EP1532716A1 - Kalibriereinrichtung für ein antennen-array und verfahren zu dessen kalibrierung - Google Patents

Kalibriereinrichtung für ein antennen-array und verfahren zu dessen kalibrierung

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EP1532716A1
EP1532716A1 EP03730156A EP03730156A EP1532716A1 EP 1532716 A1 EP1532716 A1 EP 1532716A1 EP 03730156 A EP03730156 A EP 03730156A EP 03730156 A EP03730156 A EP 03730156A EP 1532716 A1 EP1532716 A1 EP 1532716A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
antenna array
probes
calibration device
columns
radiators
Prior art date
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EP03730156A
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English (en)
French (fr)
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EP1532716B1 (de
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Maximilian GÖTTL
Roland Gabriel
Jörg LANGENBERG
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Kathrein SE
Original Assignee
Kathrein Werke KG
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Publication date
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Publication of EP1532716B1 publication Critical patent/EP1532716B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
    • H01Q1/241—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM
    • H01Q1/246—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM specially adapted for base stations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/267—Phased-array testing or checking devices

Definitions

  • Calibration device for an antenna array and method for calibrating it.
  • the invention relates to a calibration device for an antenna array and an associated antenna array and
  • the antenna array is intended in particular for mobile radio technology, in particular for base stations for mobile radio transmission.
  • a generic antenna array usually comprises a plurality of primary radiators, but at least two radiators arranged next to and above one another, so that a two-dimensional array arrangement results. This also under the
  • antennas known antenna arrays are used, for example, in the military to track targets (radar). These applications are often referred to as “phased array” antennas. Recently, however, these antennas have increasingly been used in mobile communications, particularly in the frequency ranges 800 MHz to 1000 MHz or. 1700 MHz to 2200 MHz.
  • the development of new primary radiator systems has now made it possible to set up dual-polarized antenna arrays, in particular with a polarization orientation of + 45 ° or -45 ° with respect to the horizontal or vertical.
  • Antenna arrays of this type regardless of whether they basically comprise dual-polarized or only single-polarized radiators, can be used to determine the direction of the incoming signal. At the same time, however, the radiation direction can also be changed by appropriate coordination of the phase position of the transmission signals fed into the individual columns, i.e. selective beam shaping takes place.
  • This alignment of the radiation direction of the antenna can be done by electronic beam swiveling, i.e. the phase positions of the individual signals are set by suitable signal processing. Suitable dimensioned passive beam shaping networks are also possible. The use of active phase shifters or those which can be controlled by control signals in these feed networks to change the radiation direction is also known.
  • a beam shaping network can consist, for example, of a so-called Butler matrix, which has, for example, four inputs and four outputs. Depending on the connected input, the network creates a different but fixed phase relationship between the emitters in the individual dipole rows.
  • Butler matrix Such an antenna structure with a Butler matrix has become known, for example, from the generic US Pat. No. 6,351,243.
  • phase relationship of the individual signals fed into the individual primary radiators depends on the length of the connecting cable. Since this can often be relatively long - especially in exposed locations - it is necessary to calibrate the phase of the antenna, including the connection cables. Active electronic components in the individual feed lines, such as transmit or receive amplifiers, are of course also included in the calibration.
  • US Pat. No. 5,644,316 shows an active phase setting device for an antenna, in which a coupling device is provided in front of the antenna array. Downstream of the coupling device are N parallel transmission paths, each comprising a phase and an amplitude adjusting device, via which a radiator element associated with the path in question is controlled on the output side.
  • N parallel transmission paths each comprising a phase and an amplitude adjusting device, via which a radiator element associated with the path in question is controlled on the output side.
  • the individual paths are measured in succession, for which purpose a probe provided on the output side is assigned to a radiator element in question.
  • the transmission signal supplied to the radiator element via the path in question is collected via the probe and also sent to an evaluation device. guided.
  • the phase and amplitude setting device By evaluating the transmission signal branched off on the input side in comparison with the transmission signal received via the probe, the phase and amplitude setting device provided there can then be appropriately controlled via the respectively measured path.
  • the calibration device therefore requires that the probe be moved successively to each radiator of the antenna array in order to collect the signals emitted by the radiator in question, in order ultimately to carry out the transmission path d upstream of the individual radiators.
  • a detailed solution on how to arrange the probes in relation to the beams is not described in this prior publication.
  • no symmetrical coupling with respect to the phase position and the amplitude can be produced, at least in the near field of the antennas.
  • a comparable calibration device has become known.
  • a special signal is preferably fed via the individual signal paths to a radiator assigned to the individual signal paths in order to detect a phase position signal via a probe brought into the near field of the radiator element.
  • a phase control device can be controlled on the input side, via which the signal is fed to the radiator element in question.
