ES2282231T3 - Unidades de antena. - Google Patents

Abstract

Unidad de antena de telecomunicaciones celulares (1) que comprende un armazón (10) que puede colocarse en el interior de una parte externa de un edificio (32) y una antena (11) montada dentro del armazón, estando dispuesta la unidad de tal manera que, cuando se coloca en el interior de una parte externa de un edificio, la antena se separa de la parte externa para evitar sustancialmente que la radiación reflejada de la parte externa interfiera con las señales de radio transmitidas por la antena, en la que las señales de radio transmitidas presentan una anchura de haz theta y una longitud de onda lambda, y el armazón comprende una parte abierta (16) de anchura de apertura d, caracterizada porque el armazón se dispone de tal forma que la separación (D) entre la antena y la parte externa es mayor o igual a lambda/3 y menor o igual a d/(2 tan (theta/2)).

Description

Unidades de antena.

La presente invención se refiere en general a unidades de antena. La presente invención es aplicable en particular, aunque no de forma exclusiva, a una unidad de antena para una estación base que forma parte de una red de telecomunicaciones celulares.

Convencionalmente, en zonas urbanizadas, las unidades de antena para estaciones base se sujetan a la parte externa de los edificios para proporcionar una cobertura máxima en una célula determinada. No obstante, uno de los inconvenientes de dichas antenas es que no pueden situarse en las paredes externas de edificios histórico-artísticos o protegidos. Por consiguiente, en las ciudades que cuentan con numerosos edificios histórico-artísticos, resulta difícil obtener permiso para instalar antenas y, por lo tanto, puede resultar difícil mantener una cobertura de red adecuada en el área.

Además, algunas personas consideran que dichas antenas no resultan adecuadas desde el punto de vista estético y, por esta razón, puede resultar difícil convencer al dueño de la propiedad para que instale dicho equipamiento en su edificio.

En la solicitud de patente internacional WO 98/48472, se describe una disposición de antena que puede configurarse para modificar la cobertura, mejorar el aislamiento entre células de las señales y reducir las interferencias de las señales recibidas en células vecinas. La disposición de antena incluye unos medios para inclinar la antena de forma mecánica y eléctrica, y cambiar de ese modo la dirección del haz, en el caso de la transmisión, y la dirección en la que pueden ser recibidas las señales, en el caso de la recepción. Por lo tanto, dicha solicitud trata fundamentalmente acerca de cómo mejorar el radio de acción de la antena y la calidad de la señal que puede procesarse.

En la patente US nº 6.014.110, se describe una unidad de antena de bocina para utilizar en las comunicaciones por satélite y adaptada para su montaje en una parte interna de un edificio, tal como una ventana. La antena incluye una bocina rellena de un material dieléctrico que puede separarse de la ventana por medio de una capa que presenta un espesor que depende del índice de refracción de la capa separadora. El control del índice de refracción del material dieléctrico con respecto al de la ventana puede proporcionar una adaptación sin reflexión a la interfase.

Según la presente invención, se proporciona una unidad de antena de telecomunicaciones celulares que comprende un armazón que puede colocarse en el interior de una parte externa de un edificio y una antena montada dentro del armazón, estando dispuesta la unidad de tal manera que, cuando se coloca en el interior de una parte externa de un edificio, la antena se separa de la parte externa para evitar sustancialmente que la radiación reflejada en la parte externa interfiera con las señales de radio transmitidas por la antena, en la que las señales de radio transmitidas presentan una anchura de haz \theta y una longitud de onda \lambda, y el armazón comprende una parte abierta de anchura d, caracterizada porque la separación entre la antena y la parte externa es mayor o igual a \lambda/3 y menor o igual a d/(2 tan (\theta/2)).

Por consiguiente, es posible colocar una unidad de antena de telecomunicaciones celulares completa dentro de un edificio sin necesidad de alterar el exterior del edificio. De esta manera, podrán instalarse antenas en edificios histórico-artísticos o edificios protegidos, mejorando de ese modo la cobertura en las áreas urbanizadas. Los medios de blindaje impiden la fuga hacia el edificio de las señales de radio que son transmitidas y recibidas. Gracias al blindaje, los ocupantes del edificio están protegidos contra la radiación transmitida desde la antena hasta los terminales móviles funcionativos dentro de la red y contra la radiación recibida por la antena desde dichos terminales móviles.

