-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Antenneneinheiten.
Die Erfindung ist insbesondere aber nicht ausschließlich auf
eine Antenneneinheit für
eine Basisstation anwendbar, die einen Teil eines zellularen Telekommunikationsnetzwerks
bildet.
-
Gewöhnlich sind
in bebauten Gebieten Antenneneinheiten für Basisstationen an der Außenseite
von Gebäuden
befestigt, um in jeder gegebenen Zelle eine maximale Abdeckung bereitzustellen.
Derartige Antennen haben jedoch den Nachteil, dass sie nicht an
den Außenwänden von
denkmalgeschützten oder
geschützten
Gebäuden
angeordnet sein können.
Daher ist es in Städten,
in denen viele Gebäude denkmalgeschützt sind,
schwierig, eine Erlaubnis für Platzantennen
zu erhalten, wodurch es schwierig sein kann, eine adäquate Netzwerkabdeckung
in dem Bereich zu erhalten.
-
Des
Weiteren empfinden einige derartige Antennen als unschön und aus
diesem Grund kann es schwierig sein, Hausbesitzer davon zu überzeugen, eine
derartige Einrichtung an ihren Gebäuden zu platzieren.
-
Die
internationale Patentanmeldung WO 98/48472 beschreibt eine Antennenanordnung,
die konfiguriert sein kann, um eine Abdeckung zu modifizieren, eine
Zwischenzellenisolation von Signalen zu verbessern und eine Interferenz
von Signalen, die in benachbarten Zellen empfangen werden, zu reduzieren.
Die Antennenanordnung umfasst ein Mittel zum mechanischen und elektrischen
Kippen der Antenne, wobei in dem Fall des Aussendens die Richtung
des Strahles und in dem Fall des Empfangs die Richtung, in der Signale
empfangen werden können, verändert werden.
Sie befasst sich daher hauptsächlich
mit einem Verbessern des Betriebsbereichs der Antenne und der Qualität des Signals,
das verarbeitet werden kann.
-
Das
Patent
US 6,014,110 beschreibt
eine Trichterantenneneinheit zur Verwendung bei der Satellitenkommunikation,
die angepasst ist, um auf einem inneren Abschnitt eines Gebäudes, wie
beispielsweise einem Fenster, befestigt zu werden. Die Antenne umfasst
einen Trichter, der mit einem dielektrischen Material gefüllt ist
und der mittels einer Schicht, die eine Dicke aufweist, die von
dem Brechungsindex der Abstandsschicht abhängt, beabstandet von dem Fenster
angeordnet werden kann. Durch Beeinflussen des Brechungsindizes
des dielektrischen Materials relativ zu dem Brechungsindex des Fensters
kann die Zwischenfläche
mit einer reflexionslosen Anpassung versehen werden.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Antenneneinheit zur zellularen Telekommunikation bereitgestellt,
die ein Gehäuse,
das auf dem Inneren eines äußeren Abschnittes
eines Gebäudes
anordbar ist, und eine Antenne, die innerhalb des Gehäuses befestigt
ist, aufweist, wobei die Einheit so angeordnet ist, dass, wenn sie
auf dem Inneren eines äußeren Abschnitts
eines Gebäudes
angeordnet ist, die Antenne beabstandet zu dem äußeren Abschnitt angeordnet
ist, um eine Interferenz von dem äußeren Abschnitt reflektierter
Strahlung mit durch die Antenne übertragenen
Funksignalen im Wesentlichen zu verhindern, wobei die übertragenen
Funksignale eine Strahlenbreite von θ und eine Wellenlänge von λ aufweisen
und das Gehäuse
einen offenen Abschnitt mit einer Öffnungsweite d aufweist, dadurch
gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Antenne und dem äußeren Abschnitt
größer oder
gleich λ/3 oder
kleiner oder gleich d/(2 tan (θ/2))
ist.
-
Eine
Antenneneinheit zur zellularen Telekommunikation kann daher vollständig innerhalb
eines Gebäudes
angeordnet werden, ohne das Äußere des
Gebäudes
zu verändern.
Auf diese Art können Antennen
in denkmalgeschützten
oder geschützten Gebäuden installiert
werden, wobei eine verbesserte Abdeckung in bebauten Gebieten ermöglicht wird. Die
Abschirmmittel verhindern, dass Funksignale, die ausgesendet und
empfangen werden, in das Gebäude
dringen. Die Nutzer des Gebäudes
sind vor der Strahlung, die von der Antenne zu den mobilen Terminals,
die innerhalb des Netzwerkes betriebsfähig sind, und von diesen mobilen
Terminals kommend von der Antenne empfangen wird, geschützt.
