SE509278C2 - Radioantennanordning och förfarande för samtidig alstring av bred lob och smal peklob - Google Patents

Description

15 20 25 30 509 278 A ¿ mottagarkänsligheten i de önskade riktningarna. Denna koncentration av sändningseffekten och mottagarkänsligheten kan nyttjas till att öka räckvidden och/eller sänka kraven på såväl basstationens som mobilstationens sändare. Eftersom kanalfrekvenserna med denna metod kan återanvändas tätare, kan också totalkapaciteten i nmbiltelefonisystemet förbättras med denna teknik.

En tänkbar möjlighet att skapa flera samtidiga smala lober är att använda sig av en Butler-matris ansluten till en grupp- antenn. En Butler-matris är en helt passiv och reciprok krets, och består av en sammanlänkning av ett antal hybridkopplare och antingen fasta fasvridande element eller mikrostrip-ledningar av varierande längd. En Butler-matris för en antenn med N element, där N är ett heltal som vanligtvis är en potens av 2, har N'ingàngsportar och N'utgàngsportar och möjliggör därmed alstrande av N' stycken smala peklober. En signal pà en av ingàngsportarna till Butler-matrisen resulterar pá matrisens utgángsportar i signaler som har i huvudsak samma amplitud men uppvisar olika faslägen. Varje ingàngsport svarar mot en bestämd kombination av faslägen på utgångsportarna. Dessa kombinationer genererar vardera en smal peklob från gruppantennen. Dä antennen och Butler-matrisen är helt reciproka fungerar systemet lika bra för mottagning som för sändning.

Med en Butlermatris-matad gruppantenn. kan en uppsättning av peklober erhållas, där varje individuellt stràlningsmönster har nollställen för varje vinkel där ett annat stràlningsmönster uppvisar maximal effekt (om effekten normeras med antennförstärkningen hos elementdiagrammet). Peklober som uppfyller detta kriterium säges vara inbördes ortogonala. Det 10 15 20 25 30 3 509 278 är sedan tidigare i sig känt att nyttja en. Butlermatris i kombination med en gruppantenn för att åstadkomma en uppsättning av smala peklober.

En separat sektorantenn eller alternativt en av kolumnerna i gruppantennen skulle kunna nyttjas för bredlobsfunktionen. Den lägre antennvinsten för bredlobsfunktionen mäste då kompenseras med större förstärkareffekt. Med antennvinst avses här förhållandet mellan en antenns maximala strålningsintensitet förlustfri och stràlningsintensiteten hos en ideal rund- strålande antenn med samma tillförda effekt. Exempelvis har en gruppantenn med åtta kolumner 9 dB högre antennvinst än en enstaka antennkolumn eller en sektorantenn. Detta medför att förstärkaren måste ha 9 dB högre effektförstärkning för att kompensera den lägre antennvinsten.

I den brittiska patentskriften GB2 169453 presenteras en metod för att med en gruppantenn alstra ett antal olika riktade smala lober samt en bred lob vilken täcker samma område som alla de smala loberna tillsammans. Härvid nyttjas en elektromagnetisk lins av s k Rotmantyp med parallella plattor. Pà en sida av linsen finns ett antal lobportar och på motstàende sida ett antal antennportar. Dessa antennportar är vardera kopplade via en förstärkarmodul till ett antennelement i en gruppantenn.

Varje lobport motsvarar enligt känd teknik en av de smala loberna. Vidare är linsen utrustad med en separat anslutning vars läge pà linsen är så avpassat att de geometriska avstànden till antennportarna gör så att tillförd signaleffekt till denna anslutning fördelas på antennportarna på ett sådant sätt, att en bredlob alstras från gruppantennen.

Den elektromagnetiska linsen är utrymmeskrävande och dyrbar komponent son1 ej finns att tillgå pá marknaden. Vidare får 10 15 20 25 509 278 4 bredloben såsom i de tidigare beskrivna fallen en lägre antennvinst än pekloberna, vilket kräver dyrbar extra, separat förstärkning för att inte bredloben skall rendera en kortare räckvidd än vad pekloberna ger.

REnoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Det är, som ovan nämnts, önskvärt att kunna realisera en anordning och ett förfarande för att med en och samma antennanordning samtidigt kunna generera ett antal smala peklober och en bred lob, som huvudsakligen täcker in samma område som täcks av de individuella pekloberna tillsammans, och därvid uppnå tillräcklig räckvidd för den önskade bredlobs- funktionen. Räckvidden för bredloben måste vara huvudsakligen densamma som för pekloberna. De smala pekloberna har högre antennvinst jämfört med bredlobsfunktionen. Det har tidigare varit ett problem att uppfylla dessa önskemål.

Föreliggande uppfinning löser detta problem genom att nyttja en gruppantenn innefattande ett första antal subgruppantenner med vardera åtminstone ett antennelement, och en till gruppantennen ansluten lobformande anordning, såsom en Butlermatris, innefattande ett andra antal antennportar samt ett tredje antal lobportar, varvid aktivering av åtminstone ett antal av nämnda lobportar för sig, svarar mot vardera ett strålningsmönster karakteriserat av en smal huvudlob från gruppantennen. Genom samtidig aktivering av åtminstone ett antal av nämnda lobportar med samma signal med lämpliga fasrelationer àstadkommes en överlagring av de strålningsmönster, som respektive aktiverade lobport motsvarar, på ett sådant sätt att en bredlob alstras.

