realisieren müssen. Durch den Einsatz von Frequenzvervielfachern wird somit eine Verkleinerung der Phasenschieberbauform und der Anzahl der benötigten Steuerleitungen möglich. Die Vorrichtung kann vorteilhafterweise auf kleinerer Chipfläche integriert werden.
Zwar ergibt sich durch den Einsatz von Frequenzvervielfachern auch eine signifikante Fehlerfortpflanzung, die zu einer Verschlechterung der Kohärenz zwischen den Signalausgängen führen kann. Durch die erfindungsgemäße Topologie ist jedoch - im Gegensatz zum Stand der Technik mit einem unterschiedlichen Fehler für jedes einzelne Signalausgangselement (unkorreliert) - durch die baumartige Struktur eine Entkopplung der relativen Phasenfehler von unabhängigen Untergruppen gegeben, was die Kohärenz deutlich verbessert.
Vorzugsweise ist in der Baumstruktur jeder Phasenschieber in jeder Ebene mit einem Frequenzvervielfacher zu einem Phasenschieberelement kombiniert, so dass von dem Signaleingang zu den Signalausgängen Ketten aus Frequenzvervielfachern und Phasenschiebern ausgebildet sind. Die Phasenschieber und Frequenzvervielfacher sind in diesen Ketten jeweils alternierend angeordnet.
Eine Ebene bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Elemente einer Ebene jeweils den gleichen Stellenwert in der Baumstruktur aufweisen. Dabei liegt es ebenso im Rahmen der Erfindung, dass die Anordnung der Signalausgänge nicht auf eine zweidimensionale Anordnung beschränkt ist, sondern auch dreidimensionale Anordnungen von Signalausgängen mit einer entsprechend dreidimensionalen Baumstruktur und entsprechend zweidimensionalen Ebenen angesteuert werden können.
Der Vorteil ist hier insbesondere, dass sich Fehler höherer Stellenwerte auf die nachfolgenden Untergruppen gleich auswirken und daher entweder nicht als relevant betrachtet werden müssen oder in den Ebenen mit niedrigeren Stellenwerten einfacher zu korrigieren sind.
Vorzugsweise ist die Baumstruktur als gewurzelter Binärbaum ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung in der Baumstruktur mit digitalen Phasenschiebern ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung zur Einstellung des kleinsten Phaseninkrements analoge Phasenschieber zwischen der Ebene mit dem Stellenwert n=1 und den Signalausgängen auf. Hierdurch kann vorteilhafterweise die Feineinstellung kontinuierlich analog beispielsweise über eine Tuningspannung abgestimmt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Phasenschieber als Hochfrequenz-Phasenschieber ausgebildet. Damit kann das Referenzsignal bspw. eines Lokaloszillators vervielfacht werden und inkrementell die Phase verschoben werden, sodass sehr breitbandig die Zeit- bzw. Phasenverschiebung zwischen Signalen verschiedener Signalausgänge (Antennenelemente) über ein Trägersignal erzeugt werden kann. Das Phasenschieben des Lokaloszillatorsignals erlaubt die Phase eines Trägersignals für verschiedene Signalausgänge (bspw. für Antennenelemente) einzustellen, auch für breitbandig modulierte Signale.
Insbesondere bevorzugt sind die Phasenschieber als binäre digitale und/oder analog inkrementelle Phasenschieber ausgebildet. Die analogen inkrementellen Phasenschieber können über abstimmbare reaktive Bauelemente ausgeführt werden, zum Beispiel ein von seiner Betriebsspannung abhängiges Transtorelement oder eine abstimmbare Kapazitätsdiode. Alternativ können die analogen inkrementellen Phasenschieber auch durch diskretes Schalten zwischen Leitungen verschiedener Länge realisiert werden. Diese Realisierung erlaubt ein breitbandigeres Signal und eine echte Laufzeitverzögerung.
