SE511079C2 - Modulärt antennsystem med en sluten ring av antennpaneler - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 40 511 079 2 För ett cellulärt antennsystem med hög kapacitet är det mycket viktigare att antennen har en bred diameter (=bredd) än att den har höjd. Traditionella cellulära antenner är normalt 0,3 m breda och 2,5- 3,5 m höga vid 800/900 MHz eller 0,7 m breda vid 450 MHz och stödjer en 60° lob och en 120° bred cell.

Följaktligen har antennsystem enligt känd teknik normalt en hög energiför- brukning, stora backlober och höga interferensnivåer beroende på de ovan angivna orsakema.

Föreliggande uppflnning föreslår ett antennsystem som har en ringforrni g antennrnodulprincip och som innefattar sammankopplade reflektorantenner med galler-paneler som har små backlober, mycket hög förstärkning och kapacitet och lågt vindmotstånd.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningen och vidareutvecklingar av uppfinningen framställs i detalj i de medföljande patentkraven.

KORT FIGURBESKRIVNING Föreliggande uppfinning beskrivs mer i detalj nedan med hänvisning till de bifogade ritningama, i vilka: Fig. 1 är en allmän vy av en mast som är försedd med en fasstyrd grupp- antenn enligt uppfinningen; fi g. 2 är en utskuren vy av en panel av antennen och dess monterings- arrangemang på masten; fig. 3 är en vy i perspektiv av en panel hos den fasstyrda gruppantennen enligt uppfinningen; fi g. 4 är en utskuren vy framifiån av ett hörn av panelen i fig. 3; fig. 5 är en utskuren vy bakifrån av ett hörn av panelen i fig. 3; fig. 6 är en vy i perspektiv av ett dipolelement som är fäst på en trans- forrnatorbalk enligt uppfinningen, fig. 7 är en vy i en genomskärning på längden av en dipol och en trans- forrnatorbalk enligt uppfinningen; fig. 8 är en detaljvy av den nedre anslutningen mellan två paneler; fig. 9 är en detaljvy av den nedre anslutningen mellan två paneler liknande den i fig. 8 men utan det horisontella tvärstaget; fig. 10 är en vy i genomskäming av det ovala tvärstaget.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Uppfinnama av föreliggande uppfinning har insett att det tillgängliga frek- vensspektrumet kan användas mer effektivt genom installation av en fasstyrd 10 15 20 25 30 35 40 s 511 079 gruppantenn. Den fasstyrda gruppantennen kommer att möjliggöra utnyttjandet av multipla lober (från 8 till 100 eller fler per basplats). Varje lob kan betraktas som en cell vilken kommer att göra det möjligt att på ett mer effektivt sätt återanvända de tillgängliga frekvenskanalerna. Kapaciteten kan ökas ytterligare om den högre antenntörstårkningen i den fasstyrda gruppantennen utnyttjas för att medge en minskning av utsänd RF-effekt från både de mobila terminalema och basstationen med en faktor på 2-40 beroende på antennförstärkning och sektorisering av systemet.

Antennsystemet är uppbyggt av moduler och kan konfigureras med: Antal paneler 1-20 för maximal förstärkning och riktbarhet. Reflektorvarianter som är monterade på masten eller en byggnad och med olika backlobförhållanden och vindstyrkor. Variabel vertikal höjd och förstärkning med 2-4-(6) dipoler. Olika dipolradsvarianter för: frekvens, bandbredd (BW), loblutning, nollfyllning, pla- cering av anslutningskontakter, vindyta.

Alla varianter har samma fästhål och placering och kan således väljas vid installationen eller modifieras efier installationen om nätstrukturen eller efterfrågan på trafik förändras avsevärt. Dessutom kan en dipolrad tas bort för reparation eller uppgradering utan att driften avbryts och med endast en mindre prestandatörlust.

Befintlig master/tom undersöks för att inhämta konstruktionsdata och lokalisera tillgängligt utrymme för de nya antennerna. De inhämtade dataupp- giftema används för att planera antenninstallationen på varje plats.

Efter det att en av reflektortyperna och maximalt möjligt antal paneler har fastställts och valts för att passa tomets tillgängliga styrka och önskad trafik, väljs de mest lämpliga dipolradema. Det kan visa sig att kraven varierar i olika riktningar med olika kapacitet eller räckvidd eller strållutning och olika reflektorer är optimala och möjliga. Olika varianter på dipolrader kan strålväljas och in- stalleras separat.

