CN107534222B

CN107534222B - 用来降低风载荷对基站天线的影响的装置和方法

Info

Publication number: CN107534222B
Application number: CN201680023077.8A
Authority: CN
Inventors: 彼得·C·T·宋; B.D.普罗斯霍尔德; 杨景舜; D.E.巴克
Original assignee: Quintel Cayman Ltd
Current assignee: Jintong Cayman Co Ltd
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2016-02-22
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2036-02-22
Also published as: US9979079B2; PH12017501531A1; EP3262714A4; CN107534222A; WO2016137902A1; US20160248151A1; EP3262714A1; JP2018507665A; US20180287251A1; US10454162B2

Abstract

在一个示例中，一种天线罩可具有包括一对纵向边缘和多个表面特征的第一面，在这里该多个表面特征可包括多个脊和多个凹陷，并且在这里该多个表面特征可沿着天线罩纵向定向并且可被应用在该对纵向边缘中的一个处。在另一示例中，一种天线罩可包括：具有第一多个表面特征的第一面，该第一多个表面特征可包括可沿着天线罩纵向定向的至少第一脊和至少第一凹陷；以及具有第二多个表面特征的第二面，该第二多个表面特征可包括可沿着天线罩纵向定向的至少第二脊和至少第二凹陷。

Description

用来降低风载荷对基站天线的影响的装置和方法

技术领域

本公开内容总体上涉及天线罩，并且更特别地涉及用来最小化风加载影响的解决办法。

背景技术

无线通信已迅速发展成现今的许多各种高速移动宽带无线电标准。在移动手持终端的拥有成本迅速变小的情况下，订户流在最近几年已经呈指数增长，渴望增强的实时数据服务。这促使正竭力应对数据流激增的网络运营商通过更多蜂窝基站站点以及基站天线的部署来增加容量。每个基站站点通常包括支撑许多天线的塔或天台，以提供跨过许多不同区段的移动通信服务覆盖范围。此外，还出现了新的谱带、新的蜂窝技术（诸如长期演进（LTE））、以及多天线技术（诸如多进多出（MIMO））来满足对移动数据的日益增长需求。然而，这已导致基站站点需要支持更多天线并且每个基站天线单元必须适应被挤压成单个天线单元的罩的多个天线阵列。这不可避免地增加了重量以及蜂窝天线安装塔和支撑结构的风力加载。撞击在天线上的风产生静态和动态风加载影响二者，这增加了这些塔的加载限制。

发明内容

在一个示例中，一种天线罩可具有包括一对纵向边缘和多个表面特征的至少第一面，在这里该多个表面特征可包括多个脊和多个凹陷，在这里该多个表面特征可沿着天线罩纵向定向，并且在这里该多个表面特征可被应用在该对纵向边缘中的一个处。

在另一示例中，一种天线罩可包括：具有第一多个表面特征的至少第一面，该第一多个表面特征可包括至少第一脊和至少第一凹陷，在这里该第一多个表面特征可沿着天线罩纵向定向；以及具有第二多个表面特征的至少第二面，该第二多个表面特征可包括至少第二脊和至少第二凹陷，在这里该第二多个表面特征可沿着天线罩纵向定向。

