SE528015C2 - Antennstyrsystem - Google Patents

Description

528 015 Basstationantenner är vanligtvis försedda med ett flertal på en vertikal rad anordnade element och för att variera lob- vinkeln införs en fasvinkelskillnad mellan de utstràlande elementen på en gemensam signal som matas till de utstrálande elementen varvid fasvinkelskillnaderna mellan två element är densamma. Detta resulterar i en sammansatt lob från flertalet' utstrålande element vilka alltid kommer att ha en vågfront i form av en väsentligen rak linje. Lobvinkeln kan vidare vara instâllbar, till exempel med hjälp av fasförskjutare, för att justera fasvinkelskillnaden mellan de utstràlande elementen; Idag erfordrar justering av fasförskjutarna ofta att juster- ingen utförs manuellt direkt på eller vid antennen, vanligtvis genom att manövrera ett manövreringselement såsom ett vred eller stång. Manövrering av vredet eller stången kan sedan påverka fasförskjutningsorganen till att förändra den relativa fasvinkelskillnaden mellan signaler som matas till de utstràlande elementen, och således lobvinkeln. Det existerar dock även system där lobvinkeln kan styras fràn en på avstånd belägen lokalisering, till exempel genom att sända kommandon från en central manövrerings- och underhàllscentral för att styra med drivorganens manövreringselement associerad elektronik så att styrlogiken kan översätta till exempel ett INSTÄLL LUTNING = l5°-kommando till en relativ rörelse av manövreringselementdrivorganet för att utföra en motsvarande rörelse av manövreringselementet och således åstadkomma att fasförskjutningselementen utför en till önskad lobvinkel resulterande fasförskjutning.

Ett sådant system är tidigare känt från dokumentet EP 1356539 (Kathrein Werke KG). EP 1356539 visar en antennstyranordning samt associerad antenn. Styranordningen har styrelektronik och en elmotor. Antennstyranordningen är anordnad så att den i efterhand kan anordnas utanför skyddshöljet för en bas- 10 15 20 25 30 528 015 stationsantenn och ingreppa ett via en manövreringsöppning ur antennens inre utstickande manövreringselement, eller införas i skyddshöljet inre via denna manövreringsöppning. Alternativt kan styranordningen vara utformad som en företrädesvis komplett enhet under antennens skyddshölje. Möjligheten att i efterhand montera en styranordning är önskvärd eftersom detta gör det möjligt att modifiera existerande antenner vid existerande basstationer vilka enbart har manuella lobvinkel- inställningsmöjligheter på så sätt till att fjärrstyrning av lobvinkeln för dessa antenner möjliggörs.

Ett problem med existerande system för fjärrinställning av lobvinkeln är dock att de fasförskjutare som använts i sådana system är relativt komplexa och använder mekaniska lösningar som erfordrar ett väsentligt vridmoment för att manövrera manövreringselementet.

Uppfinningens syfte och viktigaste egenskaper Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att tillhanda- hålla ett antennstyrsystem för fjärrinställning av lobvinkeln för en antenn som löser ovanstående problem.

Detta syfte uppnås genom ett antennstyrsystem enligt den kännetecknande delen av patentkrav 1.

Antennstyrsystemet för fjärrställning av lobvinkeln för en antenn enligt föreliggande uppfinning är kännetecknad av att olika antennelement i en vertikal rad medelst fasta transmis- sionsledningar är förbundna med en central matningspunkt för en gemensam signal och att justering av fasen för den gemen- samma signalen uppnås medelst en linjärt förskjutbar slid med dielektriska kroppsdelar som påverkar signalhastigheten längs nämnda fasta transmissionsledningar. Vidare används en elektrisk motor för att linjärt förskjuta nämnda rörliga slid 10 15 20 25 30 528 015 med nämnda dielektriska kroppsdelar. Detta har fördelen att en lösning utan komplexa mekaniska strukturer erhålls varvid ett relativt lågt vridmoment för den elektriska motorn erfordras för att förflytta sliden, vilket således möjliggör användning av en motor med lägre effekt och, på motsvarande sätt, motordrivkretsar med lägre effekt. Vidare har användning av en sådan fasförskjutare fördelen att risken för mekanisk fel- funktion på grund av till exempel varierande vädertillstånd markant reducerats.

