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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren
zum Erzeugen von Strahlungsmustern für eine Antennenanordnung (ein
Antennenarray).
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
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In
Mobiltelefonsystemen werden abgesehen von Verkehrskanälen, auf
denen Sprach- und andere Arten von Daten zwischen einer Basisstation
und einer Mobilstation übertragen
werden, auch sogenannte Steuerkanäle, die unterschiedliche Arten
von Steuerinformation übertragen,
verwendet. Einige dieser Steuerkanäle, wie die Verkehrskanäle, übertragen Punkt-zu-Punkt-Information
zwischen der Basisstation und den Mobilstationen. Andere Steuerkanäle werden
von der Basisstation zur Kommunikation mit allen Mobilstationen
innerhalb einer Sektorzelle zur gleichen Zeit verwendet. Dies erfordert
eine Antenne bei der Basisstation mit einem ausreichend breiten Strahl
in der Horizontalebene, um den gesamten betroffenen Sektor abzudecken.
Ein solcher sektorabdeckender Strahl hat gewöhnlich eine begrenzte Strahlbreite
in Vertikalrichtung und bildet demnach eine horizontale Scheibe,
einen sogenannten Flachstrahl.
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Die
Bereichsanforderung für
Kanäle
für Punkt-zu-Punkt-Information ist dieselbe,
wie die für Kanäle für Punkt-zu-Mehrpunkt-Information.
In derzeitigen Systemen wird demnach diese beiden Funktionen ein
und dieselbe Sektorantenne verwendet für. Punkt-zu-Punkt-Information
jedoch würde
nicht von der Basisstation in einer solchen Weise zu senden sein,
dass alle Mobilstationen im Sektor sie empfangen können. Es
wäre ausreichend,
dass die Mobilstation, für
die die Information gedacht ist, es kann. Die Basisstation mag demnach
die Sendeleistung, selbst zur Seite hin, konzentrieren, um die gewünschten Richtungen
durch Verwenden von Antennen mit Strahlungsmustern mit schmalen
Strahlen zu erzielen. Wenn dieselben Antennen verwendet werden für den Empfang,
wird eine entsprechende Anhebung der Empfängerempfindlichkeit in der
gewünschten Richtung
erzielt. Diese Konzentration der Sendeleistung und der Empfängerempfindlichkeit
kann verwendet werden zum Vergrößern des
Bereichs und/oder zum Verringern des Energiebedarfs am Sender sowohl
der Basisstation, als auch der Mobilstation. Da die Kanalfrequenzwiederverwendung durch
Beabstandung mit diesem Verfahren reduziert werden kann, kann die
Gesamtkapazität
des Mobiltelefonsystems auch auf diese Weise verbessert werden.
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Eine
wahrnehmbare Möglichkeit
des Erstellens einiger simultaner schmaler Strahlen ist das Verwenden
einer Butler-Matrix,
die mit einer Antennenanordnung verbunden ist. Eine Butler-Matrix
ist eine vollständig
passive und reziproke Schaltung, die eine Verbindung einer Anzahl
von Hybridkopplern und entweder Festphasenverschiebungselemente
oder Übertragungskabel
variierender Längen
umfasst. Eine Butler-Matrix für
eine Antenne von N Elementen, wobei N eine ganze Zahl ist, gewöhnlich eine
Potenz von 2, hat N Eingangsports und N Ausgangsports und ermöglicht demnach
das Erzeugen von N schmalen Strahlen. Ein Signal an einem der Eingangsports
zu der Butler-Matrix resultiert in Signalen an den Ausgangsports
der Matrix von im wesentlichen derselben Amplitude, aber unterschiedlichen Phasen.
Jeder Eingangsport entspricht einer gewissen Kombination von Phasen
an den Ausgangsports. Jede dieser Kombinationen erzeugt einen schmalen Strahl
von dem Antennenarray. Da die Antenne und die Butler-Matrix vollständig reziprok
sind, arbeitet das System sowohl für den Empfang, als auch für das Senden.
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Eine
Antennenspeisung von einer Butler-Matrix verwendend, kann ein Satz
schmaler Strahlen erzielt werden, in welchem jedes individuelle
Funkmuster Nullen hat für
jeden Winkel, bei dem ein anderes Strahlungsmuster eine Maximalleistung
zeigt (wenn die Leistung normiert wird unter Verwendung der Antennenverstärkung des
Elementemusters). Schmale Strahlen, die dieses Kriterium erfüllen, werden
zueinander orthogonal gezeichnet. Unter Verwendung einer Butler-Matrix
kombiniert mit einer Antennenanordnung zum Erreichen eines Satzes
von schmalen Strahlen, ist zuvor als solches bekannt.
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Es
würde möglich sein,
eine separate Sektorantenne oder alternativ eine der Spalten in
einer Antennenanordnung (einem Antennenarray) für die Breitstrahlfunktion zu
verwenden. Der niedrigere Antennengewinn für die Breitstrahlfunktion würde dann durch
eine höhere
Verstärkungsleistung
kompensiert werden. Der Antennengewinn kennzeichnet hier den Zusammenhang
zwischen der Maximalstrahlung einer Antenne und der Strahlung einer
idealen verlustfreien rundumstrahlenden Antenne mit derselben zugeführten Leistung.
Beispielsweise hat eine Antennenanordnung mit acht Spalten einen
Antennengewinn, der 9 dB höher
ist als der einer einzelnen Antennenspalte oder einer Sektorantenne.
Dies impliziert, dass die Leistungsverstärkung des Verstärkers 9
dB höher
sein muss, um den geringeren Antennengewinn zu kompensieren.
