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Die Erfindung betrifft ein Antennen-Array
mit einer Kalibriereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches
1 sowie ein zugehöriges
Verfahren zu dessen Betrieb nach Anspruch 13. Das Antennen-Array
ist insbesondere für
die Mobilfunktechnik bestimmt, insbesondere für Basisstationen bei der Mobilfunk-Übertragung.
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Ein gattungsbildendes Antennen-Array
umfasst üblicherweise
mehrerer Primärstrahler,
mindestens jedoch zwei neben- und übereinander angeordnete Strahler,
so dass sich eine zweidimensionale Array-Anordnung ergibt. Diese
auch unter dem Begriff "Smart-Antennen" bekannten Antennen-Arrays
werden beispielsweise auch im Militärbereich zur Verfolgung von
Zielen (Radar) eingesetzt. In diesen Anwendungen wird auch oftmals
von "phased array"-Antennen gesprochen.
Verstärkt
werden diese Antennen in letzter Zeit jedoch auch im Mobilfunk eingesetzt,
insbesondere in den Frequenzbereichen 800 MHz bis 1000 MHz bzw.
1700 MHz bis 2200 MHz.
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Durch die Entwicklung neuer Primärstrahlersysteme
ist nunmehr auch der Aufbau von dualpolarisierten Antennen-Arrays, insbesondere
mit einer Polarisationsausrichtung von +45° bzw. –45° gegenüber der Horizontalen bzw. Vertikalen
ermöglicht worden.
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Derartige Antennen-Arrays, gleich,
ob sie grundsätzlich
dualpolarisierte oder nur einfach polarisierte Strahler umfassen,
können
zur Bestimmung der Richtung des ankommenden Signals eingesetzt werden.
Gleichzeitig kann jedoch durch entsprechende Abstimmung der Phasenlage
der in die einzelnen Spalten eingespeisten Sendesignale auch die
Abstrahlrichtung verändert
werden, d.h. es erfolgt eine selektive Strahlformung.
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Diese Ausrichtung der Abstrahlrichtung
der Antenne kann sowohl durch eine elektronische Strahlschwenkung
erfolgen, d.h., dass die Phasenlagen der einzelnen Signale durch
eine geeignete Signalverarbeitung eingestellt werden. Ebenso möglich sind
auch geeignet dimensionierte passive Strahlformungsnetzwerke. Auch
der Einsatz von aktiven oder durch Steuer-Signale ansteuerbaren
Phasenschiebern in diesen Speisenetzwerken zur Veränderung der
Abstrahlrichtung ist bekannt. Ein derartiges Strahlformungsnetzwerk
kann beispielsweise aus einer sogenannten Butler-Matrix bestehen,
die beispielsweise vier Eingänge
und vier Ausgänge
aufweist. Das Netzwerk erzeugt je nach beschaltetem Eingang eine
andere, aber feste Phasenbeziehung zwischen den Strahlern in den
einzelnen Dipolreihen. Ein derartiger Antennenaufbau mit einer Butler-Matrix
ist beispielsweise aus der gattungsbildenden
US 6,351,243 bekannt geworden.
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Bei allen aufgeführten Anordnungen zur Strahlformung
be steht jedoch das Problem, dass die Phasenlage der einzelnen, in
die einzelnen Primärstrahler
eingespeisten Signale von der Länge
der Anschlusskabel abhängt.
Da dies oftmals relativ lang sein können – insbesondere bei exponierten
Standorten – wird
eine Kalibrierung der Phasenlage der Antenne inklusive der Anschlusskabel
erforderlich. In die Kalibrierung mit einbezogen werden ebenfalls
natürlich
auch aktive elektronische Komponenten in den einzelnen Speiseleitungen,
wie beispielsweise Sende- oder Empfangsverstärker.
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Gerade bei derartigen elektronischen
Komponenten ist eine Kalibrierung durch Bauteiltoleranzen und Temperaturabhängigkeiten
der Gruppenlaufzeit oftmals erforderlich.
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Ein spezielles Problem besteht beim
Einsatz von vorgeschalteten Butler-Matrixen zur Richtungsformung.
Hier wird eine Kalibrierung recht kompliziert, da die Phasenlage
nach der Butler-Matrix uneinheitlich ist und auch normalerweise
mehrere Primärstrahler
der Antenne einen Teil des Signals erhalten.
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Entsprechende Kalibrierverfahren
zu einer entsprechend optimierten Einstellung einer gewünschten
Phasenlage für
die einzelnen Strahlerelemente sind insbesondere bezüglich dualpolarisierter Antennen
nicht bekannt.
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Bekannt sind lediglich Verfahren,
in denen einzelne Elemente eines vertikal gestockten Antennen-Arrays
mit jeweils an den Dipolen liegenden Sonden bestückt sind. Diese Antennen werden
beispielsweise im Flugfunk eingesetzt. Die dabei verwendeten Sonden
dienen dem Nachweis, dass jeder Dipol eine entsprechende Leistung
erhält.
Durch Zusammen schaltung auf einen Ausgang wird somit der Gesamtpegel
erfasst und gemessen. Falls ein Dipol unzureichende Leistung erhält, wird
somit diese Störung
schnell erkannt, da sich dann der Gesamtpegel verändert. Dadurch,
dass alle Primärstrahler
mittels eines gemeinsamen Speisenetzwerkes zusammengeschaltet sind,
spielt die Phasenlage bzw. die Laufzeit zwischen Sondenausgang (Monitorausgang
bei Flugfunkantennen) und Eingang der Antenne lediglich eine untergeordnete
Rolle.
