Verfahren und Vorrichtung zum Kalibrieren einer Gruppenantenne

Abstract

 Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Kalibrieren einer Gruppenantenne, auch während des Betriebs, besteht darin, daß nacheinander über jeden der vorhandenen Sendepfade (DA1, ..., DAN; Tx1, ..., TxN; DP1, ..., DPN) ein Sendesignal übertragen wird, daß von jedem der Sendesignale ein Anteil ausgekoppelt und der ausgekoppelte Sendesignal-Anteil in so viele Teilsignale mit gleichem Betrag und gleicher Phase aufgeteilt wird wie Empfangspfade vorhanden sind und diese Teilsignale in die Empfangspfade (DP1, ..., DPN; Rx1, ..., RxN; AD1, ..., ADN) eingekoppelt werden. Die über die einzelnen Empfangspfade übertragenen Teilsignale werden bezüglich Betrag und Phase gemessen, und aus den Meßsignalen und einem bekannten Transmissionsfaktor eines der Sende- oder Empfangspfade werden die Transmissionsfaktoren aller anderen Sende- und Empfangspfade ermittelt. Dabei festgestellte gegenseitige Abweichungen der Transmissionsfaktoren der Sende- bzw. Empfangspfade werden durch Veränderung von Wichtungsfaktoren in einem Strahlformungsnetzwerk (Tx-BFN, Rx-BFN) kompensiert.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren der Sende- und Empfangspfade einer Gruppenantenne mit adaptiver Strahlformung. Eine Gruppenantenne mit adaptiver Strahlformung ist z.B. in der EP 0 578 060 A2 oder der DE 195 35 441 A1 beschrieben. Die Strahlformung oder Strahlschwenkung der Sende- bzw. Empfangsantennencharakteristik wird mit Hilfe eines Strahlformungsnetzwerkes durchgeführt, indem die Sende- bzw. Empfangssignale der einzelnen Antennenelemente je nach der gewünschten Antennencharakteristik mit unterschiedlichen Wichtungsfaktoren multipliziert werden. Solche Gruppenantennen mit adaptiver Strahlformung können z.B. in zellularen Mobilfunksystemen oder Punkt-zu-Mehrpunkt Richtfunksystemen eingesetzt werden.

[0002] Die Strahlformung kann durch Fehler in den Signalpfaden der einzelnen Antennenelemente verfälscht werden. Fehler in den Signalpfaden können z.B. durch Produktionstoleranzen oder Temperaturdrift oder Alterung etc. verursacht werden. Durch eine Kalibrierung der Signalpfade zwischen dem Strahlformungsnetzwerk und den einzelnen Antennenelementen kann eine Verfälschung der gewünschten Strahlformung reduziert werden.

[0003] Der Anmeldung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, womit auf wenig aufwendige Art und Weise eine Kalibrierung der Sende- und Empfangspfade der Gruppenantenne durchgeführt werden kann.

Vorteile der Erfindung

[0004] Die genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 3 dadurch gelöst, daß nacheinander über jeden der vorhandenen Sendepfade ein Sendesignal übertragen wird, daß von jedem der Sendesignale ein Anteil ausgekoppelt und der ausgekoppelte Sendesignal-Anteil in so viele Teilsignale mit gleichem Betrag und gleicher Phase aufgeteilt wird wie Empfangspfade vorhanden sind. Diese Teilsignale werden in die einzelnen Empfangspfade eingekoppelt. Die über die einzelnen Empfangspfade übertragenen Teilsignale werden bezüglich Betrag und Phase gemessen und aus den Meßsignalen und einem bekannten Transmissionsfaktor eines der Sende- oder Empfangspfade die Transmissionsfaktoren aller anderen Sende- und Empfangspfade ermittelt. Schließlich werden gegenseitige Abweichungen der Transmissionsfaktoren der Sende- bzw. Empfangspfade durch Veränderung von Wichtungsfaktoren in einem Strahlformungsnetzwerk kompensiert.

[0005] Dieses erfindungsgemäße Verfahren bzw. Vorrichtung ermöglicht eine ständige Kalibrierung der Gruppenantenne auch während des laufenden Betriebes.

[0006] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

[0007] Bei einem Frequenzduplex-Funksystem, bei dem zwischen den Sende- und Empfangspfaden ein Frequenzversatz besteht, werden die in die Empfangspfade eingekoppelten Teilsignale in die Frequenzlage der entsprechenden Empfangspfade umgesetzt.

