EP1280234A1 - Anordnung zur Erzeugung von Nebenstrahlungsdiagrammen bei einer Phased-Array-Antennenanordnung - Google Patents

Anordnung zur Erzeugung von Nebenstrahlungsdiagrammen bei einer Phased-Array-Antennenanordnung Download PDF

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EP1280234A1
EP1280234A1 EP01118356A EP01118356A EP1280234A1 EP 1280234 A1 EP1280234 A1 EP 1280234A1 EP 01118356 A EP01118356 A EP 01118356A EP 01118356 A EP01118356 A EP 01118356A EP 1280234 A1 EP1280234 A1 EP 1280234A1
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EP
European Patent Office
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ans1
output
ans4
ans2
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01118356A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Friedrich Dr. Schumacher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Priority to EP02747463A priority patent/EP1413008A1/de
Priority to BR0211486-0A priority patent/BR0211486A/pt
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/40—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with phasing matrix
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/10—Auxiliary devices for switching or interrupting
    • H01P1/15—Auxiliary devices for switching or interrupting by semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for generating secondary radiation diagrams arranged in each case between horizontally offset main radiation diagrams of a phased array antenna arrangement in a radio communication system with several subscribers.
  • this is preceded by a butler matrix in such a way that a first subscriber signal is connected to a first input of the butler matrix in order to generate a first main radiation diagram directed at a first subscriber area, in order to generate a second subscriber area directed, adjacent second main radiation diagram, a second subscriber signal is connected to a second input of the Butler matrix and that the two main radiation diagrams are polarization-identical to one another.
  • Radio communication systems are known in which individual subscribers are supplied with the aid of a so-called "fully adaptive" antenna arrangement. Depending on the location of an individual participant, a main radiation diagram assigned to it is generated, which is tracked when the participant changes location. Due to the large amount of control required for the fully adaptive antenna, these radio communication systems can only be implemented with great effort.
  • radio communication systems with adaptive antennas are used, in which several fixed, partially overlapping, polarization-identical horizontal radiation patterns are defined. Each participant is assigned to a main radiation diagram depending on their location.
  • the Fixed main radiation diagrams are polarization-identical to each other and result in a supply characteristic with typical indents of 3dB that deviate from a reference field strength.
  • the invention is therefore based on the object of designing an arrangement for generating secondary radiation diagrams arranged in each case between horizontally offset main radiation patterns of a phased array antenna arrangement in such a way that the polarization of the secondary radiation patterns is identical to that of the main radiation patterns.
  • FIG. 1 shows horizontal main radiation diagrams HS1, HS2, HS3 and HS4 and secondary radiation diagrams NS12, NS23, NS34 and NS5, which are arranged adjacent to them, according to the prior art, which are generated with the aid of an adaptive antenna arrangement, not shown here.
  • the main radiation diagrams HS1 to HS4 have the same polarization, here, for example, + 45 ° polarization, and are horizontally offset from one another, each of them serving a spatial area or serving the participants assigned to the individual area.
  • the first main radiation diagram HS1 and the second main radiation diagram HS2 adjacent to it typically overlap at a point P12, which characterizes a field strength drop of 3dB from a reference field strength E REF .
  • points P23 and P34 which result from the overlap of the main radiation diagrams H2, H3 and H4.
  • secondary radiation diagrams NS12, NS23, NS34 and NS5 which are adjacent to the main radiation diagrams HS1 to HS4 are generated, which in turn are polarization-identical to one another, but are not polarization-identical to the main radiation diagrams HS1 to HS4.
  • the polarization of the secondary radiation diagrams NS12 to NS5 is thus -45 °.
  • the first and second main radiation diagrams HS1 and HS2 overlap, for example, with the one in between arranged secondary radiation diagram NS12 at a point P1 or P2, which typically characterize a field strength drop of 0.6 dB from the reference field strength E REF .
  • points P3, P4, P5, P6 and P7 which result from the overlap of the respective main and secondary radiation diagrams HS2 to HS4 and NS12 to NS5.
  • the adaptive antenna arrangement thus has a spatial coverage characteristic with typical indents of 0.6 dB, but the polarization of the signals sent to a subscriber depends on its location and thus on the main or secondary radiation diagram assigned to it.
  • a signal for a subscriber which is assigned to the first main radiation diagram HS1, for example, is thus emitted polarized at + 45 °. If this subscriber moves and is thereby assigned to the secondary radiation diagram NS12, for example, the polarization of the signals intended for him changes from + 45 ° to -45 °.
  • FIG. 2 shows main radiation diagrams HSD1, HSD2, HSD3 and HSD4 and secondary radiation diagrams NSD12, NSD23 and NSD34 arranged between them according to the invention.
  • the main radiation diagrams HSD1, HSD2, HSD3 and HSD4 overlap in the respective points PD12, PD23 and PD34, which characterize a field strength drop of typically 3dB from a reference field strength E REF
  • the secondary radiation diagrams NSD12, NSD23 and NSD34 also overlap with the main radiation diagrams HSD1, HSD2, HSD3 and HSD4 each in points PD1, PD2, PD3, PD4, PD5 and PD6, which indicate a field strength drop of typically 0.6 dB from the reference field strength E REF .
  • the main radiation diagrams HSD1 to HSD4 are polarization-identical to one another and polarization-identical to the secondary radiation diagrams NSD12 to NSD34, in comparison with the known prior art.
  • a signal for a subscriber which is assigned, for example, to the main radiation diagram HSD1, is therefore always emitted with the same polarization, even if the subscriber is moving and is therefore assigned to the secondary radiation diagram NSD12, for example.
