CC BY
208
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ НАПРАВЛЕННОЙ АНТЕННЫ ДЛЯ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА К СТАНЦИИ СОПРЯЖЕНИЯ С СЕТЬЮ СПУТНИКОВ-РЕТРАНСЛЯТОРОВ
Ибрагимов Д.Ш.
ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,
г. Москва
Рассмотрены принципы построения спутниковых систем связи и действующие в спутниковом диапазоне частот помехи. Проанализированы характеристики направленной вибраторной антенны для беспроводного доступа абонента сотовой сети к станции сопряжения с сетью спутников-ретрансляторов.
Ключевые слова: частотный диапазон, сопротивление излучения, вибратор.
Типичная карта покрытия для спутника, находящегося на геостационарной орбите, включает следующие компоненты:
глобальный луч - производит связь с земными станциями по всей зоне покрытия, ему выделены частоты, не пересекающиеся с другими лучами этого спутника;
лучи западной и восточной хемисфер - эти лучи поляризованы в плоскости А, причем в западной и восточной хемисферах используется один и тот же диапазон частот;
зонные лучи - поляризованы в плоскости В (перпендикулярной А) и используют те же частоты, что и лучи хемисфер.
Таким образом, земная станция, расположенная в одной из зон, может использовать также лучи хемисфер и глобальный луч. В табл. 1 дана характеристика различных частотных диапазонов для спутниковой связи.
Все частоты (за исключением зарезервированных за глобальным лучом) используются многократно, в западной и восточной хемисферах и в каждой из зон. Выбор частоты для передачи данных от земной станции к спутнику и от спутника к земной станции не является произвольным. От частоты зависит, например, поглощение радиоволн в атмосфере, а также необходимые размеры передающей и приемной антенн. Частоты, на которых происходит передача от земной станции к спутнику, отличаются от частот, используемых для передачи от спутника к земной станции (как правило, первые выше).
Частоты, используемые в спутниковой связи, разделяют на диапазоны, обозначаемые буквами. К сожалению, в различной литературе точные границы диапазонов могут не совпадать. Ориентировочные значения даны в рекомендации ITU-R V.431-6.
Используются и более высокие частоты, но повышение их затруднено высоким поглощением радиоволн этих частот атмосферой. Ku-диапазон позволяет производить прием сравнительно небольшими антеннами, и поэтому используется в спутниковом телевидении (DVB) несмотря на то, что в этом диапазоне погодные условия оказывают существенное влияние на качество передачи.
Таблица 1
Частотные диапазоны для спутниковой связи
Название диапазона Частоты (согласно 1Ти-Н. У.431-6) Применение
L 1,5 ГГц Подвижная спутниковая связь
S 2,5 ГГц Подвижная спутниковая связь
C 4 ГГц, 6 ГГц Фиксированная спутниковая связь
X Для спутниковой связи рекомендациями ГГи-К частоты не определены. Для приложений радиолокации указан диапазон 8-12 ГГц. Фиксированная спутниковая связь (для военных целей)
Ku 11 ГГц, 12 ГГц, 14 ГГц Фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание
K 20 ГГц Фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание
Ka 30 ГГц Фиксированная спутниковая связь, межспутниковая связь
Для передачи данных крупными пользователями (организациями) часто применяется С-диапазон. Это обеспечивает более высокое качество приема, но требует довольно больших размеров антенны. ССС имеют уникальные особенности, отличающие их от других систем связи. Некоторые особенности обеспечивают преимущества, делающие спутниковую связь привлекательной для ряда приложений. Другие создают ограничения, которые неприемлемы при реализации некоторых прикладных задач.
Перечислим недостатки.
1) Слабая помехозащищенность. Огромные расстояния между земными станциями и спутником являются причиной того, что отношение сигнал/шум на приемнике очень невелико (гораздо меньше, чем для большинства радиорелейных линий связи). Для
того, чтобы в этих условиях обеспечить приемлемую вероятность ошибки, приходится использовать большие антенны, малошумящие элементы и сложные помехоустойчивые коды. Особенно остро эта проблема стоит в системах подвижной связи, т.к. в них есть ограничение на размер антенны и, как правило, на мощность передатчика.
2) Влияние атмосферы. На качество спутниковой связи оказывают сильное влияние эффекты в тропосфере и ионосфере.
