DE60027208T2 - BEAM GROUP ANTENNA, BASE STATION, AND METHOD FOR TRANSMITTING SIGNAL TRANSMISSION THROUGH A SOLID BEAM GROUTER ANTENNA - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Fixed-Beam-Antennenarray und eine Basisstation eines Mobilkommunikationsnetzes, insbesondere eines zellulären Mobilkommunikationsnetzes, mit Strahlauswahl. Die Erfindung betrifft gleicherweise ein Verfahren zum Senden von Signalen über ein Fixed-Beam-Antennenarray.The The invention relates to a fixed-beam antenna array and a base station a mobile communication network, in particular a cellular mobile communication network, with beam selection. The invention equally relates to a method to send signals via a fixed-beam antenna array.
Bei Lösungen für Basisstationsstandorte werden Anstrengungen unternommen, die Antenneneffizienz zu steigern, da gesteigerte Effizienz weniger Basisstationsstandorte oder kleinere Antennenpanel ermöglicht. Darüber hinaus kann eine kleinere Gesamtleistung der Basisstation erreicht werden. Ein anderer Grund dafür, auf Steigerung der Antenneneffizienz zu zielen, ist, dass in Zukunft die Downlinkkapazität der begrenzende Faktor sein kann, besonders wenn der Internet-Datentyp populär wird. Dies betrifft insbesondere CDMA-Systeme (Code Division Multiple Access, Codemultiplex-Systeme).at solutions for base station locations Efforts to increase the antenna efficiency, since increased efficiency less base station locations or smaller Antenna panel allows. About that In addition, a smaller overall performance of the base station can be achieved become. Another reason To aim at increasing antenna efficiency is that in the future the downlink capacity The limiting factor may be, especially if the Internet data type popular becomes. This applies in particular to CDMA systems (Code Division Multiple Access, Code Division Multiplexing Systems).
Zur Steigerung der Downlinkkapazität an einem Basisstationsstandort, an dem Antennenarrays zur sektorisierten Abdeckung verwendet werden, werden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt: Verschmälern der Sektoren oder Verwenden von Strahlformungstechniken. Bei Beschickung eines Antennenarrays mit Signalen, die gegeneinander phasenwinkel- und/oder amplitudenverschoben sind, ist die Leistung eines gesendeten Signals eines Antennenarrays nicht homogen über den ganzen Sektor verteilt, sondern in Strahlen gerichtet. In diesem Sinne ist ein Strahl ein Bereich hoher Signalstärke.to Increase in downlink capacity at a base station location where the antenna arrays are sectorized Cover are used, two different approaches are followed: Reduce the sectors or using beamforming techniques. When loading an antenna array with signals that are phase-locked to each other and / or amplitude shifted is the power of a transmitted one Signal of an antenna array is not distributed homogeneously over the whole sector, but directed in rays. In this sense, a ray is a Range of high signal strength.
Eine Strahlformungstechnik, die aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist der Fixed-Beam-Ansatz (oder der mit intelligenten Antennen), der sich passive Strahlformungsmittel wie eine Butler-Matrix zunutze macht. Eine derartige Technik ist beispielsweise in einem Produktblatt „Smart Antenna Module" der Northern Telecom Europe Limited, 1992, beschrieben. Die Fixed Beams (festen Strahlen) weisen eine zugeordnete Richtung auf, und Mobilstationen, die im Sektor eines gerichteten Strahls angeordnet sind, verwenden die verfügbaren Kanäle dieses Strahls. In dem Fall, dass sich die Mobilstation durch einen Sektor bewegt und den Abdeckungssektor eines Strahls verlässt, stellen Handover-Prozeduren sicher, dass die Mobilstation die verfügbaren Kanäle des nächsten Strahls verwendet. Die in der Basisstation generierten Signale werden über Leistungsverstärker zu einer Butler-Matrix geleitet, wo die Signale, die an die Antennenelemente anzulegen sind, eingestellt werden, um den ausgewählten Strahl zu formen. Der Fixed-Beam-Ansatz weist den Vorteil auf, dass keine Antennenkalibrierung notwendig ist. Er weist jedoch den Nachteil auf, dass strahlspezifische Leistungsverstärker erforderlich sind, die für hohe Leistungspegel ausgelegt sind. Dies bedeutet, dass die Leistungsverstärker nicht linear arbeiten, was Maßnahmen zur Linearisierung notwendig macht.A Beamforming technique known in the art is the fixed-beam approach (or the one with intelligent antennas), which uses passive jet-forming agents like a Butler matrix power. Such a technique is described for example in a product sheet "Smart Antenna Module "the Northern Telecom Europe Limited, 1992. The fixed beams (fixed beams) have an associated direction, and mobile stations, which are arranged in the sector of a directed beam use the available Channels this Beam. In the case that the mobile station passes through a sector moves and leaves the coverage sector of a jet Handover procedures ensure that the mobile station has the available channels of the next beam used. The signals generated in the base station are added via power amplifiers a butler matrix where the signals to be applied to the antenna elements, can be adjusted to shape the selected beam. Of the Fixed-beam approach has the advantage of no antenna calibration necessary is. However, it has the disadvantage that beam-specific power amplifier necessary for high power levels are designed. This means that the power amplifier is not work linearly, which measures makes necessary for linearization.
