ES2278770T3 - Antena celular. - Google Patents
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Abstract
Una antena (10) para la comunicación con dispositivos móviles en un sistema de comunicación celular terrestre a través de un haz de antena que tiene una amplitud y un ángulo, incluyendo la antena: una pluralidad de elementos radiantes (11-16); y una red de alimentación desde una línea de alimentación a los elementos radiantes (11-16), caracterizada en que la red de alimentación incluye: medios de división de potencia (20, 23) para variar la división de potencia entre elementos radiantes de manera que varíe la amplitud del haz de la antena; y medios desfasadores (19, 21, 22, 24, 25) para variar la fase de señales suministradas a o recibidas de los elementos radiantes de manera que varíe él ángulo del haz de la antena.
Description
Antena celular.
La presente invención se refiere a una antena
para comunicación con dispositivos móviles en un sistema de
comunicación celular terrestre. Además, la invención se refiere a
un sistema de antena y a un sistema de comunicación celular que
incorpora una o más antenas.
Las antenas empleadas en estaciones base
celulares antiguas normalmente no incluían medios para variar la
dirección del haz de antena y tenían que ser montadas en una
estructura soporte con una inclinación requerida para proporcionar
un haz que produzca la cobertura celular requerida. Antenas más
recientes han incluido medios para ajustar a distancia la
inclinación hacia abajo del haz de una antena de una estación base
celular. La WO96/14670 divulga una antena que tiene desfasadores
ajustables mecánicamente los cuales producen desfases eléctricos
variables en la trayectoria de alimentación de la antena para llevar
a cabo la inclinación hacia abajo del haz de una antena.
Las antenas de elementos múltiples en fase,
utilizadas en aplicaciones de radar, proporcionan tanto una
dirección del haz azimutal como una inclinación del haz vertical
(inclinación hacia abajo) para dirigir el haz de una antena en una
dirección requerida. Tales antenas han empleado normalmente
elementos de conmutación activos y han sido de una fabricación
compleja y cara.
Si pudiera variarse más de una característica
del haz de una antena de una estación base celular, los sistemas de
comunicación celulares podrían ser más flexibles en la distribución
de la capacidad a las zonas deseadas.
La solicitud anterior del solicitante WO96/14670
divulga un sistema de control de antena para ajustar a distancia la
inclinación hacia debajo de una pluralidad de antenas. El
controlador 80 va situado en la base de una estación base celular y
para controlar cada antena se requiere un cable separado 78. Esto
requiere en un nuevo cable de control 78 a tender desde el cabezal
del mástil hasta el controlador 80 cada vez que se añade una nueva
antena.
En el sistema de la WO96/14670 cada antena se
identifica mediante un puerto al que va conectado el cable 78. El
número de antenas que puede controlarse mediante un controlador 80
está limitado por el número de puertos disponibles.
Sistemas del estado la técnica han utilizado
controladores específicos para ajustar a distancia características
de la antena. Sería deseable permitir dispositivos estándar que se
hallen ampliamente disponibles para ser utilizados para programar y
controlar los sistemas de control de las antenas.
La US 5115248 divulga una antena en serie que
utiliza una matriz Butler para variar la distribución de potencia
entre los elementos de antena en una antena convergente para un
sistema de comunicación por satélite. El sistema de matriz Butler
conmuta entre haces fijos en vez de permitir el ajuste variable
continuo.
Un objeto de la invención es el de proporcionar
un sistema de control de antena, y un sistema de antena que supere
al menos alguna de las limitaciones del estado de la técnica
anterior o provea al público al menos de una opción útil.
Un primer aspecto de la invención provee una
antena para comunicación con dispositivos móviles en un sistema de
comunicación celular terrestre a través de un haz de antena que
tiene una amplitud y un ángulo, incluyendo la antena:
una pluralidad de elementos radiantes; y
una red de alimentación desde una línea de
alimentación hasta dos elementos radiantes, incluyendo la red de
alimentación:
medios divisores de potencia para variar la
división de potencia entre elementos radiantes de manera que varíe
la amplitud del haz de antena; y
medios desfasadores para variar la fase de
señales suministradas a o recibidas de los elementos radiantes de
manera que varíe el ángulo del haz de la antena.
El primer aspecto proporciona una red de
alimentación preferente la cual proporciona una amplitud de haz
ajustable y un ángulo de haz ajustable (el cual puede ser ajustable
en las direcciones de azimut y/o de inclinación hacia abajo).
Preferentemente los medios divisores de potencia
dividen la potencia entre uno o más elementos radiantes centrales y
dos o más elementos radiantes exteriores posicionados en el sistema
en lados opuestos del elemento(s) radiante central.
Preferentemente los medios divisores de potencia
consisten en un divisor de potencia esencialmente no atenuador, que
incluye, por ejemplo un par de acopladores híbridos y un desfasador
entre los acopladores híbridos.
Preferentemente los medios de inclinación hacia
abajo o de desfase azimutal ajustan la fase relativa entre el par
de elementos radiantes exteriores.
Preferentemente la relación de fase entre el
elemento(s) radiante central y los medios divisores de
potencia es esencialmente fija para todos los ángulos del haz.
Preferentemente el sistema incluye al menos tres
filas y al menos tres columnas de elementos radiantes.
La antena es particularmente apropiada para un
sistema de acceso múltiple por división de código (CDMA o
W-CDMA) que emplea un codificador y/o un
decodificador CDMA.
Normalmente la antena es parte de un sistema de
antena terrestre que incluye medios de control adaptados para
proporcionar señales a la antena(s) para ajustar una
característica del haz de antena.
Los medios de control normalmente incluyen un
receptor local adaptado para recibir órdenes de un centro de control
remoto.
