CZ20004A3 - Duální vícetrojúhelníková anténa pro GSM a DCS mobilní telefonii - Google Patents

Abstract

Duální vícetrojúhelníková anténa podle řešení (dálejen ADM) se použije v základnách obou systémů mobilní telefonie (GSM a DCS), odkud uživatelům, kteří se v buňce nachází, poskytuje pokrytí radioelektrickým signálem v jednom ze dvou pásem, případné v obou pásmech zároveň. Řešení přináší anténu (10), jejíž vyzařovací prvek se skládá v podstatě z několika pouze ve vrcholech spojených trojúhelníků (19,20). Anténa (10) pracuje zároveň v pásmech radioelektrického spektra, která odpovídají 890-960 MHz a 1710-1880 MHz systémů GSM a DCS mobilní telefonie.

Description

Vynález se týká antén pro vysílání signálu mobilní (celulární) telefonie. Vynález se týká zvláště antén, které se skládají z množství ve vrcholech se stýkajících trojúhelníků a které jsou zároveň schopny pokrýt jak pásmo mobilní telefonie systému GSM na frekvencích 890 - 960 MHz, tak pásmo mobilní telefonie systému DCS na frekvencích 1710 1880 MHz.

Dosavadní stav techniky

V roce 1864 James C. Maxwell položil základy teorie 15 elektromagnetismu. Vynález první antény v roce 1886 se připisuje Heinrichu Hertzovi, který jako první demonstrovat přenášení elektromagnetických vln vzduchem. V šedesátých letech 20. století se začínají objevovat první frekvenčně nezávislé antény (E. C. Jordán, G. A. Deschamps, J. D. Dyson, 20 P. E. Mayes: Developments in broadband antennas, IEEE Spectrum, sv. 1, str. 58-71, duben 1964; V. H. Rumsey: Frequency-Independent antennas, New York Academie, 1996; R. L. Carrel: Analysis and design of log-periodic dipóle Tech. Rep. 52, University of Illinois Antenna Lab., 616)-6079, říjen 1961; P. E. Mayes, Frequency independent antennas and broad-band derivatives thereof, proč. IEEE, col. 80, č. 1, leden 1992). V konstrukci těchto širokopásmových antén se objevují šroubovice, smyčky, kužely a log-periodické skupiny. Následně se v roce 1995 objevily 30 fraktálové a multifraktálové antény (termíny fraktál a multifraktál poprvé použil Β. B. Mandelbrot ve své knize The fractal geometry of nátuře, W. H. Freeman and Cia, 1983). Tyto antény se díky svému tvaru vyznačují dobrými výkony ve více frekvenčních pásmech a za určitých okolnosti, jak je array Contract AF33

popsáno v patentové přihlášce č. 9700048 stejného vynálezce, mají malé rozměry. Antény popsané zde mají svůj původ ve zmíněných anténách fraktálového typu.

Cílem vynálezu je přinést anténu, jejíž vyzařovací prvek se skládá v podstatě z několika trojúhelníků spojených výhradně ve svých vrcholech. Měla by pracovat simultánně ve dvou pásmech elektromagnetického spektra, která odpovídají systémům mobilní telefonie GSM 890 až 960 MHz a DCS 1710 až

1880 MHz.

V současné době se ve Španělsku používá GSM systém operátorů Telefónica (systém Movistar) a Airtel. Očekává se, že DCS systém bude zprovozněn v polovině roku 1998 za účasti zmíněných operátorů, případně dalších operátorů schopných se ucházet o licenci provozovat síť mobilních telefonů v pásmu odpovídajícím rozsahu 1710 až 1880 MHz.

Podstata vynálezu

Duální vícetrojúhelníkové antény podle vynálezu (dále jen AMD) lze použít ,v základnách obou systémů mobilní telefonie (GSM a DCS), odkud uživateli poskytují v rámci příslušné oblasti (buňky) pokrytí radioelektrickým signálem v jednom ze dvou pásem, případně v obou pásmech zároveň.

Konvenční antény pro GSM a DCS systémy pracují výlučně v pouze jednom pásmu, takže je-li žádoucí pokrytí v dané buňce v obou pásmech, je potřeba antén dvou. Protože AMD může pracovat v obou pásmech současně, odpadá nutnost použít dvou antén (pro každé pásmo jednu). Značně se tím sníží náklady na vybudování infrastruktury systému i dopad na životní prostředí v městských i venkovských oblastech.

