Антенна типа ОБ-2, в частности, с по­мощью изоляторов может быть установлена на такелаже антенны типа БС-2 (рис. 7.45) с весьма незначительными затратами сил и средств. При этом антенны могут работать независимо друг от друга, являясь взаимным резервом. Антенны имеют линейные взаимноортогональные поляризации, поэтому провода полотна и такелажа антенны БС почти не влияют на характеристики ан­тенны ОБ. Антенны позволяют осуществить сдвоенный прием радиосигналов методом поляризационного разнесения.

Антенны типа ОБ имеют относительно широкий лепесток диаграммы направленности, что снижает их помехоустойчивость. Этого недостатка лишена антенна типа ОБ-Е.

Рис 7.45. Схема размещения антенны типа ОБ-2 на такелаже

антенны типа БС-2

Антенна типа ОБ-Е

При разработке антенна ОБ-Е предполагалась для использования на приемных радиоцентрах магистральной радиосвязи взамен антенн типа БС-2, 2 БС-2, 3 БС-2, лучших по эффективности из имеющихся, но громоздких, дорогих, ненадежных в эксплуатации и трудоемких в обслуживании. Антенна ОБ-Е обладает высоким коэффициентом эффективность/стоимость С .

Схема антенны ОБ-Е приведена на рис. 7.46. Она имеет маркировку ОБ-Е , где L – длина полотна антенны; h – высота подвеса полотна антенны. На рис. 7.46 обозначено: 1 – поверхность «земли»; 2, 8 – проводники противовесов; 3 – источник ЭДС (радиопередатчик, ГСС); 5 – проводник с бегущей волной; 7 – резистор – нагрузка.

Антенна получила маркировку ОБ-Е (однопроводная, бегущей волны), где литера Е указывает на присутствие еще одной волны на проводнике, похожей по структуре на волну Е 0 в круглом вол­новоде, если смотреть в торец проводника.

Антенна ОБ-Е имела длину L = 300 м.; эквивалентный диаметр проводника с бегущей волной d экв = 280 мм.; наминал нагрузочного резистора R н = 200 Ом; высота подвеса h = 3 м. Диапазон рабочих частот антенны ОБ-Е составляет Δf = 3 ÷ 30 МГц.

Рис. 7.46. Антенна ОБ-Е

Исследования выявили принципиальные расхождения в принципах работы антенн ОБ и ОБ-Е. Они позволяют полагать, что в околопроводном пространстве антенны ОБ-Е происходит перераспределение энергии излучения, что привело к созданию новой, простой по конструкции и очень компактной в поперечнике антенне для магистральных ДКМ радиосвязей, представляющей собой «рупорную антенну без видимых стенок».

2.5. АНТЕННЫ ДЛЯ ЛИНИЙ РАДИОСВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАДИОВОЛН

Общие сведения.

При работе линий радиосвязи с использованием пространственных радиоволн излучение электромагнитных волн осуществляется по отношению к поверхности земли под углом 7 ... 20°. Такое излучение обеспечивается горизонтально подвешенными антеннами декаметрового диапазона волн.

Диаграмма направленности в вертикальной плоскости у этих антенн имеет нулевое излучение в направлении поверхности земли, чем достигается снижение потерь энергии в земле и повышение КПД.

На линиях радиосвязи малой- R1 и большой R2 протяженностей требуется излучение энергии соответственно под большими и малыми углами по отношению к поверхности земли (рис. 2.7).

Наиболее распространенными типами антенн, которые устанавливаются на радиостанциях при работе пространственными радиоволнами, являются: ВГ - вибратор горизонтальный; ВГД -

вибратор горизонтальный диапазонный; ВГДШ - вибратор горизонтальный диапазонный шунтовой, РГД - ромб горизонтальный двойной и БС2 - антенна бегущей волны с активными элементами связи. Указанные типы антенн, исключая БС2, используются как для излучения, так и для приема электромагнитных волн. Физические процессы, происходящие в этих антеннах, их технические характеристики и конструкции рассмотрены ниже.

Симметричный горизонтальный вибратор ВГ.

Симметричный горизонтальный вибратор является наиболее простым и распространенным типом антенны (рис. 2.8).

