DE69831323T2

DE69831323T2 - Kombination von butler-strahlungskeulenanschlüssen für hexagonale zellenbedeckung

Info

Publication number: DE69831323T2
Application number: DE69831323T
Authority: DE
Inventors: Björn Johannisson
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1997-05-05
Filing date: 1998-04-29
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2018-04-30
Also published as: DE69831323D1; JP2001527721A; CN1261990A; SE509342C2; US6225947B1; EP0981838B1; CA2288626A1; EP0981838A1; AU7460198A; SE9701684D0; JP4184443B2; SE9701684L; WO1998050980A1; US6081233A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Strahlkombinationsnetzwerke und genauer ein Verfahren für eine Strahltorkombination für eine Telekommunikationszellenversorgung und eine Anordnung unter Verwendung des Verfahrens.
Stand der Technik
Jede Basisstation in einem mobilen Telekommunikationssystem erfordert einen bestimmten Versorgungsbereich, wie beispielsweise ±60°. Durch Verwenden von Mehrstrahlantennen kann ein mobiles Telekommunikationssystem sowohl an Kapazität als auch eine erhöhte Versorgung gewinnen. Dies wird dadurch erreicht, dass man eine Anzahl von gleichzeitigen schmalen Antennenstrahlen von einem Strahlerfeld hat, die den Versorgungsbereich ausleuchten.
Die folgenden Anforderungen sollten für eine solche Mehrstrahlantenne erfüllt sein:

a) die Antennenstrahlen müssen den gesamten beabsichtigten Versorgungsbereich ausleuchten;
b) ein hoher Antennegewinn soll erzielt werden, was in schmalen Antennenstrahlen resultiert. Andererseits ist die Form der Strahlen sowie von Nebenzipfeln bzw. Nebenkeulen allgemein von weniger Interesse, solange der Antennengewinn nicht beeinflusst wird;
c) wenige Empfänger/Sender-Kanäle sind erwünscht, um Systemkosten und eine Komplexität zu reduzieren.

Wie es aus den oben vorgestellten Anforderungen klar wird, gibt es eine Unvereinbarkeit, wenn viele schmale Strahlen, die einen großen Bereich versorgen, innerhalb einiger Empfänger/Sender-Kanäle untergebracht werden sollen.
Ein Standardverfahren zum Erhalten von gleichzeitigen schmalen Antennenstrahlen von einem Strahlerfeld verwendet normalerweise ein Blass- oder Butler-Matrixnetzwerk zum Kombinieren der einzelnen Antennen oder Antennenelemente in einem Strahlerfeld. In der Literatur können mehrere Verfahren gefunden werden, die eine Butler-Matrix zum Speisen eines Strahlerfelds mit mehreren Antennenstrahlen verwenden. Im US-Patent Nr. 4,231,040 für Motorola Inc., 1978, sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einstellen der Position von abgestrahlten Strahlen von einer Butler-Matrix und zum Kombinieren von Teilen von benachbarten Strahlen zum Liefern resultierender Strahlen mit einem Amplitudenkegel bzw. einer Amplitudenverjüngung offenbart, was in einer vorbestimmten Amplitude von Nebenkeulen mit einem Maximum an Effizienz resultiert. Dies wird dadurch erreicht, dass zuerst die Richtung der Strahlen durch eine Gruppe von festen Phasenwechslern bei den Elemententoren der Butler-Matrix eingestellt wird. Dann werden zwei und zwei von benachbarten Strahlen durch Verbindungen der Tore auf der Strahlseite der Butler-Matrix kombiniert. Durch dieses Verfahren werden mit einer 8 × 8-Matrix vier Strahlen erreicht. Jedoch ist nichts über die Versorgung bzw. den Abdeckbereich der resultierenden Strahlen gesagt.
