DE10237822B3

DE10237822B3 - Kalibriereinrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE10237822B3
Application number: DE10237822A
Authority: DE
Inventors: Jörg LANGENBERG
Original assignee: Kathrein Werke KG
Current assignee: Kathrein SE
Priority date: 2002-08-19
Filing date: 2002-08-19
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2022-08-20
Also published as: ES2263987T3; KR20050033065A; EP1530816B9; US20040032366A1; ATE329381T1; DE50303722D1; WO2004023601A1; CN2800506Y; EP1530816B1; EP1530816A1; AU2003297841A1; US7132979B2; KR100893656B1

Abstract

Kalibriereinrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array zeichnet sich durch folgende Verbesserungen aus: DOLLAR A - es werden zumindest zwei Eingänge (19.1, 19.2, 19.3, 19.4) von mehreren vorhandenen Eingängen (19) des Strahlformungsnetzwerkes (17; 17') gleichzeitig und/oder gemeinsam und/oder phasengleich angespeist, und DOLLAR A - zur Erzeugung von Zwischen-Keulen (20) oder weiteren unterschiedlichen Aziumutstrahlrichtungen sind die Strahler (3, 3') zuvor derart abgeglichen worden, dass die einzelnen erzeugten Keulen (16, 116) bei der Beschaltung zumindest zweier Eingänge (19.1, 19.2, 19.3, 19.4) phasenrichtig addierbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein umschaltbares Antennenarray nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren.

Aus der DE 692 00 720 T2 ist eine Vorrichtung zur elektronischen Steuerung des Strahlungsdiagramms einer Einfach- bzw. einer Mehrfach-Antennenanordnung bekannt geworden, die eine Einstelleinrichtung zur Erzeugung einer unterschiedlichen Ausrichtung der Hauptkeule in Horizontalrichtung sowie eine Einrichtung zur Veränderung der Horizontalbreite des Strahlungsdiagramms ermöglichen soll. Dazu sind ferner Phasenstellglieder vorgesehen, um hierdurch die Keulen entsprechend schwenken zu können.

Aus der WO 99/54960 A2 ist ein Kalibriersystem für eine Array-Antenne als bekannt zu entnehmen, die Kalibrierung gemäß dieser vorveröffentlichten Druckschrift dient zur Beeinflussung der Phasenlage der einzelnen Dipole. Eine Kalibrierung bezüglich der Zuleitungen zu der Antenne ist weder erörtert noch nahegelegt.

Gemäß der WO 01/19101 A1 wird ebenfalls ein Verfahren oder eine Vorrichtung zur Kalibrierung einer sogenannten Smart-Antennenanordnung vorgeschlagen. Gemäß dieser Kalibriervorrichtung soll es möglich sein, eine korrekte Funktion der mit den aktiven Komponenten bestückten Antennenanordnung zu gewährleisten. Die Kalibrierung betrifft also die Phasen- oder Amplitudenlagen der einzelnen Antennenelemente (Dipole). Diese Druckschrift befasst sich insbesondere nicht mit einer Kalbrierung, die der Erzeugung von Zwischenkeulen ermöglicht.

Ein gattungsbildendes Antennen-Array (Gruppenantenne) umfasst üblicherweise mehrerer Primärstrahler, mindestens jedoch zwei neben- und übereinander angeordnete Strahler, so dass sich eine zweidimensionale Array-Anordnung ergibt. Diese auch unter dem Begriff "Smart-Antennen" bekannten Antennen-Arrays werden beispielsweise auch im Militärbereich zur Verfolgung von Zielen (Radar) eingesetzt. Verstärkt werden diese Antennen in letzter Zeit jedoch auch im Mobilfunk eingesetzt, insbesondere in den Frequenzbereichen 800 MHz bis 1000 MHz bzw. 1700 MHz bis 2200 MHz.

Durch die Entwicklung neuer Primärstrahlersysteme ist nunmehr auch der Aufbau von dualpolarisierten Antennen-Arrays, insbesondere mit einer Polarisationsausrichtung von +45° bzw. –45° gegenüber der Horizontalen bzw. Vertikalen ermöglicht worden.

Derartige Antennen-Arrays, gleich, ob sie grundsätzlich aus dualpolarisiert oder nur aus einfach polarisierten Strahler bestehen, können zur Bestimmung der Richtung des ankommenden Signals eingesetzt werden. Gleichzeitig kann jedoch durch entsprechende Abstimmung der Phasenlage der in die einzelnen Spalten eingespeisten Sendesignale auch die Abstrahlrichtung verändert werden, d.h. es erfolgt eine selektive Strahlformung.

Diese Ausrichtung der Antenne in unterschiedliche Horizontalrichtungen erfolgt beispielsweise mittels eines Strahlformungsnetzwerkes (beam-forming-network). Ein derartiges Strahlformungsnetzwerk kann beispielsweise aus einer sogenannten Butler-Matrix bestehen, die beispielsweise vier Eingänge und vier Ausgänge aufweist. Das Netzwerk erzeugt je nach beschaltetem Eingang eine andere, aber feste Phasenbeziehung zwischen den Strahlern in den einzelnen Dipolreihen. Ein derartiger Antennenaufbau mit einer Butler-Matrix ist beispielsweise aus der gattungsbildenden US 6,351,243 bekannt geworden.

