DE19781955B4

DE19781955B4 - Feed-Forward-Mehrträger-Leistungsverstärker und Verfahreen zum Steuern der Amplitude und der Phase von Intermodulationsprodukten in einem Mehrträger-Leistungsverstärker

Info

Publication number: DE19781955B4
Application number: DE19781955A
Authority: DE
Inventors: Philippe Charas
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Unwired Planet International Ltd
Priority date: 1996-08-27
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2017-08-27
Also published as: GB2332316A; US5862459A; CN1233358A; GB2332316B; KR20000035900A; DE19781955T1; KR100459617B1; GB9904271D0; WO1998009372A1; CN1113455C; JP2000517134A; JP4027427B2; TW349298B; AU3877197A

Abstract

Feed-Forward-Mehrträger-Leistungsverstärker in einer zellularen Funkbasisstation, umfassend: einen Hauptverstärker zum Verstärken eines Eingangssignals mit einer Vielzahl von Trägerfrequenzen und zum Erzeugen eines verstärkten Ausgangssignals mit einer Vielzahl von Signalen, wobei das verstärkte Ausgangssignal auch von dem Verstärker erzeugte Intermodulationsprodukte enthält; eine Einrichtung, die mit dem Hauptverstärker gekoppelt ist, zum Erzeugen eines Fehlersignals, das die Stärke der Intermodulationsprodukte im verstärkten Ausgangssignal angibt; eine Synthesizereinrichtung zum Erzeugen eines Pilotsignals aus einem Referenzsignal; eine Kombinierereinrichtung zum Kombinieren des Pilotsignals mit dem Fehlersignal, um ein Phasenschieber-Eingangssignal mit einer Eingangsphase zu erzeugen; eine Phasenverschiebeeinrichtung zum Empfangen des Phasenschieber-Eingangssignals, und zum Verändern der Ausgangsphase des Phasenschieber-Eingangssignals, um ein Fehlerkorrektursignal zu erzeugen; eine Phasendetektoreinrichtung zum Erzeugen einer Phasenversatzanzeige einer Differenz in der Phase zwischen dem Pilotsignal und dem Fehlerkorrektursignal; eine Phasensteuerprozessoreinrichtung zum Vergleichen der Phasenversatzanzeige mit einem Phasenversatzwert und zum Erzeugen eines Steuersignals; eine Phasensteuereinrichtung zum Einstellen der Phasenverschiebeeinrichtung...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein zellulare Funkkommunikationen und insbesondere eine Feed-Forward-Mehrträger-Leistungsverstärkerarchitektur und insbesondere einen Feed-Forward-Mehrträger-Leistungsverstärker und ein Verfahren zum Steuern der Amplitude und der Phase von Intermodulationsprodukten in einem Mehrträger-Leistungsverstärker, zur räumlichen Filterung von unerwünschten Intermodulationsprodukten unter Verwendung eines Feed-Forward-(d.h. Vorwärtssteuerungs-)Mehrträger-Leistungsverstärkers in einer Feldantennenarchitektur.
In Funkkommunikationssystemen mit Rauschbegrenzung ist die Fähigkeit eines Funkempfängers, eine Funksignalaussendung von einem entfernt angeordneten Sender zu empfangen, durch die Menge des thermischen Rauschens, welches in dem Funkkanal vorhanden ist, und des Rauschens, das von dem Empfänger selbst eingeführt wird, begrenzt. In zellularen Funkkommunikationssystemen ist die Fähigkeit einer Mobilstation, von einer Basisstation gesendete Signale zu empfangen, nicht so sehr von dem thermischen Rauschen in dem Funkkanal, sondern anstelle davon durch das Ausmaß der Interferenz, die in dem Funkkanal vorhanden ist, begrenzt. Eine Interferenz ergibt sich aus mehreren Ursachen: eine sogenannte Co-Kanal-Interferenz ergibt sich aus Funkkommunikationen zwischen Basisstationen und Mobilstationen in benachbarten oder entfernt angeordneten Zellen, die in dem gleichen Frequenzband auftreten; eine sogenannte Nachbarkanal-Interferenz ergibt sich aus Funkkommunikationen zwischen Basisstationen und Mobilstationen in der gleichen Zelle oder aus benachbarten Zellen, die auf benachbarten Frequenzbändern arbeiten. Eine nicht perfekte Filterung in den Empfängern und Sendern ermöglicht, daß ein gewisser Betrag der Funkfrequenzenergie in einem Band auf andere Frequenzbänder herüberfließt und mit diesen interferiert. Eine andere potentielle signifikante Ursache einer Interferenz ergibt sich aus Intermodulationsprodukten, die aus einer Umwandlung einer Amplitudenmodulation in einer Amplitudenmodulation (AM in AM) und einer Amplitudenmodulation in eine Phasenmodulation (AM in PM) in den Verstärkern der Basisstation und der Mobilstation erzeugt werden. Dieses Problem ist gewöhnlicherweise am schwerwiegendsten in der abwärts gerichteten Richtung (Downlink) (d. h. in Signalen, die von der Basisstation gesendet werden), da die Basisstation oft gleichzeitig mehrere Trägerfrequenzen aussendet, die sich in den Verstärkern miteinander mischen.
