SE523086C2 - System för tredimensionell utvärdering av ett elektroniskt vektorvågfält - Google Patents

Description

30 n o u a oo 1523 086 -. -..- ~ . n .nu . .. .. .. - 1 . .u- . . nu... a. ~ o.. 1 -. 1 z . . u .u - .Q . . . . . . ~ . « .. u n.- Även i det enklaste fallet av kommunikation inom siktlinjen är positionen och orienteringen samt rörelsen hos den mobila stationen på förhand okända. Dessutom inbegriper kommunikation på marken vanligtvis minst en reflex. I stads- och inomhusmiljö kompliceras situationen ytterligare med multipla reflexer, diffraktion på grund av hinder och vågdispersion av heterogena media. Genom att utnyttja det fullständiga elektromagnetiska fältet kan en hittils försummad rikedom av information användas för att kompensera för och dra nytta av den ofta förödande påverkan på radiosignalen som orsakas av kommunikationskanalen.

När antennsystem med hög verkningsgrad används i cellindelade nätverk är undertryckning av sidolober och strålformning mål för önskad antennkonstruktion, för att optimera täckningen av celler utan att kontaminera grannceller och för att förenkla överlärnningsprocessen då de mobila stationerna rör sig mellan celler. Exempelvis har elektrisk eller mekanisk lutning av huvudstrålen införts över hela världen. För sektoreeller kan horisontella sektorstrålar skapas genom att använda till exempel en hörnreflektorantenn. Strålformer med Valbar undertryckning av sidolober kan skapas genom att använda komplexa antennvikter, dvs genom att inte bara justera fasen utan även amplituden hos individuella antennelement i en gruppantenn. Det finns många andra tekniker och typer av antenner som inte omnämns här. Då dessa antennsystem ändå inte fullt ut använder tre- dimesionaliteten hos det elektromagnetiska vektorvågfältet återstår de som mer eller mindre inflexibla och presterar inte optimalt i en städse föränderlig radiomilj ö .

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Den föreliggande uppfinningen påvisar ett system för sändning och/ eller mottagning av elektromagnetiska vågor där det fullständiga tredimensionella beaktande. föreskriver den föreliggande uppfinningen ett system för tredimensionell elektromagnetiska vektorvågfältet tas i Närmare bestämt utvärdering av det elektromagnetiska vektorvågfältet över en yta eller volym 10 15 20 Vfi 30 i 523 086 2 med användande av en gruppantenn omfattande ett flertal tredimensionella polarisatíonsceller. En tredimensionell polarisationscell är sammansatt av minst tre antennelement med en orientering i rummet sådan att minst tre rumslígt oberoende komponenter av det elektromagnetiska vektorvågfältet kan erhållas. För mottagning och/ eller sändning verkar därmed varje individuell polarisationscell som en elektroniskt styrbar antenn. Genom dess kombination i form av en gruppantenn erhålles ett ytterst flexibelt antennsystem.

Nyheten med uppfinningen är att utnyttja vektoregenskaperna hos det elektromagnetiska vcktorvågfältet som gjorts tillgängligt av en gruppantenn som utgörs av ett flertal polarisationsceller. Den största fördelen med uppfinningen ligger i dess robusthet i störd radiomiljö där kunskap om kommunikationskanalen är dålig. inom trådlös Den huvudsakliga kommunikation, där tredimensionell utvärdering av det elektromagnetiska tillämpningen för systemet är vektorvågfältet ger värdefull information om den trådlösa signalen och om kommunikationskanalen.

Den föreliggande uppfinningen definieras av de oberoende patentkraven l och 2 och det beroende patentkravet 3.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinníngen, tillsammans med ytterligare föremål och fördelar av dessa, kan bäst förstås genom att hänvisa till följande beskrivning tillsammans med de bifogade ritningarna, i vilka: FIG. 1 illustrerar en föredragen utföringsform av ett mottagarsystem för tredimensionell utvärdering av ett elektromagnetiskt vektorvågfält; FIG. 2 illustrerar en föredragen utföringsform av ett sändarsystem för tre- dimensionell utvärdering av ett elektromagnetiskt vektorvågfält; 10 20 25 30 ~ u o p n FIG. 3 illustrerar en föredragen utföringsforrn av ett sändtagarsystem för tredimensionell utvärdering av ett elektromagnetiskta vektorvågfält; FIG. 4 är en illustration av en utföringsform av en gruppantenn av tre- dimensionella polarisationsceller med varje cell bestående av en elektrisk korsad dipolantenn och en elektrisk monopolantenn; samt FIG. 5 illustrerar en utföringsform av en polarisationscell använd i FIG. 4.