Ein anderes bekanntes Konzept ist in aktiven Antennensystemen ausgeführt, z.B. den Raytheon-Antennensystemen, die gewöhnliche Sektorantennen mit integrierten PAs (Power Amplifier, Leistungsverstärker) und LNAs (Low Noise Amplifier, rauscharmer Verstärker) umfassen.One Another known concept is embodied in active antenna systems, e.g. the Raytheon antenna systems, the ordinary Sectoral antennas with integrated PAs (Power Amplifier, Power Amplifier) and LNAs (Low Noise Amplifier) include.
Eine weitere bekannte Strahlformungstechnik ist digitale Strahlformung. In diesem Fall ist das Strahlformungsmittel ein digitaler Strahlformer, wobei die abgegebenen Strahlen vollständig lenkbar sind. Die Richtung des Strahls kann daher an die Sendungsnotwendigkeiten angepasst werden. Der Strahl kann sich beispielsweise zusammen mit einer Mobilstation durch den ganzen Abdeckungssektor des Antennenarrays bewegen. Digitale Strahlformung erfordert Kalibrierung der Leistungsverstärker, ist aber flexibler und gestattet gleichmäßigere Leistungsverteilung über lineare Leistungsverstärker. Allerdings wäre dieser Ansatz bei einigen Systemen recht aufwendig zu implementieren. Beispielsweise stellt WCDMA (Wide Band Code Division Multiple Access, Breitband-Codemultiplex) gewisse Anforderungen für die digitale Strahlformung wie die, dass die Antennensignale mit den komplexe Gewichtungen auf Chipebene multipliziert werden müssen, was auch für die Verfolgung der Richtung der Mobilstation zutrifft. Dementsprechend kann dieser Ansatz auf User-by-User-Basis nicht wirksam angewendet werden.A Another known beamforming technique is digital beamforming. In this case, the beamforming means is a digital beamformer, wherein the emitted rays are completely steerable. The direction of the beam can therefore be adapted to the transmission needs become. The beam may be, for example, together with a mobile station move through the entire coverage sector of the antenna array. digital Beamforming requires calibration of the power amplifier, is but more flexible and allows more even power distribution over linear Power amplifier. However, that would be to implement this approach quite complicated for some systems. For example, WCDMA (Wide Band Code Division Multiple Access, Broadband Code Division) certain requirements for the digital beamforming like that the antenna signals with The complex weightings at the chip level must be multiplied by what also for them Tracking the direction of the mobile station applies. Accordingly This approach can not be effectively applied on a user-by-user basis become.
Eine heutige Einzelsektorantenne weist üblicherweise 8–20 Antennenelemente auf, die in Form einer vertikalen Säule miteinander verbunden sind. Je mehr Elemente in einer Säule sind, umso schmaler ist der Strahl vertikal und umso größer ist der Antennengewinn. Der vertikale Öffnungswinkel ist üblicherweise 5–10 Grad, während der horizontale Öffnungswinkel z.B. 65–110 Grad sein kann. Somit kann, wenn ein Mehrstrahl-Antennenarray mit schmalem Öffnungswinkel für einen Makrostandort gewünscht ist, das Antennenpanel beispielsweise eine 4 × 20- oder eine 8 × 12-Antennenelementmatrix beinhalten.A Today's single sector antenna typically has 8-20 antenna elements on, which are connected together in the form of a vertical column. ever more elements in a column are, the narrower the beam is vertical and the larger it is the antenna gain. The vertical opening angle is usually 5-10 degrees, while the horizontal opening angle e.g. 65-110 Degree can be. Thus, if a multi-beam antenna array with narrow aperture angle for one Macro location desired For example, the antenna panel may include a 4x20 or an 8x12 antenna element array.
Dokument WO 98 38 693 A präsentiert eine Sender-Basisstation zum Ansteuern eines Mehrelement-Antennenarrays. Mehrere Sender entwickeln Erregersignale. Ein Strahlformungsnetzwerk verteilt die Erregersignale unter den Antennenelementen, um die gewünschte Richtcharakteristik zu erzeugen. Jeder Eingang zu Antennenelementen wird durch einen Leistungsverstärker einer Leistungsverstärkung unterzogen. Die Leistungsverstärker können zwischen dem Strahlformungsnetzwerk und den Antennenelementen derart angeordnet sein, dass ein Leistungsverstärker jedem der Antennenelemente zugeordnet ist.Document WO 98 38 693 A presents a transmitter base station for driving a multi-element antenna array. Several transmitters develop exciter signals. A beamforming network distributes the excitation signals below the antenna elements to produce the desired directional characteristic. Each input to antenna elements is power amplified by a power amplifier. The power amplifiers may be connected between the beamforming network and the antenna NEN elements be arranged such that a power amplifier is assigned to each of the antenna elements.
Dokument
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein einfacheres und effizienteres Fixed-Beam-Antennenarray mit integrierten aktiven Elementen, eine Basisstation mit Strahlauswahl und ein Verfahren zum Senden von Signalen über ein Fixed-Beam-Antennenarray bereitzustellen.It The object of the invention is a simpler and more efficient one Fixed-beam antenna array with integrated active elements, one Base station with beam selection and a method for sending Signals over to provide a fixed-beam antenna array.
