Sistema de antenas de red en fase con inclinación eléctrica ajustable.

Sistema de antenas de red en fase con inclinación eléctrica ajustable y que comprende una red (62) de elementos (621 a 62n) de antena,

incorporando el sistema:

a) un desfasador (46) variable para introducir un desfase relativo variable entre señales de RF primera y segunda,

b) un aparato (52, 54) de división para dividir la primera señal de RF relativamente desfasada en primeras señales de componente en el que al menos algunas de las primeras señales de componente varían en potencia de señal, y la segunda señal de RF relativamente desfasada en segundas señales de componente en el que al menos algunas de las segundas señales de componente varían en potencia de señal, y

c) una red (56 a 64n) de combinación de señales para combinar señales de componente primeras y segundas para proporcionar señales de accionamiento de elementos de antena,

en el que la red (56 a 64n) de combinación de señales incluye dispositivos de combinación de vectores de RF dispuestos para formar combinaciones vectoriales de primeras señales de componente con segundas señales de componente con el fin de proporcionar una señal de accionamiento respectiva para cada elemento (62o a 62n) de antena individual, variando las señales de accionamiento en fase según una función sustancialmente lineal de posición de elemento de antena en la red (62) según se requiere para una operación de red en fase y pudiendo ajustarse el ángulo de inclinación eléctrica de la red (62) en respuesta a la alteración del desfase relativo variable introducido por el desfasador (46) variable.

Sistema de antenas de red en fase con inclinación eléctrica ajustable La presente invención se refiere a un sistema de antenas de red en fase con inclinación eléctrica ajustable. Es adecuado para su uso en muchas áreas de telecomunicaciones pero tiene una aplicación particular en redes de radio móviles celulares, comúnmente denominadas redes telefónicas móviles. Más específicamente, pero sin limitación, el sistema de antenas de la invención puede usarse con redes telefónicas móviles de segunda generación (2G) tales como el sistema GSM, y redes telefónicas móviles de tercera generación (3G) tal como el sistema universal de telefonía móvil (UMTS) .

Los operadores de redes de radio móviles celulares generalmente emplean sus propias estaciones base, cada una de las cuales tiene al menos una antena. En una red de radio móvil celular, las antenas son un factor principal al definir un área de cobertura en el que puede tener lugar la comunicación con la estación base. El área de cobertura se divide generalmente en varias células superpuestas, estado asociada cada una con una antena y estación base respectivas. Las células también se dividen generalmente en sectores para aumentar la cubierta de comunicaciones.

La antena de cada sector está conectada a una estación base para comunicación de radio con todas las radios móviles en ese sector. Las estaciones base están interconectadas por otros medios de comunicación, habitualmente enlaces de radio de punto a punto o líneas terrestres fijas, permitiendo que las radios móviles en todo el área de cobertura celular se comuniquen entre sí así como con la red telefónica pública fuera de la red de radio móvil celular.

Se conocen redes de radio móviles celulares que usan antenas de red en fase: una antena de este tipo comprende una red de (habitualmente ocho o más) elementos de antena individuales tales como dipolos o parches. La antena tiene un patrón de radiación que consiste en un lóbulo principal y lóbulos laterales. El centro del lóbulo principal es la dirección de sensibilidad máxima de la antena, es decir, la dirección de su haz de radiación principal. Una propiedad ampliamente conocida de una antena de red en fase es que si las señales recibidas por los elementos de antena se retardan en un retardo que varía de manera lineal con la distancia desde un borde de la red, entonces el haz de radiación principal de la antena se orienta hacia la dirección de retardo creciente. El ángulo entre los centros de haz de radiación principal que corresponden a variación en retardo cero y distinta de cero, es decir el ángulo de orientación, depende de la tasa de cambio de retardo con la distancia a través de la red.

El retardo puede implementarse de manera equivalente cambiando la fase de la señal, de aquí la expresión red en fase. El haz principal del patrón de antena puede alterarse, por tanto, ajustando la relación de fase entre las señales alimentadas a diferentes elementos de antena. Esto permite orientar el haz para modificar el área de cobertura de la antena.

