DE60221150T2

DE60221150T2 - Antennensystem

Info

Publication number: DE60221150T2
Application number: DE60221150T
Authority: DE
Inventors: Louis David Malvern THOMAS; Philip Edward Malvern HASKELL; Clive Richard Malvern HARDING
Original assignee: Quintel Technology Ltd
Current assignee: Quintel Technology Ltd
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2022-11-01
Also published as: EP1454380A2; US7230570B2; WO2003043127A3; RU2273923C2; WO2003043127A2; MXPA04005899A; ATE367000T1; RU2004117886A; PL369524A1; HK1074699A1; ES2289151T3; US20040252055A1; EP1454380B1; CA2464883A1; DE60221150D1; CN100468863C; JP4796595B2; CN1586023A; AU2002337354B2; JP2008178125A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antennensystem und insbesondere, aber nicht ausschließlich, ein Phased-Array-Antennensystem, bei dem mehrere Antennenelemente in mindestens zwei Unteranordnungen angeordnet sind. Das Antennensystem ist zur Verwendung in vielen Telekommunikationssystemen geeignet, findet aber insbesondere in zellularen Mobilfunknetzwerken, allgemein als Mobiltelefonnetzwerke bezeichnet, Anwendung. Das Antennensystem der vorliegenden Erfindung kann speziell mit Mobiltelefonnetzwerken der dritten Generation (3G) und dem Universal Mobile Telephone System (UMTS) verwendet werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Phasenausgleichsvorrichtung zur Verwendung in einem Antennensystem.
Die Betreiber zellularer Mobilfunknetzwerke verwenden allgemein ihre eigenen Basisstationen, jede von ihnen kann eine oder mehrere Antennen enthalten. In einem zellularen Mobilfunknetzwerk geben die Antennen das erwünschte Sendegebiet vor, das allgemein in eine Reihe sich überlappender Zellen unterteilt ist, jeder Zelle ist eine entsprechende Antenne und Basisstation zugeordnet. Jede Zelle enthält eine ortsfeste Basisstation, die die Funkverbindung mit allen Mobilfunkgeräten in dieser Zelle aufrechterhält. Die Basisstationen selbst sind mit anderen Kommunikationseinrichtungen, üblicherweise Festnetzverbindungen, verbunden, die in einer Netz- oder Maschenstruktur angeordnet sind, wodurch die Mobilfunkgeräte durch das gesamte Sendegebiet der Zelle sowohl miteinander, als auch mit dem öffentlichen Telefonnetz außerhalb des zellularen Mobilfunknetzwerks kommunizieren können.
Häufig sind die in solchen Netzwerken verwendeten Antennen Kombinationsgeräte (composite devices), die als Phased-Array-Antennen bekannt sind, und die mehrere (üblicherweise acht oder mehr) einzelne Antennenelemente oder Dipole oder eine Anordnung derselben, enthalten. Die Richtung der maximalen Empfindlichkeit der Antenne, d.h. die Richtung des Hauptstrahls der Strahlung oder die "Mittelachse" des Antennenmusters, kann durch Einstellung der Phasenbeziehung zwischen den den Antennenelementen zugeführten Signalen geändert werden. Das hat den Effekt, dass der Strahl gesteuert werden kann, um das Sendegebiet der Antenne zu modifizieren.
Für die Betreiber von Phased-Array-Antennen in zellularen Mobilfunknetzwerken besteht die Notwendigkeit, das senkrechte Strahlungsmuster (VRP) einzustellen, um den senkrechten Winkel des Hauptstrahls, auch als "Neigung" bekannt, zu andern, da das eine signifikante Auswirkung auf den Sendebereich der Antenne hat. Eine Einstellung des Sendebereichs kann beispielsweise durch Änderungen der Netzwerkstruktur oder durch Hinzufügung oder Wegnahme anderer Basisstationen oder Antennen in der Zelle erforderlich sein.
Die Einstellung des Neigungswinkels einer Antenne ist bekannt und wird herkömmlicherweise mit mechanischen, elektrischen Mitteln oder beidem erzielt. Wird der Neigungswinkel der Antenne mechanisch eingestellt, beispielsweise durch mechanisches Bewegen der Antennenelemente selbst oder durch mechanisches Bewegen des Gehäuses (oder des "Radoms") der Elemente, ist das als Einstellung des Winkels der "mechanischen Neigung" bekannt. Wenn der Neigungswinkel der Antenne elektrisch eingestellt wird, indem beispielsweise die Verzögerungszeit oder die Phase der Signale geändert wird, die jedem Element (oder jeder Gruppe von Elementen) in der Anordnung gesendet werden, ohne physisch weder das Gehäuse der Elemente, noch die Antennenelemente selbst oder irgendein anderes Teil des Antennen-Radoms zu bewegen, wird das üblicherweise Einstellung des Winkels der "elektrischen Neigung" genannt.
Die Einstellung entweder des Winkels der mechanischen Neigung oder des Winkels der elektrischen Neigung hat den Effekt, dass die Mittelachse neu positioniert wird, so dass sie entweder über oder unter die durch die herkömmlichen mechanischen oder elektrischen Neigungsmechanismen festgelegte Mittelachse zeigt, wodurch der Sendebereich der Antenne vergrößert oder verkleinert wird.
Früher war die Einstellung der mechanischen oder elektrischen Neigung einer Zellularfunkantenne nur durch manuelle Einstellung des Neigungswinkels an der Antenne selbst möglich, beispielsweise durch physisches Bewegen des Antennengehäuses oder -Radoms, bei einer mechanischen Neigungseinstellung, oder durch die Einstellung mechanischer Vorrichtungen zur Aufbringung variabler Verzögerungsgrößen auf die Elemente in der Antenne, bei der elektrischen Neigungseinstellung.
Ein Nachteil der Anwendung solcher mechanischen oder elektrischen Methoden der Neigungseinstellung ist es, dass ihre Durchführung schwierig und zeitaufwendig ist. Ferner haben solche Methoden der Einstellung zur Folge, dass die Peilrichtung für alle gesendeten oder empfangenen Signale auf den eingestellten Neigungswinkel solange festgelegt ist, bis der Neigungswinkel erneut eingestellt wird. Infolgedessen kann die Antenne von nicht mehr als einem Betreiber genutzt werden, es sei denn, die von jedem Betreiber benötigte Neigung ist identisch. In der Praxis ist das selten der Fall, allgemein benötigen die Betreiber einen individuellen Neigungswinkel, um die Zellenreichweite der Antenne für ihre spezielle Stationierung von Basisstationen zu optimieren.
Obwohl die gemeinsame Nutzung von Basisstationen, Antennen und Einrichtungen wünschenswert wäre, ist die Verwirklichung in jedem Fall problematisch. Im Vereinigten Königreich sind entsprechende Sende-/Empfangsfrequenzbänder fünf Netzbetreibern der dritten Generation zum Senden zwischen Mobilfunkgeräten und Basisstationen zugeordnet. Die fünf Sendebänder, oder Betreiber-Frequenzbänder, grenzen, wie die fünf Empfangsbänder, aneinander, d.h., es gibt keine Lücken zwischen benachbarten Frequenzbändern. Wenn folglich durch die zur Antenne gehörige Sende- und Empfangsvorrichtung keine komplexe und einwandfreie Filterung der Signale erfolgt, haben die sich ergebende Überlappung und Interferenz der Signale eine schädigende Auswirkung auf die Leistung des Systems.
Eine bekannte Architektur einer Basisstation gibt eine getrennte Sende- und Empfangsantenne an, während ein anderes bekanntes System einen Duplexer verwendet, wodurch eine einzige Antenne zum Senden und Empfangen verwendet werden kann. Diese Anordnungen sind zweckmäßig, wenn nur ein Betreiber die Basisstation und die Antenne nutzt, wollen aber mehr als ein Betreiber das System nutzen, ist das mit Schwierigkeiten verbunden.
Eine bekannte Lösung für eine gemeinsame Nutzung der Basisstation ist es, wenn jeder Betreiber eine andere Antenne verwendet. In der Praxis wird das durch die Verwendung eines gemeinsamen Antennenmastes erreicht, der eine Reihe von Antennen, eine für jeden Betreiber, trägt. Um aber eine gegenseitige Interferenzen zu vermeiden, müssen die Antennen in geeigneter Weise getrennt sein, und es könnte nötig werden, den Mast zu erhöhen, oder es könnte ein stärkerer Aufbau erforderlich sein, damit der Mast starken Winden standhält. Hierdurch wird das Gewicht des Mastes erhöht, was wiederum die Kosten des Mastes erhöht. Ferner sind Standorte, auf denen ein größerer Mast errichtet werden könnte, schwer zu erwerben, und es könnten Probleme bei der Planung, der Genehmigung oder der Gebietsaufteilung auftreten. Größere Masten fallen darüber hinaus sehr ins Auge und sind unansehnlich.
Infolgedessen verwenden viele Betreiber zellularer Mobilfunknetzwerke ihre eigenen Basisstationen mit zugehörigen Masten und Antennen. Eine gemeinsame Standortnutzung gibt es kaum, und wenn, betrifft sie nur die gemeinsame Nutzung des Mastes und nicht der Antennen. Die Einführung des sogenannten Mobilfunksystems der dritten Generation (3G) macht eine höhere Zahl von Standorten für Basisstationen erforderlich. Es ist daher möglich, dass es Schwierigkeiten beim Erwerb des erforderlichen Grundstücks gibt, und die gemeinsame Standortnutzung wird daher eine zunehmend attraktivere Option.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und/oder eine Vorrichtung anzugeben, die es mehreren Betreibern eines Basisstationsstandortes ermöglicht, eine gemeinsame Antenne zu nutzen, wobei der elektrische Neigungswinkel der Antenne elektrisch und individuell von jedem Betreiber eingestellt werden kann. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zu ermöglichen, dass der elektrische Neigungswinkel der Antenne aus der Entfernung eingestellt werden kann und dass er beim Senden und beim Empfang unterschiedlich ist.
In der folgenden Beschreibung ist anstelle des früheren Begriffs "Antenne" der Begriff "Antennensystem" zur Beschreibung eines Systems verwendet worden, das einen "Antennenaufbau", der eine Gruppe von Antennenelementen ist, und eine Steuereinrichtung zur Steuerung von Signalen aufweist, die zu den Antennenelementen im Antennenaufbau übertragen werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Antennensystem zur Verwendung zum Senden und/oder zum Empfang von mindestens zwei Signalen angegeben, wobei ein erstes dieser Signale von einem ersten Betreiber in einem ersten Betreiber-Frequenzband und ein zweites dieser Signale von einem zweiten Betreiber in einem zweiten Betreiber-Frequenzband erzeugt wird, und wobei das Antennensystem umfasst:
einen Antennenaufbau, der einen einstellbaren elektrischen Neigungswinkel aufweist und mehrere Antennenelemente zum Senden und/oder zum Empfang dieser Signale enthält, wobei die Antennenelemente auf einem Antennenträger montiert und in mindestens zwei Unteranordnungen angeordnet sind und jede Unteranordnung eines oder mehrere dieser Elemente enthält, eine Steuereinrichtung zur elektrischen Steuerung der Phase der vom Antennenaufbau gesendeten und/oder empfangenen Signale, wodurch der elektrische Neigungswinkel des Antennenaufbaus gesteuert wird, und
eine Kombinatoreinrichtung, die es ermöglicht, dass der Antennenaufbau im wesentlichen gleichzeitig ein erstes dieser Signale unter einem ersten elektrischen Neigungswinkel sendet und/oder empfängt, und ein zweites dieser Signale unter einem zweiten elektrischen Neigungswinkel sendet und/oder empfängt, wobei die Kombinatoreinrichtung 730, 740 derart ausgebildet ist, dass sie Signale kombiniert und/oder aufteilt, die vom Antennenaufbau gesendet und/oder empfangen werden, und dadurch Signale durch die gemeinsam genutzten Antennenelemente (E1–En) hindurchgehen können, welche unterschiedlichen elektrischen Neigungswinkeln angehören.
Das erste und das zweite Signal, die vom Antennenaufbau gesendet und/oder empfangen wurden, werden von verschiedenen Netzbetreibern genutzt und haben somit eine unterschiedliche Frequenz. Das Antennensystem ermöglichst es daher vorteilhafterweise, dass der Antennenaufbau von mehreren Betreibern genutzt wird.
Wenn ferner der elektrische Neigungswinkel von einem Ort eingestellt werden kann, der vom Antennenaufbau entfernt ist, kann jeder Betreiber seine durch den Antennenaufbau angegebene Zellenreichweite einstellen, ohne den Standort der Basisstation zu besuchen. Die Einstellung des elektrischen Neigungswinkels kann beispielsweise erforderlich sein, um die Reichweite zu optimieren, wenn das Netzwerk eingesetzt wird, um das Netzwerk als Reaktion auf die gemessenen Leistungsparameter täglich als Reaktion auf die Bewegung der städtischen Pendler oder periodisch zu optimieren, damit es den Anforderungen eines besonderen Ereignisses, beispielsweise einer Ausstellung oder eines Sportereignisses, gerecht wird.
In einer Ausführungsform ist das Antennensystem derart angeordnet, dass es in einem Sendemodus arbeitet, in dem mindestens zwei Signale durch der Antennenaufbau gesendet werden, wobei die Kombinatoreinrichtung derart angeordnet ist, dass sie Signale mit eingestellter Phase von der Steuereinrichtung empfangt und im wesentlichen gleichzeitig ein erstes dieser Signale unter einem ersten elektrischen Neigungswinkel und ein zweites dieser Signale unter einem zweiten elektrischen Neigungswinkel sendet. Die Vorrichtung kann jedoch auch bevorzugt in einem Empfangsmodus arbeiten, in dem der Antennenaufbau Signale empfangt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine erste und eine zweite Speiseleitung zur Übertragung eines ersten und eines zweiten Signals einer ersten Polarisation zum Antennenaufbau bzw. von demselben.
Die Vorrichtung umfasst bevorzugt ferner eine dritte und eine vierte Speiseleitung zur Übertragung eines dritten und eines vierten Signals mit einer zweiten Polarisation zum Antennenaufbau bzw. von demselben, die, bezogen auf die erste Polarisation, ein umgekehrtes Vorzeichen aufweisen.
In einer noch bevorzugteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung maximal vier Speiseleitungen zur Übertragung von Signalen zum Antennenaufbau bzw. von demselben.
Die Vorrichtung ist dadurch vorteilhaft, dass mehrere Betreiber sie nutzen und in unterschiedlichen Betreiber-Frequenzbändern Signale senden und/oder empfangen können, wobei jedes, falls erforderlich, unterschiedliche elektrische Neigungswinkel aufweist, und das unter Nutzung von nur vier Speiseleitungen, oder nur zwei Speiseleitungen, erreicht wird, falls nur eine Polarisation erforderlich ist. Trotzdem sie für viele unterschiedliche Betreiber arbeiten kann, ist die Vorrichtung relativ einfach und kostengünstig.
Eine Reihe von Betreibern kann ferner einen einzigen Antennenaufbau nutzen, wodurch die Notwendigkeit zusätzlicher Basisstationen oder Antennenaufbauten entfällt.
In der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Begriff "Betreiber" oder "Nutzer", im Gegensatz zum Standort-Betreiber, der für den Antennenstandort verantwortlich ist, den Betreiber eines Zellularfunknetzwerks.
Die Steuereinrichtung kann beispielsweise eine erste Steueranordnung, die einem ersten Signal zugeordnet ist, und eine zweite Steueranordnung, die einem zweiten Signal zugeordnet ist, umfassen, und die Kombinatoreinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass sie das erste Signal von der ersten Steueranordnung empfängt und das zweite Signal von der zweiten Steueranordnung empfängt und an den Antennenaufbau ein kombiniertes Signal überträgt.
Die Steueranordnung ist bevorzugt derart ausgeführt, dass sie die Phase der zu mindestens einer Unteranordnung von einem Ort gesendeten Signale, der vom Antennenaufbau entfernt ist, elektrisch steuert und dadurch den elektrischen Neigungswinkel der Antennenaufbau steuert.
Die Steuereinrichtung kann mehrere Differentialphasen-Steuereinheiten umfassen, wobei jede Differentialphasensteuereinheit einem entsprechenden der Betreiber des Antennensystems zugeordnet ist.
Jede der Differentalphasen-Steuereinheiten kann eine erste und eine zweite Differentalphasen-Steueruntereinheiten umfassen, wobei die erste Differentialphasen-Steueruntereinheit so ausgebildet ist, dass sie, zur Übertragung vom Antennenaufbau, die dahin gesendete Phase der Signale elektrisch steuert, und die zweiten Differentialphasen-Steueruntereinheit so ausgebildet ist, dass sie die dahin gesendete Phase der Signale elektrisch steuert, wobei die Signale vom Antennenaufbau empfangen wurden.
Die Kombinatoreinrichtung umfasst bevorzugt eine erste und eine zweite Kombinatoreinrichtung, wobei jede Kombinatoreinrichtung ein entsprechendes Sende-Kombinator-Netzwerk und ein entsprechendes Empfangs-Splitter-Netzwerk enthält, wobei das Sende-Kombinator- Netzwerk mehrere Eingänge zur Verbindung mit einer Sendeeinrichtung entsprechender mehrerer Betreiber des Antennensystems aufweist, und das Sende-Kombinator-Netzwerk derart ausgebildet ist, dass es Signale multiplext, die von der Sendeeinrichtung an die Eingänge angelegt werden, wodurch ein einziges gemultiplextes Signal ausgegeben wird.
