SE511422C2

SE511422C2 - Antenna group in a telecommunications system

Info

Publication number: SE511422C2
Application number: SE9800357A
Authority: SE
Inventors: Henrik Andersson; Jens Malmgren
Original assignee: Radio Design Innovation Tj Ab
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1998-02-09
Publication date: 1999-09-27
Also published as: AU9659098A; SE9800357L; SE9800357D0; WO1999021248A1

Abstract

The invention relates to an antenna array in a telecommunication system, wherein a number (1, 3, 6, 12) of rectangular panels consisting of 8 columns with 4 vertically spaced antenna elements are combined together to build up the antenna array, the radiation pattern of which is adaptively steerable.

Description

15 20 25 511422 2 Detta ändamål uppnås medelst en gruppantennstruktur vid ett telekommuni- kationssystem, vid vilken ett antal komponenter kombineras för att bygga upp gruppantennstrukturen. Denna kombination av komponenter, i synnerhet då kombi- nationen bildar en cirkulär antennkonfiguration, kan samtidigt utnyttja fördelarna både hos den linjära och den cirkulära antennkonﬁgurationen. Med linjära komponenter är det lättare att beräkna viktskoefﬁcientema. Om komponenterna är anordnade i en cirkulär grupp, kommer antennens apertur att bli nästan densamma i alla riktningar. Gruppantennens strålningsdiagraln innefattar adaptivt styrbara lober som medelst lobformningsenheter är styrbara oberoende av varandra. This object is achieved by means of a group antenna structure in a telecommunication system, in which a number of components are combined to build up the group antenna structure. This combination of components, especially when the combination forms a circular antenna configuration, can simultaneously take advantage of both the linear and the circular antenna configuration. With linear components, it is easier to calculate the weight coefficients. If the components are arranged in a circular group, the aperture of the antenna will be almost the same in all directions. The radiation diagram of the array antenna comprises adaptively controllable lobes which are controllable independently of one another by means of lobe-forming units.

Andra kännetecken hos uppfinningen definieras i de beroende underkraven.Other features of the invention are defined in the dependent subclaims.

KORT FIGURBESKRIVNTNG Ett föredraget utförande av uppfinningen kommer nu att beskrivas, med hän- visning till ﬁgurerna, varvid: Fig. l visar ett schema över ett ﬂexibelt lobfornmingssystem; Fi g. 2 visar olika gruppantennstrulcturer enligt uppfinningen; Fig. 3 visar lobformer som funktion av exciterade paneler enligt föreliggande upp- ﬁnning; Fig. 4 visar enskilda antenndiagram för olika mobila terminaler; Pig. 5 visar kombineringen av olika antennpaneler enligt uppfinningen.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS A preferred embodiment of the invention will now be described, with reference to the diagrams, in which: Fig. 1 shows a diagram of a possible beam forming system; Fig. 2 shows different group antenna structures according to the invention; Fig. 3 shows lobe shapes as a function of excited panels according to the present invention; Fig. 4 shows individual antenna diagrams for different mobile terminals; Pig. 5 shows the combination of different antenna panels according to the invention.

DETALJERAD BESKRIVNING AV ETT UTFÖRANDE AV UPPFINNINGEN Det finns ﬂera styrmedel som kan användas för att forma det totala antenndiagrammet. Sådana styrmedel är exempelvis: - den geometrisk konfigurationen av hela gruppen; - den relativa förskjutningen mellan elementen; - de enskilda elementens exciteringsamplitud; - de enskilda elementens exciteringsfas; - de enskilda antennmönstren.DETAILED DESCRIPTION OF AN EMBODIMENT OF THE INVENTION There are ﬂ your controls that can be used to form the overall antenna diagram. Such control means are, for example: the geometric configuration of the whole group; - the relative displacement between the elements; - the excitation amplitude of the individual elements; - the excitation phase of the individual elements; - the individual antenna patterns.

