КАЛИБРОВКА АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 2000 года по МПК G01S7/40 H01Q3/36 

Изобретение относится к антенным решеткам, используемым в базовых станциях сотовых систем связи и, в частности, к системе калибровки антенной решетки, предназначенной для улучшения характеристик базовых станций.

В коммерческом использовании сотовой связи произошли впечатляющие положительные изменения как в США, так и во всем мире. Число пользователей сотовых систем в основных городских районах намного превзошло ожидаемое значение и превышает пропускную способность систем. При дальнейшем сохранении этой тенденции эффект ускоренного роста будет достигнут даже на самых небольших рынках. Для удовлетворения растущей потребности в пропускной способности систем связи, а также для обеспечения требуемого количества обслуживания пользователей этих систем без увеличения стоимости эксплуатаций необходимы новые решения. Кроме того, по мере увеличения числа пользователей сотовых систем на первый план выступают проблемы, связанные с возникновением взаимных помех различных каналов связи.

На фиг. 1 показаны ячейки Яч1-Яч10 типовой подвижной сотовой системы радиосвязи. Обычно мобильная сотовая система радиосвязи включает более десяти ячеек. Однако для простоты настоящее изобретение поясняется с использованием упрощенной схемы, показанной на фиг. 1. В каждой из ячеек Яч1-Яч10 имеется базовая станция БС1-БС10, номер которой совпадает с номером соответствующей ячейки. На фиг. 1 базовые станции расположены вблизи центров ячеек и оснащены всенаправленными антеннами.

На фиг. 1 также показаны девять мобильных станций МС1-МС9, которые перемещаются в пределах ячеек и от одной ячейки к другой. В типовой сотовой системе радиосвязи имеется более девяти мобильных сотовых станций. Фактически, число мобильных станций обычно во много раз превосходит число базовых станций. Однако при пояснении настоящего изобретения принимается сокращенное число мобильных станций.

Также на фиг. 1 показан центр коммутации мобильных станций ЦКМС (MSC). Центр коммутации мобильных станций ЦКМС, показанный на фиг. 1, подключен к каждой из десяти базовых станций БС1-БС10 при помощи кабельных линий. Кроме того, центр коммутации мобильных станций ЦКМС подключен с помощью кабельной линии к фиксированной (выделенной, fixed) коммутируемой телефонной сети или другой фиксированной сети. Кабельные линии из центра коммутации мобильных станций ЦКМС к базовым станциям БС1-БС10 и к фиксированной сети не показаны.

В дополнение к указанному центру коммутации мобильных станций ЦКМС могут быть дополнительные центры коммутации мобильных станций, подключенные посредством кабельных линий к базовым станциям, отличным от тех, что показаны на фиг. 1. Вместо кабельных линий для подключения базовых станций к центрам коммутации мобильных станций могут использоваться другие средства, например, фиксированные радиолинии. Центр коммутации мобильных станций ЦКМС, базовые станций и мобильные станции управляются при помощи компьютеров.

В обычных подвижных сотовых системах радиосвязи, подобных показанной на фиг. 1, каждая базовая станция имеет всенаправленную или направленную антенну для передачи сигналов в пределах зоны обслуживания этой базовой станции. В результате сигналы некоторой мобильной станции передаются в пределах всей зоны обслуживания, независимо от относительного положения мобильных станций, использующих систему. В базовой станции передатчик имеет по одному усилителю мощности на каждую несущую частоту. Усиленные сигналы объединяются и подаются на общую антенну с широкой диаграммой направленности в азимутальной плоскости. Вследствие большой ширины диаграммы направленности в азимутальной плоскости, например 120 или 360^o, коэффициент усиления антенны является низким, что не позволяет использовать пространственное разделение для снижения взаимных помех.

В последнее время уделяется большое внимание использованию линейных усилителей мощности, обеспечивающих усиление объединенного сигнала от нескольких несущих частот, который затем подается на общую антенну. В таких системах общая антенна также имеет широкую диаграмму направленности в азимутальной плоскости. В результате такие системы также страдают от проблем, связанных со взаимными помехами.

Для преодоления этих сложностей разрабатываются антенные системы, в которых увеличен коэффициент усиления и которые снижают, благодаря этому, взаимные помехи, возникающие в типовых базовых станциях. Одна из таких антенных систем описывается в заявке на патент США, озаглавленной "Микрополосковая антенная решетка", которая присоединяется к настоящему описанию как ссылка. В предложенной микрополосковой антенной решетке использованы несколько узких лучей, обеспечивающих покрытие зоны обслуживания базовой станции. В результате коэффициент усиления каждого из лучей может превышать коэффициент усиления обычной антенны с широкой диаграммой направленности. Кроме того, вместо пространственного разделения для сокращения замираний сигналов и взаимных помех может быть использовано поляризованное разделение. Однако для более точного формирования диаграмм направленности и наведения антенных лучей такие антенные системы должны быть тщательно откалиброваны.