Los operadores de antenas de red en fase en redes de radio móviles celulares deben ajustar el patrón de radicación vertical de sus antenas, es decir la sección transversal del patrón en el plano vertical. Esto es necesario para alterar el ángulo vertical del haz principal de la antena, también conocido como "inclinación", con el fin de ajustar el área de cobertura de la antena. Tal ajuste puede requerirse, por ejemplo, para compensar un cambio en la estructura de red celular o el número de antenas o estaciones base. El ajuste del ángulo de inclinación de la antena se conoce tanto de manera mecánica como de manera eléctrica, y tanto de manera individual como en combinación.

El ángulo de inclinación de la antena puede ajustarse de manera mecánica moviendo elementos de antena o su alojamiento (radomo) : se denomina ajustar el ángulo de "inclinación mecánica". Tal como se describió anteriormente, el ángulo de inclinación de la antena puede ajustarse de manera eléctrica cambiando el tiempo de retardo o la fase de las señales alimentadas a o recibidas desde cada elemento de red de antenas (o grupo de elementos) sin movimiento físico: esto se denomina ajustar el ángulo de "inclinación eléctrica".

Cuando se usa en una red de radio móvil celular, un patrón de radiación vertical (VRP) de la antena de red en fase tiene varios requisitos significativos:

1. alta ganancia de lóbulo principal (o referencia de alineación óptica) ;

2. un nivel de primer lóbulo lateral superior lo suficientemente bajo para evitar interferencia con móviles que usan una estación base en una célula o red diferente;

3. un nivel de primer lóbulo lateral inferior lo suficientemente alto para permitir comunicaciones en la proximidad inmediata de la antena.

Estos requisitos se oponen mutuamente: por ejemplo, el aumento de la ganancia de referencia de alineación óptica puede aumentar el nivel de los lóbulos laterales. Se ha hallado que un nivel de primer lóbulo lateral superior, en relación con el nivel de referencia de alineación óptica, de 18 dB proporciona un compromiso conveniente en el rendimiento del sistema global.

El efecto de ajustar o bien el ángulo de inclinación mecánica o bien el ángulo de inclinación eléctrica es recolocar la referencia de alineación óptica de modo que señale o bien por encima o bien por debajo del plano horizontal, lo que cambia el área de cobertura de la antena.

Puede desearse poder variar tanto la inclinación mecánica como la inclinación eléctrica de una antena de una estación base de radio celular: esto permite una flexibilidad máxima en la optimización de la cobertura de célula o sector, puesto que estas formas de inclinación tienen diferentes efectos en la cobertura sobre el suelo de la antena y también en otras antenas en la proximidad inmediata de la estación. Además, la eficacia operacional se mejora si el ángulo de inclinación eléctrica puede ajustarse de manera remota respecto al conjunto de antena. Mientras que un ángulo de inclinación mecánica de la antena puede ajustarse recolocando su radomo, cambiar su ángulo de inclinación eléctrica requiere un conjunto de circuitos electrónicos adicional que aumenta el coste y complejidad de la antena. Además, si se comparte una única antena entre varios operadores, es preferible proporcionar un ángulo de inclinación eléctrica individual para cada operador.

Hasta ahora la necesidad de un ángulo de inclinación eléctrica individual desde una antena compartida no se ha satisfecho y ha dado como resultado compromisos en el rendimiento del sistema. También pueden producirse reducciones adicionales en el rendimiento del sistema si la ganancia disminuye como consecuencia de la técnica adoptada para cambiar el ángulo de inclinación eléctrica.

R. C. Johnson, Antenna Engineers Handbook, 3rd Ed 1993, McGraw Hill, ISBN 0 - 07 - 032381 - X, Ch 20, Figura 20-2, da a conocer un método para ajustar de manera local o de manera remota el ángulo de inclinación eléctrica de una antena de red en fase. En este método, se alimenta una señal portadora de transmisor de radiofrecuencia (RF) a la antena y se distribuye a los elementos de radiación de la antena. Cada elemento de antena tiene un desfasador variable asociado con el mismo de modo que la fase de la señal puede ajustarse en función de la distancia a través de la antena para variar el ángulo de inclinación eléctrica de la antena. La distribución de potencia cuando no está inclinada se proporciona para establecer el nivel de lóbulo lateral y la ganancia de referencia de alineación óptica. Se obtiene un control óptimo del ángulo de inclinación cuando el frente de fase se controla para todos los ángulos de inclinación de modo que el nivel de lóbulo lateral no aumente a lo largo del rango de inclinación. El ángulo de inclinación eléctrica puede ajustarse de manera remota, si se requiere, usando un servomecanismo para controlar la posición de los desfasadores.