I det nya antennsystemet har varje radio koherent si gnalåtkomst till nästan hela bredden hos alla antennpaneler som är riktade mot den aktuella abonnenten.

W=2,5-l5 m och H=2,5-l,25 m vilket ger ett förhållande för W/H på l,0-l2.

I fig. 1 och 2 visas en mast som är utrustad med antennsystemet enligt före- liggande uppfinning. En mast kan vara en gammal mast som har ett gammalt (ej visat) antennsystem och det föreliggande antennsystemet kan installeras utan att trafiken i den gamla antennen avbryts. Såsom kan ses i ñg. 1, består antennsystemet 1 av en sluten yttre ring 2 av paneler 5 eller sektioner. Denna yttre ring 2 av paneler 5 är förbunden med en inre ring 3 medelst horisontella balkar eller tvärstag 4. Den inre ringen 3 är i sin tur förbunden med masten 6.

Pig. 2 är en utskuren vy med endast en panel visad för bättre förståelse. Med hänvisning även till fig. 3 består panelen av horisontella balkar 7, vertikala galler- stavar 8 och vertikala transforrnatorbalkar 9 på vilka dipolelementen 10 är fästa. 10 15 20 25 30 35 511 079 4 Panelema är förbundna med varandra med övre och nedre förbindningar vilka beskrivs mer i detalj nedan. De horisontella bärande tvärstagen 4 är förbundna med den inre ringen 3 medelst övre och nedre förbindningar, vilka också beskrivs mer i detalj nedan. Innanför den inre ringen är ett antal antennboxar ll med liten vindarea fasta i ett golv 12 . Antennboxama 11 innehåller duplexfilter (DPX), lågbrusförstärkare, sändareffektförstärkare och kombinerare såväl som lobformande och -fördelande utrustning. Utformningen och konstruktionen av antennboxama och utrustningen som hör ihop med den utgör inte någon del av föreliggande uppfinning.

Som ett altemativ kan antennboxarna vara placerade på marken om masten är låg.

Antennen är nästan självbärande via sina horisontella och vertikal delar som leder till de fyra av bultar sammanhållna hörnfogarna och till dess grarme.

Panelringen kan vara uppburen vertikalt gentemot mastkonstruktionen medelst diagonala tunna (ej visade) vajrar som har låg vindyta och vikt, på liknande sätt som en stagad segelbåtsmast. Diagonala tvärstag (ej visade) kan också finnas mellan de inre 3 och yttre 2 ringarna.

Mastfästet medverkar till ett kort kabelavstånd med låg förlust och montering av antennboxar med liten vindyta.

Samma antenntvärsnitt används för både sändning och mottagning via DPX- filter, ett per dipolrad, vilket kommer att operera med mycket låga interrnodula- tionsprodukter tack vare de reducerade RF-sändareffektema. Detta är inte praktiskt möjligt i en traditionell antenninstallation med sändare på 50 W och höga känslig- heter, vid -116 dBm.

Med antennpanelema kopplade tätt intill varandra i en kontinuerlig ring, uppnås samtidigt följande. Backlober reduceras genom inverkan av den eliminerade sidokanten. Backloberna som bildas genom den gallerformade reflektom eller runt de övre och nedre kanterna träffar på en kontinuerlig andra väggreflektor vilket ger en ytterligare dämpning i de bakåtriktade horisontella vinklarna.

En kontinuerlig sammarikopplad självbärande hjulringskonstruktion kräver liten ytterligare vindyta och mastfastsättningsstavar med låg vikt. Dessa stavar är i huvudsak radiella och horisontella och är elliptiskt formade för att ha ett lågt Cd, mot horisontella vindar från alla azimutvinklar. Den starka ringkonstruktionen är ideal för att bära ett antennsystem med en hög W/H-faktor hos antennaperturen på 1-20.

Amplitud- och fasavsmalning används i de flesta radiokanalema och i 1/3 eller 1/4 av alla horisontella vertikalt fästa dipolradingångar. På det sättet kan en mycket smal horisontell lob med en bredd på appr. 60° x lambda /W , och med 10 15 20 25 30 35 s 511 079 svaga sidolober och backlober riktas mot varje användare, vilket avsevärt förbättrar kapaciteten och länkbudgeten och verkningsgraden med avseende på effekt.

I fig. 3 visas en sektor av en fasstyrd gmppantenn som ska installeras enligt föreliggande uppfinning.

