CC BY
24
НИЗКОПРОФИЛЬНАЯ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩАЯ АВТОМОБИЛЬНАЯ АНТЕННА ^СТЕМЫ МОБИЛЬНОГО РАДИОДОСТУПА
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10289
Гайнутдинов Тимур Аншарович,
МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
Федосеева Наталия Максимовна,
МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
Ключевые слова: штыревая антенна, заземленный петлевой вибратор, заземленный сдвоенный петлевой вибратор, заземленный учетверенный петлевой вибратор, двухзвенная схема согласования.
Автомобильные антенны являются одними из самых распространенных антенн диапазонов КВ и УКВ. Обычно такие антенны используются для приема радиовещательных сигналов или для ведомственной радиосвязи в узкой полосе частот. В работе предлагаются оригинальные конструкции приемо-передающих антенн, поддерживающих систему мобильного радиодоступа в диапазоне частот 140-160 МГц. Исследуются модификации петлевых вибраторов, заземленных на крышу автомобиля с высотой не более 30 см при расположении в различных местах крыши. Рассматриваются как вертикальный вариант расположения антенны, так и наклонный. Показано, что расположение вертикального вибратора на конце крыши является неудачным вариантом расположения антенны, в то время как наклонный вибратор обладает лучшим согласованием при том же вертикальном размере, что и вертикальный вибратор. При этом энергетический выигрыш по согласованию у наклонного вибратора существенно больше потерь по усилению по сравнению с вертикальным аналогом. Расположение модифицированных петлевых вибраторов в центре крыши обеспечивает наилучшие характеристики антенны, однако энергетический выигрыш по сравнению с наклонном вариантом, расположенным на конце крыши не превосходит 0.5 дБ при одном и том же вертикальном размере антенн. Для согласования модификаций петлевых вибраторов использовалась составная схема согласования, состоящая из параллельного контура, подключаемого параллельно входу антенны и трансформирующей Г-цепи. Показано, что подобные антенны имеют КСВ не более 2-3 при использовании простой схемы согласования и минимальным усилением в горизонтальной плоскости не менее -5 дБ.
Информация об авторах:
Гайнутдинов Тимур Аншарович, МТУСИ, доцент, к.т.н., Москва, Россия
Федосеева Наталия Максимовна, МТУСИ, магистрантка кафедры технической электродинамики и антенн, Москва, Россия
Для цитирования:
Гайнутдинов Т.А., Федосеева Н.М. Низкопрофильная приемо-передающая автомобильная антенна cистемы мобильного радиодоступа // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Том 13. №7. С. 40-47.
For citation:
Gainutdinov T.A., Fedoseeva N.M. (2019). The low profile car transceiver antenna system of mobile radio access. T-Comm, vol. 13, no.7, pр. 40-47. (in Russian)
w
Введение
Современные телекоммуникации невозможно представить б« интернета. ГС свете бурного роста услуг современных и кфо-Теле коммуникаций человеку интернет необходим всегда и везде, а зона покрытия мобильной связи в нашей стране весьма ограничена. Особенно отсутствие мобильной связи наблюдается в тех областях нашей страны, где располагаются малонаселенные пункты, в которых проживают люди с небольшим достатком, например огромная часть Сибири и Дальнего Востока[1]. Однако, в этих районах для обеспечения хоть какой-то транспортной доступности существует сеть железных дорог. Железнодорожная связь ведется в диапазоне частот 148-157 МГц [2] и если этот диапазон «слегка» расширить до 140-160 МГц, то на расстоянии хотя бы 30 км от железной дороги пользователь с соответствующей антенной сможет принять интернет-сигнал, причем возможность использовать существующие железнодорожные конструкции, особенно опоры, может существенно удешевить развертывание подобной сети мобильною радиодоступа. Учитывая сравнительно небольшую частоту для обеспечения интернет соединения мобильного абонента, на наш взгляд наилучшим вариантом выбора построения антенны пользователя должна быть автомобильная антенна, т.к. антенна, непосредственно переносимая самим пользователем будет неэргономична, а установка антенны на крыше дома лишит пользователя мобильности.
Главной целью исследования являлась разработка мало выступающей приемо-нередающей автомобильной антенны, обладающей удовлетворительный качеством согласования (КСВ < 3 при подключении к 50-Омному кабелю) в диапазоне 140-160 МГц, Такой диапазон, учитывая небольшое количество пользователей в зоне покрытия, может обеспечить скорость передачи информации до 1 Мбит/с,
Основная часть
Моделирование автомобильной антенны невозможно без Моделирования автомобиля. Моделирование легкового автомобиля производилось в расчетной программе Кеко [3]. Для построения модели использовалась модификация модели части автомобиля, входящей в стартовый пакет [3]. Разработанная модель автомобиля имеет следующие параметры: высота ¡.42 м размер крыши 1,47x1,13 м, размер багажника 1,67x0,6 м, размер капота 1,44x1,02 м. Изображение модели в расчетной среде |3| приведено на рис. 1. Предполагалось, что крыша, крыша багажника и кагют выполнены из идеального метала.
