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FACHGEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung
zur Überwachung
des Zustands von Basisstationsantennen in zellularen Funksystemen.
Solche Systeme stellen Sprach- und Datenkommunikationsdienste bereit.
Mehrere Standards, wie etwa TACS, AMPS, D-AMPS, NMT und GSM, sind
bisher festgelegt worden.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER
TECHNIK
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Ein
Problem, das in solchen Systemen auftritt, besteht darin, die Integrität der in
den Systemen verwendeten Funk-Basisstationen zu bestimmen, wenn
sie installiert worden sind. Unterschiedliche Teile der Basisstationsausrüstung können durch
Vandalismus oder natürliche
Ursachen, wie zum Beispiel Feuchtigkeit, beschädigt werden. Der Betreiber
des Systems muß jeden
auftretenden Fehler sofort ermitteln, um ein hinreichendes Überdeckungs-
und Dienstniveau zu erzielen.
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Eine
Möglichkeit
der Bestimmung der Funktionsfähigkeit
einer Funk-Basisstation besteht darin, eine manuelle Inspektion
vorzunehmen. Wartungspersonal überprüft dann
die Basisstation visuell und führt
Prüfungen
vor Ort durch. Zellulare Systeme erfordern jedoch normalerweise
große
Zahlen von Basisstationen, um eine hinreichende Überdeckung zu erzielen, und
deshalb wird eine manuelle Inspektion sehr mühsam und teuer.
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Ein
praktischeres Verfahren zur Bestimmung der Integrität einer
Basisstation, besteht darin, die Basisstation verschiedene Selbsttests
durchführen zu
lassen und jedes inkorrekte Verhalten an das Mobilfunk-Netzwerk
zu melden, dessen Bestandteil die Basisstation ist. Dies kann ständig durchgeführt werden
oder wenn der Verkehr gering ist. Mittel zur Durchführung solcher
Selbsttests können
einfach in die meisten Schaltungsanordnungen und Software integriert
werden und werden deshalb heute weithin verwendet.
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Wenn
es jedoch um Antennen von Basisstationen geht, müssen besondere Lösungen in
Betracht gezogen werden, um eine Selbsttest-Funktionsfähigkeit
zu erreichen. Nichtsdestoweniger ist es unerläßlich, die Zustände der
Antennen zu überwachen,
da sie normalerweise aus den Basisstationsstrukturen herausragen
und deshalb stärker
der Umwelt ausgesetzt sind.
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Ein
Verfahren zur Überwachung
des Zustandes einer Antenne besteht darin, eine Messung des Spannungs-Stehwellenverhältnisses
(VSWR) durchzuführen.
Dieses Verfahren geht mit der Einspeisung eines Funkfrequenzsignals
in eine Antenne einher. Die einfallende und die reflektierte Leistung
werden gemessen und verglichen. Wenn die einfallende Leistung viel
größer als
die reflektierte Leistung ist, ist es wahrscheinlich, daß die Antenne
richtig funktioniert.
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Dieses
Verfahren ist für
Senderantennen geeignet und für
die meisten Duplexantennen, die sowohl zum Senden als auch zum Empfangen
verwendet werden. In diesen Fällen
sendet der Sender ein Testsignal aus, und die einfallende und die
reflektierte Leistung werden gemessen. Diese Messungen werden mit
einem Richtkoppler und einem Leistungsmesser durchgeführt.
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Wenn
es jedoch um Empfängerantennen geht,
ist die Aufgabe komplizierter. Es ist keine Sender-Schaltungsanordnung
vorhanden, und deshalb muß ein
Hochfrequenzsender eingeführt
werden, der imstande ist, mindestens ungefähr 1 mW auszusenden. Dies fügt nicht
nur Kosten hinzu, sondern auch Komplexität, insbesondere, wenn mehrere
Empfängerantennen
verwendet werden, um für Antennendiversity
zu sorgen. Obendrein muß,
wenn der Empfänger
mit einem am Mast montierten Verstärker (TMA) versehen ist, der
verwendet wird, um die Empfängerreichweite
zu verbessern, noch ein weiteres verkomplizierendes Bauteil berücksichtigt
werden. Die Speerdämpfung
des TMA ist sehr hoch, und deshalb werden VSWR-Messungen sehr schwierig.