Elmotorn och dess associerade styrelektronik kan utgöra en komplett enhet eller komplett modul. Detta har fördelen att modulen i efterhand kan monteras till antennen. Alternativt kan nämnda enhet eller modul vara anordnad att monteras inuti antennens omgivningsskydd (skyddshölje).

Elmotorn och dess associerade styrelektronik kan inhysas i ett separat hölje som är anordnat att fästas till antennen utanför antennens omgivningsskydd (skyddshölje). Nämnda hölje kan vara så anordnat att det i efterhand kan monteras till antennen, företrädesvis utan att öppna antennens omgivningsskydd. Detta har fördelen att modulen i efterhand kan monteras till antennen som en separat enhet med ett från antennens skydds- hölje separat skyddshölje.

Kommunikationssystemet kan utgöras av någon ur gruppen: GSM- system, UMTS-system, AMPS-system, ett TDMA- och/eller CDMA- och/eller FDMA-system.

Dessa och andra egenskaper för uppfinningen kommer att framgå ur nedanstående detaljerade beskrivning.

Uppfinningen kommer att beskrivas mer utförligt nedan med hän- visning till bifogade ritningar vilka åskådliggör exempel- utföringsformer. 10 15 20 25 528 015 Kort beskrivning av ritningarna Fig. 1 visar en del av ett cellulärt kommunikationssystem som implementerar föreliggande uppfinning; Fig. 2 visar den nedre delen av ett skyddshölje för en antenn och ett hölje innefattande styrelektronik; Fig. 3 visar innehållet i höljet i fig. 2 mera i detalj; Fig. 4a och 4b visar fasförskjutningsorgan som är lämpliga för användning med föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av exampelutföringsformar I fig. 1 visas en del av ett cellulärt kommunikationssystem som implementera: föreliggande uppfinning. Figuren visar en basstation 10 med två antennramstrukturer, såsom torn 11, 12.

Tre antenner 13, 14, 15 är monterade till tornet 11, medan endast en antenn 16 är monterad till tornet 12. Varje antenn 13-16 sänder signaler isen huvudlob, av vilka endast antennens 16 huvudlob 17 visas. I figuren är huvudloben 17 riktad nagot nedåt. Genom att använda fasförskjutningsorgan kan huvudloben 17, och, naturligtvis, på motsvarande sätt antennernas 13-15 huvudlober, oberoende av andra huvudlober vinklas uppåt eller nedåt i ett visst vinkelintervall relativt ett horisontalplan A. Detta anges med övre och nedre huvudlober 17' och 17".

Vinkelintervallet kan till exempel utgöras av O° till 90°.

Andra vinkelintervall kan dock naturligtvis lika gärna användas.

Antennerna drivs via matningskablar, såsom koaxialkablar 18 och 19, vilka förbinder antennerna med basstationen 10 och vilka används för att förse antennerna med signaler för sändning och för att förse basstationen med signaler som mottagits av antennerna. 10 15 -20 25 30 528 015 I ett system som använder fjärrinställning av lobvinkeln för en antennlob kan lobvinkeln till exempel inställas från ett manövrerings- och underhàllscenter (OMC) 9, vilket är förbun- det med ett flertal basstationer (betecknade som l0', lO")f till exempel via ett Ethernet-nätverk 5 såsom Internet eller ett lokalt nät (LAN). Alternativt kan OMC 9 stå i förbindelse med basstationerna via exempelvis en modemförbindelse. När en OMC-operatör, eller en OMC-dator som utför automatisk över- vakning av kommunikationssystemet, beslutar att antennens 16 lobvinkel bör ändras genereras ett kommando såsom INSTÄLL LUTNING = 22°. Om komandot genereras av en operatör kan kommandot genereras via till exempel ett tangentbord. Alterna- tivt kan kommandot automatiskt genereras av en övervaknings- dator. Det genererade kommandot sänds till en styrenhet, såsom en MCU (Master Control Unit) 8, i basstationen. Alternativt kan en MCU 8 vara monterad till varje torn. Om en enda i bas- stationen lokaliserad MCU 8 används kan denna MCU delas av ett flertal torn. Kommandot för att inställa lutning kan sändas till MCU via ett Ethernet-nätverk, till exempel med hjälp av TC/IP-protokollet.