Das Sende-Kombinator-Netzwerk bevorzugt enthält: einen ersten Sende-Multiplexer, der so ausgebildet ist, dass er mindestens zwei Signale, jedes von einem entsprechenden zugeordneten Sender, empfangt und einen zweiten Sende-Multiplexer enthält, der so ausgebildet ist, dass er mindestens zwei Signale, jedes von einem entsprechenden zugeordneten Sender, empfängt, wobei jeder, der erste und der zweite Sende-Multiplexer, mit einer Bandpassfilteranordnung zum Filtern von von einem ersten der entsprechenden zugeordneten Sender erhaltenen Signalen mit einem Passband ausgestattet ist, das durch ein Sperrband von einem Passband des oder jedes entsprechenden zugeordneten Senders getrennt ist.
Jede Bandpassfilteranordnung ist bevorzugt so ausgebildet, dass sie ein perfekt kombiniertes Ausgangssignal erzeugt (wie in der vorliegenden Beschreibung definiert).
Die kombinierten Ausgangssignale von der Bandpassfilteranordnung werden bevorzugt zur Erzeugung eines kombinierten Signals, das ein im wesentlichen perfekt kombiniertes kontinuierliches Frequenzspektrum aufweist, in eine Kombinatoreinheit eingegeben.
Das Empfangs-Splitter-Netzwerk weist bevorzugt mehre Ausgänge zur Verbindung mit einer Empfangseinrichtung mehrerer entsprechender Betreiber des Antennensystems auf, wobei das Empfangs-Splitter-Netzwerk derart ausgebildet ist, dass es ein vom Antennenaufbau empfangenes Empfangssignal aufteilt und das empfangene Signal zu jeder Empfangseinrichtung überträgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Kombinatoreinrichtung derart ausgebildet, dass Ausgangssignale mit eingestellter Phase gleichzeitig für jeden der mehreren Betreiber erzeugt werden, und das Antennensystem ferner eine Splitter-Anordnung zum Empfang der Ausgangssignale mit eingestellter Phase und zum Aufteilen dieser Ausgangssignale mit eingestellter Phase und Verteilen derselben auf die Elemente des Antennenaufbaus umfasst.
Die Splitter-Anordnung ist bevorzugt derart ausgebildet, dass sie die Signalstärke der Signale mit eingestellter Phase im wesentlichen gleichmäßig verteilt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das System eine Phasenausgleichseinrichtung umfassen, um zu gewährleisten, dass die den Signalen in den Speiseleitungen aufgeprägte Phasendifferenz zwischen der Steuereinrichtung und dem Antennenaufbau im wesentlichen konstant bleibt.
Das Mess- und Phaseneinstellverfahren kann durchgeführt werden, wenn das System anfangs eingeschaltet wird, wenn der elektrische Neigungswinkel geändert werden muss und/oder periodisch Wärmeschwankungen in den Speiseleitungen ausgeglichen werden müssen, beispielsweise alle 10 Minuten.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Phasenausgleichseinrichtung eine erste und eine zweiten Mischeraufbau, die auf den gegenüberliegenden Enden der ersten und der zweiten Speiseleitungen angeordnet sind.
Die Phasenausgleichseinrichtung kann alternativ dazu ein Phasenmess-Empfangsmodul enthalten.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Vorrichtung eine Phasenausgleichseinrichtung zur unabhängigen Messung einer Sendepfad-Phasendifferenz für mehrere Betreiber-Frequenzbänder enthalten, die aus dem Unterschied der Phasendifferenz zwischen Signalen erhalten wird, die den Antennenelementen über einen Sendepfad übertragen werden, und eine Rückkopplungseinrichtung zur Rückkopplung der Sendepfad-Phasendifferenz -Messungen mit der Steuereinrichtung enthalten. Die Steuereinrichtung enthält bevorzugt eine Einrichtung zur Einstellung der Phase der Signale, die in Abhängigkeit von der entsprechenden Sendepfad-Phasendifferenzmessung an die erste und die zweite Speiseleitung unabhängig für jedes Betreiber-Frequenzband übertragen werden, wodurch die Unterschiede in der Phasendifferenz in unterschiedlichen Betreiber-Frequenzbändern ausgeglichen werden können.
Für eine Antenne, die so ausgebildet ist, dass sie nur eine Polarisation der Signale sendet, umfasst der Sendepfad typischerweise die erste und die zweite Speiseleitung zur Übertragung von Sendesignalen von der Kombinatoreinrichtung zum Antennenaufbau und eine erste und zweite entsprechende Trägerleitung, die einen Teil des Antennenaufbaus bilden und eine Verbindungseinrichtung zwischen der ersten und der zweiten Speiseleitung und den Antennenelementen darstellen.
Das System kann ferner ein Vektormessungs-Empfangsmodul im Antennenaufbau umfassen und kann eine Einrichtung zur Entnahme eines Teils der an die Antennenelemente gesendeten Signale sowie eine Einrichtung zur Kombination des entnommenen Teils mit einem Oszillatorsignal enthalten, welches eine Frequenz hat, die von einem ausgewählten Betreiber-Frequenzband abhängt, wodurch die Sendepfad-Phasendifferenz für jedes Betreiber-Frequenzband durch Messung ermittelt wird.
Das Vektormessungs-Empfangsmodul enthält bevorzugt eine erste und eine zweite Phasenkomparatoreinheit, wodurch Gleichphasen- und Phasenquadratur-Differenzmessungen durchgeführt werden können und somit die Phasendifferenz in eindeutiger Art und Weise bestimmt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das System eine Phasenausgleichseinrichtung zur Messung einer Empfangspfad-Phasendifferenz für mehrere Betreiber-Frequenzbänder, die vom Unterschied der Phasendifferenz zwischen Signalen erhalten wird, die an den Antennenelementen erhalten und über einen Empfangspfad zur Steuereinrichtung gesendet wurden, und eine Rückkopplungseinrichtung zur Rückkopplung der Phasendifferenzmessungen des Empfangspfades mit der Steuereinrichtung umfassen, wobei die Steuereinrichtung eine Einrichtung zur Einstellung der Phase der an die erste und die zweite Speiseleitung für jedes Betreiber-Frequenzband in Abhängigkeit von der entsprechenden Empfangspfad-Phasendifferenzmessung gesendeten Signale enthält, wodurch die Unterschiede der Phasendifferenz in den unterschiedlichen Betreiber-Frequenzbändern ausgeglichen werden können.
Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da die Unterschiede der Phasendifferenz zwischen den Signalen, die durch den Sendepfad gehen, und den Signalen, die durch den Empfangspfad gehen, unabhängig ausgeglichen werden können und ferner jedes Betreiber-Frequenzband unabhängig ausgeglichen werden kann.
Der Antennenaufbau enthält bevorzugt eine Oszillatoreinrichtung zur Erzeugung eines Empfangsbahn-Eichsignals, das zusätzlich zur Sendepfad-Phasendifferenzmessung zur Bestimmung der Empfangspfad-Phasendifferenzmessung im Empfangspfad übertragen wird.
Der Empfangspfad enthält bevorzugt die erste und zweite Speiseleitung und die erste und zweite Trägerleitung des Sendepfades, jedoch gehen die Empfangssignale typischerweise durch die unterschiedlichen Verstärker- und Filterkomponenten zu den Sendesignalen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Oszillatoreinrichtung ein Tongenerator zur Erzeugung eines Tonsignals, das über den Empfangspfad übertragen wird.
Das Tonsignal weist für ein ausgewähltes Betreiber-Frequenzband bevorzugt eine Frequenz auf, die sich zwischen den angrenzenden Betreiber-Frequenzbändern befindet, wobei eines der angrenzenden Betreiber-Frequenzbänder das ausgewählte Betreiber-Frequenzband ist.
Das Tonsignal kann alternativ dazu in das ausgewählte Betreiber-Frequenzband fallen.
Die Oszillatoreinrichtung ist bevorzugt so ausgebildet, dass sie ein Empfangspfad-Eichsignal einer Bandbreite von etwa 200 Hz sendet.
In der vorliegenden Beschreibung wurde der Begriff "Phasenverzögerung oder Phasenverschiebung" für eine einfachere Darstellung verwendet. Eine Verzögerungszeit kann durch Änderung der Phase des Funkfrequenzträgers erzielt werden. Unter der Voraussetzung, dass die Phasenverschiebung proportional der Frequenz in einem Band und die Abschnittsverzerrung Null ist, erzeugt die Phasenverschiebung eine im wesentlichen verzerrungslose Verzögerungszeit. Phasenverschiebung und Verzögerungszeit sind somit Synonyme.
Es ist anzumerken, dass es für alle Aspekte der vorliegenden Erfindung in der Praxis wünschenswert sein kann, mehr als zwei der Signale unter unterschiedlichen Winkeln zu senden.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden lediglich beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 ein senkrechtes Strahlungsmuster (VRP) eines bekannten Phased-Array-Antennenaufbaus,
2 ein schematisches Blockdiagramm eines bekannten Antennenaufbaus, in den eine mechanische Einrichtung zur Einstellung des elektrischen Neigungswinkels eingebaut ist,
3 eine bekannte Frequenzzuordnung zu einer Frequenzduplex-Basisstation der dritten Generation (3G),
4 eine bekannte Anordnung zur gemeinschaftlichen Nutzung des Mastes einer Basisstation,
5 ein vorgeschlagenes Antennensystem gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung, das die gemeinschaftliche Nutzung eines einzigen bipolaren Antennenaufbaus durch bis zu fünf Betreiber zeigt,
6 ein bipolares Antennensystem mit drei Sektoren, das drei Antennensysteme von 5 enthält,
7a ein Blockdiagramm eines vorgeschlagenen Sende-Kombinator-Netzwerks zur Verwendung in den Antennensystemen der 5 und 6,
7b die Frequenzreaktionen der Filter, verwendet im Sende-Kombinator-Netzwerk von 7a,
8 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Form des Antennensystems gemäß der Erfindung (für einen Betreiber),
9 ein Blockdiagramm einer automatischen Phasensteuervorrichtung zur Verwendung mit dem Antennensystem von 8,
10 ein Spannungs-Zeit-Diagramm der Signale, die von den in der Vorrichtung von 9 verwendeten Mischern ausgegebenen wurden,
11 ein Blockdiagramm, das den Einbau der Vorrichtung von 9 in das System von 8 und die Verwendung des Systems durch bis zu fünf Betreiber zeigt,
12 ein Blockdiagramm des Antennensystems von 3, das ein Phasenmess-Empfangsmodul enthält,
13 ein Teil des Phasenmess-Empfangsmoduls im Detail,
14 ein Blockdiagramm, das den Einbau des Phasenmess-Empfangsmoduls von 12 in das System von 8 und die Verwendung des Systems durch bis zu fünf Betreiber zeigt,
15 ein Blockdiagramm, das die Bauteile einer Antenne zur Realisierung eines alternativen Phasenausgleichsverfahrens zeigt,
16 ein Blockdiagramm, das die Bauteile einer Antennenkombinatoreinheit zur Realisierung des alternativen Phasenausgleichsverfahrens von 15 zeigt.
In der folgenden Beschreibung ist die Erfindung im Zusammenhang mit einem Antennensystem beschrieben, das für eine Verwendung in einem zellularen Mobilfunknetzwerk und insbesondere dem Universal Mobile Telephone System (UMTS) geeignet ist. Es ist jedoch anzumerken, dass die Erfindung nicht auf eine derartige Verwendung beschränkt ist, sondern gleichermaßen in anderen Kommunikationssystemen verwendet werden kann.
1 zeigt das senkrechte Strahlungsmuster (VRP) eines herkömmlichen Phased-Array-Antennenaufbaus. Die Zeichnung zeigt eine Seitenansicht, und der Antennenaufbau ist durch den Punkt 1 dargestellt.
Das senkrechte Strahlungsmuster (VRP) des Antennenaufbaus 1, besteht aus einer Hauptkeule oder "Mittelachse" 2, die, indem sie sich vom Antennenaufbau erstreckt, in einer senkrechten Ebene divergiert und stellt den Bereich der maximalen Strahlungsintensität des vom Antennenaufbau ausgestrahlten Strahls dar. Das senkrechte Strahlungsmuster des Antennenaufbaus hat ferner eine Reihe von Seitenkeulen 4, die Bereiche sehr viel niedrigerer Strahlungs- Intensität darstellen, die sich vom Antennenaufbau in Richtungen erstrecken, die in einer senkrechten Ebene fast gleichwinklig um der Antennenaufbau beabstandet sind. Die unmittelbar an der Mittelachse 2 angrenzenden Keulen 3 werden erste obere bzw. erste untere Seitenkeule genannt.
Wenn der Neigungswinkel des Antennenaufbaus mechanisch durch physisches Bewegen der Antennenelemente und/oder ihres Gehäuses eingestellt wird, ist er als "mechanischer Neigungswinkel" bekannt und wird herkömmlicherweise durch eine Neupositionierung der Mittelachse erzielt, so dass sie entweder über oder unter den Horizont zeigt. Wenn der Neigungswinkel der Antenne elektrisch eingestellt wird, ist er als "elektrischer Neigungswinkel" bekannt und bewegt, statt durch mechanische Bewegung der Elemente selbst, durch eine Änderung der Verzögerungszeit der Signale, die den Gruppen der Elemente in der Antenne übertragen werden, die Mittelachsenlinie nach oben oder unten.
Es erleichtert dem Leser der folgenden Beschreibung das Verständnis, wenn angemerkt wird, dass sowohl die "elektrische Neigung" als auch die "mechanische Neigung" entweder durch eine elektrische Einrichtung oder durch eine mechanische Einrichtung oder durch beide derart gesteuert und oder eingestellt werden können, dass beispielsweise eine mechanische Bewegung der Teile genutzt werden kann, um eine elektrische Phaseneinstellung (in der die Antennenelemente selbst physisch nicht bewegt werden) zu realisieren und die Position der Mittelachse einzustellen.
In 2 ist der Antennenaufbau eines bekannten Antennensystems, in die eine Anordnung zur Einstellung des elektrischen Neigungswinkels eingebaut ist, schematisch in Form eines Blocks gezeigt, der allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Der Antennenaufbau ist eine Phased-Array-Antenne, die aus einer Anordnung von zwölf Elementen oder Dipolen E1 bis E12, die in drei Unteranordnungen, bezeichnet mit A, B und C, aufgebaut sind. Jede Unteranordnung A, B und C enthält vier Elemente, die wechselweise parallel verbunden sind, und jede Unteranordnung ist mit dem Ausgang einer jeweiligen ersten, zweiten und dritten Verzögerungseinrichtung 12, 14, 16 gekoppelt. Die Verzögerungseinrichtungen 12, 14, 16 enthalten einen herkömmlichen mechanischen Phaseneinstellmechanismus zur Einstellung der Phase der den Unteranordnungen übertragenen Signale. Ein von der Antenne zu sendendes Funkfrequenzsignal (RF) wird jeder Verzögerungseinrichtung 12, 14, 16 von einem gemeinsamen Hochfrequenzanschluss oder einer Antennenzuleitung 18 übertragen.
Die Aufgabe der Verzögerungseinrichtungen 12, 14, 16 besteht darin, die Phase des den jeweiligen Unteranordnungen A, B, C zugeführten Hochfrequenzsignals einzustellen. Die zweite, mit der zentralen Unteranordnung B verbundene Verzögerungseinrichtung 14 ist eine Einrichtung für eine feste Phasenverzögerung, die dazu ausgebildet ist, die Phase des der Unteranordnung B zugeführten Signals um einen festen Betrag zu verschieben. Andererseits sind die erste und die dritte Verzögerungseinrichtung 12, 16, die mit der Unteranordnung A bzw. C verbunden sind, variable Verzögerungseinrichtungen, jede ist zur Verschiebung der Phase der Hochfrequenzsignale, die der Unteranordnung A bzw. B übertragen werden, um eine variable Größe betreibbar.
Die erste und die dritte Verzögerungseinrichtung 12, 16 können dem den Unteranordnungen A und C übertragenen Hochfrequenzsignal Phasenverschiebungen typischerweise zwischen 0 und ±45° aufprägen, und jede kann mit Hilfe einer mechanischen Einstellanordnung eingestellt werden. Die mechanische Einstellanordnung 20 enthält eine mit der Bezugsziffer 22 bezeichnete Einrichtung zur Umkehr der Richtung der dem Signal von der dritten Verzögerungseinrichtung 16 aufgeprägten Phasenverschiebung, die mit der von der ersten Verzögerungseinrichtung 12 aufgeprägten Phasenverschiebung verglichen wird. Somit hat die den Hochfrequenzsignalen von der ersten und der dritten Verzögerungseinrichtung 12, 16 aufgeprägte Phasenverschiebung die gleiche Größe, aber eine entgegengesetzte Polarität. Mit anderen Worten, wenn die erste Verzögerungseinrichtung 12 die Phase des der Unteranordnung A zugeführten Signals um +45° verschiebt, dann verschiebt die dritte Verzögerungseinrichtung 16 die Phase des der Unteranordnung C zugeführten Signals um –45°. Wenn die zweite Verzögerungseinrichtung 14 eine Einrichtung für eine feste Verzögerung ist, wird in der Praxis dem der Unteranordnung B zugeführten Signal eine Phasenverschiebung aufgeprägt, die der Mittelwert der Verschiebungen ist, die von der ersten und der dritten Verzögerungseinrichtung 12, 16 aufgeprägt wurden.
Der elektrische Neigungswinkel eines derartigen Antennenaufbaus variiert typischerweise um ± 5° bei einer Phasenverschiebung pro Unteranordnung von ± 45°. Das ergibt eine Neigungsempfindlichkeit von etwa 18° der Phasenverschiebung pro Grad elektrischer Neigung. Da in diesem Beispiel die den Unteranordnungen A und C zugeführten Hochfrequenzsignale um 90° differieren, beträgt die elektrische Neigung des Antennenaufbaus daher angenähert 5°. Die Richtung der elektrischen Neigung des Antennenaufbaus hängt von der Polarität der Phasenverschiebung ab, die den den Unteranordnungen zugeführten Signalen aufgeprägt wurde. Weist das der oberen Unteranordnung (in diesem Fall Unteranordnung A) zugeführte Signal eine positive Phasenverschiebung und das der unteren Unteranordnung (in diesem Fall Unteranordnung C) zugeführte Signal eine negative Phasenverschiebung auf, ist der elektrische Neigungswinkel positiv, d.h. über der Normalen auf der Mittelachsenlinie. Für Phasenverschiebungen mit einer entgegengesetzten Polarität ist der elektrische Neigungswinkel negativ.
