SE521003C2

SE521003C2 - Phased array base station antenna system with polarisation diversity, comprises phase regulated input and output devices, decoupling system and low power amplifiers

Info

Publication number: SE521003C2
Application number: SE9903834A
Authority: SE
Inventors: Sang-Gi Kim
Original assignee: Gamma Nu Inc
Priority date: 1999-10-25
Filing date: 1999-10-25
Publication date: 2003-09-23
Also published as: SE9903834D0; SE9903834L

Abstract

The system comprises a first phase-regulated transmitting device, first, second and third decoupling devices, amplifying devices, first and second phase-regulated antennae, phase-regulated duplexing devices, a second phase-regulated device for receiving signal from the duplexer devices via antenna ports, first and second low power amplifiers (23), and a third phase-regulated device for receiving signals from the second antennae via antenna ports. The first phase-regulated device selects an input signal via a number of beam ports (b1-b8) and splits it into signals for sending via antenna ports (a1-a8), each of the signals having a linear phase difference according to a difference in wavelength distribution. The first decoupling device for receiving an input signal from a base station selects one of the beam ports in the first phase-regulated device and sends it to the chosen beam port in response to a control signal sent from from the base station. The amplifying devices have a pre-determined amplifying factor and are used to amplify signals supplied via the antenna ports in the first phase-regulated device. The first antenna transmits signals from the amplifying devices, associated with which is a spatial output numbering in a direction fir a single-phase plane (27) allowing an effective transmittance sufficient to cover a cell in a controlled direction chosen by the first decoupling device. The first antenna is also used to receive a signal sent from a mobile station. The duplexing device sends signals from the first low power amplifiers to the first antenna, and also receive and send signals from this antenna. Each of the signals received by the second phase-regulated device has a linear phase difference. The second phase-regulated device is also used to allow the signals to be in phase and to strengthen them at a beam port. The second decoupling device selects the strenghtened signal in response to a control signal sent from the base station. The amplifiers are both used to amplify a selected signal and send it to the base station. The second antenna is used to receive a signal sent from a mobile station. Each of the signals received by the third phase-regulated device has a linear phase difference. The third phase-regulated device is also used to allow the signals to be in phase and to strengthen them at a beam port. The third decoupling device selects the strengthened signal in response to a control signal sent from the base station.

Description

lO 521 003 2 11 i basstationen, sänds via radiofrekvenskabeln 12 till sändningsantennen 13 som är placerad i ett antenntorn samt strålar ut via sändningsantennen 13. 521 003 2 11 in the base station, is transmitted via the radio frequency cable 12 to the transmission antenna 13 which is located in an antenna tower and radiates via the transmission antenna 13.

I en returriktning mottas en radiofrekvenssignal som strålar från mobilstationen i mottagarantennen 14 och sänds till lågbrusförstärkaren 16 som är placerad inuti basstationen via radiofrekvenskabeln 15. Eftersom signalerna i returriktningen lätt blir störda av flervägsutbredningsmiljöer (benämnt ”fädning”) behövs en ytterligare väg i motsatt riktning från mottagarantenn 14' till làgbrusförstärkare 16' för att hantera fädningsfenomen. Denna teknik kallas rymddiversitet.In a return direction, a radio frequency signal radiating from the mobile station is received in the receiving antenna 14 and transmitted to the low noise amplifier 16 located inside the base station via the radio frequency cable 15. Since the signals in the return direction are easily disturbed by multipath propagation environments (referred to as "fading"). receiving antenna 14 'to low noise amplifier 16' to handle fading phenomena. This technology is called space diversity.

Figur 2 är ett blockdiagram som illustrerar ett konventionellt dubbelpolariserande antennsystem. Det dubbelpolariserande antennsystemet innefattar en duplexer 23 samt en sändande och mottagande antenn 24 samt en mottagarantenn 25. Basstatikonen innefattar en högeffektförstärkare 21 samt lågbrusförstärkare 27 och 29. Det dubbelpolariserande antennsystemet är anslutet till basstationen via radiofrekvenskablar 22,26 och 28.Figure 2 is a block diagram illustrating a conventional double polarizing antenna system. The dual polarizing antenna system includes a duplexer 23 as well as a transmitting and receiving antenna 24 and a receiving antenna 25. The base static icon includes a high power amplifier 21 and low noise amplifiers 27 and 29. The dual polarizing antenna system is connected to the base station via radio frequency cables 28,26.

Med hänvisning till figur 2 förstärks en signal som skall sändas i en framriktning fràn basstationen till mobilstationen av högeffektförstärkaren 21 i basstationen, sänds via radiofrekvenskabeln 22 och duplexern 23 till sändnings och mottagningsantennen 24 som är placerad i ett antenntorn samt strålar ut via sändningsantennen 24.Referring to Figure 2, a signal to be transmitted in a forward direction from the base station to the mobile station is amplified by the high power amplifier 21 in the base station, transmitted via the radio frequency cable 22 and the duplexer 23 to the transmission and reception antenna 24 located in an antenna tower and radiated via the transmission antenna 24.

