BRPI0816030B1

BRPI0816030B1 - Arranjo de antena

Info

Publication number: BRPI0816030B1
Application number: BRPI0816030-9A
Authority: BR
Inventors: Stefan Jonsson; Dan Karlsson
Original assignee: Cellmax Technologies Ab
Priority date: 2007-09-24
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2020-09-29
Also published as: US8576137B2; US20150180135A1; WO2009041896A1; US9941597B2; SE531826C2; US20130278478A1; US20100225558A1; CN101816100B; US8947316B2; SE0702121L; BRPI0816030A2; EP2195884B1; EP2195884A4; HK1147356A1; CN101816100A; AU2008305786B2; AU2008305786A1; EP2195884A1

Abstract

arranjo de antena. arranjo de antena para uma antena de estação base multiradiador, a antena tendo uma rede de alimentação baseada em linhas coaxiais cheias de ar (1, 2, 3) , onde cada linha coaxial compreende um condutor externo (8) e um condutor interno (4, 5, 6) , e onde um variador de fase díferencial ajustável incluindo uma parte díelétrica (9) é arranjado na antena., e a citada parte dielétrica sendo móvel longitudinalmente, em relação a pelo menos uma linha coaxial (1, 2, 3).

Description

[0001] A presente invenção se relaciona a um arranjo de antena para uma antena de estação-base multiradiador, a antena tendo uma rede de alimentação baseada em linhas coaxiais cheia de ar, onde as linhas coaxiais preferivelmente são parte integrante do refletor de antena. A presente invenção se relaciona, especialmente, a tal antena tendo um ângulo de inclinação de elevação elétrica variável. O ângulo de inclinação de elevação elétrica será chamado ao longo desta especificação "Ângulo de Inclinação".

[0002] Antenas em sistemas de telecomunicação, tal como redes de telefones celulares, correntemente, tipicamente usam estruturas multiradiador. Tais antenas usam uma rede de alimentação interna, que distribui sinais a partir de um conector coaxial comum para os radiadores, quando a antena está transmitindo, e, na direção oposta, quando a antena está recebendo. Tipicamente, os radiadores são posicionados em uma coluna vertical, propiciando a redução da largura da viga de elevação da antena, em conseqüência, aumentando o ganho da antena. O ângulo de inclinação da antena é determinado pelas fases relativas dos sinais que alimentam os radiadores. As fases relativas podem ser fixas, conferindo à antena um pré-determinado ângulo de inclinação, ou, ao invés, as fases relativas podem ser variáveis, se for requerido um ângulo de inclinação variável. Neste caso, o ângulo de inclinação pode ser ajustado manualmente ou remotamente.

[0003] Antenas de estação-base com ângulo de inclinação variável usando variadores de fase ajustáveis já são conhecidos e amplamente usados, mas, até agora, seu desempenho vem sendo limitado pelas perdas introduzidas na rede de alimentação interna e nos variadores de fase. A rede de alimentação é tipicamente provida usando cabos coaxiais de pequenas dimensões, para serem curvadas com a mão em pequenos raios e, ademais, tendo preços favoráveis. Tais cabos, no entanto, introduzem perdas significativas. 0 variador de fase é comumente provido em tecnologia de linha faixa ou micro-faixa (microstrip ou stripline), como mostrado em WO 02/35651. A variação de fase pode ser obtida movendo uma parte dielétrica nesta estrutura. Os condutores tipicamente têm dimensões bastante reduzidas e, portanto, introduzem perdas resistivas. Tipicamente, tais redes de alimentação junto com variador de fase introduzem perda de 1- 3 dB, produzindo um ganho de antena menor 1 a 3 dB.

[0004] Um ganho de antena maior resulta uma faixa maior, capacidade mais alta, e melhor qualidade de serviço para uma estação base, proporcionando consideráveis economias e, portanto, um faturamento mais alto, para a operadora.