In Leistungsverstärkern wird ein Kompromiß zwischen einem DC zu RF Leistungsumwandlungs-Wirkungsgrad und dem Grad von Intermodulationsprodukten, die von dem Verstärker erzeugt werden, gemacht. Somit können ein guter DC zu RF Leistungsumwandlungs-Wirkungsgrad und eine hohe spektrale Reinheit entgegengesetzte Anforderungen sein. Die Wahl des Verstärkers ist deshalb bei dem Entwurf der zellularen Basisstationsarchitektur signifikant.
Bislang sind mehrere Basisstationsarchitekturen identifiziert worden. Am häufigsten verwenden Basisstationen einen Einzelträger-Leistungsverstärker (Single Carrier Power Amplifier SCPA) mit einem frequenzselektiven Kombinierer. Diese Architektur bietet insgesamt einen 6–7% DC zu RF Leistungsumwandlungs-Wirkungsgrad aufgrund der Einfügungsverluste, die in dem begleitenden Frequenzkombinierer angetroffen werden. Der Frequenzkombinierer ist auch groß und weist eine ”statische” Frequenzselektivität auf, die während der Installation der Basisstation unter Umständen manuell abgestimmt werden muß.
Eine andere gebräuchliche Wahl der Architektur verwendet einen Mehrträger-Leistungverstärker (Multi-Carrier Power Amplifier MCPA). Unglücklicherweise sollten MCPAs allgemein höchst linear sein, um die Erzeugung von Intermodulationsprodukten zu vermeiden, die sich aus der Mischung der verschiedenen modulierten Trägerfrequenzen innerhalb des Verstärkers ergeben. Obwohl kein Frequenzkombinierer benötigt wird, bietet diese Lösung deshalb nur einen insgesamten DC zu RF Leistungsumwandlungs-Wirkungsgrad von ungefähr 4–6% an. Obwohl der MCPA mit der voranstehend erwähnten SCPA/Frequenzkombinierer-Lösung vergleichbar ist, weist der MCPA typischerweise eine viel geringere Robustheit und Zuverlässigkeit auf. Ein Hochleistungs-MCPA ist ferner eine komplexe Technologie, d. h. seine Herstellung kann nicht leicht beherrscht werden.
Schließlich kann ein SCPA mit Antennenkombinierern verwendet werden, um einen insgesamten DC zu RF Leistungsumwandlungs-Wirkungsgrad von ungefähr 22% zu ergeben, der auf Kosten eines am Masten montierten Leistungsverstärkers und eines Oberflächengebiets mehr oder weniger proportional zu der Anzahl von Trägern erzielt wird. Die Robustheit dieses Entwurf kann durch Verteilen von kleinen Leistungsverstärkern in einem Feld (Array) unter Verwendung einer räumlichen Kombination einer Anzahl von Antennenelementen, anstelle eines zentralen Leistungsverstärkers pro Antenne, verbessert werden.
Die Verwendung einer MCPA- und Antennenfeld-Kombinierung würde eine attraktive Lösung sein, wenn der insgesamte DC zu RF Leistungsumwandlungs-Wirkungsgrad dieser Lösung verbessert werden könnte. Gegenwärtige MCPA Entwürfe versprechen jedoch nicht, die erforderlichen Verbesserungen im Wirkungsgrad zu erzeugen.
Die von MCPAs eingeführte Intermodulation kann durch Verwendung einer der zwei folgenden Verfahren verringert werden: eine Verstärkung mit Feed-Forward-Unterdrückung oder eine lineare Verstärkung mit nicht-linearen Komponenten (Linear Amplification With Non-Linear Components LINC). Eine LINC Verstärkung ist relativ komplex und ist gegenwärtig für Verstärker in der Massenproduktion mit geringen Kosten vollständig ungeeignet.
Ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Verstärkers mit Feed-Forward-Unterdrückung ist in 1A dargestellt. In 1A wird ein RF (RF: Funkfrequenz bzw. Radio Frequency) Eingangssignal, dessen Spektrum in 1B dargestellt ist, an einen Koppler 100a angelegt, der Teile des Eingangssignals an eine Verzögerungsleitung 140 und an einen Hauptverstärker 110 koppelt. Der Hauptverstärker 110 erzeugt den verstärkten Ausgang, dessen Signalspektrum in 1C dargestellt ist. Die zusätzlichen Spektralkomponenten, die in 1C im Vergleich mit 1B gezeigt sind, sind die Intermodulationsprodukte, die aufgrund von Nichtlinearitäten in dem Hauptverstärker 110 erzeugt werden. Ein Teil des in 1C gezeigten Spektrums des verstärkten Ausgangssignals wird an einen Addierer 150 von einem Koppler 100b gekoppelt. Eine Verzögerungsleitung 140 verzögert den gekoppelten Teil des Eingangssignals bezüglich des Ausgangs des Hauptverstärkers 110, der ein verzögertes Signal erzeugt, so daß die zwei Signale den Addierer 150 ungefähr zur gleichen Zeit erreichen. Der Ausgang des Addierers 150 ist ein Fehlersignal, welches an einen Zusatz- oder Hilfsverstärker 160 gekoppelt wird. Der Zusatzverstärker 160 stellt die Amplitude des Fehlersignals ein, wobei ein Fehlerkorrektursignal erzeugt wird, das in 1D dargestellt ist. Das Fehlerkorrektursignal sollte in der Amplitude den Intermodulationsprodukten angepaßt sein, die von dem Hauptverstärker 110 erzeugt werden, aber mit umgekehrter Phase. Die sich ergebende Vektorlöschung der Intermodulationsprodukte wird in dem Koppler 100c ausgeführt, wo das Fehlerkorrektursignal von dem verstärkten Ausgangssignal subtrahiert wird. Damit das in 1E dargestellte Ausgangssignal Intermodulationsprodukte aufweist, die größer als –60 dB von den Trägerfrequenzen herunter sind, muß die Vektorlöschung mit einem hohen Genauigkeitsgrad ausgeführt werden. Typischerweise erfordert dies, daß das Fehlerkorrektursignal mit einer Phasengenauigkeit von größer als 0,5° und einer Amplitudengenauigkeit von 0,1 dB aufrechterhalten wird, was in der Herstellung schwierig zu erreichen ist. Die Feed-Forwardtechnik kann in einem MCPA verwendet werden, um Intermodulationsprodukte effektiv zu unterdrücken, aber auf Kosten eines niedrigen Leistungswirkungsgrads und hohen Anforderungen an die Komplexität und mit hohen Komponentenkosten. Insbesondere ist die Herstellung von Hochleistungs-MCPAs schwierig zu beherrschen.
Demzufolge würde es vorteilhaft sein, eine Phasenfeldantenne (Phased Array Antenna) zu konstruieren, die MCPAs verwendet, in denen Intermodulationsprodukte behandelt werden können, ohne auf kostenintensive und leistungsineffiziente Feed-Forward-Unterdrückungstechniken zurückgreifen zu müssen. Feed-Forward-Verstärker sind z. B. aus US-4,885,551 oder GB-2 296 615 A bekannt.
Aufgabe ist die Schaffung eines verbesserten Mehrträger-Leistungsverstärkers und Verfahrens zur Steuerung der Amplitude und Phase von Intermodulationsprodukten in solchen Mehrträger-Leistungsverstärkern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gelöst wird die Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine verbesserte Feed-Forward-Mehrträger-Leistungsverstärkerarchitektur beschrieben. Der verbesserte MCPA stellt einen Hauptverstärker zum Verstärken eines Eingangssignals mit einer Vielzahl von Trägerfrequenzen bereit, der ein verstärktes Ausgangssignal erzeugt, das die gewünschten Signale und zusätzliche unerwünschte Frequenzkomponenten umfaßt. Ein Fehlersignal, welches unerwünschte Frequenzkomponenten in dem verstärkten Ausgangssignal darstellt, wird mit einem Referenzsignal kombiniert, um ein Phasenschieber-Eingangssignal zu erzeugen, welches im Ansprechen auf ein Steuersignal in der Phase verschoben (und/oder möglicherweise in der Amplitude verändert) wird. Das Steuersignal wird aktualisiert, indem der Betrag der Phasenverschiebung, der von dem Phasenschieber bereitgestellt wird, mit einem Phasenversatzwert verglichen wird. Der Phasenversatzwert kann über der Zeit veränderlich sein.
Gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verwenden der verbesserten Feed-Forward-MCPA verwendet und beschrieben. Eine Phasenfeldarchitektur wird angeboten, so daß eine Vielzahl von Strahlungskeulen erzeugt werden. In wenigstens einer Keule werden die unerwünschten Frequenzkomponenten (d. h. Intermodulationsprodukte) unabhängig von der Hauptkeule gesteuert, wodurch eine räumliche Filterung der unerwünschten Frequenzkomponenten bereitgestellt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird nun mit näheren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen. In den Zeichnungen zeigen:
1A ein schematisches Blockschaltbild eines herkömmlichen Leistungsverstärkers mit Feed-Forward-Unterdrückung-;
1B ein beispielhaftes Signalspektrum für ein Eingangssignal im Zusammenhang mit dem Blockdiagramm aus 1A;
1C ein beispielhaftes Signalspektrum für ein verstärktes Signal im Zusammenhang mit dem Blockschaltbild aus 1A;
1D ein beispielhaftes Signalspektrum für ein Fehlersignal im Zusammenhang mit dem Blockschaltbild in 1A;
1E ein beispielhaftes Signalspektrum für ein Ausgangssignal im Zusammenhang mit dem Blockschaltbild der 1A;
2A ein schematisches Blockschaltbild eines Feed-Forward-Leistungsverstärkers gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2B ein beispielhaftes Signalspektrum für ein Eingangssignal im Zusammenhang mit dem Blockschaltbild aus 2A;
2C ein beispielhaftes Signalspektrum für ein verstärktes Signal im Zusammenhang mit dem Blockschaltbild aus 2A;
2D ein beispielhaftes Signalspektrum für ein Fehlerkorrektursignal im Zusammenhang mit dem Blockschaltbild aus 2A;
2E ein beispielhaftes Signalspektrum für ein Ausgangssignal im Zusammenhang mit dem Blockschaltbild aus 2A;
2F ein schematisches Blockschaltbild eines Phasen- und Amplitudenmodulators, der in vorteilhafter Weise als ein Teil des Feed-Forward-Leistungsverstärkers der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
3 ein schematisches Blockschaltbild, das den Betrieb einer herkömmlichen linearen Phasenfeldantenne darstellt;
4 ein schematisches Blockschaltbild einer Phasenfeldantenne gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ein schematisches Blockschaltbild, das den Betrieb der Phasenfeldantenne aus 4 darstellt; und
6 eine Darstellung einer Phasenfeldantenne gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer Anwendung in einer zellularen Basisstation.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der folgenden Beschreibung werden für den Zweck einer Erläuterung und nicht für eine Beschränkung spezifische Einzelheiten aufgeführt, beispielsweise bestimmte Schaltungen, Schaltungskomponenten, Techniken, etc., um ein gründliches Verständnis der Erfindung bereitzustellen. Jedoch ist Durchschnittsfachleuten offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung in anderen Ausführungsformen, die von diesen spezifischen Einzelheiten abweichen, umgesetzt werden kann. In anderen Fällen werden ausführliche Beschreibungen von altbekannten Verfahren, Einrichtungen und Schaltungen weggelassen, um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht mit unnötigen Details zu belasten.
Das schematische Blockschaltbild eines Feed-Forward-Verstärkers 200 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist in 2A dargestellt. In 2A wird ein Eingangssignal, dessen Signalspektrum in 2B dargestellt ist, an einen Koppler 220a angelegt, der Teile des Eingangssignals an eine Verzögerungsleitung 240 und eine an den Hauptverstärker 230 koppelt. Der Hauptverstärker 230 verstärkt das Spektrum des verstärkten Ausgangssignals, welches in 2C gezeigt ist, wobei ein Teil davon durch einen Koppler 220b an einen Addierer 250 gekoppelt wird. Die zusätzlichen Spektralkomponenten, die in 2C im Vergleich mit 2B gezeigt sind, sind die unerwünschten Intermodulationsprodukte, die aufgrund von Nichtlinearitäten in dem Hauptverstärker 230 erzeugt werden. Eine Verzögerungsleitung 240 verzögert den gekoppelten Teil des Eingangssignals bezüglich des verstärkten Ausgangssignals von dem Hauptverstärker 230, der ein verzögertes Signal erzeugt, so daß die zwei Signale den Addierer 250 ungefähr zur gleichen Zeit erreichen. Der Ausgang des Addierers 250 ist ein Eingangsfehlersignal, welches die unerwünschten Intermodulationsprodukte darstellt.
Das Eingangsfehlersignal wird an einen Phasen- und Amplitudenmodulator 210 gekoppelt, der die Phase und die Amplitude des Eingangsfehlersignals in Abhängigkeit von einem Steuersignal einstellt, welches von einem Phasensteuerprozessor 215 (in 2F gezeigt) empfangen wird, der das in 2D gezeigte Fehlerkorrektursignal erzeugt. Das Fehlerkorrektursignal wird so gesteuert, daß die Vektoraddition des verstärkten Ausgangssignals und des Fehlerkorretursignals zu einem Intermodulationsvektor mit einer geeigneten Phase und Amplitude führt. Dies bedeutet, daß die Intermodulationsprodukte in dem Ausgangssignal (in 2E gezeigt) nicht auf Null (wie in 1E) reduziert worden sind, sondern anstelle dessen in dem Ausgangssignal mit einer Phase und einer, Amplitude bleiben werden, die von dem Phasen und Amplitudenmodulator 210 bestimmt wird. Das Merkmal des Feed-Forward-Verstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine unabhängige Steuerung der Phase und der Amplitude der Intermodulationsprodukte, die von dem Hauptverstärker 230 erzeugt werden, wobei dieses Merkmal weiter in vorteilhafter Weise in einer Phasenfeldantenne verwendet werden kann, um die Richtung einer Strahlung der Intermodulationsprodukte unabhängig von der Primärstrahlungskeule zu steuern, wie in den folgenden Figuren und dem Text beschrieben wird.