3) Поглощение в тропосфере. Поглощение сигнала атмосферой находится в зависимости от его частоты. Максимумы поглощения приходятся на 22,3 ГГ ц (резонанс водяных паров) и 60 ГГц (резонанс кислорода). В целом, поглощение существенно сказывается на распространении сигналов с частотой выше 10 ГГц (т.е. начиная с Ки-диапазона). Кроме поглощения, при распространении радиоволн в атмосфере присутствует эффект замирания, причиной которому является разница в коэффициентах преломления различных слоев атмосферы.
4) Ионосферные эффекты. Эффекты в ионосфере обусловлены флуктуациями распределения свободных электронов. К ионосферным эффектам, влияющим на распространение радиоволн, относят мерцание, поглощение, задержку распространения, дисперсию, изменение частоты, вращение плоскости поляризации. Все эти эффекты ослабляются с увеличением частоты. Для сигналов с частотами, большими 10 ГГц, их влияние невелико. Сигналы с относительно низкой частотой (Ь-диапазон и частично С-диапазон) страдают от ионосферного мерцания, возникающего из-за неоднородностей в ионосфере. Результатом этого мерцания является постоянно меняющаяся мощность сигнала.
В табл. 2 представлены характеристики вышеперечисленных эффектов.
Таблица 2
Характеристики помех в различных диапазонах частот
Эффект 100 МГц 300 МГц 1 ГГц 3 ГГц 10 ГГц
Вращение плоскости поляризации 30 оборотов 3,3 оборота О 00 о 12° 1,1°
Дополнительная задержка сигналов 25 мс 2,8 мс 0,25 мс 28 нс 2,5 нс
Поглощение в ионосфере (на полюсе) 5 дБ 1,1 дБ 0,05 дБ 0,006 дБ 0,0005 дБ
Поглощение в ионосфере (в средних менее 1 дБ 0,01 дБ менее 0,001 дБ менее 0,001 дБ менее 0,0001 дБ
широтах)
Проблема задержки распространения сигнала затрагивает все спутниковые системы связи. Наибольшей задержкой обладают системы, использующие спутниковый ретранслятор на геостационарной орбите. В этом случае задержка, обусловленная конечностью скорости распространения радиоволн, составляет примерно 250 мс, а с учетом мультиплексирования, коммутации и задержек обработки сигнала общая задержка может составлять до 400 мс.
Задержка распространения наиболее нежелательна в приложениях реального времени, например, в телефонной связи. При этом если время распространения сигнала по спутниковому каналу связи составляет 250 мс, разница во времени между репликами абонентов не может быть меньше 500 мс.
В некоторых системах (например, в системах VSAT, использующих топологию «звезда») сигнал дважды передается через спутниковый канал связи (от терминала к центральному узлу, и от центрального узла к другому терминалу). В этом случае общая задержка удваивается.
Влияние упомянутых преимуществ и ограничений на выбор спутниковых систем для частных сетей довольно значительно. Решение об использовании ССС, а не распределенных наземных сетей, всякий раз необходимо экономически обосновать. Все более возрастающую конкуренцию ССС составляют оптоволоконные сети связи.
Пользовательский сегмент спутниковой системы слежения состоит из следующих видов абонентских терминалов:
■ портативных многомодовых «трубок» (мобильных спутниковых телефонов), аналогичных сотовым, имеющими сравнимые размеры, вес и функциональные возможности и совместимыми со стандартом GSM, AMPS и CDMA;
■ автомобильных комплектов, которые возможно смонтировать на любом транспортном средстве: автомобиле, судне, самолете, и т.п.
■ стационарных комплектов с возможностью подключения обыкновенного телефонного аппарата, малой офисной АТС либо таксофона;
■ спутниковых модемов, предназначенных для использования в различных решениях: обмен файлами между удаленными объектами, WEB-серфинг, e-mail и т.п. на скоростях до 76,8 кбит/c. Модемы обеспечивают двухсторонний канал связи с наземным, морским или авиационным коммуникационным оборудованием. Модемы могут использоваться совместно с мониторинговыми, измерительными системами, системами телеметрии, в любых применениях для передачи данных и т.п.
Спутники работают по архитектуре «согнутой трубы» (bent-pipe,). Принимая сигнал абонента, несколько спутников, используя технологию CDMA, одновременно транслируют его на ближайшую наземную станцию сопряжения. Наземная станция сопряжения, изображенная на рисунке 1, выбирает наиболее сильный сигнал, авторизует его и маршрутизирует его до вызываемого абонента.
