CN1691410A - 天线单元 - Google Patents

Abstract

一种供移动电信网络使用的天线单元，该天线单元能够向工作在网络中的移动终端发射无线电信号和从该移动终端接收无线电信号。该天线还能够避免建筑物内的辐射级别上升到高于公认的安全级别，从而允许建筑物的居住者在临近天线的区域连续工作。此外，该天线可以安装到列入保护名单或受保护的建筑物比例较高的区域中。

Description

天线单元

本申请是申请号为01804984.2(国际申请号为PCT/GB01/00584)，国际申请日为2001年2月13日，发明名称为“天线单元”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及天线单元。本发明特别是(但不是排他地)适合于构成蜂窝通信网络一部分的基站的天线单元。

背景技术

通常，就多建筑物区域而言，基站的天线单元被固定在建筑物的外部，以提供任何给定小区的最大覆盖。然而，这种天线的缺点是不能定位于被列入保护名单或受保护的建筑物的外围墙上。因此，在许多建筑物被列入保护名单的城市中，很难获得安置天线的许可，结果难于在该区域中维持足够的网络覆盖。

此外，某些人认为这种天线不符合审美观点，因此，说服建筑物所有者在他们的建筑物上安置这种装备也许是困难的。

美国专利US6014110披露了一种适于安装在建筑物内部的天线单元。该天线包括一个充满介质材料的喇叭形天线。在折射率方面，该介质材料可以或者不可以与建筑物内部的材料匹配，其中天线经由该建筑物接收或发射信号。可选地，可以将中间介质材料用来提供喇叭形天线材料与建筑物内部材料之间的无反射匹配。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种天线单元，包括：一个可设置在建筑物的外部部分内部的外壳和一个安装在外壳之内的天线，该天线单元被安排为，当安装在建筑物的外部部分内部时，该天线与外部部分间隔一定距离以便基本上防止来自外部部分的反射辐射干扰由天线发射的无线电信号。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于天线的外壳，该外壳可设置在建筑物之内，该外壳包括用于连接天线的装置，还包括屏蔽装置，用于基本上避免无线电信号从外壳内部泄漏到建筑物内部，该屏蔽装置被安排为，可以经由外壳的未屏蔽部分从外壳内部发射无线电信号以及接收无线电信号，该外壳还被安排为，在连接时，在天线与外壳未屏蔽部分之间基本上不设置介质材料。

根据本发明的第三方面，这里提供了一种天线单元，包括：一个可设置在建筑物的外部部分内部的外壳和一个安装在该外壳之内的天线，该天线单元被安排成，当天线设置在建筑物的外部部分内部时，在天线与外部部分之间基本上不设置介质材料。

因此，天线单元可以被完全设置在建筑物内，而不改变建筑物的外表面。这样，天线可以安装在被列入保护名单或受保护的建筑物内，从而能够改善多建筑物区域内的覆盖。屏蔽装置避免发射和接收的无线电信号被泄漏到建筑物中。使建筑物的居住者避免遭受从天线向网络内操作的移动终端发射的辐射和天线从该移动终端接收的辐射。

本发明的一个优点是，天线与外部部分或者外壳的未屏蔽部分之间不需要介质材料，以抵消无线电信号的反射和折射的影响。与US6014110的天线单元比较，降低了材料和装配的成本。

本发明的其它方面在附带的权利要求中定义，其特征将从下面的说明中得到理解。

附图说明

下面结合附图仅以举例方式说明本发明的实施例。

图1是已知的公共陆地移动网络的示意方框图；

图2是根据本发明的天线单元的一个结构的正视图；

图3是图2的天线单元的平面图；

图4是沿图2的线IV-IV的天线单元的截面图；

图5是纵截面示意图，显示了图1至图4的天线单元位于适当建筑物内部的上楼层的位置上的情况；

图6是本发明的一个可替代实施例的水平截面示意图，显示了安装在一个可替代的位置上的天线单元的不同构造；

图7是一个几何图，显示了在预期波束带宽的单位内的天线的定位；和

图8是显示对原型天线单元进行的实验的结果的一个曲线图，该试验是在存在和不存在平面玻璃窗的情况下作出的。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了一个已知的蜂窝无线电网络，在本实施例中，它是被称作公用陆地移动网(PLMN)的GSM网。移动交换中心(MSC)2经由通信链路连接多个基站控制器(BSC)4。在地理上，BSC4被散布在由移动交换中心2服务的区域上。每个BSC4控制一个或多个位于BSC远端的基站收发信机站(BTS)6，BTS6通过另外的通信链路连接BSC。每个BTS6包括一个天线组件7，该天线组件7向位于BTS服务的区域内的移动站8发射无线电信号以及从该移动站8接收无线电信号。该区域被称作“小区”。蜂窝无线电网络拥有大量的这种小区，这些小区最好毗邻以提供整个网络地域的连续覆盖。