Der Antennenaufbau von 2 hat den Nachteil, dass eine manuelle Einstellung der mechanischen Einstellanordnung 20 erforderlich ist, um die von der ersten und der dritten Verzögerungseinrichtung 12, 16 aufgeprägte Phasenverschiebung einzustellen, um den elektrischen Neigungswinkel des Antennenaufbaus zu andern. Darüber hinaus kann die Phase der jedem Antennenelement zugeführten Signale nicht individuell eingestellt werden.
3 zeigt die von der Radiocommunications Agency des Vereinigten Königreichs zur Verwendung durch die Netzbetreiber UK 3G zugewiesenen Frequenzbänder, Frequenzduplex der dritten Generation (3G FDD). Jeder der fünf englischen Betreiber hat eine Lizenz zur Verwendung eines speziellen Abschnitts, oder Unterbandes, des zugewiesenen Spektrums zum Senden, beispielsweise von einer Basisstation zu einem Funkgerät im Netzwerk, und einen weiteren Abschnitt zum Empfang, beispielsweise von einem Funkgerät zu einer Basisstation. Diese Unterbänder sind mit Lizenz A, B, C, D und E bezeichnet. Das Gesamtspektrum reicht von 2110,3 bis 2167.7 MHz für das Senden von der Basisstation, und von 1920,3 bis 1979,7 MHz für den Empfang an der Basisstation. Zwar gibt es an den Rändern dieser Frequenzbereiche nicht zugewiesene Frequenzen, die als Sicherheitsfrequenzbänder (nicht gezeigt) bekannt sind, es gibt aber zwischen den einzelnen Unterbändern A, B, C, D und E keine Lücken und sie hängen somit zusammen.
Wegen der Probleme in Zusammenhang mit der gemeinsamen Nutzung einer Antenne durch Netzbetreiber, die benachbarte Unterbänder verwenden, wird die gemeinsame Nutzung von Basisstationen oft mit Hilfe der in 4 gezeigten Architektur erreicht. Die Architektur 60 ermöglicht es, dass fünf Netzbetreiber einen Basisstations-Standort mit einer entsprechenden Sende-/Empfangsantenne nutzen, die jedem Betreiber pro Sektor zur Verfügung steht. Das ergibt insgesamt fünf Antennen (Antenne A, B, C, D und E) für jeden Sektor, die auf dem Mast 62 einer gemeinsamen Basisstation montiert sind, wobei jede Antenne auf dem Mast 62 in einer anderen Höhe oder auf der gleichen Höhe und in adäquater Weise beabstandet montiert ist. Jede Antenne hat einen entsprechenden Transceiver 64A bis 64E. Die Höhe des Masts 62 muss höher sein, als für eine einzelne Antenne notwendig, damit die fünf Antennen untergebracht werden können. Infolgedessen muss die Festigkeit des Mastes 62 erhöht werden, damit der Mast beispielsweise starken Winden standhält, wodurch sich wiederum Gewicht und Kosten erhöhen. Ferner kann ein größerer Mast nicht an allen Standorten errichtet werden, und es treten Schwierigkeiten beim Erhalt der Planungsgenehmigung von den örtlichen Behörden auf. Außerdem sind große Masten unansehnlich, fallen sehr ins Auge und sind an einigen Standorten unter Umweltgesichtspunkten nicht annehmbar.
5 zeigt eine vorgeschlagene Kombinatoreinheit, mit der die Anzahl der zur Unterstützung von fünf Netzbetreibern benötigten Antennen von fünf auf eine verringert wird. Die allgemein mit 70 bezeichnete Kombinatoreinheit umfasst ein Sende-Kombinator-Netzwerk 72, ein Empfangs-Splitter-Netzwerk oder Demultiplexer 74 und eine Duplexer-Einheit 76. Die fünf Netzbetreiber haben entsprechende Sender TxA bis TxE, die mit dem Sende-Kombinator-Netzwerk 72 verbunden sind, und die Empfänger RxA bis RxE, die mit dem Empfangs-Splitter-Netzwerk 74 verbunden sind. Die Netzwerke 72, 74 sind über die Duplexer-Einheit 76 mit einem gemeinsam genutzten Antennenaufbau 78 verbunden.
Die Sender TxA bis TxE erzeugen Hochfrequenzsignale, die im Sende-Kombinator-Netzwerk 72 kombiniert und durch die Duplexer-Einheit 76 zur Sendung zum Antennenaufbau 78 übertragen werden. Signale, die vom Antennenaufbau 78 von entfernten Funkgeräten (nicht gezeigt) empfangen werden, werden vom Antennenaufbau 78 durch die Duplexer-Einheit 76 zum Empfangs-Splitter- oder Demultiplexer-Netzwerk 74 übertragen.
In 6 ist die Architektur von 5 erweitert und enthält drei getrennte Antennenaufbauen 78a, 78b, 78c, die einen sogenannten "Drei-Sektoren-Antennenaufbau" bilden, bei dem jeder Antennenaufbau so ausgebildet ist, dass eine horizontale Zellenreichweite über 120 Bogengrad (oder ein Drittel eines Kreises) in der Weise angegeben wird, dass die Antennenaufbauen 78a, 78b, 78c zusammen eine Zellenreichweite über volle 360 Grad bieten. In der vorliegenden Ausführungsform ist jeder Antennenaufbau 78a, 78b, 78c ein bipolarer Antennenaufbau. Die Verwendung bipolarer Antennenaufbauten ist allgemein bekannt und in Zellularfunksystemen üblich. Jeder Antennenaufbau 78a, 78b, 78c besteht aus einem Stapel gekreuzter Dipolelemente, wobei eine erste Elementeanordnung einen Winkel von +45° zur Vertikalen und eine zweite Elementeanordnung einen Winkel von –45° zur Vertikalen aufweist. Die Anordnungen für jede Polarität sind in effektiver Weise elektrisch getrennt, wobei einzelne Kominbatoreinheiten 70a, 70b für jede Anordnung vorgesehen sind. Jeder Antennenaufbau ist somit mit einer entsprechenden ersten und zweiten Kominbatoreinheit 70a, 70b verbunden, die die Form der Kombinatoreinheit 70 von 5 haben. Die Kominbatoreinheiten 70a, 70b und auch die Verbindungen zu denselben von den Betreibersendern und -empfängern sind für beide Polaritäten identisch.
Aus Gründen größerer Klarheit sind nur die Komponenten positiver Polarität des Systems berücksichtigt, demgemäß ist jeder der Sender TxA bis TxE der Netzbetreiber mit einem entsprechenden Eingang jedes Sende-Kombinator-Netzwerks 72 in den drei Kominatoreinheiten 70a, 70b, 70c positiver Polarität verbunden. Die von den Sendern übertragenen Signale werden vom Sende-Kombinator-Netzwerk 72 durch die Duplexer-Einheit 76 zur Sendung an den entsprechenden Antennenaufbau 78a, 78b, 78c gesendet.
Auf die gleiche Weise ist jeder Empfänger RxA bis RxE der Netzbetreiber mit einem entsprechenden Ausgang jedes Empfangs-Splitter-Netzwerks 74 in den drei Kominbatoreinheiten 70a, 70b, 70c positiver Polarität verbunden. Die von einem Antennenaufbau 78a, 78b, 78c empfangenen Signale werden durch die zugehörige Duplexer-Einheit 76 zum Empfangs-Splitter-Netzwerk 74 geführt, das das empfangene Signal in fünf gleiche Teile aufteilt und es den Empfängern RxA bis RxE anlegt.
Die Komponenten des Systems mit negativer Polarität sind in der gleichen Weise verbunden. Es ist somit ersichtlich, dass die fünf Betreiber das System gleichzeitig nutzen können, und nur ein Antennenaufbau benötigt wird, wenn ein Rundstrahleraufbau eingesetzt wird, oder drei Antennenaufbauten, wenn ein Drei-Sektoren-System verwendet wird. Die früheren Systeme benötigten fünf separate Antennenaufbauten pro Sektor oder fünfzehn Antennenaufbauten für ein Drei-Sektoren-System.
Die Kombinatoreinheit 70 von 5 kann unter einer Reihe von Nachteilen leiden. Zunächst kann das Sende-Kombinator-Netzwerk 72 Komponenten umfassen, die signifikante Signalverluste in das System einbringen. Diese Signalverluste verringern den Sendebereich des Systems. Zur Behebung der Signalverluste könnten Verstärker hinzugefügt werden, jedoch haben diese den Nachteil, dass sie die Energie, die zum Senden auf allen fünf Frequenzbändern gleichzeitig mit einer adäquaten Linearität, der momentanen Bandbreite und Effizienz zusammen mit der erforderlichen Zuverlässigkeit benötigt wird, nicht handeln können.
Es ist die Einführung von Bandpassfiltern in das Sende-Kombinator-Netzwerk 72 zur Verringerung der für den Verstärker benötigten Energieausgangsleistung vorgeschlagen worden, wobei das Sende-Kombinator-Netzwerk 72 einen Aufbau von fünf parallelen Bandpassfiltern aufweist, die kombiniert als Sende-Multiplexer wirken. Die Bandpassfilter filtern die Signale von den entsprechenden Sendern TxA bis TxE, wonach die Signale zu einer gemeinsamen Ausgangsleitung gemultiplext und zur Duplexer-Einheit 76 und zum Antennenaufbau 78 geleitet werden. Das Passband jedes Filters ist so gewählt, dass es so nah als möglich an dem Frequenzband liegt, für das der entsprechende Betreiber eine Lizenz hat. Eine derartige Anordnung vermehrt jedoch den Signalverlust in dem System noch weiter und verringert die Isolierung zwischen den Sendern TxA bis TxE wegen des flachen Roll-off-Faktors der meisten Bandpassfilter und der daraus resultierenden Überlappung der Unterbänder.
7a zeigt, allgemein mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet, ein verbessertes Sende-Kombinator-Netzwerk zur Verwendung in den in 5 und 6 gezeigten Kombinatornetzwerken. Das Sende-Kombinator-Netzwerk 200 enthält einen ersten und einen zweiten Sende-Multiplexer 222ABE und 222CD. Der erste Sende-Multiplexer 222ABE ist so ausgebildet, dass er Sendesignale von bis zu drei Sendern 224A, 224B, 224E empfängt und sie in den entsprechenden Bandpassfiltern 226A, 226B, 226E filtert. Der zweite Sende-Multiplexer 222CD ist so ausgebildet, dass er Sendesignale von bis zu zwei weiteren Sendern 224C, 224D empfangt und sie in den entsprechenden Bandpassfiltern 226C, 226D filtert.
Die gefilterten Ausgangssignale von den Bandpassfiltern 226A, 226B, 226E werden an einem ersten Filterausgang (kombiniertes Ausgangssignal 228X) kombiniert und die gefilterten Ausgangssignale von den Bandpassfiltern 226C, 226D werden an einem zweiten Filterausgang (kombiniertes Ausgangssignal 228V) kombiniert. Die Signale 228X, 228Y von den Filterausgängen werden in einem passiven Kombinator 232 mit zwei 3dB-Eingängen kombiniert, der zwei Eingangsanschlüsse 232X, 232Y und einen Ausgangsanschluss 232Z aufweist. Das kombinierte Ausgangssignal vom Ausgangsanschluss 232Z wird dann, wie in 5 gezeigt, über die Duplexer-Einheit 76 an den zugehörigen Antennenaufbau 78 angelegt.
In 7b sind die entsprechenden Passbänder 240A bis 240E der fünf Filter 226A bis 226E gezeigt. Die Passbänder 240A bis 240E haben das gleiche nominale Maximum (obwohl, aus Gründen größerer Klarheit, die Passbänder 240C und 240D, bezogen auf die anderen, niedrigerer gezeigt sind) und es ist zu erkennen, dass die Bandbreiten nicht gleich sind. Wie auf einer Frequenzskala 242 gezeigt, enthalten die fünf lizensierten Frequenzbänder 242A bis 242E das Frequenzband 242C, unmittelbar angrenzend an die Frequenzbänder 242A und 242B, und das Frequenzband 242D, unmittelbar angrenzend an die Frequenzbänder 242B und 242E. Hierdurch ergeben sich zwei Gruppen nicht aneinander angrenzender Frequenz-Passbänder 242A/242B/242AE und 242C/242D, die, die in 7a gezeigt ist, zu den unterschiedlichen Sende-Multiplexern 222ABE bzw. 222CD gehören.
Da die Filterpassbänder in jedem Sende-Multiplexer 222ABE oder 222CD durch Sperrbänder getrennt sind, die einer signifikanten Passbandüberlappung vorbeugen, erreichen die beispielsweise vom Filter 226A ausgegebenen Signale 228X über die Filter 226B und 226E nur die Sender 224B und 224E in stark abgeschwächter Form und sind für die meisten Zwecke vernachlässigbar. Das Gleiche gilt für die Kopplung zwischen anderen Senderpaaren in einem einzelnen Sende-Multiplexer 222ABE oder 222CD, und daher für die Filter 226A bis 226E. Die von den Filtern 226A bis 226E erzeugte Dämpfung isoliert, soweit erforderlich, die Sender von anderen Signalen an den Ausgängen, an denen die Signale 228X oder 228Y erzeugt werden; daher sind die Signale 228X oder 228Y an diesen Ausgängen "perfekt kombiniert". Der Ausdruck "perfekt kombiniert" bedeutet, dass die elektrische Impedanz der Multiplexer 222ABE und 222CD über die Filterpassbänder im wesentlichen konstant bleibt, da sich die Passbänder der entsprechenden Filter nicht überlappen. Dadurch ist es möglich, dass Eingangssignale von den Sendern 224A bis 224E durch einen Multiplexer 222ABE oder 222CD hindurchgehen und ein Ausgangsignal 228X oder 228Y mit minimaler Verzerrung ("perfekt") erhalten wird, und somit die gewünschte Kominationsfunktion erhalten wird. Wenn sich die Filterpassbänder überlappen, ist die Passbandimpedanz nicht konstant, und die an einem Multiplexer-Ausgang erscheinenden Signale sind verzerrt ("unvollkommen"). Um die zwei Signale 228X und 228Y zu kombinieren und die unerwünschten Wechselwirkungen zwischen den Sendern 224A bis 224E zu unterdrücken, wird der Kombinator 232 verwendet. Der Kombinator ist ein passives 3 dB-Breitbandbauelement mit zwei Eingängen, und bietet, unabhängig von der Frequenztrennung der Signale an diesen Anschlüssen, eine gute Signalisolierung von mindestens 20 dB zwischen seinen zwei Eingangsanschlüssen 232X und 232V. Er ermöglicht, Signale mit aneinander angrenzender Frequenz zu kombinieren, ohne nennenswerte unerwünschte Senderkopplung zwischen ihnen zuzulassen. Somit werden an 232X und 232Y Signalgruppen in linearer Weise ohne unannehmbare wechselseitige Beeinflussung kombiniert, und sie erscheinen am Ausgang des Kombinators 232 als im wesentlichen perfekt kombiniertes kontinuierliches Frequenzspektrum.
Obwohl zwischen dem Eingangsanschluss 232X und dem Ausgangsanschluss 232Z des Kombinators 232 Signalverlust auftritt, ist dieser wesentlich geringer als der Verlust, der durch ein Sende-Kombinator-Netzwerk auftritt, das vollständig auf passiven Wellenbandbauelementen beruht. Die zweistufige, unter Bezug auf 7a beschriebene Kombinationsmethode bietet ein effizienteres passives Sender-Kombinator-Netzwerk, als herkömmliche Architekturen, und es wird kein linearer Multiträger-Leistungsverstärker benötigt.
Die Anordnung ermöglicht es den Betreibern daher, eine gemeinsame Nutzung eines Basisstations-Antennenaufbau sowohl in angrenzenden als auch in nicht angrenzenden Sendebändern. Teure Multifrequenz- Leistungsverstärker sind nicht erforderlich, da, verglichen mit dem in 5 gezeigten, im Sende-Kombinator-Netzwerk 200 geringere Verluste auftreten. Darüber hinaus gibt es in der Anordnung nicht die überlappenden Filterpassbänder, wie im Sende-Kombinator-Netzwerk 72 von 5.
Die kleinste Menge Sendesignale, die in einer Anordnung, ähnlich dem Sende-Kombinator-Netzwerk 200 von 7a verwendet werden können, sind zwei Sendesignale, wobei die zwei Signale über entsprechende getrennte Filter mit dem passiven 3 dB-Kombinator 232 verbunden werden. Wenn nur zwei Sender in angrenzenden Frequenzbändern sind, besteht nicht die Notwendigkeit, die Sendesignale zusammen in einem Multiplexer, wie dem Multiplexer 222CD, zu multiplexen, bevor sie in den Kombinator 232 eingespeist werden. Wenn zwei Signale keine aneinander angrenzende Frequenz aufweisen, können sie kombiniert werden, indem ein Multiplexer 222 verwendet wird, und direkt einem Duplexer eingespeist werden, ohne dass sie durch einen Kombinator, wie den Kombinator 232, laufen, somit wird der Signalverlust verringert. Bei drei Sendesignalen, von denen sich mindestens zwei in angrenzenden Frequenzbändern befinden, könnten zwei im Multiplexer 222 kombiniert und das dritte direkt dem Kombinator 232 eingespeist werden. Sind jedoch die drei nicht angrenzenden Frequenzbänder A, B und E zu kombinieren, ist nur ein Multiplexer 222ABE erforderlich, und sein Ausgang wird. direkt an den Duplexer angelegt, ohne den Weg durch den Kombinator 232. Vier oder mehr Signale benötigen zwei Gruppen von zwei oder mehr nicht benachbarten Signalen, wobei jede Gruppe zusammen gemultiplext wird, bevor sie mit der anderen Gruppe kombiniert wird. Werden weniger als fünf Sender kombiniert, werden alle nicht genutzten Eingänge zu den Multiplexern 222 üblicherweise mit einer Last abgeschlossen. Alternativ dazu könnten die nicht genutzten Frequenzfilter 226 aus dem Multiplexer entfernt werden, wodurch Kosten, Umfang und Gewicht gespart würden.