Die Frequenzvervielfachung wird vorzugsweise mit einer nichtlinearen Kennlinie von Transistoren ausgebildet zur Generation von Oberwellen. Die Oberwellen liefern den Vervielfachungsfaktor, d. h. es handelt sich um Signale, die abhängig von der Ordnung der Oberwelle ein Vielfaches der Frequenz aufweisen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch Ausnützen der nichtlinearen Kennlinie bei der Amplitude ein Sättigungsverhalten auftritt. Dadurch wird das Amplitudenrauschen minimiert und die Signalqualität verbessert. Weiter wird vermieden, dass sich die Amplitudenschwankungen aus dem Eingangssignal aufschaukeln. Vielmehr wird hier eine Glättung des Signals erreicht. Während bei den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen ein Phasenschieben in der höchsten Stufe vor den Signalausgängen erfolgt und zu einer Fortpflanzung eines möglichen Amplitudenfehlers führt, ergibt sich durch das inkrementelle Schieben der Phase in den Ebenen mit niedrigem Stellenwert eine gute Glättung des Amplitudensignals.
Dadurch können bereits durch kleine Phasenänderungen unter Ausnutzung des Vervielfachungsfaktors - auch bei niedrigen Vervielfachungsstufen - die Umsetzung großer Phaseninkremente erreicht werden.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung explizit ohne Frequenzvervielfacher in der Baumstruktur ausgebildet. Dadurch lässt sich die Baumstruktur mit Phasenschiebern auch zum Phasenschieben im Sende- und Empfangszweig einer Gruppenantenne einsetzen. Da die Frequenzvervielfacher fehlen, müssen bei dieser Ausführungsform die Phasenschieber größere Phaseninkremente realisieren, da kein Vervielfachungseffekt auftritt.
Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung zeigt sich der Vorteil der Erfindung, dass nicht für jedes einzelne Antennenelement eine Kette aus Phasenschiebern vorhanden sein muss, sondern durch die Gruppierung der Baumstruktur die Phasenschieber die jeweils dazugehörigen Untergruppen steuern. Dadurch entsteht, wie bereits ausgeführt, eine kompakte Netzwerkstruktur, die insbesondere durch die reduzierte Fehlerfortpflanzung vorteilhaft ist und zu einer verbesserten Kohärenz zwischen den Signalen der einzelnen Antennenelemente führt. Dabei liegt es ebenso im Rahmen der Erfindung, dass beide Ausführungsformen, einerseits im Lokaloszillatorpfad und andererseits im Sende- und Empfangszweig einer Gruppenantenne, kombiniert werden. Dieser Fall erlaubt die Ansteuerung mit verschiedenen Informationssignalen, z.B. wie für moderne Multi-User MIMO Systeme benötigt, so auch im 5G Mobilfunkbereich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung mit einer Laufzeitverzögerung zwischen Signalausgängen ausgebildet.
Vorzugsweise wird die Laufzeitverzögerung in vorbekannter Weise mittels Leitungspaaren verschiedener Länge erreicht, die in den Signalpfad geschaltet werden können.
In großen Gruppenantennenanordnungen können zwischen weiter entfernten Antennenelementen größere Verzögerungen notwendig sein. Mit der beschriebenen Baumstruktur aus Phasenschieberelementen können Phasenverschiebungen der Träger für die verschiedenen Einzelantennen zwischen 0° und 360° eindeutig realisiert werden. Eine Phasenverschiebung >360° kann mit einer echten Laufzeitverzögerung (True-Time Delay) erreicht werden. Dieses Problem wird wie beschrieben vorteilhafterweise durch eine zusätzliche Laufzeitverzögerung mit zusätzlich geschalteten Leitungen unterschiedlicher Länge erreicht.
Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls gelöst durch ein Netzwerk gemäß Anspruch 10. Das erfindungsgemäße Netzwerk ist zur Strahlformung und/oder Strahlschwenkung einer Gruppenantenne ausgebildet und umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen von Signalen mit definierter Phasenlage.