I MCU 8 omvandlas kommandot för inställa lutningen till ett format som är lämpligt för användning av nära antennen lokali- serad styrelektronik och sänds till denna styrelektronik, till exempel som en på matningsledningssignalerna överlagrad signal och företrädesvis med hjälp av AISG-protokollet, vilket härmed införlivas som referens. Om signalerna överlagras på matnings- ledningssignalerna kan detta åstadkommas genom användning av en CILOC 7 (Current Injector Layer One Converter) nära bas- stationen och en andra CILOC 6 nära antennen. Alternativt kan kommandosignaler till antennenheten sändas till styrelektroni- ken via en direktlänk från MCU 8 till styrelektroniken. Styr- 10 15 20 25 30 528 015 signalerna kan vidare sändas till styrelektroniken via ett trådlöst gränssnitt.

Manövrering av styrelektroniken kommer att beskrivas mer i detalj med hänvisning till fig. 2 och 3. I fig. 2 visas den nedre delen av antennens 16 skyddshölje och ett hölje 20 inne- fattande styrelektroniken och en elmotor såsom en stegmotor.

Höljets nedre parti innefattar en anslutning 21 för anslutning av en kabel från den i fig. 1 övre högra CILOC 6. Om mer än en antenn är monterad till tornet, såsom antennerna 13-15, kan höljet innefatta en andra anslutning 22 för tillhandahållande av signalerna till de andra antennernas styrelektronik.

Innehållet i höljet 20 visas mer i detalj i fig. 3. Den från CILOC 6 mottagna signalen används för att effektförsörja styr- elektroniken och elmotorn via en DC-modul 32. Vidare övervakar en mottagningskrets, såsom en AISG-standarden använd RS485- krets 30, mottagna signaler och söker efter en antennadress.

Om mottagningskretsen 30 bestämmer att ett mottaget kommando är avsett för den specifika antennen omvandlas kommandot till ett CPU-läsbart format och sänds till CPU 31 via förbindelse 33. CPU:en omvandlar det mottagna kommandot (till exempel kommandot INSTÄLL LUTNING = 22°) till drivsignaler för steg- motordrivlogik 34 vilken driver två stegmotor 35-lindningar 36, 37, vilka i sin tur påverkar ett manövreringselement 38 för exempelvis fasförskjutningsorgan för att införa en relativ fasförskjutning så att fasvinkelskillnaden mellan två utstrå- lande element är densamma.

För att översätta kommandosignaler till drivsignaler kan antenntyp och/eller en tabell inkluderande förhållandet mellan lobvinkel och enhetslängdrörelse av manövreringselementet eller stegmotorsteg lagras i ett minne i eller anslutet till, 10 15 20 25 30 528 015 CPU:n. Data i detta minne kan vidare ersättas av annan data, som till exempel sänts till styrelektroniken från OMC.

Manövreringselementet kan utföras genom en manövreringsöppning 39 i antennhölje 16 och förses med tänder för ingrepp med ett gängat parti 40 på en stegmotors 35 axel 41, direkt eller via en växelkoppling (ej visad).

Såsom nämnts ovan kan ett antal antenner tillhandahållas på samma torn och varje antenn kan förses med en styranordning såsom visats i fig. 2-3 för att möjliggöra individuell inställning av varje antenn. Det är dock också möjligt att det finns ett flertal antenner, till exempel tre antenner som vardera täcker en 120°-sektor, eller sex antenner som vardera täcker 60°-sektor, som styrs med identiska kommandon. En enda styranordning kan då användas för att styra dessa antenner genom styrning av ett flertal stegmotorer, till exempel genom stegmotordrivlogik som kan förse ett flertal stegmotorer med drivsignaler.