-
Im
Folgenden werden Ausführungsformen der
Erfindung nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei:
-
1 ein
schematisches Blockdiagramm eines öffentlichen Erdmobilnetzwerkes
(engl. public land mobile network) ist,
-
2 eine Vorderansicht einer Form einer Antenneneinheit
gemäß der Erfindung
ist,
-
3 eine
Draufsicht auf die Antenneneinheit aus 2 ist,
-
4 eine
Querschnittsansicht der Antenne entlang der Linie IV-IV in der 1 ist,
-
5 eine
schematische Ansicht, ein vertikaler Schnitt, ist, die die Antenneneinheit
aus den 1 bis 4 in einer
Position an einem oberen Stockwerk auf der Innenseite eines geeigneten
Gebäudes
zeigt,
-
6 eine
schematische Ansicht, ein horizontaler Querschnitt, einer alternativen
Anordnung ist, die eine andere Form einer Antenneneinheit zeigt, die
an einem alternativen Platz installiert ist,
-
7 ein
geometrisches Diagramm ist, das die Positionierung der Antenne innerhalb
der Einheit für
eine gewünschte
Strahlbreite zeigt, und
-
8 eine
Darstellung ist, die die Ergebnisse von Experimenten zeigt, die
mit einer Prototyp-Antenneneinheit mit und ohne einem planaren Glasfenster
durchgeführt
worden sind.
-
In 1 ist
schematisch ein bekanntes zellulares Funknetzwerk dargestellt, in
dieser Ausführungsform
ein GSM-Netzwerk, das als ein öffentliches
Erdmobilnetzwerk bezeichnet wird (PLMN, engl. public land mobile
network). Eine Funkvermittlungsstelle 2 (MSC, engl. mobile
switching centre) ist über
Kommunikationsverbindungen mit einer Anzahl von Basisstationen-Steuerungen 4 (BSCs,
engl. base stations controllers) verbunden. Die BSCs 4 sind
geografisch über
Bereiche verteilt, die von der Funkvermittlungsstelle 2 versorgt
werden. Jede BSC 4 steuert eine oder mehrere Basis-Sende-Empfangs-Stationen 6 (BTSs,
engl. base transceiver stations), die entfernt von der BSC angeordnet
und mit dieser durch weitere Kommunikationsverbindungen verbunden
sind. Jede BTS 6 umfasst eine Antennenanordnung 7,
die Funksignale zu mobilen Stationen 8 aussendet und Funksignale
von diesen empfängt, wobei
die mobilen Stationen 8 in einem Bereich angeordnet sind,
der von der BTS versorgt wird. Dieser Bereich wird als "Zelle" bezeichnet. Ein
zellulares Funknetzwerk ist mit einer großen Anzahl derartiger Zellen
versehen, die idealerweise aneinander grenzen, um eine durchgängige Abdeckung über den
gesamten Netzwerkbereich bereitzustellen.
-
Eine
Form einer Antenne zur Verwendung in einem zellularen Funknetzwerk
gemäß der Erfindung umfasst,
wie in den 2, 3 und 4 gezeigt, ein
Gehäuse 10,
das aus glasfaserverstärktem Kunststoff
(GFRP, engl. glass fibre reinforced plastic) gebildet ist. Das Gehäuse 10,
das in den 2, 3 und 4 gezeigt
ist, ist ein fester Kasten, der als ein frustotriaguläres Prisma
(engl. frustotriagular prism) mit einer fachen planaren offenen
Fläche 15 ausgebildet
ist. Wie detaillierter unten beschrieben wird, ist diese Form insbesondere
für eine
Form einer Installation an einer flachen planaren Oberfläche, wie beispielsweise
eines Fensters, geeignet. Die Form des Gehäuses 10 kann jedoch
verändert
werden, um zu anderen Arten von Installationen zu passen. Des Weiteren
muss das Gehäuse
nicht aus einem GFRP hergestellt sein. Jedes Material, das zum Ausbilden eines
Gehäuses
geeignet ist, kann verwendet werden, beispielsweise Aluminium.
-
Das
Gehäuse 10 enthält eine
Antennenanordnung 11, die eine direktionale Antenne aufweist, die
benötigt
wird, um in einem Bogen, der unmittelbar vor der Antenne einen Bereich
von ungefähr
80° bis 90° aufspannt,
Funksignale an mobile Terminals auszusenden und von diesen zu empfangen.