Das aus dem vorstehend genannten US-Patent bekannte Antennen-Array weist beispielsweise vier in Vertikalrichtung verlaufende und in Horizontalrichtung nebeneinander liegende Spalten auf, in die jeweils vier Strahler oder Strahlereinrichtungen übereinander untergebracht sind. Die vier Eingänge für die jeweils in einer Spalte angeordneten Strahler (nachfolgend teilweise auch Spalten-Eingänge genannt) sind mit den vier Ausgängen einer vorgeschalteten Butler-Matrix verbunden. Die Butler-Matrix weist beispielsweise vier Eingänge auf. Dieses vorgeschaltete Strahlformungsnetzwerk in Form der Butler-Matrix erzeugt in üblicher Weise je nach beschaltetem Eingang, also je nach dem, an welchem der vier Eingänge das Anschlusskabel angeschlossen wird, eine andere aber feste Phasenbeziehung zwischen den Strahlern in den vier Spalten. Dadurch werden vier unterschiedliche Ausrich tungen der Hauptstrahlrichtung und damit der Hauptkeule festgelegt. Mit anderen Worten kann also die Hauptstrahlrichtung in einer Horizontalebene in unterschiedlicher Winkellage eingestellt werden. Zudem kann natürlich grundsätzlich das Antennenarray auch mit einer Down-Tilt-Einrichtung versehen sein, um darüber hinaus den Absenkwinkel der Hauptstrahlrichtung und damit der Hauptkeule zu verändern.

Grundsätzlich bestehen aber zwei wesentliche Probleme bei derartigen Antennenarrays unter Verwendung entsprechend vorgeschalteter Strahlformungsnetzwerke beispielsweise in Form einer Butler-Matrix. Zum einen ist eine Verstellung der Hauptstrahlrichtung in Azimutrichtung nur in den vorgegebenen Schritten möglich, die durch unterschiedliche Beschaltung entsprechend der Anzahl der Eingänge vorgegeben ist. Bei einer Butler-Matrix beispielsweise mit vier Ein- und vier Ausgängen können dadurch nur vier unterschiedliche Azimutwinkel an dem Antennenarray eingestellt werden.

Ferner besteht ein spezielles Problem beim Vorschalten einer Butler-Matrix zur Richtungsformung insoweit, als hier eine Kalibrierung recht kompliziert wird. Denn die Phasenlage ist nach der Butler-Matrix uneinheitlich. Zudem erhalten mehrere Primärstrahler der Antenne einen Teil des Signales, unabhängig welcher Eingang der Butler-Matrix geschaltet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher, eine Kalibriervorrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array zu schaffen, insbesondere für ein Antennen-Array mit vorgeschaltetem Strahlformungsnetzwerk beispielsweise in Form einer Butler-Matrix, derart, dass durch die verbesserte Kalibrierung das Antennen-Array in Azimutrichtung problemlos mit einer noch größeren Anzahl von unterschiedlichen Winkeln bezüglich der Strahlrichtung eingestellt werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein entsprechendes Betriebsverfahren zum Betrieb eines entsprechendes Antennen-Arrays zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich der Kalibriervorrichtung entsprechend den im Anspruch 1 und bezüglich des Verfahrens den im Anspruch 20 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Es muss als ausgesprochen überraschend bezeichnet werden, dass mit einem an sich vorbekannten Strahlformungsnetzwerk beispielsweise in Form einer Butler-Matrix es erfindungsgemäß nunmehr möglich geworden ist, unabhängig von den beispielsweise vorgegebenen vier unterschiedlichen Eingängen (über die die Antenne in vier unterschiedlichen Abstrahlwinkeln in Azimutrichtung eingestellt werden kann) das Antennenarray in Azimutrichtung zusätzlich noch in weiteren Winkelausrichtungen einzustellen. Erfindungsgemäß ist dies dadurch möglich, dass zumindest ein Eingang des Strahlformungsnetzwerkes beispielsweise in Form der Butler-Matrix, vorzugsweise aber zumindest zwei Eingänge dieses Netzwerkes in entsprechend abgeglichener und kalibrierter Phasenlage angespeist werden, worüber es erfindungsgemäß möglich ist, dass beispielsweise Zwischenkeulen erzeugt werden. Es lassen sich also somit Abstrahlrichtungen des Antennenarrays in zusätzlichen Zwischenwinkeln gegenüber den vorgegebenen Hauptwinkeln einstellen.

Erfindungsgemäß ist dies aber nur dadurch möglich, wenn zuvor ein Phasenabgleich für die über die Butler-Matrix angespeisten Strahler durchgeführt wurde, damit sich die einzelnen Keulen bei der Beschaltung beispielsweise zweier Eingänge phasenrichtig addieren.

Bevorzugt wird dies dadurch realisiert, dass zumindest bezüglich der in einigen Spalten des Antennenarrays angeordneten Strahlern die Phasen vor den Eingängen des Strahlformungsnetzwerkes z.B. in Form der Butler-Matrix, so verschoben werden kann, dass die angespeisten Strahler bei gleichzeitiger Beschaltung mehrerer Eingänge zur Erzielung einer gewünschten Verschwenkung der Keule entsprechend angesteuert werden.

