天線單元的制作方法

專利名稱：天線單元的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及天線單元。本發明特別是(但不是排他地)適合于構成蜂窩通信網絡一部分的基站的天線單元。
背景技術：
通常，就多建筑物區域而言，基站的天線單元被固定在建筑物的外部，以提供任何給定小區的最大覆蓋。然而，這種天線的缺點是不能定位于被列入保護名單或受保護的建筑物的外圍墻上。因此，在許多建筑物被列入保護名單的城市中，很難獲得安置天線的許可，結果難于在該區域中維持足夠的網絡覆蓋。
此外，某些人認為這種天線不符合審美觀點，因此，說服建筑物所有者在他們的建筑物上安置這種裝備也許是困難的。
美國專利US6014110披露了一種適于安裝在建筑物內部的天線單元。該天線包括一個充滿介質材料的喇叭形天線。在折射率方面，該介質材料可以或者不可以與建筑物內部的材料匹配，其中天線經由該建筑物接收或發射信號。可選地，可以將中間介質材料用來提供喇叭形天線材料與建筑物內部材料之間的無反射匹配。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供了一種天線單元，包括一個可設置在建筑物的外部部分內部的外殼和一個安裝在外殼之內的天線，該天線單元被安排為，當安裝在建筑物的外部部分內部時，該天線與外部部分間隔一定距離以便基本上防止來自外部部分的反射輻射干擾由天線發射的無線電信號。
根據本發明的第二方面，提供了一種用于天線的外殼，該外殼可設置在建筑物之內，該外殼包括用于連接天線的裝置，還包括屏蔽裝置，用于基本上避免無線電信號從外殼內部泄漏到建筑物內部，該屏蔽裝置被安排為，可以經由外殼的未屏蔽部分從外殼內部發射無線電信號以及接收無線電信號，該外殼還被安排為，在連接時，在天線與外殼未屏蔽部分之間基本上不設置介質材料。
根據本發明的第三方面，這里提供了一種天線單元，包括一個可設置在建筑物的外部部分內部的外殼和一個安裝在該外殼之內的天線，該天線單元被安排成，當天線設置在建筑物的外部部分內部時，在天線與外部部分之間基本上不設置介質材料。
因此，天線單元可以被完全設置在建筑物內，而不改變建筑物的外表面。這樣，天線可以安裝在被列入保護名單或受保護的建筑物內，從而能夠改善多建筑物區域內的覆蓋。屏蔽裝置避免發射和接收的無線電信號被泄漏到建筑物中。使建筑物的居住者避免遭受從天線向網絡內操作的移動終端發射的輻射和天線從該移動終端接收的輻射。
本發明的一個優點是，天線與外部部分或者外殼的未屏蔽部分之間不需要介質材料，以抵消無線電信號的反射和折射的影響。與US6014110的天線單元比較，降低了材料和裝配的成本。
本發明的其它方面在附帶的權利要求中定義，其特征將從下面的說明中得到理解。


下面結合附圖僅以舉例方式說明本發明的實施例。
圖1是已知的公共陸地移動網絡的示意方框圖；圖2是根據本發明的天線單元的一個結構的正視圖；圖3是圖2的天線單元的平面圖；圖4是沿圖2的線IV-IV的天線單元的截面圖；
圖5是縱截面示意圖，顯示了圖1至圖4的天線單元位于適當建筑物內部的上樓層的位置上的情況；圖6是本發明的一個可替代實施例的水平截面示意圖，顯示了安裝在一個可替代的位置上的天線單元的不同構造；圖7是一個幾何圖，顯示了在預期波束帶寬的單位內的天線的定位；和圖8是顯示對原型天線單元進行的實驗的結果的一個曲線圖，該試驗是在存在和不存在平面玻璃窗的情況下作出的。
具體實施例方式
在圖1中示意性地示出了一個已知的蜂窩無線電網絡，在本實施例中，它是被稱作公用陸地移動網(PLMN)的GSM網。移動交換中心(MSC)2經由通信鏈路連接多個基站控制器(BSC)4。在地理上，BSC4被散布在由移動交換中心2服務的區域上。每個BSC4控制一個或多個位于BSC遠端的基站收發信機站(BTS)6，BTS6通過另外的通信鏈路連接BSC。每個BTS6包括一個天線組件7，該天線組件7向位于BTS服務的區域內的移動站8發射無線電信號以及從該移動站8接收無線電信號。該區域被稱作“小區”。蜂窩無線電網絡擁有大量的這種小區，這些小區最好毗鄰以提供整個網絡地域的連續覆蓋。