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Die
UK-Patentschrift
GB 2 169 453 offenbart ein
Verfahren zum Erzeugen einer Anzahl von schmalen Strahlen mit unterschiedlichen
Richtungen und einem breiten Strahl, der denselben Bereich abdeckt,
wie alle Strahlen zusammen, unter Verwendung einer Antennenanordnung.
Hier wird eine elektromagnetische Linse vom sogenannten Rotman-Typ mit
parallelen Platten verwendet. Auf einer Seite der Linse gibt es
eine Anzahl von Strahlports und auf der gegenüberliegenden Seite gibt es
eine Anzahl von Antennenports. Jeder dieser Antennenports ist durch ein
Verstärkungsmodul
an ein Antennenelement in einer Antennenanordnung gekoppelt. Jeder
Strahlport entspricht einem der schmalen Strahlen in dem Stand der
Technik. Ferner ist die Linse mit einer separaten Verbindung ausgerüstet, deren
Position an der Linse derart abgestimmt wird, dass der geometrische
Abstand zu den Antennenports die dieser Verbindung zugeführte Signalleitung
veranlasst, über
die Antennenports in solcher Weise aufgeteilt zu werden, dass ein
breiter Strahl von der Antennenanordnung erzeugt wird.
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Die
elektromagnetische Linse ist eine sperrige und teure Komponente,
die nicht am Markt verfügbar
ist. Auch erhält
der breite Strahl, wie in den zuvor beschriebenen Fällen, einen
niedrigeren Antennengewinn als die schmalen Strahlen, was eine teuere zusätzliche
getrennte Verstärkung
für den
breiten Strahl erfordert, um nicht einen kürzeren Bereich zu erhalten,
als den der schmalen Strahlen.
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Das
Dokument des Standes der Technik WO 96/30964 zeigt verschiedene
Anordnungen für
Kommunikationssignale nur für
einen gegebenen Sektor in einer Zelle oder Rundsendesignale über die
gesamte Zelle. Eine in 3 gezeigte Anordnung des Standes
der Technik umfasst drei Verstärkermodule, die
die jeweiligen Strahlports einer Butler-Matrix koppeln, wobei die
Butler-Matrix drei Antennenports hat, und die Butlermatrix eine
Strahlformung der drei schmalen Kolben vornimmt, die in unterschiedliche Richtungen
zeigen.
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Einer
in 7 der WO 96/30964 gezeigten Ausführungsform
umfasst ein Verstärkermodul
und drei Verzögerungsmodule,
wobei jedes jeweilige Verzögerungsmodul
an jeweilige Strahlports einer Butler-Matrix ankoppelt, die Butler-Matrix
drei Antennenports hat, die Butler-Matrix Strahlformung von drei schmalen
Kolben, die in unterschiedliche Richtungen zeigen, ausführt. Die
den jeweiligen Strahlen der Ausführungsform
der 7 zugeordneten Rundsendesignale
erreichen einen gegebenen Ort in einem Überlappungsbereich von aneinandergrenzenden Sektoren
zu unterschiedlichen Zeitpunkten, derart, dass Signalauslöschung möglicherweise
nicht auftreten kann. Für
die Empfänger
in der Zelle wird die Zeitverzögerung
als Intersymbolinterferenz erscheinen, die von Multipart-Fading
stammt, einem Effekt, den die Entzerrer in den Empfängern in
der Zelle imstande sind, zu handhaben. Die 7-Ausführungsform der
WO 96/30964 bildet den Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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RESÜMEE DER
ERFINDUNG
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, eine Einrichtung bereitzustellen, um
simultanes Erzeugen einer Anzahl von schmalen Bändern und eines breiten Strahls zu
ermöglichen.
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Das
Ziel ist durch die Antenneneinrichtung erreicht worden, wie sie
durch denn Patentanspruch 1 definiert ist.
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In
der Antenneneinrichtung nach Anspruch 1 sind Antennenports und Strahlports
gegenseitig in solcher Weise verbunden, dass eine individuelle Aktivierung
der Strahlports durch ein Verstärkungsmodul
jedes Ports eine Signalverteilung auf den Antennenports verursacht,
die spezifisch ist für
jeden Strahlport und entsprechend einem spezifischen Strahlungsmuster
mit einem schmalen Hauptstrahl von der Antennenanordnung. Durch
Verteilen eines Breitstrahlsignals, vorzugsweise mit gleichmäßiger Leistungsverteilung,
und Zuführen
von ihm zu den Strahlports über
die Verstärkungsmodule,
wird die Antennenanordnung veranlasst, den Breitstrahl zu erzeugen.
Das Breitstrahlsignal wird dann von der Antennenanordnung über ein
relativ großes
Winkelintervall gesendet. Mit geeigneten Phasenzusammenhängen in
dem Breistrahlsignal an den Strahlports wird die Strahlformungseinrichtung
demnach dazu gebracht, die Signalleistung hauptsächlich auf einen der Antennenports
zu konzentrieren. Hierdurch wird das Signal hauptsächlich von
einer der Sub-Anordnungen (Sub-Arrays) gesendet, von denen jede mindestens
ein Antennenelement umfasst. Die Strahlbreite des Breitstrahls wird
demnach hauptsächlich
durch das individuelle Strahlungsmuster der Sub-Anordnung bestimmt.
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Durch
Verwenden aller Verstärkungsmodule gleichzeitig
beim Erzeugen des Breitstrahls, wird der niedrigere Gewinn des Breitstrahls
durch eine entsprechend höhere
Verstärkung
kompensiert, die dem Breitstrahl den gewünschten Bereich verleiht.