Ein weiteres Dokument, nämlich das US-Patent Nr. 4,638,317 für Westinghouse, 1987, beschreibt, wie die Elemententore einer durch eine Butler-Matrix gespeisten Antennengruppe erweitert werden, um mehr Elemente zu speisen, als die Basismatrix normalerweise Ausgänge zur Verfügung stellt. Durch diese Verteilung an Leistung wird eine Amplitudengewichtung über der Oberfläche der Antennengruppe erreicht und wird der Pegel von Nebenkeulen etwas reduziert. Im vorliegenden Zusammenhang ist dies von weniger Relevanz, da eine solche Vorrichtung als eine Komponente in einem System zur Reduzierung von Nebenkeulen beabsichtigt ist. Die Anzahl von Strahlen wird nicht geändert. Die Versorgung der Strahlen wird kurz aber beiläufig kommentiert. Jedoch wird die Vorrichtung kaum als Einzelstrahlformungsgerät verwendet werden.
Ein Dokument US-A-4 231 040 für Walker (1980) beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einstellen der Position von gestrahlten Strahlen von einer Butler-Matrix zum Erhalten eines Amplitudenkegels in der Apertur, was in niedrigeren Nebenkeulen resultiert. Jedoch resultiert dies nicht in einer Einstellung der Zellenversorgung der Keulen.
Allgemein werden normalerweise mehrere Strahlen von einer Antenne in einem Strahlformungsnetzwerk erreicht, wo Transformationen zwischen Elementen- und Strahltoren stattfinden. Blass-Matrizen und Butler-Matrizen sind Beispiele für solche Transformationen. Die Butler-Matrix ist interessant, da sie orthogonale Strahlen erzeugt, was in niedrigen Verlusten resultiert. 1 demonstriert gemäß dem Stand der Technik eine Butler-Matrix mit zwei äußeren Strahltoren, die abgeschlossen sind, um die Anzahl von Empfänger/Sender-Kanälen niedrig zu halten.
2 demonstriert ein Beispiel eines Strahlungsmusters, das durch eine solche Strahlformungsmatrix erzeugt ist, wie sie in 1 dargestellt ist. Die Strahlen mit durchgezogener Linie sind diejenigen, die mit den vier Empfänger/Sender-Kanälen verbunden sind, während diejenigen mit gestrichelten Linien abgeschlossen sind und kein Teil des Systems sind. Wie es gesehen werden kann, ist die Versorgung außerhalb von ±60° nicht akzeptabel. Die gepunktete Linie markiert ein Beispiel einer erwünschten Ausgabe für eine hexagonale Versorgung.
Folglich hat diese Antenne eine schlechte Versorgung bei großen Strahlungswinkeln.
Es kann auch keine herkömmliche Strahlformung bei dem äußersten Strahl verwendet werden, da der Antennengewinn dann zu sehr abnimmt.