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Mit anderen Worten ist mit einer
derartigen Anordnung letztlich eine Erfassung der Leistung möglich. Eine
differenzierte Auswertung der Phase der einzelnen Primärstrahler
ist weder möglich
noch bei derartigen Systemen notwendig, da es sich lediglich um
eine starre, fest miteinander verschaltete Array-Anordnung handelt,
welche keine schwenkbare oder schaltbare Veränderung der Hauptstrahlrichtung
aufweist.
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In der
US
5,644,316 ist eine aktive Phasen-Einstelleinrichtung für eine Antenne
gezeigt, bei welcher dem Antennen-Array vorgelagert eine Koppeleinrichtung
vorgesehen ist. Der Koppeleinrichtung nachgeordnet sind N parallel
geschaltete Übertragungspfade,
die jeweils eine Phasen- und eine Amplituden-Einstelleinrichtung
umfassen, worüber
ausgangsseitig ein dem betreffenden Pfad zugehöriges Strahlerelement angesteuert
wird. Um eine entsprechende Kalibrierung durchzuführen, werden
die einzelnen Pfade nacheinander vermessen, wozu jeweils eine ausgangsseitig
vorgesehene Sonde einem betreffenden Strahlerelement zugeordnet
wird. Das über
den betreffenden Pfad dem Strahlerelement zugeführte Sendesignal wird über die
Sonde aufgefangen und ebenfalls einer Auswerteinrichtung zu geführt. Durch
Auswertung des ausgangsseitig abgezweigten Sendesignales im Vergleich
mit dem über die
Sonde erhaltenen Sendesignal kann dann über den jeweils vermessenen
Pfad die dort vorgesehene Phasen- und Amplituden-Einstelleinrichtung
entsprechend angesteuert werden. Die Kalibriereinrichtung erfordert
also, dass die Sonde nacheinander zu jedem Strahler des Antenne-Arrays
verfahren wird, um die von dem betreffenden Strahler ausgesandten
Signale aufzufangen, um darüber
letztlich den den einzelnen Strahlern vorgelagerten Übertragungspfad vorzunehmen.
Zudem ist eine detaillierte Lösung,
wie die Sonden im Verhältnis
zu den Strahlen anzuordnen sind, in dieser Vorveröffentlichung
nicht beschrieben. Insbesondere ist nach der schematischen Darstellung
bei Verwendung nur einer Sonde zumindest bei Arrays mit mehr als
zwei Spalten keine symmetrische Kopplung bezüglich der Phasenlage als auch
der Amplitude zumindest im Nahfeld der Antennen herstellbar.
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Aus der
US 6,046,697 ist eine insoweit vergleichbare
Kalibriereinrichtung bekannt geworden. Auch bei dieser Vorrichtung
wird bevorzugt ein spezielles Signal über die einzelnen Signalwege
einem den einzelnen Signalwegen zugeordneten Strahler zugeführt, um über eine
in das Nahfeld des Strahlerelementes gebrachte Sonde ein Phasenlagen-Signal zu erfassen.
Dadurch kann eine Phasensteuerungseinrichtung eingangsseitig angesteuert
werden, worüber
das Signal dem betreffenden Strahlerelement zugeführt wird.
Anstelle einer unterschiedlich positionierbaren Sondeneinrichtung
können
auch Koppeleinrichtungen vorgesehen sein, die dann jedem einzelnen
Strahlerelement zugeordnet sind. Über die Schalteinrichtung können die
Koppeleinrichtungen nacheinander zu- und abgeschaltet werden.
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Schließlich ist ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Kalibrierung einer Gruppenantenne auch aus
der
DE 198 06 914
C2 bekannt geworden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel
ist jedem Antennenelement eine Richtkoppeleinrichtung zugeordnet, worüber von
dem betreffenden Signalpfad jeweils ein Signal ausgekoppelt werden
kann. Zur Kalibrierung werden nacheinander jeweils Testsignale zu
einem einzelnen Antennestrahler gesendet und über den Richtkoppler ein Signalwert
ausgekoppelt. Den Richtkopplern nachgeordnet ist ein Leistungsteiler. Das
im Kalibrierverfahren einem einzelnen Strahler zugeführte Signal
wird dadurch über
den betreffenden Richtkoppler ausgekoppelt und über den Leistungsteiler zu
dessen zentralem Tor geführt.
An diesem zentralen Tor ist ein Reflexionsabschluss angeschlossen.
Der Sendesignalanteil wird an diesem Reflexionsabschnitt reflektiert
und in amplituden- und phasengleiche Teilsignale an den Verzweigungstoren aufgeteilt,
wobei es so viele Verzweigungstore gibt, wie Sende- oder Empfangspfade.
Die aus dem Sendesignal abgeleiteten einzelnen Teilsignale werden nun über die
Richtkoppler in die einzelnen Empfangspfade eingekoppelt. Die an
den Ausgängen
der Empfangspfade anliegenden, vom Strahlungsformnetzwerk aufgenommenen
Teilsignale werden von einer Steuerungseinrichtung ausgewertet.
