DE202016100381U1

DE202016100381U1 - Aktive Dualband-Antennenanordnung

Info

Publication number: DE202016100381U1
Application number: DE202016100381.4U
Authority: DE
Original assignee: Kathrein Werke KG
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2026-01-28
Also published as: CN206595395U; US20170214152A1

Abstract

Aktive Dualband-Antennenanordnung (100), umfassend eine Vielzahl von Antennenelementen (4) mit jeweils einem daran angeschlossen Transceiver, wobei für beide Frequenzbänder (B3, B7) zwei Antennengruppen (1, 2) bereitgestellt werden, wobei eine erste Antennengruppe (1) das Sendeband des ersten Frequenzbands (B3) und das Empfangsfrequenzband des zweiten Frequenzbands (B7) verarbeitet, und eine zweite Antennengruppe (2) das Sendefrequenzband des zweiten Frequenzbands (B7) und das Empfangsfrequenzband des ersten Frequenzbands (B3) verarbeitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Dualband-Antennenanordnung, insbesondere eine Mobilfunkantenne, nach dem Oberbegriff den Anspruches 1.
Im Mobilfunk werden immer neuere Funktechniken entwickelt, so dass man bei passiven Antennensystemen immer schneller an die technischen Grenzen, vor allem an die Kapazitätsgrenzen, des Systems stößt. Eine Lösung ist es, ein Array von mehreren Einzelstrahlern mit separaten Sende- und Empfangsverstärkern auszustatten um dadurch steuerbare Antennen für Strahlsteuerung oder auch für MIMO-Betrieb zu realisieren. Die Verwendung von mehreren Sende- und Empfangsmodulen im MIMO-Betrieb ist vor allem in Situationen vorteilhaft, wenn kein direkter Sichtkontakt zwischen Sender und Empfänger besteht. Die Verwendung von aktiven Antennen wird seit einigen Jahren als Lösung für viele der Probleme im Bereich Kapazität, Übertragung, Steigerung der Datenrate etc. im Mobilfunk gesehen. Bisher haben sich aktive Antennenarrays mit mehreren Transreceivern nicht in großem Umfang aus folgenden Gründen durchsetzen können.
Die vielen aktiven Komponenten sind in Fragen Kosten und Zuverlässigkeit eine große Herausforderung. Des Weiteren sind durch die hohen Einfügedämpfungen der Duplexfilter von bis zu 3 dB und dem niedrigen Wirkungsgrad der Verstärker im niedrigen Leistungsbereich von 0,2..2 W der Gesamtwirkungsgrad der aktiven Antennenarrays sehr schlecht. Auch sind derzeit keine Lösungen für Mehrbandbetrieb bekannt, so dass für jedes Sende- und Empfangsband separate aktive Antennenarrays realisiert werden müssen. Dies liegt an der oftmals fehlenden Möglichkeit, die Strahler für die verschiedenen Bänder auch aus Platzgründen heraus physikalisch voneinander zu trennen. Erfindungsgemäß wird hier eine elegante Möglichkeit geschaffen, mit einer Filterlösung eine Doppelausnutzung der verwendeten Strahler zu schaffen und gleichzeitig durch die erfindungsgemäße Anordnung eine geringe Anforderung an die verwendeten Filter zu ermöglichen insbesondere bezüglich der Selektion bzw. Sperrdämpfung, welches dann wiederum in einer geringen Einfügedämpfung resultiert.
Durch die hohe Nachfrage der Nutzer nach Daten und Bandbreite wurde ein überfülltes Spektrum geschaffen, bei dem die Intermodulationsprodukte die Empfänger stärker stören als bisher, d.h. es tritt PIM auf. Auch die kompakte Hardware zukünftiger Mobilfunkstandards stellt die Netzbetreiber, aufgrund begrenzter Linearität, vor große Probleme. Dies ist auch bei bereits vorhandenen verteilten Antennensystemen im 2G/3G-Netz der Fall. Passive Intermodulation PIM entsteht aufgrund von parasitärer Mischung mehrerer Frequenzträgerdurch passive Komponenten innerhalb eines Übertragungssystems, z.B. durch fehlerhafte Verbindungen, Schäden an einer Antenne etc. Durch die Verwendung von immer mehr Frequenzbändern können immer mehr Intermodulationsprodukte entstehen, die sich nachteilig auf das Empfangsverhalten der Antennen und der Basisstation auswirken. Durch die Zunahme der unterschiedlichen Frequenzbereiche und Frequenzbänder, in denen Antennensysteme gegenwärtig gleichzeitig betrieben werden, wie oben bereits erwähnt, erhöht sich auch die Gefahr des Auftretens von Intermodulationsprodukten, die nicht nur in das eigene zu übertragende Frequenzband fallen, sondern möglicherweise in andere Frequenzbänder, die über das gleiche Antennensystem betrieben werden sollen.