[0008] Die Aufteilung eines Sendesignales in die bezüglich Betrag und Phase gleichen Teilsignale wird vorteilhafterweise mit einem Wilkinson-Teiler durchgeführt, der an seinem zentralen Tor mit einem Reflexionsabschluß versehen ist. Soll auch die Verkopplung der einzelnen Antennenelemente untereinander bestimmt werden, so ist eine Umschaltung von einem Reflektionsabschluß auf einem Absorptionsabschluß vorzusehen.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

[0009] Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert.

[0010] Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild eines Duplex-Funksystems mit einer Gruppenantenne und

Figur 2 ein Prinzipschaltbild eines Wilkinson-Teilers.

[0011] Das in der Figur 1 dargestellte Duplex-Funksystem besitzt N Antennenelemente A1, ..., AN einer Gruppenantenne. Die Antennenelemente A1, ..., AN sind sowohl für den Empfang als auch für das Senden von Signalen zuständig. Jedes Antennenelement A1, ..., AN ist an einen Duplexer DP1, ..., DPN angeschlossen. Der Duplexer DP1, ..., DPN bewirkt in bekannter Weise, daß ein Sendesignal vom Sender Tx1, ..., TxN des Sendepfades zu dem ihm zugeordneten Antennenelement A1, ..., AN gelangt und daß ein Empfangssignal des Antennenelementes A1, ..., AN zum Empfänger Rx1, ..., RxN seines Empfangspfades gelangt. Alle Sender Tx1, ... TxN und alle Empfänger Rx1, ... RxN erhalten zur phasenstarren Frequenzumsetzung eine Referenzfrequenz aus einem Lokaloszillator LO.

[0012] Da zweckmäßigerweise die Signalverarbeitung vor den Sendern Tx1, ..., TxN und nach den Empfängern Rx1, ..., RxN digital erfolgt, befinden sich in den Sendepfaden Digital-Analog-Umsetzer DA1, ..., DAN und in den Empfangspfaden Analog-Digital-Umsetzer AD1, ..., ADN.

[0013] Für alle Sendesignale und alle Empfangssignale ist ein Strahlformungsnetzwerk vorhanden, das in der Figur 1 in zwei Blöcke unterteilt ist, ein Block Tx-BFN für die Sendesignale und ein Block Rx-BFN für die Empfangssignale. Auf die Funktion des Strahlformungsnetzwerkes wird hier nicht näher eingegangen, da sie z.B. aus den eingangs genannten Druckschriften bekannt ist.

[0014] An das Strahlformungsnetzwerk Tx-BFN, Rx-BFN ist auf der Sendeseite ein Modulator MD und auf der Empfangsseite ein Demodulator DM angeschaltet.

[0015] Eine Steuereinrichtung SE steuert die Duplexer DP1, ..., DPN, die z.B. nach dem Zeit- oder Frequenzduplexverfahren arbeiten, und die Wichtungsfaktoren in dem Strahlformungsnetzwerk Tx-BFN, Rx-BFN. Die Steuersignale sind durch dicke Linien in der Figur 1 verdeutlicht.

[0016] Die Sende- und Empfangssignale der einzelnen Antennenelemente A1, ..., AN werden auf ihren Sende- und Empfangspfaden zwischen dem Strahlformungsnetzwerk Tx-BFN, Rx-BFN und den Toren der Antennenelemente A1, ..., AN durch verschiedenste Fehlerguellen verfälscht. Solche Fehlerquellen können z.B. Produktions-, Installationstoleranzen, Temperaturdrift, Wärmeausdehnung von elektrischen Hochfrequenzleitern, Alterung usw. sein. Die Fehler in den Sende- und Empfangspfaden wirken sich auf die Form der Antennencharakteristik aus, können aber durch entsprechende Einstellung der Wichtungsfaktoren im Strahlformungsnetzwerk Tx-BFN, Rx-BFN kompensiert werden.

[0017] Mit dem nachfolgend beschriebenen Kalibrierungsverfahren werden die Transmissionsfaktoren, das heißt die Übertragungsfunktionen, der Sende- und Empfangspfade der einzelnen Antennenelemente A1, ..., AN ermittelt und die auf Fehler zurückzuführenden Abweichungen zwischen den Transmissionsfaktoren der Empfangs- und Sendepfade durch eine entsprechende Steuerung der Wichtungsfaktoren des Strahlformungsnetzwerkes Tx-BFN, Rx-BFN kompensiert.

