Antennenarray mit Dreitoren
Die Erfindung betrifft Antennensysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung Antennensysteme aus mehreren miteinander verschalteten Einzelantennen, wobei jede Einzelantenne über Empfangsverstärker verfügt und aus den jeweiligen Empfangsdaten der kooperierenden Antennen Informationen über die komplexe Struktur des einfallenden Signals errechnet werden.
In herkömmlichen sog. „intelligenten" (d.h. steuerbaren) Antennen müssen die Phasenunterschiede in den einzelnen Pfaden zu und von den verschiedenen Antennenelementen (z.B. eines Antennen-Arrays) im analogen Höchstfrequenzbereich definiert eingestellt werden. Da in den hierzu erforderlichen elektronischen Phasenschiebern Verluste auftreten, müssen rauscharme Empfangsverstärker für den Empfang (bzw. Leistungsverstärker für den Sendefall) eingefügt werden. Aufgrund der verschiede- nen technischen Probleme der Konstruktion (Linearität, Phasentreue, Rauschzahlen, Thermische Stabilität) sind diese "Phased Arrays" sehr kostenintensiv.
Eine Verbesserung verspricht neuerdings der Einsatz mikro- elektromechanischer Phasenschieber (MEMS) , die aufgrund wesentlich geringerer Einfügungsverluste den Wegfall der rauscharmen Verstärker ermöglichen könnten. Die MEMS Technologie ist aber derzeit weder ausgereift, noch sind Lösungsansätze für die Lebensdauer- und Schaltzeitprobleme in Sicht.
Bei einer Verlagerung der Phasensteuerung in den Digitalteil eines Antennensystems ( 'Digi tal Beam Forming' - DBF) können die o.g. Probleme prinzipiell umgangen werden. Um die entsprechenden Gewichtsfaktoren in einem derartigen 'Digital Beamformer' einstellen zu können, uss jedoch die von jedem Antennenelement empfangene Signalfunktion nach Betrag und Phase bekannt sein, d.h. pro Pfad ist ein vollständiger (digitaler) Empfänger mit In-Phase und Quadratur-Auswertung erforderlich. Die einzelnen Pfade müssen ferner zueinander ko- härent, d.h. phasenstarr sein. Dies verursacht wiederum einen hohen Aufwand bei der Konstruktion derartiger ' Front-End' - Technologie .
Die Erfindung geht aus von dem geschilderten Stand der Tech- nik. Gegenstand der Erfindung ist es, eine für den 'Digi tal Beam Forming' Ansatz geeignete, wesentlich vereinfachte Empfangstechnologie anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Antennensystem gemäß An- spruch 1. Weitere Details unterschiedlicher Ausführungsformen und Vorzüge der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert unter Bezugnahme auf die Figu- ren und den darin angegebenen Bezugszeichen.
Es zeigen:
Figur 1 Übliche Ausführung einer passiven Sechstor- Schaltung
Figur 2 Typischer Aufbau eines Sechstor-Empfängers
Figur 3 Anordnung eines Multiantennensystems auf der Basis
vollständiger Sechstore mit gemeinsamer Referenz
Figur 4 Sechstor in Kombination mit einem weiteren Antennenpfad mit nur einem Ausgang (Dreitor)
Figur 5 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antennen-Arrays zur Bestimmung der Signal- Einfallriehtung (Poynting-Vektor)
Figur 6 Ausführungsbeispiel einer Kombination von n Antennenpfaden mit jeweils einem Dreitor
Figur 7 Simulation der Ausgangsleistungen an den Toren 1 bis 5 des Arrays nach Fig. 6 in Abhängigkeit der Phasenverschiebung zwischen den Antennenpfaden und der I/Q-Signalkonstellation
Bei sogenannten Mehrtor-Empfängern (auch Sechstor bzw. Fünftor-Empfänger genannt) wird aus mehreren skalaren Messungen auf die komplexe Signalstruktur zurückgerechnet. Dazu wird das zu empfangende Signal in einer passiven Schaltung mit einem Signal bekannter Amplitude und Phasenlage überlagert (lokaler Oszillator, LO) und mit unterschiedlichen Phasenlagen an mindestens drei Ausgänge gegeben. Man kann zeigen, dass durch Signalgleichrichtung und Messung der Leistungspegel an mindestens drei Ausgängen eindeutig auf die komplexe Signalstruktur zurückgeschlossen werden kann. Bei mehr Ausgängen erhöht sich die Genauigkeit - daher werden häufig vier Ausgänge verwendet, woraus sich zusammen mit den Signal- und Re- ferenzeingängen das bekannte Sechstor ergibt. Bei mehr als vier Toren steigen die Verluste stark an, so dass im allgemeinen kein Genauigkeitsgewinn mehr erzielt wird.