  • FIG. 3 shows an arrangement for controlling a phased array antenna arrangement for generating the main or secondary radiation diagrams according to the invention shown in FIG.
  • a Butler matrix BM with four inputs E1, E2, E3 and E4 and with four outputs is used to control a phased array antenna arrangement ANT, which consists of four cross-polarized individual antennas ANT1, ANT2, ANT3 and ANT4.
  • Each of the individual antennas ANT1, ANT2, ANT3 and ANT4, each with its own antenna input for each individual polarization contained therein, contains one or more interconnected + 45 ° excitation systems, which serve to generate a + 45 ° polarized radiation pattern or also one or more interconnected -45 ° excitation systems used to generate a -45 ° polarized radiation pattern.
  • the phased array antenna arrangement ANT thus has eight inputs for receiving subscriber signals, four for generating + 45 ° and four for generating -45 ° polarized radiation diagrams.
  • Each individual output of the Butler matrix BM is connected here to exactly one + 45 ° input of the phased array antenna arrangement ANT.
  • Each of the four inputs of the Butler matrix BM is preceded by a combiner CB1, CB2, CB3 or CB4, each with four inputs and one output, that the output of a combiner CB1 to CB4 is connected to exactly one of the four inputs E1 to E4 of the Butler matrix BM.
  • Each of the four combiners CB1 to CB4 is in turn connected to a control device ANS1, ANS2, ANS3 or ANS4, each with four outputs and with one input each, in such a way that the first to fourth inputs of the four combiners CB1 to CB4, each with one output, are connected upstream first to fourth control devices ANS1, ANS2, ANS3 and ANS4 are connected.
  • Each of the four control devices ANS1 to ANS4 is preceded by a carrier unit CU1, CU2, CU3 or CU4, each with an output in such a way that each input of the control device ANS1 to ANS4 is connected to the output of exactly one carrier unit CU1 to CU4. Subscriber signals are forwarded to the respective control device ANS1 to ANS4 via the carrier unit CU1 to CU4.
  • a first subscriber signal TN1 of the carrier unit CU1 arrives via the first control device ANS1 and via the first combiner CB1 to exactly one input E1 of the Butler matrix BM and via this to the + 45 ° inputs of the phased array Antenna arrangement ANT.
  • the signal TN1 is divided and shifted in phase within the Butler matrix BM in such a way that when it is emitted, the main radiation diagram HSD1 known from FIG. 2 is produced, for example.
  • a second subscriber signal TN2 of the first carrier unit CU1 also arrives via the first control device ANS1, but subsequently via the second Combiner CB2 to exactly one second input E2 of the Butler matrix BM and via this to the + 45 ° inputs of the phased array antenna arrangement ANT.
  • the signal TN2 is again divided and phase-shifted within the Butler matrix BM in such a way that the main radiation diagram HSD2 known from FIG.
  • the inputs E1 and E2 of the Butler matrix BM are adjacent to one another.
  • a third subscriber signal TN3 which is here, for example, supplied to the second carrier unit CU2, now reaches the second control device ANS2 and the first and second combiners CB1 and CB2 in phase two inputs E1 and E2.
  • each of the control devices ANS1 to ANS4 is thus designed in such a way that, depending on the subscriber and its location, it generates the corresponding subscriber signal using the combiners CB1 to CB4 either to only one of the inputs E1 to E4 of the Butler matrix to generate the main or secondary radiation diagram BM switches through or that it switches the corresponding subscriber signal in phase to two adjacent inputs E1 to E4 of the Butler matrix BM.
  • the individual subscriber signals are transmitted successively in time slots, such as in GSM or in UMTS with TDD, the individual subscriber signals are transmitted in accordance with their time slots Control devices ANS1 to ANS4 connected through to the corresponding inputs of the Butler matrix BM.
  • FIG. 4 shows a circuit example for a control device ANS in an arrangement according to FIG. 3.
  • the control device ANS has four outputs A1, A2, A3 and A4 and an input E1.
  • the four outputs A1, A2, A3 and A4 are connected to the input E1 of the control circuit ANS via a common star point SP.
  • a series circuit comprising a capacitor CE1 and a switchable shunt PIN diode DE1 which is connected to a compensation potential P0 and is arranged in a shunt arm via a first switching point AP1.
  • a switchable shunt PIN diode DA1, DA2, DA3 is connected to the equalization potential P0 via a second connection point AP2 in a cross branch DA4 provided.
  • the capacitor CE1 and a line spacing ae1 present between the first switch-on point AP1 and the star point SP are used for resistance matching and are dimensioned such that the input E1 of the control device ANS has an essentially real input resistance ZE1, which is typically 50 ⁇ .
  • the respective second connection point AP2 has a line spacing aa1, aa2, aa3 or aa4 from the star point SP.
  • the respective line spacing aa1, aa2, aa3 or aa4 is dimensioned such that when the shunt PIN diode DA1, DA2, DA3 or DA4 is switched on, the corresponding output A1, A2, A3 or A4 is separated from the star point SP with a high resistance. This is achieved in that when the shunt PIN diode DA1, DA2, DA3 or
  • DA4 reaches the equalization potential P0 at the corresponding second switch-on point AP2 and this to a certain extent as a short circuit over the associated line spacing aa1, aa2, aa3 or aa4, which typically has an electrical length of 1/4 of a wavelength of a carrier frequency assigned to a subscriber, essentially as There is no load at the neutral point SP.
  • the line distance ae1 of the first connection point AP1 to the star point SP is essentially 1/10 or 1/12 of the wavelength of the carrier frequency assigned to the subscriber.