Сеть спутникОЕ-ретрансЛЯТорОЕ
спутник ОБ ЫН терминал
Рис. 1. Архитектура спутниковой системы связи
Для беспроводного подключения абонента сотовой сети к станции сопряжения выбрана наиболее распространенная направленная антенна типа «волновой канал», имеющая активный вибратор. Согласно методу зеркальных изображений несимметричному вибратору (штырю) (рис. 2а) соответствует симметричный вибратор (рис. 2б) [1,2].
Рис. 2. Симметричный и несимметричный вибраторы
Входное сопротивление вибраторов рассчитывается по эквивалентной схеме в виде отрезка двухпроводной линии, разомкнутой на конце. Волновое сопротивление эквивалентной линии для несимметричного вибратора составляет:
[Ом] (1)
где d -диаметр вибратора, l - его длина. Затраты на излучение учитываются включением в схему сосредоточенного сопротивления излучения, которое при учете ближнего поля вибратора является комплексным. Если сопротивление излучения определено относительно тока в пучности, на схеме оно должно быть помещено на расстоянии от разомкнутого конца линии (рис. 3). Расчетные соотношения для определения зависимости RS и XS от отношения (, - длина несимметричного вибратора, l - длина волны) по методике, изложенной в [3].
Рис. 3. Сопротивление излучения
Вещественная и мнимая части сопротивления излучения несимметричного вибратора с достаточной для инженерной практики точностью могут быть определены по формулам [3], Ом:
Здесь E = 0,577216 - постоянная Эйлера; x =kl; Cix и Six -соответственно интегральный косинус и интегральный синус от аргумента x. Определение и свойства функций Cix и Six см., например, [5, гл. 5], там же имеются их таблицы. Для расчетов на ЭВМ удобно выразить Cix и Six через вспомогательные функцииfx) и g(x):
Функции fix) и g(x) хорошо аппроксимируются следующими рациональными функциями (1 < x < да):
Постоянные a, Ь, с, d приведены в [4, 5], а также в [6]. Подставляя их в (4), получим, в частности: У(1) = 0,6214; <§'(1)=0,3434; У(2) = 0,3990; g(2) = 0,1445; У(4) =
0,2292; g(4) = 0,04975. Используя (3) и (4), получим расчетные выражения для сопротивления излучения несимметричного вибратора, Ом:
= 15[21п2+(£+1пх)(2+соз2х)-0,571;зт2х+/(4х)зт2х-
- 2/(2x)sin2x-g(4x)cos2x+2g(2x)(l + cos2x)],
X^ = 15[тт+ 0,571 cos2x+(£ + lnx- 2)sm2x+/(4x)cos2x-
- 2/(2x)0 + cos2x)+g(4x)sin2x- 2g(2x)sin2x],
(5)
В частности, при x = 1 (l =к/2п = 0,1592) найдем RS = 8,18 Ом,
XS = 6,21 Ом; при x = п/2 (l = 0,25^) RS = 36,56 Ом, XS = 21,27 Ом.
Сопротивление излучения несимметричного вибратора длины l вдвое меньше сопротивления излучения симметричного вибратора длины 21. Например, при l = 0,251 ZS = 36,6 + i 21,3 Ом, при l = 0,51 ZS = 99,5 + i 62.7 Ом.
Зависимости активной Rвх и реактивной Xвх частей входного сопротивления несимметричного вибратора от отношения l/l для различных значений Zв, рассчитанные по формулам теории длинных линий, представлены на рис. 4.
Ниже представлены положения теории длинных линий [7.. .9].
Входное сопротивление Z^R^+iXux несимметричного вибратора длины l определяется как входное сопротивление линии длиной li= l -0,25А, с волновым сопротивлением 2в, нагруженной на сопротивление излучения R£ + iX£ (рис. 4). Удобно сначала найти нормированные величины:
где Ы1= Ы - (п/2). Формула (7) справедлива и при l < 0,25^,
т.е. при ^<0.
Кривые на рис. 4 позволяют сделать следующие выводы.
1) Первый («последовательный») резонанс (Хвх = 0^ имеет место при l ^0,25 1, его положение практически не зависит от величины Zвх, т. е. от толщины вибратора.
2) Положение второго («параллельного») резонанса существенно зависит от толщины вибратора. Если у тонких вибраторов ^в >500 Ом) резонансное значение l близко к 0,51, у толстых вибраторов ^в < 200 Ом) оно снижается до 0,41 и менее.
3) Чем толще вибратор, тем меньше значения ^вх и Xвх зависят от длины волны, т. е. толстые вибраторы являются более диапазонными.