Bei einem 4 × 4 Antennen-Array mit vier Spalten und jeweils vier Strahlern oder Strahlergruppen werden bevorzugt die Phasenlagen aller Strahler gleichzeitig entsprechend verschoben.

Bevorzugt kann die Kalibrierung der Phasenlage durch Phasenstellglieder durchgeführt werden, die den entsprechenden Eingängen der Butler-Matrix vorgeschaltet sind. Alternativ kann dies auch durch Verwendung vorgeschalteter Zusatzleitungen zur Butler-Matrix durchgeführt werden, die in geeigneter Länge gewählt werden müssen, um den gewünschten Phasenabgleich zu realisieren.

Ferner hat es sich als günstig erwiesen, bereits auf dem Antennen-Array selbst entsprechende Sonden zu platzieren, über die entsprechende Kalibriersignale aufgefangen werden können, um mittels eines Kalibriernetzwerkes den Phasenabgleich vorzunehmen.

Schließlich lässt sich eine weitere Verbesserung auch dadurch erzielen, dass das Kombinationsnetzwerk verlustbehaf tete Komponenten beinhaltet. Denn diese Komponenten tragen zu einer Verringerung von Resonanzen bei.

Die Phasenlage der Transmission vom Eingang der einzelnen Spalten bzw. der Antenneneingänge ist zwar bevorzugt gleich groß, wobei jedoch in der Praxis die Phasenlage (oder die Gruppenlaufzeit) zur idealen Phasenlage mehr oder weniger starke toleranzbedingte Abweichungen aufweist. Die ideale Phasenlage ist dadurch gegeben, dass die Phase für alle Pfade identisch ist, und zwar auch bezüglich der Strahlformung. Die mehr oder weniger stark toleranzbedingten Abweichungen ergeben sich additiv als Offset oder auch frequenzabhängig durch unterschiedliche Frequenzgänge. Erfindungsgemäß wird hier vorgeschlagen, die Abweichungen über alle Übertragungspfade vorzugsweise auf der Strecke vom Eingang Antennen-Array oder Strahlformungsnetzwerk bis zum Sondenausgang oder Eingang bis Sondenausgängen und bevorzugt über den gesamten Betriebsfrequenzbereich vermessen (beispielsweise bei der Produktion der Antenne). Im Falle der Verwendung von Koppeleinrichtungen werden die Übertragungspfade bevorzugt auf der Strecke vom Eingang Antennen-Array oder Strahlformungsnetzwerk bis Koppelausgang oder Koppelausgängen vermessen. Diese ermittelten Daten können dann in einem Datensatz gespeichert werden. Diese in geeigneter Form, eben beispielsweise in einem Datensatz gespeicherten Daten können dann einer Sendeeinrichtung bzw. der Basisstation zur Verfügung gestellt werden, um dann zur elektronischen Erzeugung der Phasenlage der einzelnen Signale berücksichtigt zu werden. Als besonders vorteilhaft erweist sich, beispielsweise diese Daten oder den erwähnten Datensatz mit den entsprechenden Daten einer Seriennummer der Antenne zuzuordnen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen näher erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen:
1: eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Antennen-Array mit eingezeichneten Sonden für eine Kalibriereinrichtung;
2: eine schematische auszugsweise Vertikal-Querschnittsdarstellung längs einer Vertikalebene durch eine Spalte des in 1 gezeigten Antennen-Arrays;
3: eine Darstellung von vier typischen Horizontaldiagrammen, die durch eine Gruppenantenne mit Hilfe einer Butler-Matrix erzeugt werden;
4: ein Diagramm zur Erläuterung der Phasenbeziehung zwischen den Strahlern in den einzelnen Spalten vor Durchführung einer Kalibrierung;
5: eine zu 4 entsprechende Darstellung nach Durchführung der Kalibrierung;
6: eine zu 3 entsprechende Darstellung von typischen Horizontaldiagrammen des Antennenarrays, woraus ersichtlich ist, dass erfindungsgemäß weitere Zwischenkeulen erzeugbar sind;
7: eine Kalibriereinrichtung mit einem Kombinationsnetzwerk unter Verwendung von Koppeleinrichtungen;
8 : eine auf 7 aufbauende erweiterte Kalibriereinrichtung für eine Antenne mit zwei Polarisationen, die beispielsweise in +45° und –45° gegenüber der Horizontalen ausgerichtet sind; und