Wesentlich ist, dass das Netzwerk Ketten aus Phasenschieberelementen mit Frequenzvervielfachern und Phasenschiebern umfasst, die im Verlauf der Baumstruktur von dem Signaleingang zu einem der Signalausgänge alternierend ein Frequenzvervielfacher und einen Phasenschieber aufweisen. Die Signalausgänge sind jeweils den einzelnen Antennen einer Gruppenantenne zugeordnet.
Durch den Aufbau der Baumstruktur mit den Ketten aus Frequenzvervielfachern und Phasenschiebern ergibt sich ein Netzwerk zur Ansteuerung der Antennenelemente. Vorzugsweise sind die Frequenzvervielfacher als binäre Frequenzverdopplerstufen ausgebildet, so dass sich ein digitales Phasenschiebernetzwerk ergibt. Insbesondere bevorzugt werden als Phasenschieber binäre digitale Phasenschieber oder analog inkrementelle Phasenschieber zwischen den Frequenzvervielfacherelementen eingesetzt. Insbesondere bevorzugt nutzen die Frequenzvervielfacher zur Frequenzvervielfachung die Erzeugung von Oberwellen einer nichtlinearen Kennlinie von Transistoren. Hierdurch ergibt sich, wie bereits beschrieben, der Vorteil, dass durch Ausnützen der nichtlinearen Kennlinie bei der Amplitude ein Sättigungsverhalten auftritt. Dadurch wird das Amplitudenrauschen minimiert und die Signalqualität verbessert. Weiter wird vermieden, dass sich die Amplitudenschwankungen aus dem Eingangssignal aufschaukeln. Vielmehr wird hier eine Glättung des Signals erreicht.
Weiter wird die Aufgabe der Erfindung ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Parameter für die Phasenverschiebung zur Strahlschwenkung und/oder Strahlformung in Gruppenantennen. Ein solches Verfahren ist für eine Vorrichtung mit einer Mehrzahl Phasenschieber und Frequenzvervielfachern geeignet, die alternierend in Ebenen einer Baumstruktur mit N Ebenen angeordnet sind. Das Verfahren ist also insbesondere zur Bestimmung der Parameter für die Phasenverschiebung bei einer oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung oder einer bevorzugten Ausführungsform einer solchen erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet.
Bei den N Ebenen der Baumstrukturen zeigt n mit n=1, 2, ..., N den Stellenwert in der Baumstruktur an, bezeichnet also die entsprechende Ebene. Die Ansteuerung der Signalausgänge erfolgt ausgehend von dem Signaleingang und der Ebene mit dem Stellenwert n = N über Untergruppen, die durch die Verzweigungen der Baumstruktur definiert werden und deren Stellenwert bis hin zu den Signalausgängen abnimmt. Dabei nimmt auch das Phaseninkrement zur Ansteuerung der verbleibenden Untergruppe mit sinkendem Stellenwert, d. h. auch mit sinkender Anzahl der Phasenschieber in der Untergruppe, weiter ab.
Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der Parameter auf der Grundlage eines Zahlensystems, welches Zahlensystem dadurch definiert ist, dass die Vervielfachungsfaktoren der Frequenzvervielfacherelemente die Basis des Zahlensystems bilden und die Phaseninkremente der Phasenschieber den Ziffernwert darstellen.
Der Stellenwert in der Baumstruktur stellt den Gewichtungsfaktor des Phasenschieberbeitrags der n-ten Stelle zur Gesamtphasenänderung dar. Zum Beispiel bewirkt ein Phaseninkrement doppelt gewichtet eine doppelte Phasenänderung des Signals.