Dadurch lässt sich
für jeden
einzelnen zu einem Antennenstrahler führenden Pfad ein Gesamttransmissionsfaktor
bestimmen, worüber
eine Gewichtung und damit letztlich eine Phaseneinstellung vorgenommen
werden kann.
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Auch hier ist der Gesamtaufwand beachtlich, da
jeder Antennenspalte eine Richtkoppeleinrichtung zugeordnet sein
muss. Eine Koppeleinrichtung ist hier erforderlich, da hierüber wie
erwähnt
in jedem einzelnen Sendepfad zum einen ein Teilsignal ausgeblendet
und zum anderen ein über
die Reflektionseinrichtung und den Leistungsteiler kommendes Teilsignal
in jedem einzelnen Pfad über
die vorgesehenen Richtkoppler wieder eingekoppelt werden muss, um die
betreffende Auswertung durchzuführen.
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Aus der WO 99/54960 A2 ist ein Kalibriersystem
für eine
Array-Antenne als bekannt zu entnehmen, wobei die Kalibrierung gemäß dieser
vorveröffentlichten
Druckschrift zur Beeinflussung der Phasenlage der einzelnen Dipole
dient. Eine Kalibrierung bezüglich
der Zuleitungen zu der Antenne ist weder erörtert noch nahegelegt. Die
Kalibrierung gemäß dieser
Vorveröffentlichung
wird mittels Antennenelementen (Dipole) durchgeführt.
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Aus der ferner vorveröffentlichten
WO 01/19101 A1 ist ein Verfahren einer Vorrichtung zur Kalibrierung
einer Smart-Antennen-Array-Anlage
als bekannt zu entnehmen. Bei diesem vorveröffentlichten Antennen-Array
wird eine Kalibrierung der Phasen- und Amplitudenlagen der einzelnen
Elemente (Dipole) beschrieben. Grundsätzlich wird dabei davon ausgegangen,
dass die Transceive-Einheiten keine zeitlich konstanten und idealen
Phasenlagen sowie Amplituden erzeugen können, da mindestens Toleranzen
in den RX- und TX-Einheiten
(also den Empfangs-Einheiten und den Sende-Einheiten) dies verhindern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es demgegenüber
ein Antennen-Array mit einer Kalibriereinrichtung zu schaffen, welches
einfach aufgebaut ist und gegenüber
dem Stand der Technik gleichwohl Vorteile aufweist. Ein derartiges
Antennen-Array soll dabei gemäß eines
erforderlichen Verfahrens einfach betrieben werden können. Bei
dem erfin dungsgemäßen Antennen-Array
soll es sich dabei bevorzugt um ein dualpolarisiertes Antennen-Array
handeln. Die zugehörige
Kalibriereinrichtung soll deshalb bevorzugt für ein derartiges dualpolarisiertes Antennen-Array
geeignet sein.
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Die Aufgabe wird bezüglich des
Antennen-Arrays gemäß den im
Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Ein erfindungsgemäßes Verfahren
zum Betrieb eines derartigen Antennen-Arrays ergibt sich gemäß den Merkmalen
nach Anspruch 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die erfindungsgemäße Kalibriereinrichtung bzw.
das erfindungsgemäße Antennen-Array
zeichnen sich durch zahlreiche Vereinfachungen auf, die durchaus überraschend
sind.
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Überraschend
ist, dass es gemäß der Erfindung
nunmehr möglich
ist, für
jeweils eine Spalte eines Antennen-Arrays mit mehreren übereinander
angeordneten Strahlern oder Strahlereinrichtungen weniger Sonden
oder Koppeleinrichtungen vorzusehen, als in der betreffenden Spalte
des Antennen-Arrays an übereinander
angeordneten Strahlern vorgesehen sind. Bei jeweils N-übereinander
angeordneten Strahlern oder Koppeleinrichtungen ist es erfindungsgemäß problemlos
möglich,
beispielsweise nur N/2 feststehende Sonden pro Spalte vorzusehen.
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Noch überraschender ist jedoch, dass
sich erfindungsgemäß gezeigt
hat, dass pro Spalte auch bei N-übereinander
angeordneten Strahlern nur eine einzige feststehende Sonde notwendig
ist, über
die beide Polarisationen vermessen werden können ! Im Falle der Verwendung
einer Koppelein richtung beispielsweise in der Form eines Richtkopplers
werden bevorzugt für
einen dualpolarisierten Strahler zwei Koppeleinrichtungen, d.h.
für jede
Polarisation eine Koppeleinrichtung, verwendet.
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Schließlich ist es erfindungsgemäß sogar möglich, für ein Antennen-Array
mit beispielsweise vier Spalten nur zwei feststehende Sonden (oder zwei
feststehende Koppeleinrichtungen bei einem einfach polarisierten
Antennen-Array oder beispielsweise zwei Paare von feststehenden
Koppeleinrichtungen bei einem dualpolarisierten Antenne-Array) vorzusehen,
die bevorzugt zur vertikalen Mittelsymmetrieebene symmetrisch angeordnet
werden. So kann beispielsweise für
die beiden äußersten
Spalten je eine Sonde (oder je eine Koppeleinrichtung im Falle eines
einfach polarisierten Antennen-Arrays oder je ein Paar von Koppeleinrichtungen
bei einem dualpolarisierten Antennen-Array) oder beispielsweise
für die
beiden mittleren Spalten je eine Sonde (bzw, wieder in entsprechender
Weise die Koppeleinrichtung) vorgesehen sein.
