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Die Erfindung betrifft die Dimensionierung und Ausführung von zylindrischen
Antennenverkleidungen mit kreisförmigem oder polygonem Querschnitt für
Sektorantennen des Mobilfunks.
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Antennenanlagen von Basisstationen des Mobilfunks werden immer häufiger
verkleidet, um einerseits die Windangriffsfläche und damit die mechanische
Belastung zu reduzieren und um anderseits die Antennenanlagen nicht ohne
weiteres als solche erkennbar zu machen.
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Zur Verkleidung von Sektorantennenanlagen an Stahlmasten werden
einschichtige Umhausungen mit kreisförmigem oder eckigem Querschnitt
verwendet.
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Die Dimensionierung dieser einschichtigen Verkleidungen erfolgt in erster Linie
nach mechanischen Gesichtspunkten. Dadurch sind beispielsweise die
Zylinderquerschnitte und die Mindestwandstärken bei gegebenem Material
festgelegt.
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Für die Dimensionierung dieser einschichtigen Verkleidungen nach
elektrischen Gesichtspunkten bleibt im Prinzip nur die Vergrößerung des
Querschnitts. Eine Vergrößerung der Wandstärke kommt nicht infrage, weil
dadurch sowohl die Verluste in der Wandung als auch die Reflexionen an der
Wandung größer und damit die Strahlungseigenschaften der verkleideten
Antennen stärker beeinflusst werden.
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Die Dimensionierung einschichtiger Antennenverkleidungen wird also im
wesentlichen durch die zu erwartenden mechanischen Belastungen bestimmt.
Ein elektrische Optimierung ist nur in sehr begrenztem Umfang möglich.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung,
Antennenverkleidungen für Sektorantennen des Mobilfunks möglichst
unabhängig voneinander nach mechanischen und nach elektrischen
Gesichtspunkten dimensionieren zu können und dabei gleichzeitig eine
mechanische und eine elektrische Optimierung zu ermöglichen.
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Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1
angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Nach der Konzeption der Erfindung wird eine weitestgehend voneinander
unabhängige Dimensionierung nach mechanischen und nach elektrischen
Gesichtspunkten dadurch erreicht, dass von einer einschichtigen auf eine
dreischichtige Querschnittsstruktur des Zylinders bzw. der
Antennenumhausung übergegangen wird.
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Durch diese dreischichtige Ausführung besteht die Möglichkeit, im elektrisch
wirksamen Bereich den Abstand zwischen der inneren und der äußeren
Schicht des Zylinders so zu wählen, dass Reflexionen an der einen Schicht
durch Reflexionen an der anderen Schicht weitestgehend kompensiert werden.
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Erfindungsgemäß besteht der dreischichtige Aufbau der Antennenumhausung
mit beispielsweise kreisförmigem oder dreieckigem Querschnitt aus einer
inneren Schicht (innerer Zylinder) und einer äußeren Schicht (äußerer Zylinder)
etwa gleicher elektrischer Dicke di/λi ≍ da/λa mit einem elektrischen Abstand
von dA/λA ≤ 0,3.
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Dabei bedeuten
di = Dicke der inneren Schicht
da = Dicke der äußeren Schicht
dA = Abstand zwischen innerer und äußerer Schicht
λi, λa, λA = Wellenlängen der Funkwellen in den entsprechenden
Schichten.
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Bei bevorzugten Ausführungen beträgt die elektrische Dicke der inneren und
der äußeren Schicht di/λi ≍ da/λa ≤ 0,05.
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Die dreischichtige Querschnittsstruktur kann sowohl durch zwei konzentrische
Zylinder der Dicken di und da, die den Abstand dA voneinander haben, als auch
durch eine Sandwichstruktur mit zwei Deckschichten der Dicken di und da und
einem Kern der Dicke dA realisiert werden.
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Die Antennenumhausung kann sowohl Bestandteil einer Antennenanlage mit
Stahlmast als auch eine selbsttragende Antennenanlage ohne Stahlmast sein.
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Nachfolgend werden konstruktive Lösungsvarianten für Antennenverkleidungen
beschrieben, die nach der Konzeption der Erfindung aufgebaut sind.
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Bei einer ersten Lösungsvariante handelt es sich um eine selbsttragende
Antennenanlage ohne Stahlmast.
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Hier wird die dreischichtige Struktur durch einen tragenden Zylinder und einen
elektrisch kompensierenden Zylinder gebildet, die konzentrisch zueinander
angeordnet sind und die den Abstand dA/λA ≤ 0,3 voneinander haben.
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Der tragende Zylinder mit dem Innendurchmesser D und der Dicke dD ist für
die geforderte mechanische Belastung dimensioniert und im elektrisch
wirksamen Bereich, in dem sich die Antennen befinden, durch einen
Kompensationszylinder mit dem Innendurchmesser DK und der Dicke dK
ergänzt. Die elektrisch wirksame Wandstärke dK/λK des
Kompensationszylinders ist etwa gleich der elektrisch wirksamen Wandstärke
dD/λD des tragenden Zylinders.