I den lobformande anordningen är nämnda antennportar och lobportar så inbördes förbundna att individuell aktivering av 10 15 20 25 30 g 509 278 lobportarna, via vardera en förstärkarmodul, åstadkommer en för varje lobport specifik signalfördelning på antennportarna, vilken motsvarar ett specifikt strålningsmönster med en smal huvudlob från gruppantennen. Till den lobformande anordningens lobportar är förstårkarmoduler anslutna. Genom att uppdela en bredlobssignal med företrädesvis likformig effektfördelning och tillföra denna via förstärkarmodulerna till lobportarna bringas gruppantennen att alstra nämnda bredlob, varvid bredlobssignalen transmitteras från gruppantennen över ett förhållandevis stort vinkelintervall. Med lämpliga fasrelationer på bredlobssignalen vid lobportarna bringas härvid den lobformande anordningen att huvudsakligen koncentrera signaleffekten till en av nämnda antennportar.

Härigenom kommer signalen huvudsakligen att transmitteras av en av nämnda subgruppantenner, vilka vardera innefattar åtminstone ett antennelement. Lobvidden för bredloben kommer härigenom att huvudsakligen bestämmas av subgruppantennernas individuella strålningsmönster. Genom att alla förstärkarmodulerna samtidigt nyttjas vid alstringen. av' bredloben kommer bredlobens lägre antennvinst att kompenseras genom motsvarande högre förstärkning, vilket ger bredloben den önskade räckvidden.

Bredlobsfunktionen erhålles genom lämpligt val av fasrelationer mellan lobsignalerna. I en föredragen utföringsform av uppfinningen koncentreras praktiskt taget all effekt till någon av nämnda antennportar, och därmed också till en av subgruppantennerna i gruppantennen. Stràlningsdiagrammet uppvisar härigenom en bred och jämn huvudlob.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en anordning och ett förfarande för att med en och samma radioantennanordning samtidigt kunna generera ett antal smala 10 15 20 509 278 peklober och en bred lob, vilken huvudsakligen täcker in samma område som täcks av de individuella pekloberna tillsammans.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en anordning och ett förfarande för mobiltelefonisystem för att möjliggöra kommunikation mellan basstationer och mobilstationer över smala peklober.

En fördel med föreliggande uppfinning är att alla förstärkar- modulerna samtidigt kan utnyttjas vid alstringen av bredloben för att få tillräcklig räckvidd.

En annan fördel med föreliggande uppfinning är att en anordning för att med en och samma radioantennanordning samtidigt kunna generera ett antal smala peklober och en bred lob erhålles, som uppfyller högt ställda kostnads- och utrymmeskrav.

En ytterligare fördel med föreliggande uppfinning är att den möjliggör utnyttjande av peklober i mobiltelefonisystem varigenom minskad interferens och förbättrat frekvens- utnyttjande kan uppnås.

Uppfinningen_kommer att förklaras närmare nedan med hjälp av utföringsexempel med hänvisning till bifogade ritning.

FIGURFÖRTECKNING Figur l är ett blockschema illustrerande en föredragen utföringsform av uppfinningen.

I Figur 2 visas en vy illustrerande erhållna strålningsmönster för utföringsformen presenterad i anslutning till figur 1. 10 15 20 25 7 509 278 Figur 3 är ett kopplingsschema som visar en Butlermatris, realiserad enligt känd teknik, för utföringsformen i figurerna 1 och 2.

I Figur 4 visas en vy illustrerande en utföringsform av uppfinningen nyttjad i ett cellulärt mobiltelefonisystem.

I Figur* 5 visas skissartat ett. principiellt blockschema som illustrerar en utföringsform av uppfinningen med en tvàdimensionell Butlermatris. r Figur 0 är ett blockschema som illustrerar en basstation 71 i ett cellulärt mobiltelefoninät enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning.

Figur 7a är ett signaldiagram som visar stràlningsmönster för utföringsformen presenterad i anslutning till figurerna 1, 2 och 3.

Figur 7b är ett signaldiagram som illustrerar bredlobs- funktionen. för utföringsformen. presenterad. i anslutning till figurerna 1, 2 och 3.