Esta antena del método de la técnica anterior tiene varias desventajas. Se requiere un desfasador variable para cada elemento de antena. El coste de la antena es alto debido al número de tales desfasadores requeridos. El coste puede reducirse usando un único dispositivo de retardo común o desfasador para un grupo de elementos de antena en lugar de por cada elemento, pero esto aumenta el nivel de lóbulo lateral. Véase, por ejemplo, la solicitud de patente internacional publicada nº WO 03/036756 A2 y la solicitud de patente japonesa nº JP20011211025... [Seguir leyendo]

1. Sistema de antenas de red en fase con inclinación eléctrica ajustable y que comprende una red (62) de elementos (621 a 62n) de antena, incorporando el sistema:

a) un desfasador (46) variable para introducir un desfase relativo variable entre señales de RF primera y segunda,

b) un aparato (52, 54) de división para dividir la primera señal de RF relativamente desfasada en primeras señales de componente en el que al menos algunas de las primeras señales de componente varían en potencia de señal, y la segunda señal de RF relativamente desfasada en segundas señales de componente en el que al menos algunas de las segundas señales de componente varían en potencia de señal, y c) una red (56 a 64n) de combinación de señales para combinar señales de componente primeras y segundas para proporcionar señales de accionamiento de elementos de antena, en el que la red (56 a 64n) de combinación de señales incluye dispositivos de combinación de vectores de RF dispuestos para formar combinaciones vectoriales de primeras señales de componente con segundas señales de componente con el fin de proporcionar una señal de accionamiento respectiva para cada elemento (62º a 62n) de antena individual, variando las señales de accionamiento en fase según una función sustancialmente lineal de posición de elemento de antena en la red (62) según se requiere para una operación de red en fase y pudiendo ajustarse el ángulo de inclinación eléctrica de la red (62) en respuesta a la alteración del desfase relativo variable introducido por el desfasador (46) variable.

2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque tiene un número impar de elementos (62º a 6210) de antena.

3. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque el desfasador (46) variable es un primer desfasador (1561, 1761) variable y el sistema incluye un segundo desfasador (1562, 1762) variable dispuesto para desfasar una señal de componente que se ha desfasado por el primer desfasador (1561, 1761) variable, proporcionando el segundo desfasador (1562, 1762) variable una salida de señal de componente adicional para la red de combinación de señales o bien directamente o bien a través de una o más combinaciones de desfasador variable/divisor.

4. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque el desfasador variable es uno de una pluralidad de desfasadores (1561, 1562, 1761, 1762) variables, y la red de combinación de señales está dispuesta para producir señales de accionamiento de elementos de antena a partir de señales de componente de las que algunas han atravesado todos los desfasadores variables y algunas no.

5. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque el aparato (1541 a 1544) de división está dispuesto para dividir una señal de componente en señales de componente adicionales para la entrada a la red de combinación de señales (159, VCN, PHi.A3 etc.) .

6. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque la red (170) de combinación de señales emplea desfasadores (1281 a 1286) y acopladores (1341 a 1346) híbridos (híbridos) para desfasar y combinar de manera vectorial las señales de componente.

7. Sistema según la reivindicación 6, caracterizado porque los híbridos son híbridos (1341 a 1346) de 180 grados.

8. Sistema según la reivindicación 6, caracterizado porque los híbridos son híbridos (H1 a H6) de anillo con circunferencia (n+ 1/2) A y puertos vecinos separados por A/4, donde A es una longitud de onda de señales de RF en el material en el que se construye cada híbrido de anillo.

9. Sistema según la reivindicación 6, caracterizado porque los híbridos están diseñados para convertir señales I1 y I2 de entrada en sumas y diferencias de vectores distintas de (I1+I2) y (I1-I2) .

10. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque el aparato de división incorpora híbridos (SP4 a SP11) de anillo con circunferencia (n+1/2) A y puertos de entrada y salida vecinos separados por A/4, terminándose un puerto de entrada de cada híbrido (SP4 a SP11) con una resistencia (T) igual a la impedancia de sistema y que forma una carga compensada.

11. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque el aparato de división, el desfasador variable y la red de combinación de señales están ubicados conjuntamente con la red (206) de antenas como un conjunto (204) de antena, y el conjunto tiene un único alimentador (202) de potencia de entrada de RF

desde una fuente (200) remota.

12. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque el aparato de división incorpora divisores primero, segundo y tercero, el primer divisor está ubicado (212) con el desfasador variable de manera remota respecto a los divisores segundo y tercero, y los divisores segundo y tercero, la red de combinación de señales y la red (216) de antenas están ubicados conjuntamente como un conjunto de antena, y el conjunto tiene alimentadores (214A, 214B) de potencia de entrada de RF duales desde una fuente remota en la que están ubicados el primer divisor y desfasador variable.

13. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque el desfasador variable es un primer desfasador

(246) variable conectado en un canal (243) de transmisión y el sistema incluye un segundo desfasador

(251) variable conectado en un canal (249) de recepción y canales (243f, 249f) de recepción y transmisión adicionales que proporcionan desfases fijos, y la red (2404) de combinación de señales está dispuesta para operar en modos tanto de transmisión como de recepción produciendo señales de accionamiento de elementos de antena en respuesta a señales en los canales (243, 243f) de transmisión y produciendo señales de canal de recepción a partir de señales desarrolladas por elementos (262) de antena que operan en modo de recepción con inclinación eléctrica independientemente ajustable en cada modo.

14. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque el desfasador variable es uno de una pluralidad de desfasadores (346T1A, 346R1A, 346T2A, 346R2A) variables asociados con respectivos operadores, y el sistema incluye un aparato (311A, 311B) de filtración y combinación para encaminar señales al aparato (313A, 313B) de alimentación de señales común después de la división en el aparato (344T1, 344R1, 344T2, 344R2) de división y el desfase en los desfasadores (346T1A, 346T2A) variables, de manera que las señales atraviesan el aparato (313A, 313B) de alimentación de señales común hacia la antena (305) conteniendo contribuciones de ambos operadores a través del aparato (313A, 313B) de alimentación de señales común.

15. Sistema según la reivindicación 14, caracterizado porque la pluralidad de desfasadores variables comprende un par respectivo de desfasadores (346T1A y 346R1A o 346T2A y 346R2A) variables asociados con cada operador, y el sistema tiene componentes (311, 313, 315, 344, 346) que tienen capacidades de procesamiento de señales tanto directo como inverso de manera que el sistema (300) puede operar en modos de transmisión y de recepción con inclinación eléctrica independientemente ajustable en ambos modos.

16. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque la red (56 a 64n) de combinación de señales está dispuesta para proporcionar señales de accionamiento de elementos de antena de las que dos señales de accionamiento comprenden partes de señales (A o B) de RF primera o segunda relativamente desfasadas individuales y comprendiendo otras señales de accionamiento diferentes combinaciones de partes de señales (A y B) de RF primera y segunda relativamente desfasadas, o bien una o bien dos partes de una (A

o B) de las señales de RF primera y segunda y una parte de la otra (B o A) .

17. Método para ajustar la inclinación eléctrica de un sistema de antenas de red en fase, incluyendo el sistema una red (62) de elementos (621 a 62n) de antena, e incorporando el método las etapas de:

a) introducir un desfase relativo variable entre señales de RF primera y segunda,

b) dividir las señales de RF primera y segunda relativamente desfasadas respectivamente en una pluralidad de primeras señales de componente en el que al menos algunas de las primeras señales de componente varían en potencia de señal y en una pluralidad de segundas señales de componente en el que al menos algunas de las segundas señales de componente varían en potencia de señal, y c) combinar señales de componente primeras y segundas para proporcionar señales de accionamiento de elementos de antena,

en el que la etapa de combinación c) forma combinaciones vectoriales de primeras señales de componente con segundas señales de componente usando dispositivos de combinación de vectores de RF para proporcionar una señal de accionamiento respectiva para cada elemento (620 a 62n) de antena individual, variando las señales de accionamiento en fase según una función sustancialmente lineal de posición de elemento de antena en la red (62) según se requiere para una operación de red en fase y pudiendo ajustarse el ángulo de inclinación eléctrica de la red (62) en respuesta a la alteración del desfase relativo variable introducido por el desfasador (46) variable.

18. Método según la reivindicación 17, caracterizado porque la red (62) tiene un número impar de elementos de antena.

19. Método según la reivindicación 17, caracterizado porque incluye generar al menos una señal de componente que ha experimentando un desfase en una pluralidad de desfasadores (1561, 1562, 1761, 1762) variables.