  • coupling devices can also be provided, which are then assigned to each individual radiator element. The coupling devices can be switched on and off in succession via the switching device.
  • a method and a device for calibrating a group antenna has also become known from DE 198 06 914 C2.
  • a directional coupling device is assigned to each antenna element, via which a signal can be coupled out from the respective signal path.
  • test signals are sent in succession to a single antenna radiator and a signal value is coupled out via the directional coupler.
  • a power divider is arranged downstream of the directional couplers. The signal fed to an individual radiator in the calibration process is thereby decoupled via the directional coupler in question and guided to the central gate via the power divider.
  • a reflection termination is connected to this central gate. The transmission signal component is reflected at this reflection section and divided into partial signals with the same amplitude and phase at the branching gates, there being as many branching gates as there are transmission or reception paths.
  • the individual partial signals derived from the transmission signal are now coupled into the individual reception paths via the directional couplers.
  • the partial signals present at the outputs of the reception paths and picked up by the radiation shape network are evaluated by a control device.
  • a total transmission factor can be determined for each individual path leading to an antenna radiator, by means of which a weighting and ultimately a phase adjustment can be carried out.
  • a coupling device is required here, since, as mentioned, in each individual transmission path a partial signal is masked out and secondly a partial signal coming via the refection device and the power divider must be re-coupled in each individual path via the directional couplers provided in order to carry out the relevant evaluation.
  • the object of the present invention is to provide a calibration device for an antenna array and an associated antenna array, which or. which has a simple structure and nevertheless has advantages over the prior art.
  • the antenna array according to the invention should preferably be a dual-polarized antenna array.
  • the associated calibration device should therefore preferably be suitable for such a dual-polarized antenna array.
  • the calibration device according to the invention or. the antenna array according to the invention are characterized by numerous
  • one probe for each of the two outermost columns (or one coupling device in the case of a single-polarized antenna array or one pair of coupling devices in the case of a dual-polarized antenna array) or, for example, one probe each for the two middle columns (or again the coupling device) can be provided in a corresponding manner.
  • a Butler matrix Even in the case of a beam shaping network, it is preferably possible in the form of a Butler matrix. lent to use only one, but preferably at least two fixed probes, each of which is assigned to a radiator element in a different column of the antenna array. The measurement results obtained in this way can ultimately determine a phase relationship with respect to all radiator elements. Ultimately, this is possible because the individual emitters, their arrangement and the length of the supply cable of an input-side connection point to the emitters are measured and matched by the manufacturer such that all emitter elements are fixed in a fixed manner even when using a beam shaping network, e.g. in the manner of a Butler matrix predetermined phase relationship to each other.
  • phase shifts occur due to upstream beam shaping networks or due to different upstream cable lengths, the resulting phase shifts affect all radiators, so that ultimately even a single fixed probe or possibly only a single coupling device assigned to one radiator results in a shift the phase position can be detected. This applies even if a down-tilt angle is preset or provided with regard to the large number of radiators in the antenna array.
  • the test signals for the calibration process are preferably tapped not via coupling devices, ie in particular not via directional couplers, but rather via probes which can be provided in the near field. It proves to be particularly favorable that even with dual-polarized radiators only one probe is necessary for both polarizations!
  • the probes can be positioned directly on the reflector plate of an antenna array so that the vertical extension height is measured. Compared to the plane of the reflector plate is lower than the position and arrangement of the radiator elements, for example the dipole structures for the radiator elements.
  • the calibration device according to the invention ie the antenna array according to the invention, can also be constructed from patch radiators or from combinations of patch radiators with dipole structures.
  • the small number of probes provided for each antenna array column or, for example, only one probe provided for only a few columns is preferably arranged on the uppermost or lowermost radiator or on the uppermost or lowermost dipole radiator structure.
  • the probes are preferably arranged in a vertical plane perpendicular to the reflector plane, which runs symmetrically through the dual-polarized radiator structure. But a lateral offset is also possible in principle.
  • the preferably at least two capacitive or inductive probes or the coupling devices which may be used are permanently interconnected by means of a combination network.
  • This combination network is preferably constructed in such a way that the group delay from the input of the respective column to the output of the combination network is approximately the same for all antenna inputs (at least with regard to polarization in the case of dual-polarized antennas) and over the entire operating frequency range.
  • the antenna array according to the invention or the calibration device according to the invention is suitable for calibrating an antenna array in which the radiators and radiator groups arranged in the individual columns are usually controlled via a separate input.
  • a corresponding phase calibration can therefore be carried out using the calibration device according to the invention in order to obtain a desired beam shaping.
  • the main beam direction can also be pivoted, especially in the azimuth direction (but of course also in the elevation direction).
