Глава 5

Глава 5. Антенны базовых станций

Классификация основных типов антенн базовых станций по их направленным свойствам показана на Рис. 5.1:

Рис.5.1. Классификация антенн базовых станций

5.1 Всенаправленные (омни) антенны

Всенаправленные антенны базовых станций имеют круговую диаграмму направленности. К ним относят штыревые антенны (раздел 4.1), дискоконусные и биконические антенны (раздел 4.12), а также комбинированные широкополосные антенны.

В качестве примера для передвижных базовых станций и центральных ретрансляторов транкинговых сетей можно привести приемно-передающую штыревую антенну (Рис.5.2). Она содержит несимметричный вибратор (штырь), противовес, выполненный из четырех равномерно ориентированных по азимуту проводников, шунт, совмещённый с одним из проводников противовеса, и опору, внутри которой проходит, возбуждающий антенну, коаксиальный фидер. В верхней точке опоры центральный проводник фидера подключается к вибратору, а его экран к опоре. Проводники противовеса электрически соединены с опорой в верхней её точке и имитируют "землю" для вибратора. Токи в проводниках текут радиально в разных направлениях (допустим к вибратору), и при горизонтальном их расположении противовес практически не излучает, определяя главным образом, ближнее поле и входной импеданс антенны.

Рис.5.2. Штыревая антенна с противовесом

Рис.5.3. Штыревые антенны

Шунт представляет собой проводник, расположенный параллельно одному из проводников противовеса на небольшом расстоянии от него (малом по сравнению с длиной волны). В верхней точке шунт электрически соединён с вибратором (вблизи его точки питания), в нижней - с проводником противовеса. При этом шунт совместно с последним образует короткозамкнутый шлейф, подключенный параллельно вибратору. Такой шлейф служит для двухдиапазонного согласования. Вибратор без шлейфа целесообразно настраивать на частотах передачи, обеспечивая шлейфом вторую полосу согласования на частотах приёма. Кроме того, шлейф обеспечивает грозозащиту антенны.

Дискоконусная антенна (раздел 4.12) состоит из конуса и диска. Питание подводится с помощью коаксиального кабеля. Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости - круговая, в вертикальной плоскости изменяется по диапазону. Коэффициент перекрытия диапазона 3 - 4. С ростом частоты коэффициент усиления увеличивается до 3 - 4 дБ, и ось максимального излучения прижимается к земле.

Рис.5.4. Дискоконусная антенна

Широкополосные антенны используют при необходимости одновременного совмещения двухдиапазонных радиостанций. Они имеют в своем составе внутренние разделительно-согласующие и подстроечные элементы. Однако они наиболее дорогие и трудоемкие в монтаже и настройке.

5.2 Секторные антенны

К секторным антеннам относят панельные, логопериодические (раздел 4.8), директорные (антенны типа “Волновой канал”, раздел 4.6) и антенные решетки (раздел 4.5).

Спектр антенн для систем сотовой связи довольно многообразен. Они выпускаются для работы во всех стандартах сотовой связи NMT-450, AMPS, GSM900/1800, CDMA, DECT. Наиболее распространенными являются всенаправленные (OMNI) и направленные панельные (Panel) антенны. Панельные антенны используются для увеличения емкости сотовых систем. Обычно эти антенны делаются с использованием дипольных излучателей или щелевых, каждый из которых имеет свои преимущества. Антенна представляет собой совокупность вибраторов, расположенных над металлическим экраном и объединенных с помощью системы миниатюрных коаксиальных кабелей, которые размещены по другую сторону экрана. Прочный фибергласовый кожух герметично укрывает антенну от воздействий внешней среды. В зависимости от типа антенна имеет один, два, четыре или шесть внешних разъемов, что фактически указывает на число независимых антенн, размещенных в одном корпусе. Такое конструктивное решение позволяет экономить места на антенной мачте и финансовые ресурсы компаний-операторов.

В настоящее время на рынке базовых антенн сотовой связи лидирующее положение завоевывают антенны с кроссполяризацией (наклонной двойной поляризацией +45º /-45º). Антенны, выполненные по технологии двойной наклонной поляризации (XPol антенны) привлекают к себе внимание операторов благодаря своим уникальным характеристикам и возможностям.

