Phase-Array Antennen auf Basisstationen

[Owen S. (senmeis)]

Hi,

irgendwo habe ich gelesen, Strahlungsrichtung von Phase-Array Antennen 
auf Basisstationen sind durch einigen Umschaltern bestimmt, wo 
Phasenverschiebungen vorkonfiguriert sind, etwas wie der Fall im Anhang. 
Stimmt das?

Senmeis

[123 (Gast)]

Ich kann nur dieses Video empfehlen. 
https://www.youtube.com/watch?v=uiABs3rjsFw&t=623s

Dort ist eine Mobilfunkantenne zu sehen die offensichtlich aus 5 
Kreuzdipolen im Array besteht. Die Phasenverschiebung wird wohl 
elektromechanisch mit einem motorisierten Phaseshifter (mit Poti 
Feedback) erledigt. (https://www.youtube.com/watch?v=uiABs3rjsFw&t=623s)

[Sub THz Funker (Gast)]

123 schrieb:

>  Die Phasenverschiebung wird wohl
> elektromechanisch mit einem motorisierten Phaseshifter (mit Poti
> Feedback) erledigt. (https://www.youtube.com/watch?v=uiABs3rjsFw&t=623s)

Warum eigentlich elektromechanisch?

Beim Radar gehts doch auch elektronisch!?!

[Schreiber (Gast)]

Weil elektronisch teurer ist?!

[M. M. (blackcow)]

Sub THz Funker schrieb:
> Beim Radar gehts doch auch elektronisch!?!

Erstens teuer. Vor allem bei größeren Leistungen nicht mehr ganz 
einfach. Und zweitens nehme ich an das die Abstrahlrichtung nicht 
ständig geändert wird, sondern nur nach dem Einbau oder halt wenn sich 
die baulichen Gegebenheiten ändern.

[Martin L. (Gast)]

Hallo,

man nennt diese Art von Stahlformung Beam-Switching. Im Gegensatz zu 
einem Phased-Array erzeugt ein Eingangssignal an einem Port an dem 
Antennen-Array eine konstante Abstrahlcharakteristik.
In diesem Beispiel kann man also zwischen 4 verschiedenen 
Abstrahlwinkeln auswählen. Ein großer Vorteil gegenüber einem 
(klassischen) Phased-Array System ist, dass man gleichzeitig vier 
(unterschiedliche) Signale einspeisen kann und alle vier Signale in 
verschiedene Richtungen abgestrahlt werden. Außerdem ist der 
(finanzielle) Aufwand wesentlich geringer als bei einem aktiven 
Phased-Array System.

Die am weitesten verbreitete Realisierung eines solchen 
Beam-Forming-Networks ist die Butler-Matrix. In der Theorie relativ 
einfach - die Realisierung ist nicht mehr so trivial weil die 
verschiedenen Koppler sehr gut angepasst sein müssen, um gute 
Strahlungsdiagramme zu erhalten. Man kann das mit Rat-Race Kopplern 
machen aber die Bandbreite ist dann sehr gering. Wesentlich bessere 
Ergebnisse erzielt man mit Lange-Kopplern oder mit Aperturkopplern.

Im Moment sind diese Konzepte für 5G Anwendungen im mm-Wellen Bereich 
von Interesse, da man somit jedem Mobilfunk-Teilnehmer seinen eigenes, 
gerichtetes Signal zuspielen kann.

Viele Grüße,
 Martin Laabs

[Wolfgang H. (Firma: AknF) (wolfgang_horn)]

Danke, Martin,

für die Sachlichkeit und für den Informationsgehalt in Deinem Beitrag.

> Die am weitesten verbreitete Realisierung eines solchen
> Beam-Forming-Networks ist die Butler-Matrix.

Ich war mal beeindruckt von einer Basisstation in Backnang. Ihr Aufbau:
1. N kollineare Strahler, jeder also mit einem schmalen vertikalen 
Öffnungswinkel.
2. Butler-Matrix, auch mit N Eingängen.
3. N Endstufen.
4. N D/A-Wandler trieben die Endstufen.
5. Für mich der Clou: Eine inverse FFT speiste die Wandler.