A continuación se describirá la invención a
modo de ejemplo con referencia a los dibujos que se acompañan en
los cuales:
La Figura 1 muestra una antena en serie de tres
elementos radiantes;
La Figura 2 muestra un diagrama esquemático de
la red de alimentación de la antena mostrada en la figura 1;
La Figura 2A muestra el divisor de potencia
variable;
La Figura 3 muestra una antena en serie de seis
elementos;
La Figura 4 muestra un diagrama esquemático de
la red de alimentación mostrada en la figura 3;
La Figura 5 muestra una antena en serie de
cuatro elementos;
La Figura 6 muestra un diagrama esquemático de
la red de alimentación de la antena mostrada en la figura 5;
La Figura 7 muestra una antena en serie de diez
elementos;
La Figura 8 muestra un diagrama esquemático de
la red de alimentación de la antena mostrada en la figura 7;
La Figura 9 muestra el dispositivo de control de
la antena mostrada en las figuras 7 y 8;
La Figura 10 muestra un sistema de
comunicaciones celular;
Las Figuras 11 a 14 divulgan una realización que
utiliza solamente desfasadores;
Las Figuras 15 y 16 muestran una realización que
utiliza solamente desfasadores para ajuste de la dirección y la
amplitud del haz de antena en dos dimensiones
La figura 17 muestra una implementación mínima
para llevar a cabo el ajuste del desfasado y la amplitud del
haz.
La figura 18 muestra un sistema de antena según
una primera realización.
La figura 19 muestra una primera implementación
del sistema de control para la realización de la figura 18.
La figura 20 muestra una segunda implementación
del sistema de control para realización de la figura
18.
18.
La figura 21 muestra una tercera implementación
del sistema de control para la realización de la figura 18.
La figura 22 muestra un sistema de antena según
una segunda realización.
La figura 23 muestra una primera implementación
del sistema de control para la realización de la figura 22.
La figura 24 muestra una segunda implementación
del sistema de control para realización de la figura 22.
La figura 25 muestra un sistema de antena según
una tercera realización.
La figura 26 muestra el sistema de control de la
realización mostrada en la figura 25.
La figura 27 muestra un sistema de antena según
una cuarta realización.
La figura 28 muestra una implementación del
sistema de control para realización de la figura 27.
La figura 29 muestra un sistema de control
remoto según una primera realización.
La figura 30 muestra un sistema de control
remoto según una segunda realización.
La figura 31 muestra un interfaz de usuario
gráfico según una realización.
La figura 32 muestra un interfaz de usuario para
ajustar la inclinación hacia abajo.
La figura 33 muestra un interfaz tabular.
La figura 34 muestra un interfaz de
programación.
Con referencia a la figura 1 una antena 1 tiene
una serie de tres elementos radiantes 2, 3, 4 dispuestos en una
sola fila. La Figura 2 muestra un diagrama esquemático de la red de
alimentación 5 a partir de un conector 6 de los elementos radiantes
2,3 y 4. El divisor de potencia 7 divide la potencia entre las
antenas 2 y 4 y la antena 3. El ajuste del divisor de potencia 7 se
traduce en variación de la amplitud de haz, del haz del antena
1.
En la figura 2A se muestra en detalle el divisor
de potencia 7. Un primer acoplador híbrido 71 tiene un puerto de
entrada 72 acoplado al conector 6 y al puerto 73 el cual va aislado.
El acoplador híbrido 71 divide la señal de entrada en dos señales
de igual amplitud las cuales son salidas de las líneas 74,75 con una
diferencia de fase de 90. La fase de la señal en la línea 75 puede
ajustarse mediante un desfasador 79 el cual ajusta la longitud L2
de la línea 75 comparada con la longitud L1 de la línea 74. Las
líneas 74,75 van acopladas a un segundo acoplador híbrido 76 el
cual divide y combina las señales con un desfase de 90. Cuando L1=L2
las señales interfieren constructivamente en la salida 78 y se
anulan mutuamente en la salida 77. Si L1 \neq L2 y entonces la
señal se divide entre las salidas 77,78, determinándose la relación
mediante la posición del desfasador 79. Para una cierta relación
entre L1 y L2 toda la señal es extraída por la salida 77 y por las
salida 78 no es extraída señal alguna. Se observará que el divisor
de potencia 7 es esencialmente no-atenuador, es
decir, no emplea atenuadores de ningún tipo (tales como resistores)
lo cual se traduciría en pérdida de potencia y
sobrecalentamiento.
Los desfasadores 8 y 9 varían la fase de los
elementos radiantes 2 y 4 diferencialmente con respecto al elemento
radiante 3. Los desfasadores 8 y 9 pueden incorporarse dentro de un
único desfasador diferencial variable del tipo descrito en la WO
96/14670. El ajuste de los desfasadores 8 y 9 se traduce en una
dirección azimutal del haz de antena.
La serie simple de tres elementos descrita en
las figuras 1 y 2 permite así la dirección azimutal mediante el
ajuste de los desfasadores 8 y 9 y el ajuste de la amplitud del haz
azimutal mediante variación del divisor de potencia 7.
Haciendo referencia ahora a la figura 3, la
antena 10 incluye seis elementos radiantes 11 a 16. En la figura 4
se muestra un diagrama esquemático de la red de alimentación de la
antena mostrada en la figura
3.
3.
Las señales son transmitidas hasta y desde el
conector 17 hasta y desde los elementos radiantes 18. El desfasador
19 varía la fase de señales recibidas de o enviadas a los elementos
radiantes 11, 12 y 13 con respecto a las recibidas desde o
transmitidas a los elementos radiantes 14, 15 y 16. La variación de
la fase entre las filas de los elementos radiantes 11 a 13
comparada con la de las filas 14 a 16 se traduce en inclinación
vertical del haz de la antena (inclinación hacia abajo). De ese
modo el ajuste del desfasador 19 puede utilizarse para efectuar la
inclinación hacia abajo del haz de la antena.
Los divisores de potencia 20 y 23 y los
desfasadores 21, 22,24 y 25 funcionan de la forma descrita en
relación con la figura 2. Las divisiones de potencia 20 y 23 pueden
ajustarse para modificar la amplitud de haz del haz de la antena y
los desfasadores 21 y 22 y los desfasadores 24 y 25 pueden ajustarse
para modificar el azimut del haz de la antena. Los divisores de
potencia 20 y 23 pueden ser accionados por una articulación
mecánica común de manera que la amplitud del haz sea ajustada
uniformemente en ambas filas de elementos radiantes. Del mismo
modo, los desfasadores 21 y 22 y los desfasadores 24 y 25 pueden ser
accionados por una articulación mecánica común de manera que el
azimut del haz de la antena sea constante en ambas filas.