Суть этой технологии: XPol антенна состоит из двух независимых дипольных систем, дающих наклонную к вертикали поляризацию – одна на +45º, а другая - на –45º. Эти диполи симметрично расположены вдоль отражающего экрана. Распределение мощности между диполями и трансформация импедансов обеспечивается кабельной разводкой с малыми потерями. Принципиально важно то обстоятельство, что антенна может формировать два типа диаграмм в горизонтальной плоскости – с шириной основного лепестка 65º, либо 90º. В отличие от вертикально поляризованной панельной антенны, где диполи расположены вертикально, в XPol антенне для формирования диаграммы шириной 65º используются развернутые на +45º и –45º от вертикали четыре пары сдвоенных диполей, образующих два ромба, а для формирования диаграммы шириной 90º - две пары одиночных диполей, образующих два креста (Рис.5.5). Обе конструкции полностью симметричны относительно средней линии экрана, что является главным условием симметрии диаграммы в горизонтальной плоскости. Благодаря этой технологии удается достичь уровня развязки между входами системы не менее 35 dB, что позволяет XPol антенне работать в режиме дуплекса, где минимальная развязка должна быть не менее 30 dB.

Рис.5.5. Общая конструкция кроссполяризованной антенны

В момент разговора мобильный абонент поворачивает голову и при этом меняется поляризация излучаемого сигнала, но в любом случае одна из приемных антенн оказывается в нужной плоскости, обеспечивая наилучшее качество приема.

Рис.5.6. Панельная антенна HG-CP6010-CD6012

HG-CP6010-CD6012 - это группа антенн с кроссполяризацией (наклонной двойной поляризацией +45 /-45 градусов). Эти антенны отлично работают в городских условиях.

Базовая станция должна работать на передачу с вертикальной поляризацией. Для этого в конструктиве HG-CP6010-CD6012 (Рис.5.6) предусмотрена отдельная передающая антенна с вертикальной поляризацией. Таким образом, выбирая антенну HG-CP6010-CD6012, вы получаете две приемных и одну передающую антенну в одном корпусе, что и необходимо для полноценного сектора. Кроме того, отпадает необходимость в применении дуплексера.

Таблица 5.1. Технические характеристики панельной антенны HG-CP6010-CD6012.

Технические характеристики HG-CP6010-CD6012
Диапазон			824 - 894 MHz
Рабочая полоса			70 MHz
КСВ			Менее 1.3
Коэффициент усиления, dBi			Tx:14 Rx:12
Д Н	По горизонту	По уровню 3 dB	65°± 5°
		Отношение вперед назад	≥ 30dB
	По вертикали	По уровню 3 dB	Tx: 23±3 , Rx: 33±3
		Отношение вперед назад	≥ 30dB
Допустимая скорость ветра			60 м/с
Поляризация			Tx: Вертик; Rx: Наклонная
Внутренняя изоляция (Rx-Rx , Tx-Rx)			≥ 30dB , ≥ 40dB
Максимальная входная мощность			350 W
Тип коннекторов			7/16" Din-Female/ N тип
Размеры (W x H x D), мм			302 x 121 x 1460
Вес (включая крепление)			≤ 12.5 кг.
Материал рефлектора			Aluminum or Cooper
Материал защитного кожуха			Пластик
Механический наклон			От 0 до 30 °

Угломестная ДН

Азимутальная ДН

Рис.5.7. ДН антенны в азимутальной и угломестной плоскостях

Одним из самых важных параметров антенн является коэффициент стоячей волны (КСВ).

Коэффициент стоячей волны характеризует степень согласования антенны и фидера (также говорят о согласовании выхода передатчика и фидера). На практике всегда часть передаваемой энергии отражается и возвращается в передатчик. Отраженная энергия ухудшает работу передатчика и может его повредить.

КСВ рассчитывается следующим образом
КСВ=(Wпад+Wотр)/(Wпад-Wотр) (5.1)

где Wпад - падающая энергия, Wотр - отраженная энергия.

В идеальном случае КСВ=1. Значения до 1,5 считаются приемлемым в УКВ диапазоне.