FÖREDRAGNA UTFöRINGsFøRimR Figur 1 illustrerar en radioantennanordning 10 som innefattar en gruppantenn 23 om åtta antennelement 3a,..,3h, en Butler- matris 2 och åtta förstärkarmoduler 1a,..,1h. Butler-matrisen 2 innefattar i sin tur åtta antennportar A1,..,A8, vilka är anslutna till varsitt antennelement 3a,..,3h, samt åtta lobportar 2m,..,2Lp Nämnda åtta förstärkarmoduler 1a,..,1h innefattar vardera en första anslutning L1,..,L8, och en andra anslutning, där dessa andra anslutningar är parvis förbundna med nämnda åtta lobportar 2mJ..,2w. 10 15 20 25 509 278 a I figur 2 illustreras det huvudsakliga strälningsmönstret hos denna radioantennanordning 10. Radioantennanordningen är anordnad att generera ätta smala, delvis överlappande peklober 4a,..,4h. Individuell aktivering av lobportarna ger upphov till en för varje lobport specifik signalfördelning pà antennportarna, vilken motsvarar en peklob frän gruppantennen i en specifik riktning. Vidare avses radioantennanordningen kunna alstra en bredlob 5, som huvudsakligen täcker in samma omrâde som de åtta pekloberna 4a,..,4h tillsammans.

Enligt en särskilt föredragen utföringsform av uppfinningen kommer pekloberna 4a,..,4h att vara inbördes ortogonala. Härvid uppvisar varje individuellt peklobs-stràlningsmönster noll- ställen för varje vinkel där ett annat stràlningsmönster uppvisar maximal effekt (om effekten normeras med antennförstärkningen hos elementdiagrammet).

Butlermatrisen 2 illustreras närmare i figur 3. Mellan lobportarna 2L1,..,2m och antennportarna A1,..,A8 innefattar Butlermatrisen 2, enligt i sig känd teknik, en första uppsättning hybridkopplare 2la,..,2ld, en andra uppsättning hybridkopplare 23a,..,23d och en tredje uppsättning hybridkopplare 28a,..,28d pá ett sådant sätt att varje lobport 2L,,..,2L8 stål' i förbindelse med 'varje antennport A1,..,A8.

Inmatad signaleffekt på någon av kommer huvudsakligen lobportarna att fördelas jämnt över antennportarna. Vidare innefattar Butlermatrisen ett antal fasta fasvridare 22a,..,22d,24,25,26,27. Bandbredden för Butlermatrisen beror pá hur de ingående hybridkopplarna och fasvridarna är realiserade.

Det finns exempel pà Butlermatriser med bandbredd upp till en oktav. 10 15 20 25 30 9 509 278 Definitionen för en Butlermatris föreskriver ett bestämt förhållande mellan matrisens lob- och antennportar. I litteraturen finns dock ett flertal realiseringar av en Butlermatris beskrivna. Föreliggande uppfinning begränsar sig inte heller till enbart Butlermatriser. Andra typer av matriser, som exempelvis en s k Blass-matris, eller en elektromagnetisk lins av exempelvis Luneberg- eller Rotmantyp är också tänkbara som lobformande anordning.

För att alstra en bredlob rned gruppantennen 3 skulle en. av antennkolumnerna i gruppantennen kunna nyttjas. Den lägre antennvinsten för bredlobsfunktionen måste då kompenseras med större förstärkareffekt. Exempelvis har en gruppantenn med åtta kolumner 9 dB högre antennvinst än en enstaka antennkolumn.

Detta medför att förstärkaren mäste ha 9 dB högre effekt- förstärkning för att kompensera den lägre antennvinsten.

Såsom framgår ur figur 1 är förstärkarmodulerna la,..,lh i föreliggande uppfinning anordnade vid Butlermatrisens lobportar på sändarsidan av Butler-matrisen 2, 2Lh..,2L@ i stället för den i radartillämpningar sedvanliga placeringen vid antenn- portarna.

Förstärkningen hos dessa förstärkarmoduler är så dimensionerad, att räckviddskravet är uppfyllt med en förstärkarmodul och antennvinsten för en peklob. Detta innebär att alla peklober uppfyller räckviddskravet var för sig.

Den önskade bredloben, vilken betecknas 5 i figur 2, genereras i föreliggande uppfinning genom att den över lobportarna 2L1,..,2L8 uppdelade bredlobssignalen sammanlagras vid antennportarna Al,..,A8 på ett sådant sätt, att de adderas i fas i en av antennportarna under det att de i övriga antennportar adderas med ett sådant fasförhållande att huvudsakligen fullständig utsläckning sker. Härigenom kommer 10 15 20 25 509 278 1§ signalen att koncentreras till en av antennportarna A1,..,A8.

Eftersom alla förstärkarmoduler härigenom tillsammans utnyttjas kommer den totala effekten att Vara. Summan aV förstärkarbidragen.

Medeleffekten per effektförstärkarmodul är dimensionerad för att varje enskild peklob skall ge en viss EIRP (Effective Isotropic Radiated Power). EIRP motsvarar per definition utsänd effekt multiplicerad med antennvinsten normerat till en ideal isotropisk sändare. Vid alstring av bredlobsfunktionen kommer den del av EIRP som härrör från antennförstärkningen att avta med cirka en faktor M, där M motsvarar antalet antennkolumner (som i detta utföringsexempel är lika med àtta). Å andra sidan kommer den del av EIRP som härrör från effektförstärkningen att öka med samma faktor M) varför EIRP blir samma för såväl peklob som bredlob.