Haciendo referencia ahora a la figura 5, se
muestra una disposición de elementos de diamante alternativa. La
antena 30 incluye elementos radiantes 31,32, 33 y 34 La Figura 6
muestra la red de alimentación de la disposición de antena mostrada
en la figura 5.
Los desfasadores 35 y 36 varían diferencialmente
la fase de las señales suministradas a los elementos radiantes 31 y
34 comparadas con la fase de las señales suministradas a los
elementos radiantes 32 y 33. El ajuste de los desfasadores 35 y 36
pueden de ese modo ajustar la inclinación hacia abajo del haz de la
antena. Los desfasadores 35 y 36 pueden ir provistos como un único
desfasador diferencial variable.
El divisor de potencia 37 ajusta la división de
potencia entre los elementos radiantes 32 y 33 y los elementos
radiantes 31 y 34. Esto permite el ajuste de la amplitud de haz del
haz de la antena.
Los desfasadores 38 y 39 permiten el desfasado
de fase diferencial variable de las señales suministradas a o
recibidas de los elementos radiantes 32 y 33 con respecto a la fase
de las señales suministradas a o recibidas de los elementos
radiantes 31 y 34. Esto permite el ajuste del azimut del haz de la
antena. Los desfasadores 38 y 39 pueden ir provistos como un único
desfasador de fase diferencial variable.
Haciendo referencia ahora a la figura 7, se
muestra una configuración de antena de un diseño preferido para uso
en estaciones base de comunicaciones celulares. Una antena para uso
en una estación de base celular incluye preferentemente al menos 3
columnas de elementos y 3 grupos de elementos espaciados separados
verticalmente. Esto permite que se logre una buena simetría del
haz. La antena 40 incluye elementos radiantes 41 a 50 dispuestos en
3 columnas: 42, 45 y 48; 44, 47 y 50; 43, 46 y 49. Los elementos
radiantes están divididos además en tres grupos
41-43; 44-47; y
48-50. Estos tres grupos caen dentro de tres filas
amplias a través de la antena 40.
Haciendo referencia ahora a la figura 8, se
muestra esquemáticamente la red de alimentación 51. Los desfasadores
52 y 53 desfasan diferencialmente la fase de las señales recibidas
desde/enviadas a la primera fila de elementos radiantes
(41-43) y a la tercera fila de elementos radiantes
(48-50) con respecto a la fila central de elementos
radiantes (44-47). Esto permite la inclinación hacia
abajo del haz de la antena a ajustar mediante variación de los
desfasadores 52 y 53. Los desfasadores 52 y 53 pueden ser un único
desfasador diferencial variable.
Los divisores de potencia 54 a 56 pueden
ajustarse para variar la amplitud del haz de la misma forma que se
ha descrito con anterioridad. Los divisores de potencia 54 a 56 son
fabricados y dispuestos preferiblemente de manera que los mismos
sean ajustados simultáneamente de forma que la amplitud del haz de
la antena sea constante para cada grupo de elementos radiantes.
Los desfasadores 57 a 62 funcionan de la misma
manera que se ha explicado con anterioridad para llevar a cabo la
dirección azimutal. Cada par de desfasadores 57 y 58; 59 y 60; y 61
y 62 puede constar de un único desfasador diferencial variable. De
nuevo, estos desfasadores son accionados preferentemente en tándem
de manera que el azimut del haz de cada grupo de elementos
radiantes sea alineado.
Otra disposición preferente es una serie de 15
elementos radiantes dispuestos regularmente en 5 filas y 3
columnas.
Se observará que dependiendo de los requisitos
de una aplicación particular pueden emplearse una serie de otros
posibles elementos radiantes y dispositivos de alimentación.
Los elementos radiantes mostrados en estas
realizaciones son pares bipolares apropiados para uso en una antena
de polarización doble. Otros elementos radiantes pueden ser
sustituidos si son apropiados para otras aplicaciones.
Haciendo referencia ahora a la figura 9 se
muestran medios de control para controlar los desfasadores de la
antena mostrados en las figuras 7 y 8. Unos medios de control 63
accionan medios motrices 64 a 66. Los medios motrices 64 a 66
pueden ser motores eléctricos de engranajes apropiados o
similares.
Los medios motrices 64 ajustan un desfasador
diferencial variable 70 (desfasadores 52 y 53) para variar la
inclinación hacia abajo del haz de la antena. Los medios motrices 65
ajustan los desfasadores 80, 81 y 82 (desfasadores
57-62) a través de articulaciones 69 para ajustar el
azimut del haz de la antena. Medios motrices 66 ajustan los
divisores de potencia 54 a 56 a través de las articulaciones 68 para
ajustar la amplitud de haz del haz de la antena. Los mecanismos de
accionamiento y las articulaciones pueden ser del tipo divulgado en
la WO 96/14670.
El puerto 83 permite medios de control 63 para
comunicar con unos medios de control a distancia. Típicamente, el
puerto 83 se conectará a un módem para facilitar la comunicación
remota con un centro de control a través de una comunicación física
o inalámbrica. Los medios de control 63 pueden transmitir
información acerca de la configuración y estado real de la antena
al centro de control remoto y el centro de control remoto puede
proporcionar instrucciones para el ajuste de la inclinación hacia
abajo, el azimut o amplitud del haz de la antena las cuales pueden
ser implementadas mediante los medios de control 63. Los medios de
control 63 controlan preferentemente una pluralidad de antenas del
mismo tipo que la antena 40.
Haciendo referencia ahora a la figura 10 se
muestra un sistema de comunicaciones celular en el cual un centro
de control 84 va conectado a los medios de control 63, 85 y 86 a
través de enlaces de datos 89 a 91 (físicos o inalámbricos). Las
antenas 87, 88 y 92-97 son del mismo tipo que la
antena 40 descrita más arriba. Los desfasadores de las antenas 40,
87 y 88 pueden ser controlados mediante medios de control 63 de
acuerdo con las instrucciones recibidas del centro de control 84 a
través del enlace de datos 89. Del mismo modo las antenas 92 a 94 de
otra estación base celular son controladas por los medios de
control 85 y las antenas 95 a 97 son controladas por los medios de
control 86.