Der theoretische Hintergrund des Sechstor-Prinzips wurde von Engen in den 70er Jahren begründet [1] [2] . Er verwendete das Sechstor-Prinzip zum Bau eines Reflektometers, das komplexe Reflexionsfaktoren und damit gleichzeitig die Steuerparameter eines Zweitores messen kann. Seit Mitte der 90er Jahren wird dieses Prinzip auch zum Aufbau von Hochfrequenz- Eingangselementen von Empfängern untersucht, wobei das komplexe Verhältnis zwischen dem Empfangssignal (RF)
![Figure imgf000006_0001](https://patentimages.storage.googleapis.com/7a/11/7d/750996c3b75333/imgf000006_0001.png)
und dem Lokaloszillatorsignal (LO) a = a ,>
(2'r-Λo-'
+d) L,O„ LO bestimmt wird [3]
Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer passiven Sechs- tor-Schaltung. Die auf einem solchen oder ähnlichen passiven Schaltungsaufbau basierende Sechstor-Technologie ist Stand der Technik [2] [4] [5] [6] . Nimmt man die Sechstor-Komponenten als ideal an, dann ergibt sich an den Ausgängen 3 bis 6 für die Superposition (Addition) der beiden Signale (LO + RF) die in Figur 1 an die jeweiligen Ausgänge des Sechstors eingetragenen Formen der Summensignale. Die Leistungen, die nun an den Ausgängen gemessen werden, hängen vom Amplituden-, Phasen-, und Frequenzunterschied der beiden Signale ab. Von den linear unabhängigen Ausgangsleistungen ( P
3 bis P
6) kann somit das komplexe Verhältnis des LO- und RF-Signales berechnet werden :
Des weiteren kann gezeigt werden, dass bei unendlich hoher Isolation des RF- und LO-Tores folgender linearer Zusammen-
hang der I und Q Komponente des RF-Signals mit den Leistungsverhaltnissen PJ./P3 (i = 4...6) vorliegt:
Dabei sind die Ax und B± Kalibrierungskoeffizienten, die durch geeignete Methoden bestimmt werden müssen. Auch hierzu existieren bereits Losungen [7] .
Figur 2 zeigt einen typischen Aufbau eines Hochfrequenz- (HF) -Eingangsteils mit den Komponenten zur Berechung der I und Q Komponente des RF-Signals, bestehend aus dem passiven
Sechstor und seinen vier Ausgangen P3...P6r den nachgeschalte- ten Leistungsdetektoren LD3-LD6 und Tiefpassfiltern (TPF) , der Analog-Digitalwandlung (A/D) und der Prozessoreinheit (CPU) .
Auf der Basis des Sechstor-Prinzips ist die Realisierung ei- nes kostengünstigen Multi-Antennensystems zur Berechnung des Einfallwinkels Φ der einfallenden Wellenfront (RF) möglich. Dabei gelten die im Folgenden für ein Sechstor beschriebenen Ausfuhrungen grundsatzlich auch für Funf-Tore, bzw. allgemein für „nM-Tore (mit n ≥ 5) . Eine erste Variante besteht darin, für jeden Pfad bzw. jedes Antennenelement Ai, Ai usw. des
Multi-Antennen-Systems jeweils einen der oben beschriebenen Sechstor-Empfanger inkl. Berechnungskomponenten vorzusehen, wie in Figur 3 für ein einfaches Zwei-Antennen-System dargestellt. Dieses Anordnungsschema lasst sich grundsatzlich auf beliebig viele Antennenpfade Aι...An erweitern. Jedes Sechstor Si, S2 liefert entsprechende I und Q-Daten (Il Q\ bzw. I2, Q2) . Aus Vergleich dieser Daten lasst sich der Einfallwinkel Φ bestimmen. Entscheidend für die Berechnung des Einfallwin-
kels Φ ist die phasenstarre Synchronisation der Sechstore untereinander über den gemeinsamen lokalen Oszillator LO. Der Nachteil dieses Aufbaus besteht im relativ hohen Aufwand der pro Antennenpfad anfällt.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antennensystems besteht darin, nicht für jeden Antennenpfad Aχ...An einen eigenen vollständigen Sechstor-Empfänger vorzusehen, sondern die Anzahl der insgesamt eingesetzten Ausgangstore zu verringern bzw. zu minimieren. Dies bietet einen entscheidenden Vorteil, da pro reduziertes Ausgangstor je ein Leistungsdetektor, Tiefpassfilter und A/D-Wandler wegfallen. Dazu werden im Folgenden zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele vorgestellt.