I detta exempel antages att avstànden mellan två intilliggande antennkolumner i gruppantennen 3 är lika stora, dvs att gruppantennen är en så kallad ULA (Uniform Linear Array), med M = 8 antennkolumner 3a,..,3h. erhålles För en plant infallande våg en gruppantennssvarsvektor (array response vector) a(6) enligt: ej(o-(M-1)/2)znd sin e ejfi-(M -1)/2)2nd sin 6 = . . I ejfiv-1-(M-iyzyndsine där 9 betecknar vinkeln mellan den aktuella pekloben ifråga och den riktning som ligger vinkelrätt mot gruppantennen och d antennkolumner. Denna är avståndet mellan tvâ närliggande svarsvektor aGÛ beskriver hur signalerna vid antennportarna är 10 15 20 1, 509 278 relaterade till varandra. Sambandet mellan lobportssignaler och antennportssignaler för en Butlermatris beskrivs lämpligen, enligt i sig känd teknik, med en överföringsmatris B enligt: b(6) = BHa(9) , där b(9) är en vektor med M element. Varje element i denna vektor svarar mot en viss strálningsfunktion för vardera en av lobportarna. Överföringsmatrisen B har dimensionen (M'x M) och beskriver sambanden mellan signalerna pà Butlermatrisens lob- och antennportar. Ii betecknar Hermitsk konjugeringy dvs både transponering av överföringsmatrisen och komplexkonjugering av respektive matriselement.

Varje kolumn BÜÜ i matrisen B svarar mot en amplitudnormerad gruppantennssvarsvektor för ett, för varje kolumn specifikt, värde pà vinkeln 9. Dessa vinklar är valda så att samtliga kolumner blir ortogonala mot varandra, d v s B“B= E, där E betecknar enhetsmatrisen. Härav följer (BÛ-l = B.

Gruppantennens sammanlagrade stràlningsfunktion ghoJB) vid excitering av flera antennportar, erhålles genom superposition av antennkolumnernas respektive stràlningsfunktion enligt: gcocæ) = w'1l;b(6)' där (Db är exciteringsvektorn vid lobportarna 2mJ..,2L8. Detta kan också skrivas som 10 15 20 509 278 12 gcole) = (w: B2)a<°>, varvid exciteringen av antennkolumnerna erhålles enligt w = w§B“, där mb är exciteringsvektorn vid lobportarna 2m,..,2m. Om all signaleffekt koncentreras till en enskild antennport kommer gruppantennens sammanlagrade strålningsfunktion swáê) att bestämmas av karakteristiken för en enskild antennkolumn, varigenom en bredlob erhålles. Exciteringsvektorn me vid antennportarna ansättes därför som en vektor EQ, där en godtyckligt valt vektorelement i vektorn MQ utgöres av en konstant C, erhålles och alla övriga vektorelement är noll. Härigenom m: = U,É(B**)_I = Ufis.

Om exempelvis den antennport som i figur 1 betecknas A2 avses att exciteras, erhålles följande funktion för exciterings- vektorn mb: T T 0 B21 B11 B12 B18 B B B B 22 m; = 0 x _22 22 22 -C323 B B ... B O 81 82 88 B28 Följaktligen skall exciteringsvektorn (Db vid lobportarna vara någon av raderna i överföringsmatrisen B, i detta exempel rad 2, multiplicerad med en konstant för att all signaleffekt skall koncentreras till en av antennkolumnerna. Eftersom alla matriselementen idealt uppvisar samma belopp för en 10 15 20 25 30 13 509 278 Butlermatris, innebär detta att Butlermatisens lobportar bör exciteras med samma bredlob. signalstyrka för erhållande av en jämn Härvid skall lobportssignalernas inbördes fas- förhållande huvudsakligen överensstämma med en godtyckligt vald rad i överföringsmatrisen B.

Enligt en alternativ utföringsform av uppfinningen ändras fasförhållandet hos bredlobssignalen momentant vid regelbundna tidpunkter vid den endimensionella Butlermatrisens lobportar, på ett sådant sätt att signaleffekten fràn. bredlobssignalen flyttas från antennkolumn till antennkolumn i. gruppantennen.

Genonl detta förfarande fördelas förlusteffekterna och. därmed förknippad uppvärmning över antennkolumnerna vilket ger lägre belastning och högre livslängd.

I detta exempel nyttjas en Butlermatris som lobformande anordning. Härigenom blir pekloberna ortogonala. Detta faktum har utnyttjas vid härledningen av exciteringsvektorn (oh ovan, där det bl a framgick att signalamplituderna i de olika lobportarna 2LU..,2L8 idealt skall vara lika. Ortogonalitet är emellertid ingen absolut förutsättning för uppfinningen. Om en lobformande anordning som inte ger absolut ortogonalitet nyttjas, kommer emellertid elementen i. exciteringsvektorn (bb att kräva olika belopp för att en jämn bredlob skall erhållas från gruppantennen 3. Effektförstärkarmodulerna la,..,lh måste därför leverera olika uteffekt, vilket påverkar radiosystemets länkbudget negativt. Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen erbjuder därför den lobformande anordningen ortogonala eller nästan ortogonala lober.