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Schließlich ist es sogar im Falle
eines Strahlformungsnetzwerkes vorzugsweise in Form einer Butler-Matrix
möglich,
lediglich einen, vorzugsweise aber zumindest zwei feststehende Sonden
zu verwenden, die jeweils einem Strahlerelement in einer unterschiedlichen
Spalte des Antennenarrays zugeordnet sind. Durch die hierüber gewonnenen
Messergebnisse kann letztlich eine Phasenbeziehung bezüglich aller
Strahlerelemente ermittelt werden. Dies ist letztlich dadurch möglich, da
herstellerseitig die einzelnen Strahler, deren Anordnung sowie die
Länge der
Speisekabel einer eingangsseitigen Anschlussstelle bis zu den Strahlern
so vermessen und abgestimmt sind, dass alle Strahlerelemente auch bei
Verwendung eines Strahlformungsnetzwerkes z.B. nach Art einer Butler-Matrix
in einer fest vorgegebenen Phasenbeziehung zueinander strahlen. Treten
Phasenverschiebungen durch vorgeschaltete Strahlformungsnetzwerke
oder durch unterschiedliche vorgeschaltete Kabellängen auf,
so wirken sich dadurch verursachte Phasenverschiebungen auf alle Strahler
aus, so dass letztlich sogar über
nur eine einzige feststehende Sonde oder möglicherweise nur durch eine
einzige einem Strahler zugeordnete Koppeleinrichtung, eine Verschiebung
der Phasenlage detektiert werden kann. Dies gilt selbst dann, wenn bezüglich der
Vielzahl der Strahler des Antennen-Arrays ein Downtilt-Winkel voreingestellt
oder vorgesehen ist.
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Der Abgriff der Testsignale für den Kalibriervorgang
erfolgt bevorzugt nicht über
Koppeleinrichtungen, d.h. insbesondere nicht über Richtkoppler, sondern über Sonden,
die im Nahfeld vorgesehen sein können.
Dabei erweist sich als besonders günstig, dass auch bei dualpolarisierten
Strahlern für
beide Polarisationen nur eine einzige Sonde notwendig ist ! Die
Sonden können
unmittelbar auf dem Reflektorblech eines Antennen-Arrays stehend
so angeordnet werden, dass die vertikale Erstreckungshöhe gemessen
gegenüber
der Ebene des Reflektorbleches niedriger ist als die Lage und Anordnung
der Strahlerelemente, beispielsweise der Dipolstrukturen für die Strahlerelemente.
Ebenso kann die erfindungsgemäße Kalibriereinrichtung,
d.h. das erfindungsgemäße Antennen-Array
auch aus Patchstrahlern oder aus Kombinationen aus Patchstrahlern
mit Dipolstrukturen aufgebaut sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist beispielsweise die für jede Antennen-Array-Spalte
vor gesehene geringe Anzahl von Sonden oder beispielsweise nur für einige
Spalten vorgesehene einzige Sonde bevorzugt am obersten oder untersten
Strahler bzw. an der obersten oder untersten Dipol-Strahler-Struktur
angeordnet. Entsprechendes gilt dann, wenn anstelle der Sonden Koppeleinrichtungen
verwendet werden. Bevorzugt werden die Sonden in einer zur Reflektorebene
senkrechten Vertikalebene angeordnet sein, die symmetrisch durch
die dualpolarisierte Strahlerstruktur hindurch verläuft. Aber
auch ein Seitenversatz ist grundsätzlich möglich.
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Die bevorzugt zumindest beiden kapazitiven oder
induktiven Sonden oder die gegebenenfalls verwendeten Koppeleinrichtungen
werden mittels eines Kombinationsnetzwerkes fest miteinander verschaltet.
Dieses Kombinationsnetzwerk ist bevorzugt derart aufgebaut, dass
die Gruppenlaufzeit vom Eingang der jeweiligen Spalte bis zum Ausgang
des Kombinationsnetzwerkes für
alle Antenneneingänge
(zumindest bezüglich
einer Polarisation bei dualpolarisierten Antennen) und über den
gesamten Betriebsfrequenzbereich in etwa gleich groß ist.
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Schließlich lässt sich eine weitere Verbesserung
auch dadurch erzielen, dass das Kombinationsnetzwerk verlustbehaftete
Komponenten beinhaltet. Denn diese Komponenten tragen zu einer Verringerung
von Resonanzen bei.
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Das erfindungsgemäße Antennen-Array bzw. die
erfindungsgemäße Kalibriereinrichtung
eignet sich zur Kalibrierung eines Antennenarrays, bei welchem üblicherweise
die in den einzelnen Spalten angeordneten Strahler und Strahlergruppen
jeweils über
einen eigenen Eingang angesteuert werden. Von daher kann mittels
der erfindungsgemäßen Kalibrierein richtung
eine entsprechende Phasen-Kalibrierung durchgeführt werden, um eine gewünschte Strahlformung
zu erhalten. Dabei kann ebenfalls eine Verschwenkung der Hauptstrahlrichtung
vor allem in Azimutrichtung (aber auch natürlich in Elevationsrichtung)
mit realisiert sein. Das erfindungsgemäße Antennen-Array und die erfindungsgemäße Kalibriereinrichtung
lassen sich aber auch gleichermaßen dann verwenden, wenn dem
Antennen-Array noch ein Strahlformungsnetzwerk beispielsweise in
Form einer Butler-Matrix vorgeschaltet ist.