Anténa podle vynálezu se vyznačuje zejména tím, že:

«··* .* · · · · · :

: es-ίο·..· ··

- se skládá ze tří trojúhelníků spojených ve vrcholech tak, aby dohromady tvořily větší trojúhelníkovou konstrukci;

- její radioelektrická výkonnost {vstupní impedance a vyzařovací diagram) je v obou pásmech dostatečně podobná, takže splňuje technické požadavky zároveň v obou pásmech.

Na rozdíl od jiných antén se multifrekvenční výkonnosti AMD dosáhne pomocí jediného vyzařovacího prvku vícetrojúhelníku. Anténa se tím značně zjednoduší a sníží se tedy i její cena a velikost.

Vynález přináší AMD antény ve dvou provedeních: první anténa (dále jen AMD1) se všesměrovým vyzařovacím diagramem je určena pro montáž na střechu ve vodorovné poloze a druhá verze (dále jen AMD2) s výsečovým vyzařovacím diagramem pro montáž na stěnu nebo sloup v poloze svislé. V prvním případě se vícetrojúhelníkový prvek upevní na vodivou základovou desku v monopolovém uspořádání, vícetrojúhelníkový prvek s vodivou rovnoběžný (překryvné uspořádání).

ve druhém je základovou deskou

Duální vícetrojúhelníkové antény pro mobilní telefonii se skládají ze tří hlavních částí: vodivého vícetrojúhelníkového prvku, spojovacího přenosového obvodu, který propojuje vícetrojúhelníkový prvek s anténním konektorem, a vodivé základové desky.

Význačným rysem antén podle vynálezu je vyzařovací prvek, který tvoří tři spojené trojúhelníky. Trojúhelníky jsou spojeny ve svých vrcholech takovým způsobem, aby dohromady tvořily také trojúhelník. Vyzařovací prvek se vyrobí z vodivého nebo supravodivého materiálu. Například se vícetrojúhelníková konstrukce může vyrobit z měděného nebo mosazného plechu nebo může mít formu plošného spoje na dielektrickém substrátu.

•ES-ltf

I * · « . · · « · ··

Hlavním úkolem spojovacího přenosového obvodu je za prvé usnadnit fyzické propojení mezi vícetrojúhelníkovým prvkem a anténním konektorem, a za druhé přizpůsobit přirozenou impedanci vícetrojúhelníkového prvku impedanci kabelu (typicky okolo 50 Ohm), který propojuje anténu z přijímacím/vysílacím systémem.

Vodivá základová deska, spolu s vícetrojúhelníkovým 10 prvkem, slouží k nastavení antény pro získání požadovaného tvaru vyzařovacího paprsku. V AMD1 modelu se vícetrojúhelníkový prvek upevní vzhledem k základové desce tak, aby s ní svíral pravý úhel, takže vyzařování je všesměrové ve vodorovné rovině (referenční vodorovnou rovinu tvoří základová deska). Tvar základové desky není určující, výhodný je však díky své radiální symetrii tvar kruhový, který tak přispívá ke všesměrovosti antény.

V AMD2 modelu se vícetrojúhelníkový prvek upevní vzhledem k základové desce rovnoběžně. Taková anténa má výsečový vyzařovací diagram. Navíc se mohou na obě boční hrany základové desky kolmo připevnit kovové pásnice, které ve vodorovné rovině dále zúží vyzařovací paprsek. Čím jsou pásnice vyšší, tím je šířka paprsku menší.

Co se typu kovu týká, není z radioelektrického hlediska podstatný. Přednostním materiálem je pro model AMD1 hliník, který je lehký a dobře vodivý.

Duální charakteristiky antény, tj. podobných radioelektrických vlastností v GSM a DCS pásmech, se dosáhne charakteristickým tvarem trojúhelníkového prvku. Frekvence prvního provozního pásma je dána v podstatě výškou celé konstrukce a frekvence druhého pásma výškou spodního kovového trojúhelníku z plného materiálu.

• ·*« • · · · • · · · ·· ··

Další podrobnosti a rysy vynálezu budou zřejmé z následujícího popisu s odkazy na doprovodné výkresy, které schématicky znázorňují přednostních provedení vynálezu.