  • the antenna array according to the invention and the calibration device according to the invention can also be used equally if the antenna array is preceded by a beam shaping network, for example in the form of a Butler matrix.
  • the phase position of the transmission from the input of the individual columns or the antenna inputs is preferably of the same size, but in practice the phase position (or the group delay) has more or less strong tolerance-related deviations from the ideal phase position.
  • the ideal phase position is given by the fact that the phase is identical for all paths, including with regard to the beam shaping.
  • the more or less strong tolerance-related deviations result additively as an offset or also frequency-dependent through different frequency responses.
  • the deviations over all transmission paths are preferably based on the distance from the antenna array or beam shaping network input to the probe output or input to the ⁇ on outputs and preferably measured over the entire operating frequency range (for example, during the production of the antenna).
  • the transmission paths are preferably measured on the route from the antenna array or beam shaping network input to the coupling output or coupling outputs.
  • This determined data can then be saved in a data record.
  • These data which are stored in a suitable form, for example in a data record, can then be made available to a transmitting device or the base station in order to then be taken into account for the electronic generation of the phase position of the individual signals. It has proven to be particularly advantageous, for example, to assign this data or the mentioned data record with the corresponding data to a serial number of the antenna.
  • FIG. 1 a schematic top view of an antenna array according to the invention with probes drawn in for a calibration device;
  • Figure 2 a schematic partial vertical
  • Figure 3 a representation of four typical Hori- zonal diagrams generated by a group antenna using a 4/4 butler matrix (ie a butler matrix with four inputs and four outputs);
  • Figure 4 a first embodiment of a calibration device using probes
  • FIG. 5 a calibration device modified from FIG. 4 with a combination network using coupling devices instead of probes;
  • FIG. 6 an exemplary embodiment extended to FIG. 5 using coupling devices for a dual-polarized antenna array
  • FIG. 7 a diagram for deriving the phase relationships of the individual radiators arranged in different columns.
  • FIG. 1 shows a schematic top view of an antenna array 1 which, for example, comprises a multiplicity of dual-polarized radiators or radiator elements 3 which are arranged in front of a reflector 5.
  • the antenna array shows columns 7 which are arranged vertically, four emitters or emitter groups 3 being arranged one above the other in each column in the exemplary embodiment shown.
  • the antenna array shows columns 7 which are arranged vertically, four emitters or emitter groups 3 being arranged one above the other in each column in the exemplary embodiment shown.
  • four columns 7 are provided in the antenna array according to FIGS. 1 and 2, in each of which the four radiators or radiator groups 3 are positioned.
  • the individual emitters or emitter groups 3 do not necessarily have to be arranged at the same height in the individual columns.
  • the emitters or emitter groups 3 can be arranged offset in each case in two adjacent columns 7 by half the vertical distance between two adjacent emitters.
  • a probe 11, which can work inductively or capacitively, is assigned to each of the left-most and right-most columns 7, for example, each of the dual-polarized radiator 3 arranged at the bottom.
  • This probe 11 can consist, for example, of a columnar or pin-shaped probe body, which extends perpendicular to the plane of the reflector 5.
  • the probes 11 can also consist, for example, of inductively operating probes in the form of a small induction loop.
  • the respective probe is preferably arranged in a vertical plane 13, in which the either single-polarized radiators or the dual-polarized radiators or radiator elements 3 are arranged.
  • the probes are preferably arranged in the near field of the associated radiators.
  • the exemplary embodiment is a capacitive probe.
  • the radiators 3 can consist, for example, of cross-shaped dipole radiators or of dipole squares. Dual-polarized dipole radiators, such as are known for example from WO 00/39894, are particularly suitable. Reference is made in full to the disclosure content of this prior publication and made the content of this application.
  • a beam shaping network 17 is also provided in FIG. 1, which has, for example, four inputs 19 and four outputs 21.
  • the four outputs of the beam shaping network 17 are connected to the four inputs 15 of the antenna array.
  • the number of outputs N can deviate from the number of inputs n, ie in particular the number of outputs N can be greater than the number of inputs n.
  • a feed cable 23 is then connected to one of the inputs 19, via which all outputs 21 are fed accordingly. For example, if the feed cable 23 is connected to the first input 19.1 of the beam shaping network 17, a horizontal radiator alignment with, for example, -45 ° to the left can be effected, as can be seen from the schematic diagram in FIG. 3.
  • the antenna array can be operated in such a way that, for example, a pivoting by 15 ° to the left or to the right relative to the vertical plane of symmetry of the antenna array is effected can. It is therefore customary in such a beam shaping network 17 to provide a corresponding number of inputs for different angular orientations of the main lobe of the antenna array, the number of outputs generally corresponding to the number of columns of the antenna array. Each input is connected to a large number of outputs, as a rule each input is connected to all outputs of the beam shaping network 17.