Se apreciará que mediante un centro de control
central 84 puede controlarse cualquier número de controladores 63,
85 y 86. Esto permite que las zonas cubiertas por antenas 40, 87 y
88, antenas 92-94 y antenas 95 a 97 sean
controladas mediante el centro de control 84 dinámicamente para
satisfacer cualquier demanda hecha a un sistema de comunicación o
configurar el sistema de cualquier configuración de cobertura
deseada.
En una disposición alternativa, el centro de
control fijo 84 puede ser reemplazado (o complementado con una
unidad de optimización de red móvil (libre) la cual se comunica a
través de un enlace inalámbrico.
Haciendo referencia ahora a las figuras 11 a 13,
se muestra una disposición alternativa en la cual el ajuste de la
dirección azimutal y la amplitud del haz se logran mediante el uso
de desfasadores únicamente.
En esta realización los desfasadores 103 y 104
son ajustables independientemente. No obstante, los desfasadores
103 y 104 podrían ser accionados mediante enlaces apropiados que
permitan que los desfasadores 103 y 104 sean ajustados
diferencialmente y de una manera no-diferencial para
lograr el ajuste de la dirección azimutal y la amplitud del haz de
una forma deseada.
El elemento radiante 100 se conecta directamente
al punto de alimentación 105, el elemento radiante 101 se conecta a
través del desfasador 103 al punto de alimentación 105 y el elemento
radiante 102 se conecta a través del desfasador 104 al punto de
alimentación 105. Los desfasadores 103 y 104 pueden ser accionados
independientemente mediante medios motrices apropiados tales como
un motor eléctrico de engranajes apropiado que responda a las
señales de control procedentes de unos medios de control tales como
medios de control 63 mostrados en las figuras 9 y 10.
En la figura 11 se muestran los desfasadores 103
y 104 a ajustar de una manera diferente para producir la dirección
del haz. En las figuras 12 y 13, los desfasadores 103 y 104 se
ajustan al unísono para llevar a cabo la ampliación o
estrechamiento del haz de la antena. Se apreciará que cuando el
desfase de las antenas 101 y 102 se aumenta el haz de la antena se
ampliará y cuando el desfase se reduce el haz de la antena se
reducirá. Se apreciará que el ajuste independiente de los
desfasadores 103 y 104 permite realizar el ajuste de la dirección y
la amplitud del haz simultáneamente utilizando solamente
desfasadores bifásicos.
La Figura 14 muestra la disposición física de
los elementos radiantes 100 a 102 de una antena de panel 106.
Haciendo referencia ahora a las figuras 15 y 16
se muestra una realización del concepto descrito en las figuras 11
a 14 utilizando una serie bidimensional de elementos radiantes. En
este caso los elementos radiantes 107 a 110 de la antena de panel
111 van dispuestos en una configuración de diamante.
Tal como se muestra en la figura 16 cada
elemento radiante 107 a 110 va conectado al punto de alimentación
116 a través de un desfasador 112 a 115. Cada uno de los
desfasadores 112 a 115 es ajustable independientemente. El ajuste
diferencial de los desfasadores 114 y 115 puede producir una
dirección del haz azimutal. El ajuste no diferencial de los
desfasadores 114 y 115 puede alterar la amplitud del haz en el plano
horizontal. El ajuste diferencial de los desfasadores 112 y 113
puede traducirse en una inclinación del haz en el plano vertical.
El ajuste no diferencial de los desfasadores 112 y 113 puede
traducirse en un ajuste de la amplitud del haz en el plano
vertical.
Esta disposición permite así el ajuste de la
dirección del haz en los planos vertical y horizontal así como el
ajuste de la amplitud del haz en los planos vertical y
horizontal.
Las figuras 15 a 16 muestran una implementación
mínima del concepto y se apreciará que pueden ser deseables números
mayores de elementos radiantes dependiendo de la aplicación
interesada. Si bien los desfasadores 112 a 115 han sido descritos
como independientemente ajustables se apreciará que los desfasadores
pueden ser accionados apropiadamente a través de articulaciones
mecánicas comunes para lograr ajustes de la forma y dirección del
haz deseadas.
Haciendo referencia ahora a la figura 17 se
divulga en su totalidad una implementación mínima para realizar el
ajuste de la amplitud del haz y la dirección azimutal. El divisor de
potencia 119 divide la potencia entre los elementos radiantes 117 y
118 para efectuar el ajuste de la amplitud del haz. El desfasador
121 puede ajustarse para producir la dirección azimutal. Esta
realización se describe en su totalidad y no será un diseño
preferente debido a la falta de simetría del haz cuando los
elementos radiantes 117 y 118 no son accionados igualmente.
En un sistema del tipo mostrado en la figura 10
se apreciará que el centro de control 84 puede requerir ajustar
simultáneamente la amplitud del haz y/o la dirección del haz de
cierto número de antenas simultáneamente. El ajuste de la cobertura
celular de una antena puede dejar un hueco que requiere ser llenado
por otra antena. El centro de control 84 dispondrá preferentemente
de medios informáticos y software apropiados para calcular los
ajustes de antena requeridos para lograr una cobertura deseada.
Con referencia a la figura 18 existe un sistema
de antenas 201 que consta de una estructura 202 que soporta una
pluralidad de antenas 203 a 205. Cada una de las antenas
203-205 puede ser cualquiera de las antenas
mostradas en la Figura 1-17. Una unidad de
transmisión proporciona señales de control a las antenas 203 a 205
introduciendo datos de control en cables de alimentación de RF de
las antenas. Los medios de transmisión 206 tiene un puerto de
interfaz conectado a través del cable en serie 207 a la toma 208.