  • the shunt pin diode DE1 in the input branch and the shunt PIN diodes DA1, DA2, DA3 and DA4 assigned to the respective output branches are switched in such a way that three of the outputs A1 to A4 have a high impedance from the star point SP are separated.
  • the shunt PIN diode DE1 blocks in the input branch, as a result of which the capacitor CE1 or the series circuit makes no contribution to a resistance transformation.
  • the shunt PIN diodes DA2, DA3 and DA4 of the respective output branches are switched through, while the shunt PIN diodes DA1 in the first output branch and the shunt PIN diode DE1 of the input branch block.
  • a subscriber signal TN11 which is present at input E1, arrives at first output A1.
  • two of the outputs A1 to A4 are separated with a high resistance from the star point SP, and at the same time the shunt PIN diode DE1 of the input branch is switched through to adapt the resistance of the star point SP.
  • the shunt PIN diodes DA3 and DA4 provided in the third and fourth output branches are switched through, as a result of which the third and fourth outputs A3 and A4 have a high resistance from Star point SP are separated. Since the shunt PIN diodes DA1 and DA2 present in the first and second output branches in this example are not switched through, a subscriber signal TN31 which is present at input E1 arrives in phase with both the first output A1 and the second output A2.
  • the respective subscriber signal TN11 or TN31 then, as described in FIG. 3, reaches the corresponding inputs of the Butler matrix.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordung zur Erzeugung von Nebenstrahlungsdiagrammen, die jeweils zwischen horizontal versetzen Hauptstrahlungsdiagrammen einer Phased-Array-Antennenanordung angeordnet sind und die zu diesen polarisationsgleich sind, bei einem Funkkommunikationssystem mit mehreren Teilnehmern. Zur Ansteuerung der Phased-Array-Antennenanordung ist dieser eine Butler-Matrix (BM) derart vorgeschaltet, dass zur Erzeugung eines Hauptstrahlungsdiagramms ein Teilnehmersignal (TN1,TN2,TN3) an genau einen Eingang der Blutler-Matrix geschaltet ist und dass zur Erzeugung eines Nebenstrahlungsdiagramms ein Teilnehmersignal an genau zwei benachbarte Eingänge der Butler-Matrix geschaltet ist. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von jeweils zwischen horizontal versetzten Hauptstrahlungsdiagrammen einer Phased-Array-Antennenanordnung angeordneten Nebenstrahlungsdiagrammen bei einem Funkkommunikationssystem mit mehreren Teilnehmern. Zur Ansteuerung der Phased-Array-Antennenanordnung ist dieser eine Butler-Matrix derart vorgeschaltet, dass zur Erzeugung eines auf einen ersten Teilnehmerbereich gerichteten ersten Hauptstrahlungsdiagramms ein erstes Teilnehmersignal an einen ersten Eingang der Butler-Matrix geschaltet ist, dass zur Erzeugung eines auf einen zweiten Teilnehmerbereich gerichteten, benachbarten zweiten Hauptstrahlungsdiagramms ein zweites Teilnehmersignal an einen zweiten Eingang der Butler-Matrix geschaltet ist und dass die beiden Hauptstrahlungsdiagramme polarisationsgleich zueinander sind.
  • Es sind Funkkommunikationssysteme bekannt, bei denen mit Hilfe einer sogenannten "volladaptiven" Antennenanordnung einzelne Teilnehmer versorgt werden. Dabei wird abhängig vom Standort eines einzelnen Teilnehmers ein ihm zugeordnetes Hauptstrahlungsdiagramm erzeugt, das bei einem Standortwechsel des Teilnehmers nachgeführt wird.
    Bedingt durch den großen Ansteuerungsaufwand der volladaptiven Antenne sind diese Funkkommunikationssysteme nur mit einem sehr großen Aufwand zu realisieren.
  • Zur Reduzierung dieses Aufwands kommen Funkkommunikationssysteme mit adaptiven Antennen zum Einsatz, bei denen mehrere feststehende, sich teilweise überlappende, polarisationsgleiche horizontale Hauptstrahlungsdiagramme definiert sind. Jeder Teilnehmer wird abhängig von seinem Standort einem Hauptstrahlungsdiagramm zugeordnet. Die feststehenden Hauptstrahlungsdiagramme sind dabei polarisationsgleich zueinander und ergeben eine Versorgungscharakteristik mit von einer Referenzfeldstärke abweichenden typischen Einzügen von 3dB.
  • Aus "Performance Evaluation of Adaptive Antenna Base Stations in a Commercial Network", Henrik Dam et al, Ericsson Radio Systems AB, Sweden, VTC'99 (0-7803-5435-4/99, 1999 IEEE) und aus "Adaptive Base-Station Antenna Arrays", Anders Derneryd, Björn Johannisson, Ericsson Review No 3, 1999, sind Verfahren bekannt, die Einzüge der Versorgungscharakteristik durch eine Erzeugung von zusätzlichen Nebenstrahlungsdiagrammen zwischen den Hauptstrahlungsdiagrammen verringern, wobei die Nebenstrahlungsdiagramme jedoch zu den Hauptstrahlungsdiagrammen nicht polarisationsgleich sind.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Erzeugung von jeweils zwischen horizontal versetzten Hauptstrahlungsdiagrammen einer Phased-Array-Antennenanordnung angeordneten Nebenstrahlungsdiagrammen derart auszubilden, dass die Polarisation der Nebenstrahlungsdiagramme identisch zu der der Hauptstrahlungsdiagramme ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Anwendungsbeispiele der Erfindung finden sich bei Kommunikationssystemen, insbesondere Mobilfunksystemen.