Die Antenne, die eine GSM-Komponente ist, emittiert die Strahlung
bei einer Frequenz von ungefähr
900 MHz, 1800 MHz oder 1900 MHz. Für andere zellulare Systeme strahlt
die Antenne in den relevanten geeigneten Frequenzbändern. Signalzuführungen 9 verbinden
die Antenne mit einer Basissendestation 6. Die Antennenanordnung 11 ist
an dem Gehäuse 10 mittels
einer inneren Befestigungshalterung 5 befestigt.
-
Das
Gehäuse 10 ist
mit Abschirmmaterial 12 ausgekleidet, das eine Transmission
von Funkfrequenzen durch dieses hindurch blockiert. In dem in 2 gezeigten Beispiel umfasst das Abschirmmaterial
alternierende Schichten eines Schaums 12a, der mit elektrisch
leitenden Graphitpartikeln imprägniert
ist, und einer Aluminiumfolie oder eines Lacks 12b. Es
kann jedoch jedes geeignete Funkfrequenz-Abschirmmaterial verwendet
werden. Der Schaum kann jedes geeignete geschäumte Material sein, wobei aber
ein expandiertes Polymer, das eine Graphitsuspension enthält, bevorzugt
ist. Diese Kombination eines mit Graphit imprägnierten Schaums und einer
Aluminiumfolie schirmt den Bereich außerhalb des Gehäuses 10 ab
und verhindert die Transmission von Strahlung durch das Gehäuse 10 hindurch
zu dem benachbarten Bereich.
-
Das
Gehäuse 10 weist
einen offenen Abschnitt 16 auf, der nicht abgeschirmt ist,
während
der Rest des Gehäuses,
der die Antenne umgibt, abgeschirmt ist. Dieser Abschnitt 16 kann
mit einem Material bedeckt sein, das die Transmission von Funksignalen
durch dieses hindurch ermöglicht,
oder dieser Abschnitt 16 kann einfach unbedeckt sein. Die
Signalzuführungen 9 verlaufen
durch Öffnungen
hindurch, die speziell zu diesem Zweck in dem Abschirmmaterial ausgebildet
sind, wobei das Material fest um die Zuführungen 9 herum anliegt,
um ein ungewolltes Leck zu verhindern.
-
Im
Gebrauch ist die Einheit 1 über einem Fenster 26,
wie in 5 gezeigt, angeordnet und unmittelbar an dem Fenster
durch Kleben der Flansche 28, 29 an dieses oder
an der umgebenden Wand unter Verwendung geeigneter Befestigungsmittel,
wie beispielsweise Schrauben oder Bolzen, befestigt. Die Flansche 28 können mit
einer Reihe von Löchern 30 versehen
sein, die auf seinem Rand angeordnet sind und durch die hindurch
Schrauben oder Bolzen angeordnet sein können, um die Einheit 1 an
einer Wand zu befestigen.
-
In
dem Fall einer Befestigung an dem Fenster muss das Gehäuse nicht
permanent an dem Fenster 26 befestigt sein. Es ist bevorzugt
lösbar,
um einen Zugang zu seinem Inneren zu Wartungszwecken zu ermöglichen.
Eine Befestigungshalterung kann mit dem Fenster verbunden sein,
wobei das Gehäuse
an dieser durch lösbare
Befestigungsmittel befestigt ist, wie beispielsweise Bolzen oder
Schrauben. Das Gehäuse
kann auch an dem Fenster 26 durch entfernbare Klebestreifen
oder ein Klebeband befestigt sein, das geeignet an dem Gehäuse 10 angeordnet
ist.
-
Wenn
die Antenneneinheit 1 über
dem Fenster 26 befestigt ist, ist es wünschenswert, zusätzliches
Abschirmmaterial in dem Bereich zwischen dem Fenster 26 und
dem Gehäuse 10 an
der Stelle einzufügen,
an der das Gehäuse 10 an
dem Fenster 26 anliegt. Diese weitere Abschirmung kann
die Form eines metallisierten oder leitfähigen Bandes aufweisen, das
um die Kanten des Gehäuses
herum befestigt wird, um zu verhindern, dass Funksignale von dem
Inneren des Gehäuses 10 zu
dem Inneren des Gebäudes 32 durch
die Kantenregionen hindurch gelangen.
-
Das
abgeschirmte Gehäuse 10 ist
konstruiert, um Strahlung zu blockieren, um zu gewährleisten,
dass Strahlungsniveaus unmittelbar außerhalb des Gehäuses innerhalb
von Regelniveaus für
eine menschliche Nutzung liegen. In dem Fall einer 1800-MHz-Antenne
beträgt
das erlaubte Niveau, das von der Nationalen Strahlungs- und Schutzbehörde von
Großbritannien
definiert worden ist, 10 mWcm–2. Die Niveaus unmittelbar
außerhalb
des Gehäuses 10 liegen
innerhalb dieser Grenze und sind bevorzugt niedriger, zumindest
unterhalb 5 mWcm–2.
