In herkömmlichen sog."intelligenten" (d. h. steuerbaren) An- tennen müssen die Phasenunterschiede in den einzelnen Pfaden zu und von den verschiedenen Antennenelementen (z. B. eines Antennen-Arrays) im analogen Höchstfrequenzbereich definiert eingestellt werden. Da in den hierzu erforderlichen elektro- nischen Phasenschiebern Verluste auftreten, müssen rauscharme Empfangsverstärker für den Empfang (bzw. Leistungsverstärker für den Sendefall) eingefügt werden. Aufgrund der verschiede- nen technischen Probleme der Konstruktion (Linearität, Pha- sentreue, Rauschzahlen, Thermische Stabilität) sind diese "Phased Arrays"sehr kostenintensiv.

Eine Verbesserung verspricht neuerdings der Einsatz mikro- elektromechanischer Phasenschieber (MEMS), die aufgrund we- sentlich geringerer Einfügungsverluste den Wegfall der rauscharmen Verstärker ermöglichen könnten. Die MEMS Techno- logie ist aber derzeit weder ausgereift, noch sind Lösungsan- sätze für die Lebensdauer-und Schaltzeitprobleme in Sicht.

Bei einer Verlagerung der Phasensteuerung in den Digitalteil eines Antennensystems ('Digital Beam Forming'-DBF) können die o. g. Probleme prinzipiell umgangen werden. Um die ent- sprechenden Gewichtsfaktoren in einem derartigen'Digital Beamformer'einstellen zu können, muss jedoch die von jedem Antennenelement empfangene Signalfunktion nach Betrag und Phase bekannt sein, d. h. pro Pfad ist ein vollständiger (di- gitaler) Empfänger mit In-Phase und Quadratur-Auswertung er- forderlich. Die einzelnen Pfade müssen ferner zueinander ko- härent, d. h. phasenstarr sein. Dies verursacht wiederum einen hohen Aufwand bei der Konstruktion derartiger'Front-End'- Technologie.

Die Erfindung geht aus von dem geschilderten Stand der Tech- nik. Gegenstand der Erfindung ist es, eine für den'Digital Beam Forming'Ansatz geeignete, wesentlich vereinfachte Emp- fangstechnologie anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Antennensystem gemäß An- spruch 1. Weitere Details unterschiedlicher Ausführungsformen und Vorzüge der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausfüh- rungsbeispiele näher erläutert unter Bezugnahme auf die Figu- ren und den darin angegebenen Bezugszeichen.

Es zeigen : Figur 1 Übliche Ausführung einer passiven Sechstor- schaltung Figur 2 Typischer Aufbau eines Sechstor-Empfängers Figur 3 Anordnung eines Multiantennensystems auf der Basis

vollständiger Sechstore mit gemeinsamer Referenz Figur 4 Sechstor in Kombination mit einem weiteren Antennenpfad mit nur einem Ausgang (Dreitor) Figur 5 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antennen-Arrays zur Bestimmung der Signal- Einfallrichtung (Poynting-Vektor) Figur 6 Ausführungsbeispiel einer Kombination von n Antennenpfaden mit jeweils einem Dreitor Figur 7 Simulation der Ausgangsleistungen an den Toren 1 bis 5 des Arrays nach Fig. 6 in Abhängigkeit der Phasenverschiebung zwischen den Antennenpfaden und der I/Q-Signalkonstellation Bei sogenannten Mehrtor-Empfängern (auch Sechstor bzw. Fünf- tor-Empfänger genannt) wird aus mehreren skalaren Messungen auf die komplexe Signalstruktur zurückgerechnet. Dazu wird das zu empfangende Signal in einer passiven Schaltung mit ei- nem Signal bekannter Amplitude und Phasenlage überlagert (lo- kaler Oszillator, LO) und mit unterschiedlichen Phasenlagen an mindestens drei Ausgänge gegeben. Man kann zeigen, dass durch Signalgleichrichtung und Messung der Leistungspegel an mindestens drei Ausgängen eindeutig auf die komplexe Signal- struktur zurückgeschlossen werden kann. Bei mehr Ausgängen erhöht sich die Genauigkeit-daher werden häufig vier Aus- gänge verwendet, woraus sich zusammen mit den Signal-und Re- ferenzeingängen das bekannte Sechstor ergibt. Bei mehr als vier Toren steigen die Verluste stark an, so dass im allge- meinen kein Genauigkeitsgewinn mehr erzielt wird.