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Die Phasenlage der Transmission vom
Eingang der einzelnen Spalten bzw. der Antenneneingänge ist
zwar bevorzugt gleich groß,
wobei jedoch in der Praxis die Phasenlage (oder die Gruppenlaufzeit) zur
idealen Phasenlage mehr oder weniger starke toleranzbedingte Abweichungen
aufweist. Die ideale Phasenlage ist dadurch gegeben, dass die Phase
für alle
Pfade identisch ist, und zwar auch bezüglich der Strahlformung. Die
mehr oder weniger stark toleranzbedingten Abweichungen ergeben sich
additiv als Offset oder auch frequenzabhängig durch unterschiedliche
Frequenzgänge.
Erfindungsgemäß wird hier
vorgeschlagen, die Abweichungen über
alle Übertragungspfade
vorzugsweise auf der Strecke vom Eingang Antennen-Array oder Strahlformungsnetzwerk
bis zum Sondenausgang oder Eingang bis Sondenausgängen und
bevorzugt über
den gesamten Betriebsfrequenzbereich vermessen (beispielsweise bei
der Produktion der Antenne). Im Falle der Verwendung von Koppeleinrichtungen
werden die Übertragungspfade
bevorzugt auf der Strecke vom Eingang Antennen-Array oder Strahlformungsnetzwerk
bis Koppelausgang oder Koppelausgängen vermessen. Diese ermittelten
Daten können
dann in einem Datensatz gespeichert werden. Diese in geeigneter
Form, eben bei spielsweise in einem Datensatz gespeicherten Daten
können
dann einer Sendeeinrichtung bzw. der Basisstation zur Verfügung gestellt werden,
um dann zur elektronischen Erzeugung der Phasenlage der einzelnen
Signale berücksichtigt
zu werden. Als besonders vorteilhaft erweist sich, beispielsweise
diese Daten oder den erwähnten
Datensatz mit den entsprechenden Daten einer Seriennummer der Antenne
zuzuordnen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Dabei
zeigen im einzelnen:
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1 :
eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Antennen-Array
mit eingezeichneten Sonden für
eine Kalibriereinrichtung;
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2:
eine schematische auszugsweise Vertikal-Querschnittsdarstellung längs einer
Vertikalebene durch eine Spalte des in 1 gezeigten Antennen-Arrays;
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3 :
eine Darstellung von vier typischen Horizontaldiagrammen, die durch
eine Gruppenantenne mit Hilfe einer 4/4-Butler-Matrix erzeugt werden
(also einer Butler-Matrix mit vier Eingängen und vier Ausgängen);
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4 :
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer Kalibriereinrichtung unter Verwendung von Sonden;
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5 :
eine zu 4 abgewandelte
Kalibrierein richtung mit einem Kombinationsnetzwerk unter Verwendung
von Koppeleinrichtungen anstelle von Sonden;
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6 :
ein zu 5 erweitertes
Ausführungsbeispiel
unter Verwendung von Koppeleinrichtungen für ein dualpolarisiertes Antennen-Array; und
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7 :
ein Diagramm zur Herleitung der Phasenbeziehungen der einzelnen
in unterschiedlichen Spalten angeordneten Strahlern.
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In 1 ist
in schematischer Draufsicht ein Antennen-Array 1 gezeigt, welches beispielsweise eine
Vielzahl von dualpolarisierten Strahlern oder Strahlerelementen 3 umfasst,
die vor einem Reflektor 5 angeordnet sind. Diese Strahlerelemente 3 können aber
auch aus Strahlergruppen bestehen.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel zeigt das Antennen-Array
Spalten 7, die vertikal angeordnet sind, wobei in jeder
Spalte im gezeigten Ausführungsbeispiel
vier Strahler übereinander
angeordnet sind.
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Insgesamt sind bei dem Antennen-Array
gemäß 1 und 2 vier Spalten 7 vorgesehen,
in denen jeweils die vier Strahler oder Strahlergruppen 3 positioniert
sind. Die einzelnen Strahler oder Strahlergruppen 3 müssen in
den einzelnen Spalten nicht zwingend in gleicher Höhe angeordnet
sein. Ebenso können
beispielsweise die Strahler oder Strahlergruppen 3 in jeweils
zwei benachbarten Spalten 7 um den halben Vertikalabstand zwischen
zwei benachbarten Strahlern versetzt zueinander angeordnet sein.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind jeweils
für die
am weitesten links liegende und am weitesten rechts liegende Spalte 7 beispielsweise
jeweils dem zu unterst angeordneten dualpolarisierten Strahler 3
am nächsten
liegend jeweils eine Sonde 11 zugeordnet, die induktiv
oder kapazitiv arbeiten kann. Diese Sonde 11 kann beispielsweise
aus einem säulenförmig oder
stiftförmig
angeordneten Sondenkörper
bestehen, der sich senkrecht gegenüber der Ebene des Reflektors 5 erstreckt.