A continuación, se describirán a título de ejemplo sólo las formas de realización de la presente invención, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la Figura 1 es un diagrama de bloques esquemático de una red móvil terrestre pública conocida;

la Figura 2 es una vista frontal de una forma de unidad de antena según la presente invención;

la Figura 3 es una vista en planta de la unidad de antena de la Figura 2;

la Figura 4 es una vista en sección transversal de la antena según la línea IV-IV de la Figura 2;

la Figura 5 es una vista esquemática, en sección vertical, que representa la unidad de antena de las Figuras 1 a 4, situada en el interior de un edificio adecuado, concretamente, en el piso superior;

la Figura 6 es una vista esquemática en sección horizontal de una disposición alternativa que representa una forma diferente de unidad de antena instalada en una ubicación alternativa;

la Figura 7 es un diagrama geométrico que representa la colocación de la antena dentro de la unidad para una anchura de haz deseada; y

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la Figura 8 es un gráfico que representa los resultados de los experimentos realizados con un prototipo de unidad de antena, en presencia y en ausencia de una ventana de vidrio plano.

En la Figura 1, se ilustra esquemáticamente una red de radio celular conocida, que en esta forma de realización es una red GSM denominada red móvil terrestre pública (PLMN). En la figura, un centro de conmutación móvil (MSC) 2 se conecta por medio de enlaces de comunicaciones con un grupo de controladores de estaciones base (BSC) 4. Los BSC 4 se hallan geográficamente dispersos en unas áreas servidas por el centro de conmutación móvil 2. Cada BSC 4 controla una o más estaciones base transceptoras (BTS) 6 alejadas del BSC y conectadas a éste por medio de otros enlaces de comunicación. Cada BTS 6 incluye un sistema de antena 7 que transmite señales de radio a las estaciones móviles 8 que se hallan en el área servida por dicha BTS y recibe señales de radio desde las mismas. Dicha área se denomina "célula". Las redes de radio celulares disponen de un gran número de dichas células, que idealmente son contiguas para proporcionar una cobertura continua a través de todo el territorio de la red.

Como se representa en las Figuras 2, 3 y 4, una forma de antena para utilizar en una red de radio celular según la presente invención comprende un armazón 10 fabricado en plástico reforzado con fibra de vidrio (GFRP). El armazón 10 representado en las Figuras 2, 3 y 4 es una caja rígida que adopta la forma de un prisma truncado con una cara frontal plana y lisa 15. Como se describirá en mayor detalle más adelante, esta forma resulta particularmente adecuada para la instalación contra una superficie plana y lisa tal como una ventana. No obstante, la forma del armazón 10 puede ser modificada y adaptada a otros tipos de instalaciones. Además, no es necesario que el armazón esté fabricado en GFRP, sino que es posible utilizar cualquier material adecuado para fabricar un armazón, tal como el aluminio.

El armazón 10 contiene un sistema de antena 11 que comprende una antena direccional necesaria para transmitir señales de radio a los terminales móviles que se halla en un arco que abarca aproximadamente de 80º a 90º situado justo delante de la antena, y para recibir señales de radio desde los mismos. Como la antena es un componente GSM, la frecuencia de la radiación emitida es aproximadamente de 900 MHz, 1800 MHz o 1900 MHz. Para otros sistemas celulares, la antena emite a las correspondientes bandas de frecuencias adecuadas. Las líneas de alimentación de señales 9 conectan la antena a una estación base transmisora 6. El sistema de antena 11 se une al armazón 10 mediante un soporte de montaje interno 5.

El armazón 10 está alineado con el material de blindaje 12 que bloquea la transmisión de radiofrecuencias a través del armazón. En el ejemplo representado en la Figura 2, el material de blindaje comprende unas capas alternas de espuma 12a impregnadas de partículas de grafito conductoras de electricidad, y de papel o pintura de aluminio 12b. No obstante, puede utilizarse cualquier material de blindaje de radiofrecuencias adecuado. Aunque la espuma puede estar constituida por cualquier material expandido adecuado, es preferible utilizar un polímero expandido que contenga una suspensión de grafito. La combinación de la espuma impregnada de grafito y del papel de aluminio proporciona blindaje al área externa del armazón 10 e impide la transmisión de radiación hacia el área adyacente, a través del armazón 10.