Die höheren Generationen der Netztechnologie wie die für die LTE-Technologie eingeführte MIMO-Technik (aus dem Englischen multiple-in-multiple-out) erzeugt nun weitere Probleme im Hinblick auf HF-Eigenschaften, da immer höhere Datenraten etc. übertragen werden müssen. Bei MIMO werden mehrere baugleiche Antennen oder Antennenmodule eingesetzt, die Übertragung erfolgt in den drei Dimensionen Frequenz, Zeit und Raum. Zum Empfang wird vorzugsweise dieselbe Anzahl an Empfangsantennen bzw. Modulen benutzt. Der Empfänger erhält also eine räumliche Information über das gesendete Signal, so dass eine höhere Leistung des Systems erzielt wird. Durch diese Technik können die Qualität und die Datenrate einer drahtlosen Verbindung deutlich erhöht werden.
MIMO wird bereits beim 4G Standard eingesetzt und wird in Zukunft auf einen nächsten Level gehoben, was als Massive MIMO bezeichnet wird. Beim Massive MIMO wird auch im mm-Wellenlängenbereich geforscht und TDD(Time Division Duplex)-Systeme werden bei den Anwendungen bevorzugt. Es gibt auch Ansätze, Massive MIMO bei konventionellen Frequenzen einzusetzen, also Frequenzen im Bereich von einigen GHz, wobei das meiste Spektrum mit FDD(Frequency Division Duplex)-Systemen verwendet wird.
Je weiter die Entwicklungen voranschreiten, desto mehr steht die Lösung von Problemen im Bereich der Interferenzreduzierung, Rauschunterdrückung, kurz Hochfrequenzoptimierung, im Vordergrund. In den letzten Jahren wurde das Potential der Sektorisierung vorgestellt und ausgetestet. Die horizontale Sektorisierung erzielt für alle Szenarien wie Stadt, Umland und ländliche Gegenden eine gute und stabile Verbesserung von Datenraten. Vertikale Sektorisierung funktioniert gut in städtischen Bereichen mit hohen Gebäuden. Das Prinzip der Sektorisierung ist bekannt und wird hier nicht genauer vorgestellt. Durch Sektorisierung kann unter anderem eine höhere Bandbreite erreicht werden.
Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Aktive Dualband-Antennenanordnung bereitzustellen. Unter einer aktiven Antenne oder Antennenanordnung versteht man eine Antenne, bei der eine Antenne mit mindestens zwei oder mehr Antennenverstärkern kombiniert ist.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine aktive Dualband-Antennenanordnung, umfassend eine Vielzahl von Antennenelementen mit jeweils einem daran angeschlossen Transceiver, wobei für beide Frequenzbänder zwei Antennengruppen bereitgestellt werden, wobei eine erste Antennengruppe das Sendeband des ersten Frequenzbands und das Empfangsfrequenzband des zweiten Frequenzbands verarbeitet, und eine zweite Antennengruppe das Sendefrequenzband des zweiten Frequenzbands und das Empfangsfrequenzband des ersten Frequenzbands verarbeitet.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Antennengruppen vertikal angeordnet sind.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Antennengruppe ein 8 Spalten × 6 Reihen-Array ist.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass jeder der Transceiver eine Duplex-Einheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, einen Eingangskanal und einen
Ausgangskanal voneinander zu trennen, Bevorzugt umfasst jeder Transceiver ferner zumindest einen Filter und zumindest einen Verstärker. Bevorzugt ist der Filter ein FBAR (Film Bulk Acoustik Resonator) oder ein BAW-Filter oder SAW-Filter ist.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass mehrere zusammengeschaltete Antennenelemente an einem Transceiver angeschlossen sind.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Frequenzbänder derart gewählt sind, dass der Frequenzabstand zwischen dem jeweiligen Sendebereich des ersten und dem Empfangsbereich des zweiten Bandes, welche über eine Duplexweiche an dem jeweiligen Strahler zusammengeschaltet sind, größer als 20 bzw. 50 MHz, bevorzugt 620 bzw. 835 MHz beträgt.