DE60033079T2

DE60033079T2 - Antennenstruktur und deren Installation

Info

Publication number: DE60033079T2
Application number: DE60033079T
Authority: DE
Inventors: Mano D. Rockwell Judd; Thomas D. Lockport Monte; Donald G. Richardson Jackson; Greg A. Rockwell Maca
Original assignee: Andrew AG; Andrew LLC
Current assignee: Commscope Technologies AG; Commscope Technologies LLC
Priority date: 1999-04-26
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2020-04-20
Also published as: CN101867095A; SG98383A1; BR0002264A; AU2891200A; AU775062B2; US20050099359A1; CA2306650A1; MXPA00004043A; US20020011954A1; IL135691A0; DE60033079D1; ATE352882T1; EP1049195A3; TW504856B; PT1049195E; US7053838B2; US20010015706A1; NZ504072A; KR100755245B1; HUP0001669A2

Description

Diese Erfindung betrifft eine neuartige Antennenstruktur, die ein Antennenfeld umfasst, das einen Leistungsverstärker-Chip aufweist, der mit jedem Antennenelement funktionell verkoppelt ist und in dichter Nachbarschaft zu in dem Antennenfeld liegt. Die Erfindung betrifft auch neuartige Antennenstrukturen und -systeme mit einem Antennenfeld sowohl für Sende-(Tx) als auch Empfangs-(Rx)Vorgänge.
In einer Kommunikationsausrüstung wie beispielsweise zellularen und Personal Communication Services (PCS) sowie Mehrkanalmehrpunktverteilsystemen (MMDS) und lokalen Mehrpunktverteilsystemen (LMDS) war es üblich, Signale von Benutzern oder Teilnehmern unter Verwendung von Antennen zu empfangen und wieder zu senden, die auf der Spitze von Türmen oder anderen Strukturen angebracht waren. Andere Kommunikationssysteme, wie beispielsweise Wireless Local Loop (WLL), Specialized Mobile Radio (SMR) und Wireless Local Area Network (WLAN) weisen eine Signalübertragungsinfrastruktur zum Empfangen und Senden von Kommunikationen zwischen Benutzern oder Teilnehmern auf, die auch verschiedene Formen von Antennen und Sendeempfängern verwenden können.
Für alle diese Kommunikationssysteme ist eine Verstärkung der Signale erforderlich, die von den Antennen gesendet und empfangen werden. Zu diesem Zweck ist es bisher Praxis gewesen, herkömmliche lineare Leistungsverstärker zu verwenden, wobei die Kosten der Bereitstellung der notwendigen Verstärkung typischerweise zwischen U.S.-$ 100 und U.S.-$ 300 pro Watt in 1998 U.S.-Dollar liegen. In dem Fall von Kommunikationssystemen, die Türme oder andere Strukturen verwenden, ist viel von der Infrastruktur oft am Boden des Turms oder einer anderen Struktur platziert, wobei relativ lange Koaxialkabel mit Antennenelementen verbunden werden, die auf dem Turm angebracht sind. Die Leistungsverluste, die in den Kabeln auftreten, können eine Erhöhung der Leistungsverstärkung notwendig machen, die typischerweise an der Infrastruktur der Bodenebene oder der Basisstation bereitgestellt wird, wodurch sich die Ausgaben in den vorgenannten typischen Kosten pro Einheit oder Kosten pro Watt weiter erhöhen.
Des Weiteren erfordern herkömmliche Leistungsverstärkungssysteme dieses Typs im Allgemeinen beträchtliche zusätzliche Schaltkreise, um Linearität oder lineare Leistung des Kommunikationssystems zu erzielen. Zum Beispiel lässt sich in einem herkömmlichen linearen Verstärkersystem die Linearität des Gesamtsystems erhöhen, indem Rückkopplungsschaltungen und Vorverzerrungsschaltungen hinzugefügt werden, um die Nichtlinearitäten auf der Verstärker-Chip-Ebene auszugleichen, damit die effektive Linearität des Verstärkersystems erhöht wird. Da die Systeme mit immer höheren Leistungspegeln betrieben werden, müssen relativ komplexe Schaltungen entwickelt und implementiert werden, um eine abnehmende Linearität auszugleichen, wenn sich die Ausgangsleistung erhöht.
Die Ausgangsleistungspegel für Infrastruktur-(Basisstations-)Anwendungen weist in vielen der vorgenannten Kommunikationssysteme einen Überschuss von zehn Watt und oft bis zu Hunderten von Watt auf, was zu einer relativ hohen effektiven isotropen Abstrahlleistung (EIRP) führt. Zum Beispiel beträgt für eine typische Basisstation mit einem Zwanzig-Watt-Leistungsausgang (auf Bodenebene) die an die Antennen gelieferte Leistung abzüglich der Kabelverluste um die zehn Watt. In diesem Fall ist die Hälfte der Leistung durch Kabelverlust/Wärme verbraucht worden. Solche Systeme erfordern komplexe lineare Verstärkerkomponenten, die stufenförmig in leistungsstarke Schaltungen kaskadiert sind, um die erforderliche Linearität an der höheren Ausgangsleistung zu erreichen. Typischerweise müssen für derartige Hochleistungssysteme oder -verstärker zusätzliche Hochleistungskombinatoren verwendet werden.
Damit alle diese zusätzlichen Schaltkreise über das gesamte System Linearität erreichen, was für Systeme mit relativ hoher Ausgangsleistung erforderlich ist, ergeben sich die vorher genannten Kosten pro Einheit/Watt (zwischen $ 100 und $ 300).
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, die Leistung über mehrere Antennen(feld)elemente zu verteilen, um einen niedrigeren Leistungspegel pro Antennenelement zu erhalten und die Leistungsverstärker-Technologie auf einer viel niedrigeren Kostenebene (pro Einheit/pro Watt) einzusetzen.
WO 98 39851 A betrifft zellulare Kommunikationssysteme. Eine Basisstation für zellulare drahtlose Kommunikationen auf Basis einer modularen Struktur wird bereitgestellt, die eine Vielzahl von aktiven Strahlermodulen umfasst, die sich an einem gewünschten Antennenstandort befinden. Ein aktives Strahlermodul ersetzt einen linearen Mehrträger-Leistungsverstärker, Hochleistungskabel, Diplexer und Superlinear-Breitbandantennen sowie rauscharmer Verstärker werden alle durch ein aktives Strahlermodul ersetzt. Das aktive Strahlermodul ist an einem Mast angebracht und umfasst einen Verstärker mit geringem Stromverbrauch, einen elementaren Strahler (Dipol oder Patch) und ein entsprechendes Empfangselement. Das aktive Strahlermodul führt die Verstärkung auf niedrigem Pegel (low level) durch und kombiniert die Leistung in der Luft, verwendet zwei Schmalbandantennen zum Senden und Empfangen, wodurch die Linearisierung und die strukturellen Anforderungen der Antennen reduziert werden, und verstärkt das empfangene Signal an dem Antennenanschluss ohne zusätzlichen Verlust. Die Kabel, die das aktive Strahlermodul und ein Basis-Sendeempfänger-Subsystem verbinden, sind einfach und verlustunempfindlich und können nach Bedarf verlängert werden. Eine Stromversorgung des aktiven Strahlermoduls speist vorzugsweise alle DC-Leistungsanforderungen der Sender- und Empfängerverstärker und umfasst alle Schutzeinrichtungen, die für eine Vorrichtung benötigt werden, die auf einem Turm angebracht ist. Die Stromversorgung des aktiven Strahlermoduls ist vorzugsweise oben auf dem Antennenturm angebracht. Es werden verschiedene mögliche Felder offenbart, wie beispielsweise ein vertikales Feld, ein ebenes Feld und ein kreisförmiges Feld.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Antennensystem und ein entsprechendes Verfahren zum Konstruieren eines Antennensystems bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der selbstständigen Ansprüche gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
In Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der Erfindung werden Leistungsverstärken-Chips mit relativ geringem Stromverbrauch und niedrigen Kosten pro Watt in einem linearen Bereich mit relativ niedrigem Stromverbrauch in einer Infrastruktur-Anwendung verwendet. Um derartige Chips mit relativ geringem Stromverbrauch und geringen Kosten pro Watt zu verwenden, schlägt die vorliegende Erfindung den Einsatz eines Antennenfelds vor, in welchem ein Verstärker-Chip mit relativ geringem Stromverbrauch in Verbindung mit jedem Antennenelement des Felds verwendet wird, um die gewünschte Gesamtausgangsleistung des Felds zu erzielen.