如圖2、圖3和圖4所示，供本發明的蜂窩無線電網絡使用的一種形式的天線包括一個由玻璃纖維增強塑料(GFRP)構成的外殼10。圖2、圖3和圖4所示的外殼10是一個被形成為具有平面自由面15的截頭三角棱柱的剛性箱。如下面將更詳細說明的那樣，該形狀特別適合于對諸如窗戶的平面表面的一種安裝形式。然而，外殼10的形狀可以被修改為適合其它類型的安裝。此外，該外殼不一定需要由GFRP構成，可以使用任何適合于形成外殼的材料，比如鋁。
外殼10包含一個天線組件11，該天線組件包括一個定向天線，需要使用該定向天線向直接位于該天線前面的跨度約為80°至90°的弧形內的移動終端發射無線電信號和從移動終端接收無線電信號。該天線是GSM部件，所發射的輻射處于約900MHz、1800MHz或者1900MHz的頻率上。對于其它蜂窩系統，天線在相關的適當頻段上輻射。信號饋線9將天線與基站發射機站6連接。天線組件11通過一個內部安裝支架5連接外殼10。
外殼10用阻塞無線電頻率發射的屏蔽材料12加襯。在圖2所示的一個實例中，屏蔽材料包括泡沫12a的交替層，該泡沫交替層注入了導電石墨顆粒和鋁箔或者涂料12b。然而，可以使用任何合適的無線電頻率屏蔽材料。泡沫可以是任何合適的發泡材料，但最好是含有石墨懸浮物的多孔聚合體。注入了石墨的泡沫與鋁箔的組合屏蔽了外殼10之外的區域，并且避免了輻射經外殼10傳送到毗鄰區域。
外殼10具有一個未屏蔽的開口部分16，而環繞天線的外殼的剩余部分則被屏蔽。該部分16可以用允許無線電信號傳送通過的材料覆蓋，或者不覆蓋。信號饋線9穿過專門形成于屏蔽材料上的孔，該屏蔽材料緊固在饋線9周圍，以防止有害泄漏。
在使用中，單元1被定位在窗戶26上(如圖5所示)，并且通過凸緣28、29的粘附，直接固定在窗戶上，或者使用諸如螺釘或螺栓的適當固定裝置將單元1固定到周圍的墻上。凸緣28可以裝備有一系列位于其邊緣上的孔30，經由這些孔放置螺釘或螺栓以便把單元1固定到墻上。
在固定到窗戶上的情況中，外殼不需要永久地固定到窗戶26上，最好是可拆卸的，以允許進入其內部進行維護。可將一個固定底座連接到窗戶上，通過諸如螺釘或螺栓的可釋放固定將外殼固定在窗戶上。還可通過適當定位在外殼10上的可移除膠帶或膠布帶將外殼固定到窗戶26上。
當天線單元1被固定到窗戶26上時，最好在外殼10毗鄰窗戶26的地方將附加的屏蔽材料加到窗戶26與外殼10之間的區域上。該進一步的屏蔽可以采取在外殼邊緣周圍進行金屬噴涂或者附著導電帶的方式，以避免無線電信號經邊緣區域從外殼10泄漏到建筑物32的內部。
屏蔽的外殼10被設計成阻塞輻射，以確保外殼外部表面的輻射級別處于人類占據建筑物的規定級別之內。在1800MHz天線的情況中，由英國國家輻射保護協會規定的允許級別是10mWcm-2，外殼10外部表面上的級別處于該限制之內，最好更低，并且至少在5mWcm-2以下。
天線單元1位于建筑物32之內，具有面對窗戶26或者在窗戶26上的外殼10的部分16或者其它適合的無線電頻率信號出口，比如通風口。重要的是該出口對無線電頻率比較透明，使天線11能夠向工作在位于安裝該單元的建筑物之外的網絡上的移動終端發射信號并且從該移動終端接收信號。
天線單元1可以正常工作，并且無線電信號可以經由天線11發射，同時，可以防止該發射造成的輻射，特別是防止輻射到天線11側面和后面的輻射功率部分泄漏到建筑物中。此外，窗戶26中的玻璃或其它無線電透射材料可以起作用，以便將天線發射的一部分無線電信號返回到外殼中。外殼10的內部屏蔽12也可以防止這些反射的信號泄漏到建筑物中。
