EP1530816B1

Calibration device for a switchable antenna array and corresponding operating method

Abstract

A calibration device for a switchable antenna array, distinguished by the following improvements provides at least two inputs of two or more available inputs of the beam forming network fed simultaneously and/or jointly and/or in the same phase. The antenna elements have been trimmed in advance in order to produce intermediate lobes or further different azimuth beam directions, such that the individual lobes which are produced when at least two inputs are connected can be added with the correct phase.

EP1530816B1, drawing sheet 1
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Expired 5 June 2023, 3.3 years ago.

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16 claims: 16 independent, 0 dependent

  1. 1
    Calibration apparatus for an antenna array, which has at least one antenna array (1) with at least two vertical columns (7) which each have a plurality of antenna elements (3, 3') which are arranged one above the other with inputs (15), upstream of which a beamforming network (17) is connected being associated with the plurality of columns (7) in which the plurality of antenna elements (3, 3') are in each case arranged, with the outputs (21) of this beamforming network (17) each being connected to an associated input (15) of the antenna array (1) via which the antenna elements (3, 3') which are provided in one column (7) are fed, and with the beamforming network (17) producing a different phase relationship between the antenna elements (3, 3') which are arranged in the individual columns (7), depending on which input (19.1 to 19.4) is connected, in order to achieve a different beam direction in the azimuth direction, and in this case at least two inputs (19.1, 19.2, 19.3, 19.4) are fed via a common feed cable (23) or via separate feed cables (23), characterized by the following further features:- the calibration device furthermore has at least one probe (11) which is arranged in the near field of the antenna elements (3, 3') and/or at least one coupling device (111), which is connected downstream from the beamforming network (17),- the calibration apparatus has at least one probe (11) or at least one coupling device (111) or at least one pair of coupling devices (111) for only some of the columns (7),- the calibration apparatus furthermore has a matching device, which is arranged upstream of the inputs (19) of the beamforming network (17, 17') and by means of which the phase angle of the signals which are supplied to the inputs (19) of the beamforming network (17;17') is preselected as a function of the output signals from the at least one probe (11) or from the at least one coupling device (111) and- the phase angle of the inputs of the beamforming network (17;17') can be preselected or varied by means of the matching device formed in this way such that lobes which are aligned in different azimuth beam directions are also produced selectively, by means of the antenna array (1), in addition to intermediate lobes which are located between two main lobes. Dispositif de calibrage pour un réseau d'antennes, qui comprend au moins un réseau d'antennes (1) pourvu d'au moins deux colonnes verticales (7) comprenant chacune plusieurs éléments rayonneurs (3, 3') agencés les uns au-dessus des autres, des entrées (15) étant associées aux plusieurs colonnes (7) dans lesquelles sont agencés lesdits plusieurs éléments rayonneurs respectifs (3, 3'), entrées en amont desquelles est prévu un réseau de formation de rayon (17) dont les sorties (21) sont connectées chacune à une entrée associée (15) du réseau d'antennes, via laquelle sont alimentés les éléments rayonneurs (3, 3') prévus dans une colonne (7), le réseau de formation de rayon (17) génère, en fonction de l'entrée branchée (19.1 à 19.4), une autre relation de phase entre les éléments rayonneurs (3, 3') agencés dans les colonnes individuelles (7), afin d'obtenir différentes directions de rayonnement en direction azimutale, et au moins deux entrées (19.1, 19.2, 19.3, 19.4) sont alimentées via un câble d'alimentation commun (23) ou via des câbles d'alimentation séparés (23), caractérisé par les autres