Smart-RF (KATHREIN Teilvorhaben)

Zielsetzung

Das Projektziel von SMART-RF besteht in der Entwicklung von Konzepten und Verfahren sowie Architekturen für effiziente, breitbandige, kostenoptimierte Transceiver, basierend auf einer verzahnten Optimierung des Analog- und Digitalteils. Für ein breitbandiges analoges Frontend werden neben kompakten breitbandigen Antennen, die mehrere Mobilfunkbänder unterstützen, auch neuartige Filter zur Trennung mehrerer Sende- und Empfangsbänder bei FDD-Systemen benötigt.

Ergebnisse aus dem KATHREIN Teilvorhaben

Im Forschungsprojekt Smart-RF wurden zwei Schwerpunkte im Bereich Multibandantennen und Multistandard-Filter untersucht, deren Ergebnisse im folgenden dargestellt werden sollen.

Realisierung von Multibandantennen

Für Multi-Band-Multi-Standard-Basisstationen werden Richtantennen benötigt, die einen Frequenzbereich von 790 MHz bis 2690 MHz für die aktuellen Mobilfunknetze bzw. bis 3.8 GHz unter Einbeziehung des WiMax-Bereichs bei 3.5 GHz aufweisen. Mangels Akzeptanz der Bevölkerung an zusätzlichen Antennen bei vorhandenen Mobilfunkstandorten war ein Ziel des Forschungsprojekts neue breitbandige Antennen mit unabhängig einstellbarem Downtilt in einem gemeinsamen Radome zu entwickeln, Abbildung 1.

Abbildung 1: Vergleich der Antennenlänge, Gewinn und Strahleranordnung von Richtantennen für verschiedene Frequenzbereiche (links) und Realisierung einer Multiband-antenne mit breitbandigen dualpolarisierten Strahlern (rechts).

Bei Mobilfunkantennen können anhand der Reflektorgeometrie maßgeblich folgende Antennenparameter eingestellt werden:

• Horizontale Halbwertsbreite
• Vertikale Halbwertsbreite (abhängig auch von Anzahl der Strahler)
• Front-to-Back-Verhältnis
• Entkopplung bei dualpolarisierten Antennen

Eine typische Strahleranordnung einer Multibandantenne mit zwei verschiedenen dualpolarisierten Breitbandstrahlern zeigt Abbildung 2.

Abbildung 2: Strahleranordnung einer Multibandantenne (links) mit extrem breitbandigen aufeinander abgestimmten dualpolarisierten Einzelstrahlern.

Durch die neu entwickelte Breitbandtechnik kann mit dieser Anordnung eine Multibandantenne für die Mobilfunknetze LTE800, GSM900, DCS1800, UMTS2100 und LTE2600 realisiert werden. Der breitbandige obere Frequenzbereich reicht von 1710MHz bis 2690MHz und kann durch Einsatz von Filtern in drei schmalbandige Bereiche geteilt werden. Nach den Filtern wird jedes Einzelband mit einem separaten Speisenetzwerk versehen, weshalb durch Verstellen eines Phasenschiebers in jedem Band ein unabhängig einstellbarer elektronischer Downtilt erzielt werden kann. Dieser wird bei Mobilfunksystemen zur Begrenzung der Zellgröße bzw. zur Unterdrückung von Interferenzen zu benachbarten Mobilfunkzellen genutzt.

Ein weiterer Schwerpunkt im Forschungsprojekt Smart-RF war die Optimierung von Breitband-Speisenetzwerken, ohne die die Entwicklung breitbandiger Antennen mit einstellbaren elektrischen Downtilt nicht möglich ist. Hierzu wurden neue Mess- und Optimierungsverfahren entwickelt.

Typische Parameter einer Mobilfunkantenne sind in Tabelle 1 dargestellt. Im städtischen Bereich werden normalerweise Antennen mit 65° horizontaler Halbwertsbreite eingesetzt. Die vertikale Halbwertsbreite ergibt sich aus der Anzahl der vertikal angeordneten Strahler.

Tabelle 1: Typische Parameter einer Mobilfunkantenne.

Diese spezifizierten Werte sollten auch bei der Realisierung einer Multiband-Mobilfunkantenne für jedes einzelne Band erzielt werden. Einige exemplarische Messwerte der realisierten Antenne sind in folgender Tabelle enthalten. Abbildung 3 zeigt gemessene Antennendiagramme.

Tabelle 2: Exemplarische Messergebnisse der realisierten Multibandantenne.

Abbildung 3: Gemessene Antennenrichtdiagramme der realisierten Multibandantenne.

Realisierung von Multistandardfiltern

Die Duplexweichen bisheriger FDD-Mobilfunk-Basisstationen sind in der Regel aus Festfrequenz-Bandpassfiltern aufgebaut, die für den Frequenzbereich eines bestimmten Mobilfunkstandards entworfen und bei der Fertigung auf diesen Frequenzbereich abgestimmt werden. Zum Einsatz kommen Filter, die aus (typischerweise 8…10) koaxialen Hohlraum- oder aus keramischen Resonatoren aufgebaut sind. Charakteristische Anforderungen umfassen:

• Einfügedämpfung im Durchlassbereich deutlich unter 1 dB
• Sperrdämpfung des Sendefilters im Empfangsfrequenzbereich (und umgekehrt) bis zu 100 dB
• Sperrdämpfungen in Frequenzbändern anderer Systeme (´co-location requirements´) in der Größenordnung 50 dB…70 dB
• passive Intermodulationsprodukte unter 150 dBc…160 dBc
• Leistungsbelastbarkeit bis zu 100 W rms Sendeleistung
• Funktionalität in einem weiten Temperaturbereich von z. B. −40°C bis +70°C

In Einzelfällen kommen darüber hinaus Filter zum Einsatz, die während des Betriebs ein Durchstimmen innerhalb des Frequenzbereichs eines Mobilfunkstandards erlauben, z. B. sogenannte "Filter Combiner" zur verlustarmen Zusammenführung mehrerer GSM-Sendekanäle auf eine gemeinsame Antenne. Filter, die über den Frequenzbereich eines Mobilfunkstandards hinaus abstimmbar sind und somit wahlweisen und sogar gleichzeitigen Betrieb mehrerer Mobilfunkstandards ermöglichen, werden bisher nicht eingesetzt. Die Frequenzbereiche einiger wichtiger Mobilfunkstandards sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt:

Tabelle 3: Frequenzbereich für Rx und Tx bei verschiedenen FDD-Mobilfunksystemen.

Ein Ziel innerhalb Smart-RF war die Realisierung einer Dualband-Duplexweiche für das GSM1800- und das UMTS-Band. Abbildung 4 zeigt hierzu ein prinzipielles Blockschaltbild sowie erste Simulationsergebnisse einer möglichen Realisierung.

Abbildung 4: Blockschaltbild einer Dual-band Duplex-Weiche (links) und simulierte Transferfunktionen für eine 1800/UMTS-Realisierung mit Tx-Zweig (rot) und Rx-Zweig (blau).

Während der Projektlaufzeit wurden verschiedene Ansätze untersucht. Neben abstimmbaren bzw. umschaltbaren Filterkonzepten hat die realisierte Filterlösung den Vorteil einer gleichzeitigen Nutzung in beiden Bändern. Die folgende Abbildung zeigt gute Übereinstimmungen zwischen der Messung und der Simulation des optimierten Filters.

Abbildung 5: Simulierte Transferfunktionen des Tx-Zweiges eines Dualband-Duplex-Filters.