Přednostní provedení jsou pouze příkladná, poukazují na možná praktická provedení, a v žádném případě by neměla být chápána jako omezující.

Přehled obrázků

V tomto odstavci jsou vyjmenovány všechny části, na něž se v této přihlášce odkazuje: všesměrová duální vícetrojúhelníková anténa (10), vícetrojúhelníkový vyzařovací prvek (11), spojovací přenosový obvod (12), konektor (13), základová deska (14), adaptační přenosový obvod (15), pevná pěna (16), výsečová duální vícetrojúhelníková anténa (17), trojúhelníkový otvor (18), horní trojúhelníky (19), dolní trojúhelník (20) .

Na obr. 1 je konstrukce AMDl všesměrové antény (10) .

Anténa je upevněna kolmo k základové desce (14).

Na obr. 2 je konstrukce AMD2 výsečové antény (10) s vícetrojúhelníkovým prvkem (11), základovou deskou (14) a spojovacím přenosovým prvkem (12) . Anténa (17) je upevněna rovnoběžně se základovou deskou (14).

Na obr. 3 jsou dvě konkrétní provedení antén AMDl a

AMD2.

Na obr. 4 je přehled radioelektrické výkonnosti v pásmech GSM (graf (a)) a DCS (graf (b)).

Na obr. 5 je typický vyzařovací diagram v GSM a DCS pásmech. Oba diagramy si zachovávají typický průběh se dvěma

ES-ΓΟ ’· • · · · ·· ·· laloky ve svislé rovině a všesměrovou distribucí ve vodorovné rovině.

Na obr. 6 je konkrétní provedení výsečové duální 5 vícetrojúhelníkové antény (AMD2).

Na obr. 7 je typická radioelektrická charakteristika konkrétního provedení duální vícetrojúhelníkové antény, za které je zřejmé ROE menší než 1.5 v obou pásmech.

Na obr. 8 je vyzařovací diagram pro oba typy antén, GSM a DCS.

Příklady provedení vynálezu

AMD1 model (10) tvoří duální vícetrojúhelníkový monopol, který se vyznačuje ve vodorovné rovině všesměrovým vyzařovacím diagramem. Vícetrojúhelníkovou konstrukci tvoří 2 mm silný měděný plech ve tvaru rovnostranného trojúhelníku o výšce 11.2 cm. Otvor (18), který je rovněž trojúhelníkový, má výšku 36.6 cm a orientaci opačnou než celková trojúhelníková konstrukce, odděluje tři trojúhelníky (19, 20) spojené navzájem ve vrcholech (viz obr. 1 a 3} . Větší trojúhelník (20) je také rovnostranný a má výšku 75.4 cm.

Vícetrojúhelníkový prvek (11) je upevněn kolmo k hliníkové základové desce (14) s průměrem 22 cm. Konstrukce je nesena jedním nebo dvěma dielektrickými sloupky tak, aby se vrchol, který je od otvoru (18) nejvíce vzdálen, nacházel ve výšce 3.5 mm nad středem kruhové základové desky (14). Oba body, tj. vrchol antény a střed základové desky (14), tvoří svorky, ke kterým se připojí spojovací přenosový obvod (12). Tím se anténa (10) s typickou impendancí 250 Ohm naladí na středové frekvence GSM a DCS pásem. Vzdálenost mezi ··· ·

ES-ίδ”·· t · φ · »« ·

základovou deskou (14) a vyzařovacím prvkem (11) závisí na typu použitého spojovacího přenosového obvodu (12).

Spojovací přenosový obvod (12) a adaptační přenosový 5 obvod (15) je širokopásmový impedanční transformátor, který se skládá z několika sekcí přenosových vedení. Ve zde popsaném konkrétním případě přenosový obvod tvoří dvě sekce přenosového vedení, jejichž elektrická délka odpovídá čtvrtině vlnové délky frekvence 1500 MHz. Charakteristická impedance přenosového vedení, které je blíže anténě, je 110 Ohm, zatímco druhého přenosového vedení jen 70 Ohm. Konkrétním typem spojovacího přenosového obvodu je páskové vedení na pevném pěněném substrátu tloušťky 3.5 mm a o rozměrech 62.5 x 2.5 mm v první sekci a 47 x 8 mm ve druhé (dielektrická permitivita je 1.25). Druhý konec přenosového obvodu je připojen k 50 Ohm axiálnímu konektoru, který je upevněn kolmo k základové desce ze zadní strany. Přednostně se použije konektor typu N, který je standardem připojení GSM antén. Anténa je opatřena jediným konektorem pro obě pásma.