Radiotomet eller -masten kompletteras med en fasstyrd gruppantenn som installeras tillsammans med de befintli ga antennerna för att möjliggöra kontinuerlig drift av det analoga systemet under installationen av ny hårdvara.

Den fasstyrda gruppantennen innefattar åtminstone en sektion, såsom visas i fig. 3. Den är uppbyggd på en aluminiumram där 32 dipolantennelement 10 är an- ordnade i åtta vertikala rader, varvid varje rad innehåller fyra dipoler 10. På vardera sidan av raderna är aluminiumstavar 8 placerade. Aluminiumstavama 8 fungerar som reflektorer.

Reflektorpanelen 5 innefattar ovala horisontella balkar och runda vertikala stavar som är hopsvetsade i varje korsning. Panelema har fogar i mitten så att de kan lackeras och transporteras i två halvor.

Såsom visas i fig. 4 och 5 är transformatorbalkarria 9 på vilka dipolelementen är svetsade fästa med skruvar i fästen 13 i de horisontella balkarna 7 hos panelen. Följaktligen är det lätt att ta bort en dipolrad för reparation och service.

I fig. 6 ses transformatorbalken 9 fi-ån änden. Transforrnatorbalken har tre sektorer i vilka (ej visade) mässingstavar är insatta och fixerade med distanselement av plast vilka bildar tre koaxialledare med transformatorbalken som yttre hölje. Anordningen kan också ses i fig. 7, i vilken sektorema visas med streckade linjer.

Fig. 8 och 9 illustrerar hur två paneler är förbundna med varandra i ett nedre höm. Den övre och nedre horisontella balken 7 hos två paneler är fästa tillsammans med överlappning medelst en bult genom hål i änden. En kopplingsplatta 14 har ett hålmönster för att sätta ihop den nedre horisontella balkarna med varandra med bultförband i en fast vinkel. Det fiims olika kopplingsplattor som har olika hål- mönster för olika versioner av antennsystemet som har olika antal paneler och, följaktligen, olika vinklar vid íörbindningen. Ett horisontellt tvärstag 4 är också fäst med bultar i kopplingsplattan 14. I fig. 9 visas inte det horisontella tvärstaget för att det ska bli tydligare.

I fig. 10 visas en genomskäming på tvären av det horisontella tvärstaget 4.

På varje sida har det horisontella tvärstaget ett fack för att rymma ett antal kablar 15 för matning av signaler till de respektive transforrnatorbalkarna. I fig. 10 visas fyra kablar 15 på varje sida. Facken är täckta med en övertäckning 16 som är fäst med skruvar i den horisontella balken. Övertäckningen 16 kan lätt tas bort för åtkomst av facken för att lägga in kablarna och inspektion etc. 10 15 20 25 30 35 511 079 6 Varje dipolrad matas parallellt fiån den lobforrnande enheten. Den lob- formande enheten är i sin enklaste form en Butler-matris eller liknande fasforskjut- ningsutrustning. Den lobfonnande enheten fasforskjuter fasen hos varje enskild insignal till antenningångarna. De fasförskjutna signalema kommer när de är till- förda alla åtta ingångama att stråla i ett sammansatt mönster vid en vinkel från antennplanet med en variabel fördelningsbredd hos huvudefïekten på ungefär 15 °.

Varje antenngrupp eller -sektion med åtta dipolrader (ingångar) kan bilda åtta oberoende lober. Följaktligen erhåller man vid användning av en 8 sektioners antenn, 8 x 8 = 64 individuellt styrbara lober.

Reflektorvarianter finns tillgängliga för följande: l. Vindstyrkor på max. 43 m/s eller 60 m/s beroende på placering med avseende på klimatet 2. Säkerhetsfaktorer (SF) 1.1 eller 1.3 for glest eller tätt befolkade områden 3. Rural eller Urban reflektorforstärkning kontra -kapacitet 4. Regnskydd, Lex. pluggar och övertäckningar 5. Avisning via ledningskablar eller (ej visade) värmefläktar i särskilda länder eller områden Reflektorn finns tillgänglig i 4 varianter med avseende på styrka och reflek- tortätheter 60 m/s SF = 1.3 Urban kapacitet 60 = 1.1 Rural räckvidd 43 = 1.3 Urban kapacitet 43 - 1.1 Rural räckvidd Gallerreflektom är av bredbandstyp med fo = 450 MHz. Elektriska versioner med medium eller svag backlob finns tillgängliga.

Reflektom är delad i två halvor för att lätt kunna transporteras och sättas ihop med bultfórband.