éléments suivants : - le dispositif de calibrage comprend en outre au moins une sonde (11) qui est agencée dans le champ proche des éléments rayonneurs (3, 3') et/ou au moins un dispositif de couplage (111) qui est agencé en aval du réseau de formation de rayon (17),- le dispositif de calibrage comprend uniquement pour une partie des colonnes (7) au moins une sonde (11) ou au moins un dispositif de couplage (111) ou au moins une paire de dispositifs de couplage (111),- le dispositif de calibrage comprend en outre un dispositif d'étalonnage qui est agencé en amont des entrées (19) du réseau de formation de rayon (17 ;17'), au moyen duquel le phasage des signaux amenés aux entrées (19) du réseau de formation de rayon (17 ;17') est présélectionné en fonction des signaux de sortie de ladite au moins une sonde (11) ou dudit au moins un dispositif de couplage (111), et- au moyen du dispositif d'étalonnage ainsi formé, le phasage aux entrées du réseau de formation de rayon (17 ;17') est présélectionnable ou modifiable de telle sorte qu'au moyen du réseau d'antennes (1), on peut générer, outre deux lobes intermédiaires situés au milieu entre deux lobes principaux, au choix également des lobes orientés dans différentes directions de rayonnement azimutales. Kalibriervorrichtung für ein Antennen-Array, welches zumindest ein Antennen-Array (1) mit zumindest zwei vertikalen Spalten (7) mit jeweils mehreren übereinander angeordneten Strahlern (3, 3') umfasst, wobei den mehreren Spalten (7), in denen die jeweils mehreren Strahler (3, 3') angeordnet sind, Eingänge (15) zugeordnet sind, denen ein Strahlformungsnetzwerk (17) vorgeschaltet ist, dessen Ausgänge (21) jeweils mit einem zugeordneten Eingang (15) des Antennen-Arrays verbunden ist, worüber die in einer Spalte (7) vorgesehenen Strahler (3, 3') angespeist werden, wobei das Strahlformungsnetzwerk (17) je nach beschaltetem Eingang (19.1 bis 19.4) zur Erzielung einer unterschiedlichen Strahlrichtung in Azimutrichtung eine andere Phasenbeziehung zwischen den in den einzelnen Spalten (7) angeordneten Strahlern (3, 3') erzeugt, und dabei zumindest zwei Eingänge (19.1, 19.2, 19.3, 19.4) über ein gemeinsames Speisekabel (23) oder über separate Speisekabel (23) angespeist sind, gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale: - die Kalibriereinrichtung umfasst ferner zumindest Sondein (11), die im Nahfeld der Strahler (3, 3') angeordnet ist, und/oder zumindest eine Koppeleinrichtung (111), die dem Strahlformungsnetzwerk (17) nachgeordnet ist,- die Kalibriervorrichtung umfasst nur für einen Teil der Spalten (7) zumindest eine Sonde (11) oder zumindest eine Koppeleinrichtung (111) oder zumindest ein Paar von Koppeleinrichtungen (111),- die Kalibriervorrichtung umfasst ferner eine Abgleicheinrichtung, die den Eingängen (19) des Strahlformungsnetzwerkes (17;17') vorgeordnet ist, mittels der die Phasenlage der den Eingängen (19) des Strahlformungsnetzwerkes (17;17') zugeführten Signale in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der zumindest einen Sonde (11) bzw. der zumindest einen Koppeleinrichtung (111) vorgewählt wird, und- mittels der so gebildeten Abgleicheinrichtung ist die Phasenlage an den Eingängen des Strahlformungsnetzwerkes (17;17') so vorwähl- oder veränderbar, dass mittels des Antennen-Arrays (1) neben mittig zwischen zwei Hauptkeulen liegenden Zwischen-Keulen wahlweise auch in unterschiedliche Azimutstrahlrichtungen ausgerichtete Keulen erzeugt werden.
  2. 2
    Calibration apparatus for a switchable antenna array according to Claim 1, characterized in that the matching device which forms part of the calibration apparatus has phase control elements (37) which are connected upstream of the beamforming network (17;17'). Dispositif de calibrage pour un réseau d'antennes commutable selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'étalonnage appartenant au dispositif de calibrage comprend des organes de réglage de phase (37) qui sont branchés en amont du réseau de formation de rayon (17 ;17'). Kalibriervorrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Kalibriervorrichtung gehörende Abgleicheinrichtung Phasenstellglieder (37) umfasst, die dem Strahlformungsnetzwerk (17;17') vorgeschaltet sind.