9: eine zu 7 entsprechende Darstellung einer Kalibriereinrichtung, allerdings nicht unter Verwendung von Koppeleinrichtungen, sondern von Sonden (die an einem Antennenarray von Hause aus eingebaut sein können).
In 1 ist in schematischer Draufsicht ein Antennen-Array 1 gezeigt, welches beispielsweise eine Vielzahl von dualpolarisierten Strahlern oder Strahlerelementen 3 umfasst, die vor einem Reflektor 5 angeordnet sind. An den vertikalen Längsseiten kann am Reflektor 5 beispielsweise eine zum Reflektor gehörende Randbegrenzung 5' vorgesehen sein, die winkelig bis rechtwinkelig gegenüber der Ebene des Reflektorbleches aufgestellt ist. Häufig sind diese Reflektor-Randbegrenzungen 5' leicht schräg nach außen in Abstrahlrichtung aufgestellt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel zeigt das Antennen-Array vier Spalten 7, die vertikal angeordnet sind, wobei in jeder Spalte im gezeigten Ausführungsbeispiel vier Strahler oder Strahlergruppen 3 übereinander angeordnet sind.
Insgesamt sind bei dem Antennen-Array gemäß 1 und 2 vier Spalten 7 vorgesehen, in denen jeweils die vier Strahler oder Strahlergruppen 3 in Vertikalrichtung übereinander positioniert sind. Die einzelnen Strahler oder Strahlergruppen 3 müssen in den einzelnen Spalten nicht zwingend in gleicher Höhe angeordnet sein. Bevorzugt können beispielsweise die Strahler oder Strahlergruppen 3 in jeweils zwei benachbarten Spalten 7 um den halben Vertikalabstand zwischen zwei benachbarten Strahlern versetzt zueinander angeordnet sein. Dazu abweichend ist in der schematischen Draufsicht in 1 eine Darstellung wiedergegeben, in der die Strahler oder Strahlergruppen 3 in benachbarten Spalten jeweils auf gleicher Höhenlinie zu liegen kommen.
Im Falle einer in 1 und 2 angedeuteten dualpolarisierten Antenne können die Strahler 3 beispielsweise aus kreuzförmigen Dipolstrahlern oder aus Dipolquadraten bestehen. Besonders eignen sich dualpolarisierte Dipolstrahler 3', wie sie beispielsweise aus der WO 00/39894 bekannt sind. Es wird auf den Offenbarungsgehalt dieser Vorveröffentlichung in vollem Umfang Bezug genommen und zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht.
Schließlich ist in 1 auch ein Strahlformungsnetzwerk 17 vorgesehen, welches beispielsweise vier Eingänge 19 und vier Ausgänge 21 aufweist. Die vier Ausgänge des Strahlformungsnetzwerkes 17 sind mit den vier Eingängen 15 des Antennen-Arrays verbunden. Die Zahl der Ausgänge N kann von der Zahl der Eingänge n abweichen, d.h. insbesondere kann die Zahl der Ausgänge N größer sein als die Zahl der Eingänge n. Bei einem derartigen Strahlformungsnetzwerk 17 wird dann beispielsweise ein Speisekabel 23 an einem der Eingänge 19 angeschlossen, worüber alle Ausgänge 21 entsprechend gespeist werden. So kann beispielsweise, wenn das Speisekabel 23 am ersten Eingang 19.1 des Strahlformungsnetzwerkes 17 angeschlossen wird, eine horizontale Strahlerausrichtung 16.1 mit beispielsweise –45° nach links bewirkt werden, wie dies aus dem schematischen Diagramm gemäß 3 zu ersehen ist. Wird beispielsweise das Speisekabel 23 am rechtesten Anschluss 19.4 angeschlossen, so wird eine entsprechende Ausrichtung 16.4 der Hauptkeule 16 des Strahlungsfeldes des Antennen-Arrays in einen Winkel von +45° nach rechts bewirkt. Entsprechend kann, wenn das Speisekabel 23 am Anschluss 19.2 bzw. am Anschluss 19.3 angeschlossen wird, das Antennen-Array so betrieben werden, dass beispielsweise eine Verschwenkung 16.2, 16.3 um 15° nach links oder nach rechts gegenüber der vertikalen Symmetrieebene des Antennen-Arrays bewirkt werden kann, also in unterschiedlicher Azimutrichtung.
Von daher ist es bei einem derartigen Strahlformungsnetzwerk 17 üblich, für unterschiedliche Azimut-Winkelausrichtungen der Hauptkeule 16 des Antennen-Arrays eine entsprechende Anzahl von Eingängen vorzusehen, wobei die Zahl der Ausgänge in der Regel der Anzahl der Spalten des Antennen-Arrays entspricht. Dabei ist jeder Eingang mit einer Vielzahl von Ausgängen, in der Regel jeder Eingang mit allen Ausgängen des Strahlformungsnetzwerkes 17 verbunden.