I en returriktning mottas en radiofrekvenssignal som strålar från mobilstationen i mottagarantennerna 24 och och sänds till lågbrusförstärkaren 27 och 29 som är placerad inuti basstationen via radiofrekvenskablarna 26 och 28. Denna teknik ger en alternativ returriktning för hanterande av fädning. Denna teknik kallas polarisationsdiversitet. lO _521 003 3 I den kända tekniken sträcker sig vanligen radiofrekvenskabel 12, 15, 22, 26 eller 28 flera tiotal meter fràn det stora antenntornet till insidan av basstationen. Den länga radiofrekvenskabeln konsumerar i onödan mer än halva (3 dB) att tillhandahålla tillräcklig fältintensitet till av utsändningseffekten. För mobilstationen i en cell bör en förstärkare i framriktning mata ut en effekt som är högre än nödvändigt för att kompensera förlusterna i kablarna. Emellertid, allt eftersom utmatningen från effektförstärkaren ökar blir förstärkaren större och dyrare. Dessutom försämras förstärkarens effektivitet. Eftersom förstärkarens effektivitet är läg ökar den onödiga effekten som strålar ut som värme och därmed behövs en kylfläkt eller en luftkonditioneringsanläggning för att balansera värmen, vilket medför ökat buller och strömförbrukning.In a return direction, a radio frequency signal is received which radiates from the mobile station in the receiving antennas 24 and is transmitted to the low noise amplifier 27 and 29 located inside the base station via the radio frequency cables 26 and 28. This technique provides an alternative return direction for handling fading. This technology is called polarization diversity. In the prior art, radio frequency cable 12, 15, 22, 26 or 28 usually extends several tens of meters from the large antenna tower to the inside of the base station. The long radio frequency cable consumes unnecessarily more than half (3 dB) to provide sufficient field intensity for the transmission power. For the mobile station in a cell, a forward amplifier should output a power that is higher than necessary to compensate for the losses in the cables. However, as the output of the power amplifier increases, the amplifier becomes larger and more expensive. In addition, the efficiency of the amplifier deteriorates. Since the efficiency of the amplifier is low, the unnecessary power that radiates as heat increases and thus a cooling fan or an air conditioner is needed to balance the heat, which leads to increased noise and power consumption.

Livslängden för en högeffektförstärkare med låg effektivitet är kort. Dessutom, om förstärkaren gär sönder, försämras kommunikationstjänsten avsevärt och kan till och med avbrytas helt och hållet. Dessa avbrott sker ofta och för att undvika dessa behövs oftast en extra högeffektförstärkare.The life of a high-power amplifier with low efficiency is short. In addition, if the amplifier breaks, the communication service deteriorates considerably and may even be interrupted completely. These interruptions often occur and to avoid these, an extra high-power amplifier is usually needed.

I det ovan nämnda antennsystemet minskar även i en returriktning, frän mobilstationen till basstationen, mottagningskänsligheten eller signalbrusförhàllandet av effektförluster pà grund av flera tiotal meters radiofrekvenskablar. Därför är det viktigt att använda en överspecificerad lägbrusförstärkare med avseende pä brus och förstärkning för att förhindra att kommunikationskvaliteten försämras och därmed ökar kostnaden för systemet. Å andra sidan, i cellulära kommunikationssystem säsom exempelvis CDMA (Code Division Multiple Access) eller GSM (Global System for Mobile communication) kan en signal som sänds ut från en basstation spilla över till en intilliggande cell, vilket medför störningar för lO l5 521 003 4 abonnenter där. Den störande signalen försämrar kommunikationskvaliteten_ I detta fall krävs nedåtvridning av basstationsantennen. Emellertid, om en basstationsantenn vrids nedåt för mycket kan täckningen i cellen bli för låg och antennmönstret kan förvrängas i cellen. Omvänt, en basstationsantennen som är placerad på en höjd måste vridas uppåt. Dessutom måste vridningsstyrning användas för optimering av luftgränssnittsnätverket.In the above-mentioned antenna system, even in a return direction, from the mobile station to the base station, the reception sensitivity or signal-to-noise ratio of power losses due to several tens of meters of radio frequency cables decreases. Therefore, it is important to use an over-specified low noise amplifier with respect to noise and amplification to prevent the communication quality from deteriorating and thereby increasing the cost of the system. On the other hand, in cellular communication systems such as CDMA (Code Division Multiple Access) or GSM (Global System for Mobile communication), a signal transmitted from a base station can spill over to an adjacent cell, causing interference to the device. subscribers there. The interfering signal degrades the communication quality_ In this case, downward rotation of the base station antenna is required. However, if a base station antenna is turned down too much, the coverage in the cell may become too low and the antenna pattern may be distorted in the cell. Conversely, a base station antenna located at a height must be rotated upward. In addition, rotation control must be used to optimize the air interface network.

När vridningsstyrnig behövs i den kända tekniken så hyr en besättning en lyftkran och klättrar upp i antenntornet och vrider det mekaniska fästet 18 för att justera vridningsvinkeln och återigen kontrollera. Detta är mycket besvärligt likväl som det är dyrt. Dessutom kan det inträffa oväntade olyckor snöiga och regniga dagar.When rotation controlled is needed in the prior art, a crew rents a crane and climbs up the antenna tower and rotates the mechanical bracket 18 to adjust the rotation angle and check again. This is very cumbersome as well as it is expensive. In addition, unexpected accidents can occur on snowy and rainy days.

På det hela har den mekaniska nedvridningsstyrningen enligt känd teknik varit ett belastande problem som har förhindrat optimering av luftgränssnittsnätverket i de flesta cellulära kommunikationerna.On the whole, the mechanical twist control according to the prior art has been a burdensome problem which has prevented the optimization of the air interface network in most cellular communications.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Det är därför ett syfte med föreliggande uppfinning att tillhandahålla ett förbättrat basstationsantennsystem som minskar strömförbrukningen i framriktning.SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide an improved base station antenna system which reduces forward power consumption.

Ett annat syfte med föreliggande uppfinning år att tillhandahålla ett förbättrat basstationsantennsystem som tillhandahåller högre tillförlitlighet i framriktning.Another object of the present invention is to provide an improved base station antenna system which provides higher forward reliability.

Ett ytterligare syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett förbättrat basstationsantennsystem som förbättrar kommunikationskvaliteten i returriktning.A further object of the present invention is to provide an improved base station antenna system which improves the communication quality in the return direction.

Ett ytterligare syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett fasstyrt basstationsantennsystem med polarisationsdiversitet som ger minskad strömförbrukning och ökad tillförlitlighet i framriktning samt förbättrar kommunikationskvalitet i returriktning. lO l5 521 003 Ett ytterligare syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett billigt basstationsantennsystem.A further object of the present invention is to provide a phase controlled base station antenna system with polarization diversity which provides reduced power consumption and increased reliability in the forward direction and improves communication quality in the return direction. A further object of the present invention is to provide an inexpensive base station antenna system.