Diese Aufgabe wird einerseits durch ein Fixed-Beam-Antennenarray mit mindestens einer Säule von Antennenelementen zum Senden generierter Signale gelöst, wobei jede Säule mindestens ein Antennenelement umfasst, wobei das Fixed-Beam-Antennenarray ein Strahlformungsmittel zum Einstellen von Phasenwinkel und/oder Amplitude mindestens eines der generierten Signale und mindestens einen Leistungsverstärker umfasst, der jeweils einer der Säulen von Antennenelementen zugewiesen und zwischen dem Strahlformungsmittel und den Säulen angeordnet ist, um die Signale zu verstärken, die durch das Strahlformungsmittel ausgegeben werden, und um die verstärkten Signale zu der Säule von Antennenelementen weiterzuleiten, der er zugewiesen ist. Es wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine Leistungsverstärker ein aktiver Leistungsverstärker ist. Ferner wird vorgeschlagen, dass die Antennenelemente, das Strahlformungsmittel und die Leistungsverstärker auf dem Antennenpanel integriert sind. Abschließend wird vorgeschlagen, dass das Fixed-Beam-Antennenarray eine Phasenkalibrierschaltung zum Kalibrieren der aktiven Leistungsverstärker umfasst.These Task is on the one hand by a fixed-beam antenna array with at least one column of Antenna elements for transmitting generated signals solved, wherein every pillar comprises at least one antenna element, wherein the fixed-beam antenna array a beam shaping means for adjusting phase angle and / or Amplitude of at least one of the generated signals and at least a power amplifier includes, each one of the columns assigned by antenna elements and between the beam-shaping means and the columns is arranged to amplify the signals passing through the beam shaping means and the amplified signals to the column of Forward antenna elements to which it is assigned. It will suggested that the at least one power amplifier active power amplifier is. It is further proposed that the antenna elements, the beam shaping means and the power amplifiers are integrated on the antenna panel. In conclusion, it is suggested that the fixed-beam antenna array has a phase calibration circuit for calibration the active power amplifier includes.
Es können mehrere Leistungsverstärker PA pro Säule oder ein PA für mehrere Säulen bereitgestellt sein. Die Obergrenze ist vorzugsweise – aber nicht zwangsläufig – jeweils ein PA für jedes Antennenelement. Die Untergrenze ist vorzugsweise durch einen PA pro Antennensäule definiert. Das Definieren der Anzahl PAs für eine bestimmte Antennenanordnung ist ein Optimierungsproblem.It can several power amplifiers PA per column or a PA for several columns be provided. The upper limit is preferably - but not inevitably - each a PA for each antenna element. The lower limit is preferably by a PA per antenna column Are defined. Defining the number of PAs for a given antenna array is an optimization problem.
Andererseits wird die Aufgabe durch eine Basisstation eines Mobilkommunikationsnetzes, insbesondere eines zellulären Mobilkommunikationsnetzes gelöst, die solch ein Fixed-Beam-Antennenarray und eine Transceivereinheit umfasst, die Signale generiert, die durch das Fixed-Beam-Antennenarray zu übertragen sind, und Signale empfängt, die durch das Fixed-Beam-Antennenarray empfangen werden.on the other hand the object is achieved by a base station of a mobile communication network, in particular a cellular Mobile communication network solved, such a fixed-beam antenna array and a transceiver unit includes the signals generated by the fixed-beam antenna array are, and receive signals, which are received by the fixed-beam antenna array.
Abschließend wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zum Senden generierter Signale über ein Fixed-Beam-Antennenarray mit mindestens einer Säule von Antennenelementen gelöst, wobei jede Säule mindestens ein Antennenelement umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- a) Einstellen von Phasenwinkel und/oder Amplitude mindestens eines der generierten Signale in einem Strahlformungsmittel für eine Bestimmte der Säulen von Antennenelementen, um Strahlen zu formen;
- b) Verstärken der vom Strahlformungsmittel ausgegebenen Signale durch einen phasenkalibrierten Leistungsverstärker, der mindestens der Bestimmten der Säulen von Antennenelementen zugewiesen ist; und
- c) Senden der verstärkten Signale über die Antennenelemente der bestimmten Säule von Antennenelementen.
- a) adjusting phase angle and / or amplitude of at least one of the generated signals in a beamforming means for a particular one of the columns of antenna elements to form beams;
- b) amplifying the signals output by the beamforming means by a phase-calibrated power amplifier assigned to at least the specific one of the columns of antenna elements; and
- c) transmitting the amplified signals over the antenna elements of the particular column of antenna elements.
Es wird vorgeschlagen, dass dieses Verfahren den vorhergehenden Schritt des Phasenkalibrierens des Leistungsverstärkers umfasst, der mindestens der Bestimmten der Säulen von Antennenelementen zugewiesen ist, wobei der Leistungsverstärker ein aktiver Leistungsverstärker ist, der zusammen mit den Antennenelementen und dem Strahlformungsmittel auf einem Antennenpanel integriert ist.It It is suggested that this procedure be the previous step the phase calibration of the power amplifier, the at least the particular of the columns is assigned by antenna elements, wherein the power amplifier on active power amplifier which, together with the antenna elements and the beam shaping means is integrated on an antenna panel.