Задачей настоящего изобретения является улучшение характеристик мобильных станций на основе увеличения точности формирования диаграмм направленности и наведения антенных лучей.

Это достигается за счет измерения и корректировки погрешностей и характеристик элементов антенной решетки, расположенных между диаграммообразующей схемой (beam forming device) и полями излучения (radiated fields). Элементы антенной решетки могут не быть точно подобранными, в результате различия могут быть компенсированы с использованием настоящего изобретения. Кроме того, представленное изобретение также может быть использовано для тестирования антенной решетки с целью проверки правильности работы элементов решетки до того, как антенная решетка будет задействована в системе связи.

В соответствии с реализацией настоящего изобретения раскрываются способ и устройство калибровки антенной решетки, используемой в мобильной системе радиосвязи на передачу. Сначала входной сигнал поочередно подается на каждую антенную секцию. Затем сигнал, излучаемый каждой антенной секцией, измеряется и для каждой антенной секции вычисляются корректирующие коэффициенты. После этого антенные секции регулируются в соответствии с полученными корректирующими коэффициентами так, чтобы обеспечить должную калибровку каждой секции.

В соответствии с другим вариантом реализации представленного изобретения раскрываются способ и устройство калибровки антенной решетки, используемой в мобильной системе радиосвязи на прием. Сначала формируется входной сигнал, подаваемый на каждую секцию антенной решетки. Сигналы, принятые каждой секцией антенной решетки, измеряются, в результате чего могут быть сформированы сигналы коррекции для каждой антенной секции путем сравнения поданного сигнала с измеренными сигналами. Затем каждая антенная секция может быть отрегулирована с использованием корректирующих коэффициентов так, чтобы обеспечить должную калибровку каждой антенной секции. Корректирующие коэффициенты также могут быть отрегулированы в соответствии с известными характеристиками отдельных антенных элементов.

Далее представленное изобретение подробно описывается на основе предпочтительных вариантов реализации изобретения, приведенных исключительно в качестве примера, и со ссылками на чертежи, где
фиг. 1 - типовая сотовая система радиосвязи;
фиг. 2 - схема определения корректирующих коэффициентов для приемной антенной решетки в соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения;
фиг. 3 - схема определения корректирующих коэффициентов для передающей антенной решетки в соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения;
фиг. 4 - корректировка формирования диаграммы направленности в соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения;
фиг. 5 - цифровая корректировка формирования диаграммы направленности в соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения.

Настоящее изобретение в первую очередь предназначено для использования в базовых станциях сотовых систем связи, хотя изобретение может использоваться и в различных других областях связи.

В соответствии с представленным изобретением калибровочная схема применяется для калибровки элементов, относящихся к каждой антенной секции антенной решетки. На фиг. 2 показана схема калибровки на прием антенной решетки в составе базовой станции. Калибровка на прием осуществляется путем подачи известных сигналов в каждую антенную секцию и измерения сигналов на выходе каждой антенной секции. Как видно из фиг. 2, передатчик 18 формирует сигнал, подаваемый в каждую секцию 10 посредством калибровочной схемы 16, которая является пассивной распределительной схемой деления сформированного сигнала для его подачи на калибровочные входы каждой антенной секции. Затем каждый сигнал проходит через соответствующий малошумящий усилитель 12, после чего в диаграммообразующей схеме 14 формируется суммарный сигнал. В диаграммообразующей схеме 14 могут быть получены корректирующие коэффициенты путем сравнения передаваемого и принятого сигналов, так, чтобы обеспечить индивидуальную калибровку каждой антенной секции антенной решетки 10. Если сигналы, принятые каждой антенной секцией, одинаково соотносятся с известным сигналом, подаваемым на эти секции, то калибровочные коэффициенты не применяются. При наличии погрешностей и различий в характеристиках элементов эти соотношения будут различаться, что обнаруживается измерительными устройствами диаграммообразующей схемы. Затем вычисляются корректирующие коэффициенты, которые характеризуют глубину коррекции, необходимой в качестве компенсации в каждой антенне. Корректирующие коэффициенты могут быть заданы в виде коэффициентов коррекции амплитуды и фазы, коэффициентов коррекции I и Q.