Enligt en aspekt av uppfinningen tillhandahålls ett antennsystem för utsändning av en signal i en basstation som innefattar ett fasstyrt organ för att välja en insignal via en av ett flertal stràlportar, för att dela in insignalen i ett flertal signaler och för att mata ut flertalet signaler via ett flertal antennportar, varvid var och en av signalerna har en linjär fasskillnad enligt en skillnad i utbredningsväglängd; ett omkopplingsorgan för mottagning av insignalen från en basstation, för att välja en av flertalet strålportar hos nämnda fasstyrda organ och för att överföra insignalen till den utvalda strålporten som svar på en styrsignal som sänds från basstationen; ett flertal làgeffektförstärkarorgan för lågeffektförstärkning av flertalet signaler som matas in från flertalet antennportarna hos nämnda fasstyrda organ; samt fasstyrda utstrålande organ för utstrålning av flertalet signaler från nämnda flertal lågeffektförstärkarorgan, varvid tillhandahålls en spatial effektsummering i en riktning för ett samfasplan som medger effektiv utstrålad effekt som är tillräcklig för att täcka en cell i en styrd riktning vald av nämnda omkopplingsorgan.According to one aspect of the invention, there is provided an antenna system for transmitting a signal in a base station comprising a phase controlled means for selecting an input signal via one of a plurality of beam ports, for dividing the input signal into a plurality of signals and for outputting the plurality of signals via a plurality of antenna ports, each of the signals having a linear phase difference according to a difference in propagation path length; a switching means for receiving the input signal from a base station, for selecting one of the plurality of beam ports of said phase controlled means and for transmitting the input signal to the selected beam port in response to a control signal transmitted from the base station; a plurality of low power amplifier means for low power amplifying the plurality of signals input from the plurality of antenna ports of said phase controlled means; and phase controlled radiating means for radiating the plurality of signals from said plurality of low power amplifier means, providing a spatial power summation in one direction for a co-phase plane which allows effective radiated power sufficient to cover a cell in a controlled direction selected by said switching means.

Enligt en andra aspekt av uppfinningen tillhandahålls Ett antennsystem för mottagning av en signal i en basstation, innefattande ett fasstyrt mottagningsorgan som tillåter en signal som stràlas ut fràn en mobilstation; ett fasstyrt organ för mottagning av ett flertal signaler från nämnda fasstyrda mottagningsorgan via ett flertal antennportar, varvid varje signal har en linjär fasskillnad och för att tillåta flertalet signaler att vara i fas och stärkt vid en strålport; ett omkopplingsorgan för att välja den stärkta signalen som svarar på en styrsignal som överförs från basstationen; samt ett lågbrusförstärkarorgan för lågbrusförstärkning l0 l5 521 003 6 av en utvald signal samt överföring av den utvalda signalen ner till basstationen.According to a second aspect of the invention, there is provided an antenna system for receiving a signal in a base station, comprising a phase controlled receiving means allowing a signal radiated from a mobile station; a phase controlled means for receiving a plurality of signals from said phase controlled receiving means via a plurality of antenna ports, each signal having a linear phase difference and for allowing the plurality of signals to be in phase and amplified at a beam port; a switching means for selecting the amplified signal corresponding to a control signal transmitted from the base station; and a low noise amplifier means for low noise amplification of a selected signal and transmitting the selected signal down to the base station.

Enligt ytterligare en aspekt av uppfinningen tillhandahålls ett fasstyrt basstationsantennsystem med polarisationsdiversitet innefattande ett överförande fasstyrt organ för att välja en insignal via en av ett flertal strålportar, för att dela in insignalen i ett flertal signaler och för att mata ut flertalet signaler via ett flertal antennportar, varvid var och en av signalerna har en linjär fasskillnad enligt en skillnad i utbredningsväglängd; ett första omkopplingsorgan för mottagning av insignalen frän en basstation, för att välja en av flertalet strålportar hos nämnda fasstyrda organ och för att överföra insignalen till den utvalda strälporten som svar på en styrsignal som överförs från basstationen; ett första flertal lägeffektförstärkarorgan för lågeffektförstärkning av flertalet signaler som matas in från flertalet antennutgàngarna hos nämnda fasstyrda organ; en första fasstyrd antenn för utstrålning av flertalet signaler från nämnda flertal lågeffektförstärkarorgan, varvid tillhandahålls en spatial effektsummering i en riktning för ett samfasplan som medger effektiv utsträlad effekt som är tillräcklig för att täcka en cell i en styrd riktning vald av nämnda omkopplingsorgan och för mottagning av en signal utstrålad från en mobilstation; duplexerorgan för överföring av signaler frän nämnda första flertalet lägeffektförstärkare till nämnda första fasstyrda antenn och för mottagning samt utmatning av de mottagna signalerna från nämnda första fasstyrda antenn; ett andra fasstyrt organ för mottagning av ett flertal signaler från nämnda duplexerorgan via ett flertal antennportar, varvid var och en av signalerna har en linjär fasskillnad och för att tillåta flertalet signaler att vara i fas och stärkta vid en stràlport; ett andra omkopplingsorgan för att välja den stärkta signalen som svarar pä en styrsignal som överförs från basstationen; ett första lO 521 003 7 lägbrusförstärkarorgan för lägbrusförstärkning av en utvald signal samt överföring av den utvalda signalen till basstationen; en andra fasstyrd antenn för mottagning av en signal som sänds fràn en mobilstation; ett tredje fasstyrt organ för mottagning av ett flertal signaler fràn nämnda andra fasstyrda antenn via ett flertal antennportar, varvid var och en av signalerna har en linjär fasskillnad och för att tillåta flertalet signaler att vara i fas och stärkta vid en strálport; ett tredje omkopplingsorgan för att välja den stärkta signalen som svarar pä en styrsignal som överförs från basstationen; samt ett andra làgbrusförstärkarorgan för lägbrusförstärkning av en utvald signal samt överföring av den utvalda signalen till basstationen.According to a further aspect of the invention, there is provided a phase controlled base station antenna system having polarization diversity comprising a transmitting phase controlled means for selecting an input signal via one of a plurality of beam ports, for dividing the input signal into a plurality of signals and for outputting the plurality of signals via a plurality of antenna ports. each of the signals having a linear phase difference according to a difference in propagation path length; a first switching means for receiving the input signal from a base station, for selecting one of the plurality of beam ports of said phase controlled means and for transmitting the input signal to the selected beam gate in response to a control signal transmitted from the base station; a first plurality of position power amplifier means for low power amplification of the plurality of signals input from the plurality of antenna outputs of said phase controlled means; a first phase controlled antenna for radiating the plurality of signals from said plurality of low power amplifier means, providing a spatial power summation in one direction for a co-phase plane allowing efficient radiated power sufficient to cover a cell in a controlled direction selected by said switching means and for receiving a signal radiated from a mobile station; duplexer means for transmitting signals from said first plurality of position power amplifiers to said first phase controlled antenna and for receiving and outputting the received signals from said first phase controlled antenna; a second phase controlled means for receiving a plurality of signals from said duplexer means via a plurality of antenna ports, each of the signals having a linear phase difference and for allowing the plurality of signals to be in phase and amplified at a beam port; a second switching means for selecting the amplified signal corresponding to a control signal transmitted from the base station; a first position noise amplifier means for position noise amplification of a selected signal and transmission of the selected signal to the base station; a second phase controlled antenna for receiving a signal transmitted from a mobile station; a third phase controlled means for receiving a plurality of signals from said second phase controlled antenna via a plurality of antenna ports, each of the signals having a linear phase difference and for allowing the plurality of signals to be in phase and amplified at a beam port; a third switching means for selecting the amplified signal corresponding to a control signal transmitted from the base station; and a second low noise amplifier means for low noise amplification of a selected signal and transmission of the selected signal to the base station.

KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING Andra syften och aspekter av uppfinningen kommer att tydliggöras i den följande beskrivningen av utföringsformerna med hänvisningar till bifogade ritningar i vilka: Figur 1A och lB illustrerar ett konventionellt basstationsantennsystem med rymddiversitet.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other objects and aspects of the invention will become apparent from the following description of the embodiments with reference to the accompanying drawings in which: Figures 1A and 1B illustrate a conventional base station antenna system with space diversity.

Figur 2 illustrerar ett konventionellt basstationsantennsystem med polarisationsdiversitet.Figure 2 illustrates a conventional base station antenna system with polarization diversity.

Figur 3 illustrerar schematiskt ett överförande fasstyrt basstationsantennsystem med en uppsättning distribuerade làgeffektförstärkare enligt föreliggande uppfinning.Figure 3 schematically illustrates a transmitting phase controlled base station antenna system with a set of distributed low power amplifiers according to the present invention.

Figur 4 illustrerar schematiskt ett mottagande fasstyrt basstationsantennsystem med en uppsättning distribuerade làgeffektförstärkare enligt föreliggande uppfinning.Figure 4 schematically illustrates a receiving phase controlled base station antenna system with a set of distributed low power amplifiers according to the present invention.

Figur 5 illustrerar ett basstationsantennsystem med polarisationsdiversitet med en uppsättning distribuerade làgeffektförstärkare och duplexerenheter enligt föreliggande uppfinning. 521 003 q. .ß 8 Figur 6 illustrerar en högupplösande strålstyrande mikrovågslins enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning.Figure 5 illustrates a polarization diversity base station antenna system with a set of distributed low power amplifiers and duplexer units according to the present invention. 521 003 q. .Ss 8 Figure 6 illustrates a high-resolution beam guiding microwave lens according to an embodiment of the present invention.

Figur 7 visar det strålstyrda strålningsmönstret enligt föreliggande uppfinning.Figure 7 shows the radiation-guided radiation pattern according to the present invention.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Med hänvisning till figur 3 visas ett överförande fasstyrt basstationsantennsystem med en uppsättning distribuerade làgeffektförstärkare enligt föreliggande uppfinning. Antennsystemet baseras på metoden för aktiv fasstyrning genom användning av en högupplösande strålstyrande mikrovågslins. Antennsystemet innefattar en mikrovàgsomkopplare 21, en mikrovågslins 22, ett flertal lågeffektförstärkare 23 samt en uppsättning antennelement 24 placerade med mellanrum om halva våglängden vid mittfrekvensen. Det fasstyrda antennsystemet som har lågeffektförstärkare är anordnat på ett antenntorn.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Referring to Figure 3, there is shown a transmitting phase controlled base station antenna system with a set of distributed low power amplifiers according to the present invention. The antenna system is based on the method of active phase control by using a high-resolution beam-guiding microwave lens. The antenna system comprises a microwave switch 21, a microwave lens 22, a plurality of low power amplifiers 23 and a set of antenna elements 24 placed at intervals of half the wavelength at the center frequency. The phase-controlled antenna system which has low power amplifiers is arranged on an antenna tower.

En av åtta strålportar hos mikrovågslinsen 22 väljs ut av mikrovågsomkopplaren 21 som svarar på en elektrisk digital styrsignal för strålvridning som överförs från ett gränssnittskort (ej visat) i basstationen. En operatör som befinner sig på en avlägsen plats i en cell kan anropa gränssnittskortet för att utpeka strålportnummer via trådlöst modem samt kontrollera den önskade förändringen i strålvridningen. I denna utföringsform antas att en tredje stråle b3 är utvald och att styrsignalen är en 3-bitars signal.One of eight beam ports of the microwave lens 22 is selected by the microwave switch 21 which responds to an electrical digital beam rotation control signal transmitted from an interface board (not shown) in the base station. An operator located at a remote location in a cell can call the interface card to designate beam port numbers via wireless modem and check the desired change in beam rotation. In this embodiment, it is assumed that a third beam b3 is selected and that the control signal is a 3-bit signal.