In Übereinstimmung mit einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung umfasst eine verteilte Antennenvorrichtung eine Vielzahl von Sende-Antennenelementen, eine Vielzahl von Empfangs-Antennenelementen und eine Vielzahl von Leistungsverstärkern, wobei einer der Leistungsverstärker funktionell mit jedem der Sende-Antennenelemente gekoppelt ist und nahe an das zugehörige Sende-Antennenelement angrenzend angebracht ist, so dass es zu keinem nennenswerten Leistungsverlust zwischen dem Leistungsverstärker und dem zugehörigen Antennenelement kommt, wobei wenigstens einer der Leistungsverstärker einen rauscharmen Verstärker umfasst und in die verteilte Antennenvorrichtung eingebaut ist, um Signale von wenigstens einem der Empfangs-Antennenelemente zu empfangen und zu verstärken, wobei der Leistungsverstärker einen linearen Leistungsverstärker-Chip mit relativ geringem Stromverbrauch und relativ niedrigen Kosten pro Watt umfasst.
Dementsprechend kann ein Leistungsverstärker-Chip mit relativ geringem Stromverbrauch, der typischerweise für entfernte und Anschluss-Ausrüstungsanwendungen, (z.B. Hörer- und/oder Benutzer/Teilnehmer-Ausrüstung), verwendet wird, für die Infrastrukturanwendungen, (z.B. Basisstation), verwendet werden. In Übereinstimmung mit der Erfindung wird die Notwendigkeit von Verzerrungs-Korrekturschaltkreisen und anderen relativ teuren Rückkopplungsschaltkreisen und dergleichen eliminiert, die für eine lineare Leistung in Systemen mit relativ hohem Stromverbrauch verwendet werden. Die lineare Leistung wird erzielt, indem die Leistungs-Chips mit relativ geringem Stromverbrauch innerhalb ihres Ausgangsbereichs verwendet werden. Das heißt, die Erfindung schlägt vor, ein Übersteuern der Chips oder einen Betrieb nahe am Sättigungspegel zu vermeiden, um so die Anforderung für zusätzliche teure und komplexe Schaltkreise zum Ausgleichen von reduzierter Linearität zu vermeiden. Die Leistungsverstärker-Chips, die in der vorliegenden Erfindung im linearen Bereich verwendet werden, weisen typischerweise eine geringe Ausgangsleistung von einem Watt oder darunter auf. Des Weiteren schlägt die Erfindung das Installieren eines Leistungsverstärker-Chips dieses Typs am Speisepunkt jedes Elements eines Mehrfachelement-Antennenfelds vor. Somit kann die Ausgangsleistung des Antennensystems als Ganzes mit der Anzahl von Elementen mul tipliziert werden, die in dem Feld verwendet werden, während die Linearität aufrechterhalten wird.
Ferner erfordert die vorliegende Erfindung keine relativ teuren Hochleistungs-Kombinatoren, da die Signale im freien Raum (am Fernfeld) an der entfernten oder Anschluss-Stelle über elektromagnetische Wellen kombiniert werden. Somit verwendet das vorgeschlagene System eine Kombination mit geringem Stromverbrauch, wodurch anderweitige herkömmliche Kombinationskosten vermieden werden. Des Weiteren eliminiert das System der Erfindung in Turmanwendungen die Leistungsverlust-Probleme, die mit dem relativ langen Kabel zusammenhängen, das herkömmlicherweise die Verstärker in der Basisstations-Ausrüstung mit der im Turm angebrachten Antennen-Ausrüstung verbindet, d.h. durch Eliminieren der üblichen Probleme mit dem Leistungsverlust in dem Kabel und Beitragen zu einer geringeren Leistungsanforderung an den Antennenelementen. Somit, indem die Verstärker nahe an den Antennenelementen positioniert werden, wird die Verstärkung nach den Kabel- oder anderen Übertragungsleistungs-Verlusten vorgenommen, die normalerweise in derartigen Systemen auftreten. Dies kann die Notwendigkeit spezieller Kabel mit geringem Leistungsverlust weiter reduzieren, wodurch die Gesamtsystemkosten weiter reduziert werden.
ZEICHNUNGEN:
1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Sende-Antennenfelds, das Leistungsverstärker-Chips/-Module verwendet;
2 ist eine schematische Darstellung, ähnlich 1, und zeigt eine alternative Ausführungsform;
3 ist ein Blickschaltbild einer Antennenbaugruppe oder eines Antennensystems;
4 ist ein Blockschaltbild einer Kommunikationssystem-Basisstation, die eine Turm- oder eine andere Trägerstruktur verwendet und ein Antennensystem in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet;
5 ist ein Blockschaltbild einer Basisstation für ein lokales Mehrpunktverteilsystem (LMDS), welches das Antennensystem der Erfindung verwendet;
6 ist ein Blockschaltbild eines drahtlosen LAN-Systems, das ein Antennensystem in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet;
7 und 8 sind Blockschaltbilder von zwei Typen von gebäudeinternen (in-building) Kommunikations-Basisstationen, die ein Antennensystem in Übereinstimmung mit der Erfindung verwenden;
9 ist ein Blockschaltbild eines Sende-/Empfangs-Antennensystems in Übereinstimmung mit einer Form der Erfindung;
10 ist ein Blockschaltbild eines Sende-/Empfangs-Antennensystems in Übereinstimmung mit einer weiteren Form der Erfindung;
11 ist ein Blockschaltbild eines Sende-/Empfangs-Antennensystems, das einen Mittelstreifen in Übereinstimmung mit einer weiteren Form der Erfindung umfasst;
12 ist ein Blockschaltbild eines Antennensystems, das Sende- und Empfangs-Elemente in einem linearen Feld in Übereinstimmung mit einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung verwendet;
13 ist ein Blockschaltbild eines Antennensystems, das Antennenfeld-Elemente in einer geschichteten Konfiguration mit Mikrostreifen-Speiseleitungen für jeweilige Sende- und Empfangs-Funktionen verwendet, die zueinander in rechtwinkligen Richtungen ausgerichtet sind;
14 ist eine Teilschnittansicht durch ein mehrfach geschichtetes Antennenelement, welches in der Anordnung von 13 verwendet werden kann;
15 und 16 zeigen verschiedene Konfigurationen zum Lenken von Eingangs- und Ausgangs-HF von einer Sende-/Empfangs-Antenne, wie beispielsweise der Antenne aus 13 und 14; und
17 und 18 sind Blockschaltbilder, die zwei Ausführungsformen eines aktiven Sende-/Empfangs-Antennensystems mit jeweiligen alternativen Anordnungen von Diplexern und Leistungsverstärkern zeigen.
Unter folgender Bezugnahme auf die Zeichnungen und zunächst auf 1 und 2 werden zwei Beispiele eines Mehrfach-Antennenelement-Antennenfelds 10, 10a in Übereinstimmung mit der Erfindung gezeigt. Die Antennenfelder 10, 10a von 1 und 2 unterscheiden sich in der Konfiguration der verwendeten Speisestruktur, wobei 1 eine parallele herstellerspezifische (corporate) Speisestruktur veranschaulicht und 2 eine serielle herstellerspezifische Speisestruktur veranschaulicht. In anderer Hinsicht sind die zwei Antennenfelder 10, 10a im Wesentlichen identisch. Jedes der Felder 10, 10a umfasst eine Vielzahl von Antennenelementen 12, die Monopol-, Dipol- oder Mikrostreifen-/Patch-Antennenelemente umfassen können. Andere Typen von Antennenelementen können verwendet werden, um die Felder 10, 10a auszubilden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
In Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verstärkerelement 14 funktionell an die Speisung jedes Antennenelements 12 gekoppelt und ist in dichter Nachbarschaft zu dem zugehörigen Antennenelement 12 angebracht. In einer Ausführungsform sind die Verstärkerelemente 14 ausreichend nahe an jedem Antennenelement so angebracht, dass keine nennenswerten Verluste zwischen dem Verstärkerausgang und dem Eingang des Antennenelements auftreten, wie dies der Fall sein könnte, wenn die Verstärker über eine Kabellänge oder dergleichen an die Antennenelemente gekoppelt würden. Zum Beispiel können sich die Leistungsverstärker 14 an dem Speisepunkt jedes Antennenelements befinden. In einer Ausführungsform umfassen die Verstärkerelemente 14 linear integrierte Schaltungs-Chipkomponenten mit geringem Stromverbrauch, wie beispielweise monolithisch integrierte Mikrowellenschaltungs-(MMIC)Chips. Diese Chips können Chips umfassen, die durch den Galliumarsenid-(GaAs)Heteroübergangs-Transistorherstellungsprozess gefertigt wurden. Allerdings können auch Silizium-Prozessfertigung oder CMOS-Prozessfertigung verwendet werden, um diese Chips auszubilden.
Einige Beispiel für MMIC-Leistungsverstärker-Chips sind wie folgt:

1. Lineare PCS-Leistungsverstärker, RF 2125P, RF 2125, RF 2126 oder RF 2146 von RF Microdevices, RF Micro Devices, Inc., 7625 Thorndike Road, Greensboro, NC 27409, oder 7341-D W. Friendly Ave., Greensboro, NC 27410;
2. Einzelspeisungs-RF-IC-Leistungsverstärker PM 2112 von Pacific Monolithics, Pacific Monolithics, Inc., 1308 Moffett Park Drive, Sunnyvale, CA;
3. Dualmodus-Leistungsverstärker CGY180 oder CGY-181, GaAs MMIC von Siemens, Siemens AG, 1301 Avenue of the Americas, New York, NY;
4. SMM-208, SMM-210 oder SXT-124 von Stanford Microdevices, Stanford Microdevices, 522 Almanor Avenue, Sunnyvale, CA;
5. MRFIC1817 oder MRFIC1818 von Motorola, Motorola Inc., 505 Barton Springs Road, Richardson, TX;
6. HPMX-30003 von Hewlett Packard, Hewlett Packard Inc., 933 East Campbell Road, Richardson, TX;
7. AWT1922 von Anadigics, Anadigics, 35 Technology Drive, Warren NJ 07059;
8. P0501913H von SEI Ltd., Taya-cho, Sakae-ku, Yokohama, Japan; und
9. CFK2062-P3, CCS1930 oder CFK2162-P3 von Celeritek, Celeritek, 3236 Scott BLVD., Santa Clara, CA 95054.

In den Antennenfeldern von 1 und 2 kann die Feld-Phasensteuerung durch Auswählen oder Spezifizieren der Beabstandung (d) von Element zu Element und/oder Variieren der Leitungslänge in der herstellerspezifischen Speisung eingestellt werden. Die Einstellung der Feld-Amplitudenkoeffizienten kann durch die Verwendung von Dämpfungsgliedern vor oder nach den Leistungsverstärkern 14 vorgenommen werden, wie in 3 gezeigt.
Unter folgender Bezugnahme auf 3 wird ein Antennensystem in Übereinstimmung mit der Erfindung und das ein Antennenfeld des Typs verwendet, der entweder in 1 oder 2 gezeigt ist, allgemein mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet. Das Antennensystem 20 umfasst eine Vielzahl von Antennenelementen 12 und zugehörige Leistungsverstärker-Chips 14, wie oben in Zusammenhang mit 1 und 2 beschrieben. Des Weiteren sind mit den Leistungsverstärkern 14 zweckdienliche Dämpferschaltungen 22 funktionell in Reihenschaltung gekoppelt. Die Dämpferschaltungen 22 können entweder vor oder nach dem Leistungsverstärker 14 zwischengeschaltet werden; in 3 sind sie jedoch an dem Eingang zu jedem Leistungsverstärker 14 veranschaulicht. Ein Leistungsteiler und Phasennetz 24 speist alle Leistungsverstärker 14 und ihre zugehörigen in Reihe verbundenen Dämpferschaltungen 22. Eine Einspeisung erfolgt über einen HF-Eingang 26 in diesen Leistungsteiler und das Phasennetz 24.
Unter Bezugnahme auf 4 wird eine Antennensystem-Installation, die das Antennensystem 20 von 3 verwendet, allgemein mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet. 4 veranschaulicht eine Basisstations- oder Infrastruktur-Konfiguration für ein Kommunikationssystem, wie beispielsweise ein zellulares System, ein Personal Communications System PCS oder ein Mehrkanalmehrpunktverteilsystem (MMDS). Die Antennenstruktur oder -baugruppe von 3 ist oben an einer Turm- oder einer anderen Trägerstruktur 42 angebracht. Eine DC-Vorstrom-T-Verzweigung 44 (DC bias tee) trennt Signale, die über das Koaxialkabel 46 empfangen werden, in DC-Speisestrom- und HF-Komponenten und empfängt umgekehrt eingehende HF-Signale von dem Antennensystem 20 und führt dieselben der Koaxialleitung bzw. dem Koaxialkabel 46 zu, das die am Turm angebrachten Komponenten mit bodenbasierten Komponenten koppelt. Die bodenbasierten Komponenten können eine DC-Stromversorgung 48 und einen HF-Eingang/Ausgang 50 von einem (nicht gezeigten) Sender/Empfänger umfassen, der sich am Standort einer entfernten Ausrüstung befinden kann und daher in 4 nicht gezeigt ist. Eine ähnliche DC-Vorstrom-T-Verzweigung 52 nimmt die DC-Stromversorgung und den HF-Eingang auf und koppelt sie mit der Koaxialleitung 46, und führt umgekehrt Signale, die von der Antennenstruktur 20 empfangen werden, dem HF-Eingang/Ausgang 50 zu.
5 veranschaulicht ein lokales Mehrpunktverteilsystem (LMDS), das die Antennenstruktur bzw. das Antennensystem 20, wie oben beschrieben, verwendet. Ähnlich wie bei der Installation von 4 wird in der Installation von 5 das Antennensystem 20 oben an einer Turm-/Trägerstruktur 42 angebracht. Des Weiteren verläuft ein Koaxialkabel 46, zum Beispiel ein HF-Koaxialkabel zum Transportieren von HF-Übertragungen zwischen dem oberen Teil der Turm-/Trägerstruktur und der bodenbasierten Ausrüstung. Die bodenbasierte Ausrüstung kann einen HF-Sendeempfänger 60 umfassen, der einen HF-Eingang von einem Sender aufweist. Ein weiterer ähnlicher HF-Sendeempfänger 62 befindet sich oben am Turm und tauscht HF-Signale mit der Antennenstruktur bzw. dem Antennensystem aus. Eine Stromversorgung, wie beispielsweise eine DC-Stromversorgung 48, ist ebenfalls für das Antennensystem 20 bereitgestellt und befindet sich oben auf dem Turm 42 in der in 6 gezeigten Ausführungsform.
7 und 8 veranschaulichen Einsatzbeispiele der Antennenstruktur bzw. des Antennensystems 20 der Erfindung in Verbindung mit gebäudeinternen Kommunikationsanwendungen. In 7 sind jeweilige DC-Vorstrom-T-Abzweigungen 70 und 72 mit einem RF-Koaxialkabel 74 verbunden. Die DC-Vorstrom-T-Abzweigung 70 befindet sich angrenzend an das Antennensystem 20 und weist jeweilige HF- und DC-Leitungen auf, die damit funktionell gekoppelt sind. Die zweite DC-Vorstrom-T-Abzweigung 72 ist mit einem HF-Eingang/Ausgang von einem Sender/Empfänger und mit einer zweckdienlichen DC-Stromversorgung 48 gekoppelt. Die DC-Vorstrom-T-Abzweigungen und die DC-Stromversorgung arbeiten in Verbindung mit dem Antennensystem 20 und einem entfernten (nicht gezeigten) Sender/Empfänger in ziemlich der gleichen Weise, wie hierin oben unter Bezugnahme auf das System von 4 beschrieben.
In 8 nimmt das Antennensystem 20 eine HF-Leistung von einem Faser-HF-Sendeempfänger 80 auf, der über ein faseroptisches Kabel 82 mit einem zweiten HF-Faser-Sendeempfänger 84 gekoppelt ist, der sich entfernt von der Antenne und dem ersten Sendeempfänger 80 befinden kann, wie in 8 veranschaulicht, oder an das Antennensystem 20 angrenzt, falls gewünscht. Die DC-Stromversorgung 48 wird mit einer getrennten Leitung bereitgestellt, die funktionell an das Antennensystem 20 in ziemlicher derselben Weise gekoppelt ist, wie zum Beispiel in der Installation von 6 veranschaulicht.
Was hierin gezeigt und beschrieben worden ist, ist ein neuartiges Antennenfeld, das Leistungsverstärker-Chips oder -Module an der Speisung von einzelnen Feld-Antennenelementen verwendet, und neuartige Installationen, die ein derartiges Antennensystem verwenden.
Unter folgender Bezugnahme auf 9–18, die noch übrig sind, weisen die verschiedenen gezeigten Ausführungsformen der Erfindung eine Reihe von Merkmalen auf, von denen drei Im Folgenden zusammengefasst werden:

1) Verwendung von zwei verschiedenen (Gruppen von) Patch-Elementen, eines zum Senden und eines zum Empfangen. Dies führt zu einer wesentlichen HF-Signal-Isolierung (Isolierung von über 20 dB bei PCS-Frequenzen, indem die Patches einfach horizontal um 4 Zoll getrennt werden), ohne dass der Einsatz eines Frequenzdiplexers an jedem Antennenelement (Patch) erforderlich ist. Diese Technik kann praktisch auf jedem Typ von Antennenelement (Dipol, Monopol, Mikrostreifen/Patch usw.) verwendet werden. In einigen Ausführungsformen eines verteilten Antennensystems verwenden wir eine Sammlung von Elementen (M vertikale Tx-Elemente 12 und M vertikale Rx-Elemente 30), wie in 9, 10 und 11 gezeigt. 9 und 10 zeigen die Elemente in einer reihengeschalteten herstellerspezifischen Speisestruktur sowohl für Tx als auch Rx. Es ist anzumerken, dass sie sich auch in einer (nicht gezeigten) parallelgeschalteten herstellerspezifischen Speisestruktur, oder die Tx sich in einer parallelgeschalteten herstellerspezifischen Speisestruktur und die Empfangs-Elemente sich in einer reihengeschalteten Speisestruktur (oder umgekehrt) befinden können.
2) Verwendung einer "eingebauten" rauscharmen Verstärker-(LNA)Schaltung oder -Vorrichtung; das heißt, die direkt in die Antenne für die Empfangs- (Rx) Seite eingebaut ist. 9 zeigt den LNA 140, nachdem die Antennenelemente 30 über die reihengeschaltete (oder parallelgeschaltete) herstellerspezifische Speisestruktur zusammengefasst sind. Die LNA-Vorrichtung 140 an der Rx-Antenne reduziert die gesamte System-Rauschzahl (NF) und erhöht die Empfindlichkeit des Systems auf das Signal, das von der Fernfunkstelle (remote radio) ausgestrahlt wird. Dies hilft daher dabei, den Bereich der Empfangsverbindung (Aufwärtsstrecke) zu vergrößern. Die gleichartige Verwendung der Leistungsverstärker-(PA)Vorrichtungen 14 (Chips) an den Sende-(Tx)Elementen ist oben erläutert worden.
3) Verwendung eines Frequenzdiplexers 150 mit geringem Stromverbrauch (in 9 und 10 gezeigt). In herkömmlichen Systemen auf Turnspitzen, (wie beispielsweise "Zellen-Boostern"), muss ein Hochleistungs-Frequenzdiplexer (in dem Zellen-Booster an der Turmspitze) verwendet werden, weil die der Antenne zugeführte Energie (am Eingang) Hochleistungs-HF ist. In unserem System kann, weil die der (Tx)-Antenne zugeführte Energie niedrig ist, (typischerweise weniger als 100 Milliwatt), ein Diplexer 150 mit geringem Stromverbrauch verwendet werden.

Außerdem ist es in einem herkömmlichen System typischerweise erforderlich, dass die Diplexer-Isolierung gut über 60 dB beträgt, oft bis zu 80 oder 90 dB Isolierung zwischen den Aufwärtstrecken- und Abwärtsstrecken-Signalen.
Da der Leistungsausgang von unserem System an jedem Patsch ein Schwachstrom ist (typisch weniger als 1–2 Watt), und da wir eine (räumliche) Isolierung bereits über die Trennung der Patches erreicht haben, sind die Isolierungsanforderungen für unseren Diplexer viel geringer.
In jeder der hierin veranschaulichten Ausführungsformen würde ein (nicht gezeigter) abschließender Sendesperrfilter in dem Empfangsweg verwendet werden. Dieser Filter könnte in den oder jeden LNA eingebaut werden, falls gewünscht, oder könnte in Schaltung vor dem oder jedem LNA gekoppelt werden.
Unter folgender Bezugnahme auf 11 verwendet diese Ausführungsform zwei getrennte Antennenelemente (Felder), eines zum Senden 12 und eines zum Empfangen 30, z.B. eine Vielzahl von Sende-(Feld)Elementen 12 und eine Vielzahl von Empfangs-(Feld)Elementen 30. Die Elemente können Dipole, Monopole, Mikrostreifen-(Patch)E lemente oder jedes andere abstrahlende Antennenelement sein. Das Sende-Element (Feld) verwendet eine von dem Empfangselement-Feld (nicht gezeigte) getrennte herstellerspezifische Speisung. Jedes Feld (Senden 12 und Empfangen 30) ist in einer getrennten vertikalen Säule gezeigt, um schmale Elevationsstrahlen zu formen. Dies kann auf die gleiche Weise für zwei (nicht gezeigte) horizontale Reihen von Feldern erfolgen, die schmale Azimut-Strahlen formen.
Die auf diese Weise vorgenommene (räumliche) Trennung der Elemente erhöht die Isolierung zwischen den Sende- und Empfangs-Antennenbändern. Dies wirkt ähnlich bei der Verwendung eines Frequenzdiplexers, der mit einem einzelnen Sende-/Empfangs-Element gekoppelt ist. Die Trennung um über eine halbe Wellenlänge stellt typischerweise eine Isolierung sicher, die größer als 10 dB ist.
Die Rückplatte/der Reflektor 155 kann eine ebene Grundplatte, eine stückweise oder segmentierte lineare gefaltete Grundplatte oder eine gekrümmte Reflektorplatte (für Dipole) sein. In jedem Fall können ein oder mehrere (parasitische) leitende Streifen 160, wie beispielsweise ein Stück Metall, auf der Rückplatte positioniert werden, um sicherzustellen, dass die Sende- und Empfangs-Element-Strahlungsmuster in der Azimut-Ebene oder der zu den Feldern rechtwinkligen Ebene zueinander symmetrisch sind. 11 veranschaulicht eine Ausführungsform, in der ein einzelner Mittelstreifen 160 zu diesem Zweck verwendet wird, und die im Folgenden beschrieben wird. Allerdings könnten auch mehrere Streifen verwendet werden, zum Beispiel über mehrere Streifen auf beiden Seiten des bzw. der jeweiligen Tx- und Rx-Antennenelemente. Dies kann auch für Antennenelemente (Tx, Rx) erfolgen, die in einem (nicht gezeigten) horizontalen Feld angeordnet sind, d.h. die Symmetrie in der Elevationsebene sicherstellen. Für Antennenelemente (Tx, Rx), die auf der Grundplate 155 nicht zentriert sind, wie in 11 gezeigt, sind die sich daraus ergebenden Strahlungsmuster typischerweise nicht-symmetrisch; das heißt, die Strahlen tendieren dazu, vom Azimut-Mittelpunkt weg schräg zu verlaufen. Der (Metall-) Mittelstreifen 160 "zieht" den Strahlungsmuster-Strahl für jedes Feld wieder zur Mitte zurück. Dieser Streifen 160 kann ein Vollmetall- (Aluminium, Kupfer, ...) Stab sein im Fall von Dipol-Antennenelementen oder ein einfacher Kupferstreifen im Fall von Mikrostreifen-/Patch-Antennenelementen. In jedem Fall kann der Mittelstreifen 160 mit dem Boden verbunden oder schwimmend sein, d.h. nicht mit dem Boden verbunden sein. Außerdem erhöht der Mittelstreifen 160 (oder der Stab) des Weiteren die Isolierung zwischen den Sende- und Empfangs-Antennenfeldern/-Elementen.
Die jeweiligen Tx- und Rx-Antennenelemente können in Bezug aufeinander rechtwinklig polarisiert sein, um eine noch weitere Isolierung zu erzielen. Dies kann erfolgen, indem die Empfangs-Elemente 30 in einer horizontalen Polarisierung gehalten werden und die Sende-Elemente 12 in einer vertikalen Polarisierung oder umgekehrt. Desgleichen kann dies erzielt werden, indem die Empfangs-Elemente 30 in einer um 45 Grad geneigten (rechten) Polarisierung und die Sende-Elemente 12 in einer um 45 Grad geneigten (linken) Polarisierung betrieben werden.
Die vertikale Trennung der Elemente 12 in dem Sende-Feld wird zum Erzielen des gewünschten Strahlenmusters und unter Berücksichtung der gegenseitigen Kopplung gewählt, die zwischen den Elementen 12 (in dem Sende-Feld) toleriert werden kann. Die Empfangs-Elemente 30 sind auf Grund ähnlicher Überlegungen vertikal beabstandet. Die Empfangs-Elemente 30 können von den Sende-Elementen 12 verschieden vertikal beabstandet sein; die herstellerspezifische(n) Speisung(en) müssen ausgeglichen werden, um ein dem Sendestrahlmuster ähnliches Empfangsstrahlmuster über das bzw. die gewünschten Frequenzbänder sicherzustellen. Die Phasensteuerung der herstellerspezifischen Empfangs-Speisung wird normalerweise leicht ausgeglichen, um ein ähnliches Muster für das Sende-Feld sicherzustellen.
Die meisten bestehenden zellularen/PCS-Antennen verwenden das gleiche Antennenelement oder -feld zum Senden und Empfangen. Die typische Anordnung weist ein HF-Kabel auf, das zur Antenne führt und welches eine parallele herstellerspezifische Speisestruktur verwendet; somit bearbeiten alle Speisewege und Elemente sowohl die Sende- als auch Empfangssignale. Somit besteht für diese Systemtypen kein Bedarf, die Elemente in getrennte Sende- und Empfangs-Funktionalitäten zu trennen. Die Merkmale dieses Ansatzes sind:

a) ein einzelnes (1) Antennenelement (oder -feld), das sowohl für den Tx- als auch Rx-Betrieb verwendet wird.
b) keine Einschränkung oder Beschränkung auf eine geometrische Konfiguration.
c) eine (1) einzelne herstellerspezifische Speisestruktur sowohl für Tx- als auch Rx-Betrieb.
d) das Element ist in der gleichen Ebene sowohl für Tx als auch Rx polarisiert.

In Bezug auf (c) und (d) gibt es einige Fälle, (d.h. doppelpolarisierte Antennen), bei denen kreuzpolarisierte Antennen, (buchstäblich zwei Antennenstrukturen oder Unterelemente innerhalb des gleichen Elements), mit der Tx-Funktionalität mit eigenem Unterelement und herstellerspezifischer Speisestruktur und mit der Rx-Funktionalität mit eigenem Unterelement und getrennter herstellerspezifischer Speisestruktur verwendet werden.
In 11 teilen wir die Sende- und Empfangs-Funktionalitäten in getrennte Sende- und Empfangs-Antennenelemente auf, um so die Trennung der verschiedenen Bänder (Senden und Empfangen) zu gestatten. Dies stellt eine verstärkte Isolierung zwischen den Bändern bereit, welche in dem Falle des Empfangswegs auch vor der Verstärkung dämpfen hilft, (den Leistungspegel der Signale in dem Sendeband zu reduzieren). Desgleichen (leistungs)verstärken wir für die Sendewege die Sendesignale unter Verwendung der aktiven Komponenten (Leistungsverstärker) erst vor dem Einspeisen des verstärkten Signals in die Sende-Antennenelemente.
Wie oben erwähnt, hilft der Mittelstreifen beim Korrigieren der Strahlen, wenn sie nach außen steuern. In einem Feld mit einer einzelnen Säule, in dem die gleichen Elemente für Senden und Empfangen verwendet werden, würde das Feld wahrscheinlich in der Mitte der Antenne (Grundplatte) positioniert werden (siehe z.B. die im Folgenden beschriebene 12). Somit würde der Azimut-Strahl (symmetrisch) rechtwinklig zur Grundplatte zentriert. Wenn jedoch angrenzende vertikale Felder, (eines für Tx und eines für Rx), verwendet werden, werden die Strahlen asymmetrisch und steuern um einige Grad nach außen. Die Positionierung eines parasitischen Mittelstreifens zwischen zwei Feldern "zieht" jeden Strahl wieder zur Mitte hin zurück. Natürlich kann dies modelliert werden, um die korrekte Streifenbreite und Positionierung(en) und Lagen der vertikalen Felder zu bestimmen, um jeden Strahl genau zu zentrieren.
Die Merkmale dieses Ansatzes sind:

a) Es werden zwei (2) verschiedene Antennenelemente (oder -felder) verwendet, eines für Tx und eines für Rx.
b) Die geometrische Konfiguration ist beabstandet, angrenzende Positionierung von Tx- und Rx-Elementen (wie in 11 gezeigt).
c) Es werden zwei (2) getrennte herstellerspezifische Speisestrukturen verwendet, eine für Tx und eine für Rx.
d) Jedes Element kann in der gleichen Ebene polarisiert werden, oder eine Anordnung kann konstruiert werden, in der das bzw. die Tx-Elemente sich in einer vorgegebenen Polarisierung befinden, und die Rx-Elemente sich alle in einer rechtwinkligen Polarisierung befinden.

Die Ausführungsform von 12 verwendet zwei getrennte Antennenelemente, eines zum Senden 12 und eines zum Empfangen 30, oder eine Vielzahl von Sende- (Feld) Elementen und eine Vielzahl von Empfangs-(Feld)Elementen. Die Elemente können Dipole, Monopole. Mikrostreifen-(Patch)Elemente oder jedes andere abstrahlende Antennenelement sein. Das Sende-Elementfeld verwendet eine vom Empfangs-Elementfeld getrennte herstellerspezifische Speisung. Alle Elemente befinden sich jedoch in einer einzelnen vertikalen Säule, um den Strahl in der Elevationsebene zu formen. Diese Anordnung kann auch in einer (nicht gezeigten) einzelnen horizontalen Reihe verwendet werden, um den Strahl im Azimut-Feld zu formen. Dieses Verfahren stellt hochsymmetrische (zentrierte) Strahlen in der Azimut-Ebene für eine Säule (von Elementen) und in der Elevationsebene für eine Reihe (von Elementen) sicher.
Die einzelnen Tx- und Rx-Antennenelemente in 12 können rechtwinklig zueinander polarisiert werden, um eine noch größere Isolierung zu erzielen. Dies kann erfolgen, in dem die Empfangs-Patches 30 (bzw. Element in dem Empfangsfeld) in der horizontalen Polarisierung und die Sende-Patches 12 (bzw. Elemente) in der vertikalen Polarisation gehalten werden oder umgekehrt. Dies kann desgleichen erreicht werden, indem die Empfangselemente in einer um 45 Grad geneigten (rechten) Polarisierung und die Sen de-Elemente 12 in einer um 45 Grad geneigten (linken) Polarisierung oder umgekehrt betrieben werden.
Diese Technik gestattet es, alle Elemente abwärts entlang einer einzelnen Mittellinie zu positionieren. Dies führt zu symmetrischen (zentrierten) Azimut-Strahlen und reduziert die erforderliche Breite der Antenne. Sie erhöht jedoch auch die gegenseitige Kopplung zwischen Antennenelementen, da sie eng zusammen gepackt werden sollten, um keine mehrdeutigen Elevationskeulen (elevation lobes) zu erzeugen.
Die Merkmale dieses Ansatzes sind:

a) Es werden zwei (2) verschiedene Antennenelemente (oder -felder) verwendet, eines für Tx und eines für Rx.
b) Die geometrische Konfiguration ist eine angrenzende, kollineare Positionierung.
c) Es werden zwei (2) getrennte herstellerspezifische Speisestrukturen verwendet, eine für Tx und eine für Rx.
d) Jedes Element ist in der gleichen Ebene polarisiert, oder die Tx-Elemente befinden sich alle in einer vorgegebenen Polarisierung, und die Rx-Elemente befinden sich alle in einer rechtwinkligen Polarisierung.