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Es
ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, die Implementierung
einer Einrichtung für das
simultane Erzeugen einer Anzahl von Schmalstrahlen oder eines Breitstrahls
mit einer Antenneneinrichtung zu implementieren, wobei der Breitstrahl im
wesentlichen denselben Bereich abdeckt, wie er durch die individuellen
Schmalstrahlen gemeinsam abgedeckt wird, hierdurch einen ausreichenden
Bereich für
die gewünschte
Breitstrahlfunktion erzielend. Der Bereich des Breitstrahls muss
im wesentlichen derselbe sein, wie der der Schmalstrahlen. Die schmalen
Strahlen haben einen höheren
Antennengewinn verglichen mit der Breitstrahlfunktion. Das Erfüllen dieser
Erfordernisse hat in der Vergangenheit Probleme mit sich gebracht.
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Die
vorliegende Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 dargelegt ist,
löst dieses
Problem durch Verwenden einer Antennenanordnung, die eine erste Anzahl
von Sub-Anordnungen umfasst, von denen jede mindestens ein Antennenelement
umfasst, und eine Strahlformungseinrichtung, die mit der Antennenanordnung
derart verbunden ist, dass eine Butler-Matrix eine zweite Anzahl von Antennenports
umfasst und eine dritte Anzahl von Strahlports, die Aktivierung
jedes von mindestens einer Anzahl der Strahlports separat einem
Strahlungsmuster entspricht, gekennzeichnet durch einen schmalen Hauptstrahl
von der Antennenanordnung. Durch die simultane Aktivierung mindestens
einer Anzahl der Strahlports durch dasselbe Signal mit geeigneten Phasenverschiebungen,
wird eine Überlagerung
der Strahlungsmuster entsprechend den jeweiligen aktivierten Strahlports
derart erzielt, dass ein breiter Strahl erzeugt wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird die Breitstrahlfunktion durch eine geeignete
Auswahl von Phasenzusammenhängen
zwischen den Strahlsignalen erzielt. In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird insbesondere die gesamte Leistung auf einen der
Antennenports konzentriert und demnach auch auf eine Unteranordnung
in dem Antennenarray. Das Strahlungsmuster hat demnach einen breiten
und glatten Hauptstrahl.
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Ein
anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Einrichtung und ein Verfahren
für Mobiltelefonsysteme
zu erlangen, um die Kommunikation zwischen Basisstationen und Mobilstation über schmale
Strahlen zu ermöglichen.
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Ein
Vorteil dieser vorliegenden Erfindung ist, dass alle verstärkenden
Module simultan beim Erzeugen des Breitstrahls verwendet werden
können, um
einen ausreichenden Bereich zu erzielen.
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Ein
anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass eine Einrichtung
zum simultanen Erzeugen einer Anzahl von schmalen Strahlen und eines
breiten Strahls mit nur einer Funkantenneneinrichtung eine Anzahl
von schmalen Strahlen erhalten wird, die hohe Bedürfnisse
an Kosten und Raum erfüllen.
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Ein
fernerer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie die Verwendung
von schmalen Strahlen in Mobiltelefonsystemen ermöglicht,
durch welche eine reduzierte Interferenz und eine verbesserte Frequenz-Verwendung
erzielt werden kann.
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Fernere
Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigt:
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1 ein
Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine
Ansicht von Strahlungsmustern, die durch die in 1 gezeigte
Ausführungsform
erhalten werden;
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3 ein
Verbindungsdiagramm zum Zeigen einer Butler-Matrix in Übereinstimmung mit dem Stand
der Technik für
die in 1 und in 2 gezeigte
Ausführungsform;
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4 eine
Ansicht einer Ausführungsform der
Erfindung, die in einem Zellularmobiltelefonsystem verwendet wird;
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5 ein
skizzenähnliches
Blockdiagramm zum Erläutern
der Prinzipien einer Ausführungsform der
Erfindung in Bezug auf zweidimensionale Butler-Matrix;
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6 ein
Blockdiagramm einer Basisstation 71 in einem Zellularmobiltelefonnetz
gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7a ein
Signaldiagramm zum Zeigen des Strahlungsmusters der 1, 2 und 3;
und
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7b ein
Signaldiagramm zum Erläutern sowohl
der Breitbandfunktion, als auch der in 1, 2 und 3 gezeigten
Ausführungsformen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt
eine Funkantenneneinrichtung 10, die eine Antennenanordnung 3 (Antennenarray) umfasst,
welche wiederum acht Antennenelemente 3a, ..., 3h umfasst,
eine Butler-Matrix 2 und acht Verstärkungsmodule 1a, ..., 1h.
Die Butler-Matrix 2 umfasst wiederum acht Antennenports
A1, ..., A8, von denen jeder mit einem Antennenelement 3a,
..., 3h verbunden ist, und acht Strahlports 2L1 , ..., 2L8 .
Jedes der acht Verstärkungsmodule 1a,
..., 1h umfasst eine erste Verbindung L1, ..., L8 und eine
zweite Verbindung, wobei die zweite Verbindung mit den acht Strahlports 2L1 , ..., 2L8 verbunden
ist.
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2 zeigt
das Hauptstrahlungsmuster dieser Funkantenneneinrichtung 10.
Die Funkantenneneinrichtung ist angeordnet zum Erzeugen von acht schmalen,
teilweise überlappenden
Schmalstrahlen 4a, ..., 4h. Individuelle Aktivierung
der Strahlports erzeugt eine Signalverteilung, die spezifisch ist
für jeden
Strahlport auf den Antennenports entsprechend einem Schmalstrahl
von der Antennenanordnung in einer spezifischen Richtung. Ferner
muss die Funkantenneneinrichtung imstande sein, einen Breitstrahl 5 zu
erzeugen, der im wesentlichen denselben Bereich abdeckt, wie die
acht Schmalstrahlen 4a, ..., 4h zusammen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung werden die Schmalstrahlen 4a, ..., 4h gegenseitig
orthogonal sein. Hierdurch hat jedes individuelle Schmalstrahlenstrahlungsmuster
Nullen für jeden
Winkel, in dem ein anderes Strahlungsmuster eine maximale Leistung
hat (wenn die Leistung normalisiert ist unter Verwendung des Antennengewinns des
Elementemusters).