Om stràlport b3 väljs sprids en insignal vid stràlport b3 till åtta antennportar al-a8 via den högupplösande strålstyrande mikrovàgslinsen 22. De spridda signalerna förstärks av de åtta lågeffektförstärkarna 23, matas till de uppradade antennelementen 24 och utstrálas i luften.If beam port b3 is selected, an input signal at beam gate b3 is spread to eight antenna ports a1-a8 via the high-resolution beam directional microwave lens 22. The scattered signals are amplified by the eight low power amplifiers 23, fed to the lined up antenna elements 24 and radiated into the air.

Mikrovågslinsen är utformad så att varje stråle ger linjär vàglängdsdifferens. Ett samfasplan 27 visat som en streckad linje i figur 2 bildas över de linjärt uppradade 521 003 9 antennerna. Detta ger nästan helt förlustfri spatial effektsummering av de distribuerade förstärkta signalerna i riktningen för normalen till samfasplanet.The microwave lens is designed so that each beam provides a linear wavelength difference. A co-phase plane 27 shown as a dashed line in Figure 2 is formed over the linearly aligned 521 003 antennas. This provides almost completely lossless spatial power summation of the distributed amplified signals in the direction of the normal to the co-phase.

Den effektiva utstrålade uteffekten (ERP) från denna spatiala effektsummering är utmatningen P från effektförstärkaren 23 multiplicerat med förstärkningen G för det strålande antennelementet 24 och med kvadraten på antalet N i uppsättningen element, såsom uttryckt i ekvation (1).The effective radiated output power (ERP) from this spatial power summation is the output P from the power amplifier 23 multiplied by the gain G of the radiating antenna element 24 and by the square of the number N in the set of elements, as expressed in equation (1).

ERP = PGN2 (1) Omvänt, ett konventionellt antennsystem som använder sig av en enda effektförstärkare med uteffekt P och en hög riktbar antenn med förstärkning G kan inte undvika en förlust L på grund av de långa matningskablarna varför den effektiva utstrålade effekten kan uttryckas såsom i ekvation (2) ERP = PGL (2) Med dagens teknik kan effektiviteten för linjära lågeffektförstärkare med uteffekt 2W uppgå till 25%. Som en illustration, med antagande av att åtta effektförstärkare med uteffekt 2W (P=2W=33dBm) är uppradade (N=8) med en antennelementförstärkning på 8dBi (G=8dBi), 59dBmi (~800W) värmeutstrålning på 48W beräknas. erhåller vi den effektiva utstrålade effekten ur ekvation (1). Här kan en Emellertid, om ett konventionellt basstationsantennsystem kräver samma ERP på 59dBmi med en nominell förstärkning (2), krävs högeffektutmatning P=45dBm=32W. Effektiviteten är för sändarantennen på l7dBi, som kan ses ur ekvation mindre än 10% på grund av det stränga linjäritetskravet.ERP = PGN2 (1) Conversely, a conventional antenna system using a single power amplifier with output power P and a high directional antenna with gain G can not avoid a loss L due to the long supply cables so the effective radiated power can be expressed as in equation (2) ERP = PGL (2) With today's technology, the efficiency of linear low-power amplifiers with an output power of 2W can amount to 25%. As an illustration, assuming that eight power amplifiers with output power 2W (P = 2W = 33dBm) are lined up (N = 8) with an antenna element gain of 8dBi (G = 8dBi), 59dBmi (~ 800W) heat radiation of 48W is calculated. we obtain the effective radiated effect from equation (1). Here, however, if a conventional base station antenna system requires the same ERP of 59dBmi with a nominal gain (2), high power output P = 45dBm = 32W may be required. The efficiency is for the transmitter antenna at 17dBi, which can be seen from the equation less than 10% due to the strict linearity requirement.

Om man antar 7% kan man räkna ut att värmeutstrålningen är ungefär 425W. Här har vi antagit att förlusterna i matningskabeln var ungefär 3dB. Emellertid, förlusten är faktiskt mer än 3dB eftersom förlusten ökar med en ökning i frekvensen och en ökning i kabellängd. lO 521 005 Värmeutstrålning enligt föreliggande basstationsantennsystem reduceras med 1/10 i jämförelse med den för konventionella basstationsantennsystem.Assuming 7%, you can calculate that the heat radiation is approximately 425W. Here we have assumed that the losses in the supply cable were approximately 3dB. However, the loss is actually more than 3dB because the loss increases with an increase in frequency and an increase in cable length. Thermal radiation according to the present base station antenna system is reduced by 1/10 compared to that of conventional base station antenna systems.

Med hjälp av ekvation (1) kan fackmannen lätt räkna ut en distribuerad làgeffektförstärkares uteffekt P, strålningselementförstärkning G, antalet i uppradningen som krävs för att ersätta högeffektförstärkare samt matningsförlust enligt (2) för att erhålla samma eller bättre effektiv utstrålad effekt. Även om mikrovågslinsen används i denna utföringsform kan andra anordningar användas för att åstadkomma multipla strålar, såsom Butlermatris och halvledarfasskiftare.Using equation (1), one skilled in the art can easily calculate the output power of a distributed low power amplifier P, radiating element amplification G, the number in the line required to replace high power amplifiers and power loss according to (2) to obtain the same or better efficient radiated power. Although the microwave lens is used in this embodiment, other devices can be used to provide multiple beams, such as the Butler matrix and semiconductor phase shifters.