Eine beispielhafte Implementierung des Phasen- und Amplitudenmodulators 210 ist in 2F gezeigt. Ein Synthesizer 216 empfängt von einer gemeinsamen Referenzquelle (nicht gezeigt) ein Referenzsignal mit einer niedrigen Frequenz, z. B. 10 MHz. Der Synthesizer 216 wandelt das Referenzsignal in ein Pilotsignal um, welches nahe zu der Frequenz des Eingangssignals, aber geringfügig außerhalb des Bands ist, so daß das Pilotsignal wie irgendein anderes Intermodulationsprodukt behandelt wird, welches außerhalb des Bands auftritt. Das Pilotsignal von dem Synthesizer 216 wird in den Phasenschieber 212 mit Hilfe eines Kopplers 211a eingegeben, wo das Pilotsignal mit dem Ausgang des Addierers 250 (in 2A gezeigt) kombiniert wird, der das Eingangsfehlersignal ist, das die unerwünschten Intermodulationsprodukte darstellt. Der Ausgang des Kopplers 211a wird hier nachstehend als ein Phasenschieber-Eingangssignal bezeichnet.
Der Phasenschieber 212 kann irgendein geeignetes Zweitornetzwerk sein, wobei die Phasendifferenz zwischen den Ausgangs- und Eingangssignalen durch ein Steuersignal (z. B. eine DC Vorspannung) gesteuert werden kann. In dem beispielhaften Modulator 210 ist ein Phasenschieber 212 ein Phasenschieber mit einer geladenen Leitung, kann aber auch ein geschaltetes Netzwerk, eine geschaltete Leitung, ein Netzwerk vom Verstärker-Typ oder vom Reflexions-Typ sein. In dem Phasenschieber mit der geladenen Leitung ist der Mechanismus einer Phasenverschiebung die Varianz einer kleinen Reaktanz, die über die Übertragungsleitung gelegt ist. Eine Varaktordiode, deren Kapazität mit Hilfe einer sich ändernden DC Vorspannung variabel ist, kann in geeigneter Weise für die variable Reaktanz verwendet werden. Diese Anordnung stellt eine einfache kostengünstige Konstruktion und einen mäßigen Einfügungsverlust auf und kann für grobe Phaseneinstellungen leicht gesteuert werden.
Der Phasenschieber 212 verschiebt die Phase des Phasenschieber-Eingangssignals im Ansprechen auf das von dem Phasensteuerprozessor 215 empfangene Steuersignal. Der Ausgang des Phasenschiebers 212 ist mit dem Verstärker 213 gekoppelt. Wie Durchschnittsfachleute erkennen werden, kann die Verstärkung des Verstärkers 213 variabel sein, aber der Einfachkeit halber ist er als ein Verstärker mit einer festen Verstärkung gezeigt. Das verstärkte Ausgangssignal ist das Fehlerkorrektursignal. Das Fehlerkorrektursignal enthält als eine Komponente die phasenverschobene Version des am Koppler 211a ursprünglich eingegebenen Pilotsignals. Das Fehlerkorrektursignal wird an den Koppler 211b gekoppelt, der einen Teil des Fehlerkorrektursignals an den Phasendetektor 214 koppelt. Der Phasendetektor 214 vergleicht das von dem Koppler 211b empfangene phasenverschobene Pilotsignal mit dem von dem Synthesizer 216 empfangenen Pilotsignal und erzeugt eine Spannung VΔϕ_n, wobei die Tiefstellung n einen bestimmten Feed-Forward-Verstärker 200 bezeichnet, wenn eine Vielzahl von Feed-Forward-Verstärkern 200 vorhanden sind. Die Spannung VΔϕ_n, die die Phasendifferenz zwischen den eingegebenen und phasenverschobenen Pilotsignalen darstellt, wird an den Phasensteuerprozessor 215 gekoppelt, der VΔϕ_n mit einer Referenzspannung Vref_n(t) vergleicht, die zeitlich veränderlich sein kann. Der Phasensteuerprozessor 215 erzeugt ein Steuersignal Vcontrol_n(t), das an den Phasenschieber 212 angelegt wird, um den Phasenverschiebebetrag zu steuern. Unter Verwendung einer zeitvariablen Referenzspannung Vref_n(t) ist es möglich, die Phasenverschiebung des Phasenschiebers 212 in Abhängigkeit von irgendeiner gewünschten Funktion zu steuern, zum Beispiel in Abhängigkeit einer Zufallsrauschfunktion, einer sägezahnartigen oder einer sinusförmigen Änderung über der Zeit. In dieser Weise können die Intermodulationsprodukte im Raum ausgespreizt werden (und nicht auf eine einzelne IM Keule eingeschränkt werden), um die negativen IM Effekte weniger auffällig zu machen. Die Wahl von Vref_n(t) stellt einen Kompromiß zwischen dem Wirkungsgrad (d. h. spektral effizienter, um sämtliche IM Produkte von einer gewünschten Signalrichtung wegzurichten) gegenüber einer verringerten Komplexität (d. h. geringere Anstrengungen, die zum Verfolgen und zum Steuern einer Phase benötigt werden, wenn IM Produkte ausgespreizt oder verteilt werden) dar.