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Trotzdem
sind einige Versuche unternommen worden, um Anordnungen zur Überwachung von
Empfängerantennen
in Basisstationssystemen zu entwickeln, bei denen am Mast montierte
Verstärker
verwendet werden. Diese Systeme führen auch VSWR-Messungen durch.
Eine solche Anordnung wird in
US-A 5507010 offenbart. Ein Signal mit einer Frequenz
außerhalb
des Frequenzbandes des Empfängers
wird dann von einer Testeinheit in der Basisstation ausgesendet
und zur Empfängerantenne
gesendet. Am Ort des am Mast montierten Verstärkers wird dieses Signal durch
ein Filter aufgenommen. Die Frequenz des Signals wird dann in das
Frequenzband des Empfängers
verschoben, und das Signal wird direkt in die Empfängerantenne
eingekoppelt. Eine solche Anordnung ermöglicht, daß eine VSWR-Messung von der
Basisstation aus vorgenommen wird, aber zum Preis der Einführung zusätzlicher Filter
und Frequenzänderungsmittel
in das System. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, eine getrennte VSWR-Meßeinheit
auf dem am Mast montierten Verstärker
zu plazieren, was ebenfalls eine nennenswerte Anzahl von zusätzlichen
zu verwendenden Komponenten, einschließlich einer leistungsstarken Sendeschaltung,
erfordert.
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Ein
anderer Nachteil beim VSWR-Ansatz besteht darin, daß die Empfänger- und
Senderantennen des Systems getrennt geprüft werden müssen, eine nach der anderen.
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Es
gibt jedoch in der Fachwelt beschriebene Verfahren zur gleichzeitigen
Prüfung
von zwei Antennen in einem Mobilfunksystem. Ein solches Verfahren
und eine entsprechende Vorrichtung sind in
WO 97/00586 beschrieben. Ein Testsignal
wird dann von einer Sendereinheit ausgesendet und über einen Sendezweig
eines ersten Duplexfilters in eine erste Antenne eingekoppelt. Das
Signal wird durch eine zweite Antenne aufgenommen und wird über einen Sendezweig
eines zweiten Duplexfilters, Einkoppelmittel und Frequenzverschiebungsmittel
in einen Empfängerteil
des Systems eingekoppelt. Solche Systeme funktionieren jedoch nur
bei der Prüfung von
Duplexantennen richtig und erfordern zusätzliche Frequenzverschiebungsmittel.
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Man
beachte, daß VSWR-Messungen
an Duplexantennen auch schwierig sein können. Dies ist besonders relevant,
wenn es um sogenannte am Mast montierte Doppel-Duplexverstärker geht.
In solchen Fällen
sind bis zu drei Resonanzfilter zwischen die Sendereinheit und die
Antenne geschaltet. Die Sperrdämpfung
jedes Filters kann bei ungefähr
20 dB liegen. Wenn drei Filter hintereinander geschaltet sind, macht
die Gesamtdämpfung
Messungen schwierig.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine einfache,
aber wirksame Anordnung zur Prüfung
von Empfängerantennen
in Funk-Basisstationen bereitzustellen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfache, aber
wirksame Anordnung zur Prüfung
von Empfängerantennen
in Funk-Basisstationen, die mit mehreren Empfängerantennen versehen sind,
bereitzustellen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfache und kostengünstige Anordnung zur
Prüfung
von Empfängerantennen
bereitzustellen, die mit am Mast montierten Verstärkern versehen sind.
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Noch
eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung
bereitzustellen, die gleichzeitige Prüfungen mindestens einer Empfängerantenne
und mindestens einer Senderantenne ermöglicht.