Reflektorvarianten (ej visad) for landsbygd med högre riktningsforstärkning har tre stavar mellan dipolradema vilket ger lägsta vindbelastning och stöder en ökning av riktfórstärkningen genom att fler paneler kan installeras.

Reflektorvarianten for urbana områden med högre kapacitet, såsom den som visas i fi g. 3 har fyra stavar mellan dipolradema och har svagare backlober och där- för högre kapacitet.

De vertikala stavarna är cirkulära med ø 8 eller 5 mm och har lågt luftmot- stånd och låg synlighet.

En halvsynlig variant för urbana områden med ø 6 eller 5 mm massiva stavar med fyra stavar mellan dipolema och 50% tätare horisontella stavar på 5 x 25 mm. 10 15 20 25 30 35 40 7 511 079 Dipolradema finns tillgängliga i fyra varianter med olika bandbredd och frekvens vid SWR < 1.3 450-470BIN 20 MHz fo = 460 D = 12 mm 400-500 100 MHz 450 D = 25 380-480 100 MHz 430 D = 25 132 MHz 446 D = 30 380-512 Som ett alternativ finns en dipol och transfonnatorvariant for landsbygd med 1,1 gånger högre vertikalhöjd och riktningsforstärkning på +0,4 dB på bekostnad av en något större backlob. Detta är i kombination med endast 30 dB nollfylling av forsta vertikala nollan.

Dipolelementen är tillgängliga med tjocka eller tunna diametrar ø 25 respektive ø 12 mm for 100 eller 20 MHz bandbredd.

Transformatorbalkarna är med en diameter ø 29 mm luftisolerade, eller ø 20 mm for att reducera vindbelastning och synlighet, eventuellt dessutom ornhöljd med (ej visad) fiiktisolering.

Dipoler av aluminium med en tjocklek på 2-1,8 mm som är svetsade på transformatom i ett stycke utan skruvar for en låg vikt och låga olinjäñteter såsom visas i fig. 4 till 7.

Transformatorbalkama är i botten eller i toppen försedda med (ej visade) koaxialkopplingar.

Tillgänglig vertikal loblutning -2, -4, -6 grader Tillgänglig fyllning av forsta nollan -30, -25, -20 dB och andra nollan -3 5, -30, -25 dB och forsta lägre sidolob reducerad till < -15, -18, -20 dB och andra lägre sidolob reducerad till < -l 8, -21, -23 dB Även dipolradema transporteras separat och skruvas samman på plats.

Principer for att fasta dipolrader: 1. Häng i, 2. Snäpp dit, 3. Fäst Vingmuttrar! Uppnås genom: Vin gmuttrar på nylonsnöre Solid elektrisk kontaktyta De elliptiska fiirbindningsbalkarna 4 mellan mast och antenn är tillgängliga i fyra storlekar med olika styrka, som täcks av tre olika ytterdimensioner 35 x 100, 50 x 175 och 70 x 200 mm som också kan innesluta 8 strängar med 1/2" eller 3/4" 10 15 20 25 30 35 40 511 079 8 koaxiala panelkablar 15 för att reducera påkänningen och exponering av vinden på kablarna, såsom visas i fig. 10.

Användningen av ett höggradi gt riktat antennsystem med stor förstärkning kommer att göra det möjligt att använda lågeffektsändare i både upp- och nerlänk (0, l W upplänk och 20W toppvärde, SW genomsnittlig nerlänk) vilket tillsammans med ett minimum av 48 dB snabb adaptiv effektregleringsfunktion både i upplänk och nerlänk kommer att märkbart förbättra länkbudgeten och effektbalansen i systemet. Detta är en viktig egenskap vilken kommer att hålla samkanalsinter- ferensen under kontroll och öka möjligheten till återanvändning av kanalfrekvenser.

Principen med den avsökande loben, lågbrusförstärkarna, kombineraren, basstationens styrprincip och den lobformande enheten är beskrivna mer i detalj och ansökta separat i de ovan nämnda patentansökningar-na.

Nya kombinerare installeras tillsammans med en lobformande enhet och en ny styrenhet för basstationer. Kombinerarna kommer att fungera som gränssnitt mellan befintli g radioutrustning och det nya antennsystemet. Mellan gruppantennen och kombinerama kommer en lobformande enhet att installeras för fasstyming och lobfomming.

