SE510995C2 - Aktiv sändnings/mottagnings gruppantenn - Google Patents

Description

51Û 995 2 char. Slutligen ansluts lobformare till varje förstärkare för att fastställa riktningen. och formen för smala horisontella an- tennlober alstrade genom kolumnen av mikrostrip-patchar.

Ett annat dokument US-A-5 510 803 visar en dubbelpolariserad plan mikrovågsantenn baserad pá en skiktad struktur, varvid antennen har en fast och oförändringsbar användning av aperturen. Antennen kan förstås som tvà fasta, överlagrade, enkelpolariserade antenner .

Ett tredje dokument EP-Al-O 600 799 visar en aktiv antenn för variabel polarisationssyntes. Antennen, avsedd för radartillämp- ningar, använder en hybridkopplare med en fasningsstyrning med en eller två bitar, vilket lägger till en fasning med O°, 90° eller l80° som tilláter syntetiseringen av en linjär ortogonal polarisation eller cirkulär polarisation. Det förutsätts att antennen. med. hjälp av' omkoppling kan användas antingen för sändning eller mottagning.

Fortfarande finns det inom tillämpningsområdet ett önskemål och ett krav pà att konstruera och implementera kompakta basstations- antennanordningar och system som har en balanserad länkbudget, till exempel för mobilkommunikation.

Presentation av uppfinningen Det stora antalet antenner för mikrovàgsbasstationer enligt teknikens ståndpunkt utgör relativt stora, och följaktligen, dyra arrangemang. Arrangemangens storlek kunde till exempel reduceras med hjälp av ett lämpligt nytt sätt att integrera sändning och mottagning liksonxatt samtidigt.erhállzapolarisationsdiversitets- mottagning i sama antennyta.

Den föreliggande uppfinningen visar en konstruktion som bildar en modulär gemensam antennyta som har olika ytdelar för sänd- nings- och mottagningssignaler och därmed integrerad sändning och mottagning inom samma gemensamma antennyta, varvüi de olika ytdelarna bildar aktiva grupper för sändning eller för mottag- 510 995 3 ning. Vidare utgör överlagrade ytdelar vid en sådan modulär gemensam antennyta individuella sändnings- respektive mottag- ningsgruppdelar som delar på den totala aperturen, varvid den modulära gemensama antennytan alstrar åtminstone ett polarisa- tionstillstánd för sändning och allmänt två ortogonala polarisa- tionstillstånd för nwttagning för att erhålla polarisations- diversitetsmottagning.

I enlighet med ytterligare utföringsformer enligt uppfinningen bildar antennytan allmänt, t.ex., en mikrostrip-modulgrupp som innehåller ett antal strålningselement för sändning och/eller mottagning, och består av en eller flera kolumner med individuel- la element som bildar antennaperturen, varvid kolumnen och/eller kolumnerna kan ha integrerade respektive effektförstärkare och/ellerlàgbrusförstärkare(LNA).Uppfinningenfastställsgenom de oberoende patentkraven 1 och 12, samt definieras de olika utföringsformerna genom de beroende patentkraven 2-11 respektive 13-22.

För den eventuelle fackmannen är det uppenbart att åtskilliga andra dubbelpolariserade antennelement, t.ex. korsade dipoler, ringformiga slitsar, horn etc., kan användas förutom.mikrostrip- antênnêr .

Kortfattad beskrivning av ritningarna Ãndamålen, egenskaperna och fördelarna med. den föreliggande uppfinningen nämnd ovan.kommer att bli uppenbara ur beskrivningen av uppfinningen gjord i samband med de följande ritningarna i Vilka: Fig. 1 är ett exempel på ett aktivt basstationsantennarrange- mang för tre frekvenskanaler enligt teknikens stånd- punkt, Fig. 2a-d illustrerar fyra alternativa konfigurationer för en tvåfrekvenslösning som grundmässigt gestaltar den föreliggande uppfinningen, 510 995 4 Fig. 3a-e illustrerar exempel på utföringsformer som använder strålningselement .i mikrostrip-teknik.1ned integrerad sändning och mottagning, Fig. 4 visar i enlighet med uppfinningen ett exempel som illustrerar ett aktivt antennarrangemang med fyra strålningselement, varvid strålningselementen uppdelas i två antennundergrupper för sändning, Fig. 5 illustrerar i enlighet med uppfinningen en aktiv antenn med åtta strålningselement och hela gruppen används för både sändning och mottagning, Fig. 6 illustrerar i enlighet med uppfinningen en aktiv antenn med tio strålningselement, varvid vänstra kolumnen uppdelas i. två sändningsantennundergrupper och hela högra kolumnen används för polarisationsdiversitetsmot- tagning.