[0018] Zu der Kalibriereinrichtung gehört eine Koppelvorrichtung mit 2N Toren, die in die Signalpfade zwischen den Antennenelementen A1, ..., AN und den Duplexern DP1, ... DPN eingefügt ist. Dabei sind die Tore 1 bis N der Koppelvorrichtung mit den Toren der Duplexer DP1, ..., DPN und die Tore N+1 bis 2N mit den Toren der Antennenelemente A1, ..., AN verbunden. Die Koppelvorrichtung besteht aus N gleichen Richtkopplern RK, die in die Signalpfade zwischen den Antennenelementen A1, ..., AN und die Duplexer DP1, ..., DPN eingefügt sind. Die Koppeltore der Richtkoppler RK auf der Seite der Antennenelemente A1, ..., AN sind mit Abschlußwiderständen R verbunden. Die Koppeltore auf der Seite der Duplexer DP1, ...,DPN sind mit den Verzweigungstoren VZ eines Leistungsteilers LT verbunden. Dieser Leistungsteiler LT ist so beschaffen, daß seine Verzweigungstore VZ über identische Leitungsnetzwerke mit einem zentralen Tor T verbunden sind. Das Prinzipschaltbild eines solchen Leistungsteilers, vorzugsweise ein Wilkinson-Teiler, ist in der Figur 2 dargestellt. Dieser Leistungsteiler LT führt alle an den Verzweigungstoren VZ anliegenden Signale, das sind die Ausgangssignale der Richtkoppler RK, amplituden- und phasengleich am zentralen Tor T zusammen; bzw. er teilt ein am zentralen Tor T anliegendes Signal zu gleichen Anteilen bezüglich Amplitude und Phase auf die Verzweigungstore VZ auf. Der sogenannte Wilkinson-Teiler, der die genannten Voraussetzungen erfüllt, ist in IRE Transactions On Microwave Theory And Techniques, Januar 1960, Seiten 116 bis 118 beschrieben.

[0019] Der Kalibriervorgang der Sende- und Empfangspfade läuft nun folgendermaßen ab. Es wird über einen Sendepfad i (iε{1...N}) ein Sendesignal übertragen. Der Richtkoppler RK koppelt vor dem zugehörigen Antennenelement Ai einen Teil des Sendesignals aus. Dieser Sendesignal-Anteil wird über den Leistungsteiler LT zu dessen zentralem Tor T geführt. An diesem zentralen Tor T ist ein Reflexionsabschluß RFX angeschlossen. Der Sendesignal-Anteil wird an diesem Reflexionsabschluß RFX reflektiert und in amplituden- und phasengleiche Teilsignale an den Verzweigungstoren VZ aufgeteilt. Es gibt so viel Verzweigungstore (nämlich N), wie es Empfangspfade gibt. Die aus dem Sendesignal abgeleiteten einzelnen Teilsignale werden nun über die Richtkoppler RK in die Empfangspfade eingekoppelt. Die an den Ausgängen der Empfangspfade anliegenden, vom Strahlformungsnetzwerk Rx-BFN aufgenommenen Teilsignale werden von der Steuereinrichtung SE ausgewertet. So ergibt sich auf einem Signalweg, der den i-ten Sendepfad, die Koppelvorrichtung RK, den Leistungsteiler LT und den j-ten Empfangspfad einschließt, ein Gesamttransmissionsfaktor

, bei dem T_i(jω) der Transmissionsfaktor des i-ten Sendepfades, R_j(jω) der Transmissionsfaktor des j-ten Empfangspfades und X_ij der Transmissionsfaktor der Koppelvorrichtungn RK, des Leistungsteilers LT und eine normalerweise unbekannte Verkopplung zwischen den Antennenelementen A1, ..., AN ist. Es gilt i, j ε{1...N}. Wie gesagt, setzt sich der Transmissionsfaktor X_ij aus einem Transmissionsfaktor C_ij(jω), der auf die Koppelvorrichtung und den Leistungsteiler (LT) zurückzuführen ist, und den Transmissionsfaktor D_ij(jω) aufgrund einer Verkopplung der Antennenelemente zusammen. Der Transmissionsfaktor Cij(jω) ist für alle i und j genau bekannt und für alle i und j aufgrund der Amplituden- und Phasengleichheit der Teilsignale gleich, so daß im folgenden gilt:

[0020] Nur wenn davon auszugehen ist, daß es eine Verkopplung der Antennenelemente untereinander gibt, bzw. diese Verkopplung nicht vernachlässigbar ist, müssen auf folgende Weise die Transmissionsfaktoren aufgrund der Antennenverkopplung