Gruppen kan ha ett antal geometriska konfigurationer, som till exempel är: - linjära, element placerade utmed en linje; - cirkulära, element som placeras i en cirkel; - rektangulära, enskilda radiatorer som placeras utmed ett rektangulärt raster; - sfalriska, element som placeras på en sfär; - konforma, gruppen sammanfaller fonnmässigt med någon formad yta, t.ex. ytan på ett ﬂygplan. 10 20 25 5 1 1 4 2 2 Den erforderliga antennkonﬁgurationen beror på ett antal olika förhållanden, till exempel: - erforderlig täckning; - erforderlig antennförstärkning; - kapacitet, sidolobnivå hos de använda antennmönstren; - monteringsläge, d.v.s. var antennen skall monteras och antennens storlek.The group can have a number of geometric configurations, which are for example: - linear, elements placed along a line; - circular, elements placed in a circle; - rectangular, individual radiators placed along a rectangular grid; - spherical, elements placed on a sphere; conical, the group coincides in shape with any shaped surface, e.g. the surface of an eye plane. 10 20 25 5 1 1 4 2 2 The required antenna configuration depends on a number of different conditions, for example: - required coverage; - required antenna gain; capacity, side lobe level of the antenna patterns used; mounting position, i.e. where the antenna is to be mounted and the size of the antenna.

Gruppantennen enligt uppﬁnningen har anpassats för att få hög täckning, hög antennförstärkning och låga sidolobnivåer.The group antenna according to the invention has been adapted to have high coverage, high antenna gain and low side lobe levels.

Gruppstrukturen enligt uppﬁnningen är en moduluppbyggd, konform grupp- struktur. Det grundläggande byggelementet i denna moduluppbyggda, konforma gruppstruktur är en panel som består av ett antal antennelement. En panel kan exem- pelvis bestå av åtta kolumner med fyra vertikalt fördelade dipolelement. Denna panel har företrädesvis rektangulär form. Panelema beskrivs i detalj i ovannämnda, under behandling varande ansökan (Antenna System). Det bör förstås stå klart att en panel skulle kunna ha godtycklig form, t.ex. en cirkulär form, en krökt form eller en valvbågforrn för att åstadkomma ett fördelaktigt strålningsdiagram. Antalet kolum- ner och vertikalt fördelade antennelement skulle kunna ändras godtyckligt som funktion av det erforderliga strålningsdiagrammet.The group structure according to the invention is a modular, conformist group structure. The basic building element in this modular, conical group structure is a panel consisting of a number of antenna elements. A panel can, for example, consist of eight columns with four vertically distributed dipole elements. This panel preferably has a rectangular shape. The panels are described in detail in the above-mentioned, pending application (Antenna System). It should of course be clear that a panel could have any shape, e.g. a circular shape, a curved shape or an arcuate shape to provide an advantageous radiation pattern. The number of columns and vertically distributed antenna elements could be changed arbitrarily as a function of the required radiation diagram.

I följande beskrivning antar vi att panelema år likadana och av rektangulär form. Som nämnts ovan bör det betonas att panelerna kan ha olika former och att den moduluppbyggda gruppantennstrukturen inte behöver bestå av paneler med identiskt lika former.In the following description, we assume that the panels are the same and of rectangular shape. As mentioned above, it should be emphasized that the panels can have different shapes and that the modular group antenna structure does not have to consist of panels with identical shapes.

Som ﬁamgår av Fi g. 2, är gruppen moduluppbyggd med ett antal identiska paneler som används för att bygga upp gruppen. Olika panelantal: 1, 3, 6, 12 kan användas. Antalet paneler väljs för optimal lobförstärkning och de sidolobnivåer som krävs. Fi g. 2 visar exempel på moduluppbyggda, konforma gruppstrukturer med tre olika panelkonﬁgurationer. Antennpanelen är det byggblock som ingår i alla strukturerna.As stated in Fig. 2, the group is modular with a number of identical panels used to build the group. Different panel numbers: 1, 3, 6, 12 can be used. The number of panels is selected for optimal lobe reinforcement and the required side lobe levels. Fig. 2 shows examples of modular, cone-shaped group structures with three different panel configurations. The antenna panel is the building block that is included in all structures.

Pig. 3visar en moduluppbyggd, konforrn gruppstruktur med 12 paneler, var- vid olika antal paneler exciteras (d.v.s. 1 till 5 exciterade paneler).Pig. 3 shows a modular, conformal group structure with 12 panels, whereby different numbers of panels are excited (i.e. 1 to 5 excited panels).