DET ALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Den föreliggande uppfinningen utnyttjar en gruppantenn bestående av ett antal funktionellt odelbara enheter, benämnda tredimensionella polarisationsceller. Funktionen hos dessa polarisationsceller är att erhålla minst tre oberoende fältstyrkor av det elektromagnetiska vektorvågfältet. En sådan gruppantenn har förmågan att göra tre komponenter av det elektromagnetiska fältet tillgängliga över en yta eller volym. Detta tillåter de tredimensionella polarisationsegenskaperna hos den trådlösa signalen att bli - kontrollerade över en yta (se tex, T. Carozzi et al., “Parameters characterizing electromagnetic wave polarization”, Physical Review E, 61, 2000, pp. 2024-2028).

En matematisk modell av en grupp skalära sensorer för multipla skalära vågformer finns härledd i bla P. Stoica and R. Moses, “Introduction to Spectral Analysis”, Prentice-Hall, Inc., 1997. Denna modell är härledd för smala frekvensbandbegränsade bårvågsmodulerade signaler men gör inga ytterligare antaganden om vågformen. Vi utökar denna modell till en gruppantenn av tredimensionella polarisationsceller och antar att N elektromagnetiska vågor infaller på gruppantennen.

Låt rm, beteckna den tid det åtgår för våg n, där n = 1,2,---,N , att färdas från en refernspunkt vid position ro till polarisationscell m vid position rm, där m=l,2,---,M . Om vi låter den reellvärda tredimensionella vektorn x,,(t) 10 20 25 523 086 5' representera väg n vid tiden t, kan den reellvärda tredimensionella utsignalsvektorn ym(t) från polarisationscell m skrivas ymU)=|1m(f)*ZX,(f-f,,m)+Wm(f) (1) där 3 >< 3 matrisen hm (t) betecknar impulssvaret från polarisationscell m, och * betecknar faltningsoperationen (se till exempel G. B. Arfken and H. J.

Weber, “Mathematical Methods for Physicists", Fifth Edition, Academic Press, 2001) och w,,,(t) är en additativ brusvektor.

Den temporala Fourier transformen av x” (t), vilken vi antar existerar och vara begränsad för alla vinkelfrekvenser co e (-oo,oo) , kan skrivas x, (w) = lx, (nexppiwndf (za) Den inverse transformen är då x, (f) = Xx, (w) expfiwnaw (21)) Vi låter Ym(co) och W", (w) vardera beteckna Fouriertransformen av utsignalvektorn ym(t) och brusvektorn wm(t). Dessutom definierar vi polarisatíonscellsöverföringsmatrisen Hm (w). som Fouriertransformen av h, (r) . polarisationscellen och är beroende av cellgeometrin såväl som den inbördes Överföringsmatrisen H,,,(w) är central i beskrivningen av kopplingen mellan individuella cellelement inom en cell. I allmänhet är Hm (w) också beroende av den mottagna elektromagnetiska vågen x,,(t).

Genom att använda denna notation och ta Fouriertransformen för Ekv. (1) erhålles 10 15 20 25 30 :#523 086 6 ..- .nu u n fu . n- nu o u . n. -. .- . aa. .nu n u n u; one Ym = Hm . Z Xn exp(_i wTmn) + Wm (3) För en generell klass av fysiska signaler, både sådana skapade av människan och av naturligt ursprung, så är energispektrumet symmetriskt kring a; = 0. Dessutom säges en signal vara bandbegränsad om dess energi är koncentrerad i ett särskilt frekvensband kring en centrumfrekvens wc.