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Noch
eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung
bereitzustellen, welche die Überwachung
von Duplexantennen unterstützt, die
mit am Mast montierten Doppel-Duplexverstärkern versehen sind.
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Diese
Aufgaben werden unter einem Aspekt der Erfindung in einer Funk-Basisstation
erreicht, bei der eine Empfängereinheit
mit einer ersten Antenne und eine Sendereinheit mit einer zweiten
Antenne verbunden ist. Der Empfänger
empfängt
Signale innerhalb eines ersten Frequenzbandes, und der Sender sendet
Signale innerhalb eines zweiten Frequenzbandes. Ein Funkfrequenz-Testsignal
mit einer Frequenz innerhalb des Frequenzbandes des Empfängers wird
in die Antenne des Senders eingekoppelt und dadurch auch in die
Antenne der Empfängereinheit.
Eine Bewertungseinheit, die mit der Empfängereinheit verbunden ist,
bewertet das empfangene Signal, um die Integrität der Empfängerantenne zu bestimmen. Da
die Frequenz des empfangenen Signals innerhalb des Frequenzbandes
des Empfängers liegt,
kann es mit hoher Genauigkeit bewertet werden, auch wenn das ursprünglich ausgesendete
Signal eine Leistung hat, die viel niedriger ist als zum Beispiel
die eines für
VSWR-Messungen verwendeten Signals.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung sendet die Testsignalquelle ein Signal innerhalb eines
Reservekanals aus, der nicht ständig
durch den Empfänger
verwendet wird. Infolgedessen kann die Prüfungsprozedur ständig ohne
Störung
des laufenden Verkehrs durchgeführt
werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die mit dem Sender verbundene Antenne eine Duplexantenne,
die auch verwendet wird, um Signale zu empfangen. Diese Antenne
ist mit einem Duplexfilter verbunden, und das oben erwähnte Testsignal
wird an einem Punkt zwischen dem Duplexfilter und der Antenne in
die Antenne eingekoppelt. Dies ermöglicht, daß die Prüfung an Empfängerantennen
durchgeführt
wird, wenn die mit dem Sender gekoppelte Antenne eine Duplexantenne
ist.
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Gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann ein Einkoppelmittel, das verwendet wird, um das
Testsignal in die Senderantenne einzukoppeln, auch dazu verwendet
werden, Spannungs-Stehwellenverhältnismessungen
an der Senderantenne durchzuführen.
Diese Anordnung ermöglicht,
daß die
Erfindung zu niedrigen Kosten in Installationen implementiert wird,
wo solche VSWR-Messungen
durchgeführt
werden.
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Gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann die Testsignalquelle auch verwendet werden, um
getrennte Prüfungen
von Antennenweichen und Empfängern
in einem Empfangszweig der Basisstation zu implementieren. Diese
Anordnung ermöglicht,
daß die
Erfindung zu niedrigen Kosten in Installationen implementiert wird,
wo solche Messungen durchgeführt
werden.
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Eine
erfindungsgemäße Anordnung
ist dann so gekennzeichnet, wie aus dem kennzeichnenden Teil von
Anspruch 1 hervorgeht.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
ist dann so gekennzeichnet, wie aus dem kennzeichnenden Teil von
Anspruch 10 oder 15 hervorgeht.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt
eine Funk-Basisstation nach dem Stand der Technik schematisch dar.
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2 beschreibt
eine erfindungsgemäße Anordnung
in einer Funk-Basisstation.
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3 stellt
eine erfindungsgemäße Anordnung
in einer Funk-Basisstation dar, bei welcher die Basisstation eine
Duplexantenne umfaßt.
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4 stellt
eine erfindungsgemäße Anordnung
in einer Funk-Basisstation dar, bei welcher die Basisstation eine
Duplexantenne und am Mast montierte Verstärker umfaßt.