Bei dem Strahlformungsnetzwerk 17 kann es sich beispielsweise um eine bekannte Butler-Matrix 17' handeln, deren vier Eingänge 19.1, 19.2, 19.3 und 19.4 jeweils mit allen Ausgängen 21.1, 21.2, 21.3 und 21.4 verbunden sind, worüber über Leitungen 35 die Strahler 3 gespeist werden.
Sollte jedoch bei einem Strahlformungsnetzwerk 17 beispielsweise in Form einer Butler-Matrix 17', die grundsätzlich die unterschiedlichen Einstellungen der Hauptstrahlrichtung 16 gemäß 3 ermöglicht, gewünscht werden, dass die Hauptstrahlrichtung noch hin zu anderen Azimut-Winkellagen verstellbar sein soll, so ist dies grundsätzlich nicht reali sierbar. Denn durch die Verbindung des Speisekabels 23 mit einem der Eingänge 19.1 bis 19.4 kann jeweils nur eine Ausrichtung der Hauptstrahlrichtung entsprechend 3 realisiert werden.
Um aber gleichwohl noch Zwischen-Hauptkeulen 16 bzw. Zwischen-Lagen oder andere Winkeleinstellungen in Ergänzung zu dem Diagramm gemäß 3 zu ermöglichen, ist es nunmehr notwendig, das Speisekabel 23 über eine Verzweigungs- oder Summierstelle 26 nicht nur mit einem Eingang, sondern zumindest zwei Eingängen oder mehreren der Eingänge 19.1 bis 19.4 zu verbinden.
Dies allein würde jedoch zu keinem brauchbaren Ergebnis führen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass eine entsprechende Erzeugung von weiteren Zwischen-Keulen in den "Lücken" in dem Diagramm nach 3 nur dann möglich ist, wenn zunächst ein entsprechender Phasenabgleich vor der Butler-Matrix, d.h. vor dem Strahlformungsnetzwerk 17 durchgeführt wird, damit die einzelnen Keulen richtig addiert werden können.
Dazu muss zunächst eine Kalibrierung der Butler-Matrix und des zugeschalteten Antennen-Arrays durchgeführt werden. Dies erfordert zunächst den Phasenverlauf an den Ausgängen 21.1 bis 21.4 des Strahlformungsnetzwerkes 17 vorzugsweise in der Form der Butler-Matrix 17' durchzumessen, und zwar in Abhängigkeit einer Zuführung des Speisesignals einmal über den Eingang 19.1, 19.2, 19.3 bzw. 19.4 der Butler-Matrix 17'. Je nach beschaltetem Eingang 19.1 bis 19.4 erzeugt das Strahlformungsnetzwerk 17 in Form der Butler-Matrix 17' wegen der verschiedenen Phasenbelegung der Dipole bzw. Dipolreihen, also der Strahler 3, 3', verschiedene Strahlungsdiagramme.
Z.B. werden bei vertikaler Anordnung von Strahlern 3, 3' in den vier Spalten 7 vier verschiedene Horizontaldiagramme erzeugt. Die Phasenbeziehungen der Strahler in den einzelnen Spalten ergibt das Diagramm gemäß 4.
In dem Diagramm gemäß 4 sind unten mit den römischen Zahlen I bis IV die vier Eingänge 19.1 bis 19.4 wiedergegeben. Auf der Y-Achse sind jeweils die relativen Phasenbeziehungen bzw. Phasenunterschiede (z.B. in Grad) festgehalten. Es ergeben sich danach die aus dem Diagramm gemäß 4 wiedergegebenen Messkurven in Form von vier Geraden.
Bei den beispielsweise erläuterten dualpolarisierten Antennen unter Verwendung von dualpolarisierten Strahlern 3' kann beispielswiese ein Phasensprung von zum Beispiel 180° zwischen den Primärstrahlern 3, 3' der verschiedenen Polarisationen auftreten.
Um nunmehr einen Phasenabgleich für alle Eingänge 19.1 bis 19.4 des Strahlformungsnetzwerkes 17 beispielsweise in Form der Butler-Matrix 17' durchzuführen, müssen die in 4 wiedergegebenen Messkurven (Geraden) entsprechend der Pfeildarstellung 28 so in ihrer Lage verändert werden, dass sich die beiden oberen Messkurven in Form von Geraden 30 und 32 mit den beiden in 4 tiefer liegenden und steiler verlaufenden Messkurven 34 und 36 in einem gemeinsamen Schnittpunkt X schneiden, wie dies in 5 wiedergegeben ist.
Mit anderen Worten muss also nunmehr z. B. durch geeignete Phasenstellglieder im gezeigten Ausführungsbeispiel entweder bezüglich der Eingänge 19.1 und 19.4 oder bezüglich der Eingänge 19.2 und 19.3 eine entsprechende Phaseneinstellung vorgenommen werden, um einen gemeinsamen Schnittpunkt gemäß