附图说明

可以通过结合附图考虑下面的详细描述来容易地理解本公开内容的教导，在其中：

图1描绘方形罩的锐利的、带倒角的和圆形的拐角的速度比较的示例；

图2描绘图示对于几种对象在增大雷诺数的情况下阻力系数C_D如何改变的图表；

图3描绘光滑球体和浅凹高尔夫球上的空气流；

图4描绘一个示例天线罩横截面；

图5描绘图示在改变拐角半径的情况下雷诺数对阻力系数的影响的综合图表；

图6描绘天线阵列的示例横截面视图；

图7图示包括浅凹和脊特征、圆形拐角和锥形角的示例罩横截面；

图8图示从比较示例罩和具有如图7中图示的横截面的本公开内容的罩的计算流体动力学仿真得到的结果；

图9图示如与示例罩结构相比较的经过具有如图7中所图示的横截面的本公开内容的罩的空气流；

图10图示在示例罩和具有如图7中所图示的横截面的本公开内容的罩周围的等压线；

图11图示包括正面上的多个脊的罩横截面；

图12图示包括沿着罩的附加区域的脊的罩横截面；

图13图示根据本公开内容的包括沿着罩的多个区域的多个特征的罩横截面；以及

图14图示根据本公开内容的包括沿着罩的多个面和多个区域的多个特征的罩横截面。

为了促进理解，在可能的情况下已经使用了相同的参考数字来标出各图共有的相同元件。

具体实施方式

在一个示例中，本公开内容提供用于在跨过风速范围的风流量中进行操作的结构。该结构可包括跨过该结构的一个或多个表面布置的许多表面特征以允许该结构经历比具有光滑表面的结构更宽的风速范围内的临界流量，并且在这里风载荷也小于在结构在最大设计风速下具有光滑表面的情况。

例如，本公开内容可提供一种用来改进风载荷性能的具有浅凹和/或脊特征、圆形拐角和锥形角的天线罩。传统的罩通常被认为针对最大设计风速（例如最高可接受风速），但是可能在小于设计风速的情况下经历潜在更大的载荷，如下面更详细描述的。相比之下，本公开内容提供在更宽范围的雷诺数内以及因此在更宽范围的风速内展示临界流量区域的天线罩。本公开内容还在表示高达最大设计风速的风速的有关雷诺数范围内产生更低的阻力系数响应。值得一提的是，本公开内容的天线罩并不优化作为雷诺数（以及因此风速）的函数的阻力系数中的极小值，而是确保在所有风速内将较小的总应力置于塔结构上。本公开内容的天线罩还确保最大设计风速意味着最大预期风载荷。

任何对象、主体或结构通过空气都将产生阻力。此外，结构周围的边缘特性会改变阻力系数。图1示出被测试的方形罩的锐利的、带倒角的和圆形的拐角的速度比较的示例。可以看到，与具有圆形边缘的方形罩130（具有尾迹区135）相比，方形罩100锐利边缘生成最长且最宽的尾迹115。这暗示在圆形边缘中阻力系数要更低例如约33%。如与其他两个示例相比的，具有倒角边缘的方形罩120生成中等尺寸的尾迹125。

主体或结构的实际阻力是阻力系数和该结构行进通过介质的速度的平方、或介质穿越该结构（在这种情况下是空气）的速度的函数。在流体动力学的研究中，主体或结构的阻力系数取决于雷诺数。雷诺数取决于介质的流速、介质的运动学粘度、横截面尺寸、和主体的成形因子（诸如圆形边缘）。如果主体尺寸和运动学速度保持不变，则雷诺数仅是流速的函数。

图2中的图表200图示对于球体在增大雷诺数（Re）以及因此增大速度的情况下阻力系数C_D如何改变。存在三个不同的流动行为区域，其包括：层流区域，在那里流没有被主体完全分离（在雷诺数小于2 x 10⁵处），临界流动区域，以及湍流区域（雷诺数大于10⁶）。图表200还图示对于几种粗糙球体（具有由示出的值所指示的相对粗糙度k/d）和对于高尔夫球（例如具有k/d x 10⁵= 900）在增大雷诺数Re的情况下阻力系数C_D如何改变。

图3图示空气310碰撞光滑球体320，在层流边界层330附近产生高压区，并且具有在光滑球体320的各侧周围分开的空气流。然而，空气310前进得太快而无法继续在光滑球体320的背面周围流动（即用来保持层流）并且开始在分离区域315处与表面分离，留下低压尾迹335。球体前面中的高压差和背面上的低压的组合产生导致阻力的总体压力矢量。图3还图示浅凹高尔夫球345在跟随层流边界层365的过渡区域360中导致在高尔夫球345附近空气的薄湍流层340，使得空气流能够在分离区域350处的分离之前在高尔夫球345周围进一步行进。这导致更小的尾迹355，并且因此与光滑球体相比使阻力降低高达一半。然而，图2中的图表200图示在某一雷诺数以及因此某一速度以上，光滑球体产生比浅凹球体或具有粗糙表面的球体更小的阻力。

基站天线通常包括沿着矩形反射镜的长度布置的天线元件阵列；这确保RF能量在具有窄垂直（高程面）射束宽度的前向方向上辐射。在图4中图示天线罩400的示例横截面。天线罩400的长度、宽度410和深度420连同在天线罩400的前面440和背面450处的弯曲拐角半径430一起限定其与风载荷有关的参数。