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5 stellt
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
einer Funk-Basisstation dar, bei welcher eine Duplexantenne mit
einem am Mast montierten Doppel-Duplexverstärker versehen ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 stellt
einen Funkbasisstations-Senderempfänger nach dem Stand der Technik
schematisch dar. Der Basisstations-Senderempfänger schließt eine Vielzahl von Sendereinheiten 101 ein. Die
Sendereinheiten sind mit einem Kombinierer 102 verbunden,
der für
die Trennung zwischen den unterschiedlichen Sendereinheiten 101 sorgt
und Funkfrequenzsignale, die durch die Sendereinheiten erzeugt werden,
zu einer Senderantenne 103 richtet. Der Kombinierer 102 besteht
aus einer Anzahl von Resonanzfiltern.
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Der
Basisstations-Senderempfänger schließt ferner
eine Anzahl von Empfängereinheiten 104 ein.
Die Empfängereinheiten
sind über
einen Multikoppler 106, die ankommende Signale verstärkt und
diese Signale in unterschiedliche Empfängereinheiten einkoppelt, mit
mindestens einer Empfängerantenne 105 verbunden.
Die Empfängereinheiten können über einen
zusätzlichen
Multikoppler 108 mit einer zusätzlichen Antenne 107 gekoppelt
werden, um für
Antennendiversity zu sorgen. Es kann mehr als eine zusätzliche
Antenne verwendet werden. Man beachte, daß eine Sendereinheit und eine
Empfängereinheit
als unterschiedliche Abschnitte einer gedruckten Leiterplatte ausgelegt
werden können,
wodurch eine Senderempfänger-Einheit
gebildet wird.
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2 beschreibt
eine Anordnung gemäß der Erfindung
in einer Funk-Basisstation. Es ist in der Funkkommunikationstechnik üblich, mehrere
zusätzliche
Empfängerantennen
zu verwenden, um für
Antennendiversity zu sorgen. Jedoch ist zur Vereinfachung nur eine
Empfängerantenne 205 gezeigt.
Die Basisstation gemäß der Erfindung
umfaßt
Sendereinheiten 201, einen Kombinierer 202 und
eine Senderantenne 203 zusammen mit der Empfängerantenne 205,
einem Multikoppler 206 und Empfängereinheiten 204,
wie oben beschrieben. Zur Vereinfachung sind in dieser und den folgenden
Figuren nur eine Sendereinheit und eine Empfängereinheit gezeigt.
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Gemäß der Erfindung
wird die Basisstation mit einer Testsignalquelle 207 versehen.
Die Testsignalquelle sendet ein Signal niedriger Leistung auf einer
Frequenz aus, die im wesentlichen einer Trägerfrequenz einer Empfängereinheit 204 entspricht.
Man beachte, daß solche
Signale verschiedene Anwendungen haben können, zum Beispiel zur Prüfung von Antennenweichen.
In manchen Anwendungen wird ein solches Signal als Empfangssignalstärkeindikator (RSSI)
bezeichnet.
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Das
ausgesendete Signal wird in die Senderantenne 203 über Einkoppelmittel
eingekoppelt, die zum Beispiel aus einem Kabel 208 und
einem Richtkoppler 209 bestehen. In einer Ausführungsform
der Erfindung kann dieser Richtkoppler auch verwendet werden, um
Spannungs-Stehwellenverhältnismessungen
an der Senderantenne 203 durchzuführen. Die Senderantenne sendet
das Testsignal, und die Empfängerantenne
empfängt
einen gewissen Bruchteil der gesendeten Energie, vorausgesetzt,
daß das System
richtig funktioniert. Da das Signal eine Frequenz innerhalb des
Frequenzbandes einer Empfängereinheit 204 hat,
kann es durch Mittel bewertet werden, die mit der Empfängereinheit
verbunden sind. Wenn mehrere Empfängerantennen verwendet werden,
kann das durch irgendeine bestimmte Antenne empfangene Signal auf
eine in der Fachwelt bekannte Weise ausgewählt werden.