3 ist ein schematisches Blockschaltbild einer herkömmlichen linearen Phasenfeldantenne. Ein lineares Feld umfaßt eine Vielzahl von einzelnen Abstrahlelementen 320a–n, die entlang einer Linie in einem Abstand d voneinander angeordnet sind. Ein Eingangssignal wird über ein Zuführungsnetz 310 gekoppelt und in eine Vielzahl von Ausgängen aufgeteilt, wobei jeder Ausgang mit einem einzelnen Abstrahlelement 320a–n gekoppelt ist. In der einfachsten Architektur sind sämtliche Ausgänge des Zuführungsnetzes 310 in der Phase und in der Amplitude angepaßt, aber andere Zusammenhänge sind möglich. Insbesondere kann eine Amplitudenverjüngung über das Zuführungsnetz angewendet werden, so daß Endelemente eine geringfügig geringere Energie als die Mittenelemente des Felds erhalten, wodurch ein Seitenkeulen-Betriebsverhalten verbessert wird. Für das vorliegende Beispiel wird angenommen, daß die Ausgänge des Zuführungsnetzes alle in Phase sind und die gleiche Amplitude aufweisen. An der Basis jedes Abstrahlelements 320a–n befindet sich eine Phasenverschiebungs- bzw. Amplitudenveränderungseinrichtung 330a–n, die die relative Amplitude und die Phase steuert, die an jedes Abstrahlelement 320a–n geführt wird. In einem Phasenfeld (Phased Array) kombinieren sich die Strahlungsmuster jedes Abstrahlelements 320a–n im Raum, um ein zusammengesetztes Strahlungsmuster für das Feld zu bilden, welches durch den Feldfaktor beschrieben werden kann:
wobei k = 2π/λ ist.
Der Satz von Koeffizienten an wird als die Feldamplitudenverjüngung bezeichnet, während die ψ_n Parameter als die Phasenverjüngung bezeichnet werden. Um einen maximalen Wert für das abgestrahlte Feld in der Richtung des Abtastwinkels θ₀ zu erzeugen, sollten sämtliche ψ_n Parameter die folgende Form aufweisen: ψ_n = –nkdsinθ₀
Der Ausdruck ψ_n zeigt an, daß zum Erzeugen eines maximalen Werts für das abgestrahlte Feld in der Richtung des Abtastwinkels θ₀ die Phasenverjüngung über dem Feld eine lineare Verjüngung ist. Eine lineare Verjüngung ist eine derartige, bei der eine konstante Phasendifferenz zwischen benachbarten Abstrahlelementen 320a–n vorhanden ist. Wenn man dies berücksichtigt, kann der Ausdruck für den Feldfaktor folgendermaßen umgeschrieben werden:
In dem einfachsten Fall, wenn keine Amplitudenverjüngung vorhanden ist und sämtliche an Koeffizienten auf eins gesetzt sind, kann die obige Gleichung für den Feldfaktor weiter vereinfacht werden:
Bezug nehmend auf 4 ist eine Antenne 400 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der der voranstehend beschriebene Feed-Forward-Verstärker in vorteilhafter Weise verwendet werden kann. In 4 wird ein Eingangssignal an ein Zuführungsnetz 310 gekoppelt, das das Eingangssignal in eine Vielzahl von Ausgängen aufteilt. Die Vielzahl von Ausgängen des Zuführungsnetzes 310 werden jeweils an Feed-Forward-Verstärker 200a–n gekoppelt, die voranstehend beschrieben wurden. Der Ausgang jedes Feed-Forward-Verstärkers 200a–n wird jeweils an ein Abstrahlelement 330a–n gekoppelt. Steuersignale werden an jedem Feed-Forward-Verstärker 200a–n von einer Strahlrichtungs-Steuereinrichtung 410 bereitgestellt. Der Betrieb der Antenne 400 kann mit Hilfe des in 5 dargestellten schematischen Blockschaltbilds erläutert werden, wobei der Einfachkeit halber die Anzahl von Antennenelementen 320a–n auf zwei verringert worden sind.