对于平板天线的风加载通常是针对设计风速由基站天线制造商来引述的；于是加载图被结构工程师用来确保安全关键方面并且可以保持结构完整性。许多基站平板天线罩的长度在1.4m和2.6m之间，宽度在0.2m和0.4m之间，并且深度在0.1m和0.3m之间，这取决于谱带、阵列的数目和方位辐射射束宽度特性。因为基站平板天线一般比它们的宽或深更长得多，所以这是用于理解阻力系数的最有相关性的横截面轮廓。此外，前面的风载荷常常被考虑用于最差情况的载荷计算，因为这向风呈现了最大的总体表面积。然而，在某些情况下，还可针对以不同方向到达的风计算风载荷，尤其在深度和宽度之间可能存在更少差别的情况下。上面引述的尺寸的基站平板天线在近似150km/h (41.7m/s) 的设计风速下具有约10⁶的雷诺数。

图5包括图示对于几种矩形横截面结构和对于圆形横截面结构（例如用于平板天线的天线罩）雷诺数对具有变化拐角半径的阻力系数的影响的一系列曲线图510、520、530和540。可以看到，在增大边缘粗糙度（r/D）的情况下阻力系数C_D降低。然而，随着雷诺数Re增大，在结构周围存在从层流到湍流流动的过渡，在那里阻力系数急剧下降。不同的边缘粗糙度在该过渡中展示不同的雷诺数，导致非常不同的阻力系数。圆形/圆柱形结构展示通过层流、临界、和湍流流动区域的期望阻力系数分布，例如如在曲线图540中；然而，曲线图530中的矩形结构的第三示例在湍流流动区域的至少一部分中提供更低的阻力系数（雷诺数大于10⁶）。此外，圆柱形结构不可能永远实用于天线罩，因为由于需要更大的半径来封装从反射镜突出的天线元件风载荷将会增大。

图5图示有可能通过确保在设计风速下天线（或任何结构/主体）刚好进入湍流流动区域来设计对于设计风速的最小风载荷。考虑来自图5的第二示例（曲线图520）（其表示0.167的拐角半径/宽度（r/D）比），有可能选取使得其在设计风速下具有刚好低于10⁶的雷诺数、具有近似0.5的阻力系数的天线罩横截面宽度尺寸。这可提供如数据表规格参数的低风载荷值，并且好像具有比可被认为在通信塔上使用的不同天线设计更低的风载荷。

然而，对于刚好低于该操作点（其将通过稍稍降低的风速来产生）的雷诺数，天线将经历层流并且具有更高的阻力系数（在图5的曲线图520中近似1.1）。这实际上可能导致对于更大的风速的塔上的更高的风载荷。假定更低的风速比设计风速更有可能，这会将附加的加载应力置于没有预先考虑到的塔上，因为存在风载荷总是随着风速增加的隐含假设。

一些天线阵列设计难以在不增大罩宽度或深度的情况下利用具有超出某一拐角半径的圆形拐角的天线罩，这可能是不期望的。图6中示出此类天线阵列600的一个示例横截面视图，在这里主辐射元件610被示出在中心但是在边缘处还包括附加的辐射部件620（用于生成改进的方位射束宽度辐射模式），在图6中被倾斜示出，但是这需要很大的可用天线深度来使它们的功能有效。保形（矩形横截面）罩将允许在该罩中采用最小体积，但是具有运用圆形拐角的受限范围以降低风加载。