При подведении к вибратору радиочастотных колебаний от передатчика вдоль проводов создаются стоячие волны, причем на концах вибратора создаются узлы тока / и пучности заряда q (напряжения).

Симметричный вибратор состоит из двух равных отрезков провода 1 длиной I каждый, в симметричных точках которых токи равны и совпадают по направлению. Высота подвеса выбирается с учетом угла излучения диаграммы направленности в вертикальной плоскости, необходимого для обеспечения заданной напряженности поля в пункте приема. Волновое сопротивление такого вибратора равно 1000 Ом. Вибратор имеет условное обозначение

L
ВГ= ---.
h

Для уменьшения наведения больших токов в канатах 3, поддерживающих вибратор, на расстоянии 3 м от концов вибратора устанавливают палочные изоляторы 4. Расстояние между мачтами антенны L=2l+ (5 ... 6) м. Снижение вибратора 5 -- двухпроводное и выполнено тем же проводом, что и вибратор (биметалл диаметром 3 ... 6 мм), с расстоянием между проводами 300 мм. Вибратор подвешен на изоляторах 2 и подключается к передатчику через двухпроводный фидер с волновым сопротивлением 600 Ом и используется для работы на фиксированной волне λ 0 =4l но реально эксплуатируется в диапазоне волн 1,6l≤λ≤4l т.е λmin=1,6l , а λmax=4l.

На рис. 2.9 представлены диаграммы направленности симметричного вибратора в горизонтальной плоскости, из которых видно, что все они определяются отношением l / λ .

Вибратор излучает в обе стороны от своей оси: наибольшее излучение перпендикулярно оси, вдоль оси излучение равно нулю. Диаграмма излучения формой напоминает восьмерку (см. рис. 2.9,а, б).

Симметричный вибратор при l =0,63λ или λ =1,6l обладаетнаибольшим КНД (рис. 2.9,в), имеет более острую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, малые уровни боковых лепестков, поэтому при работе на одной фиксированной волне является наиболее пригодным для эксплуатации. Приl >0,63λ . направленность антенны ухудшается.

При эксплуатации симметричного вибратора в качестве диапазонной антенны волновое сопротивление антенны и фидера не удается согласовать во всем рабочем диапазоне волн, что снижает коэффициент бегущей волны в фидере. Эта несогласованность влияет на выходной контур передатчика: режим работы передатчика становится неустойчивым, снижается мощность, излучаемая в пространство.

Диаграмма направленности в вертикальной плоскости симметричного горизонтального вибратора при высоте подвеса /i=A,/4 имеет один лепесток с максимумом, направленным перпендикулярно поверхности земли (рис. 2.Щ,а). По мере приближения высоты подвеса антенны к рабочей длине волны угол максимального излучения уменьшается, максимум излучения «прижимается» к поверхности земли, диаграмма направленности в вертикальной плоскости при /г = 0,5л имеет два боковых лепестка (рис. 2.10,6). Однако при /г = А, и дальнейшем увеличении отношения АД число боковых лепестков растет и направленность антенны ВГ ухудшается.

Горизонтальный вибратор при высоте подвеса h=Q,25X используется на линиях радиосвязи малой протяженности (до 250 км), а при /i=0,65X - большой протяженности (до 1500 км).

Вибратор горизонтальный диапазонный ВГД.

В декаметровом диапазоне волн широко используется симметричный вибратор с пониженным волновым сопротивлением, называемым диполем Надененко (рис. 2.11).

Антенна подвешивается на двух мачтах на высоте 13 ... 22 м, плечо вибратора выполняется в виде цилиндра диаметром 1 ... 2м, по образующим которого натянуто шесть проводов. Для антенны используется биметаллический провод диаметром 4 мм. Для облегчения конструкции антенны кольца 2 выполняются из медных или алюминиевых труб. Провода к этим кольцам припаиваются или крепятся специальными болтами.

Конструкция антенны с увеличенным диаметром вибратора позволяет получить волновое сопротивление в пределах 200 ... 400 Ом.

В месте подключения снижения из-за взаимного влияния вибраторов образуется повышенная распределенная емкость, что приводит к ухудшению согласования волновых сопротивлений вибратора и снижения. Для устранения этого концы цилиндров выполняются в виде конусов длиной l 1 = 1 м, l 2 = 3 м.