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Die
Butler-Matrix 2 ist in 3 detaillierter gezeigt.
Zwischen den Strahlports 2L1 , ..., 2L8 und den Antennenports A1, ..., A8
umfasst die Butler-Matrix 2, wie sie im Stand der Technik
bekannt ist, einen ersten Satz von Hybridkopplern 21a,
..., 21d, einen zweiten Satz von Hybridkopplern 23a,
..., 23d und einen dritten Satz von Hybridkopplern 28a,
..., 28d, in solcher Weise, dass jeder Strahlport 2L1 , ..., 2L8 mit
jedem Antennenport A1, ..., A8 verbunden ist. An einem der Strahlports
zugeführte
Signalleistung wird im wesentlichen gleichmäßig über die Antennenports verteilt werden.
Ferner umfasst die Butler-Matrix eine Anzahl von Festphasenschiebeelementen 22a,
..., 22d, 24, 25, 26, 27.
Die Bandbreite der Butler-Matrix hängt von der Implementierung
der Hybridkoppler und der Phasenverschiebungselemente ab. Es gibt
Beispiele von Butler-Matrizen mit einer Bandbreite bis zu einer Oktave.
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Die
Definition einer Butler-Matrix gibt einen definierten Zusammenhang
zwischen den Strahlports und den Antennenports der Matrix vor. Eine
Anzahl von Arten zum Implementieren einer Butler-Matrix sind jedoch
in der Literatur bekannt. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf
Butler-Matrizen beschränkt.
Andere Arten von Matrizen, beispielsweise sogenannte Blass-Matrizen
oder eine elektromagnetische Linse, beispielsweise vom Luneberg-
oder Rotman-Typ können
als Strahlformungseinrichtungen verwendet werden.
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Zum
Erzeugen eines Breitstrahls mit der Antennenanordnung 3 kann
eine der Antennenspalten der Antennenanordnung verwendet werden.
Der niedrige Antennengewinn für
die Breitstahlfunktion würde
dann mit hohem Verstärkergewinn
zu kompensieren sein. Beispielsweise hat eine Antennenanordnung
von acht Spalten einen Antennengewinn von 9 dB mehr als eine einzelne
Antennenspalte. Dies impliziert, dass der Verstärker eine 9 dB höhere Leistungsverstärkung haben
muss, um den niedrigeren Antennengewinn zu kompensieren.
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Wie
in 1 gezeigt, sind die Verstärkungsmodule 1a, ..., 1h in
der vorliegenden Erfindung an den Strahlport 2L1 ,
..., 2L8 der Butler-Matrix auf
der Sendeseite der Butler-Matrix 2 angeordnet, statt dem gemeinsamen
Ort in Radar-Anwendungen an dem Antennenport. Die Verstärkung jedes
der Verstärkungsmodule
ist derart dimensioniert, dass der erforderliche Bereich mit einem
Verstärkungsmodul
und der Antennenverstärkung
für einen
Schmalstrahl erreicht wird. Dies impliziert, dass jeder der Schmalstrahlen
das Bereichserfordernis erfüllt.
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Der
gewünschte
Breitstrahl, der mit 5 in 2 gekennzeichnet
ist, wird in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung derart erzeugt, dass das über die
Strahlports 2L1 , ..., 2L8 verteilte Breitstrahlsignal an den
Antennenport A1, ..., A8 in solcher Weise kombiniert wird, dass
sie in Phase in einen der Antennenports hinzugefügt werden, während sie
in die anderen Antennenports in einem solchen Phasenzusammenhang
hinzugefügt
werden, dass im wesentlichen eine vollständige Auslöschung auftritt. Auf diese
Weise wird das Signal auf einen der Antennenports A1, ..., A8 konzentriert
werden. Da alle Verstärkungsmodule
gemeinsam auf diese Weise verwendet werden, wird die Gesamtleistung
die Summe der Beiträge
aller Verstärker
sein.
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Die
mittlere Leistung jedes Leistungsverstärkungsmoduls ist derart dimensioniert,
dass jeder individuelle Schmalstrahl eine gewisse wirksam isotropische
Strahlungsleistung (EIRP vom englischsprachigen Ausdruck "Effective Isotropic
Radiated Power") liefert.
EIRP entspricht per Definition der Ausgangsleistung multipliziert
mit dem Antennengewinn normaiert auf einen idealen isotropischen
Sender bzw. Strahler. Beim Erzeugen der Breitstrahlfunktion wird der
Teil von EIRP, der von dem Antennengewinn stammt, um einen Faktor
von näherungsweise
M abnehmen, wobei M der Anzahl der Antennenspalten (in dieser Ausführungsform
Acht) entspricht. Andererseits wird der Teil von EIRP, der von der
Leistungsverstärkung
stammt, um denselben Faktor M zunehmen, so dass EIRP derselbe sein
wird für
den Schmalstrahl und den Breitstrahl.