[0005] O objetivo da presente invenção, portanto, é prover uma nova antena com um ângulo de inclinação variável, tendo um ganho de antena maior em relação às antenas de técnica anterior com ângulo de inclinação variável.

[0006] Este objetivo é obtido com uma antena tendo um variador de fase diferencial ajustável, incluindo uma parte dielétrica arranjada na antena, e longitudinalmente móvel em relação a pelo menos uma linha coaxial.

[0007] A presente invenção se relaciona a uma antena, que usa novos tipos de variadores de fase diferencial ajustáveis, que podem facilmente ser integrados em uma antena com uma rede de alimentação de baixa perda, como descrito no pedido de patente WO 2005/101566 Al. Uma rede de alimentação tipica para uma antena de inclinação fixa descrita na patente anterior, está mostrada na figura 1. A rede de alimentação de antena usa um número de divisores/combinadores (redes reciprocas) que divide/combina o sinal em dois ou mais. Para efeito de simplificação, somente a função divisão (transmissão) será descrita, mas os divisores/combinadores são totalmente reciprocos, dai o mesmo tipo de raciocinio pode ser empregado para a função combinação (recepção). Substituindo alguns dos divisores/combinadores na antena de inclinação fixa por variadores de fase diferencial, provêem- se antenas com o ângulo de inclinação variável. Duas configurações de tais antenas de inclinação variável são mostradas nas figuras 2 e 3, mas outras configurações também são possiveis.

[0008] O variador de fase diferencial é um dispositivo que compreende um divisor com uma entrada e duas ou mais saidas. A fase diferencial dos sinais que chegam do divisor varia dependendo do ajuste do variador de fase.

[0009] O variador de fase é conseguido movendo uma parte dielétrica localizada entre o condutor interno e condutor externo das linhas coaxiais. Sabe-se muito bem que quando se introduz um material de alta permissividade, o ar na linha de transmissão reduz a velocidade de fase de uma propagação de onda ao longo da linha de transmissão, que também pode ser percebido como atrasando o sinal ou introduzindo um atraso de fase à linha coaxial que não tem nenhum material dielétrico entre o condutor interno e o condutor externo.

[0010] Variadores de fase ajustáveis que usam o principio de introduzir um material dielétrico em uma linha coaxial podem ser encontrados, por exemplo, em US-A 4.788.515, mas este documento descreve um variador de fase, onde as partes dielétricas são mais ou menos introduzidas na linha coaxial, para variar a variação de fase absoluta através do dispositivo, enquanto a presente invenção descreve um variador de fase diferencial, onde a parte dielétrica se move na linha coaxial para variar a fase ou fases relativas a partir de duas ou mais saidas.

[0011] A presente invenção será descrita a seguir em detalhes em conexão com duas configurações não-limitantes mostradas nos desenhos anexos, nos quais:

[0012] A figura 1 mostra um exemplo de uma rede de alimentação comum para uma antena de inclinação fixa, de acordo com a técnica anterior;

[0013] A figura 2 mostra uma rede de alimentação para uma antena com um ângulo de inclinação variável, incorporando variadores de fase diferencial;

[0014] A figura 3 mostra uma rede de alimentação para outra antena com um ângulo de inclinação variável incorporando variadores de fase diferencial com uma linha de atraso;

[0015] A figura 4 mostra uma primeira configuração preferida de um variador de fase diferencial, de acordo com a presente invenção;

[0016] A figura 5 mostra uma vista em seção transversal do variador de fase diferencial da figura 4;

[0017] A figura 6 mostra uma configuração de uma parte dielétrica do variador de fase diferencial das figuras 4 e 5;

[0018] A figura 7 mostra uma segunda configuração preferida de um variador de fase diferencial, de acordo com a presente invenção;

[0019] A figura 8 mostra uma vista em seção transversal do variador de fase diferencial da figura 7; e

[0020] A figura 9 mostra uma configuração de uma parte dielétrica do variador de fase diferencial das figuras 7 e 8.