(Reziprozität kann hier vorausgesetzt werden) bestimmt werden. Um den Transmissionsfaktor D_ij(jω) bestimmen zu können, muß der Abschluß am zentralen Tor T des Leistungsteilers LT von Reflexion auf Absorption umschaltbar sein. Wird auf Absorption geschaltet, so wird der von der Koppelvorrichtung RK ausgekoppelte Sendesignal-Anteil absorbiert, und es werden daraus keine Teilsignale in die Empfangspfade zurückgekoppelt. Die in den Empfangspfaden auftretenden Signale sind dann ausschließlich auf die Verkopplung der Antennenelemente A1, ..., AN zurückzuführen. Der Transmissionsfaktor C(jω) spielt in diesem Fall keine Rolle. Es läßt sich nun folgendes Gleichungssystem (1) aufstellen:

[0021] In diesem Gleichungssystem (1) ist M_ijD(jω) der gemessene Transmissionsfaktor über den Sendepfad i, die Ahtennenverkopplung D_ij(jω) und den Empfangspfad j, wobei der Abschluß am zentralen Tor T des Leistungsteilers LT auf Absorption geschaltet war. M_ijCD(jω) ist der gemessene Transmissionsfaktor über den Sendepfad i, die Antennenverkopplung D_ij(jω), die definierte Verkopplung C(jω) der Koppelvorrichtung RK und des Leistungsteilers LT und den Empfangspfad j, wobei der Abschluß RFX am zentralen Tor T auf Reflexion geschaltet ist. Für die gemessenen Transmissionsfaktoren M_jiD und M_jiCD gilt entsprechendes.

[0022] Die Antennenverkopplungen Dij(jω) können nun aus den Gleichungen (2) oder (3) ermittelt werden.

[0023] Zur Bestimmung aller Transmissionsfaktoren T_i(jω), R_i(jω) der Sende- und Empfangspfade muß vorausgesetzt werden, daß ein beliebiger Transmissionsfaktor Ti(jω) oder R_i(jω) (i ε{1...N} N>2) bekannt ist. Es werden insgesamt N(N-1) Kalibrationsmessungen durchgeführt; das heißt, über jeden Signalpfad wird nacheinander ein Sendesignal übertragen und der daraus ausgekoppelte Sendesignal-Anteil nach Reflexion am Reflexionsabschluß RFX in gleiche Teilsignale zerlegt und diese werden in die einzelnen Empfangspfade zurückgekoppelt. Aus den N(N-1) Kalibrationsmessungen lassen sich nun N(N-1) Gleichungen der Form

aufstellen. Geht man davon aus, daß z.B. der Transmissionsfaktor des Sendepfades T_n(jω) (nε{1...N}) bekannt ist, so lassen sich aus der Gleichung (4) mit i=n, j≠n die Transformationsfaktoren der Empfangspfade R_j(jω) bestimmen:

[0024] Daraufhin kann ein so bestimmter Transmissionsfaktor R_k(jω) (k≠n) verwendet werden, um damit mit der Gleichung (6) die Transmissionsfaktoren der Sendepfade T_i(jω) (i≠k) zu bestimmen.

[0025] Auf die vorangehend beschriebene Weise können also alle Transmissionsfaktoren T_i(jω) der Sendepfade und alle Transmissionsfaktoren R_j(jω) der Empfangspfade in Bezug auf einen bekannten Transmissionsfaktor T_n(jω) oder R_n(jω) ermittelt werden. Die daraus resultierenden gegenseitigen Abweichungen der Transmissionsfaktoren der Sende- bzw. Empfangspfade werden von der Steuereinrichtung SE durch Veränderung der Wichtungsfaktoren in dem Strahlformungsnetzwerk Tx-BFN, Rx-BFN kompensiert. Damit werden die Einflüsse von Fehlern in den Sende- und Empfangspfaden auf die Strahlformung stark reduziert.

[0026] Bei dem vorangehend beschriebenen System wurde davon ausgegangen, daß es sich um ein Zeitduplex-Funksystem handelt; das heißt, die Sende- und Empfangspfade übertragen ihre Signale im gleichen Frequenzband. Durch Modifikation der beschriebenen Kalibriereinrichtung kann diese auch bei einem Frequenzduplex-Funksystem angewendet werden, bei dem sich die Sende- und die Empfangsfrequenz durch einen festen Frequenzduplexabstand unterscheiden. Dazu muß der Abschluß RFX mit einem Mischer versehen werden, der die einlaufenden Signale um den Duplexfrequenzabstand umsetzt, so daß die reflektierten Teilsignale im Frequenzband der Empfangspfade liegen. Wie die Figur 1 zeigt, erhält der Mischer im Reflektionsabschluß RFX als Referenzfrequenz die Lokaloszillatorfrequenz LO, die ebenfalls die Sender Tx1, ..., TxN und Empfänger Rx1, ..., RxN erhalten.