Fig. 7 illustrerar i enlighet med uppfinningen en aktiv antenn med tio strålningselement i två kolumner, vilka båda används för sändning och mottagning, Fig. 8 illustrerar i enlighet med uppfinningen en aktiv antenn med tio strålningselement i två kolumner, varvid den vänstra kolumnen uppdelas i två grupper för sändning, hela högra kolumnen bildar en grupp för mottagning, samt har båda kolumnerna integrerade effektförstàrkare respektive LNA, samt Fig. 9 illustrerar i enlighet med uppfinningen en antennkon- figuration för sändning med ett godtyckligt antal delvis överlappande aperturer för olika frekvenser.

Beskrivning av exemplifierade utföringsformer Uppfinningen visar en modulär konstruktion av en antennanordning samt ett system som har integrerad sändning och mottagning inom 510 995 5 samma eller separata antennytor. I figur 2 illustreras fyra exempel pá en tvàfrekvenskanalkonstruktion för en enkel illustra- tion av grundidén. I alla de olika exemplen i figur 2 används hela antenngruppens yta för mottagning, med användning av polarisationsdiversitet via signaler RxA och RxB, medan den kan användas som en enda ytdel eller delas upp i flerfaldiga delar för sändning av varje frekvenskanal, Txl och Tx2. I exempel 2a används hela kolumnens yta för RxA och RxB medan den delas i tvà delar för Txl respektive Tx2. Exempel 2b illustrerar ett fall där Txl/Tx2/RxA/RxB delar hela kolumnytan. Exempel 2c illustrerar en konfiguration som använder två kolumner varvid en första kolumn delas i tvà lika delar för Txl och Tx2, medan RxA och RxB delar hela ytan av en andra kolumn. Alltså distribueras funktionerna i vissa fall över två antennytor. Följaktligen illustrerar exemplet i figur 2d en fjärde variant i vilken Txl/RxA delar hela första kolumnen och Tx2/RxB delar den andra kolumnen. Följakt- ligen, är detta sätt att konstruera mycket flexibelt och budget för upplänk och nerlänk kan separat optimeras och balanseras.

Sändning sker med åtminstone ett polarisationstillstànd, men mottagning sker alltid med två polarisationstillstànd. Många dubbelpolariserade antennelement kan användas, men en antenntyp som är mycket lämplig i detta sammanhang är mikrostip-antennen.

Exempel pà stràlningselement som har mer än ett polarisations- tillstànd för sändning (90 grader eller 45 grader) och för mottagning (90 grader och 0 grader eller +45 grader och -45 grader) visas i figur 3.

Figur 3 illustrerar ett antal olika elementkonfigurationer för användning med mikrostrip-antenngrupper_ Figur 3a visar en konfiguration i vilken mikrostrip-modulens antennyta kommer att producera en 'uppsättning' av 1nottagningssignaler RxA. med ett polarisationstillstànd 0° och en annan uppsättning av mottag- ningssignaler RxB med ett polarisationstillstànd 90°. Vidare matas en sändningssignal med polarisation 90° med hjälp av en cirkulator eller ett duplexfilter som då även utmatar mottag- ningssignalerna RxB. Pâ ett likande sätt illustrerar figur 3b 510 995 6 konfigurationen med en sändningspolarisation 45 grader och mottagningssignaler med en polarisation +45 eller -45 grader för mottagningspolarisationsdiversitet.