  • the calibration device which is explained in detail below, is also particularly suitable for an antenna array according to FIGS. 1 and 2, which does not have an upstream beam shaping network, in particular in the form of a Butler matrix.
  • the column inputs 15 of the antenna array are then fed via a corresponding number of separate feed cables or other feed connections.
  • only four feed lines 23 running in parallel are provided in FIG. 1, which are then connected directly to the column inputs 15 of the antenna array, omitting the beam shaping network shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 shows schematically the further structure and the functioning of the calibration device and the antenna array. In this case, only four radiator elements 3 are indicated schematically in FIG. 4, specifically one radiator element per column 7.
  • FIG. 4 a simplified embodiment is described in which an antenna array with four columns only two probes 11c and 11d are used. These probes are arranged so that each probe is arranged in a pair next to one another. Neten columns 7 is assigned. In other words, the probe 11c is arranged in the intermediate area between the two columns on the left and the probe 11c in the intermediate area between the two columns 7 on the right of the four-column antenna array according to FIG.
  • the two probes 11c and 11d are each connected via a signal line 25 'and 25 "to a combiner 27 (Comb), the output of which is connected to a connection S via a line 29.
  • Comb combiner 27
  • a pilot tone is now applied to the lead for the input A, i.e. a known signal is given in order to measure the absolute phase at the output S of the combination network 27 (Comb), for example a combiner. Now you can do this for the supply line at inputs B, C and D.
  • phase actuators 37 which are connected upstream of the inputs A to D.
  • a corresponding electrical connection line 23 would then, for example, at the entrance A, B, C or D are connected, that is to say an input upstream of the respective phase compensation device 37, in order to bring about a corresponding alignment of the main lobe with a different horizontal alignment as desired.
  • the phase actuators 37 can also consist of electrical line sections which are connected upstream of the individual inputs A to D in a suitable length in order to effect the phase compensation or phase adjustment in the desired sense.
  • probes 11 offer the advantage that the corresponding calibration can be carried out with a corresponding number of probes both with single-polarized and also with dual-polarized antenna arrays.
  • FIG. 5 shows a comparable structure in which 11 coupling devices 111 are used instead of probes.
  • coupling devices 111 only calibration for single-polarized antenna arrays can then be carried out.
  • a construction using corresponding pairs of coupling devices is then necessary, as is evident from FIG. 6, which is explained below.
  • the beam shaping network 17 can be, for example, a known Butler matrix 17 ′, the four inputs A, B, C and D of which are each connected to the outputs 21, via which the radiators 3 are fed via lines 35.
  • two probes 11 that are as identical as possible are now provided, each of which receives a small part of the respective signals.
  • the combination network 27 mentioned for example a so-called combiner (comb)
  • the outcoupled signals are added.
  • the result of the decoupling of the signals and the addition can also be measured on the combination network via an additional connection.
  • FIG. 6 shows that a combination network can be used for calibration, which does not work with probes 11, but rather coupling devices 111, for example directional couplers 111.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 5 also shows how the calibration network can be combined for phase adjustment of the feed lines.
  • Such a combination makes sense if e.g. the respective beam shaping network 17, for example the so-called Butler matrix 17 ', can be implemented together with the couplers and combination networks on a circuit board, since largely identical units (in each case coupler combination networks) can thereby be produced.
  • Figure 6 shows the expansion compared to Figure 5 Dual polarized radiators with a beam shaping network, the two outputs of the respective combination network 27 'and 27 ", for example in the form of a combiner (Comb), combined with the inputs of a downstream second combination network 28 also in the form of a combiner (Comb) and to the common output S.
  • the combination network 27 'thus serves to determine the phase position on a radiator element with respect to the one polarization, the combination network 27 "being used to determine the phase position on a radiator in question for the other polarization.
  • phase actuators can consist of line sections that can be connected upstream in order to change the phase position.
  • a probe 11 can of course also be used instead of a coupling device 111, via which the signals emitted by a dual-polarized radiator can be received in both polarizations. Thus, only one probe is required for both polarizations.
  • the network points M1, M2, M3 and M4 could be measured and generated depending on whether a connecting line 23 is connected to the input A, B, C or D.
  • the straight lines shown in FIG. 7 can then be determined by the fixed phase assignment of the radiators arranged in the individual columns 11, as a result of which the exact phase position can be derived. With appropriate evaluation of the data from this diagram, a corresponding phase adjustment can then be carried out on the input side, preferably before the beam shaping network.
  • the use of only one probe can only be realized if it is an antenna array with only two columns or an antenna array with several columns, which is preceded by a beam shaping network, for example in the form of a Butler matrix. Because only in this case is there a predetermined phase relationship to the radiators in the individual columns.