Úprava na dvoukonektorovou (jeden každý pro každé pásmo) anténu je možná přidáním obvyklého diplexního přenosového obvodu.

Anténu může obklopovat dielektrický, pro elektromagnetické záření transparentní, kryt (radom), který chrání vyzařovací prvek a přenosový obvod před vnějšími vlivy.

K upevnění antény na střechu lze použít některý z mnoha známých způsobů, například opatřením obvodu základové desky třemi otvory, do kterých se vloží upevňovací šrouby.

Na obr. 4 je průběh činitele stojaté vlny ROE v obou pásmech GSM a DCS ukazující, že ROE je menší než 1.5 v celém rozsahu předpokládaného použití.

h · ·

I · · · ·· ··

ES-10

Dva typické vyzařovací diagramy jsou ukázány na obr. 5. Ve vodorovné rovině je zřejmý všesměrový charakter vyzařování, ve svislé rovině poté typický průběh se dvěma laloky. Typická směrovost antény je 3.5 dBi v GSM pásmu a 6 dBi v DCS pásmu. Za povšimnutí stojí, že výkonnost aritény je v obou pásmech podobná (ROE a diagram), takže lze takovou anténu prohlásit za duální,

AMD2 model (17) tvoří duální vícetrojúhelníková desková anténa s výsečovým vyzařovacím diagramem ve vodorovné rovině.

Vícetrojúhelníkovou konstrukcí (11) je, měděná vrstva natištěná na sklolaminátový nosič (cuprextit), jejíž vnější obvod má tvar rovnostranného trojúhelníku s výškou 14.2. cm. Trojúhelníková konstrukce (11) se natiskne tak, aby vnitřní trojúhelníková plocha (18) neobsahovala kovový povlak. Otvor (18) má výšku 2.5 cm a opačnou orientaci vzhledem k celku. Takto vzniklá konstrukce se skládá ze tří trojúhelníků (19,

20) spojených navzájem ve vrcholech (viz obr. 6). Větší trojúhelník (20) je také rovnostranný a má výšku 10.95 cm.

Vícetrojúhelníkový prvek (11) se upevní rovnoběžně s obdélníkovou základovou deskou (14) z hliníku o rozměrech 20 x 15 cm. Vzdálenost mezi prvkem a základovou deskou je 3.5 cm a je udržována čtyřmi dielektrickými distančními sloupky (na obr. 2 nejsou zobrazeny). Na dvě strany základové desky (14) se připevní pásnice pravoúhlého průřezu o výšce 4 cm, které dále ve vodorovné rovině zúží vyzařovací paprsek.

Anténa je připojena ve dvou bodech. První se nachází v ose antény 16 mm od vrcholu, který je od otvoru (18) nejdále, a slouží jako přívod DCS pásma. Druhý bod se nachází v jednom ze dvou symetricky umístěných trojúhelníků konstrukce a je *

···· ·' · · · • · · · • ES-1*Ó • · » ’ • · * ·· ·· vzdálený 24 mm od vnějšího vrcholu tohoto trojúhelníku ve vodorovném směru a 14 mm od delší strany tohoto trojúhelníku ve svislém směru. Tímto bodem se přivádí signál GSM pásma.

Spojení k těmto bodům je provedeno vodivým vedením (drátem) o průměru 1 mm, které je kolmé k desce. V GSM bodu je jeden konec vodiče přivařen k desce a druhý k obvodu, který propojuje vyzařovací prvek a přístupový konektor. Pro DCS pásmo je vedením například středový vodič 50 Ohm koaxiálního kabelu, jehož vnější vodič se spojí s vnějším povrchem základové desky tak, aby zůstala zachována mezivrstva vzduchu o průměru 4.5 mm a středový vodič a prvek se přímo nedotýkaly. V tomto případě je spojení mezi vodičem a prvkem kapacitní. Aby vodič procházel přesně středem otvoru v prvku, může se na vnitřní povrch prvku přilepit obdélník (16) pevné pěny s nízkou elektrickou permitivitou (permitivita = 1.25) s otvorem 1 mm, který vede vodič středem otvoru v prvku. V takovém případě je nutné průměr otvoru zvětšit ze 4.5 na 5.5 mm, aby se vykompenzoval vliv kapacity přidané pěny (16). Pokud se použije jiného materiálu s dielektrickou permitivitou jinou než 1.25, musí se změnit i průměr otvoru tak, aby se adaptační zóna nastavila na DCS pásmo.