Die Ausführung von 13 verwendet ein einzelnes Antennenelement (oder -feld) sowohl für die Sende- als auch die Empfangs-Funktionen. In diesem Feld wird ein Patch-(Mikrostreifen)Antennenelement verwendet. Das Patch-Element 170 wird über die Verwendung einer Mehrfachelement-(4-Schicht-)Leiterplatte mit dielektrischen Schichten 183, 185, 187 erzeugt (siehe 14). Die Antennen können entweder über einen (nicht gezeigten) koaxialen Fühler (coaxial probe) oder öffnungsgekoppelte Fühler oder Mikrostreifenleitungen 180, 182 gespeist werden. Für die Empfangsfunktion wird die Speise-Mikrostreifenleitung 182 rechtwinklig zu der Speise-Streifenleitung (Fühler) 180 für die Sende-Funktion ausgerichtet.
Die Elemente können in einem Feld, wie in 13 gezeigt, zu Strahlformungszwecken kaskadiert werden. Der HF-Eingang wird zu den Strahlungselementen über eine getrennte herstellerspezifische Speisung von dem HF-Ausgang 192 (auf der herstellerspezifischen Empfangs-Speisung) gelenkt, und endet an einem Punkt "A". Es ist anzumerken, dass entweder einer von beiden oder beide herstellerspezifischen Speisungen 180, 182 parallele oder serielle herstellerspezifische Speisestrukturen sein können.
Die schematische Darstellung von 13 zeigt, dass der Empfangsweg HF in einer reihengeschalteten herstellerspezifischen Speisung zusammengefasst ist und an einem Punkt "A" (192) endet, dem ein rauscharmer Verstärker (LNA) vorhergeht. Rauscharme Verstärker (LNAs) können jedoch direkt am Ausgang von jeder der (in 13 nicht gezeigten) Empfangsspeisungen vor dem Zusammenfassen verwendet werden, ähnlich dem in 4 Gezeigten, wie oben erläutert.
Die Sende- und Empfangs-HF-Isolierung wird über rechtwinklige Polarisierungs-Abgriffe von dem gleichen Antennen-(Patch)Element erzielt, wie unter Bezugnahme auf 13 und 14 gezeigt und beschrieben. 14 gibt im Querschnitt die allgemeine geschichtete Konfiguration jedes Elements 170 von 13 an. Die jeweiligen Speisungen 180, 182 sind durch eine dielektrische Schicht 183 getrennt. Eine weitere dielektrische Schicht 185 trennt die Speisung 182 von einer Grundplatte 186, während noch eine weitere dielektrische Schicht die Grundplatte 186 von einem strahlenden Element oder "Patch" 188 trennt.
Dieses Konzept verwendet den gleichen physikalischen Antennenort für beide Funktionalitäten (Tx und Rx). Ein einzelnes Patch-Element (oder ein kreuzpolarisierter Dipol) kann als das Antennenelement mit zwei verschiedenen Speisungen (eine für Tx und eine für Rx bei rechtwinkliger Polarisierung) verwendet werden. Die zwei Antennenelemente (Tx und Rx) sind rechtwinklig polarisiert, da sie den gleichen physikalischen Raum einnehmen.
Die Merkmale dieses Ansatzes sind:

a) Es wird ein (1) Antennenelement (oder -feld) sowohl für Tx als auch für Rx verwendet.
b) Die geometrische Konfiguration weist keine Konstruktion auf.
c) Es werden zwei (2) getrennte herstellerspezifische Speisestrukturen verwendet, eine für Tx und eine für Rx.
d) Jedes Element enthält zwei (2) Unterelemente, die zueinander (rechtwinklig) kreuzpolarisiert sind.

Die Ausführungsformen von 15–16 zeigen zwei (2) Möglichkeiten, die Eingangs- und Ausgangs-HF von der aktiven Tx/Rx-Antenne zu der Basisstation zu lenken.
15 zeigt die Ausgangs-HF-Energie am Punkt 192 (von 8) und die Eingangs-HF-Energie, die zu Punkt 190 (von 13) geht, als zwei deutlich verschiedene Kabel 194, 196. Diese Kabel können Koaxialkabel oder faseroptische Kabel (mit HF/Analog-zu-Faser-Wandlern (RF/analog to fibre converters) an den Punkten "A" und "B") sein. Diese Anordnung erfordert keinen Frequenzdiplexer an dem (Turmspitzen-)Antennen-System. Des Weiteren ist kein Frequenzdiplexer an der Basisstation erforderlich, (der zum Trennen der Sendeband- und Empfangsband-Energien verwendet wird).
16 zeigt den Fall, in dem die Ausgangs-HF-Energie (von dem Empfangs-Feld) und die Eingangs-HF-Energie, (die zum Sende-Feld geht), zusammen (über einen Frequenzdiplexer 100) in dem Antennensystem so diplexiert werden, dass ein einzelnes Kabel 198 den (nicht gezeigten) Turm entlang hinunter zu der Basisstation 104 verläuft. Somit erfolgt der Ausgang/Eingang zu der Basisstation 104 über ein einzelnes Koaxialkabel (oder faseroptisches Kabel mit HF/Analog-zu-Faseroptik-Wandlern). Dieses System erfordert einen weiteren Frequenzdiplexer 102 an der Basisstation 104.
17 und 18 zeigen eine weitere Anordnung, die als ein aktives Sende-/Empfangs-Antennensystem verwendet werden kann. Dieses Feld umfasst eine Vielzahl von Antennenelementen 110 (Dipole, Monopole, Mikrostreifen-Patches, ...) mit einem Frequenzdiplexer 112, der direkt an der Antennenelementspeisung jedes Elements befestigt ist.
In 17 wird die HF-Eingangsenergie (Sendemodus) geteilt und über eine in Reihe geschaltete herstellerspezifische Speisestruktur 115, (wobei diese ein Mikrostreifen, eine Streifenleitung oder ein Koaxialkabel sein kann), zu jedem Element gelenkt, aber sie kann auch eine (nicht gezeigte) parallelgeschaltete herstellerspezifische Speisestruktur sein. Vor jedem Diplexer 112 befindet sich ein Leistungsverstärker-(PA)Chip oder -Modul 114. Der HF-Ausgang (Empfangsmodus) wird in einer getrennten herstellerspezifischen Speisestruktur 116 zusammengefasst und durch einen einzelnen LNA 120 vor dem Punkt "A", dem HF-Ausgang 122, verstärkt.
In 18 ist ein LNA 120 am Ausgang jedes Diplexers 112 für jedes Antennen- (Feld) Element 110 vorhanden. Jedes von diesen wird dann in der (in Reihe oder parallel geschalteten) herstellerspezifischen Speisung 125 zusammengefasst und zum Punkt "A" gelenkt, dem HF-Ausgang 122.
Diese Anordnungen in 17 und 18 können beide der zwei (in 15 und 16 beschriebenen) Verbindungen für die Verbindung mit der Basisstation 104 (Sendeempfänger-Ausrüstung) verwenden.
Was hierin gezeigt und beschrieben worden ist, sind ein neuartiges Antennenfeld, das Leistungsverstärker-Chips oder -Module an der Speisung von einzelnen Feld-Antennenelementen verwendet, und neuartige Installationen, die ein derartiges Antennensystem verwenden.
Zwar wurden spezielle Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und beschrieben, doch sollte klar sein, dass die Erfindung nicht auf die exakte Konstruktion und die Zusammensetzungen begrenzt ist, die hierin offenbart worden sind, und dass verschiedene Modifizierungen, Änderungen und Variationen aus den vorhergehenden Beschreibungen offensichtlich sind und so zu verstehen sind, dass sie insofern einen Bestandteil der Erfindung bilden, als sie unter den Umfang der Erfindung fallen, wie er in den Ansprüchen im Anhang definiert ist.