Då gruppantennen 3 och Butlermatrisen 2 är helt reciproka element kan samma antenn även nyttjas för mottagning. Lämpligen möjliggörs mottagningsfunktion medelst en uppsättning av lO 15 20 25 30 509 278 14 duplexfilter mellan förstärkarmodulerna la,..,1h och Butlermatrisen 2.

I det här redovisade utföringsxemplet uppdelas bredlobssignalen på basbandssidan. Det är dock likväl möjligt att modulera denna signal separat, uppdela den modulerade bredlobssignalen och efter lämplig fasvridning tillföra denna till de åtta förstärkarmodulernas la, .,lh nämnda första anslutningar Ll,..,L8.

Ett tillämpningsområde för radioantennanordningen 10 illustreras i figur 4. kallade I cellulära mobiltelefonisystem nyttjas ofta så sektorceller. Tre basstationer är härvid placerade på samma geografiska _placering, vanligtvis benämnd site, och har sina respektive antenner så riktade att de betjänar varsin 120 graders sektorcell. I figuren är sex sådana geografiska placeringar BSl,..,BS6 för basstationer utsatta.

Vid den geografiska placeringen B84 betjänar en första basstation en första cell Cl, en andra basstation en andra cell C2, och en tredje basstation en tredje cell C3.

Enligt känd teknik karakteriseras antennerna vid basstationerna av bredlober som täcker en hel sektorcell. Tre bredlober Bl,B2,B3, vilka täcker den första cellen Cl, den andra cellen C2 respektive den tredje cellen C3, Med dessa visas i figuren. bredlober kan de respektive basstationerna kommunicera med de mobilstationer som befinner sig inom cellerna. En sådan mobilstation MS är markerad i figuren. En stor del av den information som utbyts mellan basstationerna och mobilstationerna utgörs av punkt-till-punkt-information. Sådan punkt-till-punkt-information skulle dock inte behöva sändas ut så att alla mobilstationer inom sektorn kan ta emot den; det för vilken informationen är räcker att den mobilstation, 10 15 20 25 30 15 509 278 avsedd, kan ta emot signalen. Basstationerna nyttjar i detta utföringsexempel av uppfinningen smala peklober för punkt-till- punkt-informationen. Härigenonx kan sändningseffekten. koncent- reras i de önskade riktningarna.

I figuren visas en sådan peklob P1. Med denna peklob kommunicerar mobilstationen MS med basstationen för cellen C2, inom vilken mobilstationen befinner sig.

Den högre antennvinst som pekloben ger upphov till förbättrar på detta sätt länkbudgeten både i riktning till och från basstationen. Detta kan nyttjas förhållande till till att öka räckvidden i sändareffekten hos basstationen och mobil- stationerna. Även totalkapaciteten i mobiltelefonisystemet kan förbättras med denna teknik i förhållande till konventionell teknik, eftersom frekvenserna kan återanvändas tätare.

Viss information som basstationerna sänder ut skall dock kunna mottagas av samtliga mobilstationer som befinner sig inom de berörda cellerna. Basstationerna har därför i bredlober. föreliggande uppfinning förmågan att alstra Dessa skall huvudsakligen uppvisa samma räckvidd som pekloberna. Genom att varje basstation innefattar en radioantennanordning, betecknad 10 i figur 1, kan varje basstation generera ett antal smala peklober som tillsammans täcker den aktuella cellen. Samtidigt kan basstationerna alstra en bredlob som huvudsakligen täcker in hela cellen.

Figur 6 illustrerar översiktligt och förenklat en transceiver, i detta fall en basstation 71 i ett cellulärt mobiltelefoninät, vilken innefattar en radioantennanordning enligt en utföringsfonn av föreliggande uppfinning. Basstationen 71 är ett exempel på en kommunikationsanordning som innefattar en sådan radioantennanordning. Andra typer av kommunikations- 10 15 20 25 30 509 278 16 anordningar kan på samma sätt nyttja ett sådant radioantenn- system.

Basstationen 71 innefattar en basbandsprocessningsenhet 4 som är ansluten till en I/O-enhet 6. Basstationen 71 innefattar vidare en sådan radioantennanordning 10 sonx presenterades i anslutning till figur 1. Radioantennanordningen 10 innefattar en gruppantenn 3 om åtta antennelement, en lobformande anordning i form av en Butler-matris 2 och en förstärkarenhet 1 om åtta förstärkarmoduler. Mellan förstärkarenheten 1 och Butlermatrisen 2 är en duplexfilterenhet 9 anordnat inne- fattande en första, en andra och en tredje uppsättning anslutningar. Härvid är förstärkarenheten 1 ansluten till den första uppsättningen anslutningar och Butlermatrisen är ansluten till den andra uppsättningen anslutningar. Till den tredje uppsättningen anslutningar är en andra förstärkarenhet 8 Till andra förstärkarenhet 8 om åtta ansluten. denna förstärkare är en demodulatorsenhet 7 ansluten, vilken i sin tur är ansluten till basbandsprocessningsenheten 4.