Ett exempel på ett dielektriskt fasförskjutningsorgan, vilket med fördel kan användas med föreliggande uppfinning, visas i fig. 4a och 4b. Fasförskjutaren i fig. 4a och 4b förklaras mer i detalj i WO02/35651. I den âskådliggjorda utföringsformen visas fasförskjutningsorgan för tillhandahållande av en fas- förskjutning till fyra utstrålande element eller delupp- sättningar, till exempel par av antennelement, anordnade i en uppsättning, normalt en linjär rad. Varje element är anslutet till en central källanslutningsterminal med en associerad matningsanslutningsterminal 102a, 103a, lO4a respektive 105a och raka ledningssegment 102-105. Källanslutningsterminalen 101 är anslutbar till en signalkälla medelst en matnings- ledning 106, vilken är ???? ansluten till en matningsterminal l06a. I användning är matningsterminalen 106a ansluten, till 10 15 20 25 30 528 015 exempel via en koaxialkabel, till tranceiverkretsar (ej visat), till exempel inkluderade i basstationen. För att erhålla en fasförskjutning används en förskjutbar dielektrisk kropp, såsom kommer att förklaras nedan.

En mikrovågssignal som uppträder på matningsterminalen lO6a kommer att utbreda sig längs den centrala matningsledningen 106 till den centralt belägna källavslutningsterminalen 101.

Närliggande terminalen 101 finns övre och nedre stationära dielektriska element 109, 110 som tjänar till att underlätta impedansmatchning för de fyra matningsledningssegmenten 102- 105. En sammanhängande kropp 111 av dielektriskt material är anordnad mellan höljets väggar och matningsledningssegmenten 102, 103, 104, 105 för att påverka utbredningshastigheten och fasförskjutningen för signalkomponenterna som överförs längs respektive ledningssegment. Den dielektriska kroppen lll är linjärt förskjutbar längs anordningens längdriktning A mellan två ändpositioner, varav den ena är den heldragna positionen i fig. 4a och den andra är positionen som antydes med streckade linjer l11'.

Den dielektriska kroppen 111 innefattar två längsgående sid- delar sammankopplade av en tvärgáende kroppsdel 112, nämligen en första kroppsdel 113 och en andra kroppsdel 114.

Fasvinkelskillnaden mellan signalkomponenterna vid matnings- anslutningsterminalerna 102a, 103a, 104a, 105a kommer att bero på den faktiska positionen för den dielektriska kroppen 111.

När den dielektriska kroppen 111 har förskjutits en viss sträcka kommer fasförskjutningarna för alla fyra signalkompo- nenter att ändras likformigt. Således kommer fasvinkeldiffe- rensen mellan de olika terminalerna som hör till respektive antennelement (eller underuppsättningar) alltid att vara_ inbördes desamma. Således är fasvinkeldifferenserna mellan 10 15 20 25 30 528 015 10 terminalerna l03a och l02a, mellan terminalerna l02a och 104a och mellan terminalerna 104a och 105a desamma. Därför kommer den sammansatta loben från de fyra antennelementen kopplade till dessa terminaler alltid att ha en vågfront som väsent- ligen har formen av en rak linje, och lutningen på denna våg- front kan ställas in genom att förskjuta den dielektriska kroppen lll till en annan position i anordningens längd- riktning.

Sàsom kan ses i fig. 4b är en rörelseöverföringsdel 120 fästad till den dielektriska kroppen 111 och utskjuter genom en längsgående slits 121 i höljets 10 bottenvägg 31. Delen 120 är ansluten till en slid 122, vilken är styrd i längdriktningen i profilerade spår 123 formade på undersidan av bottenväggen 31.

Denna slid 122 kan utgöra, eller vara ansluten till manövre- ringselementet, varvid antennlobens lutningsvinkel kan ställas in enligt önskan genom att manövrera manövreringselementet.