  • corresponding measuring points M11, M12, M13 and M14 could be determined, if the corresponding straight lines could be laid again through the fixed phase relationship through these points. This would also make it possible to derive the same diagram according to FIG. 7 in order to be able to make the corresponding phase settings and calibrations.
  • the measuring points M1 to M4 and the measuring points would be in each case in the diagram according to FIG M31 to M34 can be determined, which facilitates the entire evaluation.

Description

kalibriereinrichtung für ein antennen-array und verfahren zur dessen kalibrierung .
Die Erfindung betrifft eine Kalibriereinrichtung für ein Antennen-Array sowie ein zugehöriges Antennen-Array und
Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein zugehöriges Verfahren nach Anspruch 13 . Das Antennen-Array ist insbesondere für die Mobilfunktechnik bestimmt , insbesondere für Basisstationen bei der Mobilfunk-Übertra- gung.
Ein gattungsbildendes Antennen-Array umfasst üblicherweise mehrerer Primärstrahler, mindestens j edoch zwei neben- und übereinander angeordnete Strahler, so dass sich eine zwei- dimensionale 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 j edoch auch im Mobilfunk eingesetzt , insbesondere in den Frequenzbereichen 800 MHz bis 1000 MHz bzw . 1700 MHz bis 2200 MHz . 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. Vertika- len ermöglicht worden.
Derartige Antennen-Arrays, gleich, ob sie grundsätzlich dualpolarisierte oder nur einfach polarisierte Strahler umfassen, können zur Bestimmung der Richtung des ankommen- den 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.
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.
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 expo- nierten 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 Empfangs- Verstärker.
Gerade bei derartigen elektronischen Komponenten ist eine Kalibrierung durch Bauteiltoleranzen und Temperaturabhängigkeiten der Gruppenlaufzeit oftmals erforderlich.
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 norma- lerweise mehrere Primärstrahler der Antenne einen Teil des Signals erhalten.
Entsprechende Kalibrierverfahren zu einer entsprechend optimierten Einstellung einer gewünschten Phasenlage für die einzelnen Strahlerelemente sind insbesondere bezüglich dualpolarisierter Antennen nicht bekannt.
Bekannt sind lediglich Verfahren, in denen einzelne Elemente eines vertikal gestockten Antennen-Arrays mit je- weils 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 Gesaπttpegel 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.
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.
In der US 5,644,316 ist eine aktive Phasen-Einstellein- richtung 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-Einsteileinrichtung 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 eingangsseitig abgezweigten Sendesignales im Vergleich mit dem über die Sonde erhaltenen Sendesignal kann dann über den jeweils vermessenen Pfad die dort vorgesehene Phasen- und Amplituden-Einstell- einrichtung 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 Strah- lern vorgelagerten Übertragungspf d 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 zu- mindest bei Arrays mit mehr als zwei Spalten keine symmetrische Kopplung bezüglich der Phasenlage als auch der Amplitude zumindest im Nahfeld der Antennen herstellbar.
Aus der US 6,046,697 ist eine insoweit vergleichbare Kali- briereinrichtung 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. 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 Richtkoppeleinrich- tung 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 nach- geordnet 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 an- geschlossen. 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 ein- zelnen 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 ein- zelnen zu einem Antennenstrahler führenden Pfad ein Ge- samttransmissionsfaktor bestimmen, worüber eine Gewichtung und damit letztlich eine Phaseneinstellung vorgenommen werden kann.
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 Ref lektionseinrichtung und den Leistungsteiler kommendes Teilsignal in j edem einzelnen Pfad über die vorgesehenen Richtkoppler wieder eingekoppelt werden muss , um die betreffende Auswertung durchzuführen .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber eine Kalibriereinrichtung für ein Antennen-Array sowie ein zugehöriges Antennen-Array zu schaffen, die bzw . das ein- fach aufgebaut ist und gegenüber dem Stand der Technik gleichwohl Vorteile aufweist . Bei dem erfindungsgemäßen 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 .
Die Aufgabe wird bezüglich der Kalibriereinrichtung sowie des Antennen-Arrays gemäß den im Anspruch 1 oder 2 angegebenen Merkmalen gelöst . Ein bevorzugtes Antennen-Array ergibt sich aus den Merkmalen gemäß Anspruch 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben .
Die erfindungsgemäße Kalibriereinrichtung bzw . das erfin- dungsgemäße Antennen-Array zeichnen sich durch zahlreiche
Vereinfachungen auf , die durchaus überraschend sind .
Überraschend ist , dass es gemäß der Erfindung nunmehr möglich ist , für j eweils 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.
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 Koppeleinrichtung beispielsweise in der Form eines Richtkopplers werden bevorzugt für einen dualpolarisierten Strahler zwei Koppeleinrichtungen, d.h. für jede Polarisation eine Koppeleinrichtung, verwendet.