图7图示在其中天线罩700的横截面包括具有浅凹/凹陷和脊特征、圆形拐角和锥形角的矩形立方体的本公开内容的示例。如图7中所示，罩700具有宽度（W）702和深度（Ld）704。罩700的纵向长度正交于宽度（W）702和深度（Ld）704的横向维度。同样如图7中所示，罩700包括细长的浅凹或凹陷（D）705、脊边缘处理（R）的轮廓710、具有长度（Lft）715和角度（ϴr）720的前锥形轮廓、和具有长度（Lbt）725和角度（ϴb）730的背锥形轮廓。为了便于说明，在图中仅标记单个浅凹（D）705、单个脊边缘处理（R）710、等等。然而，应该理解，罩700的相对侧可包括类似的特征，因为图7的示例是对称的。如在图7中所示，在区域1（由标记735来指示）中，朝向罩700的前面740（也被称为正面，或迎风面）吹的风生成前面风载荷压力（P1）745。值得一提的是，前面740是大部分与安装结构（例如固定在背面760的天线杆）相对的面。然后空气沿着在那里产生微湍流效应的罩700的长度流入（由箭头780来指示）细长浅凹轮廓（D）705。然后空气强行上升到脊轮廓（R）710，并且以更高的速度离开罩700的侧面（由箭头790来指示）。该效应确保空气流在罩700的拐角处不会中断和分离并且造成风尾迹。作为代替，在区域2（由标记750来指示）中沿着罩700的侧面来引导经过加速的空气，以防止早期的流分离。沿着罩700的侧面的空气流动然后进入区域3（由标记755来指示），在区域3中经由角度（ϴb）730来使罩700的背面760锥化以改进流分离并因此减小尾迹和阻力。还在罩700的背面760处图示了相对的风载荷压力（P2）765。

该组合的结果是在更宽范围的雷诺数内以及因此在更宽范围的风速内产生具有临界流动区域的天线罩。换言之，在表示高达最大设计速度的风速的有关雷诺数范围内展示更低的阻力系数响应。此外，图7的罩700将不会在最大设计风速下产生比对于别的光滑表面罩的更高的载荷。值得一提的是，图7的罩700不是针对作为雷诺数（以及因此风速）的函数的阻力系数中的极小值而优化的。作为代替，图7的罩700确保在所有风速上更少的总应力被放置在塔结构上，并且最大设计风速导致最大预期风载荷。

在不同的实施例中天线罩700以及其各方面可具有各种尺寸。然而，为了说明的目的，要指出在一个示例中，罩700可具有近似6:5的宽度深度比。在各种示例中，宽度(W)702可从近似200mm变到500mm。例如，在一个示例中，宽度（W）702可以是近似300毫米（mm），例如305mm。在各种示例中，深度（Ld）704可从只不过50-80mm或更少（例如对于当前最高频率蜂窝标准，当实施单波段天线阵列时）变到高达宽度（W）702的尺寸。在一个示例中，深度（Ld）704可以是近似250mm，例如245mm。类似地，区域1（735）与区域2（750）与区域3（755）的比可以是近似1:1:2。例如，在一个示例中，区域1（735）可以是近似60mm，例如65mm，区域2（750）可以是近似60mm，例如62mm，并且区域3（755）可以是近似120mm，例如118mm。前面提到的仅仅是罩700可采用的尺寸的一个示例。因此，将会认识到，罩700的宽度（W）702和深度（Ld）704、不同区域1-3（735, 750, 755）的尺寸以及此类尺度之间的关系所有都可改变。在不同的示例中，前锥形角（ϴr）720和后锥形角（ϴb）730也可改变。例如，前锥形角（ϴr）720可在10度和25度之间改变。例如，前锥形角（ϴr）720可以是18度。类似地，后锥形角（ϴb）730可在5度和20度之间改变。例如后锥形角（ϴb）730可以是10度。

图8图示从比较示例罩810和具有如图7中图示的横截面的本公开内容的罩850的风速等值线的计算流体动力学仿真得到的结果。罩810包括前面815和后面820（在这里“前面”和“后面”是相对于空气流的方向）。流分离发生在如由参考数字825图示的前面的曲线处。在图8中还示出了在罩810的后面820附近的尾迹830。显而易见的是，对于罩850，流分离进一步远离罩850的前面855而发生（由箭头875来指示），导致与对于罩810的尾迹830相比缩小的尾迹860。比较风速分布，罩850还展示沿着罩拐角和侧面（例如在由箭头870指示的区处以及附近）的更大得多的高风速分布区。这意味着空气正以高得多的速度沿着罩850的侧面流动并且不会分离直到更进一步朝向罩850的背面865（在那里压力开始增加并且风速开始减小）为止。朝向罩850的后面865的锥形物也产生更小的后表面积以在分离方面改进。