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Dabei bedeuten
D = Innendurchmesser des tragenden Zylinders
DK = Innendurchmesser des Kompensationszylinders
dD = Dicke des tragenden Zylinders
dK = Dicke des Kompensationszylinders
dA = Abstand zwischen dem tragenden Zylinder und
dem Kompensationszylinder
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Bei dieser Dimensionierung werden die Reflexionen an dem tragenden Zylinder
durch die Reflexionen an dem Kompensationszylinder weitestgehend
kompensiert. Dadurch ist die Reflexionsdämpfung der Anordnung mit
Kompensationszylinder wesentlich höher als die des tragenden Zylinders
alleine.
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Der Kompensationszylinder kann entweder innerhalb oder außerhalb des
tragenden Zylinders angeordnet werden.
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Der minimal notwendige Innendurchmesser der Antennenverkleidung wird
durch die Abmessungen der zu verkleidenden Sektorantennen bestimmt. Das
bedeutet, dass der Durchmesser des tragenden Zylinders bei einer Anordnung
mit innerem Kompensationszylinder größer ist als bei einer Anordnung mit
äußerem Kompensationszylinder. Die Auswahl zwischen den beiden möglichen
Varianten wird daher durch die Forderungen an die mechanische Belastbarkeit
des tragenden Zylinders bestimmt.
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Der tragende Zylinder und der Kompensationszylinder sind durch
Abstandselemente in ihrer Lage zueinander fixiert. Als Abstandselemente
können u. a. sowohl waagerechte Scheiben oder Streben als auch radial
angeordnete senkrechte Flächen dienen.
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Sind beide Zylinder miteinander verbunden, dann kann in diesem Bereich die
Wandstärke des tragenden Zylinders verringert werden, ohne die mechanische
Belastbarkeit der Anordnung zu verändern. Durch die Verringerung der
Wandstärke werden die zu kompensieren Reflexionen kleiner und die
erreichbare Reflexionsdämpfung größer.
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Die zweite Lösungsvariante kann sowohl als selbsttragende Antennenanlage
ohne Stahlmast als auch als Antennenanlage mit Stahlmast ausgeführt
werden.
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Hier wird die dreischichtige Struktur durch eine Sandwichstruktur mit zwei
Deckschichten der Dicken di und da und einem Kern der Dicke dA realisiert.
Diese Sandwichstruktur, bei der alle drei Schichten fest miteinander verbunden
sind, ist für die geforderte mechanische Belastung dimensioniert.
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Da die erforderliche mechanische Belastbarkeit durch unterschiedliche
Kombinationen von Deckschichtdicken und Kerndicke realisierbar ist, kann
diese Struktur so dimensioniert werden, dass sie sowohl mechanisch als auch
elektrisch optimale Eigenschaften besitzt.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Patentansprüche
verwiesen.
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Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der
nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. In der zugehörigen
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Zeichnung zeigen
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Fig. 1 zwei Ausführungsformen für Antennenverkleidungen mit dreischichtigem
Querschnitt,
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Fig. 2 Verlauf der Übertragungs- und der Reflexionsdämpfung in Abhängigkeit
von der Frequenz bei einer einschichtigen Struktur,
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Fig. 3 Verlauf der Übertragungs- und der Reflexionsdämpfung in Abhängigkeit
von der Frequenz bei einer dreischichtigen Struktur.
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Fig. 4 zwei Ausführungsformen für Antennenverkleidungen mit
Kompensationszylinder,
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Fig. 5 eine Ausführungsform für eine Antennenverkleidung in Sandwichstruktur
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In Fig. 1 sind zwei Beispiele für Antennenverkleidungen mit dreischichtigem
Wandungsaufbau dargestellt; Fig. 1.1 zeigt dabei einen kreisförmigen und Fig.
1.2 ein dreieckigen Querschnitt der Antennenverkleidung.
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Der dreischichtige Wandungsaufbau besteht aus
- - einer inneren Schicht 1 der Dicke di
- - einer äußeren Schicht 2 der Dicke da und
- - einer mittleren Schicht 3 der Dicke dA.
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Die beiden Schichten 1, 2 können durch Verbindungs- oder Abstandselemente
mechanisch miteinander gekoppelt werden. Die mittlere Schicht 3 kann eine
Luftschicht aber auch eine Schaumstoffschicht sein.
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Als Werkstoffe für die Antennenverkleidung werden spezielle Kunststoffe
eingesetzt.
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Innerhalb der Antennenverkleidung sind an einer Tragkonstruktion 4 die
Antennen 5 befestigt.
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Die elektrischen Vorteile der vorgeschlagenen Lösung für neue Antennen-
Verkleidungen zeigt ein Vergleich der Übertragungs- und der
Reflexionsdämpfungen in Abhängigkeit von der Frequenz mit dem
Einfallswinkel als Parameter in Fig. 2 und Fig. 3.