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In
diesem Beispiel wird angenommen, dass der Abstand zwischen irgendwelchen
zwei benachbarten Antennenspalten in der Antennenanordnung (Antennenarray)
3 gleich
ist, so dass die Antennenanordnung eine sogenannte gleichförmige Linearanordnung
(ULA vom englischsprachigen Ausdruck "Uniform Linear Array") mit M = 8 Antennenspalten
3a,
...,
3h. Für
eine gerade ankommende Welle wird ein Arrayantwortvektor a(θ) gemäß dem folgenden erhalten:
wobei θ den Winkel zwischen dem betrachteten Schmalstrahl
und der Richtung kennzeichnet, die senkrecht zu dem Antennenarray
verläuft
und d der Abstand zwischen zwei benachbarten Antennenspalten ist,
normalisiert auf die Wellenlänge.
Dieser Antwortvektor a(θ)
beschreibt, wie die Signale an den Antennenports zueinander in Bezug
stehen. Der Zusammenhand zwischen Strahlportsignalen und Antennenportsignalen
für eine
Butler-Matrix ist geeignet in einer als solches bekannten Weise
durch die Übertragungsmatrix
B beschrieben gemäß:
b(θ)
= BHa(θ),wobei
b(θ) ein
Vektor ist, der M Elemente umfasst. Jedes Element dieses Vektors
entspricht einer gewissen Strahlungsfunktion für jeden der Strahlports. Die Übertragungsmatrix
B hat die Dimension (M × M) und
beschreibt den Zusammenhang zwischen den Signalen auf den Strahlports
und Antennenports der Butler-Matrix. H kennzeichnen eine hermitsche
Konjugation, die sowohl Transposition der Übertragungsmatrix, als auch
Konjugiertkomplexe des jeweiligen Matrixelementes ist.
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Jede
Spalte B(k) der Matrix G entspricht einem
amplitudennormierten Array-Antwortvektor für einen Wert des Winkels θ, spezifisch
für jede
Spalte. Diese Winkel werden auf solche Weise ausgewählt, dass
alle Spalten zueinander orthogonal sind, das heißt: BHB = E,wobei E die Einheitsmatrix kennzeichnet.
Dies liefert: (BH)–1 =
B.
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Die
kombinierte Strahlungsfunktion gtot(θ) bei der
Erregung einiger Antennenports wird erhalten durch Superposition
der jeweiligen Strahlungsfunktion der Antennenspalten gemäß gtot(θ) = ωTb b(θ),wobei ωb der Erregungsvektor am Strahlport 2L1 , ..., 2L8 ist.
Dies kann auch beschrieben werden als gtot(θ)
= (ωT b BH)a(θ),wobei
die Erregung der Antennenspalten erhalten wird gemäß ωTe = ωTb BH,wobei ωb der
Erregungsvektor an Strahlports 2L1 ,
..., 2L8 ist. Wenn die Gesamtsignalleistung
auf einen einzelnen Antennenport konzentriert ist, wird die kombinierte
Strahlungsfunktion gtot(θ) des Antennenarrays bzw. der
Antennenanordnung bestimmt durch die Eigenschaft einer einzelnen
Antennenspalte, hierdurch einen Breitstrahl liefernd. Der Erregungsvektor ωb an Antennenports ist demnach festgelegt,
ein Vektor Uk zu sein, wobei ein beliebiges
Vektorelement des Vektors Uk durch eine
Konstante C gebildet wird, und alle anderen Vektorelemente Null
sind. Dies liefert: ωT b = UTk T(BH)–1 =
UTk TB.
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Wenn
beispielsweise der Antennenport, der in 1 mit A2
gekennzeichnet ist, erregt wird, wird die folgende Funktion für den Erregungsvektor ωb erhalten:
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Es
folgt, dass der Erregungsvektor ωb an Strahlports einer der Zeilen der Übertragungsmatrix B
sein sollte, in diesem Beispiel der Zeile 2, multipliziert mit einer
Konstanten zum Konzentrieren der gesamten Signalleistung auf eine
der Antennenspalten. Da alle Matrixelemente ideal denselben Wert
für eine Butler-Matrix
haben, bedeutet dies, dass der Strahlport um dieselbe Signalstärke erregt
sein sollte, um einen glatten breiten Strahl zu erhalten. Die gegenseitige
Phase der Strahlportsignale sollte mit einer beliebigen Zeile in
der Übertragungsmatrix
B koinzidieren.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform der
Erfindung wird die Phase des Breitstrahlsignals zu regelmäßigen Zeitpunkten
an den Strahlports der Butler-Matrix unmittelbar auf solche Weise
geändert, dass
die Signalleistung von dem Breitstrahlsignal von einer Antennenspalte
zur anderen im Antennenarray bewegt wird. Durch diese Prozedur werden
die Leistungsverluste und demnach auch die durch die Leistungsverluste
verursachte Aufheizung geteilt, die Beanspruchung reduzierend und
die Lebensdauer erhöhend.
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In
diesem Beispiel wird als Strahlformungseinrichtung eine Butler-Matrix
verwendet, die die Schmalstrahlen veranlasst, orthogonal zu sein.
Diese Tatsache wurde ausgenutzt beim Herleiten des Erregungsvektors ωb oben, wenn unter anderem gezeigt worden
ist, dass die Signalamplituden in den Strahlports 2L1 ,
..., 2L8 ideal gleich sein sollten.
Orthogonalität
ist jedoch nicht absolute Voraussetzung für die Erfindung. Wenn eine
Strahlformungseinrichtung, die keine absolute Orthogonalität liefert,
verwendet wird, werden die Elemente des Erregungsvektors ωb jedoch für einen von dem Antennenarray 3 zu
erhaltenden ebenen Breitstrahl unterschiedliche Werte erfordern.
Die Leistungsverstärkungsmodule 1a,
..., 1h müssen
demnach unterschiedliche Ausgangsleistungen bereitstellen, was das
Verknüpfungsbudget
des Funksystems beeinträchtigt.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
stellt daher die Strahlformungseinrichtung orthogonale oder im wesentlichen
orthogonale Strahlen bereit.