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 Kop- peleinrichtung) vorgesehen sein.
Schließlich ist es sogar im Falle eines Strahlformungsnetzwerkes vorzugsweise in Form einer Butler-Matrix mög- lieh, lediglich einen, vorzugsweise aber zumindest zwei feststehende Sonden zu verwenden, die jeweils einem Strahlerelement in einer unterschiedlichen Spalte des Anten- nenarrays 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 Strahl- formungsnetzwerke 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 zu- geordnete 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.
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 ge- genüber 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.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist beispielsweise die für jede Antennen-Array-Spalte vorgesehene 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. Entsprechen- des 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.
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.
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.
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 Kalibriereinrichtung 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 na- türlich 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-Ma- trix vorgeschaltet ist.
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 toler- anzbedingten 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 Ξon- denausgängen und bevorzugt über den gesamten Betriebsfrequenzbereich vermessen (beispielsweise bei der Produk- tion 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 beispielsweise 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 berücks- ichtigt zu werden. Als besonders vorteilhaft erweist sich, beispielsweise diese Daten oder den erwähnten Datensatz mit den entsprechenden Daten einer Seriennummer der Antenne zuzuordnen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen im einzelnen:
Figur 1 : eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Antennen-Array mit einge- zeichneten Sonden für eine Kalibriereinrichtung;
Figur 2: eine schematische auszugsweise Vertikal-
Querschnittsdarstellung längs einer Verti- kaiebene durch eine Spalte des in Figur 1 gezeigten Antennen-Arrays;
Figur 3 : eine Darstellung von vier typischen Hori- zontaldiagrammen, die durch eine Gruppenantenne mit Hilfe einer 4/4-Butler-Matrix erzeugt werden (also einer Butler-Matrix mit vier Eingängen und vier Ausgängen) ;
Figur 4 : ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kalibriereinrichtung unter Verwendung von Sonden;
Figur 5 : eine zu Figur 4 abgewandelte Kalibriereinrichtung mit einem Kombinationsnetzwerk unter Verwendung von Koppeleinrichtungen anstelle von Sonden;
Figur 6 : ein zu Figur 5 erweitertes Ausführungsbeispiel unter Verwendung von Koppeleinrichtungen für ein dualpolarisiertes Antennen- Array; und
Figur 7 : ein Diagramm zur Herleitung der Phasenbeziehungen der einzelnen in unterschiedlichen Spalten angeordneten Strahlern.
In Figur 1 ist in schematischer Draufsicht ein Antennen- Array 1 gezeigt, welches beispielsweise eine Vielzahl von dualpolarisierten Strahlern oder Strahlerelementen 3 um- fasst, die vor einem Reflektor 5 angeordnet sind.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel zeigt das Antennen-Array Spalten 7, die vertikal angeordnet sind, wobei in jeder Spalte im gezeigten Ausführungsbeispiel vier Strahler oder Strahlergruppen 3 übereinander angeordnet sind. Insgesamt sind bei dem Antennen-Array gemäß Figur 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.
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 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 Son- den sind bevorzugt im Nahfeld der zugehörigen Strahler angeordnet.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist auch zu ersehen, dass die Sonden 11 im gezeigten Ausführungsbei- spiel unterhalb der Dipolstrahler 3' enden. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel handelt es sich um kapazitive Sonden.
Im Falle einer in Figur 1 und 2 angedeuteten dualpolari- sierten Antenne können die Strahler 3 beispielsweise aus kreuzförmigen Dipolstrahlern oder aus Dipolquadraten bestehen. Besonders eignen sich dualpolarisierte Dipolstrah- ler, 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.
Schließlich ist in Figur 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 Figur 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 Symmetrie- ebene des Antennen-Arrays bewirkt werden kann. 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 Aus- gänge 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.
Die nachfolgend noch im Einzelnen erläuterte Kalibriervorrichtung ist aber vor allem auch für ein Antennen-Array gemäß Figur 1 und 2 geeignet, welches kein vorgeschaltetes Strahlformungsnetzwerk insbesondere in Form einer Butler- Matrix aufweist. In diesem Falle werden dann die Spalten- eingänge 15 des Antennen-Arrays über eine entsprechende Anzahl von separaten Speisekabeln oder sonstigen Speiseanschlüssen gespeist. Dazu sind in Figur 1 nur beispielhaft vier parallel verlaufende Speiseleitungen 23 vorgesehen, die dann unter Weglassung des unter Figur 1 ge- zeigten Strahformungsnetzwerkes direkt mit den Spalteneingängen 15 des Antennen-Arrays verbunden sind.
