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Dokumentenidentifikation DE102006020855A1 08.11.2007
Titel Funktechnische Nachbesserung der Mobilfunkzellen
Anmelder Lisitano, Giuseppe, Prof. Dr.-Ing., 80796 München, DE
Erfinder Lisitano, Giuseppe, Prof. Dr.-Ing., 80796 München, DE
DE-Anmeldedatum 04.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006020855
Offenlegungstag 08.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2007
IPC-Hauptklasse H01Q 21/00(2006.01)A, F, I, 20060504, B, H, DE
Zusammenfassung Die bekannten Mobilfunkzellen sind mit aufwendigen und wenig variablen Antennen und Funkverkabelungen ausgestattet. Insbesondere sind die Kreuzdipolelemente der Streufeld-Empfangsantenne zweckentfremdet als Richtantenne aufgestellt. Mit dem neuen Verfahren: a) wird die Kreuzdipolanordnung der Empfangs- und Sendersektorantenne beseitigt; b) jedes einzelne Dipolelement wird mit einem kostengünstigen, flachen Schlitzantennenelement von weniger als 1 dm2 Fläche ersetzt; c) die neue Streufeld-Empfangsantenne besteht aus einem einzigen Schlitzantennenelement und d) die Anzahl der Schlitzantennenelemente der neuen Sendersektorantenne wird halbiert.
Mit gleichem Empfangssignalpegel wie an dem Mast wird das einzige Schlitzantennenelement der neuen Empfangsantenne nah an der Basisstation aufgestellt. Bei gleichbleibender unterer Keulenhälfte wird die halbierte Anzahl der Flachantennenelemente der neuen Senderantenne mit dem Außenmantel eines hohlen Leichtbaumastes integriert. In dem Masthohlraum können Teilanlagen der Basisstation untergebracht werden. Daher wird der auffallende, heutige Antennenmastaufwand samt Verkabelungsaufwand vermieden. Die Standortaquisition wird erleichtert und die kostengünstigere Verdichtung der Funkzelle wird ermöglicht. Damit wird auch die Senderemission aus dem Mast und die Nahfeldstrahlung der Mobilfunktelefone erheblich bis unter den Unbedenklichkeitspegel verringert.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Antennenanordnung zum Einsatz vorzugsweise in einem Mobilfunksystem. Mit dem neuen Verfahren werden die aufwendigen Kreuzdipolelemente beseitigt. Jedes Dipolelement wird durch eine einfaches und kostengünstiges flaches Schlitzantennen-Element ersetzt. Die neue Streufeld-Empfangsantenne besteht aus einem einzigen Schlitzantennenelement und wird bei gleichbleibender Signalstärke wie am Mast, nah an der Basisstation aufgestellt. Damit wird die neue Sektorsenderantenne kostengünstiger mit einem einzigen Funkkabel an die vom Mast entfernte Basisstation angeschlossen. Bei gleichbleibender unterer Keulenhälfte der Richtsenderantenne wird die Anzahl der neuen Schlitzantennen-Elemente halbiert. Erheblich verkleinert, können die neuen Sender-Sektoranntennen mit dem Aussenmantel eines hohlen Leichtbaumastes integriert werden. In den Masthohlraum können somit Teilanlagen der Basisstation untergebracht werden. Daher wird der auffallende Antennenmastaufwand verrmieden. Die Standortaquisition erleichtert und die kostengünstigere Verdichtung der Funkzelle ermöglicht. Damit wird auch die Sendermastemission und die Nahfeldstrahlung der Mobilfunktelefone erheblich, bis unter den Unbedenklichkeitspegel verringert.

Stand der Technik

Ein und dasselbe Mobilfunktelefon kann am selben Ort, auch im Freien mit unterschiedlicher Stärke strahlen, je nachdem an welchem Mobilfunknetz es angeschlossen ist. Abgesehen von dem Funkschatten im Mauerwerk, kann die unterschiedliche Stärke der Handystrahlung mehr als den Faktor zehn betragen, auch in dicht bevölkerten Stadtgebieten.