图9示出环绕具有如图7中所图示的横截面的本公开内容的罩950的侧面的空气流955，而不是如利用示例罩结构910所看到的在空气流920中冲压一个大的空隙得到尾迹915。可以看到，罩950更有效地“切入”空气中。归因于在罩950的前拐角960处或附近的脊轮廓中的更高空气速度，伯努利效应产生朝向风流量的相反矢量的“提升”。此外，更小的尾迹965在罩950的背面处导致稍稍更高的压力。因此，归因于罩950的前面和背面之间的更小的压力差（如与罩910相比），等效的力矢量（或风加载因子）被均衡或减小。

图10图示在示例罩1010和具有如图7中所图示的横截面的本公开内容的罩1050周围的等压线。对于罩1010，可以看到更大得多的低压区1015，在天线罩1010的前面中的高压区1020和天线罩1010的后面中的低压区1015之间引起更大的压力增量，例如由力矢量（Fv）1025来指示。这暗示，与罩1050相比经历高得多的等效力（风加载因子），在罩1050处高压区1060的尺寸和低压区1055的尺寸更均匀地匹配，从而导致更小的力矢量（Fv）1065。

图11图示在其中罩1100的横截面包括正面上的多个脊1110（和多个凹陷/浅凹1120）以进一步减小风加载的本公开内容的另一示例。例如，图11的示例改变临界流动区域所位于的位置。在一个示例中，可结合具有更大宽度的天线阵列来利用图11的罩设计。

图12图示在其中罩1210和1250的横截面包括沿着罩的区域2（1280）和区域3（1290）的脊1220（以及凹陷/浅凹1260）以进一步减小尾迹和阻力的本公开内容的其他示例。例如，图12的罩设计可帮助最小化针对风向而不是垂直于罩的正面的风载荷。例如，图12的设计对于可具有相似宽度和深度（即比矩形横截面轮廓更方）的罩可以是有用的。为了便于说明，不是所有的脊1220和浅凹1260都被明确标记。

根据本公开内容，脊和浅凹/凹陷的深度、高度、数目、位置、形状和间距、拐角的半径、以及锥形轮廓都是可以被优化的设计参数。在这点上，图13图示在其中罩1310和1350的横截面包括沿着罩的各面的浅凹1360和脊1320特征、区域1（1370）和区域3（1390）中的锥形角1325、圆形的拐角1365、以及沿着罩的区域2（1380）和区域3（1390）的脊1320（和浅凹1360）的本公开内容的示例。根据本公开内容，任何一个或多个浅凹1360都可具有针对风速范围内的最小风载荷而优化的半径、浅凹与浅凹的间距参数、浅凹深度参数、以及浅凹形状参数。类似地，任何一个或多个脊1320都可具有针对风速范围内的最小风载荷而优化的脊高度、脊与脊的间距参数、脊深度参数、以及脊形状参数。此外，在本公开内容的各种示例中，这些各种表面特征可相对于天线罩的长度而沿纵向（例如如在图1和图7-13中所图示的）或横向定向。

图14图示在其中罩1400的横截面包括正面上的多个脊1410（以及多个凹陷/浅凹1420）以减小风加载的本公开内容的另一示例。该示例罩1400还包括圆形拐角1465以及区域1（1470）和区域3（1490）中的锥形角1425。示例罩1400还可包括沿着罩1400的区域1（1470）和区域2（1480）中的各侧面的脊1450（和凹陷/浅凹1460）以进一步减小尾迹和阻力。例如，脊1450和凹陷/浅凹1460可包括比罩1400的正面上的脊1410和凹陷/浅凹1420更小的特征。为了说明，例如罩1400的正面上的脊1410的半径与罩1400的各侧面上的脊1450的半径的比的范围可从1:3到1:7。例如，在一个示例中，该比可以是1:5。