Wie in 5 gezeigt kann jeder Feed-Forward-Verstärker 200a–n so angesehen werden, daß er zwei getrennte Signale erzeugt: eines davon ist das gewünschte Signal, dessen Phase und Amplitude gemäß a_ne^jψn modifiziert ist, und das unerwünschte IM Signal, dessen Phase und Amplitude gemäß b_ne^jφn modifiziert ist. In dem einfachsten Beispiel wird keine Amplitudenverjüngung verwendet und die Amplitudenkoeffizienten a_n und b_n werden auf eins gesetzt. Eines erste Phasenverjüngung wird auf die ψ_n Parameter angewendet, was zu einem ersten Strahl 510 führt, der das gewünschte Signal (die gewünschten Signale) umfaßt, das (die) in die Richtung des Abtastwinkel θ₀ abgestrahlt wird (werden). Eine zweite Phasenverjüngung wird auf die φ_n Parameter angewendet, was zu einem zweiten Strahl 520 führt, der die unerwünschten Signale umfaßt, die in die Richtung des Abtastwinkels α₀ abgestrahlt werden. Seitenkeulen des zweiten Strahls 520 werden in der Richtung des ersten Strahls 510 vorhanden sein, aber bei einem ausreichend niedrigen Pegel, um so kein Interferenzproblem in der Richtung des ersten Strahls 510 darzustellen.
6 zeigt ein Beispiel, wie eine Feldantenne 400 in einem beispielhaften Funkkommunikationssystem verwendet werden kann. Die Antenne 400 ist an einem Mastenturm 600, oben an einem Gebäude an irgendeiner anderen geeigneten Stelle angebracht, die die Antenne 400 einen geeigneten Abstand über den Boden erhebt und die einen klaren Sichtverbindungs-Kommunikationspfad zwischen einer Mobilstation (Mobilstationen) 610, die in der Nähe der Basisstation arbeiten, und der Basisstations-Antenne 400 bereitstellt. Eine Vielzahl von Abstrahlmustern 510 und 520 werden von der Antenne 400 erzeugt. Der Einfachkeit halber werden nur zwei Muster diskutiert: eines, in der die gewünschten Downlink-Signale abgestrahlt werden, wird als das Primärstrahlungsmuster oder als die Primärkeule 510 bezeichnet; und eines, in dem unerwünschte Intermodulationsprodukte abgestrahlt werden, wird als das Intermodulations-(IM)-Abstrahlmuster oder die IM Keule 520 bezeichnet. Die Primärkeule 510 ist von einer Ebene 530 parallel zu der Oberfläche der Erde angewinkelt, entweder indem die Antenne 400 physikalisch nach unten gerichtet wird oder indem alternativ eine lineare Phasenverjüngung über die Ausgänge des Zuführungsnetzes 310 bereitgestellt wird. Die IM Keule 520, die die unerwünschten Intermodulationsprodukte enthält, ist nach oben und von der Primärkeule 510 weg orientiert, indem die geeignete Phasenverjüngung auf die Fehlerkorrektursignale, die in jedem Feed-Forward-Verstärker 200a–n erzeugt werden, angewendet wird.
Alternativ kann die IM Keule 520 in vorteilhafter Weise räumlich verteilt werden, indem ein zeitveränderliches Phasenversatz-Steuersignal an die Verstärker 200a–n angelegt wird. Die Zeitänderung kann in der Form einer Sägezahnwelle sein, um den IM Strahl über einen breiten Abtastwinkel zu schwenken, oder eine rauschbehaftete Änderung kann verwendet werden, um den IM Strahl über einen breiten Abtastwinkel zu ”spreizen”.
Gemäß der voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Techniken kann eine Anzahl von relativ kleinen Verstärkern anstelle eines einzelnen großen Verstärkers verwendet werden. Diese kleineren Verstärker weisen typischerweise einen höheren Leistungswirkungsgrad als die kleineren, die herkömmlicherweise in SCPA Anwendungen verwendet werden, auf. Kabelverluste nach der Verstärkungsstufe werden im wesentlichen reduziert, da die kleineren Verstärker auf dem Antennenfeld angebracht werden. Der DC zu RF Leistungsumwandlungswirkungsgrad gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird typischerweise ungefähr der gleiche wie derjenige im Zusammenhang mit dem SCPA Antennen/Kombinierer-Verfahren sein, aber mit dem Vorteil, daß die Antennengrößen unabhängig von der Anzahl von übertragenen Trägern sind.