Das Fixed-Beam-Antennenarray, die Basisstation und das Verfahren gemäß der Erfindung kombinieren die Vorteile aktiver und passiver intelligenter Antennen. Genauer gesagt, macht sich die Lösung gemäß der Erfindung den gesteigerten Antennengewinn der schmalen Strahlen intelligenter Antennenarrays und die erheblich niedrigeren Leistungspegel je PA-Einheit als bei aktiven Antennen zunutze.The Fixed-beam antenna array, the base station and the method according to the invention combine the advantages of active and passive intelligent antennas. More specifically, the solution according to the invention makes itself the increased antenna gain of the narrow beams smarter Antenna arrays and the significantly lower power levels per PA unit as with active antennas advantage.
Die schmalen Strahlen, die durch das passive Strahlformungsmittel erreicht werden, führen zu einem gesteigerten Antennengewinn, wobei die niedrigen Leistungen jedes Antennenelements kohärent im Funkweg kombiniert sind. Besonders bei WCDMA wird eine gesteigerte Downlinkkapazität erreicht. Schmale Strahlen führen darüber hinaus zu einer verringerten Basisstationsleistung. Vier Strahlen bedeuten z.B. eine vierfache Verringerung in der Leistung.The narrow beams achieved by the passive beamforming means result in increased antenna gain, with the low powers of each antenna element combined coherently in the radio path. Especially with WCDMA an increased downlink capacity is achieved. Narrow beams also result in reduced base station performance. Four rays mean, for example, a fourfold reduction in the leis tung.
Jedoch sind im Gegensatz zu den bekannten Fixed-Beam-Antennenarrays die eingesetzten Leistungsverstärker aktive Leistungsverstärker und auf der Antennenseite des Strahlformungsmittels gelegen. Die Leistungsverstärker sind daher antennenspezifisch, nicht strahlspezifisch. Auf diese Art und Weise kann die verringerte Gesamtleistung gleichmäßig auf eine große Anzahl Leistungsverstärker geringer Leistung verteilt werden, was zu einem Leistungsausgleich zwischen den Verstärkern und zu einem erheblich geringeren Leistungspegel pro Verstärker als bei intelligenten Antennenarrays führt. Bei intelligenten Antennenarrays hängt bei Leistungsverstärkern, die auf der Basisstationsseite des Strahlformungsmittels gelegen sind, die Leistung in jedem Leistungsverstärker davon ab, wie viele Mobiltelefone sich in dem Strahl befinden, der durch jenen Leistungsverstärker bedient wird. Häufen sich die Mobiltelefone alle in einem Strahl, muss alle Sendeleistung durch einen Leistungsverstärker geliefert werden.however In contrast to the known fixed-beam antenna arrays, the power amplifiers used are active power amplifier and located on the antenna side of the beam forming means. The power amplifier are therefore antenna-specific, not beam-specific. To this Fashion can reduce the overall output evenly a big Number of power amplifiers low power, resulting in a power balance between the amplifiers and at a significantly lower power level per amplifier than leads in intelligent antenna arrays. In intelligent antenna arrays is attached Power amplifiers, located on the base station side of the beam forming means The power in each power amplifier depends on how many cell phones are in the beam operating through that power amplifier becomes. pile up the cell phones all in one beam, all transmit power has to go through a power amplifier to be delivered.
Falls z.B. acht Antennen mit einer Gesamtleistung von 20 W eingesetzt werden, braucht das Array gemäß der Erfindung acht 2,5 W-Verstärker (8 × 2,5 W). Im Falle bekannter intelligenter Antennenarrays sind Leistungsverstärker jedoch strahlspezifisch. Wenn sich alle Mobilstationen im selben Strahl befinden, wird für diesen Strahl ein Leistungsverstärker mit einer Leistung von 20 W benötigt. Dies bedeutet, dass im schlechtesten Fall acht 20 W-Leistungsverstärker (8 × 20 W) benötigt werden.If e.g. eight antennas with a total power of 20 W were used need the array according to the invention eight 2.5 W amplifiers (8 × 2.5 W). In the case of known intelligent antenna arrays, however, power amplifiers are radiant specific. If all mobile stations are in the same beam, is for this beam a power amplifier with a power of 20 W needed. This means that in the worst case, eight 20 W power amplifiers (8 × 20 W) needed become.