A+i BcosZkl^-O^A2 +В2 -l)sin2M
(v4sin^ У - Bsmkl^ )2
(7)
,0м
,0м 400 п--------
300 ---------1
2
200 --------- 3 200 0м
100-----------------------------
-100 -200 -300 -400 -500
Рис. 4. Зависимости активной ^вх и реактивной Xвх частей входного сопротивления несимметричного вибратора
4) Входное сопротивление вибратора может быть определено экспериментально с помощью измерительной линии (ИЛ), ко входу которой (рисунок 5) подключается генератор, а к выходу - исследуемый несимметричный вибратор с экраном. Таким образом, по отношению к ИЛ сопротивление Zвх является нагрузкой. В теории длинных линий продольная координата 2 отсчитывается от конца линии, поэтому входное сопротивление вибратора совпадает с сопротивлением ИЛ в сечении г = 0: Zвх = Z(0).
ИЛ
П ад аю щая в слн а
Г
экран
Отраженная волн а
2/~\ Ш і ш ,
1 1 1 1 ¡-с
1 , . 1 Г \1 / і\ і , і і / 1 \ і \ і V | V ( \ 1 \ і г \ і 1 / } \ і \ / Iі > 1 V г \ 1 А Ґ Ч 1 / 1 Г \ і / \ -і і / і і 1 і
1\ V \ і д \ і / X 1 1 1 '| \ 1 і 1 \ 1 / \ А і л , .■ \ і 'і і ■ / \ 1 ч / г \ і 1 / } \ і л/ I > 1 1 ґ Ч і А / \ • Л 1 / \ 1 / 1 1 ■, і Ґ \ 1 / \
1 1 1 ■. 1 '| 1 ■ '■ і 1 і 1 і Iі І 1 Г ■ 1 1 1
* ! 1 і !г 1 1
!с і г \ й і I і і і і і і і Г ! * ! - и
вибратор
Е(?)
7і
ІІ
7 .
я.
Рис. 5. Схема измерения входного сопротивления вибратора
Поскольку Zвх вибратора не совпадает с волновым сопротивлением ИЛ Ж (в лабораторных установках используются ИЛ с Ж = 50 Ом Ж = 75 Ом), в ИЛ распространяются как падающая, так и отраженная волны.
Типичное распределение амплитуды напряженности электрического поля вдоль линии Е(г) при наличии отраженной волны показано на рис. 5 (кривая 1). Сопротивление линии в любом сечении можно найти, если известно ее сопротивление в каком-либо другом сечении. Проще всего сопротивление определяется в минимумах (узлах) поля, где оно чисто активно, минимально по величине и равно ^т;п = kW, где k -коэффициент бегущей волны в линии. Используя теорию длинных линий [4], можно получить следующее выражение для 1вх:
Здесь 10 - расстояние от нагрузки до ближайшего к ней узла поля в линии (рисунок 4), Р=2лА - коэффициент фазы, выраженный через длину волны 1, которая равна удвоенному расстоянию между соседними минимумами. Непосредственный
отсчет расстояния l0 часто бывает неудобен. В этом случае для определения l0 ИЛ закорачивают в сечении нагрузки, при этом распределение поля вдоль линии изображается кривой 2. Из рис. 4 видно, что расстояние l0 равно сдвигу любого узла в сторону нагрузки при замене нагрузки ИЛ замыкателем.
Заключение
Расчет параметров антенны для беспроводного доступа к станции сопряжения с сетью спутников-ретрансляторов показал, что толстые вибраторы являются более диапазонными. На основании экспериментальных данных проведен расчет входного импеданса вибратора Z^. Получены расчетные соотношения зависимости Z^.ot длины линии.
Литература
1. Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. М.: Связь, 1977. 440 с.
2. Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. М.: Радио и связь, 1989. 352 с.
3. Тарнецкий А.А., Осипов Д.Д. Антенны судовой радиосвязи. Л.: Судпромгиз, 1960. 236 с.
4. Фальковский О.И. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1978. 430 с.
5. Справочник по специальным функциям / Под ред. М.Абрамович и И.Стиган. М.
- Л.: Энергия, 1966. 648 с.
6. Методические указания по проектированию антенно-фидерных устройств. Ч.1 /Под ред. А.З. Фрадина; ЛЭИС. Л.,1986. 68 с.
7. Фрадин А.З. Антенны сверхвысоких частот. М.: Советское радио, 1957. 648 с.
8. Антенны и устройства СВЧ / Под ред. Д.И. Воскресенского. М.: Советское радио, 1972. 320 с.
9. Айзенберг Г.З., Белоусов С.П. и др. Коротковолновые антенны. М.: Радио и связь, 1985. 536 с.