Схема калибровки антенной решетки в базовой станции на передачу показана на фиг. 3. В соответствии с данным вариантом реализации диаграммообразующая схема 34 формирует передаваемый сигнал, который поочередно подается на каждую антенную секцию антенной решетки 30. После прохождения передаваемого сигнала через соответствующие усилители мощности 32 калибровочная схема 36 снимает результирующий сигнал с каждой антенной секции. Затем результирующий сигнал подается в приемник 38. Вычислительные приспособления 40 соотносят принятый сигнал, поступающий с приемника 38, с исходным сигналом, подаваемым в каждую антенную секцию. Наличие погрешностей и различий в характеристиках приводит к возникновению различий в этих соотношениях, выявляемых вычислительными приспособлениями, и на основании этого вычисляются корректирующие коэффициенты, характеризующие глубину корректировки, необходимую в качестве компенсации в каждой антенной секции. Корректирующие коэффициенты могут быть заданы в виде коэффициентов коррекции амплитуды и фазы, коэффициентов коррекции I и Q.

Измеренные корректирующие коэффициенты используются в антенной решетке для формирования узкой диаграммы направленности с низким, желательно, уровнем боковых лепестков. Существует несколько способов использования корректирующих коэффициентов для регулировки антенной решетки. Как показано на фиг. 4, корректирующие коэффициенты могут быть использованы для регулировки фазы и/или амплитуды сигнала между диаграммообразующей схемой 42 и антенной решеткой 44. В рассматриваемом примере корректирующие коэффициенты могут быть использованы в усилителе 46 для изменения уровня сигнала и/или в фазовращателе 48 - для изменения фазы сигнала. Кроме того, как показано на фиг. 5, корректирующие коэффициенты в случае цифрового формирования луча могут быть использованы в диаграммообразующей схеме путем цифрового сложения корректирующих коэффициентов I и Q перед выполнением аналого-цифрового преобразования.

Настоящее изобретение несколько сокращает требования к точности выполнения элементов, подключенных к каждой антенной секции, так как в соответствии с данным изобретением погрешности, существующие в этих элементах, измеряются и корректируются. Кроме того, калибровочная схема непрерывно тестирует устройства, относящиеся к каждой антенной секции, с тем, чтобы удостовериться в исправности антенной решетки.

Ясно, что настоящее изобретение может иметь другие варианты реализации, не противоречащие замыслу или основной идее изобретения. Поэтому описанные варианты реализации рассматриваются именно как иллюстративные, но не ограничивающие. Объем изобретения определяется формулой изобретения, а не предшествующим описанием, и все вариации в пределах формулы считаются попадающими в объем изобретения.