Offensichtlich hängt der unterschiedliche Strahlungspegel der Handys vorwiegend von der Grösse der Funkzelle eines Mobilfunkbertreibers am Ort der Mobilfunktelefone und nicht, wie meistens angenommen wird, von dem Mobiltelefon selbst ab.

Im Allgemeinen deutet die Erfahrung im Stadtgebiet daraufhin, daß je weiter ein Handykunde von der Empfangsantenne seines Mobilfunkbetreibers entfernt ist, desto mehr muss sein Handy strahlen um die Funkverbindung herzustellen.

Obwohl die Leistung des Funksenders eines Handys auf ein bis einige Watt begrenzt ist, ist der Strahlungspegel des Handys, wegen der Nähe zu dem empfindlichen Kopforganen nicht unbedenklich.

Die erhöhte Strahlung ist auf das Bestreben einiger Mobilfunkbetreiber zurückzuführen, um eine grosse Anzahl von Handykunden pro Funkzelle zu bedienen. Dies ist wegen der kostspieligen Suche nach einem geeigneten Standort und wegen des grossen funktechnischen und elektronischen Aufwands der Basisstation einer Funkzelle bedingt.

Damit geht die Planung der Anzahl der Funkzellen, nach vertretbaren, wirtschaftlichen Gesichtpunkten, häufig auf Kosten der Handykunden. Das gesundheitliche Risiko ist erhöht, wegen der erhöhten Handystrahlung in grossräumigen Funkzellen.

Strahlungsmindernd für die Mobiltelefone wirkt dagegen die Verdichtung der Funkzellen. Dies ist aber sehr kostspielig, hauptsächlich wegen des tonnengewichtigen und voluminösen Aufwands der vermittlungs- und elektronischen Anlagen der Basisstationen.

Solche Anlagen der Basisstationen können selten in der Nähe der Antennenmasten auf den Dach platziert werden. Es müssen daher kostspielige Kabel- und/oder Richtfunkanlagen verwendet werden, um die Funkverbindung der Basisstation mit dem Antennenmast herzustellen.

Es muss in dieser Hinsicht erwähnt werden, daß die jetzigen Mobilfunkantennen einige überflüssige und zweckentfremdende Anteile vorweisen.

Die Mobilfunkantennen bestehen aus mehreren Kreuzdipolelementen. Jedes Element beinhaltet einen Sender- und ein Empfangsdipol. Beide Dipole sind in Kreuzrichtung angeordnet, um eine Isolation von ca. 30 dB zwischen dem schwachen Empfangs- und dem starken Sendersignal zu erreichen.

Die Kreuzdipolelemente sind senkrecht angeordnet, um eine senkrechte Richtcharakteristik der gesamten Antenne zu erlangen. Zur Unterstützung des Richtantennestrahls sind die Sender- und Empfangsdipole für unterschiedliche Signalstärken verdrahtet, mit maximaler Signalstärke in der Mitte der Antenne.

Obwohl die Richtstrahlanordnung der Senderdipole für die Beleuchtung eines Sektors der Funkzelle dient, ist die Richtstrahlanordnung der Empfangsdipole total zweckentfremdet.

In der Tat bestehen die Empfangssignale aus den Mobiltelefonen aus Streufeld. Besonders in Stadtgebieten gibt es keinerlei Sichtverbindung zwischen Handys und Antennenmast. Das mehrmals reflektierte Handysignal kann den Antennenmast aus irgendeiner Richtung erreichen.

Daher bleibt das Richtstrahlmerkmal der Streufeld-Empfangsantenne total zweckentfremdet. Es fehlt somit jede Grundlage um Empfangs- und Senderantenne wie im Radar zusammenzustellen.