Spektrumet från en sådan signal är fullständigt definierat av spektrumet från motsvarande basbandssignal. Radiofrekventa (RF) signaler demoduleras vanligtvis i en mottagare genom blandning av RF-signalen med en känd signal från en lokal-oscillator (LO), i ett eller flera steg, i kombination med bandpassfiltrering. Basbandssignalen motsvarar RF-signalen, centrerad kring wc, skiftad i frekvens ner till å: = 0. Om signalen är blandad i flera steg så har man också mellanfrekvenssignaler (IF).

Vi antar att den elektromagnetiska vågen x" (t) är bandbegränsad och låter s,,(t) beteckna motsvarande basbandsrepresentation, dvs den associerade komplexa envelopen. Fouriertransformen ges av Sn(co'), där w'=co-a>c är basbandsfrekvensen. På motsvarande sätt låter vi u,,,(t) och U,,,(w') beteckna och motvarande vardera och Ym (co) . basbandsutsignalvektorn Fouriertransform, associerad med y,,,(t) På grund av symmetrin hos energispektrumet | X” (m) |2 kring co = 0 , måste vi ha Xflw) = 5,10 -CÛJ + SfÅ-(w + GU) = S,,(fl>') + Sf. (flf-2wc) (421) där S; är komplexkonjugatet av S". På motsvarade sätt erhålles Ym (w) = Um (af) + UL (af-Mc) (4b) 15 20 25 o Q . . un 523 086 9- Den komplexa envelopen u,,,(t) kan erhållas genom filtrering av den blandade signalen y,,,(t) exp(-ia>ct) med ett bandpassfllter med en bandbredd anpassad till den hos Um(a>'). Alltså, genom eliminering av högfrekvenskomponenten UI, (af-Zwc) i Ekv. (4b), och därmed också av S;(a)'-2a>c) i Ekv. (4a), blir den bandpassfiltrerade versionen av Ekv. (3) Um (flf) = Hm (fffflflc) - 2 5,, (flf) @XP(-i(w'+wc )fm,. ) + W”. (flfmc) (5) Vi antar nu att signalerna år smalbandiga, så att |S,,(a>') 12 avtar snabbt för växande |a>'|. Dessutom antar vi att polarisationscellsöverföringsmatrisen, Hm (w), är konstant i passbandet kring wc. Under detta antagande reduceras Ekv. (5) på ett approximativt sätt till Um (af) = Hm (wc) ~ 25,. (CWRXIX-iwcfmn) + W,,. (flftffflc) (6) Motsvarigheten till Ekv. (6) i tidsdomånen blir då “m(f) = Hm (wc) ~ ZSAÛCXIX-íwcfmn) + W". (f) (7) I matrisform kan Ekv. (7) skrivas u, H, 0 0 exp(-iwc^r,,) exp(-i wc 1,2) exp(-iwcrl N) s] w, u 2 ___ 0 H2 0 exp(-i wei-m) exp(-iwc122) exp(-i wcrw) s, + w 2 (8) E 0 I I 1 i i “M o o HM CXPÜÅWCTMÛ expkiwcz-Mz) expßiwcï-MN) SN WM och w år vektorer och att H III Observera att komponenterna um, s komponenterna Hm år 3 >< 3 matriser. På kortforrn använder vi notationen u=A-s+w (9) 10 20 25 30 - - o ø u i523g086 Komponenterna rm av tidsfördröjningsmatrisen T är inte ytterligare speciñerade. Emellertid beror de av gruppantenngeometrin och i detalj av och de relaterad till egenskaperna hos mediet mottagna vågformerna.

Vågvinkelfrekvensen w är vågvektorn k genom dispersionsrelationen w=a>(k), vilken beror av mediet. Som ett specíalfall ges dispersionsrelation för vakuum av af :kzcz , där c betecknar ljushastigheten. Om vi till exempel antar att plana vågformer infaller på en gruppantenn som befinner sig i luft, så att dispersionrelationen för vakuum kan antas gälla, skulle vi ha wcTmn =(rm_r0)'kn* där rm betecknar positionsvektorn för polarisationscell m, relativt en referenspunkt, och k” betecknar vägvektorn för den elektromagnetiska vågen x,,(t). beaktande.