Som framgår av Fig. 3, ju ﬂera paneler som exciteras, desto högre lobför- stärkning och smalare lobbredd erhålls. När till exempel fem paneler är exciterade är antennaperturen så stor som möjligt. Vid denna stationen med 12 paneler är den maximala antennaperturen densamma i alla riktningar (Fig. 3). Således bestäms det antal paneler som skall exciteras för att forma en viss lob av t.ex. förstärknin gen och den erforderliga sidolobnivån. Det bör betonas att bredden och förstärkningen hos varje lob kan förändras adaptivt, och att formen hos varje lob kan styras oberoende av andra lober. 15 20 25 30 511 422 4 Pig. 4 visar ett scenario i vilket flera mobila terminaler (MS1-MS7) kommu- nicerar med en basstation via en moduluppbyggd, konform gruppantennstruktur med 12 paneler. När till exempel en mobil terminal MS1 är långt borta från stationen med l2-panelantennen, är lobens förstärkning hög i riktning mot den mobila terminalen MSl. l detta fall är fem paneler exciterade. Om en mobil terminal MSZ beﬁnner sig nära stationen med 12-panelantennen, räcker det att excitera en panel för att skapa en lob med en stor lobbredd, vars förstärkning är tillräcklig för MSZ. Denna lob har naturligtvis en mycket hög förstärkning nära stationen med l2-panelantennen.As can be seen from Fig. 3, the more panels that are excited, the higher the beam gain and the narrower beam width are obtained. For example, when five panels are excited, the antenna aperture is as large as possible. At this station with 12 panels, the maximum antenna aperture is the same in all directions (Fig. 3). Thus, the number of panels to be excited to form a particular lobe is determined by e.g. the reinforcement and the required side lobe level. It should be emphasized that the width and gain of each lobe can change adaptively, and that the shape of each lobe can be controlled independently of other lobes. 15 20 25 30 511 422 4 Pig. 4 shows a scenario in which several mobile terminals (MS1-MS7) communicate with a base station via a modular, conformal group antenna structure with 12 panels. For example, when a mobile terminal MS1 is far away from the station with the l2 panel antenna, the gain of the beam is high in the direction of the mobile terminal MS1. In this case, five panels are excited. If a mobile terminal MSZ is located near the station with the 12-panel antenna, it is sufficient to excite a panel to create a lobe with a large beam width, the gain of which is sufficient for MSZ. This lobe of course has a very high gain near the station with the l2 panel antenna.

För att skapa en lob som täcker MS3, räcker det att excitera tre paneler. Följ- aktligen understöds de snabbrörliga mobila terminalerna MS2, MS4 nära stationen med IZ-panelantennen med vida lober. Excitering med vida lober kan också använ- das för mobila terminaler med hög vinkelspridning, se till exempel MS4 i Pig. 4.To create a lobe that covers MS3, it is enough to excite three panels. Consequently, the fast-moving mobile terminals MS2, MS4 near the station are supported by the IZ panel antenna with wide lobes. Excitation with wide lobes can also be used for mobile terminals with high angular spread, see for example MS4 in Pig. 4.

Smala lober med hög förstärkning bör användas for mobila terminaler som beﬁnner sig långt från stationen med IZ-panelantennen, t.ex. MSI i Pig. 4. Som ﬁamgår av Pig. 4 kan de adaptiva loberna styras i olika riktningar samtidigt. En stor fördel med detta adaptivt riktade strålningsdiagram, i förhållande till det rundstrålande eller i tre sektorer riktade strâlningsdiagrammet är att signaleffekten bara utsänds i de mobila terrninalernas riktningar, medan ett rundstrålande eller i tre sektorer riktat antenn- system strålar i alla riktningar, oberoende av de mobila terrninalernas lägen. Följakt- ligen är den utrustning som hör samman med den moduluppbyggda, konforrna gruppantennstrukturen enligt uppﬁnningen mindre energikrävande än den utrustning som hör samman med rundstrålande eller i tre sektorer riktade antenner.Narrow lobes with high gain should be used for mobile terminals that are far from the station with the IZ panel antenna, e.g. MSI and Pig. 4. As ﬁ amgår by Pig. 4, the adaptive lobes can be guided in different directions simultaneously. A major advantage of this adaptively directed radiation diagram, in relation to the omnidirectional or three-sector directed radiation diagram, is that the signal power is transmitted only in the directions of the mobile terminals, while a omnidirectional or three-sector antenna system radiates in all directions, regardless of the locations of mobile terminals. Consequently, the equipment associated with the modular, conformal group antenna structure according to the invention is less energy-intensive than the equipment associated with omnidirectional or three-sector directed antennas.