Bei dem Antennenarray, der Basisstation und dem Verfahren gemäß der Erfindung kann der Leistungspegel eines einzelnen Leistungsverstärkers auf einen derart niedrigen Wert ausgelegt werden, z.B. weniger als 1 W, dass Linearisierung nicht erforderlich ist. Die daraus resultierende niedrige Verbindungstemperatur führt darüber hinaus zu einer hohen Zuverlässigkeit des Antennenarrays und einem großen MTBF-Zeitwert (Mean Time Between Failure, mittlere störungsfreie Zeit). Darüber hinaus können die Verluste im Strahlformungsmittel vermieden werden, da es mit den auf der Antennenseite gelegenen Leistungsverstärkern keine hohe Leistung gibt, die dem Strahlformungsmittel zugeführt wird. Wegen der Anzahl Splitter, Phasenschieber und Combiner in Strahlformungsmitteln wie einer Butler-Matrix kann der Leistungsverlust in bekannten Fixed-Beam-Antennenarrays erheblich sein.at the antenna array, the base station and the method according to the invention may be the power level of a single power amplifier be designed such a low value, e.g. less than 1 W, that linearization is not required. The resulting low connection temperature leads about that out to a high reliability of the antenna array and a large MTBF time value (Mean Time Between Failure, medium trouble free Time). About that In addition, the Losses are avoided in Strahlformungsmittel, since it with the no high power on the antenna side, which is supplied to the beam shaping means. Because of the number Splitter, phase shifter and combiner in beam shaping agents such as Butler matrix can reduce performance in known fixed-beam antenna arrays be substantial.
Außerdem erhält man eine modulare Lösung, was bedeutet, dass eine veränderliche Anzahl ähnlicher Einheiten eingesetzt werden kann, die an die Bedürfnisse der jeweiligen Basisstation angepasst ist. Dies gestattet einen vereinfachten Aufbau von Antennenarrays. Insgesamt gestattet die vorgeschlagene Lösung eine einfachere und effizientere Konstruktion von Antennenarrays und Basisstation ebenso wie ein einfacheres und effizienteres Verfahren, in der dieselbe Baseband-Engine aktive Fixed Beams oder gewöhnliche Diversitätsverzweigungen betreiben kann. Ist z.B. zweifache Verzweigungsdiversität erforderlich, können z.B. zweifach polarisierte Antennenelemente AE verwendet werden. In diesem Fall müssen auch die BM, die U-Einheit und die CC-Einheit zweimal bereitgestellt sein.You also get one modular solution, which means a changeable one Number of similar ones Units can be deployed that meet the needs of each base station is adjusted. This allows a simplified structure of antenna arrays. Overall, the proposed solution allows a simpler and more efficient design from antenna arrays and base station as well as a simpler and more efficient method in which the same baseband engine is active Fixed Beams or ordinary Diversity branches operate can. Is e.g. double branch diversity required, e.g. dual polarized antenna elements AE are used. In this Case need also provided the BM, the U unit and the CC unit twice be.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus den Unteransprüchen offensichtlich.advantageous embodiments The invention will be apparent from the subclaims.
In einer vorteilhaften Äusführungsform des Antennenarrays und der Basisstation gemäß der Erfindung sind die Antennenelemente, das Strahlformungsmittel und die Leistungsverstärker auf dem Antennenpanel integriert.In an advantageous Äusführungsform of the antenna array and the base station according to the invention are the antenna elements, the beamforming means and the power amplifiers on the antenna panel integrated.
Vorzugsweise ist das Strahlformungsmittel eine Analog-Phaseneinstellungsmatrix, insbesondere eine Butler-Matrix, speziell ein Mikrostreifenleiter-Phaseneinstellungsnetzwerk. Digitale Strahlformung, z.B. eine digitale Butler-Matrix, kann ebenfalls angewendet werden.Preferably For example, the beamforming means is an analog phase adjustment matrix, in particular a butler matrix, specifically a microstrip phase adjustment network. Digital beamforming, e.g. a digital butler matrix, can also be applied become.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Antennenarray nicht nur zur Sendung, sondern auch zum Empfang von Signalen eingesetzt. Dementsprechend sind Empfangsverzweigungen zum Empfangen von Signalen über die Antennenelemente der Antennensäulen umfasst. Jede Empfangsverzweigung umfasst einen rauscharmen Verstärker zum Steigern der Empfangsqualität der empfangenen Signale. Um Sende-Tx-Verzweigungen und Empfangs-Rx-Verzweigungen separieren zu können, ist jeder rauscharme Verstärker gemeinsam mit einem der Leistungsverstärker jeweils über Duplexer mit einer der Säulen von Antennenelementen einerseits und dem Strahlformungsmittel andererseits verbunden.In a preferred embodiment The antenna array is not only for broadcast, but also for reception used by signals. Accordingly, receive branches for receiving signals via comprising the antenna elements of the antenna columns. Each reception branch includes a low noise amplifier for Increase the reception quality the received signals. To separate transmit Tx branches and receive Rx branches to be able to every low-noise amplifier together with one of the power amplifiers each with duplexer one of the pillars of antenna elements on the one hand and the beam shaping means on the other connected.
Da Kabeldämpfung durch die Einheiten kompensiert wird, die durch einen rauscharmen Verstärker und einen Leistungsverstärker jeweils gebildet werden, können dünnere und preiswertere Kabel verwendet werden.There cable attenuation is compensated by the units, by a low-noise amplifier and a power amplifier each can be formed thinner and cheaper cables are used.
Rauscharme Verstärker und Duplexer sind vorzugsweise ebenfalls auf dem Antennenpanel integriert.Low noise amplifier and duplexers are preferably also integrated on the antenna panel.