Ansprüche

1. Verfahren zum Kalibrieren der Sende- und Empfangspfade einer Gruppenantenne mit adaptiver Strahlformung, dadurch gekennzeichnet,

- daß nacheinander über jeden der vorhandenen Sendepfade (DA1, ..., DAN; Tx1, ..., TxN; DP1, ..., DPN) ein Sendesignal übertragen wird,

- daß von jedem der Sendesignale ein Anteil ausgekoppelt wird,

- daß der ausgekoppelte Sendesignal-Anteil in so viele Teilsignale mit gleichem Betrag und gleicher Phase aufgeteilt wird, wie Empfangspfade (DP1, ..., DPN; Rx1, ..., RxN; AD1, ..., ADN) vorhanden sind und diese Teilsignale in die Empfangspfade eingekoppelt werden,

- daß die über die einzelnen Empfangspfade übertragenen Teilsignale bezüglich Betrag und Phase gemessen werden und aus den Meßsignalen und einem bekannten Transmissionsfaktor eines der Sende- und Empfangspfade die Transmissionsfaktoren aller anderen Sende- und Empfangspfade ermittelt werden

- und daß gegenseitige Abweichungen der Transmissionsfaktoren der Sende- bzw. Empfangspfade durch Veränderung von Wichtungsfaktoren in einem Strahlformungsnetzwerk (Dx-BFN, Rx-BFN) kompensiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Frequenzversatz zwischen den Sende- und den Empfangspfaden die in die Empfangspfade eingekoppelten Teilsignale in die Frequenzlage der entsprechenden Empfangspfade umgesetzt werden.

3. Vorrichtung zum Kalibrieren der Sende- und Empfangspfade einer Gruppenantenne mit adaptiver Strahlformung, dadurch gekennzeichnet,

- daß eine Steuereinrichtung (SE) vorgesehen ist, welche nacheinander über jeden der vorhandenen Sendepfade (DA1, ..., DAN; Tx1, ..., TxN; DP1, ..., DPN) die Übertragung eines Sendesignals veranlaßt,

- daß eine Koppelvorrichtung (RK) von jedem der Sendesignale einen Anteil auskoppelt,

- daß ein Leistungsteiler (LT) den ausgekoppelten Sendesignal-Anteil in so viele Teilsignale mit gleichem Betrag und gleicher Phase aufteilt wie Empfangspfade vorhanden sind,

- daß die Koppelvorrichtung (RK) die Teilsiganle in die einzelnen Empfangspfade (DP1, ..., DPN; Rx1, ..., RxN; AD1, ..., ADN) einkoppelt,

- daß die Steuereinrichtung (SE) die über die einzelnen Empfangspfade (DP1, ..., DPN; Rx1, ..., RxN; AD1, ..., ADN) übertragenen Teilsignale bezüglich Betrag und Phase mißt und aus den Meßsignalen und einem bekannten Transmissionsfaktor eines der Sende- oder Empfangspfade die Transmissionsfaktoren aller anderen Sende- und Empfangspfade ermittelt

- und daß die Steuereinheit (SE) Wichtungsfaktoren in einem Strahlformungsnetzwerk (Tx-BFN, Rx-BFN) so einstellt, daß dadurch gegenseitige Abweichungen der Transmissionsfaktoren der Sende- bzw. Empfangspfade kompensiert werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsteiler (LT) ein Wilkinson-Teiler ist, der so viele Verzweigungstore (VZ) aufweist wie Empfangspfade vorhanden sind und daß ein über identische Leitungsnetzwerke mit den Verzweigungstoren (VZ) verbundenes zentrales Tor (T) mit einem Reflexionsabschluß (RFX) versehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschaltung von einem Reflexionsabschluß auf einen Absorptionsabschluß vorgesehen ist, um die Verkopplung der Antennenelemente (A1, ..., AN) der Gruppenantenne bestimmen zu können.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mischer vorhanden ist, der bei einem Frequenzversatz zwischen den Sende- und den Empfangspfaden die in die Empfangspfade eingekoppelten Teilsignale in die Frequenzlage der entsprechenden Empfangspfade umsetzt.

Zeichnung