Figur 3c illustrerar en ytterligare konfiguration med en motsvarande mikrostrip-modul (element) för sändning Tx med polarisation 90° via två cirkulatorer eller duplexfilter vilka även utmatar en mottagen polarisation 45° för RxA och en annan mottagen polarisation -45° för RXB från mikrostrip-gruppmodulen.

Figur 3d illustrerar användningen av mikrostrip-modulen direkt för Tx vid polarisation 45° och Rx vid polarisation -45°.

Slutligen demonstrerar figur 3e kombinationen av nükrostrip- modulen med två cirkulatorer eller duplexfilter, varvid en första cirkulator* matar antennen. med. Txl vid. polarisation 45° och utmatar signaler RxA mottagna vid polarisation 45°, samt en andra cirkulator som matar antennen med Tx2 vid polarisation -45° och som utmatar signaler RXB mottagna vid polarisation -45°.

I alla exemplen visade ovan används linjär polarisation. Två ortogonala linjära polarisationer kan emellertid kombineras på känt sätt, t.ex. med en 3 dB hybrid, för att forma tvà ortogonala cirkulára polarisationer. Alltså är det uppenbart att upp- finningen inte är begränsad endast till linjär polarisation utan kommer att fungera lika bra med godtyckliga polarisationstill- stånd.

Mikrostrip-modulen kan vara antingen aktiv med förstärkarmoduler distribuerade i modulen eller med en central förstärkare.

Nackdelen med det senare fallet är att förlusterna i antennför- delaren.eller'kombinatornrninskar antennförstärkningen. Genoulatt placera förstärkarmoduler mellan förgreningsnätet och antennele- menten undviks detta.

I figur 4 illustreras en utföringsform.som har en kolumn med fyra stràlningselement och fördelade förstärkare för sändning. Sänd- ningen sker med en polarisation 90° med användning av tvâ skilda 510 995 7 frekvenskanaler, medan mottagningen genomförs med användning av polarisationer med både O° och 90°. De tvá grupperna med två strålningselement matas med hjälp av en fördelare för Txl respektive Tx2 följda av en effektförstärkare och ett duplex- filter för varje strálningselement för sändningspolarisationen 90°. De fyra mottagningsutmatningarna vid polarisation 90° fràn duplexfiltren kombineras i en första kombinator för RxA följda av en LNA som matar en lämplig mottagare. Hela kolumnen har även fyra utmatningar vid polarisation O° som kombineras i en andra kombinator för RxB följd av en andra LNA som utmatar de mottagna signalerna polariserade 0° för RxB följt av en andra LNA som utmatar signalerna polariserade 0° till mottagaren.

En annan utföringsform demonstreras i figur 5 som, i enlighet med den föreliggande uppfinningen, illustrerar en aktiv antenn med åtta strålningselement i en kolumn. Här används hela gruppen för sändning av två frekvenskanaler, liksom.motsvarande mottagnings- kanaler. Sändningssignal Txl vid polarisation 45° uppdelas i en första fördelare, vilken via fyra lämpligen integrerade effekt- förstärkare matar en respektive tvåelementgrupp av strålnings- element över en första grupp av fyra motsvarande duplexfilter.

Denna första grupp med fyra duplexfilter utmatar även signaler till en första kombinator, använd för mottagningssignaler RXA via en första LNA och avlämnar kombinerade signaler vid polarisation 45°. På samma sätt uppdelas sändningssignal Tx2 vid polarisation -45° i en andra fördelare, vilken via fyra lämpligen integrerade effektförstärkare matar den respektive tväelementgruppen med strálningselement över en andra grupp med fyra motsvarande duplexfilter. Denna andra grupp med fyra duplexfilter utmatar även signaler till en andra kombinator använd för mottagnings- signaler RxB via en andra LNA som avlämnar kombinerade signaler vid polarisation -45°. Utföringsformen enligt figur 5 motsvarar även figur 2b. Ännu en ytterligare utföringsform av det modulära antennarrange- manget demonstreras i figur 6 vilken, i enlighet med den föreliggande uppfinningen, illustrerar en aktiv antenn med fem 510 995 8 strålningselement i två kolumner. Den vänstra kolumnen är uppdelad i en första antennundergrupp som innefattar två strålningselement och en andra antennundergrupp som inkluderar tre strålningselement. Den första och andra antennundergruppen matas med hjälp av en första och andra fördelare för sändnings- kanalerna Txl respektive Tx2. Txl och Tx2 representerar strålning som har en vertikal polarisation dvs., 90°. Vart och ett av strålningselementen i vänstra antennkolumnen matas med sin egen, allmänt integrerade, effektförstärkare. Strålningselementen för den högra antennelementkolumnen är vridna 45° för att erhålla en polarisationsdiversitet för mottagning av +45° för signaler RxA och -45° för signaler RxB, som tidigare diskuterats. RxA erhålls vid +45° via en första mottagningskombinator som matar en första LNA, vilket allt lämpligen år integrerat med antennstrukturen.