Die Sonden 11 können beispielsweise
auch aus induktiv arbeitenden Sonden in Form einer kleinen Induktionsschleife
bestehen. Bevorzugt ist die jeweilige Sonde in einer Vertikalebene 13 angeordnet,
in der die entweder einfach polarisierten Strahler oder die dualpolarisierten Strahler
oder Strahlerelemente 3 angeordnet sind. Die Sonden sind
bevorzugt im Nahfeld der zugehörigen
Strahler angeordnet.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist auch zu ersehen, dass
die Sonden 11 im gezeigten Ausführungsbeispiel unterhalb der
Dipolstrahler 3' enden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt
es sich um kapazitive Sonden.
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Im Falle einer in 1 und 2 angedeuteten dualpolarisierten
Antenne können
die Strahler 3 beispielsweise aus kreuzförmigen Dipolstrahlern
oder aus Dipolquadraten bestehen. Besonders eignen sich dualpolarisierte
Dipolstrahler, wie sie beispielsweise aus der WO 00/39894 bekannt
sind. Es wird auf den Offenbarungsgehalt dieser Vorveröffentlichung
in vollem Umfang Bezug genommen und zum Inhalt dieser Anmeldung
gemacht.
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Schließlich ist in 1 auch ein Strahlformungsnetzwerk 17 vorgesehen,
welches beispielsweise vier Eingänge 19 und
vier Ausgänge 21 aufweist.
Die vier Ausgänge
des Strahlformungsnetzwerkes 17 sind mit den vier Eingängen 15 des
Antennen-Arrays verbunden. Die Zahl der Ausgänge N kann von der Zahl der
Eingänge
n abweichen, d.h. insbesondere kann die Zahl der Ausgänge N größer sein
als die Zahl der Eingänge
n. Bei einem derartigen Strahlformungsnetzwerk 17 wird
dann beispielsweise ein Speisekabel 23 an einem der Eingänge 19 angeschlossen,
worüber
alle Ausgänge 21 entsprechend
gespeist werden. So kann beispielsweise, wenn das Speisekabel 23 am
ersten Eingang 19.1 des Strahlformungsnetzwerkes 17 angeschlossen wird,
eine horizontale Strahlerausrichtung mit beispielsweise –45° nach links
bewirkt werden, wie dies aus dem schematischen Diagramm gemäß 3 zu ersehen ist. Wird beispielsweise
das Speisekabel 23 am rechtesten Anschluss 19.4 angeschlossen,
so wird eine entsprechende Ausrichtung der Hauptkeule des Strahlungsfeldes
des Antennen-Arrays in einen Winkel von +45° nach rechts bewirkt. Entsprechend kann,
wenn das Speisekabel 23 am Anschluss 19.2 bzw.
am Anschluss 19.3 angeschlossen wird, das Antennen-Array
so betrieben werden, dass beispielsweise eine Verschwenkung um 15° nach links
oder nach rechts gegenüber
der vertikalen Symmetrieebene des Antennen-Arrays bewirkt werden
kann.
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Von daher ist es bei einem derartigen
Strahlformungsnetzwerk 17 üblich, für unterschiedliche Winkelausrichtungen
der Hauptkeule des Antennen-Arrays eine entsprechende Anzahl von
Eingängen
vorzusehen, wobei die Zahl der Ausgänge in der Regel der Anzahl
der Spalten des Antennen-Arrays entspricht.
Dabei ist jeder Eingang mit einer Vielzahl von Ausgängen, in
der Regel jeder Eingang mit allen Ausgängen des Strahlformungsnetzwerkes 17 verbunden.
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Die nachfolgend noch im Einzelnen
erläuterte
Kalibriervorrichtung ist aber vor allem auch für ein Antennen-Array gemäß 1 und 2 geeignet, welches kein vorgeschaltetes
Strahlformungsnetzwerk insbesondere in Form einer Butler-Matrix aufweist.
In diesem Falle werden dann die Spalteneingänge 15 des Antennen-Arrays über eine
entsprechende Anzahl von separaten Speisekabeln oder sonstigen Speiseanschlüssen gespeist.
Dazu sind in 1 nur beispielhaft
vier parallel verlaufende Speiseleitungen 23 vorgesehen,
die dann unter Weglassung des unter 1 gezeigten
Strahformungsnetzwerkes direkt mit den Spalteneingängen 15 des
Antennen-Arrays verbunden sind.
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In 4 ist
nunmehr schematisch der weitere Aufbau und die Funktionsweise der
Kalibriereinrichtung sowie des Antennen-Arrays gezeigt. Dabei sind
in 4 schematisch nur
vier Strahlerelemente 3 angedeutet, und zwar je ein Strahlerelement
pro Spalte 7.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 wird eine vereinfachte
Ausführungsform
beschrieben, bei dem ein Antennen-Array mit vier Spalten lediglich
zwei Sonden 11c und 11d verwendet werden. Diese
Sonden sind dabei so angeordnet, dass jede Sonde einem Paar von
nebeneinander angeordneten Spalten 7 zugeordnet ist. Mit
anderen Worten ist die Sonde 11c in dem Zwischenbereich
zwischen den beiden links liegenden Spalten und die Sonde 11d in dem
Zwischenbereich zwischen den beiden rechts liegenden Spalten 7 des
vier Spalten umfassenden Antennen-Arrays gemäß 1 angeordnet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind also die beiden Sonden 11c und 11d jeweils über eine
Signalleitung 25' und 25'' mit einem Combiner 27 (Comb)
verbunden, dessen Ausgang über eine
Leitung 29 mit einem Anschluss S in Verbindung steht.