Pig. 5 visar kombinering av antennpaneler. Tre paneler kombineras i Pig. 5, vilka paneler utgör en del av gruppantennstrukturen i masttoppen. Lobformningsen- heterna LSU och delaren/kombineraren är företrädesvis inomhusutrustning som är anslutna till basstationen. Delaren/kombineraren delar/kombinerar signaleffekten till/från lobforrnningsenheterna. Lobformningen i lobforrnningsenheterna LSU kan åstadkommas genom att styra amplitud och fas hos radiosignalerna RP, mellansig- nalema IP eller basbandsignalerna BP.Pig. 5 shows the combination of antenna panels. Three panels are combined in Pig. 5, which panels form part of the group antenna structure in the mast top. The lobe forming units LSU and the divider / combiner are preferably indoor equipment connected to the base station. The divider / combiner divides / combines the signal power to / from the beamforming units. The beamforming in the beamforming units LSU can be accomplished by controlling the amplitude and phase of the radio signals RP, the intermediate signals IP or the baseband signals BP.

Det ovannämnda är endast att betrakta som ett föredraget utförande av upp- ﬁnningen, och dess omfattning definieras endast av efterföljande patentkrav.The above is to be considered only as a preferred embodiment of the invention, and its scope is defined only by the appended claims.

Claims

20 25 511 422 PATENT REQUIREMENTS

A group antenna in a telecommunication system, wherein any number (1, 3, 6, 12) of antenna components are arranged in a predetermined configuration for constructing said group antenna, the radiation diagram of which comprises adaptively controllable lobes, characterized in that said lobes are controllable independently of each other, in an arbitrary direction, towards an arbitrary mobile terminal (MSI-MS7) by means of lobe forming units (LSU).

Group antenna according to claim 1, characterized in that said antenna components comprise antenna elements, preferably dipole elements.

Group antenna according to claim 1 or 2, characterized in that said antenna components are panels with identical shapes.

Group antenna according to claim 3, characterized in that said panels consist of 8 columns with 4 vertically distributed dipole elements. '

Group antenna according to any one of the preceding claims, characterized in that said antenna components / panels are arranged in a closed ring configuration.

Group antenna according to claim 5, characterized in that said configuration contains 3, 6 or 12 antenna components / panel

Group antenna according to one of the preceding claims, characterized in that the more antenna components / panels that are excited, the higher the gain of a lobe and the narrower the width of said lobe.

Group antenna according to one of the preceding claims, characterized in that adjacent lobes can simultaneously have different forms of coverage, depending on the actual traffic situation (MS 1 -MS 7).

Group antenna according to claim 8, characterized in that when a mobile terminal (MSI) is far from said group antenna, your antenna components / panel, preferably three or five panels, can be excited to create a narrow lobe with high gain in the direction of said mobile terminal (MSI).

Group antenna according to claim 8 or 9, characterized in that when a mobile terminal (MSZ) is close to said group antenna, a few antenna components / panels, preferably one or two panels, can be excited to create a wide beam. in the direction of said mobile terminal (MS2).

Group antenna according to one of the preceding claims, characterized in that each lobe forming unit (L SU) is connected to a specific antenna component f-panel.

Group antenna according to one of the preceding claims, characterized in that the adjacent beam forming units (LSU) are connected to a divider / combiner which in turn is connected to a base station.

Group antenna according to one of the preceding claims, characterized in that the lobe formation in the lobe-forming units (LSU) is effected by controlling the phase and amplitude of RF signals, IF signals or BF signals.

Group antenna according to claim 13, characterized in that said phase and amplitude control is achieved by means of complex weight coefficients in said lobe forming units (LSU).