Basbandsprocessningsenheten 4, är även ansluten till ingångs- modulatorsenhet 5. Pà sidan på en modulatorsenhetens 5 utgångssida är förstärkarenheten 1 ansluten.

Duplexfilterenheten 9 är enligt i sig känd teknik anordnat att separera basstationens mottagardel, innefattande nämnda andra förstärkarenhet 8 och demodulatorsenheten 7, från basstationens sändardel med den första förstärkarenheten l och nwdulators- enheten 5.

Varje förstärkarmodul i förstärkarenheten 1, vars utgång via duplexfilterenheten 9 står i förbindelse med en enskild lobport av Butlermatrisen 2, är ansluten till en enskild modulator inom modulatorsenheten 5. Med detta arrangemang moduleras den signal 10 15 20 25 30 1.7 509 278 som är avsedd att sändas i en specifik peklob separat. Pà motsvarande sätt demoduleras i demodulatorsenheten 7 signalen från varje enskild lobport i Butlermatrisen 2 separat. Den härvid demodulerade peklob. signalen härrör därför från en enskild Vid sändning av data till samtliga mobilstationer inom basstationens cell uppdelas signalen amplitudmässigt jämnt över modulatorsenhetens samtliga ingångar. Härigenom kommer samtliga förstärkarmoduler i förstärkarenåeten 1 att nyttjas vid förstärkningen av denna signal. Då lämpliga fasrelationer på signalen nyttjas, kommer Butlermatrisen 2 att generera en sådan signalfördelning pà Butlermatrisens antennportar att en bredlob kommer att alstras från gruppantennen 3.

Ovan beskrivna radioantennanordning lämpar sig särskilt för mobiltelefonisystem där sä kallad SCPA-teknik (Single Carrier Power Amplifier) nyttjas (dvs bärvàgsspecifika förstärkare används i basstationerna), då samtidigt flera olika bärvágor nyttjas. Detta kräver att den signal som skall transmitteras förstärks innan olika bärvágor blandas. Detta uppfylls i föreliggande uppfinning genom' att förstärkning sker på lobportssidan av den lobformande anordningen och därmed innan kombinationen av de olika bärvàgorna. Vidare lämpar sig en radioantennanordning enligt föreliggande uppfinning synnerligen väl för rumsuppdelad multipelaccess (SDMA - Spatial Division Multiple Access), dvs då flera aktiva radioförbindelser nyttjas samtidigt pä samma bärvág, men inom olika lober.

I ovan presenterade utföringsformer av uppfinningen nyttjas en endimensionell Butlermatris. Med endimensionell avses här att styrningen sker i en dimension, även om varje antennkolumn i gruppantennen i en föredragen utföringsform av uppfinningen 10 15 20 25 5Û9 278 18 innefattar flera antennelement. Uppfinningen begränsar sig dock inte till styrning i enbart en dimension. I figur 5 visas en principskiss för en tvàdimensionell Butlermatris 50, med hjälp av vilken lober från en gruppantenn kan styras i två dimensioner. Den tvádimensionella Butlermatrisen 50 innefattar en första uppsättning av endimensionella Butlermatriser 51a,..,51f. Vidare innefattar den tvádimensionella Butlermatrisen 50 en andra uppsättning av endimensionella Butlermatriser 52a,..,52h kopplad i kaskad med nämnda första uppsättning endimensionella Butlermatriser 51a,..,51f.

Varje Butlermatris 51a,..,51f i nämnda första uppsättning Butlermatriser innefattar åtta lobportar och åtta antennportar.

Pà motsvarande sätt innefattar varje Butlermatris 52a,..,52h i nämnda andra uppsättning Butlermatriser sex lobportar och sex antennportar. Varje antennport hos Butlermatriserna 52a,..,52h är anslutna till vardera ett antennelement i en tvàdimensionell gruppantenn 53. Denna gruppantenn 53 innefattar i detta exempel 6 x 8 = 48 antennelement.

Butlermatrisens 5la åtta antennportar, vilka i figuren är skymda, är förbundna med varsin av Butlermatriserna 52a,..,52h i nämnda andra uppsättning endimensionella Butlermatriser. Pâ samma sätt är även Butlermatriserna 51b,..,51f var och en förbundna med varje Butlermatris 52a,..,52h i nämnda andra uppsättning Butlermatriser. Härigenom är varje antennport hos matriserna 51a,..,51f anslutna till vardera en av lobportarna hos matriserna 52a,..,52h.

Med den första uppsättningen Butlermatriser sker styrning i en första dimension. Med den andra uppsättningen Butlermatriser sker styrning i. en andra dimension. På detta sätt motsvarar 10 15 20 25 30 19 509 278 aktivering av lobportarna hos matriserna 5la,..,51f i nämnda första uppsättning Butlermatriser vardera ett strálningsmönster från gruppantennen.