[0021] Uma configuração de variador de fase diferencial, de acordo com a presente invenção está mostrado na figura 4. O variador de fase diferencial compreende uma linha coaxial de entrada 1, primeira e segunda linhas coaxiais de saida 2, 3, neste exemplo, ambas linhas coaxiais de saida tendo o mesmo comprimento. Um perfil de metal extrudado 8 é usado como condutor externo para todas linhas coaxiais, como descrito em WO 2005/1015665 Al. O condutor interno de linha coaxial de entrada 4 é conectado ao primeiro condutor interno de linha coaxial de saida 5 e ao segundo condutor interno de saida 6, via crossover 7 (equipamento que filtra sinais baseado na freqüência), e coberto com uma tampa condutiva 10. Este variador de fase diferencial tipicamente pode ser usado em antenas tendo, por exemplo, quatro, oito, dezesseis radiadores, como mostrado, por exemplo, na figura 2. O variador de fase diferencial da figura 4 também pode ser usado em outras configurações, por exemplo, da figura 3.

[0022] Uma parte dielétrica 9 preenche parcialmente o espaço entre os condutores interno e externo das primeira e segunda linhas coaxiais de saida. A parte dielétrica tem uma permissividade maior que do ar.

[0023] A parte dielétrica pode se mover ao longo da primeira linha coaxial de saida 2 e da segunda linha coaxial de saida 3, provendo várias posições ao longo das linhas coaxiais. Em primeiro lugar, leva-se em conta o caso de quando a parte dielétrica 9 está na posição central, preenchendo a primeira linha coaxial de saida 2 e a segunda linha coaxial de saida 3. Quando um sinal entra na linha coaxial de entrada 1, este sinal será dividido entre a primeira linha coaxial de saida 2 e a segunda linha coaxial de saida 3, e os sinais a partir das duas linhas coaxiais terão fases iguais.

[0024] Se a parte dielétrica 9 for móvel, fazendo que a primeira linha coaxial de saida 2 tenha mais material dielétrico que a segunda linha coaxial de saida 3, aumentando a variação de fase da entrada para a primeira saida, e, ao mesmo tempo, fazendo que a segunda linha coaxial de saida 3 tenha menos material dielétrico, e, portanto, diminuindo a variação de fase da entrada para a segunda saida, então a fase na primeira saida retarda a fase na segunda saida.

[0025] Se a parte dielétrica se mover na direção oposta, a fase da primeira saida deve guiar a fase da segunda saida.

[0026] A figura 5 mostra uma seção transversal do variador de fase diferencial de duas vias. Pode ser visto que a parte dielétrica 9 preenche parcialmente o espaço entre o condutor interno 6 e o condutor externo 8. Por causa do crossover, a parte dielétrica 9 não pode envolver totalmente o condutor interno 6 e, portanto, deve ter uma abertura em um lado. Esta seção transversal em forma de C provê melhor preenchimento da linha coaxial e, portanto, o variador de fase diferencial introduz a variação de fase máxima para um dado movimento da parte dielétrica. A posição da parte dielétrica em relação ao condutor interno e o condutor externo afeta a variação de fase e a impedância de linha e durante seu movimento, a parte dielétrica é preferivelmente guiada pelas paredes formadas pelo condutor externo. A parte dielétrica preferivelmente pode ser feita de material polimérico cheio de pó cerâmico de alta permissividade, mas outros materiais igualmente poderiam ser usados.

[0027] Em outra configuração, o variador de fase diferencial tem uma entrada e três saidas. Este variador de fase diferencial de três vias está mostrado na figura 7. Nesta configuração, o variador de fase compreende uma linha coaxial de entrada 21, três linhas coaxiais de saida 22, 23, 24, crossover 29, tampa condutiva 33, e parte dielétrica 31. Pode ser notado que o sinal na saida da linha coaxial 24 vai sempre ter a mesma variação de fase, a despeito da posição da parte dielétrica, e a fase relativa das duas outras saidas 22 e 23 varia de acordo com os mesmos principios do variador de fase diferencial de duas vias, descrito acima. Correspondentemente, cada uma das linhas coaxiais compreende um condutor interno 25, 26, 27, 28, assim como um condutor externo 30 preferivelmente é parte integrante do refletor de antena. Este variador de fase diferencial pode ser usado em uma antena tendo, por exemplo, três, cinco, seis, dez, quinze, ou vinte radiadores, mas deve ser notado que outras configurações também poderiam ser usadas.

