CC BY
269
УДК 621.396.67
АНТЕНЫ ДЛЯ ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ СОТОВОЙ
СВЯЗИ
Глоба Максим Дмитриевич
Студент 2 курса кафедры Агроинженерия Красноярского государственного аграрного университета Ачинский филиал Россия, город Ачинск Наслузова Ольга Ильинична к.т.н., доцент кафедры Агроинженерия Красноярского государственного аграрного университета Ачинский филиал Россия, город Ачинск
Аннотация: В статье ставится задача изучить антенны сотовой связи и их основные характеристики. На основе анализа литературы по данной теме названы основные типы антенн. Рассмотрены области применения различных антенн в сотовой связи.
Ключевые слова: антенна, сотовая связь, базовая станция, частотный диапазон, omni-антенна, диаграмма направленности, поляризация, коэффициент направленного действия, эффективная изотропно-излучаемая мощность.
ANTENNA FOR RECEPTION AND BROADCASTING JF CELLULAR
PHONE SIGNALS
Maksim D. Globa
Student 2 courses of department of Agroengineer of Krasnoyarsk state agricultural university Achinsk branch Russia, city of Achinsk Olga I. Nasluzova PhD, Associate Professor of Agroengineer of the Krasnoyarsk State Agrarian University Achinsk branch Russia, the city of Achinsk
Abstract: This paper is devoted to investigation of cellular phone antennae and their main characteristics. Based on analysis of literature data basic types of antennae are described. Fields of use of the different antennae are considered
Keywords: antenna, cellular phone, the base station, the frequency range, the omni-antenna, the figure orientation, polarization, the coefficient of directed action, effective isotropic radiated power.
Мобильный телефон, смартфон, планшет и т.д. самые популярные гаджеты на сегодня. Все они представляют собой компьютеры, которые принимают и передают радиоволны [1]. Мобильный телефон посылает радио сигналы на ближайшую базовую станцию, которая удалена от телефона не более чем 35 км. Базовая станция в ответ тоже посылает сигналы на телефон. Прием и отправление сигналов не возможно без антенн. Качество связи зависит от свойств антенны, которая находится внутри мобильного устройства, а так же от передающих антенн сотовой связи на базовой станции [2]. В этой статье рассмотрим виды антенн сотовой связи. Антенна это устройство, предназначенное для излучения или приёма электромагнитных волн. Сотовая связь заключается в том, что территория, например, города делится на зоны покрытия базовых станций, которые называются сотами. На базовых станциях находятся приемопередатчики радиосигнала, работающие в одном и том же частотном диапазоне. Антенна Базовой Станции разделена на несколько секторов, каждый из которых «светит» в свою сторону. Вертикальная антенна осуществляет связь с телефонами, круглая соединяет Базовую Станцию с контроллером:
В системах сотовой связи используются следующие типы антенн:
1. Панельные секторные антенны БС
2. Всенаправленные антенны БС
3. Параболические антенны для РРЛ пролетов и спутниковой связи
4. Логопериодические антенны для репитеров
Все типы представленных антенн имеют ряд отличительных характеристик, которые определяют область их применения и используются при разработке систем [3,4]. Рассмотрим основные характеристики.
1. Рабочий частотный диапазон - определяет, какие частоты данная антенна может пропускать и принимать. В зависимости от типа антенны этот диапазон может быть от нескольких килогерц до сотен мегагерц.
2. Диаграмма направленности - отражает, в каких направлениях будет излучаться сигнал, и с какой силой. Так всенаправленная антенна имеет круговую диаграмму направленности, т.к. сигнал излучается во всех направлениях с одинаковой мощностью.
3. Поляризация - определяет, в какой плоскости (плоскостях) будет излучаться сигнал.
4. Коэффициент направленного действия - отношение мощности излучаемого сигнала в заданном направлении к мощности сигнала, если бы антенна излучала по всем направлениям. Эта характеристика описывает способность антенны излучать энергию сигнала в заданном направлении.
5. Коэффициент усиления - также характеризует способность антенны излучать энергию сигнала в определенном направлении, но при этом еще учитывает ослабление сигнала в элементах антенны. Обычно при описании характеристик используют именно этот параметр.