Figur 4 illustrerar schematiskt ett mottagande fasstyrt basstationsantennsystem med en lågeffektförstärkare enligt föreliggande uppfinning. Mottagarantennsystemet innefattar ett flertal uppradade antenner 31, en mikrovågslins, en mikrovàgsomkopplare 33 samt en làgbrusförstärkare 35.Figure 4 schematically illustrates a receiving phase controlled base station antenna system with a low power amplifier according to the present invention. The receiver antenna system comprises a plurality of aligned antennas 31, a microwave lens, a microwave switch 33 and a low noise amplifier 35.

En signal som tas emot av de uppradade antennerna 31 har en linjär spatial utbredningsväglängdsskillnad över de linjärt anordnade antennerna 31, propagerande genom mikrovägslinsen, stärkta i fas vid en strålport och vidarebefordrad till lågbrusförstärkaren. Emellertid är brussignalerna som tas emot av de uppradade antennerna i slumpmässig fas och förstärks inte vid någon annan strålport. Följaktligen har antennsystemet enligt föreliggande uppfinning bättre mottagningskänslighet än den för konventionella antennsystem. Om antennsystemet enligt föreliggande uppfinningen används kan en abonnent slippa degradering av kommunikationskvaliteten på grund av förluster i matningskabeln. Om mikrovägsomkopplaren 33 tar emot ett kommando som är detsamma som tas emot av mikrovågsomkopplare 21 för det sändande antennsystemet i figur 3, har den mottagande antennen samma täckning som den sändande antennen i figur 3. l0 l5 _ 521 003 ll Var och en av radiosignalerna som strålas ut från en mobilstation och tas emot av flertalet av de uppradade antennerna 31 har olika fas beroende på mottagningsriktningen för signalen. Med andra ord, det är fasskillnader mellan signalerna som tas emot av antennerna 31 som beror av mottagningsriktningen för signalen. Åtta signaler med olika fas som matas in till åtta antennportar hos den högupplösta stràlstyrningslinsen 32 erhåller en identisk fas via olika utbredningsvägar hos linsen 32 och dessa kombineras vid strålporten b3. Å andra sidan, eftersom fasen för brussignalerna som tas emot samtidigt med den mottagna signalen är slumpmässig kommer inte bruset att kombineras vid någon av stràlportarna hos mikrovågslinsen 32.A signal received by the lined-up antennas 31 has a linear spatial propagation path length difference across the linearly arranged antennas 31, propagating through the micro-lens, amplified in phase at a beam gate and transmitted to the low noise amplifier. However, the noise signals received by the lined-up antennas are in a random phase and are not amplified at any other beam gate. Accordingly, the antenna system of the present invention has better reception sensitivity than that of conventional antenna systems. If the antenna system according to the present invention is used, a subscriber can avoid degradation of the communication quality due to losses in the power cable. If the microwave switch 33 receives a command that is the same as that received by the microwave switch 21 for the transmitting antenna system of Figure 3, the receiving antenna has the same coverage as the transmitting antenna of Figure 3. Each of the radio signals radiated from a mobile station and received by the plurality of the aligned antennas 31 have different phases depending on the direction of reception of the signal. In other words, it is phase differences between the signals received by the antennas 31 that depend on the direction of reception of the signal. Eight signals with different phases which are input to eight antenna ports of the high-resolution beam control lens 32 obtain an identical phase via different propagation paths of the lens 32 and these are combined at the beam port b3. On the other hand, since the phase of the noise signals received at the same time as the received signal is random, the noise will not be combined at any of the beam ports of the microwave lens 32.

En b3 av stràlportarna bl-b8 väljs ut av omkopplaren 33 som svarar på en elektronisk strålstyrningssignal som överförs från en operatör som befinner sig på en avlägsen plats i en cell via en ledning eller via en trådlös förbindelse. Styrsignalen består av 3 bitar. Signalen som kombinerats vid strålporten förstärks med förbättrat signalbrusförhàllande med hjälp av lågbrusförstärkare 35 och Överförd till mottagaren hos basstationen. Eftersom signalen är lågbrusförstärkt före de förlusttyngda tiotalet meter matningskabel ökar kommunikations- kvaliteten i returriktningen. Även om mikrovågslinsen används i denna utföringsform kan andra anordningar användas för att åstadkomma multipla strålar, såsom Butlermatris och halvledarfasskiftare.A b3 of the beam ports b1-b8 is selected by the switch 33 which responds to an electronic beam control signal transmitted from an operator located at a remote location in a cell via a wire or via a wireless connection. The control signal consists of 3 bits. The signal combined at the beam gate is amplified with improved signal-to-noise ratio by means of low-noise amplifier 35 and transmitted to the receiver of the base station. Since the signal is low-noise amplified before the loss-heavy tens of meters of supply cable, the communication quality in the return direction increases. Although the microwave lens is used in this embodiment, other devices can be used to provide multiple beams, such as the Butler matrix and semiconductor phase shifters.

Figur 5 illustrerar ett basstationsantennsystem med polarisationsdiversitet basstationsantennsystem med en uppsättning distribuerade lågeffektförstärkare och duplexerenheter enligt föreliggande uppfinning. Det dubbelpolariserande fasstyrda basstationsantennsystemet innefattar en mikrovàgslins 52,56 och 58 samt en uppsättning distribuerade lågeffektförstärkare 53, en l5 521 003 12 uppsättning duplexerenheter 54, en uppsättning dubbelpolariserande (=45°) antenner 55 samt lägbrusförstärkare 57 och 59.Figure 5 illustrates a base station antenna system with polarization diversity base station antenna systems with a set of distributed low power amplifiers and duplexer units according to the present invention. The dual polarizing phase controlled base station antenna system includes a microwave lens 52,56 and 58 and a set of distributed low power amplifiers 53, a set of duplexer units 54, a set of dual polarizing (= 45 °) antennas 55 and position noise amplifiers 57 and 59.