Somit gibt es noch zu lösende Probleme, um ein sich gut verhaltendes Antennensystem mit einer begrenzten Anzahl von Empfangs/Sende-Kanälen für eine Basisstation in mobilen Kommunikationssystemen präsentieren zu können.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Lösung für die oben angezeigten Probleme eine Kombination aus wenigstens einem äußersten Strahltor, das sonst abgeschlossen ist, und wenigstens einem bereits verwendeten Strahltor in eine Gruppe, die mittels eines Kombinierers/Teilers einen Empfangs/Sender-Kanal innerhalb der Anzahl von Empfangs/Sender-Kanälen erzeugen wird. Durch Verwenden eines Verfahrens und einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus Mehrstrahltoren des Strahlformungsnetzwerks ein Vorteil gezogen werden, was auch darin resultieren wird, Empfänger/Sender-Kanäle zu erhalten, die gleichzeitig mehr Strahlen haben, die unterschiedliche Richtungen innerhalb eines erwünschten Versorgungsbereichs versorgen.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind weiterhin durch die unabhängigen Ansprüche 1 und 4 definiert. Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind jeweils durch die abhängigen Ansprüche 2–3 und 5–9 definiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, wie sie oben angegeben ist, werden aus einer detaillierten Beschreibung der Erfindung offensichtlich werden, die in Zusammenhang mit den folgenden Zeichnungen angegeben ist, wobei:
1 ein Beispiel eines Butler-Matrix-Strahlformungsnetzwerks nach dem Stand der Technik für eine Anordnung von 6 Elementen darstellt;
2 Richtdiagramme für die Anordnung gemäß 1 darstellt;
3 ein grundsätzliches Ausführungsbeispiel eines Butler-Matrix-Strahlformungsnetzwerks für eine Anordnung von 6 Elementen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 Strahltor-Richtdiagramme für die Butler-Matrixgruppe bzw. -anordnung gemäß 3 darstellt;
5 das Richtdiagramm des kombinierten Empfänger/Sender-Kanals der Butler-Matrixgruppe gemäß 3 darstellt;
6 die Richtdiagramme für alle vier Empfänger/Sender-Kanäle der Butler-Matrixgruppe in 3 gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 ein alternatives Ausführungsbeispiel darstellt, das die vorliegende Erfindung verwendet; und
8 die Richtdiagramme für Empfänger/Sender-Kanäle der in 7 dargestellten Butler-Matrixgruppe gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Beschreibung von Beispiele zeigenden Ausführungsbeispielen
3 stellt gemäß der vorliegenden Erfindung ein grundsätzliches Ausführungsbeispiel dar, das ein 6 × 6-Butler-Matrix-Strahlformungsnetzwerk 10 für eine Antennengruppe mit 6 Elementen verwendet. Das neue Verfahren und die neue Antennenanordnung, die hier offenbart sind, kombinieren in einem Kombinierer 11 eines der äußersten zuvor abgeschlossenen Strahltore mit einem der bereits verwendeten nicht benachbarten Strahltore für die Formung von einem von vier erwünschten Sende/Empfangs-Kanälen. Beispielsweise ist eine solche Kombination in 3 offenbart. Die offenbarte Kombination eines zweiten Strahltors 2 und eines sechsten Strahltors 6 wird in einer beachtlich breiteren Versorgung resultieren.
Die Vorrichtung des illustrativen Ausführungsbeispiels in 3 enthält somit 6 Strahlungselemente, die durch das Strahlformungsnetzwerk mit sechs Strahltoren 1–6 verbunden sind, das eine 6 × 6-Butler-Matrix 10 bildet, die das sechste Strahltor 6 auf gewöhnliche weise abgeschlossen hat. Jedoch wird die Vorrichtung noch mit vier Empfangs/Sende-Kanälen A–D arbeiten.
Als nicht benachbartes Tor wird vorzugsweise ein Tor verwendet, das am Entferntesten zu dem zuvor abgeschlossenen Tor ist, d.h. Strahltore 2 und 6 oder gleichermaßen Strahltore 1 und 5. Die zwei Strahltore werden durch einen gemeinsamen Kombinierer 11 kombiniert. Als Ergebnis werden noch vier Empfangs/Sende-Kanäle A–D erhalten werden, wie es in 1 dargestellt ist, wo ein erster Empfangs/Sende-Kanal A der vier verfügbaren Empfangs/Sende-Kanäle durch Kombinieren der Strahltore 2 und 6 erzeugt ist. Wenn fünf Strahltore 2–6, und alternativ dazu 1–5, verwendet werden, wird eine andere Strahlformung erhalten werden, die die Strahlmuster etwas versetzt, was in dem Diagramm der 4 im Vergleich mit 2 deutlich demonstriert ist.
5 zeigt eine Form des Richtdiagramms für den kombinierten Empfänger/Sender-Kanal A, der die kombinierten Strahltore 2 und 6 bildet. Das Richtdiagramm wird in Bezug auf die Richtung senkrecht zu der Antennengruppe weiter nach außen versetzt sein.