5 zu erhalten. Dies kann beispielsweise entsprechend der Darstellung nach 1 durch Phasenstellglieder 37 erfolgen, die den Eingängen 19.1 bis 19.4 der Butler-Matrix 17' vorgeschaltet sind, so dass sich Eingänge A bis D für die Gesamtschaltung ergeben. Anstelle der in 1 eingezeichneten Phasenstellglieder 37 können an den einzelnen Eingängen 19.1 bis 19.4 entsprechende zusätzliche Kabellängen vorgeschaltet werden, die in ihrer Länge so bemessen sind, dass die gewünschte Phasenverschiebung bewirkt wird.
Nach Durchführung eines derartigen Phasenabgleiches können nunmehr Zwischen-Keulen 116 erzeugt werden, wie dies anhand des Diagramms nach 6 beispielsweise für den Fall gezeigt ist, dass der Eingang 19.1 und 19.2 oder 19.2 und 19.3 bzw. 19.3 und 19.4 zusammengeschaltet sind. Bevorzugt werden alle Eingänge mit gleicher Leistung versorgt.
Die oben erläuterte gewünschte Kalibrierung kann nunmehr durch eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer sehr geringen Anzahl von Sonden oder Koppeleinrichtungen durchgeführt werden. Im Stand der Technik werden derartige Kalibriereinrichtungen am Eingang des Strahlformungsnetzwerkes platziert. Dem gegenüber wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die Auskopplung direkt an den einzelnen Spalten vorzunehmen. Dies bietet eine bessere Genauigkeit, da hierbei die Toleranzen der Butler-Matrix bereits herauskalibriert werden, jedoch auch eine Einsparung an der Anzahl der erforderlichen Koppeleinrichtungen möglich ist.
7 zeigt nunmehr die Vorrichtung zum Phasenabgleich der Zuleitungen, also zur Durchführung einer Phasenkalibrierung. Mit den Phasenstellgliedern von der Butler-Matrix 17' wird der erwähnte Phasenabgleich für die Zwischen-Keulen 116 durchgeführt, damit diese durch Kombinationen der Eingänge A und B, B und C oder C und D sinnvoll und ohne weiteren Maßnahmen an den Antennenzuleitungen genutzt werden können.
An den Ausgängen 21.1 und 21.4 (oder 21.2 und 21.3) werden nun zwei möglichst identische Koppler 111 vorgesehen, die jeweils einen kleinen Teil der jeweiligen Signale auskoppeln. In einem Kombinationsnetzwerk 27 (es handelt sich dabei um einen "Combiner", der in der Zeichnung auch abgekürzt ist als "Comb.") werden die ausgekoppelten Signale addiert. Das Ergebnis der Auskopplung der Signale und der Addition kann über einen zusätzlichen Anschluss S am Kombinationsnetzwerk 27 gemessen werden.
Zum Phasenabgleich der Zuleitungen zur Butler-Matrix 17' wird nun z.B. auf die Zuleitung für den Eingang A ein geeignetes Kalibriersignal, d.h. ein bekanntes Signal gegeben und am Ausgang S des Kombinationsnetzwerkes (Comb) die absolute Phase gemessen. Nun kann man dies auch für die Zuleitungen zu den Eingängen B, C und D tun.
Falls alle Zuleitungen zu den Eingängen A bis D (elektrisch) exakt gleich lang sind (und auch sonst als identisch angesehen werden können), ergibt sich am Ausgang des Kombinationsnetzwerkes jeweils die gleiche absolute Phase, d.h., es ergibt sich kein Phasenunterschied am Ausgang S bei wechselnder Beschaltung der Eingänge A bis D.
Der Umstand, dass bei identischen Zuleitungen zu den Anschlüssen A bis D der gleiche Phasenwert angezeigt wird, wird durch den Phasenabgleich für die Zwischen-Keulen 116 am Eingang ermöglicht, denn durch dies Maßnahme ergibt die Summe der Phasen an den Ausgängen 21.1 und 21.4 bzw. 21.2 und 21.3 (also an den Ausgängen, an denen die Koppler sitzen) bezogen auf die Eingänge A bis D immer genau den doppelten Wert des Schnittpunktes X der vier Geraden, wie dies in 5 angedeutet ist.
Aus der Darstellung gemäß 7 ist also zu ersehen, dass die Koppler 111 bevorzugt zwischen dem jeweiligen Ausgang 21 und dem jeweiligen Eingang 15 der zugeordneten Spalte 7 des Antennen-Arrays zugeschaltet sind. Grundsätzlich müssen die Koppler also zwischen dem in der Butler-Matrix 17' integriert untergebrachten Netzwerk und zumindest einem Strahler 3, 3' in einer zugeordneten Spalte 7 des Antennen-Arrays zugeschaltet werden.