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
    • FIG 1
    Hauptstrahlungsdiagramme und dazu benachbart angeordnete Nebenstrahlungsdiagramme nach dem Stand der Technik,
    FIG 2
    Hauptstrahlungsdiagramme und erfindungsgemäß dazwischen angeordnete Nebenstrahlungsdiagramme,
    FIG 3
    eine Anordnung zur Ansteuerung einer Phased-Array-Antennenanordnung zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Haupt- bzw. Nebenstrahlungsdiagramme und
    FIG 4
    ein Schaltungsbeispiel für eine Ansteuereinrichtung in einer Anordnung nach FIG 3.
  • FIG 1 zeigt horizontale Hauptstrahlungsdiagramme HS1, HS2, HS3 und HS4 und dazu benachbart angeordnete Nebenstrahlungsdiagramme NS12, NS23, NS34 und NS5 gemäß dem Stand der Technik, die mit Hilfe einer hier nicht dargestellten adaptiven Antennenanordnung erzeugt werden.
  • Die Hauptstrahlungsdiagramme HS1 bis HS4 sind polarisationsgleich, hier beispielsweise +45° polarisiert, und zueinander horizontal versetzt, wobei jedes einzelne von ihnen einen räumlichen Bereich versorgt, bzw. die jeweils dem einzelnen Bereich zugeordneten Teilnehmer versorgt.
    Das erste Hauptstrahlungsdiagramm HS1 und das zweite ihm benachbarte Hauptstrahlungsdiagramm HS2 überlappen sich typischerweise in einem Punkt P12, der einen Feldstärkeabfall von 3dB von einer Referenzfeldstärke EREF kennzeichnet. Gleiches gilt für die Punkte P23 bzw. P34, die sich entsprechend aus der Überlappung der Hauptstrahlungsdiagramme H2, H3 und H4 ergeben.
  • Mit Hilfe der adaptiven Antennenanordnung werden den Hauptstrahlungsdiagrammen HS1 bis HS4 benachbarte Nebenstrahlungsdiagramme NS12, NS23, NS34 und NS5 erzeugt, die wiederum untereinander polarisationsgleich sind, jedoch zu den Hauptstrahlungsdiagrammen HS1 bis HS4 nicht polarisationsgleich sind. Die Polarisation der Nebenstrahlungsdiagramme NS12 bis NS5 ist hier somit -45°.
  • Das erste und das zweite Hauptstrahlungsdiagramm HS1 bzw. HS2 überlappen sich beispielsweise mit dem dazwischen angeordneten Nebenstrahlungsdiagramm NS12 in einem Punkt P1 bzw. P2, die typischerweise einen Feldstärkeabfall von 0,6dB von der Referenzfeldstärke EREF kennzeichnen. Gleiches gilt für die Punkte P3, P4, P5, P6 und P7, die sich aus der Überlappung der jeweiligen Haupt- und Nebenstrahlungsdiagrammen HS2 bis HS4 und NS12 bis NS5 ergeben.
  • Die adaptive Antennenanordnung weist somit eine räumliche Versorgungscharakteristik mit typischen Einzügen von 0,6dB auf, wobei jedoch die Polarisation der an einen Teilnehmer gesendeten Signale abhängig ist von dessen Standort und damit von dem ihm jeweilig zugeordneten Haupt- bzw. Nebenstrahlungsdiagramm.
    Ein Signal für einen Teilnehmer, der beispielsweise dem ersten Hauptstrahlungsdiagramm HS1 zugeordnet ist, wird somit +45° polarisiert abgestrahlt.
    Bewegt sich dieser Teilnehmer und wird er dadurch beispielsweise dem Nebenstrahlungsdiagramm NS12 zugeordnet, so ändert sich die Polarisation der für ihn bestimmten Signale von +45° in -45°.
  • FIG 2 zeigt Hauptstrahlungsdiagramme HSD1, HSD2, HSD3 und HSD4 und erfindungsgemäß dazwischen angeordnete Nebenstrahlungsdiagramme NSD12, NSD23 und NSD34.
  • Vergleichend mit FIG 1 überschneiden sich wieder die Hauptstrahlungsdiagramme HSD1, HSD2, HSD3 und HSD4 in den jeweiligen Punkten PD12, PD23 und PD34, die einen Feldstärkeabfall von typisch 3dB von einer Referenzfeldstärke EREF kennzeichnen, und auch die Nebenstrahlungsdiagramme NSD12, NSD23 und NSD34 überschneiden sich mit den Hauptstrahlungsdiagrammen HSD1, HSD2, HSD3 und HSD4 jeweils in den Punkten PD1, PD2, PD3, PD4, PD5 und PD6, die einen Feldstärkeabfall von typisch 0,6dB von der Referenzfeldstärke EREF kennzeichnen.
  • Erfindungsgemäß sind hier jedoch, vergleichend mit dem bekannten Stand der Technik, die Hauptstrahlungsdiagramme HSD1 bis HSD4 polarisationsgleich untereinander und polarisationsgleich zu den Nebenstrahlungsdiagrammen NSD12 bis NSD34.
  • Ein Signal für einen Teilnehmer, der beispielsweise dem Hauptstrahlungsdiagramm HSD1 zugeordnet ist, wird damit immer gleich polarisiert abgestrahlt, auch wenn der Teilnehmer sich bewegt und dadurch beispielsweise dem Nebenstrahlungsdiagramm NSD12 zugeordnet wird.