Propojení mezi GSM přívodním bodem a přístupovým konektorem (13) se provede adaptačně-transformačním impedančním přenosovým obvodem (15) (viz obr. 3) . Tento přenosový obvod tvoří v podstatě přenosové vedení, jehož elektrická délka odpovídá čtvrtině vlnové délky frekvence 925

MHz a má charakteristickou impedanci 65 Ohm. Na jednom konci je vedení přivařeno k vodiči připojenému k vícetrojúhelníkovému prvku a na druhém konci k N-konektoru (13) na odvráceném povrchu základové desky. Alternativně se může konektor (13) nahradit přenosovým kanálem 50 Ohm (např.

poloohebným koaxiálním kabelem) s N-konektorem na vzdáleném

• · · ···· · • · · · »· ·· konci. Poloha N~konektoru potom není vázána na umístění transformačního přenosového obvodu.

Dalším konkrétním provedením adaptačního přenosového 5 obvodu je 50 Ohm přenosové vedení s takovou délkou, aby mělo konduktanci 1/50 Siemens (např. mikroaxiální kabel), který se doplní paralelním zkratovacím vedením (další 50 Ohm vedení vhodné délky), které vyruší zbytkovou reaktanci výstupu prvního vedení.

Pro zvýšení izolace mezi GSM a DCS konektory se k bázi DCS konektoru připojí paralelní zkratovací vedení, jehož elektrická délka odpovídá polovině délky vlny středové DCS frekvence a které končí v otevřeném obvodu. Obdobně, k bázi

GSM vodiče se připojí v otevřeném obvodu končící paralelní zkratovací vedení, jehož elektrická délka je mírně větší než čtvrtina vlnové délky středové frekvence GSM pásma. Tato paralelní vedení v bázích připojení tvoří kapacitanci, kterou lze nastavit ke kompenzaci zbytkové indukčnosti vodiče. Dále, tato paralelní vedení mají velmi malou impedanci v DCS pásmu a dále tak přispívají k odizolování konektorů v tomto pásmu.

Na obr. 7 a 8 jsou charakteristiky tohoto konkrétního provedení duální vícetrojúhelníkové antény. Na obr. 7 je průběh ROE v GSM a DCS pásmech, typicky je nižší než 1.5. Vyzařovací diagram antény v obou pásmech je na obr. 8. Z obr. 8 je zřejmé, že anténa v obou pásmech vyzařuje v podobě hlavního laloku ve směru kolmém k anténě a výsečově ve vodorovné rovině. Typická šířka paprsku je 65° ve 3 dB.

Typická směrovost je v obou pásmech 8.5 dB.

Ačkoliv byla anténa podle vynálezu podrobně popsaná na přednostních příkladných provedeních, jsou jistě odborníkům zřejmé mnohé úpravy a změny, které by měly být posuzovány v duchu a rozsahu připojených patentových nároků.

Claims (15)

1. Duální vícetrojúhelníková anténa pro GSM a DCS telefonii, která se použije v základnách obou systémů

5 telefonie a která poskytuje radioelektrické jakémukoliv uživateli,se skládá z vyzařovacího zhotoveného z vodivého nebo supravodivého materiálu, spojovacího přenosového obvodu a základové desky, vyznačující se tím, že vyzařovací prvek má tvar složený z několika 10 trojúhelníků a tvoří konstrukci, jejíž vnější obvod má tvar trojúhelníku složeného z řady,ve vrcholech spojených trojúhelníků.

2. Duální vícetrojúhelníková anténa pro GSM a DCS mobilní 15 telefonii podle nároku 1, vyznačující se tím, že vícetrojúhelníkový prvek tvoří tři vrcholy spojené trojúhelníky.