In Figur 4 ist nunmehr schematisch der weitere Aufbau und die Funktionsweise der Kalibriereinrichtung sowie des Antennen-Arrays gezeigt. Dabei sind in Figur 4 schematisch nur vier Strahlerelemente 3 angedeutet, und zwar je ein Strahlerelement pro Spalte 7.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 wird eine ver- einfachte Ausführungsform beschrieben, bei dem ein Antennen-Array mit vier Spalten lediglich zwei Sonden 11c und lld verwendet werden. Diese Sonden sind dabei so angeordnet, dass jede Sonde einem Paar von nebeneinander angeord- neten Spalten 7 zugeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Sonde 11c in dem Zwischenbereich zwischen den beiden links liegenden Spalten und die Sonde lld in dem Zwischenbereich zwischen den beiden rechts liegenden Spalten 7 des vier Spalten umfassenden Antennen-Arrays gemäß Figur 1 angeordnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 sind also die beiden Sonden 11c und lld 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.
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.
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.
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 vorgeschaltet werden, um die Phasenkompensation oder Phaseneinstellung im gewünschten Sinne zu bewirken.
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.
Figur 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 Figur 6 ergibt, die nachfolgend erläutert wird.
Nachfolgend wird auf Figur 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. 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 verbunden sind, worüber über Leitungen 35 die Strahler 3 gespeist werden.
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 vor- gesehen, 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.
In Figur 6 ist für den Fall eines Antennen-Arrays mit dualpolarisierten Strahlern 3 gezeigt, dass zur Kalibrie- rung ein Kombinationsnetzwerk verwendet werden kann, das nicht mit Sonden 11, sondern Koppeleinrichtungen 111, beispielsweise Richtkopplern 111 arbeitet. Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 zeigt dabei ferner, wie das Kalibriernetzwerk zum Phasenabgleich der Zuleitungen kom- biniert 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 weit- gehend identische Einheiten (jeweils Kopplerkombinations- netzwerke) hergestellt werden können.
Figur 6 zeigt im Vergleich zu Figur 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 28 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 Kombina- tionsnetzwerk 27" zur Bestimmung der Phasenlage an einem betreffenden Strahler für die andere Polarisation verwendet wird.
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 vom 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.
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, al- lerdings mit etwas größerem Aufwand. Denn in dem Ausfüh- rungsbeispiel gemäß Figur 4 ließe sich auch für den Fall eines dualpolarisierten Antennen-Arrays unter Verwendung lediglich einer einzigen Sonde (die beispielsweise in dem in Figur 1 in Spalte 1 zuunterst angeordneten dualpolari- sierten Strahler 3' angeordnet ist) die in Figur 7 wiedergegebene Beziehung realisieren. Es ließen sich dadurch nämlich die Netzpunkte Ml, 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 Figur 7 wiedergegebenen Geraden ermitteln, wodurch die exakte Phasenlage herleitbar ist. Unter entsprechender Auswertung der Daten aus diesem Diagramm kann dann eine entsprechende Phasen- Justierung 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 Spal- ten, 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.
Würde die entsprechend einzige Sonde oder das entsprechende einzige Kopplerpaar beispielsweise in der zweiten Spalte angeordnet sein, so würden entsprechende Messpunkte Mll, M12, M13 und M14 ermittelt werden können, wobei eben- falls wieder durch die feste Phasenbeziehung durch dies Punkte die entsprechenden Geraden gelegt werden könnten. Auch dadurch würde man das gleiche Diagramm gemäß Figur 7 herleiten können, um die entsprechenden Phaseneinstel- lungen und Kalibrierungen vornehmen zu können.
Wird aber bevorzugt wie in Figur 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 Figur 7 jeweils die Messpunkte Ml bis M4 sowie die Messpunkte M31 bis M34 ermittelt werden können, was die gesamte Auswertung erleichtert.

Claims

Ansprüche:
1. Kalibriereinrichtung für ein Antennen-Array oder Antennen-Array, welches mehrere Strahler (3, 3') umfasst, die in mehreren Spalten (7) übereinander angeordnet sind, vorzugsweise vor einem Reflektor (5) , wobei den Spalteneingängen (15) für die in einer jeweiligen Spalte angeordneten Strahlern (3, 3') ein Strahlformungsnetzwerk (17) vorgeschaltet sein kann, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- bei insgesamt N für eine Spalte (7) vorgesehenen Strahlern (3, 3'), wobei N eine natürliche Zahl ist, sind lediglich N/2 oder weniger Koppeleinrichtungen (111) und/oder Sonden (11) vorgesehen,
- die vorgesehene Anzahl von Kopplern oder Sonden (11) ist nur einem Teil der Strahler (3, 3') zugeordnet; und
- es ist ferner ein Kombinationsnetzwerk (27, 27', 27") vorgesehen, worüber die vorgesehenen Koppeleinrichtun- gen (111) und/oder Sonden (11) verschaltet sind.