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Antennenanordnung eine Vor-Prozessierungs-Einheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, einen FDD Massive-MIMO Betrieb durchzuführen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Ansicht der in 1 gezeigten Subsysteme in Kombination.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Antennenanordnung, bei der zwei Antennengruppen 1 und 2, die jeweils zwei zusammengeschaltete Antennenelemente (4) umfassen, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Dabei sind zwei Frequenzbänder, z.B. B3 und B7, jeweils kreuzweise in einem der beiden Subsysteme 1 und 2 für den Sender TX bzw. den Empfänger RX vorhanden, d.h. es liegt ein invertierter Array vor. In 1 unterstützt erste Subsystem 1 das Senden im B3 Band und den Empfang im B7 Band, während das zweite Subsystem 2 das Senden im B7 Band und den Empfang im B3 Band unterstützt. Jedes Subsystem umfasst eine SDR-Einheit 3 zur Verarbeitung von Signalen etc. Die Trennung in Sendekanal und Empfangskanal erfolgt über eine Duplex-Einheit 5, an die zusätzlich Filter 7 und Verstärker 6 angeschlossen sind, um die Signale zu verarbeiten.
Die beschriebenen Subsysteme 1 und 2 werden in Arrays von Subsystemen zusammengefasst und bevorzugt vertikal kombiniert. Somit entsteht ein kompaktes System 100, wie in 2 gezeigt. In 1 ist ein 8 × 6-Array mit 8 Antennenspalten und 6 Antennenreihen gezeigt. Die Erfindung ist dabei nicht auf den gezeigten 8 × 6 Array beschränkt; es können vielmehr Reihen-Spalten-Kombinationen entsprechend der gewünschten Anwendung ausgewählt werden, so z.B. 2 × 2, 3 × 3, 4 × 4 bis zu 8 × 8-Arrays.
Ein Array bzw. Antennen-Array ist eine matrixartige Anordnung von zu einem System zusammengeschalteten Einzelantennen.
Vorteilhaft an der beschriebenen Architektur ist, dass durch die vorgeschlagene kreuzweise Anordnung der möglichen Sender bzw. Empfänger eine 35–40 dB breite Isolierung zwischen RX (Empfänger) und TX (Sender) in denselben Bändern und PIM-Werte von weniger als –150dBc erreicht werden können, was für FDD-Systeme eine Voraussetzung darstellt. Durch die breite Isolierung wird der Abstand zwischen RX und TX von 20 bzw. 50 MHz auf 620 bzw. 835 MHz in dem in 1 gezeigten Beispiel erhöht. Für das vorliegende Ausführungsbeispiel sind die Frequenzbänder B3 und B7 gewählt. Es können aber auch andere Frequenzbänder gewählt werden, solange diese einen ausreichenden Abstand zwischen RX und TX aufweisen.
Die vorgeschlagene Architektur resultiert in einem deutlich geringeren Filterdesign insbesondere in einer wesentlich geringeren Durchgangsdämpfung. Zusätzlich kann durch das passive Kombinieren zweier Antennengruppen in vertikaler Richtung die Anzahl der Leistungsverstärker im Vergleich zu einzeln gespeisten Antennen deutlich reduziert werden, z.B. von 192 auf 96 bei zwei Arrays mit 6 × 8 Strahlern und zweifach Polarisation, wie in 1 gezeigt.
Wie bereits erwähnt kann durch die vorgeschlagene Architektur das Filterdesign verringert werden, d.h. es werden keine großen Keramikfilter etc. mehr benötigt, sondern es können z.B. günstige und effiziente FBAR, BAW oder SAW-Filter (Film Bulk Acoustik Resonator bzw. Miniaturmultiplexer) eingesetzt werden. Die Dämpfung liegt im vorliegenden Beispiel bei ca. 1,5 bis 2 dB.
Ferner wird vorzugsweise eine interne Vor-Prozessierungseinheit eingesetzt, wenn sehr viele Datenströme vorhanden sind, was z.B. bei einem 8 × 6 Array der Fall ist. Diese Vor-Prozessierungseinheit kann Datenströme reduzieren, Beamforming betreiben und es können weitere Funktionen implementiert werden, je nach Anwendung, das heißt, dass die Vor-Prozessierungseinheit einen FDD Massive-MIMO Betrieb gewährleisten kann.
Es können auch mehrere Antennenelemente an einem Transceiver angeschlossen sein, auch mehrere miteinander zusammengeschaltete Antennenelemente.
Die vorgeschlagene aktive Dualband-Antenne mit der oben beschriebenen invertierten RX/TX-Architektur kann in allen Anwendungsbereichen eingesetzt werden, z.B. im Inneren von Gebäuden, in Städten, in ländlicheren Bereichen oder auf dem Land, je nachdem mit welcher Energie sie betrieben werden soll.