En bredlob genereras i denna utföringsform genom att amplitudmässigt jämnt uppdela en bredlobssignal till den tvàdimensionella Butlermatrisen 50. Denna bredlobssignal effektförstärks medelst en i figuren inte visad. uppsättning förstärkarmoduler. Med lämpliga fasrelationer hos den över förstärkarmodulerna uppdelade bredlobssignalen bringas den tvä- dimensionella Butlermatrisen 50 att koncentrera den tillförda signaleffekten till huvudsakligen en, enskild antennport hos en godtyckligt vald matris av de endimensionella Butlermatriserna 52a,..,52h. Härigenom kommer bredlobssignalen huvudsakligen att transmitteras av ett av nämnda antennelement i gruppantennen 53. Lobvidden för den på detta sätt erhållna bredloben kommer härigenom att huvudsakligen bestämmas av detta antennelements individuella stràlningsmönster.

Fasrelationerna hos den över förstärkarmodulerna uppdelade bredlobssignalen bestäms av den tvàdimensionella Butlermatrisen 50. Det kan visas att 48 olika fasförhàllanden uppfyller kriteriet att teoretiskt all effekt skall koncentreras till en antennport hos någon av de endimensionella Butlermatriserna 52a,..,52h. Vardera av dessa 48 fasförhàllanden svarar mot koncentration av signaleffekten till vardera en av de 48 antennelementen i gruppantennen.

Enligt en alternativ utföringsform av uppfinningen ändras fasförhållandet hos bredlobssignalen momentant vid regelbundna tidpunkter vid den tvàdimensionella Butlermatrisens lobportar, pà ett sàdant sätt att signaleffekten från bredlobssignalen flyttas fràn antennelement till antennelement i gruppantennen. 10 15 20 25 509 278 2; Genon1 detta förfarande fördelas förlusteffekterna och. därmed förknippad uppvärmning över antennelementen vilket ger lägre belastning och högre livslängd.

Figur 7a är ett signaldiagram som visar stràlningsmönster för utföringsformen som ovan presenterats i anslutning till figurerna 1, 2 och 3. I signaldiagramet betecknar S signalstyrka, mätt i decibel, och 9 kætecknar en vinkel som relateras till den riktning som ligger vinkelrätt mot gruppantennen. I signaldiagrammet illustreras åtta stràlnings- funktioner som karakteriseras av vardera en smal peklob 61,..,68 samt ett antal sidlober med i förhållande till pekloben låg amplitud. Excitering av en av Butlermatrisens lobportar, betecknade 2LU..,2L8 i figur 1, svarar mot vardera en peklob 61,..,68 med tillhörande sidlober från gruppantennen 3. Eftersom Butlermatrisen genererar ortogonala stràlnings- mönster finns det, såsom antyds i denna figur 7a, vinklar där alla åtta stràlningsfunktioner utom en i det närmaste uppvisar värdet noll.

Figur 7b är ett signaldiagram som illustrerar bredlobs- funktionen för utföringsformen presenterad i. anslutning till 2 och 3. figurerna 1, Då alla åtta lobportarna, betecknade 2LU..,2L8 i figur 1 exciteras med jämn amplitudfördelning och sådana fasrelationer, som diskuterats i anslutning till figur 1, erhålles en bredlob 70 som huvudsakligen täcker in samma vinkelområde som pekloberna 61,..,68 i figur 7a tillsammans.

Claims (17)

10 15 20 25 21 509 278 PATENTKRAV

1. l. Förfarande för att samtidigt alstra en bred lob och minst en smal peklob från en radioantennanordning (10) innefattande en gruppantenn (3,53) innefattande ett första antal subgruppantenner (3a,..3h) och åtminstone en lobformande anordning (2,50) innefattande ett andra antal antennportar (Al,..,A8) samt ett tredje antal lobportar (2L1»..,2L8), där nämnda antennportar och lobportar är så inbördes förbundna att individuell aktivering av nämnda lobportar åstadkommer en för varje lobport specifik signalfördelning på antennportarna, vardera resulterande i ett stràlningsmönster från gruppantennen (353), peklob där detta stràlningsmönster karakteriseras av en smal (4a,..,4h,Pl,6l,..,68), k ä n n e t e c k n a t därav att förfarandet omfattar: - uppdelning av en, bredlobssignal över ett antal parallella anslutningar (Ll,..L8) till radioantennanordningen (l0); - effektförstärkning av den uppdelade bredlobssignalen; - tillförsel av den förstärkta signalen till åtminstone ett antal av nämnda lobportar (2mJ..,2LQ tillhörande den lobformande anordningen (2,50); - transmission av på antennportarna (Al,..,A8) erhållna antennsignaler medelst nämnda gruppantenn (3,53), varvid nämnda uppdelning av bredlobssignalen karakteriseras av sådana amplitud- och fasrelationer, att från gruppantennen (3,53) ett sådant resulterande sammanlagrat stràlningsmönster erhålles, som uppvisar en bred lob (5,B2,B2,B3,70).

2. Förfarande enligt patentkrav' 1, k ä n n e t e c k n a t därav att signaleffekten vid nämnda uppdelning av signaleffekten över lobportarna (2Lh..,2LQ huvudsakligen koncentreras till någon av nämnda antennportar (Al,..A8). 10 15 20 25 509 278 22

3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, k ärin e - t e c] reciprok.