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Fig. 2 betrifft dabei eine Antennenverkleidung mit einschichtige
Querschnittsstruktur der Dicke d für GSM-1800 Sektorantennen und
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Fig. 3 eine Antennenverkleidung mit dreischichtige Querschnittsstruktur mit
den Deckschichtdicken 2 × d/2 = d für GSM-1800 Sektorantennen.
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Bei der einschichtigen Struktur in Fig. 2 wird mit wachsender Frequenz
- - die Übertragungsdämpfung aT stetig größer und
- - die Reflexionsdämpfung aR stetig kleiner.
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Beide elektrischen Parameter verschlechtern sich mit wachsender Frequenz,
mit wachsendem Einfallswinkel und mit wachsender Dicke d.
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Im Beispiel betragen im Einfallswinkelbereich von 0° bis 45° im 1800 MHz-
Band
- - die maximale Übertragungsdämpfung aTmax/0°-45° = 0,8 dB und
- - die minimale Reflexionsdämpfung aRmin/0°-45° = 9 dB
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Bei der dreischichtigen Struktur in Fig. 3 ist die Übertragungsdämpfung aT
wesentlich kleiner und die Reflexionsdämpfung aR ist wesentlich größer als bei
der vergleichbaren einschichtigen Struktur und hat in Abhängigkeit von der
Frequenz ausgeprägte Maxima.
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Im Beispiel betragen im Einfallswinkelbereich von 0° bis 45° im 1800 MHz-
Band
- - die maximale Übertragungsdämpfung aTmax/0-45° = 0,3 dB und
- - die minimale Reflexionsdämpfung aRmin/0-45° = 20 dB.
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Der Vergleich zeigt, dass die Übertragungs- und Reflexionsdämpfungen durch
die erfindungsgemäße Lösung wesentlich verbessert werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung können zylindrische
Antennenverkleidungen auch so dimensioniert werden, dass sie nicht nur in einem
sondern auch in zwei oder auch drei Mobilfunkbändern optimale elektrische
Eigenschaften aufweisen.
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Die Tabelle zeigt typische Dämpfungen von Einband-, Zweiband- und
Dreibandverkleidungen im Vergleich
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Die maximale Übertragungsdämpfung, die für den Einfluss der
Antennenverkleidung auf den Antennengewinn maßgebend ist, bleibt auch bei einer
Mehrbandausführung unverändert klein.
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Die minimale Reflexionsdämpfung, die für den Einfluss der
Antennenverkleidung auf die Richtcharakteristik maßgebend ist, bleibt auch bei einer
Mehrbandausführung bis zu Einfallswinkeln von 45° so groß, dass die
Richtcharakteristiken der verkleideten Antennen praktisch nicht verändert
werden.
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Gegenstand von Fig. 4 sind zwei Ausführungsbeispiele für selbsttragende
Antennenverkleidungen mit Kompensationszylinder 6.
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Die erfindungsgemäße Antennenverkleidung besteht hier aus den beiden
konzentrisch angeordneten, jeweils einschichtigen Zylindern
- - dem für die Übernahme der mechanischen Belastungen dimensionierten
tragenden Zylinder 7 und
- - dem Kompensationszylinder 6.
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In Fig. 4.1 ist der Kompensationszylinder 6 innen und in Fig. 4.2 außen
angeordnet.
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Die in Fig. 4 eingetragenen, noch nicht erläuterten Angaben bedeuten
DKi = Innendurchmesser des Kompensationszylinders 6 bei
Innenanordnung
DKa = Innendurchmesser des Kompensationszylinders 6 bei
Außenanordnung
dKi = Dicke des Kompensationszylinders 6 bei Innenanordnung
dKa = Dicke des Kompensationszylinders 6 bei Außenanordnung.
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Für eine beispielhafte Dimensionierung einer Anordnung mit innerem
Kompensationszylinder betragen
dKi = 6 mm
dD = 6 mm
dA = 44 mm
DKi = 300 mm
D = 400 mm
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Fig. 5 stellt ein Beispiel für eine selbsttragende Antennenverkleidung in
Sandwichstruktur dar.
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Die erfindungsgemäße Antennenverkleidung besteht hier aus einem
dreischichtigen Zylinder, bei dem die Dicken der Deckschichten und des Kerns
in einem iterativen Prozess so gewählt wurden, dass die Struktur sowohl die
Bedingungen der elektrischen Optimierung di/λi ≍ da/λa ≤ 0,05 und dA/λA ≤ 0,3
erfüllt als auch für die geforderten mechanischen Belastungen optimal
dimensioniert ist.
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Für eine beispielhafte Dimensionierung dieser Anordnung betragen
di = 3 mm
da = 3 mm
dA = 45 mm
Di = 300 mm
mit Di = Innendurchmesser des Sandwichzylinders
LISTE DER BEZUGSZEICHEN
1 innere Schicht, innerer Zylinder
2 äußere Schicht, äußerer Zylinder
3 mittlere Schicht, Kernschicht
4 Tragkonstruktion
5 Antennen
6 Kompensationszylinder
7 tragender Zylinder