Som beskrivits ovan i samband med figur 3, för en framriktnig, om en strålport (t.ex. b3) hos mikrovàgslinsen 52 väljs ut sprids en insignal ut vid stràlporten till antennportar. De utspridda signalerna förstärks av de distribuerade lågbrusförstärkarna 53, matas till en polariseringsuppsättning av dubbelpolariserande uppradade antenner 55 via duplexerenheter 54 samt utstrålas i luften. Här antas att en uppsättning av polariserande uppradade antenner, de sändande och mottagande antennerna, +45°. har en vinkel på I en returriktning sänds signalerna som tas emot av samma polariserande uppsättning (+45°) till mikrovàgslinsen 56 via de uppradade duplexerenheterna 54 och signaler som tas emot av den andra polariserande mottagningsantennen (-45°) sänds till mikrovàgslinsen 58.As described above in connection with Figure 3, for a forward direction, if a beam gate (e.g., b3) of the microwave lens 52 is selected, an input signal is spread out at the beam gate to antenna ports. The scattered signals are amplified by the distributed low noise amplifiers 53, fed to a polarizing array of double polarizing aligned antennas 55 via duplexer units 54 and radiated into the air. Here it is assumed that a set of polarizing aligned antennas, the transmitting and receiving antennas, + 45 °. has an angle of In a return direction, the signals received by the same polarizing array (+ 45 °) are transmitted to the microwave lens 56 via the lined up duplexer units 54 and signals received by the second polarizing receiving antenna (-45 °) are transmitted to the microwave lens 58.

Signalerna propagerar genom mikrovågslinserna 56 och 58, stärks i fas vid en stràlport, förstärks av lågbrusförstärkarna 57 och 59 innan de går genom de långa förlusttyngda kablarna och sänds till basstationen. Även om mikrovàgslinsen används i denna utföringsform kan andra anordningar användas för att åstadkomma multipla strålar, såsom Butlermatris och halvledarfasskiftare.The signals propagate through the microwave lenses 56 and 58, are amplified in phase at a beam gate, amplified by the low noise amplifiers 57 and 59 before passing through the long loss-heavy cables and transmitted to the base station. Although the microwave lens is used in this embodiment, other devices can be used to provide multiple beams, such as the Butler matrix and semiconductor phase shifters.

Figur 6 visar en mikrovågslins använd i föreliggande uppfinning.Figure 6 shows a microwave lens used in the present invention.

Figur 6 visar en etsad mikrostriplins pà ett substrat med 50 Ohm mikrostrip vid varje port, vilken är utformad med 14 symmetriska 14-strålars portar samt antennportar.Figure 6 shows an etched microstrip lens on a 50 Ohm microstrip substrate at each port, which is formed with 14 symmetrical 14-beam ports and antenna ports.

I dessa utföringsformer används endast 8 stràlportar i mitten av alla 14 stràlportar för att åstadkomma 8 styrda strålar med inbördes avstånd på nästan 2.8° som täcker ilO° i styrningsvinkel. Den visade styrningssteglängden lO s. -. t521 003 13 2.8° är en hög upplösning som kan vara svår att åstadkomma med annan fasstyrda teknik såsom Butlermatris eller halvledarfasskiftare. De återstående 6 strålportarna på båda sidor kan användas för att nå ökad täckning upp till il4°. De 8 antennportarna i mitten av alla 14 antennportarna används för att mata 8 distribuerade förstärkare och antenner och de återstående 6 antennportarna på båda sidor av mikrovågslinsen är reserverade för att tillhandahålla mycket effektivt utsträlad effekt. Eftersom mikrovågslinsen är ett passivt element är den ej riktningsberoende. Således kan en sändande mikrovågslins användas som en mottagande lins och omvänt.In these embodiments, only 8 beam ports are used in the center of all 14 beam ports to provide 8 guided beams with a spacing of almost 2.8 ° covering 100 ° at the steering angle. The displayed guide step length 10 s. -. t521 003 13 2.8 ° is a high resolution which can be difficult to achieve with other phase controlled technology such as Butler matrix or semiconductor phase shifter. The remaining 6 beam ports on both sides can be used to achieve increased coverage up to il4 °. The 8 antenna ports in the middle of all 14 antenna ports are used to feed 8 distributed amplifiers and antennas and the remaining 6 antenna ports on both sides of the microwave lens are reserved to provide very efficient radiated power. Since the microwave lens is a passive element, it is not direction-dependent. Thus, a transmitting microwave lens can be used as a receiving lens and vice versa.

Figur 7 visar strålningsmönster för strålstyrning uppmätta vid en sändande fasstyrt antennsystem som beskrivits i samband med figur 3.Figure 7 shows radiation patterns for radiation guidance measured at a transmitting phase controlled antenna system described in connection with Figure 3.

För att bevara fasstyrningen hos mikrovågslinsen är det viktigt att de distribuerade enheterna, såsom lågeffektförstärkarna och duplexerenheterna, är anpassade i storlek och fasskift vid övergångar från kanal till kanal. Den horisontella axeln är observationsvinkeln i elevationsriktning och den vertikala axeln är intensiteten för strålningsfältet. Som väntat visas 8 styrda strålar inom ilO° med ett mellanrum på nästan 2.8°.In order to preserve the phase control of the microwave lens, it is important that the distributed units, such as the low power amplifiers and the duplexer units, are adapted in size and phase shift at transitions from channel to channel. The horizontal axis is the angle of observation in the direction of elevation and the vertical axis is the intensity of the radiation field. As expected, 8 guided beams are displayed within 10 ° with a gap of almost 2.8 °.

Antennsystemet enligt föreliggande uppfinning nyttjar varken dyra högeffektsförstärkare eller flera tiotal meter radiofrekvenskablar. Därför kan användning av ett antennsystem enligt föreliggande uppfinning spara kostnader för upprättandet och underhållet av antennsystemet.The antenna system of the present invention uses neither expensive high power amplifiers nor tens of meters of radio frequency cables. Therefore, the use of an antenna system according to the present invention can save costs for the establishment and maintenance of the antenna system.