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Wenn
die Stärke
des empfangenen Signals unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts
liegt, ist es wahrscheinlich, daß das System fehlerhaft ist. Dann
wird ein Fehlerbericht an das Mobilfunknetzwerk übergeben. Die Prüfungsprozedur
kann durch die Basis-Senderempfängerstation
selbst oder durch irgendeinen anderen Teil des Mobilfunksystems
ausgelöst
werden. Als eine Alternative kann die Bewertung des empfangenen
Signals auch in einem anderen Teil des Mobilfunksystems stattfinden,
der mit der Empfängereinheit
verbunden ist. Die Bewertung des Signals kann in Software implementiert
werden.
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Der
Erfindungsgedanke ermöglicht
wahlweise auch eine getrennte Prüfung
von Multikopplern im Empfangszweig der Funk-Basisstation. Dies wird durch
zweite Einkoppelmittel 210 durchgeführt, die das durch die Testsignalquelle 207 ausgesendete
Signal in die Multikoppler 206 im Empfangszweig einkoppeln.
Dadurch kann das System einen Fehler im Empfangszweig auf einen
bestimmten Teil des Systems eingrenzen. Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist es vorteilhaft, das Testsignal einem Reservekanal
entsprechen zu lassen, der nicht ständig durch das System verwendet
wird. Dadurch kann das System ohne Störung des laufenden Verkehrs überprüft werden.
Bei FDMA-(Frequenzmultiplex-Mehrfachzugriff-)Systemen
hat das Signal dann eine Frequenz, die einem Reservekanal entspricht.
Bei TDMA-(Zeitmultiplex-Mehrfachzugriff-)Systemen hat das Signal
dann eine Frequenz und eine Zeitschlitztaktung, die einem Reservekanal
entsprechen.
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3 stellt
eine erfindungsgemäße Anordnung
in einer Funk-Basisstation dar, bei welcher der Basisstations-Senderempfänger eine
Duplexantenne umfaßt.
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Die
Basisstation schließt
Sendereinheiten 301, Empfängereinheiten 304,
einen Kombinierer 302, Multikoppler 306a, 306b und
eine Empfängerantenne 305 ein,
wie in der bereits beschriebenen Ausführungsform. Ein Duplexfilter 310 wird
zwischen dem Kombinierer 302 und einer Senderantenne 303 angewendet.
Daher kann diese Antenne auch als eine zusätzliche Empfängerantenne
fungieren, wodurch eine Duplexantenne gebildet wird. Diese Anordnung
ermöglicht
es, daß Antennendiversity
in einer Basisstation mit lediglich zwei Antennen erzielt wird.
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Gemäß der Erfindung
sendet eine Testsignalquelle 307 ein Testsignal aus, daß durch
Einkoppelmittel 308, 309 in die Duplexantenne 303 eingekoppelt
wird. In dieser Ausführungsform
sollte das Testsignal an einem Punkt zwischen dem Duplexfilter 310 und
der Antenne in die Duplexantenne 303 eingekoppelt werden.
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4 stellt
eine erfindungsgemäße Anordnung
in einer Funk-Basisstation dar, bei welcher der Basisstations-Senderempfänger eine
Duplexantenne und am Mast montierte Verstärker umfaßt.
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Die
Basisstation schließt
Sendereinheiten 401, Empfängereinheiten 404,
einen Kombinierer 402, Antennenweichen 406a, 406b,
ein Duplexfilter 410, eine Duplexantenne 403 und
eine Empfängerantenne 405 ein,
wie bereits erwähnt.
In diesem Fall werden in jedem Empfängerantennenzweig am Mast montierte
Verstärker 411a, 411b angewendet.
Die am Mast montierten Verstärker
bestehen aus rauscharmen Verstärkern,
die in der Nähe
der jeweiligen Antennen plaziert sind.