3. Duální vícetrojúhelníková anténa pro GSM a DCS mobilní 20 telefonii podle nároku 1 a 2, vyznačující se tím, že vícetrojúhelníkový prvek je upevněn kolmo k základové desce v monopolovém uspořádání.

4. Duální vícetrojúhelníková anténa pro GSM a DCS mobilní 25 telefonii podle nároku 3, vyznačující se tím, že vyzařovací diagram antény je v GSM a DCS pásmech všesměrový ve vodorovné rovině a ve svislé rovině má průřez se dvěma laloky.

5. Duální vícetrojúhelníková anténa pro GSM a DCS mobilní 30 telefonii podle nároku 3 a 4, vyznačující se tím, že anténa je upevněna vodorovně se základovou deskou rovnoběžnou se zemským povrchem tak, aby poskytovala všesměrové pokrytí v jedné GSM a DCS buňce.

···· :‘e5-Ío: . · * ·· ·· • · · · • · · · • · · · ·· ·

6. Duální vícetrojúhelníková anténa pro GSM a DCS mobilní telefonii podle nároku 3 a 4, vyznačující se tím, že vícetrojúhelníkový prvek má vnější obvod ve tvaru rovnostranného trojúhelníka s výškou 11.2 cm, kde větší ze

5 tří trojúhelníků .tvořících konstrukci je rovnostranným trojúhelníkem s výškou 8 cm.

7. Duální vícetrojúhelníková anténa pro GSM a DCS mobilní telefonii podle nároku 1 a 2, vyznačující se tím, že

10 vícetrojúhelníkový prvek se skládá ze tří trojúhelníků a je upevněn rovnoběžně se základovou deskou v překryvném uspořádání.

8. Duální vícetrojúhelníková anténa pro GSM a DCS mobilní

15 telefonii podle nároku 7, vyznačující se tím, že hlavní paprsek antény vychází ve směru kolmém k základové desce a ve vodorovné rovině má výsečový tvar se šířkou okolo 65° ve 3 dB v GSM a DCS pásmech.

20

9. Duální vícetrojúhelníková anténa pro GSM a DCS mobilní telefonii podle nároku 8, vyznačující se tím, že anténa se upevní svisle se základovou deskou připevněnou ke stěně, pilíři nebo svislému sloupu tak, aby poskytovala výsečové pokrytí v jedné buňce GSM a DCS systému mobilní telefonie.

10. Duální vícetrojúhelníková anténa pro GSM a DCS mobilní telefonii podle nároku 7 a 8, vyznačující se tím, že vnějším obvodem vícetrojúhelníkového prvku je rovnostranný trojúhelník s výškou 14 cm, kde větší ze tří trojúhelníků

30 tvořících konstrukci je rovnostranným trojúhelníkem s výškou 11 cm.

•ES-3Í0 Í .

• · φ « ♦ ♦ 1 • · ··

11. Duální vícetrojúhelníková anténa pro GSM a DCS mobilní telefonii podle nároku 7 a 8, vyznačující se tím, že připojení k anténě je provedeno ve dvou různých bodech pro GSM a DCS, kde anténa je opatřena nezávislým konektorem pro

5 každé pásmo.

12. Duální vícetrojúhelníková anténa pro GSM a DCS mobilní telefonii podle nároku 1 a 2, vyznačující se tím, že anténa se může nakonfigurovat buď s jedním nebo dvěma konektory

10 (jeden pro GSM a druhý pro DCS pásmo) pomocí standardního diplexního přenosového obvodu.

13. Duální vícetrojúhelníková anténa pro GSM a DCS mobilní telefonii podle nároku 6 a 10, vyznačující se tím, že

15 velikost trojúhelníků se může upravit až o 10-20% v případě, že se vodivý vícetrojúhelníkový prvek natiskne na dielektrický substrát, který má index lomu větší než 1.

14. Duální vícetrojúhelníková anténa pro GSM a DCS mobilní

20 telefonii podle nároku 1 a 2, vyznačující se tím, že celková velikost antény se může zmenšit nabíjením vícetrojúhelníkového prvku indukční smyčkou.

15. Duální vícetrojúhelníková anténa pro GSM a DCS mobilní'

25 telefonii podle nároku 1 a 2, vyznačující se tím, že impedanci prvního pásma lze nastavit odříznutím trojúhelníkové špičky vrcholu, který je bližší přívodnímu bodu.