区域1（1470）和区域2（1480）中的各侧面上的（更小）脊1450和（更小）凹陷/浅凹1460的效果是用来在从正面到后面的空气流动的边界层中产生附加的湍流，由此延迟分离（例如将分离区域进一步推到下游），并且还在风速范围内减小风载荷。在一个示例中，区域2（1480）中的脊1450和凹陷/浅凹1460的至少一部分可被放置在罩1400具有最大宽度的位置处。此外，在一个示例中，罩1400的各侧面的直的部分（1485）可被提供在区域2（1480）中，在最后一个表面特征之后。例如，直的部分1485可垂直于罩1400的正面并且平行于与正面正交的空气流的方向。例如，直的部分1485可以是区域2（1480）的距离的1/8到½。在一个示例中，罩1400的总尺寸可以与上文结合图7的示例罩700的所讨论的那些相同或相似。

尽管前面描述了根据本公开内容的一个或多个方面的各种示例，但是可在不偏离由下面的（一个或多个）权利要求以及其等同物确定的其范围的情况下想出根据本公开内容的一个或多个方面的其他和进一步的（一个或多个）示例。

Claims

1.一种天线罩，包括：

具有一对纵向边缘的至少第一面，其中该至少第一面包括多个表面特征，其中该多个表面特征包括：

多个脊；以及

多个凹陷，其中该多个表面特征沿着天线罩纵向定向并且被应用在该对纵向边缘中的一个处，

其中被应用在该对纵向边缘中的一个处的该多个表面特征加速天线罩上的风流量。

2.根据权利要求1所述的天线罩，其中该多个表面特征进一步包括：

圆形的拐角边缘。

3.根据权利要求1所述的天线罩，其中该多个凹陷包括浅凹。

4.根据权利要求1所述的天线罩，其中该多个凹陷具有用于在风速范围内最小化天线罩上的风载荷的半径、凹陷与凹陷的间距参数和深度参数。

5.根据权利要求1所述的天线罩，其中该多个脊具有用于在风速范围内最小化天线罩上的风载荷的脊高度、脊与脊的间距参数、脊深度参数和脊形状参数。

6.根据权利要求1所述的天线罩，其中该至少第一面进一步包括：

多个第二表面特征，其包括多个第二脊和多个第二凹陷，其中该多个第二表面特征沿着天线罩纵向定向并且被应用在该对纵向边缘中的第二个边缘处。

7.根据权利要求1所述的天线罩，其中该天线罩包括多个面，其中该多个面包括该至少第一面，其中该天线罩包括矩形立方体，其中该至少第一面包括用于经历比该多个面中的其他面更大的风压力的迎风面，其中该迎风面具有比其他面更大的表面积或者被定向成远离用于天线罩的安装结构。

8.根据权利要求7所述的天线罩，其中一锥形物被应用到天线罩的该多个面的邻近迎风面的每一个面处，以提供天线罩上的风流量的缩小的尾迹。

9.根据权利要求7所述的天线罩，其中该至少第一面进一步包括：

10.根据权利要求9所述的天线罩，其中在该对纵向边缘的第一个边缘处应用的第一脊和第一凹陷具有带有一长度和相对于天线罩的邻近于该至少第一面的第二面的一角度的锥形物，并且其中在该对纵向边缘的第二个边缘处应用的第二脊和第二凹陷具有带有一长度和相对于天线罩的邻近于该至少第一面的第三面的一角度的锥形物。

11.根据权利要求10所述的天线罩，其中在该对纵向边缘的第一个边缘处应用的第一脊和第一凹陷的锥形物的长度和角度以及在该对纵向边缘的第二个边缘处应用的第二脊和第二凹陷的锥形物的长度和角度是用于在风速范围内最小化天线罩的风载荷的设计参数。

12.根据权利要求10所述的天线罩，其中该第一脊和第二脊相对于天线罩的迎风面的第一纵向边缘和第二纵向边缘的位置使天线罩上的风流量加速。

13.一种天线罩，包括：

第一面，其中该第一面包括多个第一表面特征，其中该多个第一表面特征包括：

第一脊；以及

第一凹陷，其中该多个第一表面特征沿着天线罩纵向定向，其中该多个第一表面被应用在该第一面的一对纵向边缘中的一个处并加速天线罩上的风流量；以及

第二面，其中该第二面包括多个第二表面特征，其中该多个第二表面特征包括：

第二脊；以及

第二凹陷，其中该多个第二表面特征沿着天线罩纵向定向。

14.根据权利要求13所述的天线罩，其中该第一面包括天线罩的迎风面并且其中该第二面包括天线罩的非迎风面。