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Gemäß der Erfindung
sendet eine Testsignalquelle 407 ein Testsignal aus, das
durch Einkoppelmittel 408, 409 in die Duplexantenne 403 eingekoppelt
wird. In dieser Ausführungsform
sollte das Testsignal an einem Punkt zwischen dem Duplexfilter 410 und
der Antenne 403 in die Duplexantenne 403 eingekoppelt
werden. Man beachte, daß die
Erfindung in Funk-Basisstationen, bei denen am Mast montierte Verstärker verwendet
werden, bei denen aber das Duplexantennenkonzept nicht angewendet wird,
gleichermaßen
wertvoll ist.
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5 stellt
eine erfindungsgemäße Anordnung
in einer Funk-Basisstation dar, bei welcher der Basisstations-Senderempfänger eine
Duplexantenne und am Mast montierte Verstärker umfaßt. An der Duplexantenne wird
ein am Mast montierter Doppel-Duplexverstärker verwendet.
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Die
Basisstation schließt
Sendereinheiten 501, Empfängereinheiten 504,
einen Kombinierer 502, Multikoppler 506a, 506b,
eine Duplexantenne 503 und eine Empfängerantenne 505 ein,
wie bereits beschrieben. In diesem Fall wird im Empfängerantennenzweig
ein am Mast montierter Verstärker 511a angewendet.
An der Duplexantenne wird ein Doppel-Duplex-TMA 515 angewendet.
Dieser TMA besteht aus einem ersten Duplexfilter 510, das
mit der Antenne 503 gekoppelt ist, und einem zweiten Duplexfilter 512,
das mit den Sendern und den Empfängern
gekoppelt ist. Ein rauscharmer Verstärker 511b wird im
Empfängerzweig
zwischen dem ersten und zweiten Duplexfilter angewendet. Wahlweise
kann im Senderzweig zwischen dem ersten und dem zweiten Duplexfilter
ein Leistungsverstärker
(nicht gezeigt) vorgesehen werden, um die Abwärtsstrecken-Reichweite zu verbessern.
Das erste und das zweite Duplexfilter 510, 512 sowie
der rauscharme Verstärker 511b können als
eine Doppel-Duplex-TMA-Einheit 515 integriert werden. Diese
Einheit ermöglicht
es, daß zwischen
die Duplexantenne und den Rest der Basisstation ein einziges Kabel 514 geschaltet
wird, wobei das Kabel sowohl zum Senden als auch zum Empfangen verwendet
wird. Jedoch muß dann
ein drittes Duplexfilter 513 am unteren Ende des Kabels 514 angewendet
werden.
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Gemäß der Erfindung
sendet eine Testsignalquelle 507 ein Testsignal aus, das
durch Einkoppelmittel 508, 509 in die Senderantenne 503 eingekoppelt
wird. In dieser Ausführungsform
sollte das Testsignal an einem Punkt zwischen dem Duplexfilter 510 und
der Antenne 503 in die Duplexantenne 503 eingekoppelt
werden.
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Man
beachte, daß die
Durchführung
von VSWR-Messungen an der Duplexantenne 503 des in 5 beschriebenen
Systems schwierig wäre.
Die Sperrdämpfung
eines Duplexfilters kann groß sein, und
in diesem Fall sind drei solcher Filter 513, 512 und 510 zwischen
der Sendereinheit 501 und der Duplexantenne 503 plaziert.
Eine Anordnung gemäß der Erfindung
führt jedoch
die Überwachung
der Duplexantenne gleichzeitig mit der Überwachung der Empfängerantenne 505 durch.
Die Anordnung gemäß der Erfindung
wird durch die Duplexfilter nicht beeinträchtigt.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen dienen
lediglich dazu, beispielhaft darzustellen, wie die Erfindung ausgeführt werden
kann, und begrenzen nicht den angestrebten Schutzbereich. Andere Ausführungsformen
sind innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche möglich.