Für den Fall von Frequenzverdopplern als Frequenzvervielfacher ergibt sich folgenden Analogie zu einem binären Zahlensystem (Basis 2):

Phaseninkremente der Phasenschieber: $φ = {φ_{n}, φ_{n - 1}, \dots, φ_{1}}$
Ziffern (auch u.U. reell wertig)
Stellenwert der n-ten Stelle: $D_{n} = \prod_{k = 1}^{n} M_{k} \dots$
Phasenbeitrag durch die n-te Stelle: $φ_{n} \cdot D_{n} \dots$
Phasenwert des j-ten Antennenelements: $ϕ_{j} = φ_{n} \cdot D_{n} + φ_{n - 1} \cdot D_{n - 1} + φ_{1} \cdot D_{1}$

Die Stelle mit dem Stellenwert n=1 ist die Stelle mit der niedrigsten Bewertung vor dem letzten Phasenschieber vor dem Signalausgang. Optional kann zwischen der Stelle n=1 und dem Signalausgang eine analoge wertekontinuierliche Stelle zur Feineinstellung folgen (Stelle n=0).
Im Spezialfall von Vervielfacherketten, aufgebaut aus Verdopplern (X2), ist für die Gewichtung der n-ten Stelle $M_{n} = M_{n - 1} = \dots = M_{1} = 2$
und man erhält eine Analogie zu einem binären Zahlensystem (Basis 2). Es wird damit verständlich, dass Fehler in Stellen mit hohem Stellenwert zu einem großen Phasenfehler führen.
Auf der Grundlage dieses Zahlensystems lassen sich für Topologien mit Baumstruktur Strahlschwenkungsalgorithmen entwickeln.
Die beschriebene Aufgabe der Erfindung wird weiter gelöst durch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung und/oder Strahlschwenkung in Antennen-Arrays/Gruppenantennen.
Ebenso wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Sende- und Empfangspfad einer Antennenanordnung.
Für den Fachmann ist in Zusammenhang mit dieser Erfindung selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung sowie die beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen mit bekannten Komponenten und Systemen, wie beispielsweise Mischern zur Weiterverarbeitung der Signale, kombiniert werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, das erfindungsgemäße Netzwerk sowie das erfindungsgemäße Verfahren oder eine der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist grundsätzlich für Anwendungen geeignet, bei denen sehr breitbandige drahtlose Funk- oder Radarsysteme benötigt werden.
Insbesondere betrifft dies Millimeterwellen- oder THz-Frequenzsysteme aufgrund des dort zur Verfügung stehenden unregulierten Frequenzspektrums sowie Anwendungen im 5G bzw. „Beyond 5G“-Mobildfunkbereich.
Weitere bevorzugte Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert.
Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Baumstruktur aus Phasenschiebern und Frequenzvervielfachern;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Baumstruktur aus Phasenschiebern ohne Frequenzvervielfacher;
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Beispielen für Baumstrukturen in den Teilabbildungen a und b.

In den 1 bis 3 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung mit einer Baumstruktur 11. Die Vorrichtung weist einen Signaleingang 12 und Signalausgänge 13 auf. An den Signalausgängen 13 können jeweils Antennenelemente einer Gruppenantenne angeordnet sein.
Dargestellt sind drei Ebenen 1, 2, N der Baumstruktur. Durch die gepunkteten Linien zwischen der zweiten und der n-ten Ebene N wird angedeutet, dass hier mehrere, beliebig viele Ebenen eingefügt sein können.
Insgesamt zeigt die Darstellung 11 Phasenschieberelemente PS X_mn , die für ein Netzwerk aus 14 Phasenschieberelemente stehen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle 14 Phasenschieberelemente dargestellt, sondern teilweise durch ... eine Fortsetzung angedeutet.
Das Phasenschieberelemente PS X_m1 ist beispielhaft mit dem Bezugszeichen 14 gekennzeichnet. Die Phasenschieberelemente mit den Phasenschiebern PS sind indiziert über X_mn . Durch die Indizierung lässt sich die Position des Phasenschieberelements PS X_mn genau festlegen.
In der ersten Ebene mit n = 1 sind vorliegend sechs Phasenschieberelemente dargestellt. Auch hier ist durch drei Punkte angedeutet, dass sich die Ausdehnung der Baumstruktur durch die Anzahl der Phasenschieberelemente in der letzten Ebene beliebig ausdehnen lässt.