Диаграммы направленности антенны ВГД имеют те же формы, что и у антенн ВГ. На линиях радиосвязи протяженностью до 400 км антенна ВГД может быть использована как направленная.

Антенна применяется при работе с передатчиками мощностью 1 ... 5 и более кВт. Для перекрытия диапазона волн от 13 до 120 м применяется комплект из трех антенн ВГД. Диапазон волн, в котором антенна может быть эффективно использована, определяется отношением 1,6l≤λ≤4l. Условное обозначение антенны -

L
ВГД= --- d.
h

где l - длина плеча вибратора, м; h - высота подвесаантенны над землей, м; d - диаметр кольца вибратора, м.

Симметричный вибратор шунтового питания.

Симметричный вибратор шунтового питания (рис. 2.12) применяется для работы

на фиксированной частоте, равной резонансной частоте вибратора, когда 2l=0,47λ . Антенна выполняется из целого провода, к которому подключается двухпроводный фидер с волновым сопротивлением 600 Ом.

В средней точке вибратора образуются пучность тока и узел заряда (U =0), поэтому активная составляющая входного сопротивления R вх в этой точке равна нулю. В крайних точках вибратора В, В1 имеются пучность заряда q и узел тока I , поэтому при волновом сопротивлении вибратора W =800 Ом активная составляющая входного сопротивления в этих точках Rвх=W 2 /R Σ = 800 2 /73,1=8750 Ом. Следовательно, на вибраторе между точками В, В1 можно найти две симметричные точки А, А 1 в которых активная составляющая входного сопротивления при соответствующем подборе расстояния l 2 равнялась бы волновому сопротивлению двухпроводной фидерной линии. Благодаря этому в фидерной линии обеспечивается режим бегущей волны.

При выполнении вибратора из провода диаметром 1,5 ... 5 мм наилучшее согласование получается при следующих размерах: /, где λ - фиксированная рабочая волна.

Точное значение длины l 1 подбирается путем ее регулировки и одновременного измерения коэффициента бегущей волны. Выбирается такое значение l 1 при котором коэффициент бегущей волны получается наибольшим.

В качестве диапазонной антенны применяется проволочный шунтовой симметричный вибратор ВГДШ (рис. 2.13), предложенный Г. 3. Айзенбергом и В. Д. Кузнецовым. Вибратор выполняется из шести проводов, двухпроводное снижение подключается только к четырем проводам вибратора, а два провода образуют шлейф. Антенна подвешивается на двух мачтах.

Шунтовой симметричный вибратор эксплуатируется в диапазоне волн от 1,6l до 6l , расширение диапазона получается в сторону длинных волн. Хорошее согласование волнового сопротивления вибратора с волновым сопротивлением фидера обеспечивается в широкой полосе частот при коэффициенте бегущей волны в фидере не хуже 0,3.

Для линий радиосвязи протяженностью до 400 км антенна ВГДШ имеет круговое излучение. Чтобы не создавать значительных помех работе других линий радиосвязи из-за слабой направленности, антенну рекомендуется использовать при работе с передатчиками мощностью 5 ... 20 кВт.

Для перекрытия диапазона волн от 12 до 150 м применяется

комплект из пяти антенн ВГДШ 6/9* 1,2; ВГДШ8/12* 1,5; ВГДШ 12/18* 2,4; ВГДШ 16/24* 3,0; ВГДШ 24/22* 3,5. В данной конструкции вибраторов длина шунта принята равной длине плеча вибратора: l ш = l.

Антенны ВГДШ с длиной вибратора l , равной 6, 8, 12 и 16 м, изготавливаются из шести проводов, а антенны ВГДШ с длиной вибратора l =24 м для снижения диаметра вибратора и сохранения волнового сопротивления изготавливаются из девяти проводов; при этом питание подводится к шести проводам. Для изготовления вибраторов применяется биметаллический провод d=4 мм.

В районах с повышенной грозовой деятельностью средняя часть шунта антенны ВГДШ заземляется в точке А металлическим проводом d=6 мм (см. рис. 2.13).

Антенны ромбические горизонтальные РГ и РГД.