-
Die
Antenneneinheit 1 ist innerhalb eines Gebäudes 32 angeordnet,
wobei der Abschnitt 16 des Gehäuses 10 anstoßend an
oder quer über
einem Fenster 26 oder einem anderen geeigneten Funkfrequenzsignalauslass,
wie beispielsweise einer Öffnung,
angeordnet ist. Es ist wichtig, dass der Auslass für Funkfrequenzen
relativ transparent ist, um zu ermöglichen, dass die Antenne 11 zu
den mobilen Terminals Signale aussenden und von diesen empfangen
kann, wobei die mobilen Terminals in dem Netzwerk außerhalb
des Gebäudes
betrieben werden, in dem die Einheit installiert ist.
-
Die
Antenneneinheit 1 kann normal betrieben werden. Funksignale
können über die
Antenne 11 ausgesendet werden, während die Strahlung, die durch
dieses Aussenden verursacht worden ist, insbesondere der Teil ihrer
Strahlungsleistung, der zu den Seiten und dem rückseitigen Bereich der Antenne 11 gestrahlt
wird, davon abgehalten wird, in das Gebäude zu dringen. Des Weiteren
kann das Glas oder anderes funkdurchlässiges Material in dem Fenster 26 so
wirken, dass ein Teil der Funksignale, die von der Antenne ausgesendet
werden, zurück
in das Gehäuse
reflektiert wird. Durch die innere Abschirmung 12 des Gehäuses 10 wird
auch verhindert, dass diese reflektierten Signale in das Gebäude dringen.
-
In
dem oben beschriebenen Beispiel passen die divergenten Formen des
Gehäuses 10 und
der Abschirmung 12 im Wesentlichen zu der divergenten Form
des Aussendemusters der Antennenanordnung 11. Auf diese
Art behindern das Gehäuse 10 und
die Abschirmung 12 den Weg der Funksignale B, die von der
Antennenanordnung 11 ausgesendet werden, nicht signifikant.
Dennoch ist die Antenneneinheit 1 kompakt, wodurch eine
effiziente Ausnutzung des Raumes in dem Gebäude gewährleistet wird.
-
Die
Antenne 11, die in dieser Ausführungsform verwendet wird,
ist eine zweipolige Flachantenne (engl. panel antenna), wie beispielsweise
eine Huber- und Suhner-321-Antenne. Es ist bemerkt worden, dass
ein Anordnen der Antenne zu nahe an dem Fenster, über dem
die Einheit 1 befestigt ist, die Leistung der Antenne 11 herabsetzt,
wobei die von dem Fenster reflektierte Strahlung mit der ausgesendeten Strahlung
interferiert. Bei einem zellularen Netzwerk, das bei einer Funkfrequenz
von 1800 MHz betrieben wird, ist die Antenne bevorzugt so angeordnet,
dass ihre Fläche
zumindest 3 cm von der inneren Oberfläche des Fensters entfernt ist.
Wenn die Antenne mit einem zu großen Abstand von dem Fenster
entfernt ist, wird die Größe des Gehäuses unerwünscht groß, sodass
es bevorzugt ist, dass der Abstand kleiner als 10 cm ist. Optimalerweise
beträgt
der Abstand ungefähr
6 cm.
-
Im
Allgemeinen ist bei zellularen Netzwerken, die bei gegebenen Frequenzen
betrieben werden, eine Einheit
1 bevorzugt so angeordnet,
dass der Abstand zwischen der Antenne und dem Glas die folgenden
Bedingungen erfüllt.
Bezug nehmend auf
7 ergibt eine geometrische Betrachtung
für eine Einheit
mit einem offenen Abschnitt
16 mit einer Aperturweite d
und einer verlangten Strahlbreite θ (beispielsweise 80° bis 90°) einen maximalen
Abstand D zwischen der Antenne
11 und dem Glas gemäß folgender
Ungleichung:
-
Ein
Minimalabstand D kann als der Minimalabstand definiert werden, bei
dem die Signalherabsetzung akzeptabel ist.