Sändningsproblemet är i princip inversen av mottagningsproblemet. Ä andra Hítills har endast mottagningsproblemet tagits i sidan är sändningsproblemet i praktiken nästan alltid separerat frän mottagingsproblemet. I till exempel ”Frequency Division Duplex” (FDD) system används separata frekvensband för mottagning och sändning, vilket betyder att de två problemen inte är reciproka.

För att separera mellan de två problemen kommer vi för sändning därför att använda Ä* -fi = ï, (12) Gruppantennöverföringsmatrisen Ô för tredimensionell sändning har samma mening som inversen A” men i allmänhet är A4 :ß A4. För sändning är den komplexa envelopen av de utsända vågorna betecknad med š och de 15 20 25 30 7523 oss 7 en nu ostörda insignalerna levererade till systemet med ü. Påverkan av additivt brus, vilken är viktig i mottagningsproblemet, har därför försummats.

I härledningen av de tvâ modellerna, Ekv. (9) och Ekv. (12), har vi av bekvämlighet valt att använda en basbandsrepresentatíon. Vi skulle lika gärna kunna, med några mindre modifieringar, ha använt en RF eller en IF representation.

Den härledda gruppantennmodellen, Ekv. (9), är ett exempel på en i bred bemärkelse harmonisk process (komplexa exponentialer i brus) (se tex. M.H.

Hayes, “Statistical Digital Signal Processing and Modeling", John Wiley Sr Sons, Inc. 1996), i detta särskilda fall generaliserad till tre dimensioner. Ur ett matematiskt synsett är anledningen till att modellen enkelt är identifierbar som en harmonisk process är tillämpningen av Fouriertransformen, vilken ger upphov till exp(-ico,T) matrisen i Ekv. (8). skall transformationen vara en transformation av Cohen-klass (se L. Cohen, Andra typer av tranformationer är möjliga. Rent allmänt 'fGeneralized phasefspace distribution functions”, Jour. Math. Phys., vol.7, pp.78l-786, 1996), vilken innefattar exempelvis Fouriertransformen och Wavelet-transformen. Harmoniska processer används brett inom signalanalysen och utgör en användbar representation för slumpmässiga processer när signalerna innehåller periodiska komponenter. Talrika icke- parametriska och parametriska metoder för spektrum och frekvensuppskattning har utvecklats och tillämpats på gruppantenn- processering. Några av dessa metoder är med mindre eller inga modifieringar direkt tillämpbara på den föreliggande uppfinningen. Emellertid kan den fulla nyttan av den föreliggande uppfinningen endast uppnås genom specialkonstruerade signalbehandlingsalgoritrner. Det särskilda valet av algoritm är beroende av tillämpningen och kommer inte att behandlas här.

BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM En föredragen utföringsform av ett mottagarsystem för tredimensionell utvärdering av ett elektromagnetiskt vektorvågfält, enligt Ekv. (9), visas i 10 15 20 25 30 n c n n n. u 523 086 o o u I n u u v n a o n auo usa - Q n n a n o 4 ~ n a n u v u u u c ø n u n n n c n u u o n u nu nu an.

Figur 1. Det elektromagnetiska vektorvågfältet antas bestå av en superposition av N elektromagnetiska vågor mottagna av en gruppantenn av M detta fall elektromagnetiska vektorvågfältet 5 representerat av N tredimensionella tredimensionella polarisationsceller. I är det komplexa vektorer s = [s,(t),s,(t),---,sN(t)]T . Utsignalen 10, representerad av de M tredimensionella komplexa vektorerna u=[u,(t),u2(t),---,uM (t)]T, erhålles genom matrismultiplikation 15 av det elektromagnetiskta vektorvågfältet 5 med gruppantennöverföringsmatrisen för tredimensionell mottagning 20, representerad av den komplexa matrisen A, och tillägg av brus 25, tredimensionella vektorerna representerat av de M komplexa w =[w.,w2,---,wM]T- En föredragen utföringsform av ett sändarsystem för tredimensionell utvärdering av ett elektromagnetiskt vektorvågfålt, enligt Ekv. (12), visas i Figur 2. Det elektromagnetiska vektorvågfältet antas bestå av en superposition av N elektromagnetiska vågor utsända av en gruppantenn av M tredimensionella polarisationsceller. I detta fall är den ostörda insignalen 30, representerad av' de M tredimensionella komplexa vektorerna ü=[ïí,(t),ü,(t),---,üM (t)]T. Det utsända elektromagnetiska vektorvågfältet 35, representerat av de N tredimensionalla komplexa vektorerna š = [š1(t),'š, (t),---,š',, (t)]T , erhålles genom matrismultiplikation 40 av insignalen 30 med gruppantennöverföringsmatrisen för tredimensionell sändning 45, re resenterad av den kom lexa matrisen ÃJ.