Остронаправленной широкодиапазонной антенной в декаметровом диапазоне волн является ромбическая антенна, излучающими элементами которой служат провода, расположенные в горизонтальной плоскости по сторонам ромба. Антенна подвешивается на четырех мачтах и ориентируется на корреспондента большой диагональю ромба (рис. 2.14). Принцип работы антенны основан на обтекании бегущей волной тока длинного провода. Известно, что диаграмма направленности провода с бегущей волной тока в любой плоскости, проходящей через ось провода, имеет два главных лепестка. Эти лепестки расположены симметрично относительно провода и наклонены в сторону движения волны тока.

Представим на элементах А, В, А\, В\ проводов ромба лепестки излучения (рис. 2.15,а). Если провода достаточно длинны, то излучения элементов A и Б, расположенных на расстоянии l , будут

находиться в фазе. Следовательно, излучения лепестков a1 и a2 , a3 и a4 складываются, а лепестков b1 и b2 , b3 и b4 - взаимно вычитаются. В результате образуется суммарная диаграмма направленности излучения ромбической антенны (рис. 2.15,6). Диаграмма имеет острую направленность, и максимальное излучение сосредоточенов направлении большой диагонали ромба. Однако полная взаимная компенсация излучений лепестков b1 и b2 , b3 и b4 отсутствует, и в диаграмме направленности появляются боковые лепестки. На излучение боковыми лепестками бесполезно затрачивается около 40% энергии передатчика, поэтому КНД одинарной ромбической антенны не превышает 125 ... 150.

Для получения однонаправленного излучения и режима бегущей волны в антенне к проводам острого угла ромба, обращенного в сторону корреспондента, подключается нагрузочное сопротивление (поглощающая линия). К другому острому углу ромба подключается двухпроводное снижение, по которому подаются через горизонтальный фидер от передатчика радиочастотные колебания. Снижение имеет волновое сопротивление, равное волновому сопротивлению ромбической антенны (600 ... 700 Ом). Коэффициент полезного действия антенны составляет 60 ... 80%-Основными размерами ромбической антенны являются: длина стороны ромба /, половина тупого угла Ф и высота подвеса h. Необходимый уровень сигнала в месте приема при заданной мощности передатчика зависит от угла излучения энергии, последний же

определяется высотой подвеса антенны h. Набор рабочих частот для линии радиосвязи определяет оптимальную длину волны λ 0 , а следовательно, и длину стороны ромба l .

Для линий радиосвязи малой протяженности (600 ... 2000 км) применяются ромбические антенны размерами l =1 ,7λ 0 , Ф=57º и l =2,8λ 0 , Ф=65º ; для линий средней протяженности (2000 ... ... 4000 км)- l =4λ 0 , Ф=65º ; для линий большой протяженности (4000 ... 6000 км и более) l =6λ 0 , Ф=70º .

Условное обозначение ромбических антенн-

гдеРГ - ромб горизонтальный одинарный; Ф - половина тупого угла; a=l/λ 0 -, b-h/λ 0 ; I - длина стороны ромба; h - средняя высота подвеса антенны над землей; λ 0 - оптимальная длина волны.

Г. 3. Айзенбергом была предложена усовершенствованная конструкция антенны-двойная ромбическая антенна РГД (рис. 2.16). Эта антенна представляет собой параллельное соединение двух одинарных ромбических антенн. Большие диагонали ромбов сдвинуты относительно друг друга в горизонтальной плоскости на величину (0,8 ... 1) Ко- Вся конструкция полотна антенны подвешивается на шести мачтах. Снижения антенн запараллеливаются, благодаря чему входное сопротивление антенны становится равным 300 ... 350 Ом.

Для работы с двойными ромбическими антеннами применяют фидеры с волновым сопротивлением 300 Ом. Провода острых углов ромбов, обращенных в сторону корреспондента, синфазно запараллеливаются и подключаются к одному нагрузочному сопротивлению (фехралевой линии). Параллельное соединение ромбов уменьшает излучение антенны через боковые лепестки, увеличивает коэффициенты усиления и направленного действия в 1,5 ... 2 раза.