Föreliggande uppfinning uppvisar således en lösning som möjliggör fjärrstyrning av ett manövreringselement för att styra lobvinkeln, varvid en lösning utan komplexa mekaniska strukturer erhålls, varvid risken för att överbelasta elmotorn väsentligen reduceras och varvid risken för mekanisk fel- funktion pà grund av till exempel varierande vädertillstánd, såsom stora temperaturskillnader och/eller atmosfärisk luft- fuktighet väsentligen reduceras. Föreliggande uppfinning har vidare fördelen att styrelektroniken och manövreringselement- drivorganet, till exempel stegmotorn, kan inneslutas i ett separat hölje och fästas till antennhöljet på något lämpligt sätt och således möjliggöra eftermontering av styrutrustning till en existerande antenn utan att behöva ta bort antennens skyddshölje. 528 015 ll I ovanstående beskrivning har en stegmotor använts. Det är naturligtvis även möjligt att använda andra typer av elmotorer eller andra typer av utrustning som kan utföra önskad påverkan på manövreringselementet.

Claims (16)

10 15 20 25 528 015 12 P A T E N T K R A V

1. Antennstyrsystem innefattande: - en fjärrstyrbar antennenhet för positionering vid en upp- höjd position vid en ramstruktur närliggande en basstation i ett cellulärt mobiltelefonsystem, där nämnda antennenhet inkluderar åtminstone en rad med antennelement, lokaliserade vid förutbestämda fasta positioner längs nämnda rad, och som matas med en gemensam signal för avgivning och mottagning av mikrovågsignaler i en huvudlob i en med nämnda basstation associerad cell, där den huvudsakliga vinkelriktningen för nämnda huvudlob är styrbar genom att justera fasen för nämnda gemensamma signal så att en förutbestämd fasskillnad för nämnda gemensamma signal vid de olika antennelementen i nämnda rad erhålls, och - elektromekaniska organ för åstadkommande av nämnda fasjustering, kännetecknat av att de olika antennelementen i nämnda rad medelst fasta transmissionsledningar är kopplade till en central matnings- punkt för nämnda signal, där nämnda justering av nämnda fas för nämnda gemensamma signal åstadkommes medelst ett linjärt förskjutbart manövreringselement anslutet till dielektriska kroppsdelar för att påverkning av signalhastigheten längs nämnda fasta transmissionsledningar, och där nämnda elektromekaniska organ innefattar 10 15 20 25 528 015 13 - ett manövreringselementdrivorgan för att linjärt förskjuta nämnda rörliga manövreringselement med nämnda dielektriska kroppsdelar, och - styrelektronik inkluderande: - inmatningsorgan för mottagning av kommandosignaler som sänts från en fjärrstyrenhet, - organ för att bestämma om en mottagen kommandosignal är avsedd för antennenheten, - organ för att omvandla nämnda för antennenheten avsedda kommandosignal till en motsvarande styrsignal för nämnda manövreringselementdrivorgan, och - organ för att styra nämnda drivorgan baserat pà styr- signalen för att förskjuta nämnda linjärt rörliga manövreringselement med nämnda dielektriska kroppsdelar för att utföra en motsvarande justering av nämnda fas för nämnda gemensamma signal vid varje antennelement, för att därigenom styra den huvudsakliga vinkelriktningen för nämnda huvudlob .

2. Antennstyrsystem enligt krav 1, kännetecknat av att nämnda rad av antennelement utgör en vertikal rad av antennelement, och att nämnda huvudlob är riktad något nedåt mot marken i en med nämnda basstation associerad cell.

3. Antennstyrsystem- enligt krav l eller 2, kännetecknat av att nämnda organ för att bestämma om kommandosignalen är avsedd för antennenheten inkluderar organ för att läsa en adress i ett adressfält i nämnda kommandosignal.

4. Antennstyrsystem enligt något av kraven 1-3, känne- t e c k n a t a v a t t en basstationstyrenhet är lokaliserad vid 10 15 20 25 528 015 14 basstationen och/eller ramstrukturen, vilken basstationstyr- enhet mottar kommandosignaler från ett manövreringsstyrcenter vid en lokalisering belägen på avstånd från nämnda basstation och sänder kommandosignaler till åtminstone en antennenhet.