6 stellt die Richtdiagramme für alle vier Empfänger/Sender-Kanäle der Butler-Matrixgruppe 10 in 3 dar, die die vorliegende Erfindung verkörpert. In 6 wird einfach beobachtet, dass das Richtdiagramm auf einem niedrigsten erwünschten Strahlleistungspegel von –10 dB unterhalb der Spitzenleistung in Bezug auf einen Azimutwinkel gut über die erwünschten ±60° hinausgeht, im Vergleich mit etwa ±50° bei einem entsprechenden Strahlungsleistungspegel für die Basisantennenanordnung der 1, wie es in 2 dargestellt ist.
Die Kombination gemäß 3 wird den Antennengewinn in diesen Strahltoren beeinflussen, aber sie kann für die Richtungen gut akzeptiert werden, wo die Gewinnanforderungen nicht so hoch sind.
In 7 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel enthält 8 Strahlungselemente, die durch ein Strahlformungsnetzwerk 20 mit acht Strahltoren 1–8 verbunden sind, das beispielsweise eine 8 × 8-Butler-Matrix bildet. Gemäß der Erfindung werden Strahltore 1, 3 und 7 miteinander kombiniert, um den Empfänger/Sender-Kanal A zu bilden, und werden Strahltore 8, 6 und 2 miteinander kombiniert, um einen Empfänger/Sender- Kanal D zu bilden. Somit wird die Vorrichtung noch mit vier Empfänger/Sender-Kanälen A–D arbeiten.
Dies ist beispielsweise zum Überlagern von Zellen in einem Telekommunikationssystem geeignet, wenn es innerhalb eines schmalen Bereichs eine Forderung nach einem hohen Antennengewinn zu der gleichen Zeit gibt, zu welcher es eine Notwendigkeit für eine Weitwinkelversorgung gibt. Bei diesem Beispiel wird eine Antenne mit einer Breite von acht Antennenelementen verwendet, um den Antennengewinn im schmalen Bereich zu optimieren.
Durch Kombinieren von drei Strahltoren in jedem von zwei zusätzlichen Kombinierern 21, 22, die mit der 8 × 8-Matrix 20 verbunden sind, wird die Gesamtanzahl von Empfänger/Sender-Kanälen trotz eines Verwendens von acht Strahlungselementen unten auf vier gehalten, wie es in 7 gezeigt ist. 8 zeigt die entsprechenden Richtdiagramme für die vier Empfänger/Sender-Kanäle A–D. Bei –15 dB versorgt die Gruppe etwa ±70° eines Azimuts und präsentiert einen schmalen Bereich von ±15° bei einem hohen Gewinn. Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Anpassung der Leistungsverteilung dadurch erhalten werden wird, dass noch Ausgangsleistungsverstärker von identischer Leistung verwendet werden.
Jedoch wird es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich sein, Kombinierer mit sogar mehr als drei Eingangsanschlüssen in Fällen von Strahlformungsnetzwerken mit einer sogar größeren Anzahl von Strahlungselementen einzuführen, um die Anzahl von Kanälen für einen Empfang/ein Senden niedrig zu halten. Die Anzahl von Empfangs/Sende-Kanälen kann natürlich genauso gut zu anderen Zahlen als Vier gewählt werden.
Somit wird es von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung in vielen anderen spezifischen Formen ausgeführt bzw. verkörpert werden kann.