6. Эффективная изотропно-излучаемая мощность - показывает мощность, которую должна излучать всенаправленная антенна вместо данной антенны, чтобы в направлении основного лепестка направленности при приеме уровень сигнала был бы таким же.
Кроме этих существуют еще множество других характеристик, некоторые из которых могут быть применены только к определенному типу антенн, а некоторые ко всем без исключения. Также принимаются во внимание различные физические характеристики: вес, габариты, форма антенны, от которой зависит парусность.
Рассмотрим типы антенн.
Логопериодические антенны - это достаточно распространенный тип антенн. Главной их особенностью является возможность принимать и передавать сигнал в определенном направлении в широком диапазоне частот. Логопериодические антенны широко используются в бытовых целях в качестве антенны для приема телевизионного сигнала. В сотовой связи антенны этого типа нашли применение в качестве донорных антенн при строительстве репитеров, т.к. она может принимать сигнал сразу нескольких частотных диапазонов, например, 900, 1800 и 2100
МГц. Диаграмма направленности логопериодической антенны представляет собой нечто среднее между широкой диаграммой панельной антенны и игольчатой - для параболической. Это свойство позволяет устанавливать связь с нужной базовой станцией (БС) без точной настройки пролета как это требуется для антенны РРЛ. Причем расстояние до сервирующей БС может достигать нескольких километров. Внешне логопериодическая антенна представляет собой расположенный горизонтально несущий стержень с установленными перпендикулярно к нему небольшими стержнями, называемыми вибраторами. Причем длина их и расстояние между ними уменьшается по логарифмическому закону от основания к концу, откуда и название этого типа антенн. Данные вибраторы выполняют основную роль по передачи и приему радиосигнала. Рабочий диапазон частот определяется наибольшей и наименьшей длинной вибраторов. Некоторые типы антенн поддерживают рабочий диапазон от десятков МГц до десятков ГГц. С целью защиты от внешних воздействий логопериодическая антенна может помещаться в защитный пластиковый корпус, напоминающий чулок.
Параболические антенны применяются для организации транспортных каналов для базовой станции (БС). Они используются в радиорелейных линиях (РРЛ) связи, гораздо реже - в спутниковых. Параболическая антенна состоит из двух основных элементов: зеркало параболической формы и излучатель на некотором расстоянии от зеркала, который передает и принимает излучаемый сигнал. Принцип работы параболической антенны основан на том, что все лучи, попадающие на зеркало, фокусируются в единой точке - фокус параболы, где располагается приемник сигнала. В тоже время все излученные из фокуса лучи будут передаваться в едином направлении. Главной особенностью параболической антенны является игольчатая диаграмма направленности, характеризуемая длинным и узким основным лепестком. По своей конструкции параболические антенны могут довольно сильно отличаться друг от друга. На это влияет множество параметров такие, как используемый частотный диапазон, излучаемая мощность, расстояние между объектами, емкость канала связи и многое другое. В случае, если параболическая антенна используется в РРЛ, то антенна обычно помещается в специальный защитный пластиковый корпус, который препятствует воздействию внешних негативных условий. Диаметр зеркала параболической антенны может быть от 30 см, до нескольких метров. Частота также может быть выбрана из широкого диапазона в диапазоне от 3 до 40 ГГц. Обычно руководствуются правилом: чем больше длинна РРЛ пролета, тем ниже используется частота и больше диаметр антенны.
Рисунок 1. Внешний вид логопериодических антенн.
Рисунок 2. Параболические антенны внешний вид.
Одним из возможных типов антенн, через которые реализовано радио соединение между мобильной станцией (MS) и базовой станцией (БС) является всенаправленная или omni-антенна [5]. Основным отличием всенаправленных или как их еще называют не направленных антенн от секторных - это отсутствие какого-либо приоритетного направления излучения сигнала. Подводимый от базовой станции радиосигнал излучается во все направления с равной мощностью. Поэтому omni-антенна имеет круговую диаграмму направленности. Из-за внешнего вида всенаправленные антенны еще называют штыревыми. В данном конструктивном исполнении она представляет собой металлический стержень, иногда размещенный в пластиковом корпусе, который препятствует коррозии. Также иногда используется конусообразный обтекаемый корпус, который крепится либо к потолку острием вниз, либо к любой другой плоской поверхности острием вверх. Конкретное исполнение антенны зависит лишь от места установки и не влияет на характеристики антенны.