På motsvarande sätt erhålls RXB vid -45° via en andra mottag- ningskombinator som matar en andra LNA. Utföringsformen enligt figur 6 motsvarar även figur 2c.

En ytterligare utföringsform av det modulära antennarrangemanget demonstreras i figur 7 vilket, i enlighet med den föreliggande uppfinningen, illustrerar en aktiv antenn sonxhar fem strålnings- element i två kolumner. Utföringsformen enligt figur 7 motsvarar till exempel figur 2d. Den vänstra kolumnen är uppdelad i en första antennundergrupp som innefattar två strålningselement, en andra antennundergrupp som innefattar ett strålningselement och en tredje antennundergrupp som innefattar tvâ strålningselement.

De första och tredje antennundergrupperna matas med hjälp av andra och tredje fördelare, vilka i sin tur matas av en första fördelare vilken också direkt matar den andra antennundergruppen, sonlbestår av ett enda strålningselement. Den.vänstra strålnings- elementkolumnen sänder signal Txl vid en polarisation av +45°.

Den vänstra antennkolumnen levererar ävenInottagningssignaler"RxB med.polarisation -45° via en kombinator med fem ingàngsportar som har en gemensam LNA vid sin utgångsport för signalerna RXB. Den högra kolumnen är konfigurerad på ett exakt liknande sätt för att alstra en sándningssignal Tx2 med polarisation -45° och mottag- ningssignaler RxA med polarisation +45°. 510 995 9 Ännu en ytterligare utföringsform av det modulära antennarrange- manget demonstreras i figur 8 vilket, i enlighet med den före- liggande uppfinningen, illustrerar en aktiv antenn med fem strálningselement i två kolumner. Utföringsformen enligt figur 8 motsvarar till exempel figur 2c och utföringsformen visad i figur 6. I figur 8 illustreras emellertid ett exempel som har fördelade effektförstärkare för sändning' men även fördelade làgbrusförstärkare (LNA) för mottagning av de två polarisations- diversitetskanalerna RxA och RxB vid polarisationer +45° respektive -4S°. Dessa fem LNA för respektive mottagnings- polarisation kombineras i en respektive första och andra kombinator som i sin tur utmatar den kombinerade signalen RxA eller RxB.

Slutligen demonstrerar figur 9 en illustration av en antennkon- figuration som har ett antal delvis överlappande aperturer för olika frekvenser. I figur 9 demonstreras just endast två överlappande sändningsytor, men antalet överlappande ytor kan i enlighet med uppfinningen väljas godtyckligt. EIRP definieras i figur 9 som produkten av individuell inmatningseffekt Px och förstärkning GX för varje undergrupp, där index x representerar en numrering av respektive sàndningsgruppyta. Som kan ses överlappar delvis varandra de tvâ ytorna numrerade 2 och 5. När överlappandeapertureranvänds,nàsteberördasändningsfrekvenser ha ortogonala polarisationer. Mottagning kommer att vara integrerad inom samma antennyta pà ett likande sätt som beskrivet ovan, dvs., hela antennytan eller delar av antennytan kommer att användas för mottagningen av signaler vid tvâ ortogonala polarisationstillstánd. Notera även att uppdelningen av den totala antennytan i sándningsunderytor kommer inte nödvändigtvis att motsvara uppdelningen i undergrupper för mottagning, utan kan innefatta en skild fördelning av den totala ytan liksom över- lappande ytor.