Una PDA, tal como una Palm Pilot(™), va conectada a una unidad de
interfaz 210 la cual va conectada a la toma 208 a través del cable
211. La unidad de interfaz 210 se conecta a un puerto de la PDA 209
y se convierte de un protocolo de comunicaciones en serie SR 232 a
otro protocolo en serie RS 485. Alternativamente la PDA 209 puede
conectarse a los medios de transmisión 206 mediante una conexión
directa RS 232.
Las Figuras 19 a 21 muestran tres
implementaciones de sistemas de control posibles para el sistema de
antena de la figura 18. A los componente iguales se les ha asignado
el mismo número en todas partes.
Haciendo referencia en primer lugar a la figura
19 se muestra una primera implementación del sistema de control. En
este caso los medios de transmisión 206 introducen datos de control
en cada una de las líneas de alimentación de RF 212, 213, 214 de
cada antena 203, 204 y 205. Cada antena incluye unos medios de
accionamiento individuales 215, 216, y 217 los cuales extraen datos
de control del cable de RF respectivo 212, 213 y 214 y accionan los
actuadores 218, 219 y 220 de acuerdo con los datos de control.
Típicamente los actuadores 218 a 220 serán medios electromecánicos
para el movimiento relativo de piezas de uno o más desfasadores de
cada antena para ajustar la inclinación hacia abajo y/o el azimut
y/o la amplitud del haz. El uso de desfasadores electromecánicos
asegura que los parámetros de funcionamiento permanezcan invariables
en caso de fallo de la energía. Los medios de accionamiento 215 a
217 pueden incluir también transceptores para las antenas 203 a
205.
Además, cada antena 203, 204 y 205 va provista
de medios de identificación únicos 221, 222, y 223, estos pueden
ser un chip que almacene un número único, una serie de conmutadores
o resistores etc. Esto permite que los medios de accionamiento 215,
216 y 217 identifiquen únicamente cada antena y proporcionen
información en asociación con la antena ID. Aunque no se muestra en
los dibujos subsiguientes esta característica puede ser incorporada
en cualquier otra realización descrita más abajo.
Los medios de transmisión 206 pueden disponerse
en cualquier lugar conveniente, por ejemplo dentro de una estación
base. La disposición tiene la ventaja de que no se requiere cableado
de control específico para controlar cada antena 203, 204 y 205 u
obtener información en relación con cada antena. En uso, una PDA
(Personal Digital Assistant) portátil 209, tal como una Palm
Pilot(™), puede conectarse a los medios de transmisión 206 a través
de unos medios de interfaz apropiados 207, 208, 210 y 211 para
facilitar la comunicación entre los medios de actuación 215 a 217 y
la PDA 209. Las características reales de cada antena tales como
inclinación hacia abajo, amplitud y azimut del haz pueden ser
descargadas a la PDA 209 y pueden hacerse ajustes introduciendo
datos en la PDA 209 y transmitiendo estos a los medios de
accionamiento 215, 216 y 217.
Alternativamente, ajustes o un programa de
ajustes futuros pueden ser descargados desde una PDA a los medios
de accionamiento 215 a 217 y la antena funciona de acuerdo con los
mismos. Por ejemplo, los ajustes de antena requeridos durante
periodos diferentes pueden ser transferidos como un fichero desde la
PDA 209 a cada uno de los medios de actuación 215 a 217 los cuales
funcionarán entonces de acuerdo con el programa.
Haciendo referencia ahora a la figura 20 se
muestra una segunda implementación del sistema de control. En este
caso los datos de control de los medios de transmisión 206 son
extraídos a través de unos medios de accionamiento únicos 224 los
cuales accionan cada actuador 218, 219 y 220 a través de cables
dedicados. Los medios de accionamiento 224 van dispuestos
preferentemente en la parte superior en estrecha proximidad a las
antenas 203, 204, 205 para reducir al mínimo la longitud del cable
requerido desde los medios de accionamiento 224 hasta las antenas
203, 204 y 205. Puesto que solamente se requieren trayectorias de
conexión cortas esto es aún una ventaja espectacular sobre la
necesidad de cable desde la parte inferior de una estación base de
antena hasta cada antena.
Haciendo referencia ahora a la figura 21 la
implementación es similar a la de la figura 20 excepto que los
medios de recepción 225 de datos de control suministran datos de
control en serie a los medios de accionamiento 226, 227 y 228 los
cuales extraen datos de control relevantes para esa antena y los
actuadores de accionamiento 218, 219 y 220. Los medios de
accionamiento 226, 227 y 228 pueden incluir transceptores de datos
para las antenas 203 a 205.
Haciendo referencia ahora a la figura 22 se
muestra una realización alternativa donde se suministran señales a
los medios de accionamiento a través de una línea en serie en vez de
mediante la introducción de datos de control en la línea de
alimentación de RF. En este caso la línea en serie 230 se conecta
desde la toma 208 hasta los medios de accionamiento de la parte
superior de la estructura. En todos los casos en los que va
provista una conexión directa se requiere protección apropiada
contra los rayos.
Según se muestra en la realización de la figura
23 la línea en serie 230 va conectada desde la toma 208 hasta los
medios de accionamiento 231 de la antena 203 la cual es conectada a
través de una línea en serie a los medios de accionamiento 232 y
233. En este caso la línea en serie es una conexión en serie RS 485.
El medio para la conexión en serie RS 485 puede ser un cable de par
trenzado, un cable coaxial o un cable de fibra óptica. Otros
protocolos apropiados pueden incluir un bus CAN o una conexión de 1
hilo^{TM} (1 wire^{TM} connection) etc. Medios de accionamiento
231, 232 y 233 y actuadores de control 218, 219 y 220 de acuerdo
con los datos de control suministrados a través de la línea en serie
230.
Nuevamente, los detalles de cada configuración
común de antenas pueden descargarse desde los medios de
accionamiento 231, 232 o 233 hasta la PDA 209 y pueden ajustarse
parámetros de funcionamiento en tiempo real o puede descargarse un
fichero desde la PDA a cada uno de los medios de accionamiento 231 a
233 para el funcionamiento programado de las antenas.