Claims

Antennensystem, das umfasst: eine Antennenstruktur (10) mit einer Vielzahl von Antennenelementen (12); eine Vielzahl von Leistungsverstärkern (14), wobei jeder Leistungsverstärker funktionell mit einem der Antennenelemente gekoppelt und nahe an das dazugehörige Antennenelement angrenzend angebracht ist, so dass es zu keinem nennenswerten Leistungsverlust zwischen dem Leistungsverstärker und dem zugehörigen Antennenelement kommt; wobei der Leistungsverstärker einen linearen Leistungsverstärker-Chip mit geringem Stromverbrauch und geringen Kosten pro Watt umfasst; einen ersten HF-Sendeempfänger (62, 80), der so konfiguriert ist, dass er an einer Turm-/Trägerstruktur (42) mit der Antennenstruktur (10) angebracht ist und mit jedem der Antennenelemente (12) der Antennenstruktur funktionell gekoppelt ist, um eingehende HF-Signale jedes der Vielzahl von Antennenelementen (12) zu empfangen und abgehende HF-Signale zu der Vielzahl von Leistungsverstärkern (14) zu senden; und einen zweiten HF-Sendeempfänger (60, 84), der so konfiguriert ist, dass er an einen Basisabschnitt der Turm-/Trägerstruktur (42) angrenzend angebracht ist und mit dem ersten HF-Sendeempfänger (62, 80) gekoppelt ist, wobei einige der Antennenelemente Sendeelemente sind und einige Empfangselemente sind, und es des Weiteren wenigstens einen rauscharmen Verstärker umfasst, der in die Antenne eingebaut ist, um Signale von wenigstens einem der Antennenelemente zu empfangen und zu verstärken, sich die Empfangs-Antennenelemente in einem ersten linearen Feld befinden und sich die Sende-Antennenelemente in einem zweiten linearen Feld befinden, das von dem ersten linearen Feld beabstandet und parallel zu ihm ist, dadurch gekennzeichnet, dass die entstehende Antennenstruktur ein elektrisch leitendes Mittelstreifen-Element (160) enthält, das zwischen der ersten und der zweiten linearen Anordnung angeordnet ist, und die Antennenelemente nicht zentriert auf einer Grundplatte (ground plane) (155) angeordnet sind.
Antennensystem nach Anspruch 1, wobei jedes Antennenelement ein Dipol ist.
Antennensystem nach Anspruch 1, wobei jede Antenne ein Monopol ist.
Antennensystem nach Anspruch, wobei jedes Antennenelement ein Mikrostreifen-/Patch-Antennenelement ist.
Antennensystem nach Anspruch 1, das des Weiteren eine Dämpferschaltung (22) enthält, die funktionell in Reihe mit jedem Leistungsverstärker gekoppelt ist, um Feld-Amplitudenkoeffizienten zu regulieren.
Antennensystem nach Anspruch 1, das des Weiteren einen Leistungsteiler und ein Phasennetz enthält, die funktionell mit allen der Leistungsverstärker (14) gekoppelt sind.
Antennensystem nach Anspruch 1, wobei die Antennenelemente und die Leistungsverstärker mit einer Speisestruktur gekoppelt sind und wobei wenigstens ein Abstand von Antennenelement zu Antennenelement oder die Leitungslänge der Speisestruktur so ausgewählt wird, dass eine gewünschte Feld-Phasensteuerung erzielt wird.
Antennensystem nach Anspruch 1, das des Weiteren eine DC-Einspeisung (DC bias tee) enthält, die so konfiguriert ist, dass sie an der Turm-/Trägerstruktur angebracht und funktionell mit der Antennenstruktur gekoppelt ist.
Antennensystem nach Anspruch 1, das des Weiteren eine Koaxialleitung enthält, die mit der DC-Einspeisung gekoppelt ist und zu einer massebasierten zweiten DC-Einspeisung verläuft, die so konfiguriert ist, dass sie an einen Basisabschnitt der Turm-/Trägerstruktur angrenzend angeordnet ist, wobei die zweite DC-Einspeisung funktionell mit einer Gleichstromquelle und dem zweiten HF-Sendeempfänger gekoppelt ist.
Antennensystem nach Anspruch 1, das des Weiteren eine Drahtlosverbindung enthält, die zwischen den ersten Sendeempfänger und den zweiten HF-Sendeempfänger gekoppelt ist.
Antennensystem nach Anspruch 1, wobei der erste HF-Sendeempfänger ein HF-Faser-Sendeempfänger ist, der funktionell mit der Antennenstruktur gekoppelt ist; der zweite Sendeempfänger ein HF-Faser-Sendeempfänger ist; und des Weiteren ein faseroptisches Kabel umfasst, das die zwei HF-Faser-Sendeempfänger koppelt.
Antennensystem nach Anspruch 1, das eine Vielzahl rauscharmer Verstärker enthält, die jeweils funktionell mit einem der Empfangs-Antennenelemente gekoppelt sind.
Antennensystem nach Anspruch 1, wobei ein einzelner rauscharmer Verstärker funktionell mit einem zusammengefassten Ausgang aller Empfangs-Antennenelemente gekoppelt ist.
Antennensystem nach Anspruch 1, das des Weiteren einen Frequenz-Diplexer mit geringem Stromverbrauch enthält, der funktionell mit allen Leistungsverstärkern und dem wenigstens einen rauscharmen Verstärker gekoppelt ist, um ein einzelnes HF-Kabel mit allen Sende- und Empfangs-Antennenelementen zu koppeln.
Antennensystem nach Anspruch 1, wobei ein einzelnes Sende-HF-Kabel mit allen Leistungsverstärkern gekoppelt ist, um zu sendende Signale zu der Antennenvorrichtung zu leiten, und ein einzelnes Empfangs-HF-Kabel mit dem wenigstens einen rauscharmen Verstärker gekoppelt ist, um empfangene Signale von der Antennenvorrichtung wegzuleiten.
Antennensystem nach Anspruch 1, wobei die Empfangs-Antennenelemente, die Sende-Antennenelemente und das Mittelstreifen-Element sämtlich an einer gemeinsamen Rückplatte angebracht sind.
Antennensystem nach Anspruch 16, wobei alle Leistungsverstärker ebenfalls an der Rückplatte angebracht sind.
Antennensystem nach Anspruch 1, wobei die Sende-Antennenelemente und die Empfangs-Antennenelemente in einem einzelnen linearen Feld in abwechselnder Reihenfolge angeordnet sind.
Antennensystem nach Anspruch 1, wobei die Sende-Antennenelemente in einer Polarisation polarisiert sind und die Empfangs-Antennenelemente rechtwinklig zu der Polarisation der Sende-Antennenelemente polarisiert sind.
Antennensystem nach Anspruch 1, wobei die Sende-Antennenelemente entsprechend einem bestimmten Strahlungsmuster und um nicht mehr als ein Maß gegenseitiger Kopplung beabstandet sind, und wobei die Empfangs-Antennenelemente entsprechend einem bestimmten Strahlungsmuster und um nicht mehr als ein bestimmtes Maß gegenseitiger Kopplung beabstandet sind.
Antennensystem nach Anspruch 20, das des Weiteren eine Sende-Verbund-Speisestruktur, die funktionell mit den Sende-Antennenelementen gekoppelt ist, und eine Empfangs-Verbund-Speisestruktur enthält, die funktionell mit den Empfangs-Antennenelementen gekoppelt ist, und wobei eine oder beide der Verbund-Speisestrukturen so eingestellt sind, dass sie das Sende-Strahlungsmuster und das Empfangs-Strahlungsmuster so ausbilden, dass sie gleichartig sind.
Antennensystem nach Anspruch 1, wobei ein einzelnes Feld von Patch-Antennenelementen sowohl als die Sende-Antennenelemente als auch die Empfangs-Antennenelemente arbeitet, und das des Weiteren eine Sende-Speise-Streifenleitung und eine Empfangs-Speise-Streifenleitung enthält, die mit jedem der Patch-Antennenelemente gekoppelt sind, wobei die Sende-Speise-Streifenleitung und die Empfangs-Speise-Streifenleitung wenigstens in einem Bereich, in dem sie mit jedem der Patch-Elemente gekoppelt sind, rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind.