在上述的實例中，外殼10和屏蔽12的發散形狀實際上與天線組件11的發射模式的發散形狀相一致。這樣，外殼10和屏蔽12就不會明顯阻礙天線組件11發射的無線電信號B的路徑。不過，天線單元1是緊湊的，因而確保在建筑物中有效地使用空間。
本實施例中使用的天線11是雙極化平板天線，比如Huber和Suhner 321天線。實驗證明，如果天線離固定單元1的窗戶太近，則降低天線11的性能，因為從窗戶反射的輻射干擾了發射的輻射。對于工作于1800MHz無線電頻率的蜂窩網絡，天線最好使它的表面相距窗戶內表面至少3cm。如果天線相距窗戶太遠的距離，則外殼的尺寸將變得太大而不受歡迎，因此，該距離最好小于10cm。最佳距離約為6cm。
通常，對于以給定頻率工作的蜂窩網絡，單元1最好被安排成使天線與玻璃之間的間隔滿足以下條件。參見圖7，對于具有孔徑寬度為d的開口部分16并且需要波束寬度θ(例如80°至90°)的單元，幾何學提供了天線11與玻璃之間的最大間隔DD≤d2tan(θ2)]]>可以把最小間隔D定義為信號惡化可以接受的最小間隔。圖8顯示了對工作于1800MHz并固定到標準厚度6mm平板玻璃窗上的原型單元進行試驗而獲得的經驗數據。在沿經過天線11中心點的法線相距玻璃1.285m處的一個點測量接收功率的分貝損失(Y軸)。針對厘米表示的玻璃-天線間隔(X軸)描繪的是顯示分別相距玻璃0、3、6cm的天線的接收功率損失的三個點。水平線50顯示移走玻璃后的接收功率。線段52外推這三個測量值。實際上，線段52應當是對水平線50的漸近線，但是一個直線提供了一個有用的近似值，并且提供了這樣的結果在近似8.4cm間隔處，線段50和52交叉，接收功率基本上是相同的，就好像沒有玻璃。對于1800MHz的工作頻率，我們有16.7cm的波長。這給予了一個非常接近兩倍于從經驗數據獲得的最小距離的近似值。由于干擾效果取決于波長，我們可以設計一個更一般的條件用于對一個工作波長λ的玻璃與天線11之間的最小間隔D≥λ2]]>與基于幾何學的最大間隔條件組合，我們得到一個用于確定玻璃-天線間隔D的一般范圍的不等式λ2≤D≤d2tan(θ2)]]>該結果的推論如下d≥λtan(θ2)]]>其將開口部分16的最小孔徑d定義為波長和波束寬度的函數。
還需要注意的是，對于可以忽略的玻璃中的內部反射的效果，我們需要λ》TG，
其中TG是玻璃的厚度。在正常工作條件下，比如在采用16.7cm的波長和厚度6mm的玻璃的原型機的試驗中，滿足這一需求。
顯然，使天線接近玻璃所造成的信號惡化的可接受程度可以根據，例如天線11的功率容量和所需的無線覆蓋區域而改變。如上所述，其它因素，比如外殼的尺寸也可以與確定玻璃-天線間隔有關。這樣，可能希望如下改變最小間隔條件D≥λ3]]>這提供了維持信號強度與減小外殼尺寸的相抵觸的需要之間的一個折中。借助這個折中，最小孔徑的定義變成d≥2λtan(θ2)3]]>所描述的天線和外殼配置適合于固定在平面窗戶26上的天線單元1。然而，本領域的技術人員將會明白，也可以以適合于其它安裝的其它形狀形成外殼。例如，在如圖5所示的本發明的另一個實施例中，可以把外殼40的形狀形成為可以定位在拐角窗戶42上，并且固定到兩個垂直的窗戶上。外殼40內部的屏蔽44符合外殼40的內部形狀，該屏蔽44也可以防止無線電發射大量泄漏進入安裝該單元的建筑物中。
還可以設想外殼10的其它形狀，使其把天線單元1安裝到不規則形狀的窗戶上或者諸如通風口的其它出口處，甚至安裝到對無線電頻率足夠透明的墻上。
顯然，在不背離權利要求所定義的本發明的范圍的條件下，能夠對本發明作出進一步的變化。
權利要求
1.一種天線單元，包括一個可設置在建筑物的一個外部部分內部的外殼和一個安裝在外殼之內的天線，該天線單元被安排為，當安裝在建筑物的一個外部部分內部時，該天線與外部部分間隔一定距離以便基本上防止來自外部部分的反射輻射干擾由天線發射的無線電信號。
