DE10347281A1 - Antennenarray mit Dreitoren - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Antennensysteme, bei denen mehrere Einzelantennen (A¶1¶...A¶n¶), die jeweils als Mehrtore (S¶1¶, S¶2¶; D¶1¶...D¶n¶) ausgelegt sind, als Antennenpfade miteinander verschaltet sind. Aus kombinierter Auswertung der jeweiligen Empfangsdaten können Informationen über die komplexe Struktur des einfallenden Signals errechnet werden. Erfindungsgemäß werden für Einzelantennen Dreitore (Addierer) eingesetzt. Dabei wird allen vorhandenen Antennenpfaden mittels eines lokalen Oszillators eine gemeinsame Referenz zur phasenstarren Synchronisation zugeführt. Damit sind die Ausgangsdaten der jeweiligen Antennenpfade dergestalt miteinander korreliert, dass sowohl die I/Q-Werte des Empfangssignals, als auch die Raumwinkel des Poynting-Vektors eindeutig bestimmt werden können.

Description

  • Die Erfindung betrifft Antennensysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung Antennensysteme aus mehreren miteinander verschalteten Einzelantennen, wobei jede Einzelantenne über Empfangsverstärker verfügt und aus den jeweiligen Empfangsdaten der kooperierenden Antennen Informationen über die komplexe Struktur des einfallenden Signals errechnet werden.
  • In herkömmlichen sog. „intelligenten" (d.h. steuerbaren) Antennen müssen die Phasenunterschiede in den einzelnen Pfaden zu und von den verschiedenen Antennenelementen (z.B. eines Antennen-Arrays) im analogen Höchstfrequenzbereich definiert eingestellt werden. Da in den hierzu erforderlichen elektronischen Phasenschiebern Verluste auftreten, müssen rauscharme Empfangsverstärker für den Empfang (bzw. Leistungsverstärker für den Sendefall) eingefügt werden. Aufgrund der verschiedenen technischen Probleme der Konstruktion (Linearität, Phasentreue, Rauschzahlen, Thermische Stabilität) sind diese "Phased Arrays" sehr kostenintensiv.
  • Eine Verbesserung verspricht neuerdings der Einsatz mikroelektromechanischer Phasenschieber (MEMS), die aufgrund wesentlich geringerer Einfügungsverluste den Wegfall der rauscharmen Verstärker ermöglichen könnten. Die MEMS Technologie ist aber derzeit weder ausgereift, noch sind Lösungsansätze für die Lebensdauer- und Schaltzeitprobleme in Sicht.
  • Bei einer Verlagerung der Phasensteuerung in den Digitalteil eines Antennensystems ('Digital Beam Forming' – DBF) können die o.g. Probleme prinzipiell umgangen werden. Um die entsprechenden Gewichtsfaktoren in einem derartigen 'Digital Beamformer' einstellen zu können, muss jedoch die von jedem Antennenelement empfangene Signalfunktion nach Betrag und Phase bekannt sein, d.h. pro Pfad ist ein vollständiger (digitaler) Empfänger mit In-Phase und Quadratur-Auswertung erforderlich. Die einzelnen Pfade müssen ferner zueinander kohärent, d.h. phasenstarr sein. Dies verursacht wiederum einen hohen Aufwand bei der Konstruktion derartiger 'Front-End'-Technologie.
    •
  • Die Erfindung geht aus von dem geschilderten Stand der Technik. Gegenstand der Erfindung ist es, eine für den 'Digital Beam Forming' Ansatz geeignete, wesentlich vereinfachte Empfangstechnologie anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch das Antennensystem gemäß Anspruch 1. Weitere Details unterschiedlicher Ausführungsformen und Vorzüge der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert unter Bezugnahme auf die Figuren und den darin angegebenen Bezugszeichen.