  • FIG 3 zeigt eine Anordnung zur Ansteuerung einer Phased-Array-Antennenanordnung zur Erzeugung der in FIG 2 gezeigten erfindungsgemäßen Haupt- bzw. Nebenstrahlungsdiagramme.
  • Eine Butlermatrix BM mit vier Eingängen E1, E2, E3 und E4 und mit vier Ausgängen dient zur Ansteuerung einer Phased-Array-Antennenanordnung ANT, die aus vier kreuzpolarisierten Einzelantennen ANT1, ANT2, ANT3 und ANT4 besteht. Jede der Einzelantennen ANT1, ANT2, ANT3 und ANT4, mit jeweils eigenem Antenneneingang für jede einzelne dort beinhaltete Polarisation, beinhaltet ein oder mehrere zusammengeschaltete +45°-Erregersysteme, die zur Erzeugung eines +45° polarisierten Strahlungsdiagramms dienen bzw. ebenfalls ein oder mehrere zusammengeschaltete -45°-Erregersysteme, die zur Erzeugung eines -45° polarisierten Strahlungsdiagramms dienen. Die Phased-Array-Antennenanordnung ANT weist somit acht Eingänge zur Aufnahme von Teilnehmersignalen auf, vier zur Erzeugung von +45° bzw. vier zur Erzeugung von -45° polarisierten Strahlungsdiagrammen.
  • Jeder einzelne Ausgang der Butlermatrix BM ist hier mit genau einem +45°-Eingang der Phased-Array-Antennenanordnung ANT verbunden. Jedem einzelnen der vier Eingänge der Butlermatrix BM ist je ein Combiner CB1, CB2, CB3 bzw. CB4 mit jeweils vier Eingängen und mit je einem Ausgang derart vorgeschaltet, dass der Ausgang eines Combiners CB1 bis CB4 mit genau einem der vier Eingänge E1 bis E4 der Butlermatrix BM verbunden ist. Jedem der vier Combiner CB1 bis CB4 wiederum ist je eine Ansteuereinrichtung ANS1, ANS2, ANS3 bzw. ANS4 mit jeweils vier Ausgängen und mit je einem Eingang derart vorgeschaltet, dass die jeweils ersten bis vierten Eingänge der vier Combiner CB1 bis CB4 mit je einem Ausgang der ersten bis vierten Ansteuereinrichtung ANS1, ANS2, ANS3 bzw. ANS4 verbunden sind.
    Jeder der vier Ansteuereinrichtungen ANS1 bis ANS4 ist je eine Carrier-Unit CU1, CU2, CU3 bzw. CU4 mit je einem Ausgang derart vorgeschaltet, dass jeder Eingang der Ansteuereinrichtung ANS1 bis ANS4 mit dem Ausgang genau einer Carrier-Unit CU1 bis CU4 verbunden ist. Über die Carrier-Unit CU1 bis CU4 werden Teilnehmersignale an die jeweilige Ansteuereinrichtung ANS1 bis ANS4 weitergegeben.
  • Mit Hilfe der hier beschriebenen Anordnung und den Ansteuereinrichtungen ANS1 bis ANS4 werden teilnehmerabhängig, wie in FIG 2 gezeigt, vier Hauptstrahlungsdiagramme und drei dazwischen angeordnete Nebenstrahlungsdiagramme erzeugt.
  • Zur Erzeugung eines Hauptstrahlungsdiagramms HSD1 gelangt beispielsweise ein erstes Teilnehmersignal TN1 der Carrier-Unit CU1 über die erste Ansteuereinrichtung ANS1 und über den ersten Combiner CB1 an genau einen Eingang E1 der Butlermatrix BM und über diese an die +45°-Eingänge der Phased-Array-Antennenanordnung ANT. Das Signal TN1 wird innerhalb der Butlermatrix BM derart aufgeteilt und phasenverschoben, dass bei dessen Abstrahlung beispielsweise das aus FIG 2 bekannte Hauptstrahlungsdiagramm HSD1 entsteht.
  • Zur Erzeugung des dazu benachbarten Hauptstrahlungsdiagramms HSD2 gelangt beispielsweise ein zweites Teilnehmersignal TN2 der ersten Carrier-Unit CU1 ebenfalls über die erste Ansteuereinrichtung ANS1, aber anschließend über den zweiten Combiner CB2 an genau einen zweiten Eingang E2 der Butlermatrix BM und über diese an die +45°-Eingänge der Phased-Array-Antennenanordnung ANT. Das Signal TN2 wird innerhalb der Butlermatrix BM wieder derart aufgeteilt und phasenverschoben, dass bei dessen Abstrahlung das aus FIG 2 bekannte Hauptstrahlungsdiagramm HSD2 entsteht. Die Eingänge E1 und E2 der Butler-Matrix BM sind dabei benachbart zueinander.
  • Zur Erzeugung des zwischen den Hauptstrahlungsdiagrammen HSD1 und HSD2 angeordneten Nebenstrahlungsdiagramms NSD12 gelangt nun ein drittes Teilnehmersignal TN3, das hier beispielsweise der zweiten Carrier-Unit CU2 zugeführt ist, über die zweite Ansteuereinrichtung ANS2 und über den ersten und den zweiten Combiner CB1 und CB2 phasengleich an die beiden Eingänge E1 und E2.
  • Gleiches gilt sinngemäß zur erfindungsgemäßen Erzeugung der weiteren in FIG 2 dargestellten Hauptstrahlungsdiagramme bzw. Nebenstrahlungsdiagramme für weitere Teilnehmer von einer der Carrier-Units CU1 bis CU4 bzw. für deren Zuordnung zu den Eingängen E1 bis E4 der Butler-Matrix BM.