Haciendo referencia ahora a la figura 24, se
muestra una segunda implementación de la realización de la figura
21. En este caso unos medios de accionamiento únicos 234 accionan
directamente los actuadores 218, 219 y 220 de acuerdo con datos de
control suministrados a través de la línea en serie 230. Esta
disposición es más sencilla al requerir solamente unos medios de
accionamiento 234 por cada lugar en vez de uno por cada antena. Los
medios de accionamiento 234 pueden incluir además transceptores para
cada antena 203, 204 y 205.
Se apreciará que ambas implementaciones
requieren solamente un único cable en serie a proveer a unos medios
de accionamiento para permitir el control de todas las antenas de
una estación base de antena celular. Esta simplemente requiere
nuevas antenas a conectar al cabezal del mástil de los medios de
accionamiento sin cableado adicional alguno desde los medios de
accionamiento hasta la base de la estructura del soporte a
instalar.
Haciendo referencia ahora a la figura 25 se
muestra una realización inalámbrica. En esta realización una PDA
240 capaz de transmitir y recibir comunicaciones inalámbricas
comunica con medios de accionamiento 241 de un sistema de antena
201. Alternativamente, la PDA 240 puede conectar mediante un
interfaz con un transceptor inalámbrico a través de un puerto, tal
como un puerto de comunicación en serie. Según se muestra en la
figura 26, los medios de accionamiento 241 pueden accionar
directamente los actuadores 218,219 y 220 de las antenas 203, 204 y
205. La comunicación inalámbrica puede ser a través de comunicación
de radio frecuencia apropiada, aunque debe tenerse cuidado de
evitar interferencias con la estación base celular.
Alternativamente, pueden emplearse comunicaciones ópticas u otras
comunicaciones inalámbricas. Pueden utilizarse comunicaciones
infrarrojas o puede conectarse una fibra óptica entre los medios de
accionamiento 241 y un conector adaptado para acoplarse con un
puerto óptico de la PDA 240. La comunicación inalámbrica tiene la
ventaja de que no se requiere protección contra los rayos.
Haciendo referencia ahora a la realización de
las figuras 27 y 28, la PDA 242 comunica directamente con cada uno
de los medios de accionamiento 243 a 245 para controlar los
actuadores 218 a 220 directamente. Esta realización tiene la
ventaja de que cada antena 203, 204, 205 es autocontenida y no se
requiere cableado adicional cuando se instala la antena.
Cuando se hace referencia a los actuadores 218,
219 y 220 se apreciará que el número de actuadores empleados en
cada antena variará dependiendo de la funcionalidad de la antena, es
decir, si se emplean el ajuste de la inclinación hacia abajo o la
amplitud del haz y/o el ajuste azimutal.
Puede suministrarse energía a cada uno de los
medios de accionamiento mediante una extracción de las líneas de
alimentación de RF, líneas de alimentación de energía separadas o
una alimentación de energía independiente, tal como células solares
que cargan una batería. Puede integrarse una línea de energía
separada con una línea de comunicación en serie, cuando se
utilizan, y se conectan a cada uno de los medios de accionamiento en
serie. Puede integrarse una fuente de alimentación independiente en
cada antena o en los medios de accionamiento.
En las realizaciones descritas más arriba los
medios de accionamientos han sido utilizados para controlar los
desfasadores en la trayectoria de alimentación de los elementos
radiantes de la antena y puede incluir transceptores de datos para
las antenas. El sistema de control de la invención podría ser
extendido de manera que los medios de accionamiento controlen
cierto número de otros elementos del sistema de antena. Los
amplificadores con bajo nivel de ruido en la parte superior de la
estructura pueden controlarse activamente a través de los medios de
accionamiento para ajustar la ganancia. Los filtros podrían ser
controlados activamente por los medios de accionamiento. En algunas
aplicaciones también pueden controlarse duplexores y/o diplexores
para conmutar entre funcionamiento bidireccional y unidireccional o
viceversa.
Se ha previsto además que los transmisores y
receptores principales de una estación base celular podrían ir
dispuestos en la parte superior de una estructura cerca de las
antenas. Podría utilizarse un enlace óptico único para transmitir
datos de telecomunicaciones así como datos de control. Los medios de
accionamiento podrían ir integrados con el equipo de la estación
base, o permanecer separados de la misma.
Haciendo referencia ahora a la figura 29 se
muestra un sistema de adquisición de información remoto o sistemas
de control de antena. En este caso se conecta un ordenador 250 a
través de una WAN 251 a la estación base 252. La WAN puede ser un
circuito conmutado o una conexión conmutada por paquetes que utilice
protocolos de Internet o protocolos de paquetes celulares según se
requiera. La estación base comunica con el hardware de red 253 de
la estación base y una unidad de control de antena 254. La unidad de
control de antena 254 comunica a través de la LAN 255 con unos
medios de accionamiento de antena 256. En la realización de la
figura 18, la unidad de control de antena 254 puede corresponder
con medios de transmisión 206 y medios de accionamiento 215 a 217,
224 y 225 a 228. En la realización de las figuras 23 y 24 los medios
de accionamiento 256 pueden corresponder a los medios de
accionamiento 231 a 233 y 234.
La realización de la figura 29 permite a un
operador de red controlar un sistema de antena mediante la
comunicación con la estación base. Esto permite a un operador de
red descargar la información con relación a la configuración común
de cualquier antena, para controlar activamente la configuración de
cualquier antena y para descargar en los medios de accionamiento
256 un programa de funcionamiento para cualquier antena.
En el ordenador 250 puede mantenerse una tabla
de concordancia entre los medios de identificación de antena (ver
221 a 223 en la figura 19) de manera que un operador da red pueda
dirigir antenas mediante un código de identificación asignado a un
operador de red.
Haciendo referencia ahora a la figura 30 se
muestra un sistema de control remoto en una red de
telecomunicaciones estándar. En este caso un dispositivo tal como
un ordenador portátil 260 o una PDA 261 comunica a través de una
red de telecomunicaciones 262 con el interfaz del equipo de
comunicaciones de datos 263 de la unidad de control de antena 264.