20. Método según la reivindicación 19, caracterizado porque los desfasadores (1761, 1762) variables están acoplados mecánicamente, y el método incluye producir señales de accionamiento de elementos de antena a partir de señales de componente de las que algunas han atravesado todos los desfasadores (1761, 1762) variables, y algunas no.

21. Método según la reivindicación 17, caracterizado porque incluye dividir una señal de componente en señales de componente adicionales para la entrada a la red de combinación de señales (159, VCN, PHi.A3 etc.) .

22. Método según la reivindicación 17, caracterizado porque emplea desfasadores (46) e híbridos (601 a 604) para desfasar y combinar de manera vectorial las señales de componente.

23. Método según la reivindicación 22, caracterizado porque los híbridos son híbridos (601 a 604) de 180 grados.

24. Método según la reivindicación 22, caracterizado porque los híbridos son híbridos (H1 a H6) de anillo con circunferencia (n+1/2) A, y puertos de entrada y salida vecinos separados por A/4, donde n es un número entero y A es la longitud de onda de señales de RF en el material en el que se construye cada híbrido de anillo.

25. Método según la reivindicación 24, caracterizado porque los híbridos (H1 a H6) están diseñados para convertir señales I1 y I2 de entrada en sumas y diferencias de vectores distintas de (I1+I2) y (I1-I2) .

26. Método según la reivindicación 17, caracterizado porque la etapa de dividir las señales de RF primera y segunda relativamente desfasadas respectivamente en señales de componente primera y segunda se implementa usando híbridos (SP4 a SP11) de anillo con circunferencia (n+1/2) A y puertos de entrada y salida vecinos separados por A/4, terminándose un puerto de entrada de cada híbrido (SP4 a SP11) con una resistencia (T) igual a la impedancia de sistema y que forma una carga compensada.

27. Método según la reivindicación 17, caracterizado porque incluye alimentar una única señal de entrada de RF desde una fuente (200) remota para la división, desfase variable y combinación vectorial en una red ubicada conjuntamente con la red de antenas para formar un conjunto (204) de antena.

28. Método según la reivindicación 17, caracterizado porque incluye alimentar dos señales de entrada de RF con fase variable una respecto a la otra desde una fuente remota a un conjunto de antena y dividir, combinar y desfasar señales en una red (218) ubicada conjuntamente con la red (216) de antenas.

29. Método según la reivindicación 17, caracterizado porque emplea canales (243, 249, 243f, 249f) de recepción y transmisión para operación en modos tanto de transmisión como de recepción, e incluye producir señales de accionamiento de elementos de antena en respuesta a señales en los canales (243, 243f) de transmisión y producir señales de canal de recepción a partir de señales desarrolladas por elementos (262) de antena que operan en modo de recepción con inclinación eléctrica independientemente ajustable en cada modo.

30. Método según la reivindicación 17, caracterizado porque el desfase variable se introduce por uno de una pluralidad de desfasadores (346T1A, 346R1A, 346T2A, 346R2A) variables asociados con respectivos operadores, y el método incluye:

a) filtrar y combinar señales en una red (346T1A a 346R2B, 311A, 311B) de combinación de señales y pasarlas al aparato (313A, 313B) de alimentación de señales común después de la división en el aparato (344T1, 344R1, 344T2, 344R2) de división y el desfase en los desfasadores (346T1A, 346T2A) variables;

b) proporcionar señales a la antena (305) que contienen contribuciones de ambos operadores a través del aparato (313A, 313B) de alimentación de señales común; y

c) ajustar la inclinación eléctrica asociada con cada operador independientemente.

31. Método según la reivindicación 30, caracterizado porque la pluralidad de desfasadores variables comprende un par respectivo de desfasadores (346T1A y 346R1A o 346T2A y 346R2A) variables asociados con cada operador, el método emplea componentes que tienen capacidades de procesamiento de señales tanto directo como inverso, y el método incluye operar en modos de transmisión y de recepción

con inclinación eléctrica independientemente ajustable en cada modo.

32. Método según la reivindicación 17, caracterizado porque las señales de accionamiento de elementos de antena incluyen dos señales de accionamiento que comprenden partes de señales (A o B) de RF primera o

segunda relativamente desfasadas individuales y otras señales de accionamiento que comprenden diferentes combinaciones de partes de señales (A y B) de RF primera y segunda relativamente desfasadas, o bien una o bien dos partes de una (A o B) de las señales de RF primera y segunda y una parte de la otra (B o A) .