Решение задачи согласования, т.е. уменьшение КСВ в рабочей полосе частот, необходимо как для обеспечения электробезопасности передатчика и фидера, гак и для увеличения КПД всей антенной системы. Поскольку для беспроводных интернет сетей характерны невысокие мощности передатчика и, соответственно, вопросы электробезопасности не являются приоритетными, то ключевым с оговоркой о влиянии отраженной волны на режим работы передатчика, становится вопрос о повышении КПД антенн о-фидерной системы.
Эффективность передачи мощности в антенну принято характеризовать коэффициентом полезного действия (КПД), равным отношению мощности Р„. выделяемой в антенне, к мощности падающей волны Р,„ отдаваемой генератором в линию передачи [4], При пробеге полной линии длиной Ь часть мощности падающей волны теряется из-за затухания, поэтому мощность падающей волны у антенны оказывается
равной ре где величину называют коэффици-
п Л
ентом ослабления мощности падающей волны. Отражение падающей волны от антенны приводит к дополнительному уменьшению передаваемой в антенну мощности в
Г] = | - |у-> | раз, где р - коэффициент отражения от входа антенны, равный [и )<'(<? +2 ), где 2„х - входное
сопротивление антенны, а волновое сопротивление фидера, в нашем случае равное 50 Ом. Тогда КПД антенны, с учетом потерь в фидере, рассчитывается но формуле [4):
Р ы / , 4КБВе'"1
О)
Р ' (1 + Л"6В);
где КБВ - коэффициент бегущей волны антенны. Часто вместо КБВ пользуются обратной ему величиной, называемой коэффициентом стоячей волны (КСВ=1/КЬВ).
Поскольку в автомобильной антенне длина фидера, по попятным причинам, невелика, то потерями в фидере в первом приближении можно пренебречь. Тогда в формуле (1) при а = 0, получаем Г] = АКБВ!(\ + КБВ)1,
При КБВ = 1 / КСВ .получаем г] = 4< 1 / КСВ) / (1 +1 / КСВ)-. Используя элементарные арифметические преобразования, получаем следующую формулу, связывающую КСВ и КПД,
4 КСВ ,-п -----и)
(\ + КСВ?
На рис. 2 приведена зависимость КПД от КСВ. построенная по (2).
КПД1* !00г
т __
Рис, I. Модель автомобиля в расчетной программе
Рис. 2. Зависимость КПД от КСВ
Обеспечение низкого КСВ антенны является необходимой задачей построения любой ириемо-передаюшей антенны.
Из этою рисунка видно, что зависимость КПД от КСВ носит ярко выраженный нелинейный харакгер, т.е. при
7ТЛ
ленком в конце крыши. Естественно, это сравнение корректно при одних и тех же вертикальных размерах антенн.
Гораздо лучших результатов позволяет добиться применение в качестве автомобильных антенн таких модификаций петлевого вибратора как сдвоенный петлевой и учетверенный петлевой вибратор [8]. Расчетные модели автомобиля с установленным в центр крыши сдвоенным петлевым вибратором и учетверенным петлевым вибратором приведены на рис. 14 и рис. !5. Длина горизонтальной части антенн ¡0 см, толщина проводов 1 см.
Рис. 14, Сдвоенным петлевой вибратор в центре крыши
В таблице 7 приведены результаты расчета для удвоенного петлевого вибратора, а в таблице 8 для учетверенного.
Таблица 7
Сдвоенный петлевой вибратор в центре крыши
Высота [м] КУШ111 [дБ] КС В тах Су Лп[0Б]
0,3 418 1,КК 4.5 К
0,27 -4.63 2,93 5,S2
0,25 -4.9 6.76
ренного петлевого вибратора (рис. 16), как видно из приведенных ниже результатов расчета, сведенных в табл. 9 и 10.
Рис. 16. Учетверенный петлевой вибратор в задней части крыши
Таблица 9
Сдвоенный петлевой вибратор в конце крыши
Высота [м] КУМВИ [дБ] Втах gy фщ
0,35 -3,26 2,25 3,95
0,3 -3,56 3.5 5.Ifi
Таблица 10
Учетверенный пеглевой вибратор в конце крыши
Высота [м] [дБ] КСВтач Су А,\дБ]
0,3 -3,54 2,23 4,22
0.27 -3,66 1М 4.7ь
Более интересным является наклонный вариант расположения сдвоенного и учетверенного петлевого вибратора на конце крыши (рис. 17 и рис, 18 соответственно).