Das Sende-Kombinator-Netzwerk 200 ist im einzelnen in der ebenfalls anhängigen Patentanmeldung 0108456.5 beschrieben, auf deren Inhalt in der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen wird.
Das Antennensystem von 6 ermöglicht es bis zu fünf Netzbetreibern, einen gemeinsamen Antennenaufbau zu nutzen. Wie oben beschrieben, besteht jedoch der Bedarf an einem Antennensystem, welches es einigen Netzbetreibern nicht nur ermöglicht, eine gemeinsame Antennenordnung im wesentlichen gleichzeitig zu nutzen, sondern ferner gewährleistet, dass der elektrische Neigungswinkel des Antennenaufbaus von jedem Betreiber unabhängig und bevorzugt von einem Ort eingestellt wird, der vom Antennenaufbau selbst entfernt ist.
In 8 ist eine, allgemein mit 700 bezeichnete bevorzugte Form des Antennensystems gemäß der Erfindung in Blockform gezeigt. In dieser Ausführungsform umfasst das Antennensystem 700 einen Antennenaufbau 702, der insgesamt zwölf Antennenelemente E1 bis E12 aufweist, die in drei Unteranordnungen 700A (E1 bis E4), 700B (E5 bis E8) und 700C (E9 bis E12) angeordnet sind. Der elektrische Neigungswinkel des Aufbaus 702 kann mit Hilfe einer Steuereinrichtung in Form einer Neigungs-Kombinator-Einheit (TCU) eingestellt werden, wie mit der gestrichelten Linie 704 gezeigt und im folgenden im Einzelnen beschrieben ist.
Ein erstes und ein zweites Eingangssignal Sa und Sb werden den Antennenelementen E1 bis E12 durch die erste und zweite Eingangsträgerleitung 720 bzw. 722 zum Senden vom Antennenaufbau 702 zugeführt. Der Antennenaufbau 702 enthält die erste und die zweite primäre Splitter-Einheit 716A, 716B, die von einer entsprechenden Eingangsträgerleitung, der ersten 720 oder der zweiten 722, gespeist wird. Jede Splitter-Einheit 716A, 716B erzeugt zwei Ausgangssignale mit im wesentlichen gleicher Signalstärke/-energie. Ein erstes Ausgangssignal von der ersten Splitter-Einheit 716A wird zur Aufprägung einer zusätzlichen Phasenverschiebung, typischerweise zwischen –45° und –60°, auf das Signal von der ersten Splittereinheit 716A an eine Phasenschiebereinheit 717A übertragen. Das Ausgangssignal mit verschobener Phase wird an eine weitere Splitter-Einheit 716C gesendet, die dazu dient, das erhaltene Eingangssignal in zwei Signale mit im wesentlichen gleicher Stärke aufzuteilen. Die zwei Ausgangssignale von der weiteren Splitter-Einheit 716C werden einer entsprechenden zusätzlichen Splitter-Einheit 716D, 716E übertragen, von denen jede das erhaltene Signal in zwei Ausgangssignale mit im wesentlichen gleicher Stärke aufteilt. Die Ausgangssignale von der zusätzlichen Splitter-Einheit 716D, 716E werden einem entsprechende Element E1 bis E4 der ersten Unteranordnung 700A eingespeist. Jedes Element E1 bis E4 hat eine zugehörige Phaseneinstellanordnung 151E1, 151E2, 151E3 bzw. 151E4 und gibt eine zusätzliche und individuelle Einrichtung zur Einstellung der Phasenverschiebung der jedem Element übertragenen Signale an, wie im folgenden beschrieben ist. Im Empfangsmodus werden die Signale auf der ersten und zweiten Trägerleitung mittels eines Umkehrpfades durch die gleichen Vorrichtungen kombiniert.
Der obigen Beschreibung ist zu entnehmen, dass die Splitter-Anordnung 716A, 716C, 716D, 716E derart konfiguriert ist, dass jedes Ausgangssignal zu den Elementen E1 bis E4 der ersten Unteranordnung 700A ein Signal empfängt, das im wesentlichen die gleiche Stärke hat.
Ein zweiter Ausgang von der Splitter-Einheit 716A ist mit einer weiteren Splitter-Einheit 719A versehen, die das erhaltene Eingangssignal in ein erstes Ausgangssignal, das an einen Eingang (A) einer ersten Quadratur-Hybridkombinatoreinheit 726A und in ein zweites Ausgangssignal aufteilt, das an einen Eingang (A) einer zweiten Quadratur-Hybridkombinatoreinheit 726B angelegt wird.
Die zweite Splitter-Einheit 716B liefert ein erstes Ausgangssignal an eine weitere Splitter-Einheit 719B, die das erhaltene Eingangssignal in zwei Signale von im wesentlichen gleicher Stärke aufteilt, eines dieser Signale wird an einen zweiten Eingang B der ersten Quadratur-Kombinatoreinheit 174A und das andere wird an einen zweiten Eingang B der zweiten Quadratur-Kombinatoreinheit 174B angelegt.
Jede Quadratur-Hybridkombinatoreinheit, die erste 726A und die zweite 726B, legt ein erstes und ein zweites Ausgangssignal an die zwei Elemente der mittleren Unteranordnung 700B an; die erste Quadratur-Hybridkombinatoreinheit 726A legt Signale an die Elemente E5 und E6, und die zweite Quadratur-Hybridkombinatoreinheit 726B legt Signale an die Elemente E8 und E8 an. Die erste und die zweite Quadratur-Hybridkombinatoreinheit 726A, 726B gewährleisten, dass die Phase der Signale, die den Elementen E5 bis E8 angelegt werden, der Durchschnitt der Phase der Signale in den Eingangsträgerleitungen 720, 722 ist. Wenn beispielsweise die dem Element E5 zugeführte Energie abnimmt, nimmt die dem Element E6 zugeführte Energie zu, sodass die den Elementen E5 und E6 zugeführte Energie insgesamt konstant bleibt.
Ein zweites Ausgangssignal von der zweiten Splitter-Einheit 716B wird durch eine zweite Phasenschiebereinheit 717B hindurchgeleitet, die einer Splitter-Einheit 716F eine Phasenverschiebung von +45 Grad aufprägt (d.h. die entgegengesetzte Polarität, bezogen auf die Phasenschiebereinheit 717A). Die Splitter-Einheit 716F teilt das erhaltene Eingangssignal in zwei Ausgangsignale von im wesentlichen gleicher Stärke auf, die wiederum von weiteren Splitter-Einheiten 716G, 716H in zwei weitere Signale aufgeteilt werden. Die vier Ausgangssignale von den Splitter-Einheiten 716G, 716H werden durch eine entsprechende zusätzliche Phaseneinstell-Anordnung 150E9 bis 150E12 einem anderen der Elemente E9 bis E12 der dritten Unteranordnung angelegt.
Die mittlere Unteranordnung 100E wird somit durch eine Anordnung von Quadratur-Hybrideinheiten gespeist, mit dem Ergebnis, dass die Energie, sowohl in Bezug auf das Senden als auch das Empfangen der Signale, an der zentralen Unteranordnung im wesentlichen 50 % der Energie des gesamten Aufbaus beträgt. Für den Aufbau als Ganzes ist die beim Senden des Signals erzeugte Phase ein Durchschnitt der durch die zwei Eingangsträgerleitungen 720, 722, übertragenen Phase mit einer Phasenverschiebung von –45°. In der gleichen Weise liegt ein von der zentralen Unteranordnung 700B empfangenes Signal zwischen den von den anderen zwei Unteranordnungen 700A, 700C empfangenen Phasen mit einer Phasenverschiebung von –45°.
Die Eingangsanschlüsse 712, 714 am Antennenaufbau sind jeweils über die entsprechenden Speiseleitungen 756, 758 mit einem Ausgangsanschluss 752, 754 an der Neigungskombinatoreinheit (TCU) 704 verbunden. Die Neigungskombinatoreinheit 704 umfasst eine erste und eine zweite Kombinatoreinheit 730, 740, ähnlich der in den 5 und 6 gezeigten Einheit 70, wobei der Ausgang jeder Kombinatoreinheit 730, 740 mit den Ausgangsanschlüssen 752 bzw. 754 verbunden ist.
Die Neigungskombinatoreinheit 704 umfasst ferner eine Phasensteuereinheit in Form einer Differentialphasen-Steuereinheit (DPCU), allgemein mit der Bezugsziffer 750 bezeichnet. Die Differentialphasen-Steuereinheit 750 umfasst eine Sende-Differentialphasen Steueruntereinheit, die durch die gestrichelte Linie 750a gekennzeichnet ist, und eine Empfangs-Differentialphasen-Steueruntereinheit, die durch die gestrichelte Linie 750b gekennzeichnet ist. Die Sende-Differentialphasen Steueruntereinheit 750a umfasst eine Eingangs-Splitter-Einheit 725a, wobei ein Eingang derselben mit dem Ausgang eines einzelnen Hochfrequenzanschlusses 726a verbunden ist, der zum Sender (nicht gezeigt) eines ersten Netzbetreibers 760 gehört. Die Eingangs-Splitter-Einheit 725a hat zwei Ausgänge, von denen jeder mit einem Eingang einer entsprechenden ersten und zweiten einstellbaren Verzögerungseinheit (im folgenden als "Sendephasen-Einstelleinheit" bezeichnet) 760a, 762a verbunden ist. Daher wird das von jedem Netzbetreiber zu sendende Signal von der Eingangs-Splitter-Einheit 725a in zwei Signale gleicher Stärke aufgeteilt, und an diesen zwei Signalen wird dann mit Hilfe der Phasenschiebernetzwerke 760a, 762a eine Differenzphasenverschiebung vorgenommen.
Der Ausgang der ersten Sendephasen-Einstelleinheit 760a ist mit einem Eingang des Sende-Kombinator-Netzwerks 734 in der ersten Kombinatoreinheit 730 verbunden. Der Ausgang der zweiten Sendephasen-Einstelleinheit 762a ist mit einem Eingang des Sende-Kombinator-Netzwerks 744 in der zweiten Kombinatoreinheit 740 verbunden.
Die Empfangs-Differentialphasen-Steueruntereinheit 750b umfasst einen Ausgangs-Multiplexer 725b, der zwei Eingänge und einen Ausgang aufweist. Der Ausgang der Ausgangs-Multiplexereinheit 725b ist mit dem Eingang eines einzelnen Hochfrequenzanschlusses 726b verbunden, der zum Empfänger (nicht gezeigt) des ersten Netzbetreibers 760 gehört.
Jeder der zwei Eingänge der Ausgangs-Multiplexereinheit 725b ist mit dem Ausgang einer entsprechenden ersten und zweiten einstellbaren Verzögerungseinheit (im folgenden "Empfangsphasen-Einstelleinheit") 760b, 762b verbunden. Der Eingang der ersten Empfangsphasen-Einstelleinheit 760b ist mit einem Ausgang des Demultiplexers 746 in der zweiten Kombinatoreinheit 740 verbunden. Der Eingang der zweiten Empfangsphasen-Einstelleinheit 762b ist mit einem Ausgang des Demultiplexers 736 in der ersten Kombinatoreinheit verbunden.
Im Betrieb wird ein vom Antennensystem 700 zu sendendes Signal vom Hochfrequenzanschluss 726a des ersten Betreibers 760 an der Basisstation zum Eingang der Eingangs-Splitter-Einheit 725a gesendet. Die Eingangs-Splitter-Einheit 725a teilt das Signal in zwei Ausgangssignale gleicher Stärke und überträgt ein aufgeteiltes Signal an die erste und die zweite Sendephasen-Einstelleinheit 760a, 762a in der Sende-Differentialphasen-Steueruntereinheit 750a.
Die erste und die zweite Sendephasen-Einstelleinheit 760a, 762a können mit Hilfe des Netzbetreibers betrieben werden, dem dahin übertragenen Signal eine variable Verzögerung aufzuprägen, wodurch die Phase des Signals in einem Bereich von ±45° eingestellt wird. Die Sendephasen-Einstelleinheit 760a, 762a wird unterschiedlich derart gesteuert, das, wenn die erste Sendephasen-Einstelleinheit 760a so ausgebildet ist, dass sie dem dort angelegten Hochfrequenzsignal eine positive Phasenverschiebung erteilt, die zweite Sendephasen-Einstelleinheit 762a so ausgebildet ist, dass sie dem dort angelegten Hochfrequenzsignal eine negative Phasenverschiebung erteilt und umgekehrt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der von jeder Sendephasen-Einstelleinheit für eine Verzögerungsänderung benötigte Betrag die Hälfte des Betrages ist, der von einer alternativen Anordnung benötigt wird, wo eine Verzögerungseinrichtung einen festen Verzögerungswert hat, und die andere die Verzögerung, je nach dem festgelegten Betrag, erhöht oder verringert. Jede Sendephasen-Einstelleinheit 760a, 762a ist jedoch so ausgebildet, dass sie die Phase des dorthin übertragenen Signals unabhängig einstellt, so dass die Größe der von jeder Sendephasen-Einstelleinheit aufgeprägten Phasenverschiebung erforderlichenfalls unterschiedlich sein kann.
Das Signal mit eingestellter Phase von der ersten Sendephasen-Einstelleinheit 760a wird einem Eingang des Sende-Kombinator-Netzwerks 734 in der ersten Kombinatoreinheit 730 zugeführt. In der gleichen Weise wird auch das Signal mit eingestellter Phase von der zweiten Sendephasen-Einstelleinheit 762a einem Eingang des Sende-Kombinator-Netzwerks 744 in der zweiten Kombinatoreinheit 740 zugeführt. Jedes Sende-Kombinator-Netzwerk 734, 744 überträgt die Signale mit eingestellter Phase zum Eingang seines zugehörigen Duplexers 732, 742, welcher im Sendemodus die Signale an den Ausgangsanschluss 754 bzw. 752 anlegt.
Von den Ausgangsanschlüssen 754, 752 werden die Signale mit eingestellter Phase über die Speiseleitung 756 bzw. 758 an die Eingangsanschlüsse 712, 714 des Antennenaufbaus 702 angelegt. In der Praxis können die Speiseleitungen so lang, wie erwünscht sein, so dass sich die Neigungskombinatoreinheit 704 an einem vom Antennenaufbau 702 entfernten Standort befinden kann, falls erforderlich, beispielsweise einige Kilometer entfernt.
Von den Eingangsanschlüssen 712, 714 werden die Signale mit eingestellter Phase in den Eingangs-Trägerleitungen 720, 722 als Signal Sa bzw. Sb zur ersten oberen und unteren Unteranordnungs-Splitter-Einheit 716A, 716B übertragen. Die Signale Sa, Sb werden von der ersten oberen und unteren Unteranordnungs-Splitter-Einheit 716A, 716B geteilt und über eine oder mehrere der zweiten bis siebten ersten oberen und unteren Unteranordnungs-Splittereinheit 716C bis 716H auf die Antennenelemente E1 bis E12 verteilt, von wo sie als elektromagnetisches Signal zu den Funkgeräten in der Zelle gesendet werden.
Die Art und Weise, in der die Signale Sa, Sb geteilt und auf die Antennenelemente E1 bis E12 im Antennenaufbau 702 verteilt werden, ist den Fachleuten auf diesem Gebiet der Technik aus der Art und Weise vertraut, in der die Splitter-Einheiten miteinander verbunden sind, und auch aus der obigen Beschreibung bekannt. Die Anordnung von Splitter-Einheiten bietet eine gute Annäherung an eine lineare Phasenfront in der Antenne, wenn die Antenne an der Basisstation 1760 elektrisch geneigt wird. Das wird durch Verwendung von nur zwei Speiseleitungen 756, 758 erreicht, und es ergibt sich ein relativ einfaches und kostengünstiges neigungsfähiges System.
8 zeigt die Vorrichtung, wenn diese zum Senden und/oder Empfangen von Signalen konfiguriert ist, die nur eine einzige Polarisation haben (z.B. eine positive), obwohl in der Praxis auch Signale negativer Polarisation gesendet/empfangen werden. Für jede Polarisation sind zwei Speiseleitungen 756, 758 zum Antennenaufbau 702 und zwei entsprechende Trägerleitungen 720, 722 vorgesehen. Somit ist die Höchstzahl der für eine bipolare Antenne benötigten Speiseleitungen die Zahl vier, wodurch die Konstruktion der Vorrichtung relativ einfach ist.
Die Phasendifferenz der Signale Sa, Sb bestimmt den Winkel der elektrischen Neigung des Antennenaufbaus, und es ist daher anzumerken, dass durch Einstellung des Betrags der auf die Signale aufgeprägten Verzögerung durch die erste und zweite Sendephasen-Einstelleinheit 760a, 762a, der elektrische Neigungswinkel des Antennenaufbaus 702 eingestellt werden kann. Darüber hinaus kann die Neigungskombinatoreinheit (TCU) 104 an einem Ort stehen, der vom Antennenaufbau selbst entfernt ist. Das Vorsehen der zusätzlichen Phaseneinstellungs-Anordnungen 150E1 bis 150E12 in jedem Signalpfad zu den Elementen E1 bis E12 gibt ein Mittel zur weiteren Einstellung der Phase der jedem Element in den Unteranordnungen 700A bis 700C übertragenen Signale an.