Der theoretische Hintergrund des Sechstor-Prinzips wurde von Engen in den 70er Jahren begründet [1] [2]. Er verwendete das Sechstor-Prinzip zum Bau eines Reflektometers, das komplexe Reflexionsfaktoren und damit gleichzeitig die Steuerparameter eines Zweitores messen kann. Seit Mitte der 90er Jahren wird dieses Prinzip auch zum Aufbau von Hochfrequenz-Eingangsele- menten von Empfängern untersucht, wobei das komplexe Verhält- nis zwischen dem Empfangssignal (RF) aRF = #aRF##ej(2##fRF#t+#2) und dem Lokaloszillatorsignal (LO) <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> aL0 a ##ej(2##fLO#t+#1)<BR> LO = #aLO# bestimmt wird [3].

Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer passiven Sechs- tor-Schaltung. Die auf einem solchen oder ähnlichen passiven Schaltungsaufbau basierende Sechstor-Technologie ist Stand der Technik [2] [4] [5] [6]. Nimmt man die Sechstor-Komponenten als ideal an, dann ergibt sich an den Ausgängen 3 bis 6 für die Superposition (Addition) der beiden Signale (LO + RF) die in Figur 1 an die jeweiligen Ausgänge des Sechstors eingetra- genen Formen der Summensignale. Die Leistungen, die nun an den Ausgängen gemessen werden, hängen vom Amplituden-, Pha- sen-, und Frequenzunterschied der beiden Signale ab. Von den linear unabhängigen Ausgangsleistungen (P3 bis P6) kann somit das komplexe Verhältnis des LO-und RF-Signales berechnet werden : # =#aRF/aLO##ej(2###f#t+##) Des weiteren kann gezeigt werden, dass bei unendlich hoher Isolation des RF-und LO-Tores folgender linearer Zusammen- hang der I und Q Komponente des RF-Signals mit den Leistungs- verhältnissen Pi/P3 (i = 4... 6) vorliegt :

Dabei sind die Ai und Bi Kalibrierungskoeffizienten, die durch geeignete Methoden bestimmt werden müssen. Auch hierzu existieren bereits Lösungen [7].

Figur 2 zeigt einen typischen Aufbau eines Hochfrequenz- (HF) -Eingangsteils mit den Komponenten zur Berechung der I und Q Komponente des RF-Signals, bestehend aus dem passiven Sechstor und seinen vier Ausgängen P3... P6, den nachgeschalte- ten Leistungsdetektoren LD3-LD6 und Tiefpassfiltern (TPF), der Analog-Digitalwandlung (A/D) und der Prozessoreinheit (CPU).

Auf der Basis des Sechstor-Prinzips ist die Realisierung ei- nes kostengünstigen Multi-Antennensystems zur Berechnung des Einfallwinkels der einfallenden Wellenfront (RF) möglich.

Dabei gelten die im Folgenden für ein Sechstor beschriebenen Ausführungen grundsätzlich auch für Fünf-Tore, bzw. allgemein für"n"-Tore (mit n 2 5). Eine erste Variante besteht darin, für jeden Pfad bzw. jedes Antennenelement A1, A1 usw. des Multi-Antennen-Systems jeweils einen der oben beschriebenen Sechstor-Empfänger inkl. Berechnungskomponenten vorzusehen, wie in Figur 3 für ein einfaches Zwei-Antennen-System darge- stellt. Dieses Anordnungsschema lässt sich grundsätzlich auf beliebig viele Antennenpfade A1... An erweitern. Jedes Sechstor S1, S2 liefert entsprechende I und Q-Daten (I1, Q1 bzw. I2, Q2). Aus Vergleich dieser Daten lässt sich der Einfallwinkel bestimmen. Entscheidend für die Berechnung des Einfallwin-

kels O ist die phasenstarre Synchronisation der Sechstore un- tereinander über den gemeinsamen lokalen Oszillator LO. Der Nachteil dieses Aufbaus besteht im relativ hohen Aufwand der pro Antennenpfad anfällt.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antennensystems besteht darin, nicht für jeden Antennenpfad A1... An einen eige- nen vollständigen Sechstor-Empfänger vorzusehen, sondern die Anzahl der insgesamt eingesetzten Ausgangstore zu verringern bzw. zu minimieren. Dies bietet einen entscheidenden Vorteil, da pro reduziertes Ausgangstor je ein Leistungsdetektor, Tiefpassfilter und A/D-Wandler wegfallen. Dazu werden im Fol- genden zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele vorge- stellt.