Claims

Feed-Forward-Mehrträger-Leistungsverstärker in einer zellularen Funkbasisstation, umfassend: einen Hauptverstärker zum Verstärken eines Eingangssignals mit einer Vielzahl von Trägerfrequenzen und zum Erzeugen eines verstärkten Ausgangssignals mit einer Vielzahl von Signalen, wobei das verstärkte Ausgangssignal auch von dem Verstärker erzeugte Intermodulationsprodukte enthält; eine Einrichtung, die mit dem Hauptverstärker gekoppelt ist, zum Erzeugen eines Fehlersignals, das die Stärke der Intermodulationsprodukte im verstärkten Ausgangssignal angibt; eine Synthesizereinrichtung zum Erzeugen eines Pilotsignals aus einem Referenzsignal; eine Kombinierereinrichtung zum Kombinieren des Pilotsignals mit dem Fehlersignal, um ein Phasenschieber-Eingangssignal mit einer Eingangsphase zu erzeugen; eine Phasenverschiebeeinrichtung zum Empfangen des Phasenschieber-Eingangssignals, und zum Verändern der Ausgangsphase des Phasenschieber-Eingangssignals, um ein Fehlerkorrektursignal zu erzeugen; eine Phasendetektoreinrichtung zum Erzeugen einer Phasenversatzanzeige einer Differenz in der Phase zwischen dem Pilotsignal und dem Fehlerkorrektursignal; eine Phasensteuerprozessoreinrichtung zum Vergleichen der Phasenversatzanzeige mit einem Phasenversatzwert und zum Erzeugen eines Steuersignals; eine Phasensteuereinrichtung zum Einstellen der Phasenverschiebeeinrichtung gemäß dem Steuersignal; und eine Einrichtung zum Kombinieren des Fehlerkorrektursignals und des verstärkten Ausgangssignals
Feed-Forward-Mehrträger-Leistungsverstärker nach Anspruch 1, wobei der Phasenversatzwert ein sich zeitlich ändernder Wert ist.
Feed-Forward-Mehrträger-Leistungsverstärker nach Anspruch 1, wobei sowohl die Phase als auch die Amplitude des Fehlerkorrektursignals verändert werden.
Feed-Forward-Mehrträger-Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Verstärker in einer zellularen Funkbasisstation implementiert ist, die eine Vielzahl von Feed-Forward-Mehrträger-Leistungsverstärkern hat, jeder von welchen mit einem Abstrahlelement in einer Phasenfeldantenne verbunden ist, wobei die Antenne eine Vielzahl von Abstrahlelementen umfasst, die entlang einer Linie beabstandet sind, wobei eine Strahlsteuerung eine erste Phasenverjüngung über die Abstrahlelemente bereitstellt, so daß ein Feldfaktor für das Informationssignal unter einem ersten Winkel orientiert ist; und die Strahlsteuerung eine zweite Phasenverjüngung über die Abstrahlelemente bereitstellt, so daß ein Feldfaktor für die Intermodulationsprodukte unter einem zweiten Winkel weg von dem ersten Winkel orientiert ist.
Feed-Forward-Mehrträger-Leistungsverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Winkel zeitlich veränderlich ist.
Feed-Forward-Mehrträger-Leistungsverstärker nach Anspruch 4, wobei ein Zuführungsnetz eine Amplitudenverjüngung über die Abstrahlelemente bereitstellt, so daß die Endelemente eine geringfügig geringere Energie als Mittenelemente empfangen.
Verfahren zum Steuern der Amplitude und der Phase von Intermodulationsprodukten in einem Mehrträger Leistungsverstärker, umfassend die folgenden Schritte: a) Verstärken eines Eingangssignals mit einer Vielzahl von Trägerfrequenzen und Erzeugen eines verstärkten Ausgangssignals, wobei das verstärkte Ausgangssignal auch von dem Verstärker erzeugte Intermodulationsprodukte enthält; b) Erzeugen eines Fehlersignals, das die Stärke der Intermodulationsprodukte in dem verstärkten Ausgangssignal angibt; c) Erzeugen eines Pilotsignals aus einem Referenzsignal; d) Kombinieren des Pilotsignals mit dem Fehlersignal, um ein Phasenschieber-Eingangssignal zu erzeugen; e) Ändern der Phase des Phasenschieber-Eingangssignals, um ein Fehlerkorrektursignal zu erzeugen; f) Erzeugen einer Phasenversatz-Angabe der Differenz in der Phase zwischen dem Pilotsignal und dem Fehlerkorrektursignal; g) Vergleichen der Phasenversatz-Angabe mit einem Phasenversatzwert und Erzeugen eines Steuersignals; h) Einstellen der Phasenverschiebeeinrichtung gemäß dem Steuersignal und i) Kombinieren des Fehlerkorrektursignals und des verstärkten Ausgangssignals.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei sowohl die Phase als auch die Amplitude des Fehlerkorrektursignals verändert werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Phasenversatzwert sich zeitlich ändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, umfassend die weiteren Schritte: j) Abstrahlen des kombinierten Fehlerkorrektursignals und des verstärkten Ausgangssignals aus einer Vielzahl von Abstrahlelementen, die voneinander entlang einer Linie beabstandet sind, so daß die Vielzahl von Abstrahlelementen eine Feldöffnung bildet; k) Bereitstellen einer ersten Phasenverjüngung über die Abstrahlelemente, so daß der Feldfaktor für das gewünschte Signal unter einem ersten Winkel orientiert ist; und l) Bereitstellen einer zweiten Phasenverjüngung über die Abstrahlelemente, so daß der Feldfaktor für die unerwünschten Frequenzkomponenten unter einem zweiten Winkel weg von dem ersten Winkel orientiert ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Winkel sich zeitlich ändert.