Effekt: Im Prinzip unbegrenzt viele Mobilteilnehmer können gleichzeitig 
bedient werden, auch mehrere im selben der N Beams. Es ist "nur" eine 
Frage der Rechnerei vor den D/A-Wandlern.

Die inverse FFT funktioniert nicht über den Frequenzbereich, sondern 
über den Abstrahlwinkel. Die N sind punktsymmetrisch im Kreis 
angeordnet. Ein zu sendendes Signal kann daher über vielleicht 3 bis 5 
Endstufen und Strahler gleichzeitig gesendet werden, phasenrichtig für 
den Antennengewinn.
Die inverse FFT ergibt die Signalanteile je Strahler.

Was aus der Erprobung geworden ist? Keine Ahnung.

Ciao
Wolfgang Horn

[Martin L. (Gast)]

Hallo Wolfgang,

Wolfgang H. schrieb:

>[...]
> 5. Für mich der Clou: Eine inverse FFT speiste die Wandler.
>
> Effekt: Im Prinzip unbegrenzt viele Mobilteilnehmer können gleichzeitig
> bedient werden, auch mehrere im selben der N Beams. Es ist "nur" eine
> Frage der Rechnerei vor den D/A-Wandlern.

Das ist ein interessantes Konzept. Gibt es darüber ein Paper? Ich war 
bisher der Meinung, dass man nicht ohne weiteres zwischen den Beams 
interpolieren kann. Aber wenn man die Funktion der Butler-Matrix (BM) 
durch eine IFT aufhebt ist es offensichtlich, dass das funktionieren 
muss.

Was ich mich allerdings frage:

Wenn man schon für jede Antenne/Antennenstack einen eigenen D/A Wandler 
+ Endstufe hat kann man gleich ein komplettes digital Beamforming 
machen.

D.h. ich kann auch ohne (BM) beliebig viele Beams mit beliebig vielen 
unterschiedlichen Signalen erzeugen und abstrahlten.
Ich sehe dort nicht mehr den Vorteil von einer BM - oder habe ich das 
Konzept falsch verstanden? Oder hat es etwas mit der reduzierten 
Rechenleistung gegenüber dem Full-Digital-Beamforming zu tun?

Viele Grüße,
 Martin Laabs

[Wolfgang H. (Firma: AknF) (wolfgang_horn)]

Hi, Martin,

>>[...]
>> 5. Für mich der Clou: Eine inverse FFT speiste die Wandler.
>>
>> Effekt: Im Prinzip unbegrenzt viele Mobilteilnehmer können gleichzeitig
>> bedient werden, auch mehrere im selben der N Beams. Es ist "nur" eine
>> Frage der Rechnerei vor den D/A-Wandlern.
>
> Das ist ein interessantes Konzept. Gibt es darüber ein Paper?
Wurde in der Demo nicht erwähnt. Ich habe halt ein bisschen "unschuldig" 
gefragt und mir meine Folgerungen zusammen gereimt.

> Ich war
> bisher der Meinung, dass man nicht ohne weiteres zwischen den Beams
> interpolieren kann. Aber wenn man die Funktion der Butler-Matrix (BM)
> durch eine IFT aufhebt ist es offensichtlich, dass das funktionieren
> muss.
Aufheben? Von der Butler-Matrix war bei der Demo keine Rede gewesen, die 
habe ich vielleicht hinzu erfunden. Ich kann das gewünschte 
Horizontaldiagramm einer Antenne mit einer punktsymmetrischen 
Kreisgruppe aus N Strahlern ja als Eingangssignal für eine N-Punkte-FFT 
verwenden und bekomme für eine gewünschte Richtung Betrag und Phase, mit 
denen jeder Strahler angesteuert werden muss.
Mag sein, dass die Butler-Matrix dann nicht mehr notwendig ist.

Die Demo ist etwa 20 Jahre zurück, da könnte die Richtfunktruppe zu GEC 
gehört haben. Entweder ist aus der Demo etwas geworden, oder das Konzept 
war nicht gut genug.

> D.h. ich kann auch ohne (BM) beliebig viele Beams mit beliebig vielen
> unterschiedlichen Signalen erzeugen und abstrahlen.

O.K., kein Einwand.

Ciao
Wolfgang Horn