Da die Leistungsverstärker auf der Antennenseite des Strahlformungsmittels positioniert sind, müssen sie durch eine Kalibrierschaltung phasengleich kalibriert werden. Dies ist wesentlich, weil die Kanäle der Signale an jedem Antennenelement des Antennenarrays in exakt derselben Phase sein müssen. In bekannten Fixed-Beam-Antennenarrays ist eine Kalibrierung nicht notwendig, da die Signale vor dem Eintreten in das Strahlformungsmittel verstärkt werden, wobei die Kanäle durch das Strahlformungsmittel direkt den Antennenelementen bereitgestellt werden. Eine Kalibrierung kann mit einer Kalibrierschaltung oder entsprechend passenden rauscharmen Verstärker/Leistungsverstärkereinheiten erreicht werden.Since the power amplifiers are positioned on the antenna side of the beam-shaping means, they must be calibrated in phase by a calibration circuit. This is essential because the channels of the signals at each antenna element of the antenna array must be in exactly the same phase. In known fixed-beam antenna arrays a calibration is not necessary because the signals are amplified prior to entering the beamforming means, the channels being provided by the beamforming means directly to the antenna elements. A calibration can be achieved with a calibration circuit or correspondingly suitable low-noise amplifier / power amplifier units.
Wird eine Kalibrierschaltung verwendet, ist sie vorzugsweise in das Antennenpanel integriert. Dies führt zu einer kompakten Kalibrierungsstruktur mit kleinen Kalibrierungsschleifen und ermöglicht eine gesteigerte Integration. Darüber hinaus sind zur Kalibrierung zwischen der Basisstation und dem Antennenpanel keine Kabel erforderlich.Becomes a calibration circuit is used, it is preferably in the antenna panel integrated. this leads to to a compact calibration structure with small calibration loops and allows one increased integration. About that In addition, for calibration between the base station and the antenna panel no cables required.
In dem Fall, dass alle relevanten Elemente im Antennenpanel integriert sind, ist das Antennenpanel eine unabhängige Einheit, die mit jedweder Basisstation verbunden werden kann, die in der Lage ist, eine gewisse Anzahl Antennenanschlüsse zu handhaben. Darüber hinaus sind durch eine derartige Integration, d.h. in dem Fall, dass sich analoge Strahlformungsmittel in einem Mast befinden, die Basisband-ASIC-Anforderungen im Vergleich zu digitalen Strahlformungsmitteln beim Basisband verringert.In in the event that all relevant elements integrated in the antenna panel are, the antenna panel is an independent unit with any Base station can be connected, which is capable of a certain Number of antenna connections to handle. About that In addition, such integration, i. in that case, that analog beam forming agents are located in a mast, the Baseband ASIC requirements compared to digital beamforming agents reduced at baseband.
Die Fixed-Beam-Lösung gemäß der Erfindung ist besonders für WCDMA und GSM (Global System for Mobile Communication), insbesondere für EDLE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) geeignet.The Fixed beam solution according to the invention is especially for WCDMA and GSM (Global System for Mobile Communication), in particular for EDLE (Enhanced Data rates for GSM Evolution).
WCDMA und intelligente Antennenarrays für GSM, die Mehrträger-Leistungsverstärker erfordern, benötigen beide linearisierte Leistungsverstärker. Darüber hinaus können WCDMA-Uplinkabdeckung und -Downlinkkapazität mit den Lösungen gemäß der Erfindung gesteigert werden.WCDMA and smart antenna arrays for GSM requiring multi-carrier power amplifiers both need linearized power amplifiers. Furthermore can WCDMA uplink coverage and downlink capacity increased with the solutions according to the invention become.
Beim GSM-System beträgt die Bandbreite eines einzelnen Trägers etwa 200 kHz. Die Herstellung eines Mehrträger-Leistungsverstärkers PA für das GSM-System ist im Prinzip leichter als für das WDMA-System, in dem ein einzelner Träger etwa 5 MHz Bandbreite abdeckt. Die Schwierigkeit der Konstruktion hängt stark vom tatsächlich verwendeten Modulationsschema ab. So ist z.B. die Konstruktion bei GSM-Modulation -und -Spezifikation schwierig. Mehrträger-Leistungsverstärker können auch für WCDMA konstruiert werden; die Konstruktion wird leichter, wenn die Leistungspegel verringert werden.At the GSM system amounts the bandwidth of a single carrier about 200 kHz. The production a multi-carrier power amplifier PA for the GSM system is in principle easier than for the WDMA system in which a single carrier covering about 5 MHz bandwidth. The difficulty of the construction depends strongly from actually used modulation scheme. For example, e.g. the construction at GSM modulation and specification difficult. Multi-carrier power amplifiers can also for WCDMA be constructed; The construction becomes easier when the power levels be reduced.
Nachstehend wird die Erfindung unter Bezug auf Zeichnungen ausführlicher erläutert, wobeibelow The invention will be more fully understood with reference to the drawings explains in which
Die Matrix ist aus vier Säulen AC1–AC4 von Antennenelementen AE zusammengestellt, die auf einem Antennenpanel AP angeordnet sind. Jede Säule AC1–AC4 umfasst vier Antennenelemente AE. Jede der Säulen AC1–AC4 ist mit einer Einheit U mit rauscharmen Verstärkern, aktiven, linearen Leistungsverstärkern, Duplexern und Filtern verbunden. Eine Kalibrierschaltung CC hat Zugriff auf die Eingänge und Ausgänge der Einheit U. Die Einheit U ist darüber hinaus mit einer Butler-Matrix BM verbunden.The Matrix is made of four pillars AC1-AC4 assembled by antenna elements AE, on an antenna panel AP are arranged. Every pillar AC1-AC4 includes four antenna elements AE. Each of the columns AC1-AC4 is one unit U with low-noise amplifiers, active, linear power amplifiers, Duplexers and filters connected. A calibration circuit CC has Access to the inputs and outputs The unit U is also equipped with a Butler matrix BM connected.