2.根據權利要求1所述的天線單元，其中所述的外部部分是一個窗戶。
3.根據權利要求1或2所述的天線單元，其中天線與外部部分之間的間隔大于所發射的無線電信號的波長的一半。
4.根據權利要求3所述的天線單元，其中天線與外部部分之間的間隔大于所發射的無線電信號的波長的三分之一。
5.根據權利要求1至3任一項所述的天線單元，其中發射的無線電信號需要有一個θ的波束寬度，并且外殼包括一個開口部分，其寬度大于 乘以所發射的輻射的波長。
6.根據權利要求1、2或4之任一項所述的天線單元，其中所發射的無線電信號需要有一個θ的波束寬度，并且外殼包括一個開口部分，其寬度大于 乘以所發射的輻射的波長。
7.根據上述權利要求任一項所述的天線單元，其中天線與外部部分之間的間隔為3cm至10cm。
8.根據權利要求7所述的天線單元，其中所述的間隔近似為6cm。
9.根據上述權利要求任一項所述的天線單元，其中，外殼包括屏蔽裝置，用于基本上避免無線電信號從外殼的內部泄漏進入建筑物的內部，其中該屏蔽裝置被安排成，當設置在天線內時，使天線組件可以向建筑物外部發射無線電信號和從該建筑物外部接收無線電信號。
10.根據上述權利要求任一項所述的天線單元，其中外殼設有連接裝置，用于把外殼連接到建筑物的外部部分內部上，以允許無線電信號無阻礙地向/從建筑物外部發射。
11.根據權利要求10所述的天線單元，其中連接裝置適于將外殼連接到一個平面外部部分上。
12.根據權利要求10或11所述的天線單元，其中外殼設有另外的屏蔽裝置，該屏蔽裝置被安排成在連接裝置的區域內基本上避免無線電信號從外殼內部泄漏進入建筑物內部。
13.根據權利要求9至12任一項所述的天線單元，其中連接裝置的形狀基本上與天線組件的發射和接收模式相一致。
14.根據權利要求9至13任一項所述的天線單元，其中屏蔽裝置包括能夠吸收無線電信號的導電材料。
15.根據權利要求14所述的天線單元，其中導電材料包括一個含有導電顆粒的層和/或一個金屬層。
16.根據權利要求15所述的天線單元，其中導電材料包括導電泡沫和鋁箔的交替層。
17.根據權利要求9至16任一項所述的天線單元，其中該屏蔽裝置的形狀被設計為與外殼相一致。
18.根據上述權利要求任一項所述的天線單元，其中將天線連接到一個形成移動電信網絡一部分的基站收發信機站上，天線組件能夠向網絡內的移動終端發射無線電信號和從該移動終端接收無線電信號。
19.一種用于天線的外殼，該外殼可設置在建筑物之內，該外殼包括用于連接天線的裝置，還包括屏蔽裝置，用于基本上避免無線電信號從外殼內部泄漏進入建筑物內部，該屏蔽裝置被安排為，可以經由外殼的未屏蔽部分從外殼內部發射無線電信號以及接收無線電信號，該外殼還被安排為，在連接時，在天線與外殼未屏蔽部分之間基本上不設置介質材料。
20.一種天線單元，包括一個可設置在建筑物的外部部分的內部的外殼和一個安裝在該外殼之內的天線，該天線單元被安排成，當天線設置在建筑物的一個外部部分的內部上時，在天線與外部部分之間實際上不設置介質材料。
21.一種天線單元，實際上是如上文中結合附圖所述的天線單元。
22.一種用于天線的外殼，實際上是如上文中結合附圖所述的外殼。
全文摘要
一種供移動電信網絡使用的天線單元，該天線單元能夠向工作在網絡中的移動終端發射無線電信號和從該移動終端接收無線電信號。該天線還能夠避免建筑物內的輻射級別上升到高于公認的安全級別，從而允許建筑物的居住者在臨近天線的區域連續工作。此外，該天線可以安裝到列入保護名單或受保護的建筑物比例較高的區域中。
文檔編號H01Q1/00GK1401145SQ0180498
公開日2003年3月5日 申請日期2001年2月13日 優先權日2000年2月14日
發明者馬克·懷特豪斯 申請人:奧林奇私人通訊服務有限公司