El armazón 10 que rodea la antena presenta blindaje en todo su perímetro, excepto en una parte abierta 16. Esta parte 16 puede presentar una cubierta de un material a través del cual pueden transmitirse las señales de radio o puede no presentar ninguna cubierta. Las líneas de alimentación de señales 9 pasan a través de aberturas especialmente formadas en el material de blindaje, presentando dicho material un ajuste apretado alrededor de las líneas de alimentación 9 para impedir fugas no deseadas.

En funcionamiento, la unidad 1 se coloca frente a una ventana 26, como se representa en la Figura 5, y se sujeta directamente a la ventana adhiriendo las bridas de acoplamiento 28, 29 a la misma, o a la pared circundante utilizando medios de fijación adecuados, tales como tornillos o pernos. Las bridas de acoplamiento 28 pueden estar provistas de una serie de orificios 30 situados en su borde, a través de los cuales pueden introducirse los tornillos o los pernos para fijar la unidad 1 a una pared.

Cuando la unidad se fija a la ventana, no es necesario sujetar el armazón a la ventana 26 de forma permanente, aunque dicho armazón debe ser preferentemente desmontable para poder acceder a su interior cuando sea preciso realizar tareas de mantenimiento. Puede pegarse a la ventana una base de fijación que permita fijar el armazón a la misma mediante elementos de fijación extraíbles, tales como pernos o tornillos. El armazón también puede fijarse a la ventana 26 por medio de unas bandas engomadas o una cinta adhesiva extraíble situada adecuadamente en el armazón 10.

Cuando la unidad de antena 1 se fija frente a la ventana 26, es deseable incorporar material de blindaje adicional en el área comprendida entre la ventana 26 y el armazón 10, en el punto en el que el armazón 10 linda con la ventana 26. Este blindaje adicional puede adoptar la forma de una cinta metalizada o conductora enrollada a los bordes del armazón para impedir la fuga de las señales de radio desde el interior del armazón 10 hacia en interior del edificio 32 a través de las zonas limítrofes.

El armazón blindado 10 está diseñado para bloquear la radiación y asegurar que los niveles de radiación presentes en la zona externa inmediata al armazón se mantengan dentro de unos valores regulados para el uso doméstico. En el caso de una antena de 1800 MHz, el nivel permitido definido por la Comisión Nacional de Protección Radiológica (National Radiation Protection Board) de Gran Bretaña es de 10 mWcm^{-2}, y los niveles inmediatamente fuera del armazón 10 se hallan dentro de este límite y preferentemente son inferiores y por lo menos inferiores a 5 mWcm^{-2}.

La unidad de antena 1 está situada dentro de un edificio 32, y la parte 16 del armazón 10 situada contra o enfrente de una ventana 26 u otro punto de salida adecuado para las señales de radiofrecuencia, tal como una rejilla de ventilación. Es importante que el punto de salida sea relativamente transparente a las radiofrecuencias para permitir a la antena 11 transmitir señales a los terminales móviles que funcionan en la red fuera del edificio en el que está instalada la unidad, y recibir señales desde dichos terminales.

La unidad de antena 1 puede funcionar con normalidad, y pueden transmitirse señales de radio por medio de la antena 11 mientras se impide que la radiación generada por esta transmisión, en particular la parte de potencia radiada hacia los laterales y la parte trasera de la antena 11, escape hacia el interior del edificio. Además, el vidrio u otro material radiotransmisor de la ventana 26 puede actuar reflejando una parte de las señales de radio transmitidas por la antena hacia el armazón. También se impide la fuga de estas señales reflejadas hacia el edificio mediante el blindaje interno 12 del armazón 10.