Die zusätzlichen Phaseneinstellanordnungen 150E1 bis 150E12 können in Form einer mechanischen Phaseneinstellanordnung, beispielsweise einer dielektrischen Anordnung vom Keil-Typ vorgesehen sein. Solche Phaseneinstellanordnungen sind im Stand der Technik bekannt und enthalten eine Basisplatte, durch die die Sendeleitung T zum Antennenelement geht, und enthalten allgemein eine ebene Platte aus einem dielektrischen Material, die sich zwischen der Basisplatte und der Sendeleitung T befindet. Die Platte aus dielektrischem Material, allgemein als "Keil" bezeichnet, ist allgemein rechtwinklig mit einem dreieckigen oder V-förmigen Segment, das von einer Längskante weggeschnitten ist. Der Keil ist, bezogen auf die Basisplatte und die Sendeleitung T, in einer Richtung generell quer zur Sendeleitung T bewegbar. Wegen seiner Form befindet sich durch die lineare Bewegung des Keils ein größerer oder kleinerer Teil des dielektrischen Materials zwischen der Sendeleitung und der Basisplatte, wodurch die Ausbreitungsgeschwindigkeit und somit die Phase jedes Signals auf der Sendeleitung T um einen Betrag verschoben wird, der von der linearen Position des Keils abhängig ist. Eine derartige lineare Bewegung wird üblicherweise durch eine lineare Betätigungseinrichtung in Form eines Servo- oder anderen Bewegungswandlers bewirkt.
Der Betrag der dem Signal in der Sendeleitung T aufgeprägten Phasenverschiebung wird durch die Position des Keils unter der Sendeleitung T und dem "Keilwinkel", dem internen Winkel der in den Keil geschnittenen V-Form eingestellt.
Die Mittelachsenverstärkung verringert sich indem Maße, in dem die Größe des Neigungswinkels zunimmt, sodass bei der stärksten Neigung die Mittelachsenverstärkung bis auf 1,5 dB verringert sein kann. Es ist bevorzugt, die Zunahme des Seitenkeulenpegels auf –15 dB (oder darunter) zu begrenzen, wenn der Neigungswinkel auf den maximalen Wert ansteigt. Infolgedessen wird das senkrechte Strahlungsmuster (VRP) erweitert und es tritt eine Verringerung der absoluten Mittelachsenverstärkung auf. Wenn die Seitenkeulenverstärkung, bezogen auf die Mittelachsenverstärkung, auf –10 dB abgeschwächt werden kann, sind Neigungswinkel von ±20° möglich, und es kann eine höhere Mittelachsenverstärkung erreicht werden.
Im Empfangsmodus werden die von den Antennenelementen empfangenen Signale über die Duplexer 732 und 742 zum Demultiplexer 736 bzw. 746 übertragen. Ein Teil dieser Signale wird dadurch zu den Differentialphasenschiebern 760b, 762b übertragen, die zu jeder Netzbetreiber-Ausrüstung gehören. Mit den Signalen von den Differentialphasenschiebern wird dann in der Multiplexer-Einheit 725b eine Vektorsummierung durchgeführt. Die geeignete Einstellung der zu einem bestimmten Netzbetreiber gehörenden Differentialphasenschieber führt zu Signalen, die auf der Mittelachse der Antenne unter dem von diesem Betreiber gewünschten Neigungswinkel empfangen werden, in den sich die Phasen im Multiplexer 725b addieren.
Es ist anzumerken, dass die Differentialphasenverschiebung alternativ dazu mit Hilfe eines festen Phasenschiebers in einer der Phaseneinstelleinheiten 760b oder 762b und eines variablen Phasenschiebers in der anderen Phaseneinstelleinheit realisiert werden kann, wobei eine Phasenverschiebungsdifferenz, bezogen auf den festen Phasenschieber vorgenommen wird. Es ist ferner anzumerken, dass zum Ausgleich der Verluste in Verbindung mit der Teilung des erhaltenen Signals ein Verstärker irgendwo in den Signalpfad vor dem zugehörigen Splitter 725a (725b), beispielsweise nach dem Duplexer 732 (742), eingebracht werden könnte. Alternativ dazu oder zusätzlich könnte der Verstärker, mit den notwenigen Vorsichtsmaßnahmen, damit dessen Betrieb nicht durch das gesendete Signal unterbrochenen wird, im Antennenaufbau am Ende der Eingangsträgerleitungen 720, 722 installiert werden, was den Vorteil hat, dass das empfangene Signal verstärkt wird, bevor es den Verlusten in den Leitungen 720, 722 ausgesetzt ist.
Die in Verbindung mit jedem Betreiber in der Basisstation 1760 erzeugte variable elektrische Neigung ist für jeden Betreiber eine individuelle, während die zusätzliche Neigung, die von den mechanischen Phaseneinstellanordnungen 150E1 bis 150E12 erzeugt wird, eine allen Betreibern gemeinsame ist. In jedem Fall wird den Betreibern durch das Vorsehen der zusätzlichen mechanischen Phaseneinstellanordnungen 150E1 bis 150E12 ein Mittel zur "Feinabstimmung" der elektrischen Neigung des Antennensystems geboten. Die zusätzliche Neigung kann mit einer mechanischen Einrichtung, wie oben beschrieben, realisiert werden (beispielsweise durch Bewegung eines dielektrischen Materials). Alternativ dazu kann jedoch die zusätzliche Neigung auch elektrisch erzeugt werden, beispielsweise durch die Verwendung elektrischer Phasenschieber des zu den Bezugsziffern 760a, 760b, 762a, 762b beschriebenen Typs.
In der in 8 gezeigten Ausführungsform ist die Differentialphasen-Steuereinheit 750, die die Sende- und Empfangs-Differentialphasen-Steueruntereinheit 750a, 750b enthält, außerhalb einer Betreiber-Basisstation 1760 angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) kann die die Differentialphasen-Steuereinheit 750 in der Basisstation selbst, in den Sende- und Empfangs-Demodulatoren, vorgesehen sein. In diesem Fall ist die Basisstation 1760 zur Ermöglichung der Steuerung der Differentialphasen-Steuereinheit 750 mit einem externen Eingangsanschluss versehen. Wenn die Differentialphasen-Steuereinheit 750 in der Basisstation 1760 angeordnet ist, sind in der Basisstation zwei Sendepfade erforderlich (für eine vorgegebene Signalphasen-Polarität von jeder Sendephasen-Einstelleinheit, der ersten 760a und der zweiten 760b), jeder kann mit einer eigenen Energieverstärkungs einrichtung versehen sein, wodurch die Gesamtträgerenergie verdoppelt werden kann.
Da es sein könnte, dass die Speiseleitungen 756, 758 zwischen den Ausgangsanschlüssen 752, 754 der Neigungskombinatoreinheit (TCU) 704 und den Eingangsanschlüssen 712, 714 des Antennenaufbaus eine Länge in der Größenordnung von 100 Metern haben müssen, ist es möglich, dass Änderungen der Länge der Speiseleitungen die Phase der gesendeten Signale beeinträchtigen. Die Phaseneinstellung von Signalen in einer Sendeleitung wird üblicherweise durch Änderung der sichtbaren Länge der Sendeleitung um vorgegebene Beträge bewirkt. Somit kann jede Längenänderung der Speiseleitung, beispielsweise aufgrund von Wärmeausdehnung oder Zusammenziehung der Speiseleitung, die Phase des Signals in der Leitung beeinträchtigen.
Die Neigungsempfindlichkeit einer neigungsfähigen Antenne, wie der oben beschriebenen, beträgt typischerweise 17 Grad Phasendifferenz pro Grad elektrischer Neigung. Wenn die erforderliche Auflösung und Stabilität des elektrischen Neigungswinkels +/– 0,2 Grad des eingestellten elektrischen Neigungswinkels betragen, dann ist die erforderliche Auflösung und Stabilität der Differentialphasenverschiebung (DPSRS) mit DPRS = +/– 0,2 × 17 Grad = +/– 3,4 Grad (der Phasenverschiebung)gegeben.
Da die Wellenlänge beispielsweise bei 2 GHz 15 cm beträgt, entspricht eine Differentialphasenverschiebung von +/– 3,4 Grad einer zulässigen elektrischen Längenvariation (AELV), die mit AELV = (3,4/360) × 15 cm = 1,4 mmgegeben ist.
Die Wärmeausdehnung eines typischen Speiseleitungskabels beträgt 0,01 mm/m/°C. Wenn die maximale Länge eines Speiseleitungskabels 100 m beträgt und die Temperatur von 20 auf 85°C ansteigt, nimmt die Länge des Kabels um (85 – 20) × 100 × 0,01 mm (= 6,5 cm) zu.
Die maximal zulässige Temperaturdifferenz zwischen zwei Speiseleitungen, entsprechend der maximal zulässigen Längendifferenz von 1,4 mm ist mit maximale Temperaturdifferenz = (1,4/0,01) × 100 = 1,4°Cgegeben.
Dieser hohe elektrische Längen-Empfindlichkeitswert und Temperaturdifferenz-Empfindlichkeitswert zwischen den Antennenzuleitungen führt dazu, dass sichergestellt sein muss, dass die Phasendifferenz der Signale Sa, Sb an den Eingangsanschlüssen 712, 714 des Antennenaufbaus gleich der Phasendifferenz an den Ausgangsanschlüssen 754, 752 der Neigungskombinatoreinheit 704 ist.
9 ist ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung, in der infolge dieser Wärmeausdehnung oder Zusammenziehung der Speiseleitungen 756, 758 ein automatischer Ausgleich der Phasendifferenz der Speiseleitungen stattfindet. Die allgemein mit 900 bezeichnete Phasenausgleichseinrichtung umfasst einen ersten und einen zweiten Mischeraufbau, die mit gestrichelten Linien 902, 904 dargestellt sind. Der erste Mischeraufbau 902 enthält einen ersten und einen zweiten Richtungskoppler (DC) oder T-Tap 910, 912, die die Signale lose in den Speiseleitungen 765, 768 zu den Mischeraufbauten koppeln. Jeder Richtungskoppler 910, 912 hat einen Eingang und zwei Ausgänge. Der Eingang des ersten Richtungskopplers 910 ist mit dem Ausgang der zweiten Kombinatoreinheit 740 (in 9 nicht gezeigt) verbunden. Der erste Ausgang des ersten Richtungskopplers 910 speist einen ersten Eingang eines ersten Mischeraufbaus 916 und den Eingang eines 90°-Phasenschiebers 918.
Der Eingang des zweiten Richtungskopplers 912 ist mit dem Ausgang der ersten Kombinatoreinheit 730 verbunden (in 9 nicht gezeigt). Der erste Ausgang des zweiten Richtungskopplers 912 speist einen ersten Eingang eines zweiten Mischeraufbaus 922 und den zweiten Eingang des ersten Mischeraufbaus 916. Der Ausgang des 90°-Phasenschiebers 918 ist mit dem zweiten Eingang des zweiten Mischeraufbaus 922 verbunden. Der zweite Ausgang des ersten Richtungskopplers 910 ist mit einem Signaleingang verbunden eines ersten variablen Phasenschiebers (im folgenden "erster Phasenschieber") 914 verbunden, dessen Signalausgang mit dem Ausgangsanschluss 752 verbunden ist. Der erste Ausgang des zweiten Richtungskopplers 912 ist mit einem Signaleingang eines zweiten variablen Phasenschiebers (im folgenden "zweiter Phasenschieber") 920 verbunden, dessen Signalausgang mit dem Ausgangsanschluss 754 verbunden ist. Der Ausgang jedes Mischeraufbaus, des ersten 916 und des zweiten 922, ist mit dem Eingang eines entsprechenden ersten und zweiten Tiefpassfilters (LPF) 924, 926 verbunden, wobei der Ausgang jedes Tiefpassfilters mit dem ersten bzw. zweiten Eingang einer Rückkopplungs-Steuereinheit 928 verbunden ist.
Der zweite Mischeraufbau 904 ist im wesentlich mit dem ersten, oben beschriebenen Mischeraufbau 902 identisch. Der zweite Mischeraufbau 904 umfasst somit einen dritten und vierten überbrückten Richtungskoppler 940, 942, jeder mit einen Eingang und zwei Ausgängen versehen. Der Eingang des dritten Richtungskopplers 940 ist mit dem Eingangsanschluss 712 verbunden. Der erste Ausgang des dritten Richtungskopplers 940 ist mit dem Eingang der ersten oberen Unteranordnungs-Splitter-Einheit 716A verbunden, wie in 8 gezeigt. Der zweite Ausgang des dritten Richtungskopplers 940 speist einen ersten Eingang eines dritten Mischeraufbaus 946, und den Eingang eines zweiten 90°-Phasenschiebers 948.
Der Eingang des vierten Richtungskopplers 942 ist mit dem Eingangsanschluss 714 verbunden. Der erste Ausgang des vierten Richtungskopplers 942 ist mit dem Eingang der ersten unteren Unteranordnungs-Splitter-Einheit 716B, wie in 8 gezeigt, verbunden. Der zweite Ausgang des vierten Richtungskopplers 942 speist einen ersten Eingang eines vierten Mischeraufbaus 952 und den zweiten Eingang des dritten Mischeraufbaus 946. Der Ausgang des zweiten 90°-Phasenschiebers 948 ist mit dem zweiten Eingang des vierten Mischeraufbaus 952 verbunden.
Der Ausgang jedes Mischeraufbaus, der dritten und des vierten 946, 952, ist mit einem Eingang eines entsprechenden dritten und vierten Tiefpassfilters (LPF) 954, 956 verbunden, wobei der Ausgang jedes Tiefpassfilters über ein erstes und ein zweites Rückkopplungskabel 960, 962 mit dem dritten bzw. vierten Eingang der Rückkopplungs-Steuereinheit 928 verbunden ist.
Der Ausgang der Rückkopplungs-Steuereinheit 928 ist über die entsprechenden Verstärker 930a und 930b mit einem Steuereingang des ersten und zweiten Phasenschiebers 914, 920 verbunden. Der Steuereingang jedes Phasenschiebers 914, 920 ist so ausgebildet, dass er den Betrag der den Signalen am Steuereingang aufgeprägten Phasenverschiebung in Abhängigkeit von den übertragenen Signalen einstellt.
Aus der obigen Beschreibung geht hervor, dass der erste Mischeraufbau 902, der erste und der zweite Phasenschieber 914, 920, die Steuereinheit 928 und die Verstärker 930a, 930b in der Neigungskombinatoreinheit (TCU) 704 angeordnet sind, und dass der zweite Mischeraufbau 904 allgemein am Antennenaufbau 702 angeordnet ist. Mit andern Worten, der erste und der zweite Mischeraufbau 902, 904 befinden sich an den entgegengesetzten Enden der Speiseleitungen 756, 758 und sind miteinander durch dieselbe verbunden. Das ist dargestellt und im einzelnen unter Bezug auf 11 beschrieben.
Die automatische Phasenausgleichseinrichtung 900 ist so ausgebildet, dass sie jede Änderung der Phasendifferenz zwischen den Signalen Sa, Sb an beiden Enden der Speiseleitungen 756, 758 ausgleicht. Solch eine Änderung kann beispielsweise durch unterschiedliche Wärmeausdehnung oder Zusammenziehung zwischen den Speiseleitungen entstehen. Die gemäß 9 realisierte Technik eines Ausgleichs der Phasenschwankungen in den Antennenzuleitungen gilt für alle vom Antennenaufbau gesendeten Signale und ist somit allen Antennenbetreibern gemeinsam.
Im Betrieb werden die von der ersten und zweiten Kombinatoreinheit 730, 740 ausgegebenen Signale, wie unter Bezug auf 8 beschrieben, den Eingängen des ersten und zweiten Richtungskopplers 910 bzw. 912 zugeführt. Der erste Richtungskoppler 910 extrahiert einen Teil des Signals Sa und gibt es zum ersten Eingang des ersten Mischeraufbaus 916 und zum Eingang des 90°-Phasen schiebers 918. Dieser stellt die Phase des extrahierten Teils des Signals Sa um 90° ein und legt es an den zweiten Eingang des zweiten Mischeraufbaus 922 an.
Der zweite Richtungskoppler 912 extrahiert einen Teil des Signals Sb und speist es dem ersten Eingang des zweiten Mischeraufbaus 922 und ferner dem zweiten Eingang des ersten Mischeraufbaus 916 ein. Jeder Mischeraufbau 916, 922 mischt die an ihren Eingängen erhaltenen Signale und gibt das gemischte Signal dem ersten bzw. dem zweiten Tiefpassfilter 924, 926 aus. Es ist anzumerken, dass das gemischte Signal, das dem ersten Tiefpassfilter 924 vom ersten Mischeraufbau 916 zugeführt wird, der "Gleichphasen"-Trägerkomponente der Signale Sa, Sb, proportional ist, während das gemischte Signal, das dem zweiten Tiefpassfilter 926 vom zweiten Mischeraufbau 922, zugeführt wird, der Quadraturphasen-Trägerkomponente der Signale Sa, Sb proportional ist. Die Verwendung von "Gleichphasen"- und Quadraturphasen-Trägerkomponenten ist erforderlich, um die Phasendifferenz zwischen den Signalen Sa, Sb in einer eindeutigen Art und Weise zu messen.
Die Tiefpassfilter 924, 926 entfernen im wesentlichen alle, bis auf die Gleichspannungskomponenten aus den gemischten Signalen, d.h. Trägerkomponenten und alle Übergangsschwankungen, die von Trägern stammen, die nach der Amplitudenmodulation in den Mischeraufbauten einen Wert Null haben, und legen die Gleichspannungskomponenten an den ersten und zweiten Eingang der Rückkopplungssteuereinheit 928 an.