    Jede der Ansteuereinrichtungen ANS1 bis ANS4 ist also derart ausgeprägt, dass sie, abhängig vom Teilnehmer und dessen Standort, zur Erzeugung des Haupt- bzw. Nebenstrahlungsdiagramms das entsprechende Teilnehmersignal mit Hilfe der Combiner CB1 bis CB4 entweder an nur einen der Eingänge E1 bis E4 der Butlermatrix BM durchschaltet oder dass sie das entsprechende Teilnehmersignal phasengleich an zwei benachbarte Eingänge E1 bis E4 der Butlermatrix BM durchschaltet.
  • Bei einem Funkkommunikationssystem, bei dem die einzelnen Teilnehmersignale zeitlich aufeinanderfolgend in Zeitschlitzen übertragen werden, wie beispielsweise bei GSM oder bei UMTS mit TDD, werden die einzelnen Teilnehmersignale entsprechend ihrer Zeitschlitze mit Hilfe der Ansteuereinrichtungen ANS1 bis ANS4 an die entsprechenden Eingänge der Butlermatrix BM durchgeschaltet.
  • FIG 4 zeigt ein Schaltungsbeispiel für eine Ansteuereinrichtung ANS in einer Anordnung nach FIG 3.
    Die Ansteuereinrichtung ANS weist vier Ausgänge A1, A2, A3 und A4 und einen Eingang E1 auf. Die vier Ausgänge A1, A2, A3 und A4 sind über einen gemeinsamen Sternpunkt SP mit dem Eingang E1 der Ansteuerschaltung ANS verbunden.
  • An einem dem Eingang E1 zugeordneten Eingangszweig der Ansteuereinrichtung ANS ist eine über einen ersten Anschaltpunkt AP1 in einem Querzweig angeordnete Serienschaltung aus einem Kondensator CE1 und einer auf ein Ausgleichspotential P0 gelegte, schaltbare Shunt-PIN-Diode DE1 vorgesehen. An jedem der vom Sternpunkt SP zu den vier Ausgängen A1, A2, A3 und A4 führenden Ausgangszweig ist jeweils eine, über je einen zweiten Anschaltpunkt AP2 in einem Querzweig auf das Ausgleichspotential P0 gelegte, schaltbare Shunt-PIN-Diode DA1, DA2, DA3 bzw. DA4 vorgesehen.
  • Der Kondensator CE1 und ein zwischen dem ersten Anschaltpunkt AP1 und dem Sternpunkt SP vorhandener Leitungsabstand ae1 dienen zur Widerstandsanpassung und werden derart dimensioniert, dass der Eingang E1 der Ansteuereinrichtung ANS einen im wesentlichen realen Eingangswiderstand ZE1 aufweist, der typischerweise bei 50 Ω liegt.
  • Bei jedem der den Ausgängen A1 bis A4 zugeordneten Ausgangszweige weist der jeweilige zweite Anschaltpunkt AP2 je einen Leitungsabstand aa1, aa2, aa3 bzw. aa4 zum Sternpunkt SP auf. Der jeweilige Leitungsabstand aa1, aa2, aa3 bzw. aa4 ist derart dimensioniert, dass bei durchgeschalteter Shunt-PIN-Diode DA1, DA2, DA3 bzw. DA4 der entsprechende Ausgang A1, A2, A3 bzw. A4 hochohmig vom Sternpunkt SP abgetrennt ist. Verwirklicht wird dies dadurch, dass bei durchgeschalteter Shunt-PIN-Diode DA1, DA2, DA3 bzw.
  • DA4 das Ausgleichspotential P0 an den entsprechenden zweiten Anschaltpunkt AP2 gelangt und dieses gewissermaßen als Kurzschluß über den dazugehörenden Leitungsabstand aa1, aa2, aa3 bzw. aa4, der typischerweise eine elektrische Länge von 1/4 einer Wellenlänge einer einem Teilnehmer zugeordneten Trägerfrequenz aufweist, im wesentlichen als Leerlauf am Sternpunkt SP anliegt.
  • Der Leitungsabstand ae1 des ersten Anschaltpunktes AP1 zum Sternpunkt SP beträgt im wesentlichen 1/10 bzw. 1/12 der Wellenlänge der dem Teilnehmer zugeordneten Trägerfrequenz.
  • Zur Erzeugung eines in FIG 2 gezeigten Hauptstrahlungsdiagramms werden die Shunt-Pin-Diode DE1 im Eingangszweig und die den jeweiligen Ausgangszweigen zugeordneten Shunt-PIN-Dioden DA1, DA2, DA3 und DA4 derart geschaltet, dass drei der Ausgänge A1 bis A4 hochohmig vom Sternpunkt SP abgetrennt sind. Gleichzeitig sperrt die Shunt-PIN-Diode DE1 im Eingangszweig, wodurch der Kondensator CE1 bzw. die Serienschaltung keinen Beitrag zu einer Widerstandstransformation liefert. Hier sind beispielsweise die Shunt-PIN-Dioden DA2, DA3 und DA4 der jeweiligen Ausgangszweige durchgeschaltet, während die Shunt-PIN-Dioden DA1 im ersten Ausgangszweig und die Shunt-PIN-Diode DE1 des Eingangszweigs sperren. Dadurch gelangt ein Teilnehmersignal TN11, das am Eingang E1 anliegt, an den ersten Ausgang A1.