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Zum Phasenabgleich der Zuleitungen
35 zum Antennen-Array 1 wird nun zum Beispiel auf die Zuleitung
für den
Eingang A ein Pilotton, d.h. ein bekanntes Signal gegeben, um am
Ausgang S des Kombinationsnetzwerkes 27 (Comb), also beispielsweise
einem Combiner, die absolute Phase zu messen. Nun kann man dies
auch für
die Zuleitung an den Eingängen
B, C und D tun.
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Falls alle Zuleitungen an den Eingängen A bis
D (elektrisch) exakt gleich lang sind (und auch sonst als identisch
angesehen werden können),
ergibt sich am Ausgang des Kombinationsnetzwerkes S jeweils die
gleiche absolute Phase, d.h. es ergibt sich kein Phasenunterschied
am Ausgang S bei wechselnder Beschaltung der Eingänge A bis
D.
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Würden
Phasenunterschiede festgestellt werden, so können diese beispielsweise durch
Phasenstellglieder 37 ausgeglichen und kompensiert werden,
die jeweils den Eingängen
A bis D vorgeschaltet sind. Eine entsprechende elektrische Anschlussleitung 23 würde dann
beispielsweise am Eingang A, B, C oder D angeschlossen werden, also
einem dem jeweiligen Phasenausgleichsvorrichtung 37 vorgelagerten
Eingang, um je nach Wunsch eine entsprechende Ausrichtung der Hauptkeule
mit unterschiedlicher Horizontalausrichtung zu bewirken. Schließlich können die
Phasenstellglieder 37 auch aus elektrischen Leitungsabschnitten
bestehen, die in geeigneter Länge
den einzelnen Eingängen
A bis D vorge schaltet werden, um die Phasenkompensation oder Phaseneinstellung
im gewünschten
Sinne zu bewirken.
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Die Verwendung von Sonden 11 bietet
den Vorteil, dass die entsprechende Kalibrierung sowohl bei einfach
polarisierten wie aber auch bei dualpolarisierten Antennen-Arrays
mit einer entsprechenden Anzahl von Sonden durchführbar ist.
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5 zeigt
demgegenüber
einen vergleichbaren Aufbau, bei dem anstelle von Sonden 11 Koppeleinrichtungen 111 verwendet
werden. Mit Koppeleinrichtungen 111 kann dann aber nur
eine Kalibrierung für
einfach polarisierte Antennen-Arrays durchgeführt werden. Um unter Verwendung
von Koppeleinrichtungen eine Kalibrierung für dualpolarisierte Antennen
durchzuführen,
ist dann ein Aufbau unter Verwendung entsprechender Paare von Koppeleinrichtungen
notwendig, wie sich dies aus der 6 ergibt,
die nachfolgend erläutert
wird.
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Nachfolgend wird auf 6 Bezug genommen, in der eine Kalibriereinrichtung
eines Antennenarrays beschrieben wird, welches beispielsweise im Zusammenhang
mit einem Strahlformungsnetzwerk vorzugsweise in einer Butler-Matrix
arbeitet. Dieses Strahlformungsnetzwerk kann bevorzugt in dem Antennen-Array
integriert sein.
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Bei dem Strahlformungsnetzwerk 17 kann
es sich beispielsweise um eine bekannte Butler-Matrix 17' handeln, deren
vier Eingänge
A, B, C und D jeweils mit den Ausgängen 21.1 bis 21.4 verbunden sind,
worüber über Leitungen 35 die
Strahler 3 gespeist werden.
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Beispielsweise an den beiden Ausgängen 21.1 und 21.4 (oder
alternativ dazu an den beiden Ausgängen 21.2 und 21.3)
werden nunmehr zwei möglichst
identische Sonden 11 vorgesehen, die jeweils einen kleinen
Teil der jeweiligen Signale empfangen. In dem erwähnten Kombinationsnetzwerk 27,
also beispielsweise einem sogenannten Combiner (Comb) werden die
ausgekoppelten Signale addiert. Das Ergebnis der Auskopplung der
Signale und der Addition kann über
einen zusätzlichen
Anschluss auch selbst am Kombinationsnetzwerk gemessen werden.
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In 6 ist
für den
Fall eines Antennen-Arrays mit dualpolarisierten Strahlern 3 gezeigt,
dass zur Kalibrierung ein Kombinationsnetzwerk verwendet werden
kann, das nicht mit Sonden 11, sondern Koppeleinrichtungen 111,
beispielsweise Richtkopplern 111 arbeitet. Das Ausführungsbeispiel
gemäß 5 zeigt dabei ferner, wie
das Kalibriernetzwerk zum Phasenabgleich der Zuleitungen kombiniert werden
kann. Eine solche Kombination ist dann sinnvoll, wenn z.B. das jeweilige
Strahlformungsnetzwerk 17, beispielsweise die sogenannte
Butler-Matrix 17', zusammen
mit den Kopplern und Kombinationsnetzwerken auf einer Platine realisiert
werden können,
da dadurch weitgehend identische Einheiten (jeweils Kopplerkombinationsnetzwerke)
hergestellt werden können.