  • Es zeigen:
  • 1 Übliche Ausführung einer passiven Sechstorschaltung
  • 2 Typischer Aufbau eines Sechstor-Empfängers
  • 3 Anordnung eines Multiantennensystems auf der Basis
  • vollständiger Sechstore mit gemeinsamer Referenz
  • 4 Sechstor in Kombination mit einem weiteren Antennenpfad mit nur einem Ausgang (Dreitor)
  • 5 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antennen-Arrays zur Bestimmung der Signal-Einfallrichtung (Poynting-Vektor)
  • 6 Ausführungsbeispiel einer Kombination von n Antennenpfaden mit jeweils einem Dreitor
  • 7 Simulation der Ausgangsleistungen an den Toren 1 bis 5 des Arrays nach 6 in Abhängigkeit der Phasenverschiebung zwischen den Antennenpfaden und der I/Q-Signalkonstellation
  • Bei sogenannten Mehrtor-Empfängern (auch Sechstor bzw. Fünftor-Empfänger genannt) wird aus mehreren skalaren Messungen auf die komplexe Signalstruktur zurückgerechnet. Dazu wird das zu empfangende Signal in einer passiven Schaltung mit einem Signal bekannter Amplitude und Phasenlage überlagert (lokaler Oszillator, LO) und mit unterschiedlichen Phasenlagen an mindestens drei Ausgänge gegeben. Man kann zeigen, dass durch Signalgleichrichtung und Messung der Leistungspegel an mindestens drei Ausgängen eindeutig auf die komplexe Signalstruktur zurückgeschlossen werden kann. Bei mehr Ausgängen erhöht sich die Genauigkeit – daher werden häufig vier Ausgänge verwendet, woraus sich zusammen mit den Signal- und Referenzeingängen das bekannte Sechstor ergibt. Bei mehr als vier Toren steigen die Verluste stark an, so dass im allgemeinen kein Genauigkeitsgewinn mehr erzielt wird.
  • Der theoretische Hintergrund des Sechstor-Prinzips wurde von Engen in den 70er Jahren begründet [1][2]. Er verwendete das Sechstor-Prinzip zum Bau eines Reflektometers, das komplexe Reflexionsfaktoren und damit gleichzeitig die Steuerparameter eines Zweitores messen kann. Seit Mitte der 90er Jahren wird dieses Prinzip auch zum Aufbau von Hochfrequenz- Eingangselementen von Empfängern untersucht, wobei das komplexe Verhältnis zwischen dem Empfangssignal (RF)
    Figure 00040001
    und dem Lokaloszillatorsignal (LO)
    Figure 00040002
    bestimmt wird [3].
  • 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer passiven Sechstor-Schaltung. Die auf einem solchen oder ähnlichen passiven Schaltungsaufbau basierende Sechstor-Technologie ist Stand der Technik [2][4][5][6]. Nimmt man die Sechstor-Komponenten als ideal an, dann ergibt sich an den Ausgängen 3 bis 6 für die Superposition (Addition) der beiden Signale (LO + RF) die in 1 an die jeweiligen Ausgänge des Sechstors eingetragenen Formen der Summensignale. Die Leistungen, die nun an den Ausgängen gemessen werden, hängen vom Amplituden-, Phasen-, und Frequenzunterschied der beiden Signale ab. Von den linear unabhängigen Ausgangsleistungen (P3 bis P6) kann somit das komplexe Verhältnis des LO- und RF-Signales berechnet werden: Γ = |aRF/aLO|·ej(2π·Δ∫·+Δφ)
  • Des weiteren kann gezeigt werden, dass bei unendlich hoher Isolation des RF- und LO-Tores folgender linearer Zusammenhang der I und Q Komponente des RF-Signals mit den Leistungsverhältnissen Pi/P3 (i = 4...6) vorliegt
    Figure 00050001
  • Dabei sind die Ai und Bi Kalibrierungskoeffizienten, die durch geeignete Methoden bestimmt werden müssen. Auch hierzu existieren bereits Lösungen [7].
  • 2 zeigt einen typischen Aufbau eines Hochfrequenz-(HF)-Eingangsteils mit den Komponenten zur Berechung der I und Q Komponente des RF-Signals, bestehend aus dem passiven Sechstor und seinen vier Ausgängen P3...P6, den nachgeschalteten Leistungsdetektoren LD3-LD6 und Tiefpassfiltern (TPF), der Analog-Digitalwandlung (A/D) und der Prozessoreinheit (CPU).