  • Zur Erzeugung eines in FIG 2 gezeigten Nebenstrahlungsdiagramms werden hingegen zwei der Ausgänge A1 bis A4 hochohmig vom Sternpunkt SP abgetrennt und gleichzeitig wird zur Widerstandsanpassung des Sternpunktes SP die Shunt-PIN-Diode DE1 des Eingangszweigs durchgeschaltet.
  • Beispielsweise sind die im dritten und vierten Ausgangszweig vorgesehenen Shunt-PIN-Dioden DA3 und DA4 durchgeschaltet, wodurch der dritte und vierte Ausgang A3 und A4 hochohmig vom Sternpunkt SP abgetrennt sind. Da die in diesem Beispiel im ersten und zweiten Ausgangszweig vorhandenen Shunt-PIN-Dioden DA1 und DA2 nicht durchgeschaltet sind, gelangt ein Teilnehmersignal TN31, das am Eingang E1 anliegt, gleichphasig sowohl an den ersten Ausgang A1 als auch an den zweiten Ausgang A2.
  • Das jeweilige Teilnehmersignal TN11 bzw. TN31 gelangt dann, wie in FIG 3 beschrieben, an die entsprechenden Eingänge der Butler-Matrix.
    Zur Erzeugung des Nebenstrahlungsdiagramms liegt hier am gemeinsamen Sternpunkt SP beispielsweise ein im wesentlichen realer Widerstand von typisch 25Ω an. Mittels des Kondensators CE1 und mit Hilfe einer Transformation über den Leitungsabstand ae1 wird dieser auf einen im wesentlichen realen Eingangswiderstand ZE1 von typisch 50Ω transformiert.

Claims (11)

  1. Anordnung zur Erzeugung von Nebenstrahlungsdiagrammen (NSD12, NSD23, NSD34), die jeweils zwischen horizontal versetzten Hauptstrahlungsdiagrammen (HSD1, HSD2, HSD3, HSD4) einer Phased-Array-Antennenanordnung (ANT) angeordnet sind, bei einem Funkkommunikationssystem mit mehreren Teilnehmern (TN1, TN2, TN3), bei der zur Ansteuerung der Phased-Array-Antennenanordnung (ANT) dieser eine Butler-Matrix (BM) derart vorgeschaltet ist, dass zur Erzeugung eines auf einen ersten Teilnehmerbereich gerichteten ersten Hauptstrahlungsdiagramms (HSD1, HSD2, HSD3, HSD4) ein erstes Teilnehmersignal (TN1, TN2, TN3) an einen ersten Eingang (E1, E2, E3, E4) der Butler-Matrix (BM) geschaltet ist, dass zur Erzeugung eines auf einen zweiten Teilnehmerbereich gerichteten benachbarten zweiten Hauptstrahlungsdiagramms (HSD1, HSD2, HSD3, HSD4) ein zweites Teilnehmersignal (TN1, TN2, TN3) an einen zweiten Eingang (E1, E2, E3, E4) der Butler-Matrix (BM) geschaltet ist, und dass die beiden Hauptstrahlungsdiagramme (HSD1, HSD2, HSD3, HSD4) polarisationsgleich zueinander sind,
       dadurch gekennzeichnet,
    - dass zur Erzeugung eines auf einen dritten Teilnehmerbereich gerichteten Nebenstrahlungsdiagramms (NSD12, NSD23, NSD34) ein drittes Teilnehmersignal (TN1, TN2, TN3) phasengleich an den ersten und an den zweiten Eingang (E1, E2, E3, E4) der Butler-Matrix (BM) geschaltet ist und
    - dass die Butler-Matrix (BM) derart an die Phased-Array-Antennenanordnung (ANT) angeschaltet ist, dass das Nebenstrahlungsdiagramm (NSD12, NSD23, NSD34) polarisationsgleich zu den benachbarten Hauptstrahlungsdiagrammen (HSD1, HSD2, HSD3, HSD4) ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Butler-Matrix (BM) N Eingänge (E1, E2, E3, E4) und N Ausgänge aufweist und jeder einzelne Ausgang mit genau einem Eingang der Phased-Array-Antennenanordnung (ANT) verbunden ist.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Phased-Array-Antennenanordnung (ANT) N Hauptstrahlungsdiagramme (HSD1, HSD2, HSD3, HSD4) und N-1 jeweils dazwischen angeordnete Nebenstrahlungsdiagramme (NSD12, NSD23, NSD34) aufweist.
  4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der N Eingänge (E1, E2, E3, E4) der Butler-Matrix (BM) je ein Combiner (CB1, CB2, CB3, CB4) mit N Eingängen und mit einem Combinerausgang derart vorgeschaltet ist, dass der Combinerausgang mit genau einem der N Eingänge (E1, E2, E3, E4) der Butler-Matrix (BM) verbunden ist.
  5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der N Combiner (CB1, CB2, CB3, CB4) je eine Ansteuereinrichtung (ANS1, ANS2, ANS3, ANS4) mit N Ausgängen und mit einem Eingang derart vorgeschaltet ist, dass die jeweils ersten bis N-ten Eingänge der N Combiner mit je einem Ausgang einer ersten bis N-ten Ansteuereinrichtung (ANS1, ANS2, ANS3, ANS4) verbunden sind.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der N Ansteuereinrichtungen (ANS1, ANS2, ANS3, ANS4) je eine Carrier-Unit (CU1, CU2, CU3, CU4) mit einem Ausgang derart vorgeschaltet ist, dass jeder Eingang der Ansteuereinrichtung (ANS1, ANS2, ANS3, ANS4) mit dem Ausgang genau einer Carrier-Unit (CU1, CU2, CU3, CU4) verbunden ist, wobei über die Carrier-Unit (CU1, CU2, CU3, CU4) die Teilnehmersignale von mehreren Teilnehmern (TN1, TN2, TN3) an die Ansteuereinrichtung (ANS1, ANS2, ANS3, ANS4) gelangen.