Die Einheit U, die rauscharme Verstärker, Leistungsverstärker, Duplexer und Filter umfasst, ist auf dem Antennenpanel AP integriert. Gleicherweise sind die Kalibriereinheit CU und die Butler-Matrix BM auf dem Antennenpanel AP integriert.The Unit U, the low noise amplifier, power amplifier, duplexer and filters is integrated on the antenna panel AP. Likewise the calibration unit CU and the Butler matrix BM on the antenna panel Integrated AP.
Die
Funktionsweise des Antennenarrays nach
Eine (nicht gezeigte) Transceivereinheit der Basisstation
generiert Signale, die zu senden sind, und verarbeitet Signale,
die durch die Antennenelemente AE empfangen werden.The operation of the antenna array after
A base station transceiver unit (not shown) generates signals to be transmitted and processes signals received by the antenna elements AE.
Die Transceivereinheit leitet die generierten Signale zur Butler-Matrix BM weiter. Die Butler-Matrix BM stellt den Phasenwinkel und/oder die Amplitude der Signale ein, die zur Sendung an die Antennenelemente AE zu legen sind, wodurch eine Sendung mit Fixed Beams ermöglicht wird, wobei die schmalen Strahlen in einem gesteigerten Antennengewinn resultieren. Erhebliche Verluste in der Butler-Matrix BM werden vermieden, da der Butler-Matrix BM keine hohe Leistung zugeführt wird.The Transceiver unit routes the generated signals to the Butler matrix BM continues. The Butler matrix BM represents the phase angle and / or the amplitude of the signals for transmission to the antenna elements AE, enabling a broadcast with fixed beams, the narrow beams in an increased antenna gain result. Significant losses will be in the Butler Matrix BM avoided, since the butler matrix BM is not supplied with high power.
Die Duplexer der Einheit U umfassen separate Sende-Tx-Verzweigungen mit Leistungsverstärkern und Empfangs-Rx-Verzweigungen mit rauscharmen Verstärkern.The Unit U duplexers include separate transmit Tx branches power amplifiers and receive Rx branches with low-noise amplifiers.
Die durch die Butler-Matrix BM ausgegebenen Signale werden durch die Duplexer zu den aktiven Leistungsverstärkern weitergeleitet, wo sie verstärkt werden. Die verstärkten Signale werden dann zu den entsprechenden Antennenelementen AE zur Sendung weitergereicht. Die Basisstations-Gesamtsendeleistung wird gleichmäßig zwischen allen Leistungsverstärkern verteilt, daher kann der Leistungspegel der Leistungsverstärker sogar kleiner als 1 W sein. Dementsprechend ist Linearisierung für die Leistungsverstärker nicht notwendig.The signals output by the Butler matrix BM are transmitted through the Duplexer forwarded to the active power amplifiers where they reinforced become. The amplified Signals then become the corresponding antenna elements AE for transmission passed on. The base station total transmit power will be equal between all power amplifiers Therefore, the power level of the power amplifiers may even increase be less than 1W. Accordingly, linearization is not for the power amplifiers necessary.
Die durch die Antennenelemente AE empfangenen Signale werden über Duplexer von Einheit U zu den Filtern und den rauscharmen Verstärkern weitergeleitet. Die rauscharmen Verstärker steigern die Empfangsqualität der Signale, bevor sie sie über die Butler-Matrix BM zu den Transceivereinheiten zur weiteren Verarbeitung weiterreichen.The emp by the antenna elements AE emp Sent signals are forwarded via duplexers from unit U to the filters and the low-noise amplifiers. The low noise amplifiers increase the reception quality of the signals before passing them through the Butler matrix BM to the transceiver units for further processing.
Sowohl die Sende- als auch die Empfangssignale werden durch die Filter in der U-Einheit bandpassgefiltert.Either the transmit as well as the receive signals are passed through the filters bandpass filtered in the U unit.
Die Kalibrierschaltung CC ist bereitgestellt, um die ganze Einheit U zu kalibrieren, die rauscharme Verstärker, Leistungsverstärker, Duplexer und Filter umfasst. Insbesondere stellt die Einheit U sicher, dass der Phasenwinkel jeder Verzweigung von der Butler-Matrix BM zur entsprechenden Antennensäule AC 1...4 innerhalb der Kalibriergenauigkeit liegt. Somit bleiben die Phasenverschiebungen, die durch die BM für jede Verzweigung festgelegt wurden, an den Antennensäulen dieselben. Die Kalibrierung muss nicht nur die durch die Leistungsverstärker bedingten, sondern auch die durch die Duplexer, die Filter und die LNAs bedingten Phasenverschiebungen kompensieren.The Calibration circuit CC is provided to the whole unit U to calibrate, the low-noise amplifier, power amplifier, duplexer and filters. In particular, the unit U ensures that the phase angle of each branch from the Butler matrix BM to corresponding antenna column AC 1 ... 4 is within the calibration accuracy. Thus, the remain Phase shifts defined by the BM for each branch were, at the antenna columns the same. Calibration does not just have to be based on the power amplifiers, but also those caused by the duplexers, the filters and the LNAs Compensate phase shifts.