Jedes Phasenschieberelement PS X_mn besteht aus einem Phasenschieber PS und einem Frequenzvervielfacher X. Die Phasenschieber PS sind vorliegend im Lokaloszillatorpfad eingesetzt zum Schieben der Phase und zur Vervielfachung der Frequenz der verschiedenen aufgeteilten Signale des Lokaloszillatorsignals. Ein solches Phasenschieberelement ist in der 1b im Detail dargestellt. Die analogen inkrementellen Phasenschieber können über abstimmbare reaktive Bauelemente ausgeführt werden, zum Beispiel ein von seiner Betriebsspannung abhängiges Transtorelement.
Das Steuersignal 303 des Phasenschiebers PS ist mit einem Fehlersignal bzw. Störsignal beaufschlagt ist. Dieses Fehlersignal wird in den weiteren Stufen dann mit vervielfacht und bekommt daher ein größeres Gewicht am Gesamtfehler.
Jeder Phasenschieber PS stellt die gewünschte Phasendifferenz in der jeweiligen Ebene n ein. Die Frequenzvervielfacher X sind vorliegend als Frequenzverdopplerstufe mit einem binären Vervielfachungsfaktor ausgebildet. Dadurch verdoppelt sich auch der Effekt des jeweils zugeordneten Phasenschiebers.
Die einzelnen Phasenschieberebenen müssen daher nur kleine Phaseninkremente wegen des Vervielfachungsfaktors realisieren. Dies kann jedoch auch zu einer erheblichen Fehlerfortpflanzung führen.
Insbesondere bei Fehlern in Ebenen mit einem hohen Stellenwert ergibt sich ein großer Gesamtphasenfehler an den Ausgängen. In den vorbekannten Vorrichtungen aus dem Stand der Technik mit einzelnen Vervielfacherketten hinter jedem Antennenelement, die Phasenschieber mit N Stellen verwenden, ergibt sich für eine Gruppenantenne mit K Elementen damit eine benötigte Anzahl von N*K Stellgrößen. Die Fehler aller dieser Stellgrößen sind im Stand der Technik unabhängig zueinander mit einer negativen Auswirkung auf die Kohärenz der Gruppenantenne, d. h. die starre Phasenbeziehung zwischen den Signalen aller Antennenelemente wird beeinträchtigt bzw. geht verloren.
Durch die Baumstruktur 11 der erfindungsgemäßen Ausführungsform steuert jeder Phasenschieber PS eines Phasenschieberelements PS X_mn einer bestimmten Ebene n eine Untergruppe 15 von weiteren Phasenschiebern PS in den Phasenschieberelementen PS X_mn der folgenden Ebenen und im Endeffekt die Antennenelemente gemeinsam an. Mit abnehmenden Stellenwert in den folgenden Ebenen des Baums mit den vorgesehenen Vervielfacherstufen enthalten diese Untergruppen, beispielhaft gekennzeichnet mit dem Bezugszeichen 15, immer weniger Antennenelemente. Dabei unterliegen die einzelnen Untergruppen 15 keinem relativen Phasenfehler, herrührend von der Phasenschieberstelle, die die gesamte Untergruppe 15 angesteuert hat, wodurch die Kohärenz zwischen den einzelnen Antennenelementen deutlich verbessert wird.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung für den Sende- und Empfangspfad einer Antenne.
Zur Vermeidung von Wiederholungen soll im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zwischen den Figuren eingegangen werden.
Die Baumstruktur 11 der Phasenschieber PS, 24 lässt sich auch zum Phasenschieben im Sende- und Empfangspfad im RF-Pfad einsetzen. Die Baumstruktur 11 ist in diesem Fall, wie in 2 dargestellt, lediglich aus Phasenschiebern PS, 24 aufgebaut ohne Frequenzvervielfacher, siehe 2b. Daher entfällt die Gewichtung der Phaseninkremente der Phasenschieber PS, 24 mit den Vervielfachungsfaktoren der Frequenzvervielfacher, sodass in den Ebenen mit höheren Stellenwerten nun auch größere Phaseninkremente realisiert werden müssen.