  7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
    - dass an einem dem Eingang (E1) zugeordneten Eingangszweig der Ansteuereinrichtung (ANS1, ANS2, ANS3, ANS4) eine über einen ersten Anschaltpunkt (AP1) in einem Querzweig angeordnete Serienschaltung aus einem Kondensator (CE1) und einer auf ein Ausgleichspotential (P0) gelegten, schaltbaren Shunt-PIN-Diode (DE1) vorgesehen ist,
    - dass an jedem der den N Ausgängen (A1, A2, A3, A4) zugeordneten Ausgangszweige, die über einen gemeinsamen Sternpunkt (SP) mit dem Eingangszweig der Ansteuerschaltung (ANS1, ANS2, ANS3, ANS4) verbunden sind, eine über einen jeweils zweiten Anschaltpunkt (AP2) in einem Querzweig auf Ausgleichspotential (P0) gelegte, schaltbare Shunt-PIN-Diode (DA1, DA2, DA3, DA4) vorgesehen ist,
    - dass der im Querzweig des Eingangszweigs vorgesehene Kondensator (CE1) und ein Leitungsabstand (AE1) vom ersten Anschaltpunkt (AP1) zum Sternpunkt (SP) derart dimensioniert sind, dass der Eingang (E1) der Ansteuereinrichtung (ANS1, ANS2, ANS3, ANS4) einen im wesentlichen realen Widerstand (ZE1) aufweist, und
    - dass bei jedem der den N Ausgängen (A1, A2, A3, A4) zugeordneten Ausgangszweige ein Leitungsabstand (aa1, aa2, aa3, aa4) des jeweiligen zweiten Anschaltpunkts (AP2) zum Sternpunkt (SP) derart dimensioniert ist, dass, bei durchgeschalteter Shunt-Pin-Diode (DA1, DA2, DA3, DA4) des Ausgangszweigs, der Ausgang (A1, A2, A3, A4) hochohmig vom Sternpunkt (SP) abgetrennt wird.
  8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (ANS1, ANS2, ANS3, ANS4) derart dimensioniert ist,
    - dass der Widerstand (ZE1) des Eingangs einen Wert von im wesentlichen 50 Ohm aufweist,
    - dass bei jedem Ausgang (A1, A2, A3, A4) der Leitungsabstand (aa1, aa2, aa3, aa4) des zweiten Anschaltpunkts (AP2) zum Sternpunkt (SP) im wesentlichen ein Viertel einer Wellenlänge einer dem Teilnehmer (TN1, TN2, TN3) zugeordneten Trägerfrequenz ist,
    - dass beim Eingangszweig der Leitungsabstand (ae1) des ersten Anschaltpunkts (AP1) zum Sternpunkt (SP) im wesentlichen ein Zehntel oder ein Zwölftel der Wellenlänge der dem Teilnehmer (TN1, TN2, TN3) zugeordneten Trägerfrequenz ist.
  9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Ausgangszweigen der Ansteuereinrichtung (ANS1, ANS2, ANS3, ANS4) vorgesehenen Shunt-Pin-Dioden (DA1, DA2, DA3, DA4) zur Erzeugung des Nebenstrahlungsdiagramms (NSD12, NSD23, NSD34) derart geschaltet sind, dass jeweils zwei Shunt-PIN-Dioden (DA1, DA2, DA3, DA4) von benachbarten Ausgängen (A1, A2, A3, A4) diese hochohmig vom Sternpunkt (SP) abtrennen und die verbleibenden Dioden (DE1, DA1, DA2, DA3, DA4) das Ausgleichspotential (P0) durchschalten, während zur Erzeugung des Hauptstrahlungsdiagramms (HSD1, HSD2, HSD3, HSD4) die Shunt-PIN-Dioden (DE1, DA1, DA2, DA3, DA4) derart geschaltet sind, dass die Shunt-PIN-Diode (DA1, DA2, DA3, DA4) von genau einem Ausgangszweig und die Shunt-PIN-Diode (DE1) des Eingangszweigs hochohmig sperren und die verbleibenden Shunt-PIN-Dioden (DA1, DA2, DA3, DA4) das Ausgleichspotential (P0) durchschalten.
  10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funkkommunikationssystem derart ausgebildet ist, dass die Teilnehmersignale (TN1, TN2, TN3) in Zeitschlitzen übertragen werden und die jeweiligen Teilnehmersignale (TN1, TN2, TN3) entsprechend ihrer Zeitschlitze durch die Ansteuereinrichtungen (ANS1, ANS2, ANS3, ANS4) an die entsprechenden Eingänge (E1, E2, E3, E4) der Butler-Matrix (BM) zur Erzeugung des jeweiligen Hauptstrahlungsdiagramms (HSD1, HSD2, HSD3, HSD4) oder Nebenstrahlungsdiagramms (NSD12, NSD23, NSD34) gelangen.
  11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phased-Array-Antennenanordnung (ANT) kreuzpolarisierte Einzelantennen (ANT1, ANT2, ANT3, ANT4) mit im wesentlichen orthogonal aufeinander stehenden Erregersystemen aufweist, wobei zur Erzeugung der zwischen den Hauptstrahlungsdiagrammen (HSD1, HSD2, HSD3, HSD4) angeordneten Nebenstrahlungsdiagramme (NSD12, NSD23, NSD34) jeweils gleichpolarisierte Erregersysteme verwendet werden.
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