Figur 4 zeigt den Aufbau eines vereinfachten Zwei-Antennen- Systems, bei dem ein erster Antennenpfad A1 mit nachgeschal- tetem herkömmlichen Sechstor S1 zur Berechnung der I und der Q Komponente des Empfangssignals (RF) dient, und die zweite Antenne A2 nur noch zur Bestimmung des Einfallwinkels 0 der eintreffenden Wellenfront des RF-Signals verwendet wird. Da- bei genügt es, in diesem Antennenpfad A2 nur über einen ein- fachen Addierer (d. h. ein Dreitor, D1) das RF-und das LO- Signal zu addieren (Superposition) und die resultierende Leistung a zu messen. Unter der Voraussetzung einer wiederum gemeinsamen Referenz (LO) für Sechstor S1 und Dreitor D1 än- dert sich die Amplitude a am Ausgang des Addierers (Dreitor in Abhängigkeit des Einfallwinkels O.

Unter Verwendung mindestens eines weiteren Antennenpfads mit Dreitor (Drei-Antennen-System) und einer geeigneten geometri- schen Anordnung der vorhandenen Antennen (nicht als lineare Kette, sondern als 2-dimensionales Array) lässt sich der Poynting-Vektor (P) der einfallenden Wellen dreidimensional

(Winkellagen O und ç zum Antennenarray) aus den Ausgangssig- nalen berechnen.

Figur 5 gibt eine schematische Darstellung der geometrischen Verhältnisse. Das Antennenarray A1... An ist hier planar (3x3 Antennen in einer Ebene) angeordnet. Die Erweiterung auf wei- tere Antennenpfade mit Dreitoren ist möglich und dient zur Erhöhung der Genauigkeit der Bestimmung der Raumwinkel und , sowie der I und Q Werte.

Eine weitergehende Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 6 schematisch dargestellt. Bei dieser Anordnung wird voll- ständig auf die Verwendung eines Sechstors an einem einzelnen Antennenpfad verzichtet, d. h. jeder Antenne A1... An eines Ar- rays ist nur ein Dreitor D1... Dn nachgeschaltet. Auch hier ist wiederum Voraussetzung, dass jedes Dreitor eine gemeinsame Referenz (LO) verwendet. Das Referenzsignal wird bei dieser Ausführung um jeweils 2n/n phasenverschoben auf die n Dreito- re (Addierer) gegeben. Mit n 2 5 lassen sich aus den n Aus- gangsdaten al bis an der Dreitore sowohl die I und Q Kompo- nenten des Empfangssignals (RF), als auch die Raumwinkel 0 und (p des Poynting-Vektors (P) der einfallenden Welle eindeu- tig bestimmen. Eine mögliche räumliche Anordnung der n Anten- nenelemente kann dabei beispielsweise wieder wie in Figur 5 dargestellt erfolgen.

Figur 7 zeigt Simulationsergebnisse des in Fig. 6 dargestell- ten Aufbaus für n = 5, wobei die Leistung a1 bis a5 an den Dreitoren D1 bis D5 in Abhängigkeit von der Phasenverschie- bung zwischen den Antennenpfaden dargestellt ist. Die obere Bildhälfte zeigt die Ergebnisse für die RF-Signalkonstella- tion I=1 und Q=0, das untere Bild analog für I=0 und Q=1, d. h. ein um 90° phasenverschobenes Signal bei gleicher Fre- quenz. Man erkennt, dass sich unter Beibehaltung eines be-

stimmten Arrays für jedes Tor die Kurven in Abhängigkeit von I und Q gegeneinander verschieben. Damit können aus den Sig- nalen der Dreitore sowohl die I/Q-Werte des RF-Signals, als auch gleichzeitig-mit Hilfe der Phasenverschiebung zwischen den Antennenelementen-die Raumwinkel O und ç des Poynting- Vektors eindeutig bestimmt werden.

Literatur [1] G. F. Engen, C. A. Hoer, Application of an arbitrary 6- port junction to power measurement problems, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. IM-21, pp. 470-474, Nov. 1972 [2] US-Patent 4104583 : Six-port measuring circuit [3] Ji. Li, R. G. Bosisio, K. Wu, A Six-port Direct Digital Receiver, Digest of IEEE MTT Symposium, vol. 3, pp. 1659- 1662, San Diego, May 1994 [4] US-Patent 5274333 : Frequency balanced six-port reflect- meter with a variable testport impedance [5] US-Patent 5498969 : Device for the vector measurement of ultra-high frequency signals of the same angular fre- quency of the six-port junction type [6] EPO, Offenlegungsschrift EP 1011204 A1, Empfänger mit Sechs-Tor-Schaltung [7] WIPO, Offenlegungsschrift WO 9908393 A1, Calibration of n-port receiver