5. Antennstyrsystem enligt krav 4, kännetecknat av att basstationstyrenheten sänder kommandosignaler till antennenheten via en direktlänk eller överlagrat på antenn- matningsledning (arna) .

6. Antennstyrsystem enligt krav 4 eller 5, kännet ecknat av att det pà avstånd belägna styrcentret sänder kommando- signalerna till basstationen via ett Ethernet-nätverk eller en uppringningsförbindel se .

7. Antennstyrsystem enligt något av föregående krav, kännetecknat av att styrelektroniken vidare inkluderar utmatningsorgan, och att det finns en förbindelse mellan nämnda inmatningsorgan och nämnda utmatningsorgan -för vidare- befordran av kommandosignaler till ytterligare vid ramstruktu- ren lokaliserade antennelement.

8. Antennstyrsystem enligt något av föregående krav, kännetecknat av att manövreringselementdrivorganet och dess associerade styrelektronik är inhysta i ett separat hölje anordnat att fästas till antennen pà utsidan av antennens skyddshölje.

9. Antennstyrsystem enligt något av kraven 1-7, känne- t e c k n a t a v a t t styrelektroniken och elmotorn är anordnade att monteras inuti antennens omgivningsskydd (skyddshölje) .

10. . Antennstyrsystem enligt något av föregående krav, kä n ne t e c kn a t av a t t rörelse av det linjärt rörliga manövreringselementet erhålls medelst ett till manövrerings- 10 15 20 25 528 015 15 elementdrivorganets drivaxel förbundet kugghjul som samverkar med tänder på den linjärt rörliga sliden.

11. Antennstyrsystem enligt något av föregående krav, kä nn e t e c kn a t av a t t styrelektroniken vidare inkluderar organ för bestämning av den exakta positionen för det linjärt rörliga manövreringselementet och därmed nämnda huvudlobs exakta vinkelriktning .

12. Antennstyrsystem enligt krav 11, kännetecknat av att nämnda organ för att bestämma den exakta positionen för dt linjärt rörliga manövreringselementet inkluderar ett på kugghjulet lokaliserat hallelement, varvid antalet varv för kugghjulet kan bestämmas och därigenom manövreringselementet linjära förskjutning .

13. Antennstyrsystem enligt något av föregående krav, kännetecknat av att styrelektroniken används för att styra åtminstone två antennenheter genom att styra åtminstone tvâ manövreringselementdrivorgan.

14. Antennstyrsystem enligt något av föregående krav, kännetecknat av att styrelektroniken vidare inkluderar ett minne anordnat att lagra en antenntyp och/eller en tabell inkluderande förhållandet mellan lobvinkel och enhetsrörelse- längd för det rörliga manövreringselementet.

15. Antennstyrsystem enligtnågot av föregående krav, kännetecknat av att den dielektriska kroppen utgör en del av en fasförskjutningsanordning som är konfigurerad med åtminstone fyra ledningssegment vilka sträcker sig från en källanslutningsterminal till matningsanslutningsterminaler, med 10 15 20 528 015 16 - iåtminstone ett första ledningssegment och ett andra ledningssegment sträcker sig huvudsakligen i en första riktning längs nämnda huvudriktning, - åtminstone en tredje och ett fjärde ledningssegment som sträcker sig huvudsakligen i en andra riktning motsatt nämnda första riktning, varvid - nämnda dielektriska kropp har en första kroppsdel som är placerad i närheten av nämnda första och tredje lednings- segment och har ett första faktiskt dielektriskt värde, och en andra kroppsdel som är placerad i närheten av nämnda andra och fjärde ledningssegment och som har ett andra faktiskt dielekt- riskt värde som skiljer sig från nämnda första faktiska dielektriska värde, och - nämnda dielektriska kropp är linjärt förskjutbar mellan två ändpositioner samtidigt som nämnda första och andra kropps- delar hàlls i närheten av respektive par av motstående håll förlöpande ledningssegment.

16. Antennstyrsystem enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t a v a t t manövreringselementdrivorganet utgörs av en elmotor, såsom en elektrisk stegmotor.