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Da
die Antennenanordnung 3 und die Butler-Matrix vollständig reziproke
Elemente sind, kann dieselbe Antenne auch für den Empfang verwendet werden.
Die Empfangsfunktion wird in geeigneter Weise mit Hilfe eines Satzes
von Duplexfiltern zwischen den Verstärkungsmodulen 1a,
..., 1h und der Butler-Matrix 2 ermöglicht.
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In
der hier gezeigten Ausführungsform
wird das Breitstrahlsignal auf der Basisbandseite aufgeteilt. Es
ist jedoch möglich,
dieses Signal separat zu modulieren, das modulierte Breitstrahlsignal
zu teilen und nach geeigneter Phasenverschiebung es zu den ersten
Verbindungen L1, ..., L8 der acht 1a, ..., 1h zu speisen.
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Ein
Anwendungsgebiet der Funkantenneneinrichtung 10 ist in 4 gezeigt.
In Zellularmobiltelefonsystemen werden häufig sogenannte Sektorzellen
verwendet. In diesem Fall sind drei Basisstationen am selben geographischen
Ort angeordnet, der gewöhnlich
als ein Standort bzw. eine Site bezeichnet wird und haben ihre jeweiligen
Antennen derart ausgerichtet, dass jede Antenne eine Vektorzelle
von 120 Grad bedient. In der Figur sind sechs solcher Basisstationsstandorte
BS1, ... BS6 gezeigt. An dem Standort BS4 bedient eine erste Basisstation
eine erste Zelle C1, eine zweite Basisstation bedient eine zweite
Zelle C2 und eine dritte Basisstation bedient eine dritte Zelle
C3.
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Gemäß den Antennen
des Standes der Technik sind die Antennen bei den Basisstationen
gekennzeichnet durch Breitstrahlen, die eine gesamte Sektorzelle
abdecken. Drei Breitstrahlen B1, B2, B3, die jeweils die erste Zelle
C1, die zweite Zelle C2 bzw. die dritte Zelle C3 abdecken, sind
in der Figur gezeigt. Mit diesen Breitstrahlen können die jeweiligen Basisstationen
mit den Mobilstationen kommunizieren, die innerhalb der Zellen gefunden
werden. Eine solche Mobilstation MS ist in der Figur gezeigt. Ein
großer
Teil der Information, die zwischen den Basisstationen und den Mobilstationen
ausgetauscht wird, besteht aus Punkt-zu-Punkt-Information. Es würde jedoch
nicht notwendig sein, jede Punkt-zu-Punkt-Inkformation auf solche Weise zu senden,
dass alle Mobilstationen innerhalb des Sektors sie empfangen können. Es
ist ausreichend, dass die Mobilstation, für die die Information gedacht
ist, das Signal empfangen kann. Die Basisstationen in dieser Ausführungsform
der Erfindung verwenden Schmalstrahlen für die Punkt-zu-Punkt-Inkformation. Auf
diese Weise kann die Ausgangsleistung auf gewünschte Richtungen konzentriert
werden. In der Figur ist ein solcher Schmalstrahl P1 gezeigt. Mit
diesem Schmalstrahl kommuniziert die Mobilstation MS mit der Basisstation
der Zelle C2, in der die Mobilstation angeordnet ist.
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Die
höhere
Antennenverstärkung,
die durch den Schmalstrahl auf diese Weise verursacht wird, verbessert
das Verknüpfungsbudget
in beiden Richtungen, das heißt,
zu und von der Basisstation. Dies kann verwendet werden zum Erhöhen des
Bereichs relativ zu der Ausgangsleistung der Basisstation und der
Mobilstationen. Die Gesamtkapazität des Mobiltelefonsystems kann
auch mit dieser Technologie verglichen mit dem Stand der Technik
verbessert werden, da die Frequenzwiederverwendungs-Beabstandung
reduziert werden kann.
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Eine
von den Basisstationen gesendete Information sollte jedoch durch
alle Mobilstationen, die in der betreffenden Zelle gefunden werden,
empfangen werden. Die Basisstationen gemäß der vorliegenden Erfindung
sind demnach in der Lage, Breitstrahlen zu erzeugen. Diese sollten
im wesentlichen denselben Bereich haben, wie die Schmalstrahlen. Da
jede Basisstation eine Funkantenneneinrichtung umfasst, die in 1 mit 10 gekennzeichnet
ist, kann jede Basisstation eine Anzahl von Schmalstrahlen erzeugen,
die gemeinsam die betrachtete Zelle abdecken. Gleichzeitig können die
Basisstationen einen Breitstrahl erzeugen, der im wesentlichen die
gesamte Zelle abdeckt.
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6 ist
eine vereinfachte Ansicht eines Sender-Empfängers, in diesem Fall einer
Basisstation 71, in einem Zellularmobiltelefonnetz, wobei
der Sender-Empfänger
eine Funkantenneneinrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst. Die Basisstation 71 ist
ein Beispiel einer Kommunikationseinrichtung, die eine solche Antenneneinrichtung
umfasst. Andere Arten von Kommunikationseinrichtungen können auf
dieselbe Weise ein solches Funkantennensystem verwenden.
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Die
Basisstation 71 umfasst eine Basisbandverarbeitungseinheit 4,
die an eine Eingabe-/Ausgabe-Einheit
bzw. (I/O) 6 angeschlossen ist. Die Basisstation 71 umfasst
ferner eine Funkantenneneinrichtung 10, wie die in Verbindung
mit 1 beschriebene. Die Funkantenneneinrichtung 10 umfasst
eine Antennenanordnung 3, die acht Antennenelemente umfasst,
eine Strahlformungseinrichtung in Form einer Butler-Matrix 2 und
eine Verstärkungseinheit 1, die
acht Verstärkungsmodule umfasst.