Verfahren zum Konstruieren eines Antennensystems, das umfasst: Anordnen einer Vielzahl von Antennenelementen (12) in einem Antennenfeld (10) an einer Antenne; und funktionelles Koppeln jedes einer Vielzahl von Leistungsverstärkern (14), die jeweils einen linearen Leistungsverstärker-Chip mit geringem Stromverbrauch und geringen Kosten pro Watt umfassen, mit einem Antennenelement (12) der Vielzahl von Antennenelementen (12), wobei jeder Leistungsverstärker nahe an das jeweili ge zugehörige Antennenelement angrenzend so angebracht ist, dass kein nennenswerter Leistungsverlust zwischen ihnen auftritt; Positionieren eines ersten Sendeempfängers (62, 80) an einer Turm-/Trägerstruktur (42) mit dem Antennenfeld zum Empfangen eingehender HF-Signale jedes der Vielzahl von Antennenelementen (12) und zum Senden abgehender HF-Signale zu der Vielzahl von Leistungsverstärkern (14); funktionelles Koppeln des ersten Sendeempfängers (62, 80) mit dem Antennenfeld; Anbringen eines zweiten HF-Sendeempfängers (60, 84) an einen Basisabschnitt der Turm-/Trägerstruktur (42) angrenzend; Koppeln des ersten Sendeempfängers (62, 80) mit dem zweiten Sendeempfänger (60, 84); Konfigurieren einiger der Antennenelemente als Sende-Elemente und einiger als Empfangs-Elemente und Bereitstellen wenigstens eines in die Antenne eingebauten rauscharmen Verstärkers zum Empfangen und Verstärken von Signalen von wenigstens einem der Empfangs-Antennenelemente; Anordnen der Empfangs-Antennenelemente in einem ersten linearen Feld und Anordnen der Sende-Antennenelemente in einem zweiten linearen Feld, das von dem ersten linearen Feld beabstandet und parallel dazu ist, gekennzeichnet durch: Positionieren eines elektrisch leitenden Mittelstreifen-Elementes (160) zwischen dem ersten und dem zweiten linearen Feld, und Anordnen der Antennenelemente nicht-zentriert auf einer Grundplatte (155).
Verfahren nach Anspruch 23, das des Weiteren Regulieren von Feld-Amplitudenkoeffizienten durch Koppeln einer Dämpferschaltung in Reihe mit jedem Leistungsverstärker einschließt.
Verfahren nach Anspruch 23, das des Weiteren Koppeln eines Leistungsverstärkers und eines Phasennetzes mit allen Leistungsverstärkern einschließt.
Verfahren nach Anspruch 23, das des Weiteren Koppeln der Antennenelemente und der Leistungsverstärker mit einer Speisestruktur und Auswählen wenigstens eines Abstandes von Antennenelement zu Antennenelement oder einer Leitungslänge in der Speisestruktur zum Erreichen einer gewünschten Feld-Phasensteuerung einschließt.
Verfahren nach Anspruch 23, das des Weiteren Anbringen einer DC-Einspeisung an der Turm-/Trägerstruktur und operatives Koppeln der DC-Einspeisung mit dem Antennenfeld einschließt.
Verfahren nach Anspruch 27, das des Weiteren Koppeln einer Koaxialleitung von der DC-Einspeisung mit einer massebasierten zweiten DC-Einspeisung an einen Basisabschnitt der Turm-/Trägerstruktur angrenzend und Koppeln der zweiten DC-Einspeisung mit einer Gleichstromquelle und dem zweiten HF-Sendeempfänger einschließt.
Verfahren nach Anspruch 23, das des Weiteren Koppeln des ersten HF-Sendeempfängers und des zweiten HF-Sendeempfängers unter Verwendung einer Drahtlosverbindung und eines Kabels zum Leiten von Datenübertragungen zwischen dem ersten HF-Sendeempfänger und dem zweiten HF-Sendeempfänger einschließt.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Sende-Empfänger HF-Faser-Sendeempfänger sind, und wobei es des Weiteren umfasst: Koppeln eines faseroptischen Kabels zwischen den ersten HF-Faser-Sendeempfänger und den zweiten HF-Faser-Sendeempfänger.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei eine Vielzahl rauscharmer Verstärker vorhanden sind, die jeweils funktionell mit einem der Empfangs-Antennenelemente gekoppelt sind.
Verfahren nach Anspruch 25, das des Weiteren Summieren der Ausgänge aller Empfangs-Antennenelemente und Koppeln des summierten Ausgangs zu einem einzelnen rauscharmen Verstärker einschließt.
Verfahren nach Anspruch 25, das des Weiteren Koppeln eines Frequenz-Diplexers mit niedrigem Stromverbrauch mit allen der Leistungsverstärker und Koppeln eines einzelnen HF-Kabels mit allen der Sende- und Empfangs-Antennenelemente über den Diplexer einschließt.
Verfahren nach Anspruch 25, das des Weiteren Koppeln eines einzelnen Sende-HF-Kabels mit allen Leistungsverstärkern zum Leiten zu sendender Signale zu den Sende-Antennenelementen und Koppeln eines einzelnen Empfangs-HF-Kabels mit dem wenigstens einen rauscharmen Verstärker zum Leiten empfangener Signale von den Empfangs-Antennenelementen weg einschließt.
Verfahren nach Anspruch 25, das des Weiteren Anbringen der Empfangs-Antennenelemente, der Sende-Antennenelemente und des Mittelstreifen-Elementes an einer gemeinsamen Rückplatte einschließt.
Verfahren nach Anspruch 35, das des Weiteren Anbringen aller Leistungsverstärker und des wenigstens einen rauscharmen Verstärkers an der Rückplatte einschließt.
Verfahren nach Anspruch 25, das des Weiteren Anordnen der Sende-Antennenelemente und der Empfangs-Antennenelemente in einem einzelnen linearen Feld in abwechselnder Reihenfolge einschließt.
Verfahren nach Anspruch 25, das des Weiteren Polarisieren der Sende-Antennenelemente in einer Polarisation und Polarisieren der Empfangs-Antennenelemente rechtwinklig zu der Polarisation der Sende-Antennenelemente einschließt.
Verfahren nach Anspruch 25, das des Weiteren Beabstanden der Sende-Antennenelemente voneinander entsprechend einem bestimmten Strahlungsmuster und um nicht mehr als ein bestimmtes Maß gegenseitiger Kopplung sowie Beabstanden der Empfangs-Antennenelemente entsprechend einem bestimmten Strahlungsmuster und um nicht mehr als ein bestimmtes Maß gegenseitiger Kopplung einschließt.
Verfahren nach Anspruch 39, das des Weiteren Koppeln einer Sende-Verbund-Speisestruktur mit den Sende-Antennenelementen und einer Empfangs-Verbund-Speisestruktur mit den Empfangs-Antennenelementen sowie Einstellen einer oder beider der Verbund-Speisestrukturen zum Ausbilden des Sende-Strahlungsmusters und des Empfangs-Strahlungsmusters einschließt, so dass sie im Wesentlichen gleichartig sind.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei ein einzelnes Feld von Patch-Antennenelementen sowohl als die Sende-Antennenelemente als auch als die Empfangs-Antennenelemente arbeitet, und das des Weiteren Koppeln einer Sende-Speise-Streifenleitung sowie einer Empfangs-Speise-Streifenleitung mit jedem der Patch-Antennenelemente und Ausrichten der Sende-Speise-Streifenleitung sowie der Empfangs-Speise-Streifenleitung rechtwinklig zueinander wenigstens in einem Bereich einschließt, in dem sie mit jedem der Patch-Elemente gekoppelt sind.