Gemäß 8 ist gezeigt, wie man für eine Antenne mit zwei Polarisationen, z.B. +45° und –45° das Netzwerk zum Phasenabgleich der Zuleitungen kombinieren kann. Eine solche Kombination ist dann sinnvoll, wenn z.B. die Butler-Matrix zusammen mit den Kopplern und Kombinationsnetzwerken auf einer Platine realisiert werden können, da dadurch weitgehend identische Einheiten (jeweils Koppler und Kombinationsnetzwerke) hergestellt werden können.
Die Erweiterung gegenüber der Darstellung nach 7 erfolgt dadurch, dass die beiden Ausgänge des jeweiligen Kombinationsnetzwerkes 27 und 27', beispielsweise in Form eines Combiners (Comb), mit den Eingängen eines nachgeschalteten zweiten Kombinationsnetzwerkes 27'' ebenfalls in Form eines Combiners (Comb) zusammengefasst und an den gemeinsamen Ausgang S gelegt werden. Das Kombinationsnetzwerk 27 dient also zur Bestimmung der Phasenlage an einem Strahlerelement bezüglich der einen Polarisation, wobei das Kombinationsnetzwerk 27' zur Bestimmung der Phasenlage an einem betref fenden Strahler für die andere Polarisation verwendet wird.
Nur der Vollständigkeit halber wird auch erwähnt, dass es grundsätzlich möglich wäre, die Phasenstellglieder am Eingang des Strahlformungsnetzwerkes 17, also beispielsweise der Butler-Matrix 17' so einzustellen, dass man mit einem einzigen Koppler am Ausgang jeweils einer Matrix auskommt und trotzdem immer die gleiche Phase unabhängig vom Eingang A bis D misst. Auch hier können die Phasenstellglieder aus grundsätzlich vorschaltbaren Leitungsabschnitten bestehen, um die Phasenlage zu verändern.
Ebenso ist natürlich möglich, jeweils einen Koppler 111 beispielsweise in Form eines Richtkopplers an allen vier Leitungen 35 anzuordnen, um noch mehr Messstellen zur Erzielung der in den Diagrammen gemäß 4 und 5 wiedergegebenen Geraden zu erhalten.
Anstelle der erwähnten Koppler 111 können aber auch Sonden 11 eingesetzt werden, die z.B. stiftförmig gestaltet sind und sich bevorzugt rechtwinkelig von der Ebene des Reflektorbleches 5 erheben und dabei einem bestimmten Strahler 3 zugeordnet sind. Die Sonden 11 können bevorzugt aus kapazitiven Koppel-Stiften bestehen. Sie können aber auch aus induktiv arbeitenden Koppel-Schlaufen gebildet sein. In beiden Fällen ragen die Sonden 11 aus dem Reflektor in das Nahfeld der Strahler. Die erwähnten Sonden 11 können auch für dualpolarisierte Strahler 3' verwendet werden, da hierüber beide Polarisationen gemessen werden können. In 1 ist beispielsweise für die linke und die rechte Spalte jeweils der zu unterst liegenden Strahler 3, 3' eine derartige, in Draufsicht gezeigte Sonde 11 und 11b zugeordnet. Diese Sonde wird dann anstelle der in den 7 und 8 gezeigten Richtkopplern 11 verwendet, um das hierüber gemessene Signal in einem Kombinationsnetzwerk 27 bzw. bei einer dualpolarisierten Antenne in einem Kombinationsnetzwerk 27' und 27'' auszuwerten. In 9 ist ein Kombinationsnetzwerk 27 gezeigt, welches mit zwei Sonden 11, d.h. 11a und 11b arbeitet.
Grundsätzlich können natürlich auch hier wiederum vier Sonden, also genau so viel Sonden wie Spalten vorgesehen sind, verwendet werden. Grundsätzlich ist auch die Verwendung lediglich einer einzigen Sonde denkbar, um dadurch die fest vorgegebene Phasenbeziehung der Strahler in den einzelnen Spalten festzulegen.
Die Kombinationsnetzwerke sind für einfach polarisierte Antennen geeignet. Sie sind grundsätzlich auch für ein dualpolarisiertes Antennen-Array geeignet. Hier eignet sich insbesondere die Verwendung von Sonden 11, da eine einzige Sonde ausreicht, einer dualpolarisierten Strahleranordnung 3, 3' zugeordnet zu werden, da über diese eine Sonde letztlich die gewünschten Teilsignale in beiden Polarisationen empfangen werden können. Im Falle einer Koppeleinrichtung müsste dann für jede Polarisation eine Koppeleinrichtung verwendet werden, d.h., dass beim dualpolarisierten Antennen-Array anstelle einer Sonde dann ein Paar von Koppeleinrichtung notwendig werden würde.