Zwischen der Verstärkungseinheit 1 und
der Butler-Matrix
ist eine Duplexfiltereinheit 9 angeordnet, die einen ersten,
einen zweiten und einen dritten Satz von Verbindungen umfasst. Die
Verstärkungseinheit 1 ist
an den ersten Verbindungssatz angeschlossen, die Butler-Matrix ist an
den zweiten Satz von Verbindungen angeschlossen. An den dritten
Satz von Verbindungen ist eine zweite Verstärkungseinheit 8 verbunden.
An diese zweite Verstärkungseinheit 8,
die acht Verstärker
umfasst, ist eine Demodulatoreinheit 7 verbunden, die wiederum
an die Basisbandverarbeitungseinheit 4 angeschlossen ist.
Die Basisbandverarbeitungseinheit 4 ist ebenfalls mit dem
Eingangsanschluss einer Modulatoreinheit 5 verbunden. An
den Ausgangsanschluss der Modulatoreinheit 5 ist die Verstärkungseinheit 1 angeschlossen.
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Die
Duplexfiltereinheit 9 ist in einer Art angeordnet, wie
sie im Stand der Technik bekannt ist, um den Empfängerteil
der Basisstation, der die zweite Verstärkungseinheit 8 und
die Demodulatoreinheit 7 umfasst, von dem Senderteil der
Basisstation, die die erste Verstärkungseinheit und die Modulatoreinheit 5 umfasst,
zu trennen.
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Jedes
Verstärkungsmodul
in der Verstärkereinheit 1,
deren Ausgang durch die Duplexfiltereinheit 9 an einen
Einzelstrahlport der Butler-Matrix 2 angeschlossen ist,
ist an einen einzelnen Modulator in der Modulatoreinheit 5 verbunden.
Mit dieser Anordnung wird das Signal, das dazu gedacht ist, in einem
spezifischen Schmalstrahl gesendet zu werden, getrennt moduliert.
In einer entsprechenden Weise wird das Signal von jedem Signalstrahlport
in der Butler-Matrix 2 separat
in der Demodulatoreinheit 7 demoduliert. Das auf diese
Weise demodulierte Signal stammt demnach von einem einzelnen schmalen Strahl.
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Beim
Senden von Daten an alle Mobilstationen in der Zelle der Basisstationen,
wird die Verstärkung
des Signals gleichmäßig über alle
Eingänge
der Modulatoreinheit verteilt. Demnach werden alle Verstärkungsmodule
in der Verstärkereinheit 1 bei
der Verstärkung
dieses Signals verwendet werden. Wenn ein geeigneter Phasenzusammenhang
der Signale verwendet wird, wird die Butler-Matrix 2 eine solche
Signalverteilung über
den Antennenport der Butler-Matrix 2 erzeugen, dass ein
Breitstrahl von der Antenne 3 erzeugt werden wird.
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Die
oben beschriebene Funkantenneneinrichtung ist insbesondere geeignet
für Mobiltelefonsysteme
unter Verwendung von Einzelträgerleistungsverstärker-(SCPA-
bzw. Single-Carrier-Power-Amplifier-)-Technologie (das heißt, trägerspezifische
Verstärker,
die in der Basisstation verwendet werden), wenn einige unterschiedliche
Träger
gleichzeitig verwendet werden. Dies erfordert, dass das zu sendende
Signal zu verstärken
ist, bevor unterschiedliche Trägerwellen
festgelegt worden sind. Dieses Erfordernis wird gemäß der vorliegenden
Erfindung durch eine Verstärkung
erfüllt,
die auf der Strahlportseite der Strahlbildungseinrichtung vorgesehen
ist und demnach vor dem Kombinieren des Trägers. Ferner ist eine Funkantennen-Einrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung insbesondere gut geeignet für Raumteilungsmehrfachzugriff
(SDMA bzw. Spatial Division Multiple Access), in welchem einige
Aktivfunkverbindungen gleichzeitig verwendet werden auf derselben
Seite, aber innerhalb unterschiedlicher Strahlen.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung wird eine eindimensionale Butler-Matrix verwendet.
Der Ausdruck eindimensional impliziert hier, dass die Steuerung
in einer Dimension stattfindet, selbst wenn jede Antennenspalte
in der Antennenanordnung in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung einige Antennenelemente umfasst. Die Erfindung ist
jedoch nicht auf die Steuerung nur in einer Dimension beschränkt. In 5 wird
eine Prinzipskizze einer zweidimensionalen Butler-Matrix 50 gezeigt,
mit Hilfe von der die Strahlen von einer Antennenanordnung in zwei
Dimensionen gesteuert werden können.
Die zweidimensionale Butler-Matrix 50 umfasst einen ersten
Satz eindimensionaler Butler-Matrizen 51a, ..., 51f.
Die zweidimensionale Butler-Matrix 50 umfasst ferner einen
zweiten Satz eindimensionaler Butler-Matrizen 52a, ..., 52h kaskadengekoppelt
mit dem ersten Satz von eindimensionalen Butler-Matrizen 51a,
..., 51f.
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Jede
Butler-Matrix 51a, ..., 51f in dem ersten Satz
von Butler-Matrizen umfasst acht Strahlports und acht Antennenports.