Рис.5.8. Панельные антенны, установленные на здании

Логопериодические антенны (ЛПА) относятся к классу сверхширокополосных антенн, сохраняющих при изменении частоты как ДН, так и величину входного сопротивления. Работа антенны основана на принципе электродинамического подобия, согласно которому при изменении размеров антенны в определенное количество раз и изменении длины волны во столько же раз характеристики антенны останутся без изменения. Существует большое число различных модификации ЛПА.

Логопериодическая направленная антенна (Рис.5.9) имеет коэффициент перекрытия диапазона 3 - 4, коэффициент усиления 5 - 7 дБ и по внешнему виду близка к антеннам типа “Волновой канал”.

Рис.5.9. Логопериодическая антенна

Большое применение нашли эффективные и простые направленные антенны типа ”Волновой канал” (Рис.5.10). Они широко используются на метровых и дециметровых волнах в качестве направленных антенн осевого излучения.

Антенна состоит из одного активного и нескольких пассивных вибраторов. Ток в пассивном вибраторе наводится за счет поля, излучаемого активным вибратором.

Коэффициент усиления зависит от общей длины l и при l = λ достигает 9 дБ, а при l = 2λ - 14 дБ. Антенны типа “Волновой канал” также используют в качестве стационарных для сотовых телефонов. Их применение на загородных объектах и дачах позволяет значительно повысить надежность и качество, а также расширить зону покрытия сотовой связи.

Рис.5.10. Антенна типа “Волновой канал”

Базовые станции систем радиосвязи с подвижными объектами должны обеспечивать одновременную работу большого числа каналов, причём канальная ёмкость системы является одной из основных её характеристик. При этом возникает задача обеспечения независимой одновременной работы нескольких приёмников и передатчиков.
Обеспечение одновременной независимой работы нескольких передатчиков представляет собой сложную проблему. Применяются следующие основные способы сложения сигналов передатчиков с обеспечением развязки между ними: пространственное; с частотным разделением (частотное уплотнение); схемное (мостовое) и схемно-пространственное.
Пространственное сложение обеспечивается применением антенной решетки - многовходовой системы слабо связанных излучателей, каждый из которых возбуждается одним определенным передатчиком. Передатчики считаются работающими независимо, однако в реальной решетке вследствие электромагнитной связи между излучателями, во-первых, возникают существенные ограничения на реализуемую развязку, во-вторых, в той или иной степени искажается ДН.

Частотное уплотнение тракта посредством сложения некогерентных сигналов в общем фидере (одновходовая антенна) с помощью частотно-избирательных устройств целесообразно применять при относительно больших разносах складываемых (разделяемых) сигналов, например при сложении сигналов различных диапазонов, а также разделения сигналов приёма и передачи (для обеспечения дуплексной связи). При малых разносах частот вследствие необходимости обеспечения высокой избирательности фильтров резко ухудшаются их массогабаритные и стоимостные показатели.

Схемный способ сложения сигналов позволяет использовать одновходовую антенну и предполагает сложение нескольких некогерентных сигналов в общем фидере с помощью мостовых устройств. КПД мостового сложения некогерентных сигналов весьма низок.
Схемно-пространственный способ объединения передатчиков (схемно-пространственная мультиплексия) представляет собой сочетание методов пространственного и схемного сложения. Сигналы передатчиков поступают на многополюсное распределяющее устройство диаграммообразующую схему (ДОС), которое возбуждает многовходовую антенную решетку. На входы антенны подаются аддитивные смеси сигналов передатчиков, а окончательное объединение сигналов происходит в пространстве.
Схемный и схемно-пространственный способы сложения сигналов свободны от серьёзных недостатков, свойственных остальным способам: ограничений по размещению антенны (пространственные сложение); ограничений по частотному разносу и закреплению частотных полос за передатчиком (частотное уплотнение). Это обусловило их широкое применение в подвижной связи. Следует отметить, что эти способы сложения могут сочетаться.