En el ejemplo descrito anteriormente, las formas divergentes del armazón 10 y el blindaje 12 se adaptan sustancialmente a la forma divergente del diagrama de transmisión del sistema de antena 11. De esta forma, el armazón 10 y el blindaje 12 no obstruyen de manera significativa la trayectoria de las señales de radio B transmitidas por el sistema de antena 11. Aún así, la unidad de antena 1 es compacta, asegurando de ese modo una utilización eficaz del espacio del edificio.

La antena 11 utilizada en esta forma de realización es una antena de panel polar dual, tal como una antena Huber y Suhner 321. Se ha comprobado que si se sitúa la antena demasiado cerca de la ventana frente a la cual se fija la unidad 1, el rendimiento de la antena 11 se degrada y la radiación reflejada desde la ventana interfiere con la radiación transmitida. Para una red celular que funciona a una radiofrecuencia de 1.800 MHz, la antena se sitúa preferentemente con su cara frontal a 3 cm de distancia por lo menos de la superficie interna de la ventana. Si la antena se halla a una distancia demasiado grande de la ventana, el tamaño del armazón aumenta demasiado, siendo por lo tanto preferible que esa distancia sea inferior a 10 cm. La distancia óptima de separación es de aproximadamente
6 cm.

En general, para las redes celulares que funcionan a unas frecuencias determinadas, la unidad 1 se dispone preferentemente de tal forma que la separación entre la antena y el vidrio cumple las condiciones indicadas a continuación. Con referencia a la Figura 7, para una unidad que presenta una parte abierta 16 con una anchura de apertura d y que requiere una anchura de haz \theta determinada (por ejemplo, entre 80º y 90º) , la geometría permite una separación máxima D entre la antena 11 y el vidrio, en la que:

D \leq \frac{d}{2 tan \left(\frac{\theta}{2}\right)}

La separación mínima D puede definirse como la separación mínima a la que la degradación de la señal es aceptable. En la Figura 8 se representan los datos empíricos obtenidos en las pruebas realizadas con un prototipo de unidad que funciona a 1800 MHz y una ventana de vidrio plano de un espesor estándar de 6 mm. La pérdida en decibelios de la potencia recibida (eje de las Y) se mide en un punto situado a 1,285 m del vidrio a lo largo de la línea normal que pasa a través del punto central de la antena 11. Frente a la separación vidrio-antena D expresada en centímetros (eje de las X) se representan gráficamente tres puntos que indican la pérdida de potencia recibida con la antena situada a 0, 3 y 6 cm de distancia del vidrio, respectivamente. La línea horizontal 50 representa la potencia recibida sin el vidrio. En la línea 52, se extrapolan las tres mediciones. En realidad, la línea 52 debería ser asintótica a la línea horizontal 50, pero una representación gráfica de una línea recta proporciona una aproximación útil y permite concluir que, a una separación aproximada de 8,4 cm (donde las líneas 50 y 52 se entrecruzan), la potencia recibida es sustancialmente igual a la que se recibiría en ausencia de vidrio. Para la frecuencia de funcionamiento de 1800 MHz, se dispone de una longitud de onda de 16,7 cm. Esto proporciona una aproximación muy exacta del doble de la distancia mínima obtenida a partir de los datos empíricos. Puesto que los efectos de las interferencias dependen de las longitudes de onda, se puede idear una condición más general para la separación mínima entre el vidrio y la antena 11 y una longitud de onda de funcionamiento \lambda, como la siguiente:

D \geq \frac{\lambda}{2}

Combinando dicha condición con la condición de separación máxima basada en la geometría, se obtiene una desigualdad de alcance general para determinar la separación vidrio-antena D de la siguiente forma:

\frac{\lambda}{2}\leq D \leq \frac{d}{2 tan \left(\frac{\theta}{2}\right)}

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De este resultado se desprende el siguiente corolario:

d \geq \lambda tan \left(\frac{\theta}{2}\right)

que define la apertura mínima d de la parte abierta 16 como una función de la longitud de onda y la anchura del haz.

Debe tenerse en cuenta también que, para que los efectos de las reflexiones internas en el vidrio resulten despreciables, es necesario que:

\lambda\may{2} T_{G}

siendo T_{G} el espesor del vidrio. En condiciones de funcionamiento normal, este requisito se cumple, tal como sucede en las pruebas del prototipo con longitudes de onda de 16,7 cm y un vidrio de 6 mm de espesor.