  • Auf der Basis des Sechstor-Prinzips ist die Realisierung eines kostengünstigen Multi-Antennensystems zur Berechnung des Einfallwinkels Φ der einfallenden Wellenfront (RF) möglich. Dabei gelten die im Folgenden für ein Sechstor beschriebenen Ausführungen grundsätzlich auch für Fünf-Tore, bzw. allgemein für „n"-Tore (mit n ≥ 5). Eine erste Variante besteht darin, für jeden Pfad bzw. jedes Antennenelement A1, A1 usw. des Multi-Antennen-Systems jeweils einen der oben beschriebenen Sechstor-Empfänger inkl. Berechnungskomponenten vorzusehen, wie in 3 für ein einfaches Zwei-Antennen-System dargestellt. Dieses Anordnungsschema lässt sich grundsätzlich auf beliebig viele Antennenpfade A1...An erweitern. Jedes Sechstor S1, S2 liefert entsprechende I und Q-Daten (I1, Q1 bzw. I2, Q2). Aus Vergleich dieser Daten lässt sich der Einfallwinkel Φ bestimmen. Entscheidend für die Berechnung des Einfallwin kels Φ ist die phasenstarre Synchronisation der Sechstore untereinander über den gemeinsamen lokalen Oszillator LO. Der Nachteil dieses Aufbaus besteht im relativ hohen Aufwand der pro Antennenpfad anfällt.
  • Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antennensystems besteht darin, nicht für jeden Antennenpfad A1...An einen eigenen vollständigen Sechstor-Empfänger vorzusehen, sondern die Anzahl der insgesamt eingesetzten Ausgangstore zu verringern bzw. zu minimieren. Dies bietet einen entscheidenden Vorteil, da pro reduziertes Ausgangstor je ein Leistungsdetektor, Tiefpassfilter und A/D-Wandler wegfallen. Dazu werden im Folgenden zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele vorgestellt.
  • 4 zeigt den Aufbau eines vereinfachten Zwei-Antennen-Systems, bei dem ein erster Antennenpfad A1 mit nachgeschaltetem herkömmlichen Sechstor S1 zur Berechnung der I und der Q Komponente des Empfangssignals (RF) dient, und die zweite Antenne A2 nur noch zur Bestimmung des Einfallwinkels Φ der eintreffenden Wellenfront des RF-Signals verwendet wird. Dabei genügt es, in diesem Antennenpfad A2 nur über einen einfachen Addierer (d.h. ein Dreitor, D1) das RF- und das LO-Signal zu addieren (Superposition) und die resultierende Leistung a zu messen. Unter der Voraussetzung einer wiederum gemeinsamen Referenz (LO) für Sechstor S1 und Dreitor D1 ändert sich die Amplitude a am Ausgang des Addierers (Dreitor D1) in Abhängigkeit des Einfallwinkels Φ.
  • Unter Verwendung mindestens eines weiteren Antennenpfads mit Dreitor (Drei-Antennen-System) und einer geeigneten geometrischen Anordnung der vorhandenen Antennen (nicht als lineare Kette, sondern als 2-dimensionales Array) lässt sich der Poynting-Vektor (P) der einfallenden Wellen dreidimensional (Winkellagen Φ und φ zum Antennenarray) aus den Ausgangssignalen berechnen.
  • 5 gibt eine schematische Darstellung der geometrischen Verhältnisse. Das Antennenarray A1...An ist hier Planar (3×3 Antennen in einer Ebene) angeordnet. Die Erweiterung auf weitere Antennenpfade mit Dreitoren ist möglich und dient zur Erhöhung der Genauigkeit der Bestimmung der Raumwinkel Φ und φ, sowie der I und Q Werte.
  • Eine weitergehende Ausführungsform der Erfindung ist in 6 schematisch dargestellt. Bei dieser Anordnung wird vollständig auf die Verwendung eines Sechstors an einem einzelnen Antennenpfad verzichtet, d.h. jeder Antenne A1...An eines Arrays ist nur ein Dreitor D1...Dn nachgeschaltet. Auch hier ist wiederum Voraussetzung, dass jedes Dreitor eine gemeinsame Referenz (LO) verwendet. Das Referenzsignal wird bei dieser Ausführung um jeweils 2π/n phasenverschoben auf die n Dreitore (Addierer) gegeben. Mit n ≥ 5 lassen sich aus den n Ausgangsdaten a1 bis an der Dreitore sowohl die I und Q Komponenten des Empfangssignals (RF), als auch die Raumwinkel Φ und φ des Poynting-Vektors (P) der einfallenden Welle eindeutig bestimmen. Eine mögliche räumliche Anordnung der n Antennenelemente kann dabei beispielsweise wieder wie in 5 dargestellt erfolgen.