Die der zweiten Mischeraufbau 904 in den Speiseleitungen 756, 758 angelegten Signale werden ebenfalls vom dritten und vierten Richtungskoppler (T-Tap) 940, 942 extrahiert und an den dritten und vierten Mischeraufbau 946, 952 in der gleichen Weise, wie oben beschrieben, angelegt. Die Ausgänge des dritten und vierten Mischeraufbaus sind somit proportional der Gleichphasen-Trägerkomponente und der Quadraturphasen-Trägerkomponente der Signale Sa bzw. Sb. Die gemischten Signale werden an den dritten und vierten Tiefpassfilter 954, 956 angelegt, die wiederum alle, bis auf die Gleichspannungskomponenten aus den Signalen ausfiltern, und die Gleichspannungssignale werden dann an den dritten und vierten Eingang der Rückkopplungs-Steuereinheit 928 angelegt.
Ein Beispiel der Ausgänge des ersten und zweiten (oder des vierten und fünften) Tiefpassfilters als Funktion der Phasendifferenz zwischen den Signalen an ihren Eingängen ist in 10 gezeigt.
Durch Vergleichen der Ausgänge der Tiefpassfilter 924, 926, 954, 956 kann die Rückkopplungs-Steuereinheit 928 die folgenden Eigenschaften des Antennensystems berechnen: die Phasendifferenz der Signale Sa, Sb an der Neigungskombinatoreinheit 704, die Phasendifferenz der Signale Sa, Sb am Antennenaufbau 702 und die Phasenfehleinstellung, die für einen Ausgleich des Unterschieds in der Phasendifferenz zwischen der Steuereinheit und dem Antennenaufbau benötigt wird.
Darüber hinaus ist die Rückkopplungs-Steuereinheit 928 befähigt, die Trägerenergie der Signale Sa, Sb an der Steuereinheit 704, die Trägerenergie der Signale Sa, Sb am Antennenaufbau 702 und den Signalverlust oder die Signaldämpfung über die Länge der Speiseleitungen 756, 758 zu bestimmen.
Die Rückkopplungs-Steuereinheit 928 kann dann betrieben werden, um ein Steuersignal auszugeben, das über die Verstärker 930a, 930b an die Phasensteuereingänge des ersten und des zweiten Phasenschiebers 914, 920 angelegt wird. Der erste und zweite Phasen schieber 914, 920 stellen die Größe der an die Signale Sa, Sb in Abhängigkeit vom Steuersignal von der Rückkopplungs-Steuereinheit 928 anzulegenden Phasenverschiebung derart ein, dass der Fehler minimal ist. Mit anderen Worten, die Rückkopplungs-Steuereinheit 928 kann derart betrieben werden, dass sie sicherstellt, dass die Phasendifferenz zwischen den Signalen Sa, Sb an der Steuereinheit 704 im wesentlichen gleich der Phasendifferenz zwischen den Signalen Sa, Sb am Antennenaufbau 702 ist. Der Prozess wird an Aggregat-Wellenform aller Träger und der Phasenausgleich wird durchgeführt, wenn die Phasendifferenz am Antennenaufbau sich von Phasendifferenz an der Steuereinheit um einen vorbestimmten Betrag entfernt hat. Somit wird jede Schwankung der Phase der Signale in den Speiseleitungen 756, 758 ausgeglichen.
In 11 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Antennensystems in Blockform gezeigt, die zeigt, wie die in 9 dargestellte automatische Phasenausgleichseinrichtung in das System von 8 eingebaut werden kann. Obwohl der Maßstab der Zeichnung derart ist, dass die einzelnen Teile des Systems weniger detailliert, als in den vorherigen Figuren gezeigt sind, und die Verbindungen nur für einen Betreiber und für nur eine Polarität gezeigt sind, versteht es sich von selbst, dass das System ermöglicht, dass bis zu fünf Betreiber 1760A bis 1760E das Antennensystem im wesentlichen gleichzeitig nutzen können, wodurch jeder Betreiber Signale in einem unterschiedlichen Betreiber-Frequenzband sendet und empfängt.
In 11 sind zwei Neigungs-Kombinatoreinheiten 704a, 704b gezeigt, die zeigen, wie das System der vorliegenden Erfindung mit einem Antennenaufbau 702 mit doppelter Polarität verwendet werden kann. Jede Neigungs-Kombinatoreinheit 704a, 704b enthält eine automatische Phasenausgleichseinrichtung 900, ähnlich der in 9 gezeigten, wobei ein Teil derselben am Antennenaufbau 702 selbst angeordnet ist, zwei Kombinatoreinheiten 730, 740, ähnlich den in 8 gezeigten, und fünf Differentialphasen-Steuereinheiten 750 (wovon nur eine vollständig gezeigt ist), eine für jeden Betreiber, ähnlich den in 8 gezeigten.
Jeder Betreiber 1760A bis 1760E hat einen Sendeanschluss 726a und einen Empfängeranschluss 726b an der Basisstation 1760, von denen jeder in der oben beschriebenen Art und Weise mit einer entsprechenden Differentialphasen-Steuereinheiten verbunden ist. Da es fünf Betreiber gibt, die den Wunsch haben könnten, dass Antennensystem zu nutzen, umfasst die Neigungs-Kombinatoreinheit zehn Differentialphasen-Steueruntereinheiten, zwei für jeden Betreiber. Die Ausgänge der Differentialphasen-Steueruntereinheiten sind mit den Eingängen der Sende-Kombinator-Netzwerke 734, 744 oder mit den Ausgängen der Demultiplexer 736, 746 in der ersten und zweiten Kombinatoreinheit 730, 740 in der unter Bezug auf 8 beschriebenen Art und Weise verbunden.
Der Ausgang jeder Kombinatoreinheit 730, 740 wird an den ersten bzw. zweiten Mischeraufbau der automatischen Phasenausgleichseinrichtung 900 angelegt, wie unter Bezug auf 9 beschrieben ist. Alle Schwankungen der Phasendifferenz zwischen den Signalen Sa, Sb, gemessen an der Neigungs-Kombinatoreinheit 704 durch den Mischeraufbau 902 und am Antennenaufbau 702 durch den Mischeraufbau 904, beeinträchtigen den Neigungswinkel des Antennenaufbaus aller Betreiber, und sie werden daher von der automatischen Phasenausgleichseinrichtung 900 ausgeglichen. Die ausgeglichenen Signale werden dann zur Übertragung in der herkömmlichen Art und Weise an den Antennenaufbau angelegt.
Wie oben angegeben, haben die Sende-Kombinator-Netzwerke 734, 744 in den Kombinatoreinheiten 730, 740 jeweils fünf Eingänge und die Demultiplexer 736, 746 haben jeweils fünf Ausgänge. Es ist anzumerken, dass daher, obwohl für jeden Betreiber zwei Differentialphasen-Steueruntereinheiten, eine zum Senden und eine zum Empfang, benötigt werden, alle fünf Betreiber die Möglichkeit haben, die zwei Kombinatoreinheiten 730, 740 in der Neigungs-Kombinatoreinheit 704 gemeinsam zu nutzen. Jeder der anderen, die Basisstation nutzenden Betreiber hat ein entsprechendes Paar Differentialphasen-Steueruntereinheiten, deren Ausgänge mit den anderen Eingängen der Sende-Kombinator-Netzwerke 734, 744 oder den Ausgängen der Multiplexer (MUX) 736, 746 in den Kombinatoreinheiten 730, 740 verbunden sind. Da die Differentialphasenverschiebung von Signalen vor dem Multiplexen durch die Sende-Kombinator-Netzwerke 734, 744 stattfindet, kann ein individueller Neigungswinkel von jedem Betreiber unabhängig eingestellt werden.
Während das System von 11 dadurch vorteilhaft ist, dass es alle Längendifferenzen der Speiseleitungen 756, 758, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung oder Zusammenziehung zwischen den Leitungen, ausgleicht, ist das Phasenausgleichsverfahren allen Betreibern des Systems gemeinsam. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Phasenausgleich für jeden Betreiber getrennt vorgenommen. Darüber hinaus ermöglicht die Vorrichtung von 11 lediglich einen Ausgleich von Unterschieden in der Länge der Zuleitungen zum Antennenaufbau, während in der Praxis Differenzfehler beispielsweise auch in den Kombinatoreinheiten 730, 740 und in den Eingangs-Trägerleitungen 720, 722 auftreten können.
12 ist ein Blockdiagramm des Antennensystems, das eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung enthält und so ausgebildet ist, dass es alle Schwankungen der Phasendifferenz der Signale Sa, Sb zwischen dem Antennenelement-Ende des Sendepfades und dem Basisstations-Ende des Sendepfades für jeden Betreiber getrennt ausgleicht. In dieser Ausführungsform umfasst das Antennensystem einen Antennenaufbau 702 und eine Neigungs-Kombinatoreinheit 704, die ausgebildet sind, wie unter Bezug auf 8 beschrieben. Darüber hinaus enthält der Antennenaufbau ein Vektormessungs-Empfangsmodul (VMRM) 1010. Das Vektormessungs-Empfangsmodul 1010 enthält einen Vektormessungs-Empfänger (VMR) 1012 und eine damit verbundene Vektormessungs-Empfangs-Steuereinheit (VMRC) 1014. In 12 ist der Antennenaufbau 702 wiederum eine Antenne mit doppelter Polarität und benötigt daher, wie gezeigt ist, dass zwei Vektormessungs-Empfänger vorgesehen sind, von denen jeder mit der gemeinsamen Vektormessungs-Empfangs-Steuereinheit 1014 verbunden ist. Des leichteren Verständnisses halber sind jedoch nur die Verbindungen und der Betrieb des Vektormessungs-Empfängers 1012 für eine Polarität beschrieben. Als Alternative kann ein einziger Vektormessungs-Empfänger eingebaut sein, wobei die Schaltungseinrichtung vorgesehen ist, die Eingänge zum Vektormessungs-Empfänger zwischen den zwei Polarisationen des Systems zu schalten.
Die Neigungs-Kombinatoreinheit 704 umfasst eine Neigungskombinator-Steuereinheit (TCUC) 1016, die mit Hilfe eines Steuerkabels 1018 mit der Vektormessungs-Empfangs-Steuereinheit 1014 verbunden ist, das befähigt ist, digitale Signale zu übertragen. Das Steuerkabel 1018 ist ferner ausgebildet, die vom Vektormessungs-Empfangsmodul 1010 im Antennenaufbau 702 benötigte Energie zu übertragen. Die Neigungskombinator-Steuereinheit 1016 hat einen Steuerausgang, der mit dem Steuereingang jede Sende- und Empfangsphasen-Einstelleinheit 760a, 760b, 762a, 762b in den zwei Differentialphasen-Steueruntereinheiten 750a, 750b verbunden ist. Die Neigungskombinator-Steuereinheit 1016 hat ferner einen Steuereingang, der so ausgebildet ist, dass er zur Einstellung des erforderlichen Neigungswinkels für den Antennenaufbau 702 ein Steuersignal von einem Netzbetreiber empfängt. Auf jeder Eingangsträgerleitung 720, 722 ist ein entsprechendes T-Tap oder ein Sniffer 1020,1022 eingeschoben. Der Ausgang jedes Sniffers 1020,1022 ist mit einem Eingang des Vektormessungs-Empfängers 1012 verbunden.
13 ist ein schematisches Blockdiagramm des Vektormessungs-Empfängers 1012 und zeigt dessen Verbindung mit der Vektormessungs-Empfangs-Steuereinheit 1014. Das Ausgangssignal jedes T-Tap 1020, 1022 wird dem Eingang eines entsprechenden Dämpfungsgliedes 1024, 1026 eingespeist, dessen Ausgang mit einem ersten Eingang des entsprechenden ersten und zweiten Empfängers 1028, 1030 verbunden ist.
Der Ausgang des ersten Empfängers ist an den Eingang eines ersten Begrenzers 1032 angelegt, dessen Ausgang über einen 90°-Phasenschieber 1036 mit einem ersten Komparator 1034 und ferner direkt mit dem Eingang eines zweiten Komparators 1038 verbunden ist. Der Ausgang des zweiten Empfängers 1030 ist an den Eingang eines zweiten Begrenzers 1040 angelegt, dessen Ausgang direkt mit den beiden Komparatoren, dem ersten 1034 und dem zweiten 1038, verbunden ist.
Jeder Empfänger, der erste 1028 und der zweite 1030, kann mit Hilfe eines lokalen Oszillators 1042 abgestimmt werden. Der lokale Oszillator 1042 generiert ein Signal einer vorgegebenen Frequenz, das im entsprechenden Empfänger mit dem Signal von den T-Tabs kombiniert wird und ein Ausgangssignal mit einer Zwischenfrequenz erzeugt, wobei das Zwischenfrequenzsignal an die entsprechenden Begrenzer 1032, 1040 angelegt wird. Aufgabe des lokalen Oszillators 1042 ist es, eine Abstimmung des ersten und des zweiten Empfängers 1028, 1030 auf jede von den Betreibern genutzte Frequenz zu ermöglichen. Hierdurch wird eine Messung der Phase der Signale Sa, Sb von mehr als einem Betreiber möglich, es können daher Unterschiede beim Fehlerausgleich zwischen unterschiedlichen Betreiberfrequenzen nachgewiesen werden.
Der Ausgang jedes Komparators, des ersten 1034 und des zweiten 1038, ist mit dem Eingang eines entsprechenden Tiefpassfilters 1044, 1046 verbunden, und die Ausgänge jedes Filters werden den entsprechenden Eingängen der Vektormessungs-Empfangs-Steuereinheit 1014 eingespeist.
Gemäß den 12 und 13 operiert die Neigungs-Kombinatoreinheit 704 in der oben beschriebenen Weise, um die Signale Sa, Sb der Speiseleitungen 756, 758 zu übertragen, die an den Eingangsanschlüssen 712, 714 dem Antennenaufbau 702 eingegeben und an die Eingangs-Trägerleitungen 720, 722 angelegt werden. Der erste und zweite T-Tap 1020, 1022 extrahiert einen Teil des entsprechenden Signals Sa, Sb und legt den extrahierten Teil an das entsprechende Dämpfungsglied 1024, 1026 an. Das Dämpfungsglied hat die Aufgabe, den Signaleingang zum entsprechenden Empfänger auf den Pegel einzustellen, der eine optimale Leistung des Empfängers in Bezug auf den Dynamikbereich, die Linearität und die Rauschimmunität gewährleistet. Der abgedämpfte Teil des Signals Sa, Sb wird im entsprechenden Empfänger 1028, 1039 mit dem dort vom lokalen Oszillator 1042 angelegten Signal kombiniert, und das von jedem Empfänger 1028, 1030 ausgegebene Zwischenfrequenzsignal wird durch den entsprechenden Begrenzer 1032, 1040 weitergeleitet und entfernt die Amplitudenschwankungen in den Signalen.
Der extrahierte Teil des Signals Sa, wird über den Phasenschieber 1036 dem ersten Komparator 1034 eingespeist, der die Phase des Signals um 90° einstellt. Der extrahierte Teil des Signals Sb wird direkt dem ersten Komparator 1034 eingespeist. Der Ausgang des ersten Komparators 1034 wird an den ersten Tiefpassfilter 1044 angelegt, der im wesentlichen all Komponenten, bis auf die Gleichspannungskomponente des Signals, entfernt, einschließlich aller restlichen Trägerkomponenten im Ausgang des Komparators und ferner alle Übergangsschwankungen infolge der Amplitude der Signale am Eingang zu den Komparatoren, die durch einen Wert Null hindurchgeht.
Wie der extrahierte Teil des Signals Sb, wird auch der extrahierte Teil des Signals Sa direkt in den zweiten Komparator 1038 eingespeist. Der Ausgang des zweiten Komparators 1038 liegt am zweiten Tiefpassfilter 1046 an, der, wie der erste Tiefpassfilter, im wesentlichen all Komponenten, bis auf die Gleichspannungskomponente des Signals, entfernt, einschließlich aller restlichen Trägerkomponenten im Ausgang des Komparators und ferner alle Übergangsschwankungen infolge der Amplitude der Signale am Eingang zu den Komparatoren, die durch einen Wert Null hindurchgeht.
Der Ausgang des ersten Tiefpassfilters 1044 ist somit die Quadratur-Darstellung der Phasendifferenz zwischen den Signalen Sa, Sb, während der Ausgang des zweiten Tiefpassfilters 1046 die "Gleichphasen"-Darstellung der Phasendifferenz zwischen den Signalen Sa, Sb ist. Beide Darstellungen, die Quadratur-Darstellung und die Gleichphasen-Darstellung, werden benötigt, um die Phasendifferenz zwischen den Signalen Sa, Sb in einer eindeutigen Art und Weise zu messen.
Der erste und zweite Empfänger 1028, 1030 erzeugen auch eine entsprechende Signalstärkenanzeige des Empfängers (RSSI), jede wird an die Vektormessungs-Empfangssteuereinheit 1014 zur Übertragung an die Neigungskombinator-Steuereinheit 1016 angelegt. Die Signalstärkenanzeige des Empfängers wird für eingebaute Testzwecke, sowie als Indikator für eine Gesundheits- und Sicherheitsbeurteilung verwendet. Die Vektormessungs-Empfangssteuereinheit 1014 ist ferner mit einem Temperatursensor und einer Heizung 1048 versehen. Der Sensor misst die Temperatur an der Vektormessungs-Empfangssteuereinheit 1014 und kann zur Betätigung der Heizung betrieben werden, um die minimale Betriebstemperatur auf einen zufriedenstellenden Wert zu begrenzen und einen einwandfreien Betrieb zu gewährleisten.
Der Ausgang der Vektormessungs-Empfangssteuereinheit 1014 stellt eine direkte Messung der Phasendifferenz zwischen den Signalen Sa, Sb dar, und er liegt über das digitale Steuerkabel 1018 an der Neigungskombinator-Steuereinheit 1016 an. Die Neigungskombinator-Steuereinheit 1016 ist derart ausgebildet, dass sie den ersten und zweiten Empfänger 1028, 1030 auf eine bestimmte Frequenz abstimmt und dass an dieser Frequenz der erforderliche Neigungswinkel erhalten wird (d.h. die erforderliche Phasendifferenz zwischen den Signalen Sa, Sb). Bei Empfang der gemessenen Phasendifferenz zwischen den Signalen Sa, Sb an der erforderlichen Frequenz, ist die Neigungskombinator-Steuereinheit 1016 betreibbar, Steuersignale an die Steuereingänge des ersten und des zweiten Sende- und Empfangs-Phasenschiebers in jeder der Differentialphasen-Steueruntereinheiten 750a, 750b anzulegen, sodass der aktuelle Winkel der elektrischen Neigung des Antennenaufbaus 702 im wesentlichen gleich dem erforderlichen Winkel der elektrischen Neigung ist.