Como se pondrá de manifiesto, el nivel aceptable de degradación de la señal ocasionada por la colocación de la antena cerca del vidrio puede variar dependiendo de, por ejemplo, la potencia específica de la antena 11 y el área de cobertura radioeléctrica necesaria. Como se ha mencionado anteriormente, otros factores, tales como el tamaño del armazón, también pueden ser relevantes en la determinación de la separación vidrio-antena. Por lo tanto, tal vez sea deseable alterar las condiciones de separación mínima de la siguiente manera:

D \geq \frac{\lambda}{3}

Esto proporciona una solución de compromiso entre los requisitos contradictorios de mantenimiento de la intensidad de la señal y reducción del tamaño del armazón. Con esta solución de compromiso, se obtiene la siguiente definición de apertura mínima:

d \geq \frac{2 \lambda tan \left(\frac{\theta}{2}\right)}{3}

La configuración de antena y armazón descrita es adecuada para la unidad de antena 1 que se fija frente a una ventana plana 26. No obstante, se apreciará que el armazón puede adoptar otras formas adecuadas para otras instalaciones. Por ejemplo, en otra forma de realización de la presente invención representada en la Figura 6, el armazón 40 puede presentar una forma que permite su colocación frente a una ventana esquinera 42 y su fijación a las dos partes perpendiculares de la ventana. El blindaje 44 del interior del armazón 40, que se adapta a la forma interna del armazón 40, también impide la fuga sustancial de transmisiones de radio hacia el edificio en el que está instalada la unidad.

También pueden considerarse otras formas de armazón 10 para instalar la unidad de antena 1 en una ventana de forma irregular o frente a un punto de salida tal como una rejilla de ventilación o incluso una pared que sea suficientemente transparente a las radiofrecuencias.

Claims (8)

1. Unidad de antena de telecomunicaciones celulares (1) que comprende un armazón (10) que puede colocarse en el interior de una parte externa de un edificio (32) y una antena (11) montada dentro del armazón, estando dispuesta la unidad de tal manera que, cuando se coloca en el interior de una parte externa de un edificio, la antena se separa de la parte externa para evitar sustancialmente que la radiación reflejada de la parte externa interfiera con las señales de radio transmitidas por la antena, en la que las señales de radio transmitidas presentan una anchura de haz \theta y una longitud de onda \lambda, y el armazón comprende una parte abierta (16) de anchura de apertura d, caracterizada porque el armazón se dispone de tal forma que la separación (D) entre la antena y la parte externa es mayor o igual a \lambda/3 y menor o igual a d/(2 tan (\theta/2)).

2. Unidad de antena de telecomunicaciones celulares (1) según la reivindicación 1, en la que la separación entre la antena (11) y la parte externa es mayor o igual a \lambda/2.

3. Unidad de antena de telecomunicaciones celulares (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dicha parte externa es una ventana (26).

4. Unidad de antena de telecomunicaciones celulares (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la separación (D) entre la antena (11) y la parte externa (26) está comprendida entre 3 cm y 10 cm.

5. Unidad de antena de telecomunicaciones celulares (1) según la reivindicación 4, en la que dicha separación es de 6 cm.

6. Unidad de antena de telecomunicaciones celulares (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el armazón (10) comprende unos medios de blindaje (12) para impedir la fuga de las señales de radio desde el interior del armazón (10) hacia el interior del edificio, en la que los medios de blindaje (12) están dispuestos de tal forma que la unidad de antena (1) puede transmitir y recibir señales de radio hacia el exterior del edificio (32) y desde el exterior del mismo (32) cuando está situada en ese lugar.

7. Unidad de antena de telecomunicaciones celulares (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el armazón (10) está provisto de unos medios de sujeción (28, 29) para sujetar el armazón (10) en el interior de la parte externa del edificio (32) permitiendo la transmisión ininterrumpida de señales de radio hacia el exterior del edificio (32) y desde el exterior del mismo.

8. Unidad de antena de telecomunicaciones celulares (1) según la reivindicación 7, en la que los medios de sujeción (28, 29) están adaptados para sujetar el armazón (10) a una parte externa plana.