Claims

Kalibriervorrichtung für ein Antennen-Array, welches zumindest ein Antennen-Array (1) mit zumindest zwei vertikalen Spalten (7) mit jeweils mehreren übereinander angeordneten Strahlern (3, 3') umfasst, wobei für die in den mehreren Spalten (7) angeordneten Strahlern (3, 3') Eingänge (15) zugeordnet sind, denen ein Strahlformungsnetzwerk (17) vorgeschaltet ist, dessen Ausgänge (21) jeweils mit einem zugeordneten Eingang (15) des Antennen-Arrays verbunden sind, worüber die in einer Spalte (7) vorgesehenen Strahler (3, 3') angespeist werden, wobei das Strahlformungsnetzwerk (17) je nach beschaltetem Eingang (19.1 bis 19.4) zur Erzielung einer unterschiedlichen Strahlrichtung in Azimutrichtung eine andere Phasenbeziehung zwischen den in den einzelnen Spalten (7) angeordneten Strahlern (3, 3') erzeugt, und dabei zumindest zwei Eingänge (19.1, 19.2, 19.3, 19.4) über ein gemeinsames Speisekabel (23) oder über separate Speisekabel (23) angespeist sind, gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale: – die Kalibriereinrichtung umfasst ferner Sonden (11), die im Nahfeld der Strahler (3, 3') angeordnet sind, und/oder Koppeleinrichtungen (111), die dem Strahlformungsnetzwerk (17) nachgeordnet sind, – die Kalibriervorrichtung umfasst ferner eine Abgleicheinrichtung, die den Eingängen (19) des Strahlformungsnetzwerkes (17; 17') vorgeordnet ist und mittels derer die Phasenlage der den Eingängen (19) des Strahlformungs netzwerkes (17; 17') zuführbaren Signale einstell- und/oder veränderbar ist, und – mittels der Abgleicheinrichtung ist die Phasenlage an den Eingängen des Strahlformungsnetzwerkes (17; 17') so vorwähl- oder veränderbar, dass mittels des Antennen-Arrays (1) neben mittig zwischen zwei Hauptkeulen liegenden Zwischen-Keulen in unterschiedliche Azimutstrahlrichtungen ausrichtbare Keulen erzeugbar sind.
Kalibriervorrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Kalibriervorrichtung gehörende Abgleicheinrichtung Phasenstellglieder (37) umfasst, die dem Strahlformungsnetzwerk (17; 17') vorgeschaltet sind.
Kalibriervorrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Leitungen in vorbestimmter Länge einzeln ausgewählten Eingängen (19.1, 19.2, 19.3, 19.4) vor dem Strahlformungsnetzwerk (17) vorschaltbar bzw. an diesen Eingängen (19.1, 19.2, 19.3, 19.4) anschließbar sind.
Kalibriervorrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonden (11) und/oder die Koppeleinrichtung (111) an einem Kalibriernetzwerk (27, 27', 27'') angeschlossen sind.
Kalibriervorrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Spalte (7), eine Sonde (11) und vorzugsweise zumindest zwei Spalten (7) jeweils zumindest eine Sonde (11) umfassen, die jeweils einem Strahler (3, 3') zugeordnet ist bzw. sind, worüber in der Kalibrierphase ein Teilsignal (Nahfeld-Signale) dem Kalibriernetzwerk (27, 27', 27'') zuführbar ist, worüber der Phasenabgleich festlegbar ist.
Kalibriervorrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Strahler (3, 3') einer Spalte (7) zumindest eine Koppeleinrichtung (111) oder zumindest je einem Strahler (3, 3') zweier Spalten (7) zumindest je eine Koppeleinrichtung (111) zugeordnet ist, worüber in der Kalibrierphase ein Teilsignal (ein ausgekoppeltes Signal) dem Kalibriernetzwerk (27, 27', 27'') zuführbar ist, worüber der Phasenabgleich festlegbar ist.
Kalibriervorrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinrichtung (111) vorzugsweise zwischen dem jeweiligen Ausgang (21) des Strahlformungsnetzwerkes (17, 17') und dem zugeordneten Eingang (15) des Antennen-Arrays (1) geordnet ist.
Kalibriervorrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (11) oder die Sonden (11) aus kapazitiven Sonden oder einer induktiv arbeitenden Sonde (11) in Form einer kleinen Induktionsschleife besteht.
Kalibriervorrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines dualpolarisierten Antennen-Arrays zumindest eine Spalte (7), vorzugsweise zumindest zwei Spalten (7) zumindest jeweils mit einem Paar von Koppeleinrichtungen (111) versehen ist, nämlich jeweils einer Koppeleinrichtung (111) für eine Pola risation.
Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem dualpolarisierten Antennen-Array die eine oder die mehreren vorgesehenen Sonden (11) jeweils zum Empfang eines Signals für beide Polarisationen geeignet sind.
Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass pro Spalte (7) nur für einen Strahler (3, 3') eine Sonde (11) oder eine Koppeleinrichtung (111) oder ein Paar von Koppeleinrichtungen (111) vorgesehen ist bzw. sind.
Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nur für einen Teil der Spalten (7) jeweils vorzugsweise nur eine Sonde (11) oder nur eine Koppeleinrichtung (111) oder nur ein Paar von Koppeleinrichtungen (111) vorgesehen ist bzw. sind.
Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sonde (11) bzw. die mehreren Sonden (11) bezüglich der ihnen zugeordneten Strahler (3, 3') auf einer durch die Strahler (3, 3') hindurchverlaufenden vertikalen Symmetrieebene liegen.
Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Antennen-Array mit vier Spalten (7) zumindest zwei Sonden (11) vorgesehen sind, die im Nahfeld jeweils eines Strahlers (3, 3') angeordnet sind, der in den beiden außenliegenden Spalten (7) oder in den beiden innenliegenden Spalten (7) des Antennen-Arrays angeordnet ist.
Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Antennen-Array mit vier Spalten zumindest zwei Koppeleinrichtungen (111) oder zwei Paare von Koppeleinrichtungen (111) oder zwei Paare von Koppeleinrichtungen (111) vorgesehen sind, die jeweils einem Strahler (3, 3') zugeordnet sind, die in den beiden außenliegenden oder in den beiden innenliegenden Spalten (7) des Antennen-Arrays angeordnet sind.
Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonden (11) auf gleicher Höhenlinie angeordnet sind.
Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils für zwei benachbarte Spalten (7) eines Antennen-Arrays eine Sonde (11; 11c, 11d) vorgesehen ist, die vorzugsweise die gleiche Koppeldämpfung aufweist.
Verfahren zum Betrieb eines Antennen-Arrays, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale – alle Pfade (Spalten 7) des Antennen-Arrays werden vermessen, worüber Daten bezüglich der Phasenlage und/oder der Gruppenlaufzeiten und/oder Abweichungen der Phasenlage zueinander bezüglich der einzelnen Strahler oder Strahlergruppen (3, 3') ermittelbar sind, – die ermittelten Messergebnisse und/oder die ermittelten Abweichungen gegenüber einer idealen Phasenlage werden für alle Übertragungspfade vermessen, und – die ermittelten Daten werden gespeichert und stehen einer Sendeeinrichtung beim Betrieb der Basisstation zur elektronischen Erzeugung der Phasenlage der Einzelsignale zur Verfügung.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Messergebnisse und/oder die ermittelten Abweichungen gegenüber eine idealen Phasenlage für alle Übertragungspfade über den gesamten Betriebsfrequenzbereich vermessen werden.