In einer entsprechenden Weite umfasst jede Butler-Matrix 52a,
... 52h in dem zweiten Satz von Butler-Matrizen sechs Strahlports und sechs
Antennenports. Jeder Antennenport der Butler-Matrizen 52a,
..., 52h ist mit einem Antennenelement in einer zweidimensionalen
Antennenanordnung 53 verbunden. Diese Antennenanordnung
(Antennenarray) 53 umfasst in diesem Beispiel 6 × 8 = 28
Antennenelement.
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Jeder
der acht Ports der Butler-Matrix 51a, die in der Figur
verdeckt sind, ist mit einer der Butler-Matrizen 52a, ..., 52h in
dem zweiten Satz von eindimensionalen Butler-Matrizen verbunden.
Auf die selbe Weise ist jede der Butler-Matrizen 51b, ..., 51f mit
jeder Butler-Matrix 52a, ..., 52h in dem zweiten Satz
von Butler-Matrizen verbunden. Auf diese Weise ist jeder Antennenport
der Matrizen 51a, ..., 51f mit einem der Strahlports
der Matrizen 52a, ..., 52h verbunden.
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Mit
dem ersten Satz von Butlermatrizen findet die Steuerung in einer
ersten Dimension statt. Mit dem zweiten Satz von Butler-Matrizen
findet die Steuerung in einer zweiten Dimension statt. Auf diese Weise
entspricht die Aktivierung jedes der Strahlports der Matrizen 51a,
..., 51f in dem ersten Satz von Butler-Matrizen einem Strahlungsmuster
von der Antennenanordnung.
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Ein
Breitstrahl wird in Übereinstimmung
mit dieser Ausführungsform
durch die ebene Verteilung der Amplitude eines Breitstrahlsignals
an die zweidimensionale Butler- Matrix 50 erzeugt.
Dies Breitstrahlsignal wird mit Hilfe eines Satzes von Verstärkungsmodulen,
die nicht in der Figur gezeigt sind, leistungsverstärkt. Mit
geeigneten Phasenzusammenhängen
des Breitstrahlsignals, das über
die Verstärkungsmodule
verteilt ist, wird die zweidimensionale Butler-Matrix 50 veranlasst,
die zugeführte
Signalleistung zu im wesentlichen einem Antennenport einer beliebigen
Matrix der eindimensionalen Butler-Matrizen 52a, ..., 52h zu
verteilen. Auf diese Weise wird das Breitstrahlsignal hauptsächlich von
einem der Antennenelemente in der Antennenanordnung 53 gesendet.
Die Strahlbreite des auf diese Weise erhaltenen Breitstrahls wird
dann hauptsächlich
durch das individuelle Strahlungsmuster dieses Antennenelementes
bestimmt.
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Der
Phasenzusammenhang des Breitstrahlsignals, das über die Verstärkungsmodule
verteilt ist, wird durch die zweidimensionale Butler-Matrix 50 bestimmt.
Es kann gezeigt werden, dass 48 unterschiedliche Phasenzusammenhänge das
Kriterium erfüllen,
dass theoretisch die gesamte Leistung auf einen Antennenport einer
der eindimensionalen Butler-Matrizen 52a, ..., 52h konzentriert
wird. Jeder dieser 48 Phasenzusammenhänge entspricht einer Konzentration
der Signalleistung auf eines der 48 Antennenelemente in der Antennenanordnung.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform der
Erfindung wird der Phasenzusammenhang des Breitstrahlsignals unmittelbar
zu regelmäßigen Zeitpunkten
an den Strahlports der zweidimensionalen Butler-Matrix auf solche
Weise geändert,
dass die Signalleistung von dem Breistrahlsignal von einem Antennenelement
zu einem anderen in der Antennenanordnung bewegt wird. Auf diese
Weise werden Leistungsverluste und Aufheizung, die mit den Leistungsverlusten
einhergehet, über
die Antennenelement verteilt, die Beanspruchung reduzieren und die
Lebensdauer erhöhen.
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7a ist
ein Signaldiagramm zum Zeigen eines Strahlungsmusters für die oben
im Zusammenhang mit 1, 2 und 3 präsentierte
Ausführungsform.
In dem Signaldiagramm kennzeichnet S die Signalstärke, die
in Dezibel gemessen wird, und θ kennzeichnet
einen Winkel relativ zu der Richtung senkrecht zu der Antennenanordnung.
In dem Signaldiagramm sind acht Strahlungsfunktionen dargestellt
und jede charakterisiert durch einen engen Strahl 61, ..., 68 und
eine Anzahl von Seitenkolben mit einer geringen Amplitude verglichen
mit dem Schmalstrahl. Die Erregung eines der Strahlports der Butler-Matrix,
gekennzeichnet durch 2L1 , ..., 2L8 in 1 entspricht
einem Schmalstrahl 61, ..., 68 mit zugeordneten
Seitenkolben von der Antennenanordnung 3. Da die Butler-Matrix
orthogonale Strahlungsmuster erzeugte, gibt es wie in 7a angedeutet, Winkel,
in welchen alle acht Strahlungsfunktionen mit Ausnahme im wesentlichen
den Wert Null haben.
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7b ist
ein Signaldiagramm zum Zeigen der Breitstrahlfunktion der im Zusammenhang 1, 2 und 3 präsentierten
Ausführungsform.
Wenn alle acht Strahlports, die mit 2L1 ,
..., 2L8 in 1 gekennzeichnet
sind, mit einer gleichmäßigen Amplitudenverteilung
und solchen Phasenzusammenhängen
erregt werden, wie in Verbindung mit 1 diskutiert,
wird ein Breitstrahl 70 erhalten, der im wesentlichen den selben
Winkelbereich wie die Schmalstrahlen 61, ..., 68 in 7a abdeckt,
wenn diese zusammengenommen werden.