Dargestellt ist eine Baumstruktur mit n = 3 mit insgesamt 14 Phasenschieber. Über diese Baumstruktur werden 8 Antennenelemente 30 angesteuert. Jedes Antennenelement 30 kann ebenso eine X Y-Koordinate in einer zweidimensional ausgeführten Gruppenantenne sein.
Vorliegend ist die Ebene n = 1 an den Signalausgängen für die Elemente der Gruppenantenne mit digitalen Phasenschiebern mit dem Phaseninkrement diskret umschaltbar zwischen 0 und 22.5°.{0,22.5} ausgebildet. Die Ebene n = 2 ist mit Phasenschiebern mit Phaseninkrement diskret umschaltbar zwischen 0 und 45°. Die Ebene n = 1 ist mit zwei Phasenschiebern mit Phaseninkrement diskret umschaltbar zwischen 0 und 90° ausgeführt.
Dadurch können zum Beispiel die Signale die Phase 0° - 22.5° - 45° - 67.5° - 90° - 112.5° - 135° - 157.5° an den verschiedenen Ausgängen annehmen. Zwei benachbarte Elemente können nur eine Phasendifferenz von 22.5° haben, was aber keine Einschränkung für die Aufgabe der Strahlformung darstellt. Gleichzeitig ist aber auch nur ein Fehler von 22.5 Grad zwischen benachbarten Ausgängen maximal möglich. Beim Stand der Technik kann der Phasenfehler zwischen benachbarten Elementen 157.5° betragen zum Beispiel.
3 zeigt in den Teilabbildungen a und b Varianten der Ausführungsformen mit verschiedenen Baumstrukturen. Dabei zeigt 3a eine Baumstruktur mit einem Knoten mit Ausgangsgrad k = 1. Von der zweiten auf die erste Ebene der Baumstruktur sind jeweils in beiden Ebenen die gleiche Anzahl Phasenschieberelemente vorgesehen.
3b zeigt eine Baumstruktur mit Knoten mit dem Ausgangsgrad k = 4. Beim Übergang von der Ebene n=2 auf die Ebene n=1 gehen von den Phasenschieberelementen in der Ebene zwei jeweils Verbindungen zu vier Phasenschieberelementen in der Ebene eins ab.
Bäume mit Knoten von Ausgangsgrad 1 finden beispielsweise Anwendung, wenn größere Differenzen zwischen direkt benachbarten Elementen gefordert werden. Das kann zum Beispiel der Fall sein, wenn sich weitere verschiedenartige Komponenten in einem Baum befinden deren zusätzliche Phasenverschiebung ausgeglichen werden soll. Dazu können beispielsweise in den betroffenen Ketten durch Knoten mit einem Ausgangsgrad k=1 Phasenschieber als Ausgleich zwischengeschaltet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/096266 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung (11) zum Erzeugen von Signalen mit definierter Phasenlage mit zumindest einem Signaleingang (12) und einer Mehrzahl Signalausgänge (13) umfassend eine Mehrzahl Phasenschieber (PS), welche zwischen dem Signaleingang (12) und den Signalausgängen (13) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenschieber (PS) zwischen dem Signaleingang (12) und den Signalausgängen (13) als eine Baumstruktur mit N Ebenen angeordnet sind, wobei N der Höhe der Baumstruktur entspricht und N => zwei ist, wobei n {n=1, 2, ..., N} den Stellenwert in der Baumstruktur darstellt und die Ebene n=1 mittelbar oder unmittelbar an den Signalausgängen (13) und die Ebene n=N an dem Signaleingang (12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Frequenzvervielfacher (X) umfasst, welche Frequenzvervielfacher (X) in der Baumstruktur der Phasenschieber (PS) angeordnet sind, sodass jeweils ein Phasenschieber (PS) und ein Frequenzvervielfacher (X) ein Phasenschieberelement (14, PSX_mn) bilden, vorzugsweise dass die Phasenschieberelemente (14, PSX_mn) in der Baumstruktur derart angeordnet sind, dass von dem Signaleingang (12) zu den Signalausgängen (13) Ketten aus Frequenzvervielfachern (X) und Phasenschiebern (PS) in alternierender Abfolge ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Baumstruktur