Способ калибровки антенной решетки, используемой в мобильной системе радиосвязи на передачу, и способ калибровки антенной решетки, используемой в мобильной системе радиосвязи на прием, причем антенная решетка содержит несколько антенных секций, включают этапы поочередной подачи входного сигнала в каждую антенную секцию, измерения сигнала, передаваемого каждой антенной секцией, формирования корректирующих коэффициентов для каждой антенной секции на основе вышеупомянутых измеренных сигналов, регулировки выходных сигналов вышеупомянутых антенных секций в соответствии с вышеупомянутыми корректирующими коэффициентами, причем выходной сигнал антенны регулируют путем добавления I- и Q-корректирующих коэффициентов цифровым способом. Корректирующие коэффициенты могут быть использованы для регулировки фаз и/или амплитуд сигналов антенных секций. Корректирующие коэффициенты могут быть применены к сигналам между диаграмообразующими приспособлениями и антенными секциями. Технический результат заключается в повышении точности формирования диаграммы направленности и наведения антенных лучей. 4 с. и 16 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ калибровки антенной решетки, используемой в мобильной системе радиосвязи на передачу, причем вышеупомянутая антенная решетка включает несколько антенных секций, включающий следующие этапы: поочередной подачи входного сигнала в каждую антенную секцию, измерения сигнала, передаваемого каждой антенной секцией, формирования корректирующих коэффициентов для каждой антенной секции на основе вышеупомянутых измеренных сигналов, регулировки выходных сигналов вышеупомянутых антенных секций в соответствии с вышеупомянутыми корректирующими коэффициентами, причем выходной сигнал вышеупомянутой антенны регулируют путем добавления I- и Q-корректирующих коэффициентов цифровым способом. 2. Способ калибровки по п.1, отличающийся тем, что вышеупомянутые корректирующие коэффициенты используются для регулировки фаз выходных сигналов антенных секций. 3. Способ калибровки по п.1, отличающийся тем, что вышеупомянутые корректирующие коэффициенты используются для регулировки амплитуд выходных сигналов антенных секций. 4. Способ калибровки по п.1, отличающийся тем, что вышеупомянутые корректирующие коэффициенты используются для регулировки фаз и амплитуд выходных сигналов антенных секций. 5. Способ калибровки по п.1, отличающийся тем, что вышеупомянутые корректирующие коэффициенты применяются к сигналам между диаграммообразующими приспособлениями и антенными секциями. 6. Способ калибровки антенной решетки, используемой в мобильной системе радиосвязи на прием, причем вышеупомянутая антенная решетка содержит несколько антенных секций, включающий следующие этапы: формирования входного сигнала, подачи вышеупомянутого входного сигнала в каждую антенную секцию, измерения сигнала на выходе каждой антенной секции, формирования корректирующих сигналов с каждой антенной секции путем сравнения подаваемого сигнала и вышеупомянутых измеренных сигналов, регулировки вышеупомянутых антенных секций при помощи вышеупомянутых корректирующих коэффициентов, причем выходной сигнал вышеупомянутой антенны регулируют путем добавления I- и Q-корректирующих коэффициентов цифровым способом. 7. Способ калибровки антенной решетки на прием по п.6, отличающийся тем, что вышеупомянутые корректирующие коэффициенты используются для регулировки фаз сигналов, принятых каждой антенной секцией. 8. Способ калибровки по п.6, отличающийся тем, что вышеупомянутые корректирующие коэффициенты используются для регулировки амплитуд выходных сигналов, принятых каждой антенной секцией. 9. Способ калибровки по п.6, отличающийся тем, что вышеупомянутые корректирующие коэффициенты используются для регулировки фаз и амплитуд выходных сигналов, принятых каждой антенной секцией. 10. Способ калибровки по п. 6, отличающийся тем, что вышеупомянутые корректирующие коэффициенты применяются к сигналам между диаграммообразующими приспособлениями и антенными секциями. 11. Устройство калибровки антенной решетки, используемой в мобильной системе радиосвязи на передачу, причем вышеупомянутая антенная решетка включает несколько антенных секций, содержащее приспособление для поочередной подачи входного сигнала в каждую антенную секцию, приспособления для измерения сигнала, передаваемого каждой антенной секцией, приспособления для формирования корректирующих коэффициентов для каждой антенной секции на основе вышеупомянутых измеренных сигналов, приспособления для регулировки выходных сигналов вышеупомянутых антенных секций в соответствии с вышеупомянутыми корректирующими коэффициентами, причем выходной сигнал антенны регулируют путем добавления I- и Q-корректирующих коэффициентов цифровым способом. 12. Устройство калибровки по п.11, отличающееся тем, что вышеупомянутые корректирующие коэффициенты используются для регулировки фаз выходных сигналов антенных секций. 13. Устройство калибровки по п.11, отличающееся тем, что вышеупомянутые корректирующие коэффициенты используются для регулировки амплитуд выходных сигналов антенных секций. 14. Устройство калибровки по п.11, отличающееся тем, что вышеупомянутые корректирующие коэффициенты используются для регулировки фаз и амплитуд выходных сигналов антенных секций. 15. Устройство калибровки по п.11, отличающееся тем, что вышеупомянутые корректирующие коэффициенты применяются к сигналам между диаграммообразующими приспособлениями и антенными секциями. 16. Устройство калибровки антенной решетки, используемой в мобильной системе радиосвязи на прием, причем вышеупомянутая антенная решетка содержит несколько антенных секций, содержащее приспособления для формирования входного сигнала, приспособления для подачи упомянутого входного сигнала в каждую антенную секцию, приспособления для измерения сигнала на выходе каждой антенной секции, приспособления для формирования корректирующих сигналов с каждой антенной секции путем сравнения подаваемого сигнала и вышеупомянутых измеренных сигналов, приспособления для регулировки вышеупомянутых антенных секций при помощи корректирующих коэффициентов, причем выходной сигнал антенны регулируют путем добавления I- и Q-корректирующих коэффициентов цифровым способом. 17. Устройство калибровки по п.16, отличающееся тем, что вышеупомянутые корректирующие коэффициенты используются для регулировки фаз выходных сигналов, принятых каждой антенной секцией. 18. Устройство калибровки по п.16, отличающееся тем, что вышеупомянутые корректирующие коэффициенты используются для регулировки амплитуд выходных сигналов, принятых каждой антенной секцией. 19. Устройство калибровки по п.16, отличающееся тем, что вышеупомянутые корректирующие коэффициенты используются для регулировки фаз и амплитуд выходных сигналов, принятых каждой антенной секцией. 20. Устройство калибровки по п.16, отличающееся тем, что вышеупомянутые корректирующие коэффициенты применяются к сигналам между диаграммообразующими приспособлениями и антенными секциями.