Wieder sind vier Antennensäulen AC1–AC4 bereitgestellt, die je vier Einzelantennenelemente AE umfassen. Jeder Antennensäule AC1–AC4 ist eine Leistungsverstärker-/rauscharme Verstärkereinheit U1–U4 zugewiesen, die die vier Antennenelemente AE der jeweiligen Säule AC1–AC4 betreut. Zusätzlich zu einem Leistungsverstärker PA in einer Sendeverzweigung und einem rauscharmen Verstärker LNA in einer Empfangsverzweigung umfasst jede Leistungsverstärker-/rauscharme Verstärkereinheit U1–U4 zwei Duplexer D1, D2. Einer der Duplexer D1 verbindet den Leistungsverstärker PA und den rauscharmen Verstärker LNA mit der Antennensäule AC1–AC4, und der andere Duplexer D2 verbindet den Leistungsverstärker PA und rauscharmen Verstärker LNA mit einer Butler-Matrix BM, die aus einem Mikrostreifenleiter-Phaseneinstellungsnetzwerk zusammengestellt ist. Die Duplexer D1, D2 stellen sicher, dass nur die zu sendenden Signale durch den Leistungsverstärker PA verstärkt werden und dass nur die empfangenen Signale durch den rauscharmen Verstärker LNA verarbeitet werden. Alle Leistungsverstärker-/rauscharme Verstärkereinheiten U1–U4 weisen eine identische Konstruktion auf, die einen vereinfachten Aufbau unterschiedlicher Antennenarrays gestattet. Die Gesamtsendeleistung wird gleichmäßig auf alle vier Leistungsverstärker PA verteilt, und die Sendeleistung in jedem Leistungsverstärker PA wird minimiert.Again are four antenna columns AC1-AC4 provided, each comprising four individual antenna elements AE. Each antenna pillar is AC1-AC4 assigned a power amplifier / low noise amplifier unit U1-U4, which manages the four antenna elements AE of the respective column AC1-AC4. additionally to a power amplifier PA in a transmission branch and a low-noise amplifier LNA in a receive branch each includes power amplifier / noise arms Amplifier unit U1-U4 two Duplexer D1, D2. One of the duplexers D1 connects the power amplifier PA and the low-noise amplifier LNA with the antenna column AC1-AC4, and the other duplexer D2 connects the power amplifier PA and low-noise amplifiers LNA with a butler matrix BM consisting of a microstrip phase adjustment network is compiled. The duplexers D1, D2 make sure that only the signals to be transmitted by the power amplifier PA reinforced and that only the received signals through the low-noise amplifier LNA are processed. All power amplifier / low noise amplifier units U1-U4 have an identical construction, which is a simplified Structure of different antenna arrays allowed. The total transmission power will be evenly all four power amplifiers PA distributed, and the transmission power in each power amplifier PA is minimized.
Die Butler-Matrix BM ist darüber hinaus mit Antennenzuleitungen verbunden, durch die Signale der Butler-Matrix BM bereitgestellt und von dieser empfangen werden.The Butler matrix BM is above also connected to antenna feed lines, by the signals of the Butler matrix BM is provided and received by this.
Wie
oben Bezug nehmend auf
Die
Funktionsweise des Fixed-Beam-Antennenarrays nach
Üblicherweise bilden 4–20 Antennenelemente eine einzelne Säule. In einer bevorzugten Ausführungsform betreut jedoch jeder Leistungsverstärker mehrere Antennenelemente. Wenn jedoch jede Einheit nur ein oder zwei Antennenelemente betreuen würde, wären mehr Leistungsverstärker erforderlich, aber die Leistung je Leistungsverstärker könnte weiter verringert werden. Dies ist eigentlich ein Optimierungsproblem, in dem derartige Leistungsverstärker einzusetzen sind, die keine Linearisierung brauchen und die auf einem Leistungspegel zu betreiben sind, der gute Effizienz und Zuverlässigkeit verleiht.Usually make up 4-20 Antenna elements a single column. In a preferred embodiment however, each power amplifier services multiple antenna elements. However, if each unit were to service just one or two antenna elements, there would be more power amplifier required, but the power per power amplifier could continue be reduced. This is actually an optimization problem in the use of such power amplifier are those that do not need linearization and that are at a power level which gives good efficiency and reliability.
Andere Elektronik wie z.B. Aufwärts-/Abwärtsumsetzer könnte in die Antenne integriert sein. In ähnlicher Weise könnte digitale Strahlformungselektronik in die Antenne integriert sein und statt der analogen Butler-Matrix eingesetzt werden.Other Electronics such as Up / down converter could be integrated into the antenna. Similarly, digital could be Beamforming electronics be integrated into the antenna and held be used the analog Butler matrix.
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