Claims

Verfahren zum Verwenden von Strahltoren eines Strahlformungsnetzwerks (10, 20) in einer Mehrelementen-Strahlergruppe zum Erzeugen von Empfangs/Sende-Kanälen mit mehreren Antennenstrahlen innerhalb eines erwünschten Versorgungsbereichs, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Anordnen von wenigstens einem zusätzlichen Signalkombinierer (11, 21) mit dem Strahlformungsnetzwerk; mittels des wenigstens einen zusätzlichen Signalkombinierers Kombinieren wenigstens eines einer Anzahl von nicht benachbarten normalen Strahltoren mit einem normalerweise abgeschlossenen äußersten Strahltor; Bilden eines Empfangs/Sende-Kanals innerhalb einer Anzahl von erwünschten Empfangs/Sende-Kanälen durch Verwenden eines kombinierten Signals von dem wenigstens einen zusätzlichen Signalkombinierer, um dadurch eine erwünschte Leistungs- und Empfindlichkeitsverteilung für eine erwünschte Zellenversorgung in einem Telekommunikationssystem zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den folgenden zusätzlichen Schritt: mittels eines ersten zusätzlichen Signalkombinierers (11) mit zwei Eingangsanschlüssen und einem Ausgangsanschluss Kombinieren eines äußersten Strahltors und eines nicht benachbarten Strahltors eines Strahlformungsnetzwerks in einen Empfangs/Sende-Kanal aus einer Anzahl von Empfangs/Sende-Kanälen für eine erwünschte Zellenversorgung.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Schritte: mittels eines ersten zusätzlichen Signalkombinierers (21) mit drei Eingangsanschlüssen und einem Ausgangsanschluss Kombinieren eines ersten äußersten Strahltors mit zwei nicht benachbarten Strahltoren, wobei die Strahltore durch ein Strahlformungsnetzwerk einer Antennengruppe erzeugt werden, die eine Anzahl von Strahlungselementen enthält, in einen ersten Empfangs/Sende-Kanal aus einer Anzahl von Empfangs/Sende-Kanälen; und mittels eines zweiten zusätzlichen Signalkombinierers (22) mit drei Eingangsanschlüssen und einem Ausgangsanschluss Kombinieren eines zweiten äußersten Strahltors mit zwei anderen nicht benachbarten Strahltoren des Strahlformungsnetzwerks in einen zweiten Empfangs/Sende-Kanal aus der Anzahl von Empfangs/Sende-Kanälen zum Anpassen einer Leistungs/Empfindlichkeits-Verteilung zum Überlagern von Zellen in einem Telekommunikationssystem.
Antennenanordnung zum Verwenden von Strahltoren eines Strahlformungsnetzwerks (10, 20) in Verbindung mit einer Mehrelementen-Strahlerantenne zum Erhalten von Empfangs/Sende-Kanälen mit mehreren Antennenstrahlen innerhalb eines erwünschten Versorgungsbereichs, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen zusätzlichen Signalkombinierer (11, 21) aufweist, der wenigstens ein Strahltor einer Anzahl von Strahltoren mit einem nicht benachbarten äußersten Strahltor, das normalerweise abgeschlossen ist, kombiniert, um einen Empfangs/Sende-Kanal in einer Anzahl von erwünschten Empfangs/Sende-Kanälen zu bilden, wobei der eine Empfangs/Sende-Kanal den wenigstens einen zusätzlichen Signalkombinierer verwendet.
Antennenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Signalkombinierer (11) zwei Eingangsanschlüsse und einen Ausgangsanschluss hat, wobei der Kombinierer ein äußerstes Strahltor und ein nicht benachbartes Strahltor des Strahlformungsnetzwerks in einen Empfangs/Sende-Kanal auf einer Anzahl von Empfangs/Sende-Kanälen kombiniert, um Leistungs- und Empfindlichkeitsverteilungen für eine erwünschten Zellenversorgung anzupassen.
Antennenanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen ersten zusätzlichen Signalkombinierer (21) mit wenigstens drei Eingangsanschlüssen und einem Ausgangsanschluss, wobei der erste zusätzliche Signalkombinierer an den wenigstens drei Eingangsanschlüssen einzeln ein erstes äußerstes Strahltor und eine zusätzliche Anzahl von nicht benachbarten Strahltoren angeschlossen hat, um dadurch am Ausgang des ersten zusätzlichen Signalkombinierers einen ersten Empfangs/Sende-Kanal aus einer Anzahl von Empfangs/Sende-Kanälen zu bilden; einen zweiten zusätzlichen Signalkombinierer (22) mit wenigstens drei Eingangsanschlüssen und einem Ausgangsanschluss, wobei der zweite zusätzliche Signalkombinierer an den wenigstens drei Eingangsanschlüssen einzeln ein letztes äußerstes Strahltor und eine weitere zusätzliche Anzahl von nicht benachbarten Strahltoren angeschlossen hat, um dadurch am Ausgang des ersten zusätzlichen Signalkombinierers einen zweiten Empfangs/Sende-Kanal aus einer Anzahl von Empfangs/Sende-Kanälen zu bilden; um dadurch die Antennenanordnung eine bessere angepasste Leistungs/Empfindlichkeits-Verteilung zum Überlagern von Fällen in einem Telekommunikationssystem erzeugen zu lassen,
Antennenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungsnetzwerk (10, 20) eine Butler-Matrix ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 4, die Strahltore einer 6 × 6-Butler-Matrix für eine Antennengruppe von 6 Strahlungselementen zum Erhalten von Empfangs/Sende-Kanälen mit mehreren Antennenstrahlen innerhalb eines erwünschten Versorgungsbereichs verwendet, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin folgendes aufweist: einen zusätzlichen Signalkombinierer mit zwei Eingangsanschlüssen und einem Ausgangsanschluss, wobei der zusätzliche Signalkombinierer an seinen zwei Eingangsanschlüssen einzeln ein erstes Strahltor und ein fünftes Strahltor oder alternativ ein sechstes Strahltor und ein zweites Strahltor der 6 × 6-Butler-Matrix angeschlossen hat, wobei der Ausgangsanschluss des zusätzlichen Signalkombinierers einen Empfangs/Sende-Kanal aus vier Empfangs/Sende-Kanälen bildet, um die Antennenanordnung eine bessere angepasste Winkelverbindung einer Strahlung innerhalb des erwünschten Strahlungs-Versorgungsbereichs erzeugen zu lassen.
Antennenanordnung nach Anspruch 4, die Strahltore einer 8 × 8-Butler-Matrix für eine Antennengruppe von 8 Strahlungselementen zum Erhalten von vier Empfangs/Sende-Kanälen mit mehreren Antennenstrahlen innerhalb eines erwünschten Versorgungsbereichs verwendet, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin folgendes aufweist: einen ersten zusätzlichen Signalkombinierer mit drei Eingangsanschlüssen und einem Ausgangsanschluss, wobei der erste zusätzliche Signalkombinierer seine drei Eingangsanschlüsse einzeln an ein erstes Strahltor, ein drittes Strahltor und ein siebtes Strahltor aus den acht verfügbaren Strahltoren angeschlossen hat, um dadurch am Ausgangsanschluss des ersten zusätzlichen Signalkombinierers einen ersten Empfangs/Sende-Kanal aus den vier Empfangs/Sende-Kanälen zu bilden; einen zweiten zusätzlichen Signalkombinierer mit drei Eingangsanschlüssen und einem Ausgangsanschluss, wobei der zweite Signalkombinierer an seine drei Eingangsanschlüsse einzeln ein achtes Strahltor, ein sechstes Strahltor und ein zweites Strahltor aus den acht verfügbaren Strahltoren angeschlossen hat, um dadurch am Ausgangsanschluss des zweiten zusätzlichen Signalkombinierers einen zweiten Empfangs/Sende-Kanal aus den vier Empfangs/Sende-Kanälen zu bilden; um dadurch die Antennenanordnung anzupassen, um eine angepasste Leistungs/Empfindlichkeits-Verteilung einer Strahlung zum Überlagern von Zellen in einem Telekommunikationssystem zu erzeugen.