如图2、图3和图4所示，供本发明的蜂窝无线电网络使用的一种形式的天线包括一个由玻璃纤维增强塑料(GFRP)构成的外壳10。图2、图3和图4所示的外壳10是一个被形成为具有平面自由面15的截头三角棱柱的刚性箱。如下面将更详细说明的那样，该形状特别适合于对诸如窗户的平面表面的一种安装形式。然而，外壳10的形状可以被修改为适合其它类型的安装。此外，该外壳不一定需要由GFRP构成，可以使用任何适合于形成外壳的材料，比如铝。

外壳10包含一个天线组件11，该天线组件包括一个定向天线，需要使用该定向天线向直接位于该天线前面的跨度约为80°至90°的弧形内的移动终端发射无线电信号和从移动终端接收无线电信号。该天线是GSM部件，所发射的辐射处于约900MHz、1800MHz或者1900MHz的频率上。对于其它蜂窝系统，天线在相关的适当频段上辐射。信号馈线9将天线与基站发射机站6连接。天线组件11通过一个内部安装支架5连接外壳10。

外壳10用阻塞无线电频率发射的屏蔽材料12加衬。在图2所示的一个实例中，屏蔽材料包括泡沫12a的交替层，该泡沫交替层注入了导电石墨颗粒和铝箔或者涂料12b。然而，可以使用任何合适的无线电频率屏蔽材料。泡沫可以是任何合适的发泡材料，但最好是含有石墨悬浮物的多孔聚合体。注入了石墨的泡沫与铝箔的组合屏蔽了外壳10之外的区域，并且避免了辐射经外壳10传送到毗邻区域。

外壳10具有一个未屏蔽的开口部分16，而环绕天线的外壳的剩余部分则被屏蔽。该部分16可以用允许无线电信号传送通过的材料覆盖，或者不覆盖。信号馈线9穿过专门形成于屏蔽材料上的孔，该屏蔽材料紧固在馈线9周围，以防止有害泄漏。

在使用中，单元1被定位在窗户26上(如图5所示)，并且通过凸缘28、29的粘附，直接固定在窗户上，或者使用诸如螺钉或螺栓的适当固定装置将单元1固定到周围的墙上。凸缘28可以装备有一系列位于其边缘上的孔30，经由这些孔放置螺钉或螺栓以便把单元1固定到墙上。

在固定到窗户上的情况中，外壳不需要永久地固定到窗户26上，最好是可拆卸的，以允许进入其内部进行维护。可将一个固定底座连接到窗户上，通过诸如螺钉或螺栓的可释放固定将外壳固定在窗户上。还可通过适当定位在外壳10上的可移除胶带或胶布带将外壳固定到窗户26上。

当天线单元1被固定到窗户26上时，最好在外壳10毗邻窗户26的地方将附加的屏蔽材料加到窗户26与外壳10之间的区域上。该进一步的屏蔽可以采取在外壳边缘周围进行金属喷涂或者附着导电带的方式，以避免无线电信号经边缘区域从外壳10泄漏到建筑物32的内部。

屏蔽的外壳10被设计成阻塞辐射，以确保外壳外部表面的辐射级别处于人类占据建筑物的规定级别之内。在1800MHz天线的情况中，由英国国家辐射保护协会规定的允许级别是10mWcm^-2，外壳10外部表面上的级别处于该限制之内，最好更低，并且至少在5mWcm^-2以下。

天线单元1位于建筑物32之内，具有面对窗户26或者在窗户26上的外壳10的部分16或者其它适合的无线电频率信号出口，比如通风口。重要的是该出口对无线电频率比较透明，使天线11能够向工作在位于安装该单元的建筑物之外的网络上的移动终端发射信号并且从该移动终端接收信号。

天线单元1可以正常工作，并且无线电信号可以经由天线11发射，同时，可以防止该发射造成的辐射，特别是防止辐射到天线11侧面和后面的辐射功率部分泄漏到建筑物中。此外，窗户26中的玻璃或其它无线电透射材料可以起作用，以便将天线发射的一部分无线电信号返回到外壳中。外壳10的内部屏蔽12也可以防止这些反射的信号泄漏到建筑物中。

在上述的实例中，外壳10和屏蔽12的发散形状实际上与天线组件11的发射模式的发散形状相一致。这样，外壳10和屏蔽12就不会明显阻碍天线组件11发射的无线电信号B的路径。不过，天线单元1是紧凑的，因而确保在建筑物中有效地使用空间。

本实施例中使用的天线11是双极化平板天线，比如Huber和Suhner321天线。实验证明，如果天线离固定单元1的窗户太近，则降低天线11的性能，因为从窗户反射的辐射干扰了发射的辐射。对于工作于1800MHz无线电频率的蜂窝网络，天线最好使它的表面相距窗户内表面至少3cm。如果天线相距窗户太远的距离，则外壳的尺寸将变得太大而不受欢迎，因此，该距离最好小于10cm。最佳距离约为6cm。

通常，对于以给定频率工作的蜂窝网络，单元1最好被安排成使天线与玻璃之间的间隔满足以下条件。参见图7，对于具有孔径宽度为d的开口部分16并且需要波束宽度θ(例如80°至90°)的单元，几何学提供了天线11与玻璃之间的最大间隔D：