Рис.5.11. Кольцевая антенная решётка

Неизбежность весьма больших потерь в балластных нагрузках является серьёзным недостатком мостового сложения по сравнению со схемно-пространственным. Схемно-пространственный способ сложения сочетает достоинства мостового (отсутствие сколько-нибудь значительных ограничений по условиям размещения антенны) и пространственного (относительно малые потери) способов и поэтому является наиболее перспективным (в частности, основным при совместном использовании с мостовым). Поскольку в подвижной связи требуется, как правило, всенаправленное излучение (приём) в горизонтальной плоскости, наибольшее применение в качестве многовходовых антенн, обеспечивающих схемно-пространственное сложение, нашли кольцевые антенные решётки (КАР). КАР представляет собой систему излучателей, расположенных по окружности (Рис.5.11). Такая система может дать как остронаправленную, так и воронкообразную ДН

5.3 Антенны РРЛ технической связи

Среди технических средств, применяемых при построении телекоммуникационных сетей, радиорелейные станции (РРС) занимают особое место. Довольно часто их применение остается единственным средством, обеспечивающим передачу трафика там, где прокладка кабеля невозможна или нецелесообразна по экономическим соображениям. Основными типовыми задачами, решаемыми с помощью этого вида оборудования, являются организация межсайтовых соединений, абонентских выносов, привязка к транспортным магистралям, построение технологических линий связи большой протяженности.

Рис.5.12. Антенна РРЛ технической связи

В последнее время востребована реализация задач «последней мили», предоставление абонентам услуг голосовой телефонной связи, Internet, кабельного телевидения. В пригородных и сельских районах с недостаточной степенью проникновения современной телекоммуникационной инфраструктуры применение радиорелейных станций решает такую проблему в силу таких характеристик этого оборудования, как быстрота развертывания, относительно быстрая окупаемость, высокая пропускная способность, интеграция в PDH-сети, трансляция необходимых абонентских интерфейсов в составе группового цифрового потока. В зависимости от конкретной ситуации, РРС могут применяться для решения задач «последней мили»:

как отдельное самодостаточное звено при наличии в составе оборудования РРС функционально законченных абонентских окончаний;
в сочетании с оконечным мультиплексорным оборудованием или оборудованием АТС;
в сочетании с другими средствами абонентского радиодоступа.

В качестве антенн РРЛ технической связи используют параболические антенны.

Зеркальная осесимметричная параболическая антенна состоит из отражающей поверхности, выполненной в виде параболоида вращения, и небольшой слабонаправленной антенны - облучателя, установленной в фокусе параболоида, и облучающей внутреннюю поверхность последнего. На базе такой классической зеркальной антенны разработаны различные модификации, многообразие которых приводит к целесообразности сгруппировать их, т.е. привести классификацию по основным отличительным признакам. Так, по числу отражающих зеркал различают одно- и многозеркальные антенны. Последние, как правило, содержат два зеркала (Рис.5.14). Часто эту группу называют двухзеркальными антеннами.

Рис.5.13. Антенны базовой станции. Стрелками указаны панельные антенны для 900 МГц (вверху) и 1800 МГц (внизу)

По взаимной ориентации зеркал и облучателей антенны могут быть симметричными и осенесимметричными. В симметричных антеннах отражающее зеркало обладает осевой симметрией и поле, отраженное от вершины такого зеркала, попадает в облучатель. Если не принять специальных мер, то согласование антенны будет невысоким. В осенесимметричных схемах антенн волны, отраженные от зеркала, проходят мимо облучателя. Такие схемы называют еще антеннами с вынесенным облучателем (АВО). Их отличает высокое согласование с трактом питания, но в то же время они обладают повышенным уровнем кроссполяризации, что при одновременной работе на ортогональных поляризациях является источником дополнительных помех.

По числу основных лучей, создаваемых зеркальной антенной, различают одно- и многолучевые антенны. Число лучей определяется числом облучателей. Многолучевые антенны могут создаваться как в симметричном, так и в осенесимметричном варианте. По типу кривизны основного зеркала используются параболические и сферические отражающие зеркала, зеркала с классическим и модифицированным профилями, обеспечивающими высокий результирующий КИП в

Рис.5.14. Двухзеркальная антенна Кассегрена

условиях компромисса между апертурным КИП и потерями за счет «перелива» энергии за края зеркала. Это так называемые оптимизированные антенны.

При фиксированном положении отражающего зеркала направление максимального излучения (приема) может быть либо фиксированным, либо антенна может работать в режиме сканирования. Особое место занимают зеркальные антенны с пониженным УБЛ.

Подробнее о параболических антеннах рассматривается в разделе 3.5.