Высота [ м] КУ*„„ [дБ] КСВпщх су АЛ'Щ
0,27 -4,51 2,08 5.07
0,25 -4,8 5.74
0,23 -5,15 3.57 6.8
Зеленым цветом выделены варианты у которых при высоте антенны меньше или равной 30 см, характеристики направленности и согласования удовлетворяют требованиям предъявляемым к абонентским антеннам в системах мобильного радиодоступа.
Установка подобных вертикальных антенн в задней части крыши, на наш взгляд целесообразна только для учетве-
Рнс. 18. Наклонный учетверенный петлевой вибратор на конце крыши
Результаты расчета характеристик наклонных антенн, изображенных на рис. 17 и рис. 18 приведены в табл. 11 и 12 соответственно.
Таблица 8
Учетверенный петлевой вибратор в центре крыши
Таблица 11
Наклонный сдвоенный петлевой вибратор в конце крыши
Высота [м] КУ„н„ [ДБ] КСВтвд Су А,[дБ]
0,35 -4.03 1,8 4,39
ОЛ -4.25 2,8 5.35
Таблица 12
Наклонный учетверенный петлевой вибратор в конце крыши
Высота |м| КУЧОТ [дБ] KCBmas с) АХдБ\
0,27 -4, ГУ 2,45 5.13
(1.25 -4.3 2.9 5.41
Из этих результатов видно, что при установке в конце крыши наклонный вариант исполнения модифицированных петлевых вибраторов позволяет обеспечить выполнение всех требований предъявляемых к абонентским антеннам систем мобильного радиодоступа при вертикальном размере антенны меньшем 30 см, а в случае и учетверенного петлевого вибратора и меньше 27 см.
Заключение
Таким образом, задачу построения эффективной, сравнительно невысокой при ем о-передаю щей автомобильной антенны системы мобильного радиодоступа в диапазоне 140-¡60 МГц мы считаем вполне решаемой на практике.
В заключении работы приведем эскизы конструктивного выполнения, представленных в статье антенн, на примере установленных на конце крыши наклонного удвоенного петлевого вибратора (рис. 19) и наклонного учетверенного петлевого вибратора (рис. 20).
Рис. 19. Эскиз конструктивного выполнения антенны в виде наклонного удвоенного петлевого вибратора
Рис. 20. Эскиз конструктивного выполнения антенны в виде наклонного учетверенного петлевого вибратора
Наличие обтекателя в конструкции; обусловлено необходимостью подключения миниатюрной платы согласующей цени непосредственно к входу антенны с целью обеспечения наилучших согласующих свойств.
Представленный на рис. 19 эскиз конструкции антенны выполнен на базе весьма популярной сейчас радиоприемной антенны типа "акулий плавни к" [9] с учетом изменения высоты "плавника", а эскиз на рис. 20 на основе конструкции автомобильной антенны для поддержки систем сотовой связи [10], естественно тоже с увеличением вертикального размера относительно прототипа.
Литература
1. "Народная карта" качества покрытия сетей сотовой связи в России/ Качество связи Минкомсвязи Госуслуги // Электрон, дан. Режим доступа URL: https://geo.minsvyaz.ru/ (Дата обращения: 28.04.2019). '
2. Купить локомотивные антенны I Спептех Консалтинг// Электрон. дан. Режим доступа URL: https://pro-spec.ru/catalog/lokomotivnye-antenny (Дата обращения: 28.04.2019)
3. Downloading Feko / Download Feko 6.1.1 For Free// Электрон. дан. Режим доступа. URL: https://d own load. Freedo w n I oad m a n ager. org/ Windows- PC/FEKQ/F RLE, Inml (Дата обращения: 28.04.2014).
4. Стонов Д-М. Антенны и устройства CRH: Учеб. для ра-диотехнич. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1988. 432 с.
5. Гаинутдшюв Т.Л., Гарантию H.H., Кочержевский В,Г., Гусева A.C. Простые широкополосные согласующие устройства длинноволновых радиовещательных антенн // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, 2014. № 11. С. IS-22.
6. Шах нови ч ИВ. Современные технологии беспроводной связи, М,: Техносфера, 2006. 288 с.
7. ГмшутОинов Т.А., Богданов И.Н.. Стрельцова В.А. Приемная ТВ короткая двухзеркальная антенна с плоскими отражателями //T-Comm; Телекоммуникации и транспорт, 2018. № 9. С. 10-17.