El equipo de comunicaciones de datos 263 puede ser un router, un
módem, un puente, etc. los medios de control de antena 264 pueden
comunicar con unos medios de accionamiento 266 a través de la LAN
265. Los medios de accionamiento 266 pueden corresponder a los
medios de accionamiento 215 a 217, 224, 225 a 228, 231 a 233, 234,
241 o 243 a 245 de la realización descrita con anterioridad. Se
apreciará que los dispositivos 260 y 261 pueden comunicar
directamente con los medios de accionamiento 266 si van situados
localmente. Este sistema permite la inserción remota de datos y el
control mediante un operador de red a través de una conexión de
telecomunicaciones estándar. Esto permite el control del sistema de
antena a distancia a través de una estación base o un canal de
telecomunicaciones separado sin tener que amoldarlo a cualquier
hardware o protocolo estándar de terceros.
Las LANs 255 y 265 pueden ser enlaces de
comunicación de datos en serie de par trenzado, coaxiales o de fibra
óptica que empleen un protocolo de comunicaciones apropiado según
se desee.
Haciendo referencia ahora a la figura 31 se
describirá el interfaz de usuario gráfico de una PDA. Se apreciará
que la descripción de más abajo es directamente aplicable a un
ordenador que utilice un dispositivo de entrada tal como un ratón.
La figura 31 muestra cierto número de elementos gráficos que
ilustran la cobertura del haz en el caso de un sitio de
comunicaciones celulares de tres sectores. Los lóbulos 271, 272 y
273 ilustran la cobertura del haz de las tres antenas del sitio de
telecomunicaciones. Si se selecciona en el lóbulo 271, por ejemplo
tocando ligeramente la pantalla con una aguja o estilete, pueden
aparecer barras de control 274 y 275. Haciendo clic con la aguja
sobre una barra y moviendo hasta una posición deseada puede
ajustarse la forma del lóbulo 271. La forma del lóbulo 271 puede
ajustarse del mismo modo utilizando la barra 275. Se apreciará que
ajustando la barra 274 y 275 puede ajustarse tanto la dirección
azimutal, como la amplitud del haz azimutal del lóbulo 271. Puede
indicarse el valor numérico del ángulo de la dirección azimutal
desde la normal y la variación numérica de la amplitud del haz. En
el ejemplo mostrado en la figura 31, mediante el número 276 se
indica una variación de la dirección azimutal de 2º y mediante los
números 277 y 278 se indica un estrechamiento de la amplitud de haz
de 15º a cada lado.
Cada lóbulo 271, 272, 273 puede ajustarse de
este modo y cuando se logra una configuración deseada esta
información puede ser enviada a unos medios de accionamiento según
se ha descrito más arriba de manera que los ajustes de antena
reales se ajusten para concurrir con los mostrados en el interfaz de
usuario gráfico. Del mismo modo, los ajustes reales de una antena
pueden descargarse desde los medios de accionamiento y visualizarse
sobre la pantalla de una PDA. Esto permite la configuración común a
visualizar de una manera fácilmente inteligible y para ajustes a
llevar a cabo a través de un interfaz de usuario gráfico
conveniente.
Además, en una mejora del método descrito más
arriba pueden proporcionarse unos medios de compensación automática.
Cuando se ajusta una antena esta puede traducirse en lagunas en
cuanto a cobertura. Para el ajuste de esta los parámetros de
funcionamiento del resto de las antenas pueden ajustarse
automáticamente para asegurarse de que aún se mantiene la cobertura
requerida. Los parámetros de cobertura y optimización requeridos
pueden ajustarse en cada lugar. La compensación automática puede
calcular automáticamente los parámetros de funcionamiento
requeridos en el caso de antenas basadas en esta información. En
algunos casos puede resultar necesario procurar cobertura en todas
las direcciones. En otras situaciones solamente ciertas zonas pueden
requerir cobertura. Dentro de zonas diferentes pueda requerirse una
capacidad diferente. Los medios de compensación automática
optimizan la cobertura y la compartición de la capacidad entre
sectores de las limitaciones del lugar.
Haciendo referencia ahora a la figura 32 se
muestra un interfaz de usuario gráfico para ajustar la inclinación
hacia abajo. El interfaz de usuario gráfico viene en forma de barras
de control 281, 282 y 283 para ajustar la inclinación hacia abajo
en cada lugar.
Haciendo referencia ahora a la figura 33 se
muestra un simple interfaz de visualización tabular. En este caso
la inclinación del haz, el azimut del haz y la amplitud del haz
pueden visualizarse en forma de tabla y ajustarse seleccionando una
casilla e introduciendo un valor.
Haciendo referencia ahora a la figura 34 se
muestra un interfaz de programación. Utilizando el interfaz de
programación pueden establecerse parámetros funcionales de las
antenas haciendo uso del interfaz de usuario gráfico de la figura
31 o 33. Luego, un usuario puede definir los períodos durante una
semana durante los cuales va a utilizarse esa configuración. Del
mismo modo pueden identificarse otras configuraciones para otros
períodos. Según se muestra en la figura 34 pueden verse
configuraciones 290, 291 y 292 a programar para períodos
diferentes durante una semana. Un programa de estas características
puede crearse en una PDA, un ordenador etc. y todo el programa
puede descargarse en unos medios de accionamiento los cuales
controlan entonces la antena según el programa.
Esto permite a un operario de red asignar la
capacidad para adaptarla a la demanda puesto que la misma varía a
lo largo del tiempo. Esto permite un uso más eficiente del espectro
disponible. Los cálculos teóricos indican que utilizando tal
control activo del sector pueden lograrse mejoras significativas en
la capacidad de la red. Dicha controlabilidad puede reducir el
número de lugares requeridos para proporcionar cobertura a una
zona, permitir una cobertura concentrada en el caso de zonas
geográficas pequeñas para demandas pico sin proporcionar cobertura
específica (por ejemplo, para cubrir eventos en estadios etc.).
Además, la flexibilidad del sistema permite la cobertura de
catástrofes en el caso de que haya una avería en un lugar y evita la
inactividad asociada con las labores de mantenimiento en dicho
lugar.