als gewurzelter Binärbaum ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in der Baumstruktur mit digitalen Phasenschiebern (PS) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Einstellung des kleinsten Phaseninkrements analoge Phasenschieber zwischen der Ebene n=1 und den Signalausgängen umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenschieber (PS) im Lokaloszillatorpfad und/oder im Signalpfad angeordnet sind, insbesondere bevorzugt, dass die Phasenschieber (PS) als binäre digitale und/oder analog inkrementelle Phasenschieber, vorzugsweise als analog inkrementelle Phasenschieber in Form von abstimmbaren reaktiven Bauelementen, insbesondere bevorzugt als Varaktor oder als ein von seiner Betriebsspannung abhängiges Transtorelement oder durch diskretes Schalten zwischen Leitungen verschiedener Länge, ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 oder 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ohne Frequenzvervielfacherelemente (X) in der Baumstruktur ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laufzeitverzögerung zwischen vorzugsweise auswählbaren Signalausgängen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungen verschiedener Länge vorgesehen sind und dass die Laufzeitverzögerung mittels Umschaltung des Signalweges zwischen diesen Leitungen verschiedener Länge erreicht wird.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Baumstruktur Verstärkerelemente enthält, höchstvorzugsweise dass bei jeder Verzweigung der Baumstruktur zumindest ein Verstärkerelement vorgesehen, insbesondere bevorzugt jeweils nach dem Phasenschieber.
Netzwerk zur Strahlformung und/oder Strahlschwenkung einer Gruppenantenne mit einer Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzwerk Ketten aus Frequenzvervielfacherelementen (X) und Phasenschiebern (PS) (14, PSX_mn) umfasst, die im Verlauf der Baumstruktur von dem Signaleingang (12) zu einem der Signalausgänge (13) alternierend ein Frequenzvervielfacherelement (X) und einen Phasenschieber (PS) aufweisen, vorzugsweise binäre Frequenzverdopplerstufen als Frequenzvervielfacherelemente (X) und binäre digitale und/oder analog inkrementelle Phasenschieber (PS) zwischen den Frequenzvervielfacherelementen (X).
Verfahren zur Bestimmung der Parameter für die Phasenverschiebung zur Strahlschwenkung und/oder Strahlformung in Gruppenantennen für eine Vorrichtung mit einer Mehrzahl Phasenschieber und Frequenzvervielfacherelementen (14, PSX_mn), die alternierend in Ebenen einer Baumstruktur mit N Ebenen angeordnet sind, wobei n den Stellenwert in der Baumstruktur darstellt und die Ansteuerung über Untergruppen (15) erfolgt, die durch die Verzweigungen der Baumstruktur definiert werden und das Phaseninkrement zur Ansteuerung der verbleibenden Untergruppe (15) mit sinkendem Stellenwert abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Parameter auf der Grundlage eines Zahlensystems erfolgt, indem Vervielfachungsfaktoren der Frequenzvervielfacherelemente (X) die Basis des Zahlensystems bilden und die Phaseninkremente der Phasenschieber (PS) den Ziffernwert darstellen.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 oder 12 zur Strahlformung und/oder Strahlschwenkung in Antennen-Arrays (30), vorzugsweise in Gruppenantennen.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 10 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 oder 12 im Sende- und Empfangspfad einer Antennenanordnung.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 oder 12 im Lokaloszillatorpfad einer Antennenanordnung, vorzugsweisemit kohärenten Sendern bzw. Empfängern, welche heterodyn oder homodyn ausgeführt sind.