2. Kalibriereinrichtung oder Antennen-Array nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet:, dass die Sonden (11) oder die Koppeleinrichtung (111) aus dem Nahfeld der Strahler (3, 3') auskoppeln.
3. Kalibriereinrichtung oder Antennen-Array nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichne-b, dass das Kombinationsnetzwerk so aufgebaut ist, dass die Gruppenlaufzeit vom Eingang (15) der jeweiligen Spalte (7) bis zum Ausgang (S) des Kombinationsnetzwerkes für alle Antenneneingänge bei einem einfach polarisierten Antennen-Array oder zumindest einer Polarisation bei einem dualpolarisierten Antennen-Array, vorzugsweise im gesamten Betriebsfrequenzbereich in etwa gleich groß sind.
4. Kalibriereinrichtung oder Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ko bi- nationsnetzwerk verlustbehaftete Komponenten umfasst, welche zur Verringerung von Resonanzen beitragen.
5. Kalibriereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem dualpolarisierten Antennen-Array die eine oder die mehreren vorgesehenen Sonden (11) jeweils zum Empfang eines Signals für beide Polarisationen geeignet sind.
6. Kalibriereinrichtung oder Antennen-Array nach einem der Ansprüche 2bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass pro Spalte
(7) nur für einen Strahler (3, 3') eine Sonde (11) oder eine Koppeleinrichtung (111) oder ein Paar von Koppeleinrichtungen (111) vorgesehen ist bzw. sind.
7. Kalibriereinrichtung oder Antennen-Array nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nur für einen Teil der Spalten (7) jeweils vorzugsweise nur eine Sonde (11) oder nur eine Koppeleinrichtung (111) oder nur ein Paar von Koppeleinrichtungen (111) vorgesehen ist bzw. sind, die zumindest einem Strahler (3, 3') zugeordnet ist bzw. sind.
8. Kalibriereinrichtung oder Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sonde (11) bzw. die mehreren Sonden (11) bezüglich den ihnen zugeordneten Strahlern (3, 3') auf einer durch die Strahler (3, 3') hindurchverlaufenden vertikalen Symmetrieebene liegen.
9. Kalibriereinrichtung oder Antennen-Array nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Antennen-Array mit vier Spalten (7) zumindest zwei Sonden (11)/ zwei Koppeleinrichtungen (111) oder zwei Paare von Koppeleinrichtungen (111) vorgesehen sind, die jeweils einem Strahler (3, 3') zugeordnet sind, der in den beiden außenliegenden Spalten (7) des Antennen-Arrays angeordnet sind.
10. Kalibriereinrichtung oder Antennen-Array nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Antennen-Array mit vier Spalten (7) vorzugsweise zwei Sonden (11) , zwei Koppeleinrichtungen (111) oder zwei Paare von Koppeleinrichtungen (111) vorgesehen sind, die jeweils einem Strahler (3, 3') zugeordnet sind, der in den beiden innenliegenden Spalten (7) des Antennen-Arrays angeordnet sind.
11. Kalibriereinrichtung oder Antennen-Array nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonden (11), die pro Spalte (7) einem Strahlerelement (3, 3') zugeordnet sind, auf gleicher Höhenlinie angeordnet sind.
12 . Kalibriereinrichtung oder Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass j eweils für zwei benachbarte Spalten ( 7 ) eines Antennen- Arrays eine Sonde (11; 11c, lld) vorgesehen ist, die vorzugsweise die gleiche Koppeldämpfung aufweist.
13. Verfahren zum Betrieb eines Antennen-Arrays, gekenn- zeichnet durch die folgenden Merkmale
- alle Pfade (Spalten 7) des Antennen-Arrays werden vermessen, worüber Daten bezüglich der Phasenlage und/oder der Gruppenlaufzeiten und/oder Abweichungen der Phasenlage zueinander bezüglich der einzelnen Strahler oder Strahlergruppen (3, 3') ermittelbar sind,
- die ermittelten Messergebnisse und/oder die ermittelten Abweichungen gegenüber einer idealen Phasenlage werden für alle Übertragungspfade vorzugsweise auf der Strecke Eingang bis Sonden- oder Koppelausgang bevorzugt über den gesamten Betriebsfrequenzbereich vermessen, und
- die ermittelten Daten werden gespeichert und stehen einer Sendeeinrichtung beim Betrieb der Basisstation zur elektronischen Erzeugung der Phasenlage der Einzelsignale zur Verfügung.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Datensatz der Seriennummer einer Antenne zugeordnet ist.
EP03730156A 2002-08-19 2003-06-05 Kalibriereinrichtung für ein antennen-array und verfahren zu dessen kalibrierung Expired - Lifetime EP1532716B1 (de)

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