  3. 3
    Calibration apparatus for a switchable antenna array according to Claim 1, characterized in that additional lines of a predetermined length are connected upstream of individually selected inputs (19.1, 19.2, 19.3, 19.4) upstream of the beamforming network (17), or are connected to these inputs (19.1, 19.2, 19.3, 19.4). Dispositif de calibrage pour un réseau d'antennes commutable selon la revendication 1, caractérisé en ce que des lignes supplémentaires sont agencées en amont des entrées sélectionnées individuellement (19.1, 19.2, 19.3, 19.4) à une longueur prédéterminée en avant du réseau de formation de rayon (17) ou sont branchées à ces entrées (19.1, 19.2, 19.3, 19.4). Kalibriervorrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Leitungen in vorbestimmter Länge einzeln ausgewählten Eingängen (19.1, 19.2, 19.3, 19.4) vor dem Strahlformungsnetzwerk (17) vorgeschaltet bzw. an diesen Eingängen (19.1, 19.2, 19.3, 19.4) angeschlossen sind.
  4. 4
    Calibration apparatus for a switchable antenna array according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the probes (11) and/or the coupling device (111) are/is connected to a calibration network (27, 27' 27''). Dispositif de calibrage pour un réseau d'antennes commutable selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les sondes (11) et/ou le dispositif de couplage (111) sont branchés à un réseau de calibrage (27, 27', 27"). Kalibriervorrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonden (11) und/oder die Koppeleinrichtung (111) an einem Kalibriernetzwerk (27, 27', 27") angeschlossen sind.
  5. 5
    Calibration apparatus for a switchable antenna array according to Claim 4, characterized in that at least one column (7), a probe (11), and preferably at least two columns (7), each has or have at least one probe (11) which is/are associated with a respective antenna element (3, 3'), via which a signal element (near field signals) is supplied to the calibration network (27, 27', 27") during the calibration phase, thus allowing the phase trimming to be defined. Dispositif de calibrage pour un réseau d'antennes commutable selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins une colonne (7) comprend une sonde (11) et de préférence au moins deux colonnes (7) comprennent chacune au moins une sonde (11) qui est ou sont associée(s) chacune à un élément rayonneur (3, 3'), via lesquelles un signal partiel (signaux de champ proche) est amené au réseau de calibrage (27, 27', 27") pendant la phase de calibrage, ce qui fixe l'étalonnage de phase. Kalibriervorrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Spalte (7), eine Sonde (11) und vorzugsweise zumindest zwei Spalten (7) jeweils zumindest eine Sonde (11) umfassen, die jeweils einem Strahler (3, 3') zugeordnet ist bzw. sind, worüber in der Kalibrierphase ein Teilsignal (Nahfeld-Signale) dem Kalibriernetzwerk (27, 27', 27") zugeführt wird, worüber der Phasenabgleich festgelegt ist.
  6. 6
    Calibration apparatus for a switchable antenna array according to Claim 4, characterized in that at least one coupling device (111) is associated with at least one antenna element (3, 3') in one column (7), or at least one coupling device (111) is in each case associated with in each case one antenna element (3, 3') in two columns (7), via which, during the calibration phase, a signal element (an output signal) is supplied to the calibration network (27, 27', 27"), by means of which the phase matching is defined. Dispositif de calibrage pour un réseau d'antennes commutable selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins un dispositif de couplage (111) est associé à au moins un élément rayonneur (3, 3') d'une colonne (7) ou au moins un dispositif de couplage respectif (111) est associé à au moins un élément rayonneur respectif (3, 3') de deux colonnes (7), via lequel un signal partiel (un signal découplé) est amené au réseau de calibrage (27, 27', 27") pendant la phase de calibrage, ce qui fixe l'étalonnage de phase. Kalibriervorrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Strahler (3, 3') einer Spalte (7) zumindest eine Koppeleinrichtung (111) oder zumindest je einem Strahler (3, 3') zweier Spalten (7) zumindest je eine Koppeleinrichtung (111) zugeordnet ist, worüber in der Kalibrierphase ein Teilsignal (ein ausgekoppeltes Signal) dem Kalibriernetzwerk (27, 27', 27") zugeführt wird, worüber der Phasenabgleich festgelegt ist.