$D\≤\frac{d}{2\tan \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}$

可以把最小间隔D定义为信号恶化可以接受的最小间隔。图8显示了对工作于1800MHz并固定到标准厚度6mm平板玻璃窗上的原型单元进行试验而获得的经验数据。在沿经过天线11中心点的法线相距玻璃1.285m处的一个点测量接收功率的分贝损失(Y轴)。针对厘米表示的玻璃-天线间隔(X轴)描绘的是显示分别相距玻璃0、3、6cm的天线的接收功率损失的三个点。水平线50显示移走玻璃后的接收功率。线段52外推这三个测量值。实际上，线段52应当是对水平线50的渐近线，但是一个直线提供了一个有用的近似值，并且提供了这样的结果：在近似8.4cm间隔处，线段50和52交叉，接收功率基本上是相同的，就好像没有玻璃。对于1800MHz的工作频率，我们有16.7cm的波长。这给予了一个非常接近两倍于从经验数据获得的最小距离的近似值。由于干扰效果取决于波长，我们可以设计一个更一般的条件用于对一个工作波长λ的玻璃与天线11之间的最小间隔：

$D\≥\frac{\mathrm{\λ}}{2}$

与基于几何学的最大间隔条件组合，我们得到一个用于确定玻璃-天线间隔D的一般范围的不等式：

$\frac{\mathrm{\λ}}{2}\≤D\≤\frac{d}{2\tan \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}$

该结果的推论如下：

$d\≥\mathrm{\λ}\tan \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)$

其将开口部分16的最小孔径d定义为波长和波束宽度的函数。

还需要注意的是，对于可以忽略的玻璃中的内部反射的效果，我们需要：

λ＞＞T_G，

其中T_G是玻璃的厚度。在正常工作条件下，比如在采用16.7cm的波长和厚度6mm的玻璃的原型机的试验中，满足这一需求。

显然，使天线接近玻璃所造成的信号恶化的可接受程度可以根据，例如天线11的功率容量和所需的无线覆盖区域而改变。如上所述，其它因素，比如外壳的尺寸也可以与确定玻璃-天线间隔有关。这样，可能希望如下改变最小间隔条件：

$D\≥\frac{\mathrm{\λ}}{3}$

这提供了维持信号强度与减小外壳尺寸的相抵触的需要之间的一个折中。借助这个折中，最小孔径的定义变成：

$d\≥\frac{2\mathrm{\λ}\tan \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}{3}$

所描述的天线和外壳配置适合于固定在平面窗户26上的天线单元1。然而，本领域的技术人员将会明白，也可以以适合于其它安装的其它形状形成外壳。例如，在如图5所示的本发明的另一个实施例中，可以把外壳40的形状形成为可以定位在拐角窗户42上，并且固定到两个垂直的窗户上。外壳40内部的屏蔽44符合外壳40的内部形状，该屏蔽44也可以防止无线电发射大量泄漏进入安装该单元的建筑物中。

还可以设想外壳10的其它形状，使其把天线单元1安装到不规则形状的窗户上或者诸如通风口的其它出口处，甚至安装到对无线电频率足够透明的墙上。

显然，在不背离权利要求所定义的本发明的范围的条件下，能够对本发明作出进一步的变化。

Claims (9)

1、一种天线单元，包括：可设置在建筑物的外部部分之内的外壳，和安装在该外壳之内的天线，该天线单元被安排为，当位于建筑物的外部部分之内时，该天线与该外部部分间隔开，以防止来自该外部部分的反射辐射干扰由该天线发射的无线电信号，其中所述发射的无线电信号具有至少为80°的波束宽度以及波长λ，所述外壳包括宽度为d的开口部分，并且

所述天线和所述外部部分之间的间隔大于或等于λ/3，并且小于或等于d/(2tan(40°))。

2、根据权利要求1所述的天线单元，其中所述天线与所述外部部分之间的间隔大于或等于λ/2。

3、根据权利要求1或2所述的天线单元，其中所述天线与所述外部部分之间的间隔小于或等于d/(2tan(45°))。

4、根据权利要求1所述的天线单元，其中所述的外部部分是窗户。

5、根据权利要求1所述的天线单元，其中所述天线与所述外部部分之间的间隔介于3cm和10cm之间。

6、根据权利要求5所述的天线单元，其中所述的间隔是6cm。

7、根据权利要求1所述的天线单元，其中，所述外壳包括屏蔽装置，用于避免无线电信号从外壳之内泄漏进入建筑物的内部，其中该屏蔽装置被安排成，当该天线组件位于该屏蔽装置内时，该天线组件可以向建筑物外部发射无线电信号和从建筑物外部接收无线电信号。

8、根据权利要求1所述的天线单元，其中所述外壳具有连接装置，用于把所述外壳连接到建筑物的所述外部部分之内，并允许无线电信号无阻碍地发射到建筑物外部或从建筑物外部发射进来。

9、根据权利要求8所述的天线单元，其中所述连接装置将所述外壳连接到一个平面外部部分上。

Images