В отличие от панельных антенн omni-антенны используются для покрытия меньших территорий. Это объясняется, что излучаемая мощность базовой станции передается не отдельный сектор 30-60 градусов, а во всех направлениях. Однако область покрытия может достигать нескольких десятков квадратных километров.
Рисунок 3. Типы отш-антенн
Панельные антенны наиболее распространенные в сотовой связи. Они используются как секторные антенны, предназначенные для организации покрытия в заданной области [6,7]. Именно через них излучается сигнал к мобильным станциям абонентов и принимается от них. Антенная решетка панельных антенн представляет собой набор диполей расположенных
вертикально друг под другом. Обычно они размещаются в два столбца в левой и правой частях антенны. Тем самым реализуется пространственное горизонтальное разнесение. Этим достигается улучшение качества сигнала в направлении uplink. При этом каждый столбец диполей подключается с помощью отдельного фидера к отдельному входу оборудования БС. В зависимости от поляризации диполи могут располагаться вертикально, горизонтально, с 45 градусным наклоном к вертикали. Также могут быть установлены кросполяризованные антенны, тогда диполи будут устанавливаться Х-образно в обоих столбцах.
Для улучшения качества сигнала в направлении uplink также применяется поляризационное разнесение. При этом сигнал от мобильной станции принимается через две антенны с разной поляризацией диполей, обычно взаимно перпендикулярной. Для экономии, решетки объединяются в единый корпус что дает еще несколько вариантов антенных решеток: с вертикальной - в одной и горизонтальной - в другой поляризацией, а также с наклонами +45 и -45 градусов.
X X
X X
X X
X X
X X
X X
X X
X X
Х-попяризация вертикальная
поляризация
Рисунок 4. Антенная решетка панельных антенн
В настоящее время выпускается большое число различных типов панельных антенн. Наиболее существенные их различия заключаются в диаграмме направленности данных антенн. Раскрыв основного лепестка может различаться от 30 до 90 градусов, но в среднем 60-75 градусов. Также важным свойством является наклон антенны, который может быть механическим - изменяется за счет регулировки верхнего крепления панельной антенны и электрическим - зависит от наклона диполей. Также в саму конструкцию антенны уже может быть заложен наклон относительно горизонтали.
Наряду с диаграммой направленности важной характеристикой антенны является рабочий частотный диапазон. Это может быть: 800, 900, 1800, 1900, 2100, 2400 МГц и др. На многих базовых станциях используется не один диапазон, а сразу два (900МГц и 1800МГц) или даже 3 с учетом системы 3G (2100 МГц). Специально для таких случаев созданы совмещенные 2-х или 3-х диапазонные антенны. Причем они могут быть в различных комбинациях, с и без поляризационного или пространственного разнесения, с различными углами наклона, что дает в итоге десятки или даже сотни различных комбинаций.
Список литературы:
1. Wheeler HA, "Fundamental Limitations of Small Antennas" , Proceedings of the IEEE, vol. 69, December 1947.
2. Gary Legg "Embedded Antennas: Get the Signal", EDN, 8 August 2002
3. Pekka Salonen, Miko Keskelammi, Lauri Sydanheimo "Antenna design for wearable applications", Tampere University of Technology, 2004 ( http://www.mobile-review.com/articles/2004/intantenna.shtml).
4. Lesly J. Reading "Designing Dual-Band Internal Antennas", EDN, 8 November 2001
5. Chu LJ, "Physical limitations of Omni-Directional Antennas", Journal of Applied Physics, vol. 19, December 1948.
6. http://chipnews.com.ua/html.cgi/arhiv/01_10/st-03.htm
7. http://www.chip-news.ru/archive/chipnews/200302/7.html