  7. 7
    Calibration apparatus for a switchable antenna array according to Claim 6, characterized in that the coupling device (111) is preferably arranged between the respective output (21) of the beamforming network (17, 17') and the associated input (15) of the antenna array (1). Dispositif de calibrage pour un réseau d'antennes commutable selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de couplage (111) est agencé de préférence entre la sortie respective (21) du réseau de formation de rayon (17, 17') et l'entrée associée (15) du réseau d'antennes (1). Kalibriervorrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinrichtung (111) vorzugsweise zwischen dem jeweiligen Ausgang (21) des Strahlformungsnetzwerkes (17, 17') und dem zugeordneten Eingang (15) des Antennen-Arrays (1) zugeordnet ist.
  8. 8
    Calibration apparatus for a switchable antenna array according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the probe (11) or the probes (11) is or are formed from capacitive probes or from an inductively operating probe (11) in the form of a small induction loop. Dispositif de calibrage pour un réseau d'antennes commutable selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la sonde (11) ou les sondes (11) sont constituées par des sondes capacitives ou par une sonde (11) à fonctionnement inductif sous la forme d'une petite boucle d'induction. Kalibriervorrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (11) oder die Sonden (11) aus kapazitiven Sonden oder einer induktiv arbeitenden Sonde (11) in Form einer kleinen Induktionsschleife besteht.
  9. 9
    Calibration apparatus for a switchable antenna array according to Claim 6, characterized in that, in the case of a dual-polarized antenna array, at least one column (7), and preferably at least two columns (7), is or are in each case provided with at least one pair of coupling devices (111), namely with in each case one coupling device (111) for one polarization. Dispositif de calibrage pour un réseau d'antennes commutable selon la revendication 6, caractérisé en ce que dans le cas d'un réseau d'antennes à polarisation double, au moins une colonne (7), de préférence au moins deux colonnes (7) sont pourvues chacune d'une paire de dispositifs de couplage (111), à savoir d'un dispositif de couplage respectif (111) pour une polarisation. Kalibriervorrichtung für ein umschaltbares Antennen-Array nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines dualpolarisierten Antennen-Arrays zumindest eine Spalte (7), vorzugsweise zumindest zwei Spalten (7) zumindest jeweils mit einem Paar von Koppeleinrichtungen (111) versehen ist, nämlich jeweils einer Koppeleinrichtung (111) für eine Polarisation.
  10. 10
    Calibration apparatus according to one of Claims 1 to 9, characterized in that, in the case of a dual-polarized antenna array, the one or more probes (11) which is or are provided is or are in each case suitable for receiving a signal for both polarizations. Dispositif de calibrage selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que dans un réseau d'antennes à polarisation double, ladite une ou les plusieurs sondes prévues (11) conviennent chacune à recevoir un signal pour les deux polarisations. Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem dualpolarisierten Antennen-Array die eine oder die mehreren vorgesehenen Sonden (11) jeweils zum Empfang eines Signals für beide Polarisationen geeignet sind.
  11. 11
    Calibration apparatus according to one of Claims 1 to 10, characterized in that one probe (11) or one coupling device (111), or a pair of coupling devices (111), is or are provided for only one antenna element (3, 3') per column (7). Dispositif de calibrage selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que pour chaque colonne (7), il est prévu une sonde (11) ou un dispositif de couplage (111) ou une paire de dispositifs de couplage (111) uniquement pour un élément rayonneur (3, 3'). Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass pro Spalte (7) nur für einen Strahler (3, 3') eine Sonde (11) oder eine Koppeleinrichtung (111) oder ein Paar von Koppeleinrichtungen (111) vorgesehen ist bzw. sind.