P P En föredragen utföringsform av ett sändtagararsystem för tredimensionell utvärdering av ett elektromagnetiskt vektorvågfält visas i Figure 3. Detta system kombinerar mottagarsystemet för tredimensionell utvärdering visat i Figur 1 med sändarsystemet för tredimensionell utvärdering visat i Figur 2.

En utföringsform av en gruppantenn omfattande ett flertal tredimensionella polarisationsceller visas i Figur 4. I detta fall är det två olika typer av polarisationsceller 6 och 11. Flera av dessa polarisationsceller är monterade 10 15 20 25 30 1523 086 ..... .. . på ett bakplan 16 för att skapa en rektangulär gruppantenn.

Polarisationscellen 6 består av en korsad dípol 21 och en monopol 26. Den andra polarisationscellen 11 har positionerna för den korsade dipolen och monopolen utbytta. När gruppantennen skapas placeras de två typerna av polarisationsceller så att varje korsad dipol 21 är omgärdad av fyra monopoler 26 och varje monopol 26 är omgärdad av fyra korsade dipoler 21, förutom på gruppantennens kant.

I Figur 5 visas den korsade dipolen 21 i detalj. De två dipolerna 31 och 36 år vinkelräta mot varandra och båda är monterade 45° från vertikalen på en isolerande del 41. Den isolerande delen håller dipolerna på plats och bidrar med anordningar för matning av dipolerna med separata kablar 46 och 51 genom dess insida. Ett rör 56 är också fäst på den isolerande delen och den andra änden av röret år monterat på bakplanet för att »behålla den korsade dipolen i en fixerad position ovanför bakplanet. Inuti röret befinner sig kablarna för matning.

Monopolen 26 består av ett antennelement 71 monterat på ett bakplan genom en isolerande cylinder 76 som isolerar antennelementet från bakplanet. Cylindern bidrar också med ett hål genom vilket monopolen matas 8 1.

Kablarna för att mata antennerna löper genom öppningar i bakplanet som befinner sig där röret 56 och cylindern 76 är monterade på bakplanet.

Matningskablar 91 är utritade på andra sidan av bakplanet med avseende på antennerna.

Som inses av en fackman inom antennkonstruktion så är ett oändligt antal utföringsformer med olika monteringar av polarisationscellerna, deras individuella konfiguration och positionering möjliga. Dessutom kan vilken som helst av de elektriska antennerna visade i Figureerna 4 and 5 bytas ut mot tex magnetiska loopantenner eller slot-antenner eller vilken som helst kombination av dessa.

Claims (12)

~ 523 086 ,_-¿ z PATENTKRAV

1. System för utvärdering av ett tredimensionellt elektromagnetiskt vektorvågfält genom mottagning av ett elektromagnetiskt vektorvågfält, kännetecknat av att åtminstone två polarisationsceller (6, 11) arrangeras i rymden för att bilda en grupp av polarisationsceller, vilka därmed bildar en mottagnings- gruppantenn innefattande ett flertal polarisationsceller, en gruppöverföringsmatris (15) beräknas för mottagning med gruppantennen innefattande flertalet polarisationsceller, samt erhålles ett elektromagnetiskt vektorvågfält mottaget med gruppantennen innefattande flertalet polarisationsceller, varvid de tredimensionella polarisationsegenskaperna för det elektromagnetiska vektorvågfältet mottaget av gruppantennen härleds över en yta eller volym i rymden, och beräknas de tredimensionella vågformerna för flertalet elektromagnetiska vågor.

2. System enligt krav 1, kännetecknat av att överföríngsmatrisen Hm(cu) för polarisationscellen för mottagningsgruppantennen erhålles ur en Fourier-transform av en funktion hm(t), varvid en matris hm(t) betecknar ett impulssvar för polarisationscellen m.