[0028] A figura 9 traz outra configuração da parte dielétrica 29. A seção transversal da parte dielétrica 31 tem a forma de U. O uso desta configuração de parte dielétrica não se limita ao variador de fase diferencial de três vias. Outras configurações da parte dielétrica também são possiveis.

[0029] Um divisor/combinador como descrito acima tipicamente é usado em um sistema de 50 ohms. Se duas linhas coaxiais de saida 2 e 3 forem linhas de 50 ohms, a linha coaxial de entrada teria 25 ohms no ponto de junção com as duas linhas coaxiais de saida, que dá uma diferença de impedância. Para manter 50 ohms na entrada, faz-se necessário introduzir uma transformação de impedância nas linhas coaxiais de saida, na linha coaxial de entrada no crossover, ou em uma combinação destes. Esta equivalência de impedância tipicamente se consegue variando o diâmetro do segmento ao longo dos condutores internos e/ou variando as dimensões do crossover, ou suas posições relativas ao condutor externo. Se a transformação de impedância for igual em ambas linhas coaxiais de saida, a força será dividida igualmente entre as duas saidas, e se a transformação de impedância não for igual nas duas linhas coaxiais de saida, a força será dividida desigualmente. Uma divisão de força desigual pode ser usada para conformar o padrão de radiação da antena.

[0030] Quando se introduz a parte dielétrica nas linhas coaxiais de saida, não apenas se cria uma variação de fase como também reduz a impedância característica das linhas coaxiais de saida. Portanto, faz-se necessário adicionar seções de transformação de impedância às interfaces entre as porções das linhas coaxiais de saida cheias as porções não cheias com material dielétrico. Quando a parte dielétrica se mover ao longo das linhas coaxiais de saida não é possivel prover uma correspondência fixa ajustando o diâmetro dos segmentos das linhas coaxiais de saida, como descrito. Ao invés, se consegue a transformação de impedância reduzindo a quantidade de material dielétrico nos segmentos de extremidade da parte dielétrica. O comprimento destes segmentos tipicamente é um quarto de comprimento de onda. Uma primeira configuração da parte dielétrica está mostrada na figura 6, com duas seções de correspondência de impedância 41 e 42, e uma segunda configuração da parte dielétrica em forma de U está mostrada na figura 9, com seções de correspondência de impedância 45 e 46. A correspondência de impedância do variador de fase diferencial deve levar em conta as impedâncias mais baixas das linhas coaxiais de saida causadas pela presença da parte dielétrica.

[0031] Como notado acima, para obter a variação de fase máxima para um dado movimento da parte dielétrica, faz-se necessário preencher o espaço entre o condutor interno e o condutor externo com tanto material dielétrico quanto possivel, usando um material de alta permissividade, como material cerâmico proposto acima. O preenchimento com cerâmica provoca uma fricção entre a parte dielétrica e os condutores interno e externo. Para reduzir tal fricção, faz- se necessário prover um certo espaço entre o condutor interno e a parte dielétrica, em virtude das dimensões e tolerâncias geométricas. Colocando uma camada polimérica 12 ou 32 de algum material de pouco atrito, tal como PTFE, em torno do condutor interno, permite que a parte dielétrica encoste nesta camada. Esta camada tipicamente pode ser um tubo PTFE, mas outras soluções também são contempladas pela presente invenção. Esta camada polimérica não precisa envolver completamente o condutor interno. Se a camada for feita de um material com permissividade maior que do ar, tal como PTFE, a variação de fase para um dado movimento da parte dielétrica também deve aumentar, mesmo que a camada polimérica assuma uma posição fixa ao longo da linha coaxial.