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6 zeigt
im Vergleich zu 5 die
Erweiterung auf dualpolarisierte Strahler mit einem Strahlformungsnetzwerk,
wobei die beiden Ausgänge
des jeweiligen Kombinationsnetzwerkes 27 und 27', beispielsweise
in Form eines Combiners (Comb), mit den Eingängen eines nachgeschalteten
zweiten Kombinationsnetzwerkes 27'' ebenfalls
in Form eines Combiners (Comb)zusammengefasst und an den gemeinsamen Ausgang
S gelegt wird. Das Kombinationsnetzwerk 27'' dient
also zur Bestimmung der Phasenlage an einem Strahlerelement bezüglich der
einen Polarisation, wobei das Kombinationsnetzwerk 27'' zur Bestimmung der Phasenlage
an einem betreffenden Strahler für
die andere Polarisation verwendet wird.
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Nur der Vollständigkeit halber wird auch erwähnt, dass
es grundsätzlich
möglich
wäre, die
Phasenstellglieder am Eingang des Strahlformungsnetzwerkes 17,
also beispielsweise der Butler-Matrix 17' so einzustellen, dass man mit
einem einzigen Koppler am Ausgang jeweils einer Matrix auskommt
und trotzdem immer die gleiche Phase unabhängig vorn Eingang A bis D misst.
Auch hier können
die Phasenstellglieder aus grundsätzlich vorschaltbaren Leitungsabschnitten
bestehen, um die Phasenlage zu verändern. Ebenso kann natürlich auch
anstelle einer Koppeleinrichtung 111 bevorzugt eine Sonde 11 verwendet
werden, worüber
die von einem dualpolarisierten Strahler ausgesandten Signale in
beiden Polarisationen empfangen werden können. Somit ist also für beide
Polarisationen jeweils nur eine Sonde notwendig.
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Wenn für ein Antennen-Array beispielsweise nur
eine einzige Sonde verwendet wird, also selbst bei einem dualpolarisierten
Antennen-Array nur eine einzige Sonde, oder wenn für ein einfach
polarisiertes Antennen-Array nur eine einzige Koppeleinrichtung
und für
ein dualpolarisiertes Antennen-Array zwei Koppeleinrichtungen (je
eine Koppeleinrichtung für
jede Polarisation) eingesetzt werden, so lässt sich ein Phasenabgleich
ebenfalls realisieren, allerdings mit etwas größerem Aufwand. Denn in dem
Ausführungsbeispiel
gemäß 4 ließe sich auch für den Fall eines
dualpolarisierten Antennen-Arrays unter Verwendung lediglich einer
einzigen Sonde (die beispielsweise in dem in 1 in Spalte 1 zuunterst angeordneten
dualpolarisierten Strahler 3' angeordnet ist)
die in 7 wiedergegebene
Beziehung realisieren. Es ließen
sich dadurch nämlich
die Netzpunkte M1, M2, M3 und M4 ermessen und erzeugen, je nachdem,
ob eine Anschlussleitung 23 an dem Eingang A, B, C oder
D angeschlossen ist. Durch die feste Phasenzuordnung der in den
einzelnen Spalten 11 angeordneten Strahlern lassen sich
dann die in 7 wiedergegebenen
Geraden ermitteln, wodurch die exakte Phasenlage herleitbar ist.
Unter entsprechender Auswertung der Daten aus diesem Diagramm kann
dann eine entsprechende Phasenjustierung eingangsseitig, bevorzugt
noch vor dem Strahlformungsnetzwerk vorgenommen werden. Die Verwendung
lediglich einer Sonde ist aber nur dann realisierbar, wenn es sich
um ein Antennen-Array mit lediglich zwei Spalten handelt oder aber
um ein Antennen-Array mit mehreren Spalten, welchem ein Strahlformungsnetzwerk
beispielsweise in Form einer Butler-Matrix vorgeschaltet ist. Denn
nur in diesem Falle besteht eine vorgegebene Phasenbeziehung zu
den Strahlern in den einzelnen Spalten.
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Würde
die entsprechend einzige Sonde oder das entsprechende einzige Kopplerpaar
beispielsweise in der zweiten Spalte angeordnet sein, so würden entsprechende
Messpunkte M11, M12, M13 und M14 ermittelt werden können, wobei
ebenfalls wieder durch die feste Phasenbeziehung durch diese Punkte
die entsprechenden Geraden gelegt werden könnten. Auch dadurch würde man
das gleiche Diagramm gemäß 7 herleiten können, um
die entsprechenden Phaseneinstellungen und Kalibrierungen vornehmen
zu können.
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Wird aber bevorzugt wie in 1 angedeutet beispielsweise
für die
linke und die rechte Spalte je eine Sonde verwendet (oder ein Paar
von Koppeleinrichtungen im Fall von dualpolarisierten Antennen), so
würden
bei dem Diagramm gemäß 7 jeweils die Messpunkte
M1 bis M4 sowie die Messpunkte M31 bis M34 ermittelt werden können, was
die gesamte Auswertung erleichtert.