3. System enligt krav 2, kännetecknat av att en polarisationscell (6) i mottagningsantennen med flerfaldig polarisation innefattar åtminstone ett första element (31) för en första polarisationsriktning, ett andra element (36) för en andra polarisationsríktning samt ett tredje element (26) för en tredje polarisationsriktning, vilket tillgängliggör tredimensionell elektromagnetisk fältinformation för en radiofrekvent väg.

4. System enligt krav 3, kännetecknat av att det första, andra och tredje elementet i mottagningsgruppantennen är antingen ett elektriskt eller magnetiskt antennelement. 523 086 nnn n nn n n n n n nn n n nn nn nn n n n n n n n n n n n n n nnn n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n nn nnn nn

5. System för utvärdering av ett tredimensionellt elektromagnetiskt vektorvågfält genom sändning av ett elektromagnetiskt vektorvågfält, kännetecknat av att åtminstone två polarisationsceller (6, ll) arrangeras i rymden för att bilda en grupp av polarisationsceller, vilka därmed bildar en sändnings- gruppantenn med polarisationsceller, en gruppöverföringsmatris (45) beräknas för sändning med gruppantennen med polarisationsceller, samt genereras ett elektromagnetiskt vektorvågfält med hjälp av gruppöverföringsmatrisen som skall sändas med gruppen av polarisationsceller, varvid det elektromagnetiska vektorvågfältets tredimensionella polarisationsegenskaper sända med gruppantennen 'styrs över en rymdyta, och erhålls tredimensionella vågformer för flertalet utsända elektromagnetiska vågor.

6. System enligt krav 5, kännetecknat av att överföringsmatrisen Hm(w) för sändningspolarisationscellsgruppantennen erhålles ur en Fourier- transform av en funktion hm(t), varvid en matris “h,,.(t) betecknar ett impulssvar för polarisationscellen m.

7. System enligt krav 6, kännetecknat av att en polarisationscell (6) i sändningsantennen med flerfaldig polarisation innefattar åtminstone ett första element (31) för en första polarisationsríktning, ett andra element (36) för en andra polarisationsriktning samt ett tredje element (26) för en tredje polarisationsriktning, vilket tillgängliggör tredimensionell elektromagnetisk fältinformation för en radiofrekvent våg.

8. System enligt krav 7, kännetecknat av att det första, andra och tredje elementet i sändningsgruppantennen år antingen ett elektriskt eller magnetiskt antennelement. i _ __ __ __: _. .g f: "Iz .g :..: /q i

9. System för utvärdering av ett tredimensionellt elektromagnetiskt vektorvågfält genom sändning och mottagning av en elektromagetisk vektorvåg, kännetecknat av att ett mottagningssystem för tredimensionell utvärdering av ett vektorvågfält kombineras med ett sändningssystem för en tredimensionell generering av vektorvågfältet, åtminstone två polarisationsceller (6, ll) arrangeras i rymden för att bilda en grupp av polarisationsceller, vilka därmed bildar en mottagnings- och sändningsgruppantenn med polarisationsceller, en gruppöverföringsmatris beräknas för mottagning (20) och sändning (45) med polarisationscellsgruppantennen.

10. System enligt krav 9, kännetecknat av att överföringsmatrisen Hm(w) för "mottagnings- och sändningspolarisationscellgruppantennen erhålles ur en Fourier-transform av en funktion hm(t), varvid en matris hm(t) betecknar ett impulssvar för polarisationscellen m.

11. System enligt krav lO, kännetecknat av att cn polarisationsccll (6) i mottagnings- och sändningsantennen med flerfaldig polarisation innefattar åtminstone ett första element (31) för en första polarisationsriktning, ett andra element (36) för en andra polarisationsriktning samt ett tredje element (26) för en tredje polarisationsriktning, vilket tillgängliggör tredimensionell elektromagnetisk fältinformation för en radiofrekvent väg.

12. System enligt krav 11, kännetecknat av att det första, andra och tredje eleinentet i mottagnings- och sändningsgruppantennen är antingen ett elektriskt eller magnetiskt antennelement.