La presente invención proporciona un sistema de
antena que permite un control y programabilidad fácil utilizando
dispositivos estándar tales como PDAs. El sistema facilita la
adición de nuevas antenas requiriendo un cableado adicional
mínimo.
Además, la invención proporciona una antena en
la cual la inclinación hacia abajo y la amplitud del haz, el azimut
y la amplitud de haz o el azimut, la amplitud del haz y la
inclinación hacia abajo del haz de una antena pueden controlarse
independientemente y a distancia. De ese modo la antena permite una
gran flexibilidad en el control del haz de la antena para controlar
activamente la zona cubierta por un haz de antena en un sistema de
comunicaciones celular.
Cuando en la descripción precedente se ha hecho
referencia a números enteros o componentes que tienen equivalentes
conocidos, entonces dichos equivalentes se incorporan aquí como si
fueran expuestos individualmente.
Claims (24)
1. Una antena (10) para la comunicación con
dispositivos móviles en un sistema de comunicación celular terrestre
a través de un haz de antena que tiene una amplitud y un ángulo,
incluyendo la antena:
una pluralidad de elementos radiantes
(11-16); y
una red de alimentación desde una línea de
alimentación a los elementos radiantes (11-16),
caracterizada en que la red de
alimentación incluye:
medios de división de potencia (20,23) para
variar la división de potencia entre elementos radiantes de manera
que varíe la amplitud del haz de la antena; y
medios desfasadores (19, 21,22, 24,25) para
variar la fase de señales suministradas a o recibidas de los
elementos radiantes de manera que varíe él ángulo del haz de la
antena.
2. La antena de la reivindicación 1 en la que,
los medios de división de potencia dividen la potencia entre uno o
más elementos radiantes centrales (12; 15) y dos o más elementos
radiantes exteriores (11, 13; 14,16) posicionados en lados opuestos
de los elementos radiantes centrales (12; 15).
3. La antena de la reivindicación uno o dos en
la que, los medios divisores de potencia son esencialmente
no-atenuadores.
4. La antena de la reivindicación 2 en la que,
los medios desfasadores ajustan la fase relativa entre el par de
elementos radiantes exteriores.
5. La antena de la reivindicación 4 en la que,
la relación de fase entre los elementos radiantes centrales y los
medios divisores de potencia es esencialmente fija para todos los
valores del ángulo del haz.
6. La antena de cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 5 en la que él ángulo es un ángulo de
azimut.
7. La antena de cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 6 en la que, él ángulo es un ángulo inclinado
hacia abajo.
8. La antena de la reivindicación 6 y 7 en la
que, los medios desfasadores pueden variar él ángulo azimutal y él
ángulo de inclinación hacia abajo del haz de antena.
9. La antena de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes en la que, el o cada uno de los medios
desfasadores se ajustan mediante la variación de la posición
relativa de dos o más componentes desfasadores.
10. Un sistema de antena terrestre que incluye
una o más antenas (10) según cualquiera de las reivindicaciones
precedentes; y un codificador para codificar señales de inclinación
hacia abajo para transmisión a los elementos radiantes según un
esquema de multiplexión asíncrona por división en el tiempo
(CDMA).
11. Un sistema de antena terrestre que incluye
una o más antenas según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9; y
un decodificador para decodificar señales de enlace ascendente
recibidas desde los elementos radiantes a un esquema de
multiplexión asíncrona por división en el tiempo (CDMA).
12. El sistema de antena terrestre de la
reivindicación 10 u 11 que incluye medios de control (63) adaptados
para proporcionar señales a la antena(s) para ajustar una
característica del haz de antena.
13. Un sistema de antena terrestre que incluye
una o más antenas según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12;
y medios de control adaptados para proporcionar señales a la
antena(s) para ajustar una característica del haz de
antena.
14. El sistema de la reivindicación 13 en el
que, los medios de control comprenden un receptor local adaptado
para recibir órdenes desde un centro de control remoto.
15. El sistema de la reivindicación 13 ó 14 que
incluye una pluralidad de antenas, y en el que los medios de
control incluyen:
medios para recibir una orden para cambiar una
característica del haz de una de las antenas;
medios para calcular las características del haz
requeridas por todas las antenas para lograr una cobertura deseada;
y
medios para ajustar una o más características
del haz de cada antena según se requiera para lograr la cobertura
deseada.
16. El sistema de la reivindicación 12, 13,14, ó
15 en el que los medios de control incluyen:
medios de interfaz de usuario gráficos para
visualizar gráficamente parámetros de la configuración de una
pluralidad de antenas en donde, a través del uso de un dispositivo
de entrada, pueden manipularse elementos gráficos para ajustar
parámetros de la configuración; y
medios de comunicación para enviar señales de
control a unos medios de accionamiento para ajustar parámetros de
una antena de acuerdo con los visualizados mediante el interfaz de
usuario gráfico.
17. El sistema de la reivindicación 15 ó 16 en
el que la antena es una antena según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9.
18. Un sistema de comunicación celular terrestre
que incluye uno o más sistemas según cualquiera de la
reivindicaciones 10 a 17; y un centro de control remoto (84) para
enviar órdenes a cada sistema para ajustar características del haz
de antena de cada sistema.
19. La antena de cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9 en la que, los medios divisores de potencia
incluyen:
un desfasador ajustable para ajustar la fase
relativa entre señales de un par de líneas de señales; y
un acoplador híbrido el cual va acoplado al par
de las líneas de señales.
20. La antena de la reivindicación 19 en la que,
el desfasador ajustable ajusta la longitud de uno de los pares de
líneas de señales comparada con la longitud de la otra línea de
señales.
21. La antena de la reivindicación 19 ó 20 en la
que, el acoplador híbrido es un acoplador híbrido de 90 grados.
22. La antena de la reivindicación 19,20 ó 21 en
la que el acoplador de potencia incluye además un
separador/combinador acoplado al par de líneas de señales.
23. La antena de la reivindicación 22 en la que,
el separador/combinador es un acoplador híbrido.
24. La antena de la reivindicación 23 en la que,
el separador/combinador es un acoplador híbrido de 90 grados.
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