Es ist in dieser Hinsicht klarzustellen, daß die Verdrahtung der Kreutzdipolelemente bewirkt, daß das von einem Dipolelement empfangene Signal sich zwischen die Empfangsbuchse der Antenne und alle anderen Empfangsdipolelemente verteilt. Diese wiederum strahlen den zugeleiteten Anteil der empfangenen Signale eines Dipolelements wieder aus.

Daher wird der größte Anteil der von einem Dipolelement empfangenen Signale wieder ausgestrahlt. Mehrere oder sogar endlose, zueinander verdrahtete Empfangsdipole können daher nicht mehr Signale an die Antennenbuchse leiten, als ein einziges Dipolelement.

Im Bezug auf die Funkverkabelung der Basisstationen spielt die niedrige Kabeldämpfung eine wesentlich grössere Rolle für das Empfangssignal, nicht aber für das Sendersignal. Es wird dieselbe Funkkabelung im Diplexverfahren trotzdem sowohl für den Sender-, wie auch für die Empfangsantenne verwendet.

Es handelt sich um 7/8'' bis 1 5/8'' Kabel der Durchmesser 2,8 cm bis 5 cm. Für einen Mast mit 3 Sektorantennen bedeutet dies den kostspieligen Aufwand von sechs dieser verlustarmen und volüminosen Kabeln.

Seit über einem Jahrzehnt sind die aufwendigen Antennen und Funk verkabelungen zu den Basisstationen, wie bei Beginn des Mobilfunkbetriebes, unverändert geblieben.

Ausser der unveränderten Antennenmastemission und der Mobiltelefonfunk strahlung, nimmt die aufwändige Antennenmasstkonstruktion auffallende Formen und Dimensionen an. Damit wird das bauliche Bild der Städte extrem beinträchtigt.

Aufgabenstellung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine vereinfachte, funktechnische Nachbesserung der Mobilfunkzelle zu erstellen.

Neben der erheblichen Verringerung der Antennenmastemission und der Funkstrahlung der Handys, soll damit, auch die aufwändige Antennenmast konstruktion und die Beinträchtigung des Stadtbildes vermieden werden.

Dieses Problem wird durch das im Patentanspruch 1 bis 11 ausgeführte Verfahren gelöst, mit welchem

  • a) die Kreuzdipolanordnung der Empfangs- und Sendersektorantenne beseitigt wird;
  • b) jedes einzelne Dipolelement wird mit einem kostengünstigen, wenige cm dicken Schlitzantennenelement ersetzt;
  • c) die neuen Streufeld-Empfangsantennen bestehen aus einem einzigen Schlitzantennenelement und
  • d) die Anzahl der Schlitzantennenelementen der neuen Sendersektorantennen wird, im Vergleich zu den Kreuzdipolelementen, halbiert.

Wie bereits ausgeführt, die Kreuzdipolanordung der Empfangs- und Senderdipole dienen nur zur Isolation, zwischen dem schwachen Empfangs- und dem starken Sendersignal.

Wegen der Streufeldeigenschaft der Empfangssignale kann die Empfangsantenne getrennt von der Senderantenne angeordnet werden. Im Vergleich zu den Kreuzdipolen wird damit ein höherer Isolationsgrad zwischen Empfangs- und Senderantenne erreicht.

Die vorliegenden Schlitzantennenelemente sind aus der Offenlegungsschrift des Deutschen Patentamtes DE 103 21 671 A1 2004.12.02 und des Internationalen Aktenzeichen PCT/EP2004/004584 entnommen.

Wie aus der genannten Patentschrift in 4 dargestellt, handelt es sich um ein geschlitztes Flachanntennenelement von ca. 2 cm Dicke und von weniger als 1 dm2 Fläche.

Die Schlitzantennenelemente decken breitbändige Frequenzbereiche zwischen 300 MHz bis 3 GHz. Insbesonders decken sie die Mobilfunk Frequenzbereiche GSM900, GSM1800 und UMTS mit einer Rückflussdämpfung > 14 dB (Welligkeit < 1,5) ein.

Genauso wie die Dipolelemente können die Schlitzantennenelemente für die Bildung der Sektorantennenkeule angeordnet werden.