8 zeigt
empirische Daten, die durch Tests erhalten worden sind, die mit
einer Prototypeinheit durchgeführt
worden sind, die bei 1800 MHz betrieben worden und an einem planaren Glasfenster
mit einer Standarddicke von 6 mm befestigt ist. Ein Verlust der
empfangenen Leistung in Dezibel (Y-Achse) wurde an einem Punkt 1.285
m ausgehend von dem Glas entlang der Normallinie gemessen, die durch
den Mittelpunkt der Antenne
11 verläuft. Drei Punkte, die den Verlust
der empfangenen Leistung zeigen, wenn die Antenne mit einem Abstand
von 0, 3 bzw. 6 cm von dem Glas entfernt angeordnet ist, sind über dem
Glas-Antennen-Abstand D in Zentimetern (X-Achse) dargestellt. Eine horizontale
Linie
50 zeigt die empfangene Leistung, wenn das Glas entfernt
ist. Eine Linie
52 extrapoliert die drei Messungen. Die
Linie
52 sollte in Wirklichkeit asymptotisch zu der horizontalen
Linie
50 verlaufen, aber eine gerade Linie stellt eine
brauchbare Näherung
dar und liefert als Ergebnis, dass bei einem Abstand von ungefähr 8.4 cm,
wo die Linien
50 und
52 sich schneiden, die empfangene
Leistung im Wesentlichen die gleiche ist wie diejenige, die gemessen worden
wäre, wenn
kein Glas vorhanden wäre.
Bei der Betriebsfrequenz von 1800 MHz haben wir eine Wellenlänge von
16.7 cm. Dies ergibt eine sehr nahe Annäherung an das Zweifache des
minimalen Abstands, der von den empirischen Daten erhalten wird. Da
die Differenzeffekte von den Wellenlängen abhängen, können wir eine allgemeinere
Bedingung für den
minimalen Abstand zwischen dem Glas und der Antenne
11 bei
einer Betriebswellenlänge λ, wie folgt, ermitteln:
-
Kombiniert
mit der Maximalabstandbedingung, die auf der geometrischen Betrachtung
basiert, erhalten wird eine allgemeine Bereichsungleichung zum Bestimmen
des Glas-Antennen-Abstands D, die, wie folgt, lautet:
-
Als
logische Folge dieses Ergebnisses ergibt sich:
wodurch die minimale Apertur
d des offenen Abschnitts
16 als eine Funktion der Wellenlänge und
der Strahlbreite definiert ist.
-
Es
sollte auch bemerkt werden, dass wir, damit die Effekte innerer
Reflexionen in dem Glas vernachlässigbar
sind, folgende Beziehung benötigen: λ >> T0,wobei
TG die Dicke des Glases ist. Bei normalen
Betriebsbedingungen ist diese Bedingung erfüllt, wie beispielsweise in
den Tests des Prototyps mit einer Wellenlänge von 16.7 cm und einer Glasdicke
von 6 mm.
-
Es
ist offensichtlich, dass das akzeptable Niveau einer Signalherabsetzung,
die durch ein Anordnen der Antenne in der Nähe des Glases verursacht wird,
in Abhängigkeit
von beispielsweise der Leistungsfähigkeit der Antenne
11 und
dem Bereich der benötigten
Funkabdeckung variieren kann. Wie oben erwähnt, können auch andere Faktoren,
wie die Größe des Gehäuses, beim
Bestimmen des Glas-Antennen-Abstands relevant sein. Es kann daher
wünschenswert
sein, die Minimalabstandbedingungen, wie folgt, zu verändern:
-
Dies
führt zu
einem Kompromiss zwischen den sich gegenüber stehenden Anforderungen
der Aufrechterhaltung der Signalstärke und der Verminderung der
Gehäusegröße. Unter
Berücksichtigung dieses
Kompromisses kann die minimale Apertur, wie folgt, definiert werden:
-
Die
beschriebene Antennenkonfiguration und die beschriebene Gehäusekonfiguration
passen zu der Antenneneinheit 1, die über einem ebenen Fenster 26 befestigt
ist. Es sollte jedoch bemerkt werden, dass das Gehäuse auch
andere Formen aufweisen kann, die für andere Installationen geeignet
sind. Beispielsweise kann in einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wie
in 6 gezeigt, das Gehäuse 40 geformt sein,
um über
einem Eckfenster 42 angeordnet und an zwei senkrechten
Fenstern befestigt zu werden. Die Abschirmung 44 auf der
Innenseite des Gehäuses 40,
die die inneren Formen des Gehäuses 40 wiedergibt,
verhindert auch ein substanzielles Lecken von Funkaussendungen in
das Gebäude
hinein, in dem die Einheit installiert ist.
-
Es
können
auch andere Formen des Gehäuses 10 zum
Installieren der Antenneneinheit 1 in einem unregelmäßig geformten
Fenster oder über
einem anderen Auslass, wie beispielsweise einer Öffnung, oder selbst über einer
Wand, die für
Funkfrequenzen ausreichend transparent ist, vorgesehen sein.