Vidare kan olika konfigurationer med kombinatorer och/eller fördelare användas för anslutning av individuella strålnings- element eller grupper av strálningselement i de olika utförings- 510 995 10 formerna som ett förfarande för att, till exempel, påverka eller minska sidolober.

Fördelarna med arrangemanget i enlighet med den föreliggande uppfinningen är flera. En bekväm modulär uppbyggnad kommer att uppnås. En annan fördel kommer att vara den stora flexibilteten med avseende på EIRP, effektutmatning, genmn val av antalet förstärkare och/eller aperturdelens storlek. Dessutom kommer en hög sändningsverkningsgrad att uppnås beroende på att verknings- graden för de enskilda frekvensförstärkarna kan användas utan att bli påverkade av kombinationsförluster som i konventionell teknik. Det kommer även att uppnås en feltolerant konfiguration eftersom ett flertal förstärkare används i parallell för en och samma kanal. Konfigurationen tillhandahåller åtminstone en polarisation för sändning och speciellt två ortogonala polarisa- tioner för mottagning för att erhålla polarisationsdiversitet.

Vidare tillhandahåller arrangemanget enligt den föreliggande uppfinningen selekterat utnyttjande av den totala antennytan för sändning och mottagning och integrerad sändning och mottagning inom sama antennyta. Totalt tillhandahåller arrangemanget i enlighet med den föreliggande uppfinningen en mycket mångsidig modulär konfiguration av antennsystem, till exempel, för basstationer inom mobiltelekommunikationsnät_ Uppfinningen har presenterats genom att beskriva att antal belysande utföringsformer. I de visade utföringsformerna har låga antal individuella strálningselement visats, men andra antal strålningselement, effektförstärkare, lågbrusförstärkare liksom fördelare och kombinatorer kan naturligtvis användas. Det kommer att vara uppenbart för fackmannen att den mångsidiga modulära antennen visad kan varieras på många sätt. Sådana variationer skall inte betraktas som ett avsteg från andemeningen och omfattningen av uppfinningen, och alla sådanalnodifikationer, som torde vara uppenbara för fackmannen, avses vara innefattade i andemeningen och omfattningen av de följande patentkraven.

Claims (22)

510 995 ll PATENTKRAV

1. Antennanordning för ett mikrovâgsradiokomunikationssystem vilket allmänt arbetar inom ett mikrovågsfrekvensomràde, för att bilda ett antennarrangemang innefattande åtminstone en aktiv gruppantenn, k ä n n e t e c k n a d av att antennanordningen använder en konstruktion som bildar en modulär gemensam antennyta som.har olika ytdelar för sändning och mottagning liksom integrerad sändning och mottagning inom samma totala yta av antennanordningen, varvid olika ytdelar bildar aktiva grupper för antingen sändning eller polarisationsdiversi- tetsmottagning.

2. Antennanordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att överlagrade ytdelar i den modulära gemensamma antennytan utgör sändningsgruppsdelar respektive mottagningsgruppsdelar som delar en total apertur.

3. Antennanordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att den alstrar åtminstone ett polarisationstillstånd för sändning och allmänt två ortogonala polarisationstillstånd för mottagning.

4. Antennanordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att en polarisation för sändningsgruppsdelarna i den modulära gemensamma antennytan är linjär i planen +45° eller -45°.

5. Antennanordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att en polarisation för sändningsgruppsdelarna i den modulära gemensamma antennytan är linjär och vertikal, dvs 90°.

6. Antennanordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av användning av enkelbärvâgseffektförstärkare för sändningsdelar i den xnodulära. gemensamma antennytan, 'varvid. åtminstone ett strâlningselement i en gruppyta kommer att matas av en sàdan enkelbärvágseffektförstärkare.

7. Antennanordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av 510 995 12 användning av lágbrusförstärkare (LNA) i mottagningsdelar av den modulära gemensamma antennytan, varvid åtminstone ett mottag- ningselement i en gruppyta kommer att mata en sådan làgbrusför- stärkare.

8. Antennanordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att ett totalt antal enkelbárvàgseffektförstärkare använda för strálningselementi.denunodulära.gemensamma,antennytan.definieras ur en funktion som beskriver optimering av EIRP.

9. Antennanordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att ett totalt antal enkelbärvágseffektförstärkare använda för stràlningselementi.den1nodulära.gemensanmw.antennytan.definieras ur en funktion som beskriver en felfunktionstolerans.

10. Antennanordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att ett totalt antal lågbrusförstärkare (LNA) använda för utmatning av mottagningssignaler kombinerade från individuella gruppelement i den gemensamma antennytan definieras ur en funktion som beskriver optimering av mottagarkänslighet.

11. ll. Antennanordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av ett totalt antal lágbrusförstärkare (LNA) använda för utmatning av mottagningssignaler kombinerade från individuella gruppelement i den gemensamma antennytan definieras ur en funktion som beskriver en felfunktionstolerans.

12. Antennsystem för en radiokommunikation som allmänt arbetar i mikrovàgsfrekvensomrádet, varvid systemet innefattar åtminstone en aktiv gruppantenn, k à n n e t e c k n a t av att antennsystemet använder en antennanordningskonstruktion som bildar en modulär gemensam antennyta som har olika ytdelar för sändning och mottagning liksom integrerad sändning och mottagning inom samma totala antennyta, varvid olika ytdelar bildar aktiva grupper för antingen sändning eller polarisations- diversitetsmottagning. 510 995 13

13. Antennsystem enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a t av att överlagrade ytdelar i den modulära gemensamma antennytan utgör sändningsgruppsdelar respektive1nottagningsgruppsdelar som delar en total apertur.

14. Antennsystem enligt krav 13, k ä n n e t e c k n a t av att det alstrar åtminstone ett polarisationstillstànd för sändning och allmänt tvá ortogonala polarisationstillstånd för mottagning.

15. Antennsystem enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a t av att en polarisation för sändningsgruppdelarna i den modulära gemensamma antennytan är linjär i planen +45° eller -45°.

16. Antennsystem enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a t av att en polarisation för sändningsgruppdelarna i den modulära gemensamma antennytan är linjär och vertikal, dvs 90°.

17. Antennsystem enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a t av användning av enkelbärvågseffektförstärkare för sändningsdelar i den nmdulära gemensamma antennytan, varvid åtminstone ett stràlningselement i en gruppyta komer att matas av en sådan enkelbärvàgseffektförstärkare.

18. Antennsystem enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a t av användning av lágbrusförstårkare (LNA) i mottagningsdelar av den modulära gemensamma antennytan, varvid åtminstone ett mottag- ningselement i en gruppyta komer att mata en sådan làgbrusför- stärkare.

19. Antennsystem enligt krav 17, k á n n e t e c k n a t av att ett totalt antal enkelbärvågseffektförstärkare använda för stràlningselement i den modulära gemensamma antennytan definieras ur en funktion som beskriver optimering av EIRP.

20. Antennsystem enligt krav 17, k ä n n e t e c k n a t av att ett totalt antal enkelbárvágseffektförstärkare använda för 510 995 14 stràlningselement i den modulära gemensamma antennytan definieras ur en funktion som beskriver en felfunktionstolerans.

21. Antennsystem enligt krav 18, k ä n n e t e c k n a t av att ett totalt antal lágbrusförstärkare (LNA) använda för utmatning av mottagningssignaler kombinerade från individuella gruppelement i den gemensamma antennytan definieras ur en funktion som beskriver optimering av mottagarkänslighet.

22. Antennsystem enligt krav 18, k ä n n e t e c k n a t av att ett totalt antal lágbrusförstärkare använda för utmatning av mottagningssignaler kombinerade fràn individuella gruppelement i den gemensamma antennytan definieras ur en funktion som beskriver en felfunktionstolerans.