Figur 4 zeigt den Aufbau eines vereinfachten Zwei-Antennen- Systems, bei dem ein erster Antennenpfad Ai mit nachgeschaltetem herkömmlichen Sechstor Si zur Berechnung der I und der Q Komponente des Empfangssignals (RF) dient, und die zweite Antenne A2 nur noch zur Bestimmung des Einfallwinkels Φ der eintreffenden Wellenfront des RF-Signals verwendet wird. Dabei genügt es, in diesem Antennenpfad A2 nur über einen einfachen Addierer (d.h. ein Dreitor, Di) das RF- und das LO- Signal zu addieren (Superposition) und die resultierende Leistung a zu messen. Unter der Voraussetzung einer wiederum gemeinsamen Referenz (LO) für Sechstor Si und Dreitor Di ändert sich die Amplitude a am Ausgang des Addierers (Dreitor Du in Abhängigkeit des Einfallwinkels Φ.
Unter Verwendung mindestens eines weiteren Antennenpfads mit Dreitor (Drei-Antennen-System) und einer geeigneten geometrischen Anordnung der vorhandenen Antennen (nicht als lineare Kette, sondern als 2-dimensionales Array) lässt sich der Poynting-Vektor (P) der einfallenden Wellen dreidimensional
(Winkellagen Φ und φ zum Antennenarray) aus den Ausgangssignalen berechnen.
Figur 5 gibt eine schematische Darstellung der geometrischen Verhältnisse. Das Antennenarray Aι...An ist hier planar (3x3 Antennen in einer Ebene) angeordnet. Die Erweiterung auf weitere Antennenpfade mit Dreitoren ist möglich und dient zur Erhöhung der Genauigkeit der Bestimmung der Raumwinkel Φ und cp, sowie der I und Q Werte.
Eine weitergehende Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 6 schematisch dargestellt. Bei dieser Anordnung wird vollständig auf die Verwendung eines Sechstors an einem einzelnen Antennenpfad verzichtet, d.h. jeder Antenne Aι...An eines Ar- rays ist nur ein Dreitor Dι...Dn nachgeschaltet. Auch hier ist wiederum Voraussetzung, dass jedes Dreitor eine gemeinsame Referenz (LO) verwendet. Das Referenzsignal wird bei dieser Ausführung um jeweils 2π/n phasenverschoben auf die n Dreitore (Addierer) gegeben. Mit n ≥ 5 lassen sich aus den n Aus- gangsdaten ai bis an der Dreitore sowohl die I und Q Komponenten des Empfangssignals (RF) , als auch die Raumwinkel Φ und cp des Poynting-Vektors (P) der einfallenden Welle eindeutig bestimmen. Eine mögliche räumliche Anordnung der n Antennenelemente kann dabei beispielsweise wieder wie in Figur 5 dargestellt erfolgen.
Figur 7 zeigt Simulationsergebnisse des in Fig. 6 dargestellten Aufbaus für n = 5 , wobei die Leistung a2 bis as an den Dreitoren Di bis D5 in Abhängigkeit von der Phasenverschie- bung zwischen den Antennenpfaden dargestellt ist. Die obere Bildhälfte zeigt die Ergebnisse für die RF-Signalkonstella- tion 1=1 und Q=0, das untere Bild analog für 1=0 und Q=l, d.h. ein um 90° phasenverschobenes Signal bei gleicher Frequenz. Man erkennt, dass sich unter Beibehaltung eines be-
stimmten Arrays für jedes Tor die Kurven in Abhängigkeit von I und Q gegeneinander verschieben. Damit können aus den Signalen der Dreitore sowohl die I/Q-Werte des RF-Signals, als auch gleichzeitig - mit Hilfe der Phasenverschiebung zwischen den Antennenelementen - die Raumwinkel Φ und cp des Poynting- Vektors eindeutig bestimmt werden.
Literatur
[1] G.F. Engen, C.A. Hoer, Appl ica tion of an arbi trary 6- port j unction to power measurement problems, IEEE Trans . Instrum. Meas . , vol. IM-21, pp.470-474, Nov.1972 [2] US-Patent 4104583: Six-port measuring circui t
[3] Ji.Li, R. G. Bosisio, K. Wu, A Six-port Direct Digi tal Receiver, Digest of IEEE MTT Symposium, vol. 3, pp.1659- 1662, San Diego, May 1994
[4] US-Patent 5274333: Frequency balanced six-port reflecto- meter wi th a variable testport impedance
[5] US-Patent 5498969: Device for the vector measurement of ul tra -high frequency signals of the same angular frequency of the six-port j unction type [6] EPO, Offenlegungsschrift EP 1011204 AI, Empfänger mit Sechs-Tor-Schal tung
[7] WIPO, Offenlegungsschrift WO 9908393 AI, Cal ibra tion of n-port receiver