8. Гсшнутдинов Т.А., Гаранкина НИ., Кочержевский В.Г. Укороченный несимметричный петлевой вибратор // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2016. № 8. С. 9-17.
9. Антенны акулий плавник/Автомобильные антенны// Электрон, дан. Режим доступа URL: litt ps://md a-tec Ii. rti/s Ii ark-Fin-antennas/ (Дата обращения: 28.04.2019).
10. Антенна АО-900/1800/3G-M/ Официальный сайт Pico се 11// Электрон, дан. Режим доступа URL: https://picocell.com/sliop/ antenny/antenny multidiapazormye/ao90018003gm/ (Дата обращения: 28.04.2019).
THE LOW PROFILE CAR TRANSCEIVER ANTENNA SYSTEM OF MOBILE RADIO ACCESS
Timur A. Gainutdinov, MTUCI, Moscow, Russia, [email protected] Natalia M. Fedoseeva, MTUCI, Moscow, Russia
Abstract
Car antennas are one of the most common antennas in the HF and VHF bands. Typically, these antennas are used for reception of radio broadcasting signals or for departmental radio communication in a narrow frequency range. The paper offers the original design of transciever antennas that support the system of mobile radio access in the frequency range 140-160 MHz. Modifications of loop vibrators grounded on the roof of the car with a height of not more than 30 cm are investigated at the location in different places of the roof. Discusses how vertical location of the antenna, and sloping. It is shown that the location of the vertical vibrator at the end of the roof is an unsuccessful variant of the antenna location, while the inclined vibrator has a better agreement with the same vertical size as the vertical vibrator. In this case, the energy gain in matching in sloping vibrator substantially more gain loss compared to the vertical counterpart. The location of the modified loop vibrators in the center of the roof provides the best characteristics of the antenna, but the energy gain compared to the inclined version located at the end of the roof does not exceed 0.5 dB at the same vertical size of the antennas. For coordination of modifications of loop vibrators the composite scheme of coordination consisting of the parallel contour connected in parallel to an input of the antenna and the transforming L-circuit was used. It is shown that such antennas have VSWR not worse than 2-3 when using simple matching circuits and the minimum gain in the horizontal plane not less than -5 dB.
Keywords: monopole, grounded loop monopole, grounded dual loop monopole, grounded quadruple monopole, two unit matching circuit. References
1. URL: https://geo.minsvyaz.ru//"People's map" quality coverage of mobile networks in Russia / The quality of communications Ministry of communications government Services/ [Electronic resource] / / (access date: 28.04.2019).
2. URL: https://pro-spec.ru/catalog/lokomotivnye-antenny// Buy locomotive antennas/ Spec.Tech Consulting /[Electronic resource] / / (access date: 28.04.2019).
3. URL: https://download.freedownloadmanager.org/Windows-PC/FEKO/FREE.html // Downloading Feko / Download Feko 6.1.1 for free/[Electronic resource] // (access date: 28.04.2019).
4. Sazonov D.M. (1988). SHF devices and antennas. Moscow. The higher school. 432 p.
5. Gainutdinov T.A., Garankina N.I., Kocherzhewskiy V.G., Guseva A.S. (2014). Simple broadband coordinating devices of long-wave broadcasting antennas. T-Comm, no. 11, pp. 18-22.
6. Shakhnovich I. (2006). Modern technologies of a wireless communication. Moscow: Technosphere. 288 p.
7. Gainutdinov T.A., Bogdanov I.N., Strelcova V.A. (2018). The receiving TV short two-mirror antenna with plane reflectors. T-Comm, no. 9, pp. 10-17.
8. Gainutdinov T.A., Garankina N.I., Kocherzhewskiy V.G. (2016). The shortened asymmetrical loopback vibrator. T-Comm, no. 8, pp. 9-17.
9. URL: https://mda-tech.ru/shark-fin-antennas// Shark fin antennas/ Car antennas/[Electronic resource] / / (access date: 28.04.2019).
10. URL: https://picocell.com/shop/antenny/antenny_multidiapazonnye/ao90018003gm// Antenna A0-900/1800/3 G-M/ Official site Picosell/[Electronic resource] / / (access date: 28.04.2019).
Information about authors:
Timur A. Gainutdinov, Assistant professor, Cathedra of Technical Electrodynamics and Antennas, MTUCI, Moscow, Russia Natalia M. Fedoseeva, undergraduate, Cathedra of Technical Electrodynamics and Antennas, MTUCI, Moscow, Russia
( I л