[0032] São projetadas antenas com ângulo de inclinação variável que variam o ângulo de inclinação em uma certa faixa, por exemplo, 0o a 10°. Se a faixa de inclinação requerida estiver entre x e y graus, a rede de alimentação básica, tendo variadores de fase dispostos na posição central, será projetada para prover um ângulo de inclinação (x+y)/2 (Ângulo de Inclinação Médio). Os variadores de fase então permitem variar a inclinação acima e abaixo deste ângulo de inclinação médio.

[0033] Quando se usa o variador de fase de três vias mostrado na figura 7, a linha coaxial de saida 24 tem um atraso significativamente menor que as duas linhas coaxiais de saida 22, 23. Portanto, faz-se necessário introduzir uma variação de fase extra pela linha de atraso, mostrada na figura 3, que pode ser provida na estrutura de linha coaxial descrita em WO 2005/101566 Al, por exemplo, variando o diâmetro do condutor interno.

[0034] Como descrito em WO 2005/101566 Al, para reduzir as perdas de radiação, pode ser vantajoso empregar tampas condutivas 10, 33 sobre a junção entre a linha coaxial de entrada e as duas linhas coaxiais de saida. Este também é o caso com os variadores de fase diferencial das figuras 4 e 7. As tampas condutivas 10, 33 são mostradas por linhas tracejadas nas figuras 4 e 7, para efeito de visibilidade.

[0035] Em adição, ocorre um novo problema quando se introduz partes dielétricas em linhas coaxiais. Quando se introduz um dielétrico, o comprimento de onda de uma propagação de onda ao longo da linha coaxial se torna mais curto. Em conseqüência, em freqüências mais altas, o comprimento de onda pode se aproximar das dimensões da seção transversal da linha coaxial. Isto causa outros modos diferentes do modo normal de propagação. Isto resulta em perdas de radiação a partir da ranhura nas linhas coaxiais de saida. Um parâmetro importante para especificar uma antena - a razão frente: trás - que tipicamente deve ser mantida tão alta quanto possivel. Se as linhas coaxiais irradiam, a razão frente: trás pode ser comprometida. Quando se usam tampas condutivas 11, como mostrado na figura 4, sobre a porção das linhas coaxiais de saida, onde está a parte dielétrica 9, este efeito de radiação pode ser impedido ou reduzido. As tampas condutivas 11 podem ser galvanicamente conectadas aos condutores externos 8 das linhas coaxiais de saida, ou conectadas capacitivamente aos citados condutores externos por uma fina camada isolante. Em razão de restrições de projeto, pode ser impossivel cobrir a extensão inteira das linhas coaxiais de saida, onde está a parte dielétrica. Usar tampas condutivas cobrindo apenas uma porção da extensão, onde fica a parte dielétrica 9 normalmente é suficiente para reduzir a radiação e atender os requisitos de razão frente: trás, e manter as perdas por radiação desprezíveis.

[0036] Outra solução seria usar linhas coaxiais de saida sem ranhuras, mas então seria necessário usinar as linhas coaxiais para acessar a parte dielétrica 9.

[0037] Se a parte dielétrica for simétrica em torno de um plano através do centro do condutor interno, e o citado plano for perpendicular ao refletor de antena, como mostrado na figura 8, apenas o modo TEM se propaga, e as perdas de radiação pela falta da simetria mencionada acima serão eliminadas. A tampa condutiva 33 sobre o crossover de qualquer forma continua sendo necessária.

[0038] Até aqui, esta patente foi discutida a respeito de uma antena de polarização simples compreendendo uma rede de alimentação, mas a mesma idéia poderia ser usada para antenas de dupla polarização. Em tal configuração, a antena compreenderia duas redes de alimentação, uma rede de alimentação para cada uma das duas polarizações.