Es ist anzumerken, dass die Vorrichtung von 12 ermöglicht, dass Phasenverschiebungsfehler zwischen unterschiedlichen Betreibern (d.h. infolge ihrer unterschiedlichen Betriebsfrequenzen) dank dem Vektormessungs-Empfangsmodul 1010 unabhängig ausgeglichen werden. Das Mess- und Phaseneinstellverfahren kann durchgeführt werden, wenn das System anfangs eingeschaltet wird, wenn der elektrische Neigungswinkel geändert werden muss und/oder um Wärmeschwankungen in den Speiseleitungen periodisch auszugleichen, z.B. alle 10 Minuten.
Darüber hinaus kann die Neigungskombinator-Steuereinheit 1016 auf einen Lokalmodus oder einen Entfernungsmodus eingestellt werden. Im Lokalmodus wird der von jedem Betreiber benötigte elektrische Neigungswinkel lokal an der Neigungs-Kombinatoreinheit 704 eingestellt. Im Entfernungsmodus wird der benötigte elektrische Neigungswinkel aus der Entfernung, entweder über eine Funkverbindung oder über eine Telefonleitung oder dergleichen eingestellt.
Die Neigungs-Kombinatoreinheit 704 zeigt ferner lokal und/oder aus der Entfernung die von jedem Betreiber benötigten elektrischen Neigungswinkel, die aktuellen Neigungswinkel des Antennenaufbaus, den Fehler zwischen den für jeden Betreiber benötigten und den aktuellen elektrischen Neigungswinkeln, die Hochfrequenz-Energiepegel am Antennenaufbau für die Signale jedes Betreibers, die Temperatur am Antennenaufbau und die Energieversorgungs-Spannungen und Ströme der Neigungs-Kombinatoreinheit an.
14 zeigt die Verwendung des Antennensystems von 12 mit einem doppelpolarisierten Antennenaufbau von fünf Betreibern. Aus Gründen größerer Klarheit sind nur die Verbindungen für eine Polarität und einen Betreiber gezeigt. Wie zu erkennen ist, ist die Ausführungsform von 14 ähnlich der Ausführungsform von 11 mit der Ausnahme, dass die automatische Phasenausgleichseinrichtung von 11 durch das Vektormessungs-Empfangsmodul 1010 der 12 und 13 ersetzt wurde.
In manchen Fällen ist die Vorrichtung der 12 bis 14 zum Ausgleich der Phasendifferenzen zwischen unterschiedlichen Betreibern geeignet. Das Verfahren beruht jedoch auf Messungen, die über den Sendepfad bestimmt wurden, während die Genauigkeit weiter durch die unabhängige Messung der Phasendifferenzen auch über den Empfangspfad verbessert werden kann. In der vorliegenden Beschreibung bedeutet "Sendepfad" für Signale den Pfad, dem die verzögerten Signale folgen, die von der Kombinatoreinheit 704 ausgegeben werden, wie sie die Speiseleitungen 756, 758, die Eingangsträgerleitungen 720, 722 und zu den Antennenelementen einschließlich Splitter, Verstärker, Filter und anderen Komponenten laufen, die in diesem Pfad vorhanden sind. "Empfangspfad" für Signale bedeutet den Pfad, dem die Signal folgen, die an den Antennenelementen erhalten werden, wie sie die Trägerleitungen 720, 722, die Speiseleitungen 756, 758 entlang und zur Kombinatoreinheit 704, einschließlich Splitter, Verstärker, Filter und anderen Komponenten laufen, die in diesem Pfad vorhanden sind.
Die 15 und 16 zeigen eine weiter verbesserte Vorrichtung, in der der Ausgleich der Phasendifferenz für den Sende- und Empfangsmodus (d.h. für den Sendepfad und für den Empfangspfad getrennt), sowie für einzelne Betreiberfrequenzen getrennt realisiert wird. Der Einfachheit halber zeigt 15 nur zwei Antennen-Unteranordnungen (gegenüber den drei Unteranordnungen der 8) eines doppelpolarisierten Antennenaufbaus 1502, eine erste Unteranordnung mit positiver Polarität 1500A⁺ und eine zweite Unteranordnung mit positiver Polarität 1500A⁺ und ferner zwei Unteranordnungen mit negativer Polarität 1500A^– . Für den Kanal mit negativer Polarität ist der Betrieb der gleiche und ist daher nicht im Einzelnen beschrieben. Sind nur zwei Unteranordnungen 1500A⁺ , 1500B⁺ vorgesehen, wird die Splitter-Anordnung 716A bis 716H und Kombinator-Anordnung 726A, 726B von 8 nicht benötigt und die Trägerleitungen 720, 722 legen die Eingangssignale direkt an die Unteranordnungen 1500A, 1500B an.
Das zur Messung und Korrektur von Schwankungen der Verzögerungszeit zwischen den Sende- und Empfangspfad zur Steuerung des elektrischen Neigungswinkels der Antenne angewendete Verfahren misst die Phasendifferenz zwischen den Signalpfaden sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus. Das wird realisiert, indem entweder die Frequenzen verwendet werden, die für den Sender der Basisstation (die Abwärtsstrecke) verwendet werden, oder die Frequenzen, die für den Empfänger der Basisstation (die Aufwärtsstrecke) verwendet werden. Wird dieses Verfahren angewendet, ist es möglich, die Phasendifferenz zwischen zwei Zuleitungen an den Frequenzen zu messen, die für die Zuordnungen der Sende- und Empfangsfrequenz jedes Betreibers verwendet werden.
Es wird zunächst die Messung der Differentialphase für den Empfangspfad betrachtet; der in 15 gezeigte Antennenaufbau enthält einen Eichtongenerator (CTG) 1610, der einen Eichoszillator (cal. osc.) 1612, einen Dämpfungsregler 1614, ein Bandpassfilter 1616 und einen zweiten Dämpfungsregler 1618 umfasst. Der Vektormessungs-Empfänger 1012 der 8 und 12 ist ebenfalls, zusammen mit einer Antenneneichungs-Steuereinheit (ACC) 1640 kenntlich gemacht, die den Eichtongenerator 1610 steuert und mit der Systemeichungs-Steuereinheit (SCC) der Basisstation 1760 kommuniziert. Der Eichtongenerator 1610 ist so ausgeführt, dass er nicht modulierte Töne in einer Bandbreite von 200 Hz erzeugt, die bevorzugt auf +/– 10 kHz in 2 GHz oder +/– 2 Teile in 10⁵ stabilisiert werden. Der Ton wird auf die erforderliche Frequenz eingestellt, um eine bestimmte Empfangsfrequenzneigung eines Betreibers mit Hilfe der Antenneneichungs-Steuereinheit 1640 zu messen. Der Pegel des Signals kann mit Hilfe des Dämpfungsreglers 1614 eingestellt werden, und das Bandpassfilter 1616 ist vorgesehen, um zu verhindern, dass Signale an den Sendefrequenzen in den Eichoszillator 1612 eintreten (d.h. nur Empfangsfrequenzen können durchlaufen), und der zweite Dämpfungsregler 1618 wird für Impedanzanpassungszwecke benötigt.
Das Tonsignal wird angelegt: an die erste Splitter-/Kombinatoreinheit 1620 (SP1), wodurch es auf vier gleicher Signalpfade 1660a, 1660b, 1662a, 1662b, zwei Signalpfade 1660a, 1660b aufgeteilt wird, an die erste und die zweite Speiseleitung 720, 722 positiver Polarisation und zwei Signalpfade 1662a, 1662b, an die erste und die zweite Speiseleitung 1521, 1523 negativer Polarisation. Jedes Signal wird über entsprechende Splitter-/Kombinatoreinheiten 1622 bis 1628 (SC1 bis SC4) in die entsprechende Speiseleitung eingespeist. Der Einfachheit halber sind nur die Speiseleitungen 756, 758 und die Trägerleitungen 720, 722 zu den Unteranordnungen für die Anordnung mit positiver Polarität betrachtet, es ist aber anzumerken, dass die gleichen Phasenausgleichsprinzipien auch für die Speiseleitungen 1756, 1758 und die Trägerleitungen 1720, 1722 für die Anordnung mit negativer Polarität gelten.
Das Tonsignal oder jedes Teil des Tonsignals wird an der Kante jedes Empfangskanals (typischerweise um 5 MHz beabstandete Kanäle) durch einen Richtungskoppler 1630 derart den Trägerleitungen 1720, 1722 eingespeist, dass es keine Interferenz zwischen Tonsignal und empfangenem Signal gibt oder es sich zum empfangenem Signal addiert. Das jede Trägerleitung 1720, 1722 hinab gelieferte Tonsignal wird einer entsprechende Anordnung 1642, 1644 von Bandpassfiltern (BPF) und Verstärkern zugeleitet. Die Anordnungen 1642, 1644 sind identisch und jede enthält einen entsprechenden Empfangsfrequenzarm 1642a, 1644a und einen entsprechenden Sendefrequenzarm 1642b, 1644b. Der Empfangsfrequenzarm jeder Anordnung enthält ein Bandpassfilter (BPF, FRx) zum selektiven Senden von Empfangsfrequenzen. Der Sendefrequenzarm jeder Anordnung enthält ein Bandpassfilter (BPF, FTx) zum selektiven Senden von Sendefrequenzen. Es ist ferner wünschenswert, in den Empfangsfrequenzarm 1642a, 1644a einen rauscharmen Verstärker (LNA) einzubauen.
Gemäß 16 werden die durch die Sendefrequenzarme 1642b, 1644b gesendeten Tonsignale an den Anschlüssen 752, 754 der Basisstation 1762 übertragen (auch in 12 gezeigt). 16 zeigt die Basisstation 1762 für fünf verschiedene Betreiber, obwohl die Bauteile der Basisstation nur für einige der Betreiber dargestellt sind. Die Schreibweise in 16 "/5" bedeutet, dass fünf solcher Bauteile vorhanden sind (obwohl nicht gezeigt), gleiches gilt auch für andere Zahlen (z.B. bedeutet "/30", dass 30 solcher Bauteile vorhanden sind).
Für die erste Unteranordnung 1500A⁺ der Antenne 1502 und deren entsprechende Trägerleitung 720 ist eine einzige Filteranordnung 1650a in der Basisstation 1762 für die Empfangssignale vorgesehen, die dann von einer Fünf-Wege-Splitter-Einheit 1651 aufgeteilt werden, damit sie einer entsprechenden variablen Verzögerungseinheit 760b eingegeben werden (d.h. äquivalent der in 12 gezeigten; nur eine ist für einen der Betreiber gezeigt). Die Empfangssignale für die anderen Unteranordnung 1500B und die entsprechende Trägerleitung 722 durchlaufen eine Filteranordnung 1650b zu einer zweiten variablen Verzögerungseinheit 762b (wiederum ist nur eine für einen der Betreiber gezeigt).
Die die Trägerleitungen 720, 722 hinab zur Basisstation 1762 zurückgesendeten Empfangssignale werden durch die entsprechende Filteranordnung 1650a, 1650b einem zweiten Vektormessungsempfänger 1638 (VMR) in der Antennensteuereinheit oder der Basisstation 1762 über entsprechende Richtungskoppler 1632, 1634 eingegeben. Wenn die vom Eichtongenerator 1612 (CTG) stammenden und die Trägerleitungen 720, 722 hinab gesendeten Tonsignale in einem Empfangsmodus sind, folgen sie dem gleichen Empfangspfad, wie die Empfangssignale. Der Vektormessungsempfänger 1638 wird von der Systemeichungs-Steuereinheit 1646 (SCC) gesteuert und kann zur Auswahl des geeigneten Paars Richtungskoppler 1632, 1634 für einen ausgewählten Betreiber betrieben werden, um auf diese Weise ein Muster des empfangenen Tonsignals zur Messung zu erhalten. Messungen der Verzögerung zwischen den durch die Leitungen 720, 756 und durch die Leitungen 722, 758 übertragenen Tonsignalen (d.h. eine "Empfangspfad-Differenzmessung") werden durch den Vektormessungsempfänger 1638 (VMR) zusammen mit einer Information über die Signalstärke erhalten und werden an die Systemeichungs-Steuereinheit 1646 zurückgesandt. Der gemessene Unterschied in der Phasendifferenz zwischen den Trägerpaaren 720, 756 und 722, 758 an der Antenne und am Kombinatoreinheits-Ende des Empfangspfades wird zur Einstellung der Phasendifferenz an der Antenne um einen Betrag verwendet, der erforderlich ist, um zu gewährleisten, dass der von einem einzelnen Betreiber geforderte elektrische Neigungswinkel derjenige ist, der erhalten wurde. Speziell stellt die Systemeichungs-Steuereinheit 1646 (SCC) die variable Verzögerung in Verbindung mit dem ausgewählten Betreiber ein, um die geforderte Verzögerung unter Berücksichtigung der Abweichungen im Empfangspfad zu erzielen. Diese Operation kann der Reihe nach für jeden Betreiber so oft als erforderlich durchgeführt werden, um die einwandfreie Einstellung der Antenne aufrechtzuerhalten.
Für die Empfangspfadeichung (d.h. den Phasenausgleich) ist es wünschenswert, wenn das Tonsignal so ausgewählt ist, dass es eine Frequenz an oder nahe an der Kante des Frequenzkanals des Betreibers hat, aber die Tonsignalfrequenz kann gleichermaßen so gewählt werden, dass sie in den Frequenzkanal des Betreibers fällt. Typischerweise haben die Empfangspfadkanäle eine Bandbreite von 5 MHz und das Tonsignal hat bevorzugt eine Bandbreite von 200 Hz.
Es soll als nächstes der Sendepfad betrachtet werden. Gemäß 16 umfasst die Antennen-Basistation 1762 ferner entsprechende Sende-Filteranordnungen (BPF) 1652A, 1654A, die zu den Speiseleitungen 720, 722 gehören. Die Sende-Filteranordnungen 1652A, 1654A sind so ausgeführt, dass sie Sendefrequenzsignale für den Betreiber A filtern, aber verhindern, dass Empfangsfrequenzsignale durchgelassen werden. Für jeden Betreiber B und E sind ferner entsprechende Sende-Filteranordnungen (BPF) 1652B, 1652E und 1654B, 1654E für jede Trägerleitung 720, 722 vorgesehen.
In dieser bestimmten Ausführungsform der Erfindung senden die Betreiber C und D auf den Antennenelementen mit negativer Polarisation 1500A^– und 1500B^– , während die Betreiber A, B und E auf den Antennenelementen mit positiver Polarisation 1500A⁺ und 1500B⁺ senden.
Wie oben für die 8 und 12 beschrieben, werden die Sendesignale für jeden der drei Betreiber A, B und E durch die Splitter-Einheit 725a aufgeteilt und durch die entsprechende variable Verzögerungseinheit 760a (A, B oder E) den Filteranordnungen 1652A, 1652B, 1652E, 1654A, 1654B, 1654E zugeleitet. Jede Filteranordnung ist so konfiguriert, dass sie Signale in einem bestimmten Betreiber-Frequenzband durchlässt, und sie sendet die ausgewählten Betreiber-Sendesignale an die Trägerleitungen 720 bzw. 722.
Zum Zweck der Sendepfadeichung extrahiert der Richtungskoppler 1630 der Antenne 1502 (wie in 15 gezeigt) einen kleinen Teil der Sendefrequenzsignale von jeder Trägerleitung 720, 722 und überträgt zwei Signale in den Leitungen 1656, 1658 zum Vektormessungsempfänger 1012 (VMR) in der Antenne 1502. Der Vektormessungsempfänger 1012 misst für jeden Betreiber-Frequenzkanal die Phasendifferenz zwischen den Sendesignalen, die in der Speiseleitung 720 und denjenigen, die in der Speiseleitung 722 übertragen werden, im wesentlichen an der Zentrumsfrequenz der ausgewählten Sendesignalbandbreite, was als "Sendepfad-Phasendifferenzmessung" bezeichnet wird. Die Bandbreite der Sendepfad-Phasendifferenzmessung wird bevorzugt so gewählt, dass sie im wesentlichen gleich der Sendesignalbandbreite für jeden Betreiber ist.
Die in der Antenne berechnete Sendepfad-Phasendifferenzmessung wird an die Antenneneichungs-Steuereinheit 1640 (ACC) zurückgeführt, die mit der Systemeichungs-Steuereinheit 1646 (SCC) in der Basisstation 1762 kommuniziert (wie in 16 gezeigt). Die gemessene Phasendifferenz zwischen den Sendesignalen in der Antenne wird mit der gemessen Phasendifferenz, wie in der Basisstation 1762 von der Systemeichungs-Steuereinheit 1646 eingestellt, verglichen, und somit erfolgt die Einstellung auf die Phasendifferenz an der Antenne, um, trotz eines Unterschieds in der Phasendifferenz zwischen den Enden des Sendepfades, sicher zustellen, dass der erforderliche elektrische Neigungswinkel für jeden Betreiber im Sendemodus erhalten wird.
Das Verfahren zum Ausgleich Phasendifferenz, welches unter Bezug auf die 15 und 16 beschrieben ist, ist dadurch vorteilhaft, dass es ermöglicht, den Neigungswinkel präzise durch die Berücksichtigung der Phasendifferenzen unabhängig im Sendemodus und im Empfangsmodus für jeden Betreiber A bis E unabhängig zu bestimmen. Die Verfahren ermöglichen allen Betreibern, dass die Sende- und Empfangszuordnungen für die Differentialphase zwischen den Sende- und Empfangspfaden nicht nur im kontinuierlichen Betrieb, sondern auch für die Produktionsanpassung und für Testzwecke, die Inbetriebnahme und Instandhaltung geeicht sind. Die Eich- oder Ausgleichsoperation kann für jeden Betreiber der Reihe nach so oft durchgeführt werden, wie es für die Aufrechterhaltung der einwandfreien Einstellung der Antenne erforderlich ist.