Claims

Aktive Dualband-Antennenanordnung (100), umfassend eine Vielzahl von Antennenelementen (4) mit jeweils einem daran angeschlossen Transceiver, wobei für beide Frequenzbänder (B3, B7) zwei Antennengruppen (1, 2) bereitgestellt werden, wobei eine erste Antennengruppe (1) das Sendeband des ersten Frequenzbands (B3) und das Empfangsfrequenzband des zweiten Frequenzbands (B7) verarbeitet, und eine zweite Antennengruppe (2) das Sendefrequenzband des zweiten Frequenzbands (B7) und das Empfangsfrequenzband des ersten Frequenzbands (B3) verarbeitet.
Antennenanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die Antennengruppen (1, 2) vertikal angeordnet sind.
Antennenanordnung (100) nach Anspruch 2, wobei die Antennengruppe (1, 2) ein 8 Spalten × 6 Reihen-Array ist.
Antennenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der Transceiver eine Duplex-Einheit (5) umfasst, die dazu eingerichtet ist, einen Eingangskanal (Tx) und einen Ausgangskanal (Rx) voneinander zu trennen.
Antennenanordnung (100) nach Anspruch 4, wobei jeder Transceiver ferner zumindest einen Filter (7) und zumindest einen Verstärker (6) umfasst.
Antennenanordnung (100) nach Anspruch 5, wobei der Filter ein FBAR(Film Bulk Acoustik Resonator)-Filter oder ein BAW-Filter oder ein SAW-Filter ist.
Antennenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Antennenelemente (4) an einem Transceiver angeschlossen sind.
Antennenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenzbänder (B3, B7) derart gewählt sind, dass der Frequenzabstand zwischen dem jeweiligen Sendebereich des ersten und dem Empfangsbereich des zweiten Bandes, welche über eine Duplexweiche an dem jeweiligen Strahler zusammengeschaltet sind, größer als 20 bzw. 50 MHz, bevorzugt 620 bzw. 835 MHz, beträgt.
Antennenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennenanordnung eine Vor-Prozessierungs-Einheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, einen FDD Massive-MIMO Betrieb durchzuführen.