  12. 12
    Calibration apparatus according to one of Claims 1 to 11, characterized in that the at least one probe (11) or the two or more probes (11) lies or lie on a vertical plane of symmetry, which passes through the antenna elements (3, 3'), with respect to the antenna elements (3, 3') which are associated with it or them. Dispositif de calibrage selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que par rapport aux éléments rayonneurs (3, 3') associés à ladite au moins une sonde (11) ou aux plusieurs sondes (11), celles-ci se trouvent sur un plan de symétrie vertical traversant les éléments rayonneurs (3, 3'). Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sonde (11) bzw. die mehreren Sonden (11) bezüglich den ihnen zugeordneten Strahlern (3, 3') auf einer durch die Strahler (3, 3') hindurchverlaufenden vertikalen Symmetrieebene liegen.
  13. 13
    Calibration apparatus according to one of Claims 1 to 12, characterized in that, in the case of an antenna array having four columns (7), at least two probes (11), are provided and are each arranged in the near field of one antenna element (3, 3') which is arranged in the two outer columns (7) or in the two inner columns (7) of the antenna array. Dispositif de calibrage selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que dans un réseau d'antennes comprenant quatre colonnes (7), il est prévu au moins deux sondes (11) qui sont agencées dans le champ proche d'un élément rayonneur respectif (3, 3') qui est agencé dans les deux colonnes extérieures (7) ou dans les deux colonnes intérieures (7) du réseau d'antennes. Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Antennen-Array mit vier Spalten (7) zumindest zwei Sonden (11) vorgesehen sind, die im Nahfeld jeweils eines Strahlers (3, 3') angeordnet sind, der in den beiden außenliegenden Spalten (7) oder in den beiden innenliegenden Spalten (7) des Antennen-Arrays angeordnet ist.
  14. 14
    Calibration apparatus according to one of Claims 1 to 13, characterized in that, in the case of an antenna array having four columns, at least two coupling devices (111) or two pairs of coupling devices (111) or two pairs of coupling devices (111) are provided, which each have an associated antenna element (3, 3'), with these antenna elements (3, 3') being arranged in the two outer or in the two inner columns (7) of the antenna array. Dispositif de calibrage selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que dans un réseau d'antennes comprenant quatre colonnes (7), il est prévu au moins deux dispositifs de couplage (111) ou deux paires de dispositifs de couplage (111), ou encore deux paires de dispositifs de couplage (111) associés chacun à un élément rayonneur (3, 3'), qui sont agencés dans les deux colonnes extérieures ou dans les deux colonnes intérieures (7) du réseau d'antennes. Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Antennen-Array mit vier Spalten zumindest zwei Koppeleinrichtungen (111) oder zwei Paare von Koppeleinrichtungen (111) oder zwei Paare von Koppeleinrichtungen (111) vorgesehen sind, die jeweils einem Strahler (3, 3') zugeordnet sind, die in den beiden außenliegenden oder in den beiden innenliegenden Spalten (7) des Antennen-Arrays angeordnet sind.
  15. 15
    Calibration apparatus according to one of Claims 1 to 14, characterized in that the probes (11) are arranged on the same horizontal line. Dispositif de calibrage selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les sondes (11) sont agencées à la même ligne en hauteur. Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonden (11) auf gleicher Höhenlinie angeordnet sind.
  16. 16
    Calibration apparatus according to one of Claims 1 to 15, characterized in that one probe (11;11c, 11d) is in each case provided for two adjacent columns (7) of an antenna array, and these probes (11;11c, 11d) preferably have the same coupling loss. Dispositif de calibrage selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il est prévu une sonde respective (11 ;11c, 11d) pour deux colonnes voisines (7) d'un réseau d'antennes, sondes qui présentent de préférence le même amortissement de couplage. Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils für zwei benachbarte Spalten (7) eines Antennen-Arrays eine Sonde (11;11c, 11d) vorgesehen ist, die vorzugsweise die gleiche Koppeldämpfung aufweist.
Independent claims16