In der Anordnung von 9 wird beispielsweise der erforderliche Neigungswinkel präzise nur bei einer Frequenz erzielt, da für die anderen Frequenzen die Phasendifferenz durch die Speiseleitungen 756, 758 unterschiedlich ist, und somit ist die Richtung, in der sich die Phasen bis zur maximalen Verstärkung addieren (die "Mittelachse"), unterschiedlich. In solchen Systemen ist die Phasendifferenz nicht nur für unterschiedliche Sendefrequenzen (d.h. für unterschiedliche Betreiber) unterschiedlich, sondern auch durch den Sende- und Empfangspfad für jeden Betreiber. Wird das System der 15 und 16 verwendet, kann der gewünschte Neigungswinkel präzise für jeden Betreiber erzielt werden, und es kann gewährleistet werden, dass er, falls erforderlich, der gleiche sowohl für den Sende-, als auch für den Empfangsmodus ist, da jeder Phasendifferenzeffekt, der ansonsten zwischen den zwei Pfaden auftreten würde, ausgeglichen wird. Wenn ferner ein Betreiber fordert, dass der Neigungswinkel im Sendemodus verschieden vom Neigungswinkel im Empfangsmodus sein soll, ist das mit diesem System möglich.
Als eine Alternative zur Verwendung eines Tonsignals für die Eichung des Empfangspfades kann ein Streuspektrumssignal im Oszillator 1612 erzeugt werden. Es ist anzumerken, dass bei Anwendung der vorliegenden Technik die Richtungskoppler 1632, 1634 das Eichsignal des Hochfrequenz-Streuspektrums mit den Empfangssignalen für die Messung im Vektormessungsempfänger 1638 (VMR) in der Basisstation 1762 koppeln.
Um zu verhindern, dass ein Oszillator 1612 in der Antenne 1502 an der Spitze des Antennenmastes zusammen mit den zugehörigen Dämpfungs- und Filterkomponenten 1614, 1616, 1618 vorgesehen wird, kann ein Frequenzwandler vorgesehen sein, der es ermöglicht, dass ein Muster des Sendefrequenzsignals (für jeden Betreiber) in den entsprechenden Empfangspfad bewegt wird. Durch Messung der Verzögerung zwischen den Sendesignalen am Boden des Empfangspfades, kann die Differentialverzögerung im gesamten Empfangs-/Sendepfad bestimmt werden, und die geeignete Einstellung kann für jeden Betreiber-Frequenzkanal in der Systemeichungs-Steuereinheit 1646 (SCC) durchgeführt werden. Zur Erzielung einer separaten Messung nur für den Sendepfad, kann dasselbe Sendesignal für jeden Betreiberkanal zum Empfangspfad übertragen werden, d.h., das Sendesignal für einen Betreiber wird im wesentlichen als Eichsignal für alle Betreiber verwendet. Durch einen Vergleich der Differentialphasenmessung für den Sendepfad mit der Differentialphasenmessung für die Sende-/Empfangsschleife, kann die Phasendifferenz für den Sendepfad für jeden Betreiber bestimmt werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform braucht nur ein Vektormessungsempfänger 1012 vorgesehen sein, und der befindet sich in der Basisstation 1762. In diesem Fall arbeitet der Eichgenerator-Oszillator (CGO) in der Antenne 1502 sowohl in der Sendeals auch in der Empfangsfrequenz, sodass die Sendefrequenzen für die in der Basisstation 1762 zu messende Phasendifferenz durch die Trägerleitungen 720, 722 hinab zurückgesendet werden. Der Vektormessungsempfänger (VMR) 1012 in der Basisstation 1762 muss daher, wie auf die Empfangsfrequenzen, auch auf die Sendefrequenzen abgestimmt sein. Es ist möglich, die Sendefrequenzsignale zum Zweck des Phasenausgleichs die Trägerleitungen 720, 722 hinab zum Vektormessungsempfänger 1012 in der Basisstation 1762 zurückzusenden, da der Sendepfad keinen Verstärker oder andere aktive Vorrichtungen enthält, die einen Rücklauf verhindern würden.
Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung eine effektive Möglichkeit bietet, dass mehrere Betreiber einen Phased-Array-Antennenaufbau nutzen, bei dem der elektrische Neigungswinkel für jeden Betreiber unterschiedlich sein kann und aus der Entfernung und unabhängig vom Betreiber eingestellt werden kann. Der elektrische Neigungswinkel kann für jeden Betreiber ebenfalls im Sendemodus und im Empfangsmodus unterschiedlich oder genau gleich sein.
Wenn die Einrichtung zur Steuerung des elektrischen Neigungswinkels des Antennenaufbaus für eine unterschiedliche Wärmeausdehnung oder -zusammenziehung der Speiseleitungen in einem größeren Abstand vom Antennenaufbau angeordnet ist, und somit Phasenänderungen der Signale in den Speiseleitungen ein Problem sind, gibt die Erfindung ein wirksames Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausgleich solcher Phasenänderungen an, sodass der elektrische Neigungswinkel an der Antenne der gleiche wie der von jedem Betreiber benötigte elektrische Neigungswinkel ist.

Claims

Antennensystem zur Verwendung zum Senden und/oder zum Empfang von mindestens zwei Signalen, wobei ein erstes dieser Signale von einem ersten Betreiber (1760A) in einem ersten Betreiber-Frequenzband und ein zweites dieser Signale von einem zweiten Betreiber (1760B) in einem zweiten Betreiber-Frequenzband erzeugt wird, und das Antennensystem umfasst: – einen Antennenaufbau (702), der einen einstellbaren elektrischen Neigungswinkel aufweist und mehrere Antennenelemente (E1–E12) zum Senden und/oder zum Empfang dieser Signale enthält, wobei die Antennenelemente auf einem Antennenträger montiert und in mindestens zwei Unteranordnungen (700A, 700B, 700C) angeordnet sind und jede Unteranordnung eines oder mehrere dieser Elemente enthält, – eine Steuereinrichtung (750) zur elektrischen Steuerung der Phase der vom Antennenaufbau gesendeten und/oder empfangenen Signale, wodurch der elektrische Neigungswinkel der Antennenaufbau gesteuert wird, und – eine Kombinatoreinrichtung (730, 740), die es ermöglicht, dass der Antennenaufbau im wesentlichen gleichzeitig ein erstes dieser Signale unter einem ersten elektrischen Neigungswinkel und ein zweites dieser Signale unter einem zweiten elektrischen Neigungswinkel sendet und/oder empfängt, wobei die Kombinatoreinrichtung (730, 740) derart ausgebildet ist, dass sie Signale kombiniert und/oder trennt, die vom Antennenaufbau gesendet und/oder empfangen werden, und dadurch Signale durch gemeinsam genutzte Antennenelemente (E1–E12) hindurchgehen können, welche unterschiedlichen elektrischen Neigungswinkeln angehören.
Antennensystem nach Anspruch 1, welches eine erste und eine zweite Speiseleitung (756, 758) zur Übertragung eines ersten und eines zweiten Signals mit einer ersten Polarisation zum Antennenaufbau (702) bzw. von demselben umfasst.
Antennensystem nach Anspruch 2, welches ferner eine dritte und eine vierte Speiseleitung (1756, 1758) zur Übertragung eines dritten und eines vierten Signals mit einer zweiten Polarisation zum Antennenaufbau (702) bzw. von demselben umfasst, die, bezogen auf die erste Polarisation, ein umgekehrtes Vorzeichen aufweisen.
Antennensystem nach Anspruch 2 oder 3, welches nicht mehr als vier Speiseleitungen zur Übertragung von Signalen zum Antennenaufbau (702) bzw. zum Empfang von diesem umfasst.
Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Steuereinrichtung (750) derart ausgebildet ist, dass sie die Phase der zu mindestens einer Unteranordnung (700A, 700B, 700C) von einem Ort gesendeten Signale, der vom Antennenaufbau (702) entfernt ist, elektrisch steuert und dadurch den elektrischen Neigungswinkel des Antennenaufbaus steuert.
Antennensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Steuereinrichtung mehrere Differentialphasen-Steuereinheiten (750a, 750b) umfasst, wobei jede Differentialphasen-Steuereinheit einem entsprechenden der Betreiber (1760A–1760E) des Antennensystems zugeordnet ist.
Antennensystem nach Anspruch 6, bei dem jede der Differentialphasen-Steuereinheiten eine erste und eine zweite Differentialphasen-Steueruntereineinheit (760a, 760b, 762a, 762b) umfasst, wobei die erste Differentialphasen-Steueruntereinheit (760a, 760b) so ausgebildet ist, dass sie, zur Übertragung vom Antennenaufbau, die dahin übertragene Phase der Signale elektrisch steuert, und die zweite Differentialphasen-Steueruntereinheit (762a, 762b) so ausgebildet ist, dass sie die dahin gesendete Phase der Signale elektrisch steuert, wobei die Signale vom Antennenaufbau (702) empfangen wurden.
Antennensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem die Kombinatoreinrichtung eine erste und eine zweite Kombinatoreinrichtung (730, 740) umfasst, wobei jede Kombinatoreinrichtung ein entsprechendes Sende-Kombinator-Netzwerk (734, 744) und ein entsprechendes Empfangs-Splitter-Netzwerk (736, 746) enthält, wobei das Sende-Kombinator-Netzwerk mehrere Eingänge zur Verbindung mit einer Sendeeinrichtung entsprechender mehrerer Betreiber des Antennensystems aufweist, und das Sende-Kombinator-Netzwerk derart ausgebildet ist, dass es Signale multiplext, die von der Sendeeinrichtung an die Eingänge angelegt werden, wodurch ein einziges gemultiplextes Signal ausgegeben wird.
Antennensystem nach Anspruch 8, bei dem das Sende-Kombinator-Netzwerk (200, 744, 734) enthält: einen ersten Sende-Multiplexer (222ABE), der so ausgebildet ist, dass er mindestens zwei Signale, jedes von einem zugeordneten entsprechenden Sender (224A, 224B, 224C), empfangt, und einen zweiten Sende-Multiplexer (222CD), der so ausgebildet ist, dass er mindestens zwei Signale, jedes von einem entsprechenden zugeordneten Sender (224C, 224D), empfangt, wobei jeder, der erste und der zweite Sende-Multiplexer, mit einer Bandpass-Filteranordnung (226A–E) zum Filtern von von einem ersten der zugeordneten entsprechenden Sender erhaltenen Signalen mit einem Passband ausgestattet ist, das durch ein Sperrband von einem Passband des oder jedes entsprechenden zugeordneten Senders getrennt ist.
Antennenaufbau nach Anspruch 8 oder 9, bei dem das Empfangs-Splitter-Netzwerk (736, 746) mehre Ausgänge zur Verbindung mit einer Empfangseinrichtung mehrerer entsprechender Betreiber des Antennensystems aufweist, wobei das Empfangs-Splitter-Netzwerk derart ausgebildet ist, dass es ein vom Antennenaufbau empfangenes Empfangssignal aufteilt und das empfangene Signal an jede Empfangseinrichtung anlegt.
Antennensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei dem die Kombinatoreinrichtung (730, 740) derart ausgebildet ist, dass Ausgangssignale mit eingestellter Phase gleichzeitig für jeden der mehreren Betreiber (1760A–1760E) erzeugt werden, und das Antennensystem ferner eine Splitteranordnung (716A–H) zum Empfang der Ausgangssignale mit eingestellter Phase und zum Aufteilen dieser Ausgangssignale mit eingestellter Phase und Verteilen derselben auf die Elemente (E1–En) des Antennenaufbaus umfasst.
Antennensystem nach Anspruch 11, bei dem die Splitteranordnung (716A–H) derart ausgebildet ist, dass sie die Signalstärke der Signale mit eingestellter Phase im wesentlichen gleichmäßig verteilt.
Antennensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 12, welches ferner eine Phasenausgleichseinrichtung (900) umfasst, um zu gewährleisten, dass die den Signalen in den Speiseleitungen (756, 758, 1756, 1758) aufgeprägte Phasendifferenz zwischen der Steuereinrichtung (750) und dem Antennenaufbau (702) im wesentlichen konstant bleibt.
Antennensystem nach Anspruch 13, bei dem die Phasenausgleichseinrichtung einen ersten und einen zweiten Mischeraufbau (902, 904) umfasst, die auf den gegenüberliegenden Enden der ersten und der zweiten Speiseleitung (756, 758, 1756, 1758) angeordnet sind.
Antennensystem nach Anspruch 13, bei dem die Phasenausgleichseinrichtung (1010, 1014) zur Messung einer Sendepfad-Phasendifferenz für mehrere Betreiber-Frequenzbänder ausgebildet ist, die aus dem Unterschied der Phasendifferenz zwischen Signalen erhalten wird, die den Antennenelementen (E1–En) in einem Sendepfad übertragen werden, und das eine Rückkopplungseinrichtung (960, 962; 1018, 1016) zur Rückkopplung der Sendepfad-Phasendifferenz-Messungen mit der Steuereinrichtung (750) enthält, und wobei die Steuereinrichtung eine Einrichtung zur Einstellung der Phase der Signale enthält, die in Abhängigkeit von der entsprechenden Sendepfad-Phasendifferenzmessung an die erste und zweite Speiseleitung (756, 758) für jedes Betreiber-Frequenzband übertragen werden, wodurch die Unterschiede in der Phasendifferenz in unterschiedlichen Betreiber-Frequenzbändern ausgeglichen werden können.
Antennensystem nach Anspruch 15, bei dem der Sendepfad die erste und zweite Speiseleitung (756, 758) zur Übertragung von Sendesignalen von der Kombinatoreinrichtung (150) zum Antennenaufbau und eine erste und zweite entsprechende Trägerleitung (720, 722) enthält, die einen Teil des Antennenaufbaus bilden und eine Verbindungseinrichtung zwischen der ersten und der zweiten Speiseleitung (756, 758) und den Antennenelementen (E1–En) darstellen.
Antennensystem nach Anspruch 15 oder 16, das ein Vektormessungs-Empfangsmodul (1010) im Antennenaufbau (702) umfasst, das eine Einrichtung (1020, 1022) zur Entnahme eines Teils der an die Antennenelemente (E1–En) gesendeten Signale und eine Einrichtung (1028, 1030) zur Kombination des entnommenen Teils mit einem Oszillatorsignal enthält, welches eine Frequenz hat, die von einem ausgewählten Betreiber-Frequenzband abhängt, wodurch die Sendepfad-Phasendifferenz für jedes Betreiber-Frequenzband durch Messung ermittelt wird.
Antennensystem nach Anspruch 17, bei dem das Vektormessungs-Empfangsmodul (1010) eine erste und eine zweite Phasenkomparatoreinheit (1036, 1038) enthält, wodurch Gleichphasen- und Phasenquadratur-Differenzmessungen durchgeführt werden können, und somit die Phasendifferenz in einer eindeutigen Art und Weise bestimmt wird.
Antennensystem nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem eine Phasenausgleichseinrichtung (1010, 1014) zur Messung einer Empfangspfad-Phasendifferenz für mehrere Betreiber-Frequenzbänder ausgebildet ist, die vom Unterschied der Phasendifferenz zwischen Signalen erhalten wird, die an den Antennenelementen (E1–En) erhalten und über einen Empfangspfad zur Steuereinrichtung (750) übertragen wurden, und eine Rückkopplungseinrichtung (960, 962, 1018, 1016) zur Rückkopplung der Phasendifferenzmessungen des Empfangspfades mit der Steuereinrichtung (750) ausgebildet ist, und bei dem die Steuereinrichtung eine Einrichtung zur Einstellung der Phase der an die erste und die zweite Speiseleitung (756, 758) für jedes Betreiber-Frequenzband in Abhängigkeit von der entsprechenden Empfangspfad-Phasendifferenzmessung übertragenen Signale enthält, wodurch die Unterschiede der Phasendifferenz in den interschiedlichen Betreiber-Frequenzbändern ausgeglichen werden können.
Antennensystem nach Anspruch 19, bei dem der Antennenaufbau eine Oszillatoreinrichtung (1610) zur Erzeugung eines Empfangspfad-Eichsignals enthält, das, zusätzlich zur Sendepfad-Phasendifferenzmessung, zur Bestimmung der Empfangspfad-Phasendifferenzmessung im Empfangspfad übertragen wird.
Antennensystem nach Anspruch 20, bei dem der Empfangspfad die erste und die zweite Speiseleitung (756, 758) und die erste und die zweite Trägerleitung (720, 722) des Sendepfades enthält.
Antennensystem nach Anspruch 20 oder 21, bei dem die Oszillatoreinrichtung ein Tongenerator (1612) zur Erzeugung eines Tonsignals ist, das durch den Empfangspfad übertragen wird.
Antennensystem nach Anspruch 22, bei dem das Tonsignal für ein ausgewähltes Betreiber-Frequenzband eine Frequenz aufweist, die sich zwischen den angrenzenden Betreiber-Frequenzbändern befindet, wobei eines der angrenzenden Betreiber-Frequenzbänder das ausgewählte Betreiber-Frequenzband ist.
Antennensystem nach Anspruch 22, bei dem das Tonsignal für ein ausgewähltes Betreiber-Frequenzband in das ausgewählte Betreiber-Frequenzband fällt.
Antennensystem nach einem der Ansprüche 20 bis 24, bei dem die Oszillatoreinrichtung (1610) so ausgebildet ist, dass sie ein Empfangspfad-Eichsignal einer Bandbreite von etwa 200 Hz sendet.