En lågeffektförstärkare som används i föreliggande uppfinning är mer effektiv och dessutom mindre och billigare än en enda konventionell högeffektförstärkare.A low power amplifier used in the present invention is more efficient and in addition smaller and cheaper than a single conventional high power amplifier.

Lågeffektförstärkaren sparar tillräckligt med försörjningsström för att kunna drivas utan ett tungt kylsystem. Dessutom är livslängden för lågeffekt- lO l5 521 003 14 förstärkaren längre än den för högeffektförstärkaren som används i känd teknik eftersom lågeffektförstärkaren är mer tillförlitlig. Även om en eller två av de distribuerade förstärkarna i basstationsantennsystemet enligt föreliggande uppfinning krånglar minskar den effektiva utstrålade effekten med endast nägra få dB och därigenom förhindras plötsliga avbrott i kommunikationstjänsten och även medges tid för underhåll. I motsats till detta, konventionella högeffektförstärkarorgan ett absolut innebär problem med avbrott i kommunikationstjänsten.The low power amplifier saves enough supply current to be able to operate without a heavy cooling system. In addition, the life of the low power amplifier is longer than that of the high power amplifier used in the prior art because the low power amplifier is more reliable. Even if one or two of the distributed amplifiers in the base station antenna system of the present invention fail, the effective radiated power is reduced by only a few dB, thereby preventing sudden interruptions in the communication service and also allowing time for maintenance. In contrast, conventional high power amplifier means an absolute problem with interruption in the communication service.

Enligt föreliggande uppfinning är inte såndningsstrålen fixerad som i den kända tekniken utan kan på elektrisk väg förändras via det trådlösa kommando som sänds från en avlägsen plats och kan även kontrolleras och åter påverkas via mätning av den elektriska fältintensiteten vid den avlägsna platsen, långt från basstationen. Det behövs ingen grupp människor som måste klättra upp i antenntorn för att justera ett mekaniskt fäste, därmed sparas kostnader för underhåll och undviks olyckor.According to the present invention, the sanding jet is not fixed as in the prior art but can be electrically changed via the wireless command transmitted from a remote location and can also be controlled and re-actuated by measuring the electric field intensity at the remote location, far from the base station. There is no need for a group of people to climb the antenna tower to adjust a mechanical bracket, thus saving maintenance costs and avoiding accidents.

Vid användning av föreliggande uppfinning kombineras signalerna i fas i returriktningen vid en strålport hos linsen och förstärks av lågbrusförstärkare före de förlusttyngda flera tiotalet meter matningskabel. Detta avsevärt förbättrar kommunikationskvaliteten i returriktningen. Även om de föredragna utföringsformerna av uppfinningen har visats i illustrerande syfte inser fackmannen inom området att olika variationer, tillägg och ersättningar kan utföras utan att frångå omfånget och andan hos uppfinningen såsom den beskrivs i de bifogade patentkraven.Using the present invention, the signals are combined in phase in the return direction at a beam port of the lens and amplified by low noise amplifiers before the loss-weighted tens of meters of power cable. This significantly improves the communication quality in the return direction. Although the preferred embodiments of the invention have been shown for illustrative purposes, those skilled in the art will recognize that various variations, additions and substitutions may be made without departing from the scope and spirit of the invention as set forth in the appended claims.

Claims

10 l5 20 25 30 35 521 003 15 PATENT REQUIREMENTS

A phase-controlled base station antenna system having polarization diversity comprising: a transmitting phase-controlled means for selecting an input signal via one of a plurality of beam ports, for dividing the input signal into a plurality of signals, and for outputting the plurality of signals via a plurality of antenna ports, and one of the signals has a linear phase difference according to a difference in propagation path length; a first switching means for receiving the input signal from a base station, for selecting one of the plurality of beam ports of said phase controlled means and for transmitting the input signal to the selected beam gate in response to a control signal transmitted from the base station; a plurality of amplifier means having a predetermined gain factor for amplifying the plurality of signals input from the plurality of antenna ports of said phase controlled means; a first phase controlled antenna for radiating the plurality of signals from said plurality of position power amplifier means, providing a spatial power summation in one direction for a phase phase which allows effective radiated power sufficient to cover a cell in a controlled direction selected by said beam switching means and for receiving a signal radiated from a mobile station; phase controlled duplexer means for transmitting signals from said first plurality of low power amplifiers to said first phase controlled antenna and for receiving and outputting the received signals from said first phase controlled antenna; a second phase controlled means for receiving a plurality of signals from said phase controlled duplexer means via a plurality of antenna ports, each of the signals having a linear phase difference and for allowing the plurality of signals to be in phase and amplified at a beam port; a second switching means for selecting the amplified signal corresponding to a control signal transmitted from the base station; a first low noise amplifier means for low noise amplifying a selected signal and transmitting the selected signal to the base station; a second phase controlled antenna for receiving a signal transmitted from a mobile station; a third phase controlled means for receiving a plurality of signals from said second phase controlled antenna via a plurality of antenna ports, each of the signals having a linear phase difference and for allowing the plurality of signals to be in phase and amplified at a beam port; a third switching means for selecting the amplified signal corresponding to a control signal transmitted from the base station; and a second low noise amplifier means for low noise amplifying a selected signal and transmitting the selected signal to the base station.

The antenna system of claim 1, wherein said antenna system is mounted on an antenna tower.

The antenna system of claim 1, wherein said phase controlled means comprises a micrograph lens for high resolution beam radiation control.

The antenna system of claim 1, wherein said phase controlled means comprises Butler matrix for high resolution beam rotation control.

The antenna system of claim 1, wherein said phase controlled means comprises a series of semiconductor phase shifters.

The antenna system of claim 1, wherein the control signal is transmitted from an interface card within the base station, which is called and controlled via wireless modem by an operator located at a remote location within a cell.