4. Förfarande enligt något av patentkraven 1 till 3, k ä n n e t e c k n a t därav att nämnda gruppantenn (3) och nämnda lobformande anordning (2,50) även. nyttjas för radio- mottagning.

5. Förfarande enligt något av patentkraven 1 till 4, k ä n n e t e c k n a t därav att nämnda subgruppantenner (3a,..3h) utgörs av antennkolumner i gruppantennen (3).

6. Förfarande enligt något av patentkraven 1 till 5, k ä n n e t e c k n a t därav att de smala pekloberna är inbördes ortogonala.

7. Förfarande enligt patentkraven 1 till 6, k ä n n e - t e c k n a t därav att den lobformande anordningen (2,50) innefattar åtminstone en Butler-matris.

8. Förfarande enligt något av patentkraven 1 till 7, k ä11r1e t e c] uppdelningen av bredlobssignalen över nämnda antal parallella anslutningar (L1,..L8) till radioantennanordningen (10) är sådana att samtliga till följd av nämnda uppdelning resulterande signalnivåer på lobportarna (2mJ..,2LQ huvudsakligen är lika.

9. Förfarande enligt patentkrav 7 eller 8, k är1n e - t e c k n a t därav att nämnda fasrelationer huvudsakligen motsvarar någon av raderna i Butlermatrisens (3,53) överföringsmatris. 10 15 20 25 30 23 509 278

10. Förfarande enligt nàgot av patentkraven 2 till 9, k ä n n e t e c k n a t av följande steg: - omfördelning' av nämnda fasrelationer och/eller amplitud- relationer så att all från bredlobssignalen härrörande signaleffekt huvudsakligen koncentreras till en annan antennport av antennportarna (Al,..,A8).

11. ll. Radioantennanordning för' samtidig alstring' av' en Ibredlob och minst en smal peklob innefattande: - en första gruppantenn (3,53) innefattande ett första antal subgruppantenner (3a,..,3h), där varje subgruppantenn innefattar åtminstone ett antennelement; - åtminstone en lobformande anordning (2,50) innefattande ett andra antal antennportar (Al,..,A8) samt ett tredje antal lobportar (2m,..,2m), där nämnda antennportar och lobportar är så inbördes förbundna att individuell aktivering av nämnda lobportar motsvarar en för varje lobport specifik signalfördelning på antennportarna (A1,..,A8), i vilken radioantennanordning varje subgruppantenn (3a,..3h) är ansluten till en av den lobformande anordningens (2,50) antennportar (A1,..,A8) på ett sådant sätt att varje antennport är förbunden med högst en av nämnda subgruppantenner (3a,..3h), varvid aktivering av åtminstone ett antal av nämnda lobportar (2m,..,2m) för sig, svarar mot vardera ett strålningsmönster fràn gruppantennen (3), där' detta strålningsmönster* karakte- riseras av en smal peklob (4a,..,4h,P1,6l,..,68), k ä n n e t e c k n a d därav att radioantennanordningen inne- fattar ett fjärde antal förstärkarmoduler (la,..,1h), där varje förstärkarmodul innefattar en första förstärkaranslutning och en andra förstärkaranslutning, varvid nämnda andra förstärkar- 10 15 20 25 509 278 24 anslutning' hos varje förstärkarmodul (1a,..,1h) är förbunden med en av den lobformande anordningens (2,50) lobportar (2mJ..,2w) på ett sådant sätt att varje lobport är förbunden med högst en av nämnda förstärkarmodul (1a,..,1h), samt organ för samtidig aktivering av åtminstone ett antal av nämnda lobportar (2Lh. .,2m) med samma signal med lämpliga amplitud- och fasrelationer åstadkommer en överlagring av de stràlningsmönster som respektive aktiverade lobport motsvarar, på ett sådant sätt att en bredlob (5,B1,B2,B3,70) alstras.

12. Radioantennanordning enligt patentkrav 11, k ä n n e - t e c kz1a d därav att den lobformande anordningen (2,50) är reciprok.

13. Radioantennanordning enligt patentkrav 11 eller 12, k ä n n e t e c k n a d därav att nämnda gruppantenn (3) och nämnda lobformande anordning (2,50) även är anordnade för radiomottagning.

14. Radioantennanordning enligt patentkrav 11, 12 eller 13, k ä n n e t e c k n a d därav att radioantennanordningen (10) innefattar ett antal duplexfilter (9) placerade mellan nämnda lobformande anordning (2) och nämnda förstärkarmodul (1a,..,1h),

15. Radioantennanordning enligt något av patentkraven 11 till 14, k ä n n e t e c k n a d därav att den lobformande anordningen (2,50) innefattar åtminstone en Butler-matris.

16. Radioantennanordning enligt något av patentkraven 11 till 15, k ä n n e t e c k n a d därav att nämnda subgruppantenner (3a,..3h) utgörs av antennkolumner i gruppantennen (3). 25 509 278

17. Radioantennanordning enligt något av patentkraven 11 till 16, k äz1r1e t e c] är sådana att samtliga till följd av nämnda uppdelning resulterande signalnivåer på lobportarna (2m,..,2LQ huvudsakligen är lika.