  • 7 zeigt Simulationsergebnisse des in 6 dargestellten Aufbaus für n = 5 , wobei die Leistung a1 bis a5 an den Dreitoren D1 bis D5 in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung zwischen den Antennenpfaden dargestellt ist. Die obere Bildhälfte zeigt die Ergebnisse für die RF-Signalkonstellation I=1 und Q=0, das untere Bild analog für I=O und Q=1, d.h. ein um 90° phasenverschobenes Signal bei gleicher Frequenz. Man erkennt, dass sich unter Beibehaltung eines be stimmten Arrays für jedes Tor die Kurven in Abhängigkeit von I und Q gegeneinander verschieben. Damit können aus den Signalen der Dreitore sowohl die I/Q-Werte des RF-Signals, als auch gleichzeitig – mit Hilfe der Phasenverschiebung zwischen den Antennenelementen – die Raumwinkel Φ und φ des Poynting-Vektors eindeutig bestimmt werden.
  • Literatur
    • [1] G.F. Engen, C.A. Hoer, Application of an arbitrary 6-port junction to power measurement problems, IEEE Trans.Instrum.Meas., vol. IM-21, pp.470–474, Nov.1972
    • [2] US-Patent 4104583: Six-port measuring circuit
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    • [4] US-Patent 5274333: Frequency balanced six-port reflectometer with a variable testport impedance
    • [5] US-Patent 5498969: Device for the vector measurement of ultra-high frequency signals of the same angular frequency of the six-port junction type
    • [6] EPO, Offenlegungsschrift EP 1011204 A1 , Empfänger mit Sechs-Tor-Schaltung
    • [7] WIPO, Offenlegungsschrift WO 9908393 A1, Calibration of n-port receiver

Claims (14)

  1. Antennensystem zur Erfassung einer Hochfrequenzwelle (RF), bestehend aus mehreren Einzelantennen (A1...An) , wobei jede Einzelantenne als Mehrtor (S1, S2; D1...Dn) ausgebildet ist und einen Referenzeingang aufweist, welcher Referenzsignale von einem lokalen Oszillator (LO) aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass Einzelantennen als Dreitore (D1...Dn) ausgebildet sind.
  2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein lokaler Oszillator (LO) vorhanden ist, dessen Referenzsignal den Referenzeingängen der Mehrtore zugeleitet wird.
  3. Antennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal des lokalen Oszillators (LO) den Referenzeingängen der Mehrtore synchronisiert zugeleitet wird.
  4. Antennensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal den Referenzeingängen der Mehrtore sequentiell zugeleitet wird.
  5. Antennensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal den Referenzeingängen der Mehrtore sequentiell um den gleichen Betrag phasenversetzt zugeleitet wird.
  6. Antennensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei n vorhandenen Mehrtoren der jeweilige Phasenversatz 2π/n beträgt.
  7. Antennensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Mehrtore als Dreitore ausgebildet sind.
  8. Antennensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelantennen als geometrische Struktur, z.B. linear äquidistant oder als 2-dimensionales Array, angeordnet sind.
  9. Antennensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Aufbereitung (LD1, LD2,..., Tiefpassfilter TPF) und Auswertung (A/D-Wandler, Prozessoreinheit CPU) der Ausgangssignale der Mehrtore vorhanden sind.
  10. Verfahren zur Erfassung der komplexen Signalstruktur einer Hochfrequenzwelle (RF) mittels einer Anzahl von Einzelantennen (A1...An) aus Mehrtoren (S1, S2; D1...Dn), dadurch gekennzeichnet, dass den Mehrtoren (S1, S2; D1...Dn) das Referenzsignal eines lokalen Oszillators (LO) synchronisiert zugeführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass den Mehrtoren (S1, S2; D1...Dn) das Referenzsignal des lokalen Oszillators (LO) mit gleicher Phase zugeführt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass den Mehrtoren (S1, S2; D1...Dn) das Referenzsignal des lokalen Oszillators (LO) mit verschobener Phase zugeführt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass den Mehrtoren (S1, S2; D1...Dn) das Referenzsignal des lokalen Oszillators (LO) sequentiell mit einer um 2π/n verschobenen Phase zugeführt wird, wobei n der Anzahl der vorhandenen Mehrtore entspricht.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Phasen der I und Q-Daten der Mehrtore (S1, S2; D1...Dn) die Raumwinkel Φ und φ der einfallenden Hochfrequenzwelle (RF) in Bezug auf die Positionen der Einzelantennen (A1...An) bestimmt werden.
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