Claims

1. Arranjo de antena, para uma antena de estação-base multiradiador, a antena tendo uma rede de alimentação baseada em linhas coaxiais cheias de ar (1, 2, 3; 21, 22, 23, 24), onde cada linha coaxial compreende um condutor externo (8; 30) e um condutor interno (4, 5, 6; 25, 26, 27, 28) e um variador de fase diferencial ajustável incluindo parte dielétrica (9; 31) arranjado a pelo menos um conjunto de linhas coaxiais de saida (2, 3; 22, 23, 24), caracterizado pelo fato de a antena ser provida com um ou vários conjuntos de linhas coaxiais de uma entrada (1) e duas a três saidas (2, 3) , onde as duas a três linhas coaxiais de saida (2, 3) estão alinhadas, mas apontam direções opostas, e a linha coaxial de entrada (1) é conectada a uma extremidade de cada uma das duas a três linhas coaxiais de saida (2, 3) e a citada parte dielétrica (9) sendo longitudinalmente móvel em relação a pelo menos uma linha coaxial (1, 2, 3) de modo que movendo a parte dielétrica (9) que está presente nas duas a três linhas coaxiais de saida (2, 3), varia a fase nas saidas.

2. Arranjo de antena, para uma antena de estação-base multiradiador, a antena tendo uma rede de alimentação baseada em linhas coaxiais cheias de ar (21, 22, 23) , de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender uma terceira linha coaxial de saida (24), a terceira linha coaxial (24) sendo paralela às duas outras linhas coaxiais de saida (22, 23), e a linha coaxial de entrada (21) ser conectada a uma extremidade de cada uma das três linhas coaxiais (22, 23, 24).

3. Arranjo de antena, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de as linhas coaxiais e o variador de fase diferencial ajustável serem partes integrantes do refletor de antena.

4. Antena de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de os condutores externos (8; 30) das linhas coaxiais terem uma ranhura longitudinal.

5. Arranjo de antena, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato de a parte dielétrica (9; 31) ser pelo menos parcialmente aberta, em seção transversal, em pelo menos um lado.

6. Arranjo de antena, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a parte dielétrica (31) na seção transversal ser simétrica em relação a um plano através do centro do condutor interno (26, 27, 28), e de o citado plano ser perpendicular ao refletor de antena.

7. Arranjo de antena, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de e a linha coaxial de entrada (1; 21) ser conectada as linhas coaxiais de saida (2, 3; 22, 23, 24) via um crossover (7; 29).

8. Arranjo de antena, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de a parte dielétrica (9; 31) ser guiada pelo condutor externo (8; 30).

9. Arranjo de antena, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo fato de o condutor interno (5, 6; 26, 27) ser pelo menos parcialmente envolvido por uma camada de material polimérico (12; 32).

10. Arranjo de antena, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de a parte dielétrica (9; 31) ser guiada pelo condutor interno (5, 6; 26, 27).

11. Arranjo de antena, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 10, caracterizado pelo fato de o diâmetro dos condutores internos (4, 5, 6; 25, 26, 27, 28) variar e ser escolhido de modo a formar redes de impedância correspondentes.

12. Arranjo de antena, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 11, caracterizado pelo fato de as dimensões da parte dielétrica (9; 31) ser reduzida nos segmentos de extremidade (41, 42; 45, 46), para melhorar correspondência de impedância.

13. Arranjo de antena, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 12, caracterizado pelo fato de o variador de fase diferencial ser pelo menos parcialmente coberto com uma tampa condutiva (10, 11; 33) galvanicamente conectada ao condutor externo (8; 30) das linhas coaxiais.

14. Arranjo de antena, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 13, caracterizado pelo fato de o variador de fase diferencial ser pelo menos parcialmente coberto por uma tampa condutiva (10, 11; 33) capacitivamente conectada ao condutor externo (8; 30) das linhas coaxiais.

15. Arranjo de antena, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 14, caracterizado pelo fato de a antena compreender radiadores bi-polarizados.