Das Strahlungsvermögen der Schlietzantennen wurde im Vergleich zu den Dipolantennen unter gleichen Bedingungen gemessen. Zwischen beiden Antennenarten gibt es keinen relevanten Strahlungsunterschied.

Der Vorteil der Schlietzantennen liegt in den wesentlich niedrigeren Abmessungen, Gewicht, Herstellungskosten und vorzüglicher Anpassung an die Standort gegebenheit.

Hinsichtlich der Trennung der Empfangs- von der Senderantenne ist noch klar zu stellen, daß das Streufeldsignal aus den Handys sich grossräumig verteilt. Auch in Entfernung von einigen hundert Metern von dem Antennenmast, behält das Streufeldsignal die gleiche Stärke und Struktur wie bei dem Antennenmast selbst.

Somit wird nach Anspruch 1, 5 der vorliegenden Erfindung die neue Empfangsantenne getrennt von der Sendersektorantenne angeordnet. Die neue Empfangsantenne bestehend aus einem einzigen Schlitzantennenelement, wird an einem günstigen Platz in unmittelbarer Nähe der Basisstation angebracht.

Das vorliegende Schlitzantennenelement kann, je nach Lage des Standorts der Basisstation, auch im Innenraum eines Gebäudes angebracht werden. Die einzige Bedingung ist, daß das Empfangselement dasselbe Streusignal liefert, wie das bisherige Kreuzdipol auf dem Dach.

Erfahrungsgemäß kann der empfangene Streusignalpegel, je nach Lage der vorliegenden Empfangsantenne, z. B. im Parterre, gleich wie das Signal auf dem Dach sein

Im Vergleich zu den Kreuzdipolelementen wird der neue Sektorantennesender, bei gleichbleibender unterem Keulenhälfte, mit halbierter Anzahl der neuen Schlitzantennen-Elemente hergestellt.

Erheblich verkleinert können die neuen Sender-Sektoranntennen in einen weniger cm dicken (2 bis 3 cm) Aussenmantel eines hohlen GfK-Leichtbaumastes integriert werden. In den Masthohlraum können Teilanlagen der Basisstation untergebracht werden.

Damit erlaubt die vorliegende Erfindung die einfache und kostengünstige neue Ausstattung, sowohl der Funkverkabelung, wie auch der getrennten Empfangsantenne und des Sendersektormastes zu erstellen.

Die Funkverkabelung kann einfach mit einem preisgünstigen und platzmindernden 1/2'' Kabel von ca. ein cm Durchmesser, für jede Sender-Sektorantenne erfolgen. Für das Empfangs-Schlietzantennenelement sind die Verkabelungskosten zu der nahliegenden Basisstation unbedeutend.

Und überhaupt sind die Kosten für den hohlen Sendermast enorm reduziert. Sämtliche Sendersektorantennen eines Mobilfunkbetreibers können innerhalb eines Abschnittes von 1/2 Meter des Aussenmantel eines Hohlmastes integriert werden.

Insgesamt können mit Hilfe der vorliegenden Erfindung Volumen und Kosten der heutigen Sektorsenderantennen bis auf ein zehntel reduziert werden.

Daher gleichen sich die Mehrkosten für die Verdichtung der Mobilfunkzellen mit der Kostenreduzierung der Standortaquisition und dem Aufbau der einzelnen Funkzellen aus.

Trotz der Verdichtung der Mobilfunkzellen, vermeidet die nicht auffällige, einfache Konstruktion der vorliegenden Flachantennestruktur jegliche Beinträchtigung des Stadtbildes.

Mit der Verdichtigung der Funkzellen verringert sich die Basissenderemission und die Nahfeld-Funkstrahlung der Mobilfunktelefone erheblich. Je nach Verdichtung der Funkzellen kann somit die Funkstrahlung der Mobiltelefone bis 30 dB, d. h. bis zu einem Faktor 1000 unten des beobachteten höchsten Pegel verringert werden.