Upp till 160 smala fasta eller individuella lober och celler kan täcka hori- sonten. Detta kan möjliggöra en tätare återanvändning av frekvenser och en kapa- citetsökning på 4-64 gånger, och en reducering av RF-effekten på 4- 100 gånger, både i basstationen och den mobila stationen. Detta är av mycket stor vikt både ekonomiskt och med avseende på bekvämlighet för den slutliga användaren och operatören.

Konstruktionen med öppet galler och cirkulära och elliptiska reflektorer ger en vindbelastning som normalt är <25% av en traditionell antenn av plåt och radom-dipol, eller av typen med plåtremsor, vilket gör det möjligt att använda befintli ga master.

En annan kärmetecknande egenskap som innefattas i konstruktionen är optimering genom användning av aluminiumstänger med litet tvärsnitt med en tjocklek på 5 till 29 mm, vilket betyder att >75% av frontytan är helt öppen och transparent. Med stavarna målade mycket ljust gråvitt blir antennen halvsynlig eller diskret på avstånd.

VARIATIONER Även en reflektor med samma 4 hållfastheter och gallertätheter är tillgänglig, men med en fast svetsad storlek på H = 1220 mm och W = 2550 mm.

Denna stöder en maximal kapacitet i stadskämor men har en 3 dB lägre förstärkning och är lämplig på byggnadstak. Dipolraderna för denna mindre antennen är 2 dipoler hög, men i övrigt samma. 9 511 079 Mer räckviddsforstärkning än kapacitetsfórstärkning vid 450 MHz kan upp- nås genom: parallell hopkoppling av 2 ringar vertikalt genom 8 paneler i ring 1 och 8 paneler i ring 2. Vertikal höjd = 2,6 x 2 =5,2 m. Vertikal lob = 14/2 = 7 grader.

Diameter 6,2 - 6,6 m. Omkrets = 8 x 2,6 = 20,8 m. Endast 8 antennboxar behövs 5 och har lägre kostnader än 16 paneler i en ring.

Samma principer som den vertikalt polariserade antennen ovan men också med endast eller både horisontella elliptiska dipolrader och kortare avstånd mellan de horisontella stavarna i den elliptiska reflektorn är möjliga.

Detta ska ge en polariserad utsignal eller insignal med horisontell diversitet 10 via separata duplexfilter.

Claims (10)

10 15 20 25 30 5 1 1 0 7 9 io PATENTKRAV

1. Antennsystem bestående av en bärande konstruktion och ett antennaggregat som har en reflektorkonstruktion i en sluten ring och dipolelement, kännetecknat av att antennaggregatet innefattar ett antal antennpaneler, vilka var och en innefattar ett antal av nämnda dipolelement, att den slutna ringen är själv- bärande och förbunden med den bärande konstruktionen medelst radiella balkar och tvärstag, och att antennpanelema är förbundna med varandra medelst en koppling med variabel vinkel

2. Antennsystem enligt krav l, kännetecknat av att varje antennpanel innefattar ett galler av vertikala reflektorstavar, horisontella bärande balkar och vertikala transformatorbalkar på vilka dipolelementen är fästa.

3. Antennsystem enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att den slutna ringen är förbunden med övre och nedre inre ringar av horisontella bärande balkar, varvid de inre ringarna är förbundna med den bärande konstruktionen medelst radiella balkar och tvärstag.

4. Antennsystem enligt något av kraven 1 till 3, kännetecknat av att kopp- lingen med variabel vinkel är en kopplingsplatta som har ett hålmönster för att för- binda två paneler med bultar.

5. Antennsystem enligt något av kraven 2 till 4, kännetecknat av att de horisontella bärande balkarna har ovalt tvärsnitt och de vertikala stavama och balkama har runt tvärsnitt.

6. Antennsystem enligt något av kraven 2 till 5, kännetecknat av att de vertikala transformatorbalkama är försedda med kanaler och innefattar tre sektorer.

7. Antennsystem enligt något av kraven 1 till 6, kännetecknat av att elek- trisk utrustning är placerad på en plattform innanför den bärande konstruktionen eller på en lägre nivå.

8. Antennsystem enligt något av kraven 1 till 7, kännetecknat av att den bärande konstruktionen är en befintlig radiomast.

9. Antennsystem enligt något av kraven l till 8, kännetecknat av att den bärande konstruktionen är en befintlig byfggnadskonstruktion, t.ex. en skorsten eller ett tom.

10. Antennsystem enligt något av kraven l till 9, kännetecknat av att stag är fästa i antennpanelema.