CC BY
90
АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И СРЕДСТВА СВЯЗИ
УДК 621.396.67 Л.В. Бондаренко
БОНДАРЕНКО ЛЮДМИЛА ВАСИЛЬЕВНА - доцент кафедры электроники и средств связи Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
E-mail: LVBBLV@yandex.ru
АДАПТИВНЫЕ АНТЕННЫ
Рассмотрено одно из направлений по увеличению скорости передачи данных в беспроводных сетях. Приведены результаты расчета кольцевой адаптивной антенны, которая может быть использована в базовых станциях сотовой связи.
Ключевые слова: антенная решетка, диаграмма направленности, адаптивная антенна.
Adaptive aerials. Ludmila V. Bondarenko, School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
The article deals with one of the investigations aimed to increase the speed of data transmission in wireless networks. It presents the results of the calculation of a ring adaptive aerial which can be used in base stations of cellular communication.
Key words: an antenna lattice, the diagram of an orientation, the adaptive aerial.
В связи с тем что число пользователей сотовой связи быстро растет, затрудняется распространение радиоволн, ухудшается помеховая обстановка. Это может привести к уменьшению скорости передачи данных. Один из путей увеличения скорости передачи данных в беспроводных сетях - это снижение количества повторных передач данных, которое обычно происходит при слабом радиоприеме. Недорогой путь улучшения качества сигнала - сконструировать антенну, которая передает основную мощность в заданном направлении. Для данного пользователя базовая станция или терминал выбирает наилучший луч в многолучевой антенне либо луч внутри сектора ориентируется с помощью процессора в нужном направлении. Переключение лучей позволяет уменьшать или увеличивать усиление, но только в направлении, где эти лучи существуют, а плавное сканирование дает существенные преимущества для точного наведения на пользователя или на базовую станцию.
© Бондаренко Л.В., 2013
Подавление помех может происходить за счет формирования нулей в направлении их прихода. Антенны, в которых таким образом осуществляется подавление помех, называются адаптивными.
Сканирование диаграммы направленности можно осуществить электромеханическим перемещением антенны или электронным способом. Антенны с электронным (программным) способом изменения положения луча в пространстве можно отнести к интеллектуальным антеннам.
В общем случае интеллектуальную антенну можно представить в виде четырех основных компонентов: группы излучающих элементов, радиоблока, диаграммообразующей схемы (ДОС) и блока управления, который и играет роль «интеллекта» антенны.
Группа излучателей, взаимное расположение которых в общем случае может быть и неравномерным, представляет собой антенную решетку. Наиболее простая антенная решетка -линейная, излучатели которой расположены на одной оси с одинаковым шагом (рис. 1, а).
Главное направление излучения такой решетки перпендикулярно осевой линии центров элементов, что позволяет сформировать диаграмму направленности в заданном угловом секторе только в горизонтальной плоскости (по азимуту). В макросотах этого вполне достаточно. Антенна для сектора в 120° содержит, как правило, от 4 до 8 элементов, входы и выходы которых объединены в диаграммообразующей схеме с фазовращателями и аттенюаторами для адаптивного управления. Коэффициент усиления такой антенны с 2 элементами равен 15 дБ, с 8 элементами максимальное усиление составляет 24 дБ. Диаграмма направленности такой сканирующей антенны изображена на рис. 2, а.
Для формирования диаграммы направленности для любых азимутальных углов применяются антенны, состоящие их трех антенных решеток. Основные элементы, образующие антенну, показаны на рис. 2, б. Антенна имеет 12 рядов излучателей, в каждом из которых по 8 элементов. Каждый ряд представляет собой линейную решетку печатных диполей. Центральные 8 рядов - с активными элементами, остальные 4 ряда - с пассивными. Узкий луч с высоким усилением образован за счет суммирования сигналов со всех рядов. Размер антенны для частоты 3,5 ГГц составляет 0,7*0,6 м.
V
а)
Рис. 2. Адаптивная антенна базовой станции: а - диаграмма направленности с сектором сканирования 120; б - построение антенны, состоящей из трех сканирующих панелей: 1 - адаптивно сформированный луч; 2,3 - крайние положения луча в секторе перекрытия; 4 -помеховый сигнал; 5 - сектор сканирования 120; 6 - абонентский терминал; 7 - антенная решетка, 8 - диаграммообразующая схема
Рис. 1. Антенная решетка: а - линейная антенная решетка; б - круговая антенная решетка
Круговая антенная решетка (рис. 1, б) также позволяет сформировать диаграмму направленности для любых азимутальных углов. В процессе движения луча происходит изменение и амплитуд, и фаз токов в излучателях. В качестве такой антенны можно использовать кольцевую антенну [1, с. 214]. Амплитудное распределение в этой антенне подбирается таким образом, чтобы питание каждого излучателя было пропорционально той доле, которую он вкладывает в суммарное излучение антенны. Такой режим питания обеспечивает максимальную направленность антенны.
90
120
150
Р( ф) 180
210
60
30
330
240 ----- 300
270
) 180
270 ®
90
0
0
ф
б а
Рис. 3. Диаграмма направленности вертикального дипольного излучателя с металлическим рефлектором: а - в горизонтальной плоскости; б - в вертикальной плоскости
Излучатели могут быть как дипольными, так и микрополосковыми. На рис. 3 приведена диаграмма направленности вертикального дипольного излучателя с металлическим рефлектором.
0.8
0.6
|р(ф) 10.4
0.2
10
10
5
5
а б
Рис. 4. Диаграмма направленности кольцевой адаптивной антенны: а - в полярной системе координат; б - в прямоугольной системе координат
Рис. 5. Диаграмма направленности кольцевой адаптивной антенны с подсканированием
Возможность размещения различного оказывают слабое влияние друг на друга [4, с.
Диаграмма направленности кольцевой адаптивной антенны с равноамплитудным распределением, состоящей из 32 диполей, рассчитана на частоте 935 МГц и показана на рис. 4, 5. Радиус такой антенны равен 0,82 м, расстояние между излучателями по окружности - 0,16 м. Излучающий участок находится в пределах угла, равного 150°. Коэффициент усиления составил 26 дБ. Выбор кольцевой антенны в качестве базовой станции связан со сканирующими свойствами данной антенны.
Достоинства такой антенны следующие [2, с. 12].
Возможность широкоугольного (360°) сканирования лучом неизменных ширины и формы в азимутальной плоскости (в плоскости дуги), при высоком коэффициенте усиления.
числа излучателей, при этом излучатели
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вендик О.Г., Парнес М.Д. Антенны с электрическим сканированием: введение в теорию / под. ред. Л.Д. Бахраха. М.: Радио и связь, 2001. 252 с.
2. Воскресенский Д.И. Антенны с обработкой сигнала: уч. пособие для вузов. М.: САИНС-ПРЕСС, 2002. 80 с.
3. Воскресенский Д.И., Степаненко В.И., Филиппов В.С. и др. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: уч. пособие для вузов / под ред. Д.И. Воскресенского. 3-е изд., доп. и перераб. М.: Радиотехника, 2003. 632 с.
4. Филиппов В.С., Пономарев Л.И., Гринев А.Ю. и др. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: уч. пособие для вузов / под ред. Д.И. Воскресенского. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Радио и связь, 1994. 592 с.