Anspruch[de]
Funktechnische Nachbesserung der Mobilfunkzellen zum Einsatz in einem hochfrequenten Übertragungssystem, insbesondere in einem Mobilfunksystem, umfassend:

die Trennung der Empfangs- und der Sendersektorantenne einer Mobilfunkkreutzdipolantenne, und

jedes einzelne Dipolelement wird mit einem kostengünstigeren, wenige cm dicken Flachantennenelements ersetzt,

wobei die neuen Empfangsantennen aus einem einzigem Antennenelement bestehen und die Anzahl der Antennenelemente der neuen Sendersektor antenne halbiert wird.
Funktechnische Nachbesserung der Mobilfunkzellen gemäß Anspruch 1, wobei die flachen Antennenelemente bevorzugterweise aus Schlitzantennenelemente bestehen. Funktechnische Nachbesserung der Mobilfunkzelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die flachen Antennenelemente aus der Offenlegungsschrift des Deutschen Patentamtes DE 103 21 671 A1 2004.12.02 entnommen werden. Funktechnische Nachbesserung der Mobilfunkzelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Isolation zwischen Sender- und Empfängerantennesignale, durch die Beseitigung der aufwendigen Kreuzdipolanordnung der bisherigen Mobilfunksektorantenne, verbessert wird. Funktechnische Nachbesserung der Mobilfunkzelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die aufwändige Funkverkabelung der bisherigen Sektorantennen durch die Aufstellung eines Empfangs-Flach antennenelements, unmittelbar nah an die Basisstation beseitigt wird. Dabei bleibt der Streufeldsignalpegel gleich wie bei der ersetzten Kreutzdipolantenne. Funktechnische Nachbesserung der Mobilfunkzelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der neuen Elemente der Sendersektorantenne, bei gleichbleibender unterer Keulenhälfte, halbiert wird. Funktechnische Nachbesserung der Mobilfunkzelle gemäß den vorangehenden Ansprüchen, wobei die unnötige aufwendige und kostspielige Verkabelung der bisherigen Sendersektorantenne durch die einfache und preigünstige 3/8'' oder 1/2'' Funkkabelung der neuen Sendersektorantenne beseitigt wird. Funktechnische Nachbesserung der Mobilfunkzelle gemäß den vorangehenden Ansprüchen, wobei sämtliche Sendersektorantennen eines Mobilfunkbetreibers in den ca. 2 cm dicken Aussenmantel des Hohlmastes integriert werden. Die Sendersektorantenne beansprucht nur 1/2 Meter Abschnitt des Aussenmantels. Funktechnische Nachbesserung der Mobilfunkzelle gemäß der vorangehenden Ansprüche, wobei Volumen und Kosten der heutigen Sektorsenderantennen bis auf ein zehntel reduziert werden. Daher gleichen sich die Mehrkosten für die Verdichtung der Mobilfunkzellen mit der Kostenreduzierung der Standortaquisition und dem Aufbau der einzelnen Funkzellen aus. Funktechnische Nachbesserung der Mobilfunkzelle gemäß den vorangehenden Ansprüchen, wobei mit der Verdichtung der Funkzellen verringert sich die Sendersektorantennen-Emission und die Nahfeld-Funkstrahlung der Mobilfunktelefone erheblich. Je nach Verdichtungsgrad der Funkzelle kann somit die Funkstrahlung der Mobiltelefone bis 30 dB, d. h. bis zu einem Faktor 1000 unter den z.Z. beobachteten höchsten Pegels verringert werden. Funktechnische Nachbesserung der Mobilfunkzelle gemäß den vorangehenden Ansprüchen, wobei je nach Gegebenheit des Standortes, die vier oder fünf Flachsenderelemente einer Sektorschlitzantenne z. B. auch auf eine vorhandene Wand angebaut werden. Es ist somit möglich die durch die heutigen Antennenmasten verursachte Verzerrung der Stadtbilder zu vermeiden.






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