Условное обозначение двойной ромбической антенны -

Диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях ромбической антенны зависят от ее геометрических разме-

ров (l, Ф, h). Для обеспечения круглосуточного действия линии радиосвязи на весь период 11-летней солнечной деятельности применяется комплект из двух-трех ромбических антенн. В этом случае каждая антенна используется в ограниченном участке диапазона радиоволн (0,8...2) λ 0 , т. е. одна антенна работает в дневные, другая - в ночные и третья - в промежуточные часы суток.

Для сохранения величины волнового сопротивления антенны по ее длине одиночный провод ромба заменяется двумя проводами, расходящимися у вершин тупых углов (см. рис. 2.16). Провода у тупых углов подвешиваются один над другим на расстоянии 2,5 м.

Ромбические антенны используются при работе с передатчиками мощностью 1 кВт и выше.

Антенна бегущей волны с активным элементом связи БС2.

Антенна бегущей волны с активными элементами связи БС2 широко применяется на приемных радиостанциях. Она представляет собой горизонтально подвешенную четырехпроводную собирательную линию, ориентированную в направлении на корреспондента и соединенную через резисторы с горизонтальными симметричными вибраторами (рис. 2.17). Конец собирательной линии состороны корреспондента нагружается на резистор Ru, равный по величине волновому сопротивлению линии, второй конец через снижение и фидер соединяется с приемным устройством. Собирательная линия позволяет довести энергию от всех вибраторов до приемного устройства, потому она и получила название собирательной. Число вибраторов и их длина выбираются в зависимости от протяженности линии радиосвязи и диапазона частот, перекрываемого антенной. Для повышения направленных свойств применяют два, реже три параллельно соединенных полотна антенн бегущей волны.

Условное обозначение антенны -

где БС2 - антенна сдвоенная бегущей волны с активным элементом связи; N - число симметричных вибраторов; l - длина плеча симметричного вибратора, м; г - сопротивление элемента связи, Ом; l 1 - расстояние между соседними вибраторами, м; h - высота подвеса антенны, м.

Рассмотрим принцип действия антенны. Электромагнитные волны, приходящие со стороны корреспондента, пересекая симметричные вибраторы 1 , 2, 3, ..., 20, 21, наводят в каждом из них соответственно ЭДС е1, е2, e з, ..., е20 , е21 . Эти ЭДС через резисторы связи R св создают в собирательной линии две волны тока, одна из которых направляется к нагрузочному резистору R н, другая - в сторону приемного устройства.

Положим, что скорость распространения электромагнитных колебаний в пространстве от вибратора 1 до вибратора 21 равна скорости распространения волны тока в собирательной линии от вибратора 1 до вибратора 21.

Первоначально, когда ток i1 от ЭДС е1 индуктированной в вибраторе 1 электромагнитными колебаниями, дойдет до вибратора 2, то во втором вибраторе будет индуктирована ЭДС е2 и в сторону вибратора 3 потечет ток i1+i2 +"V Когда эта сумма токов дойдет до вибратора 3, то в нем будет индуктирована ЭДС е3. Далее в сторону вибратора 4 потечет ток i1+i2+i3 и т. д. Таким образом, направляющиеся в сторону приемного устройства токи от вибраторов суммируются и создают во входной цепи этого устройства напряжение сигнала. Токи, направляющиеся по собирательной линии в сторону нагрузочного сопротивления, поглощаются этим сопротивлением.

Если же электромагнитные волны будут приходить со стороны вибратора 21 и распространяться в сторону вибратора 1 , то во всех вибраторах после 21 -го будут наводиться ЭДС с запаздыванием по отношению к ЭДС вибратора 21. Так, в точку подключения вибратора 21 ток от вибратора 20 придет с запаздыванием времени на путь электромагнитных волн от вибратора 21 к 20 и на путь прохождения тока по собирательной линии от вибратора 20 к 21 и т. д. Следовательно, токи i21, i20, i19....i1 , от ЭДС вибраторов будут иметь разные фазы. В результате сдвига фаз результирующая величина тока в направлении к входной цепи приемного устройства будет минимальной. Токи, направляющиеся в сторону нагрузочного сопротивления, будут поглощаться этим сопротивлением. Таким образом, во входной цепи приемного устройства получаем максимальный уровень сигнала только в случае прихода электромагнитных волн со стороны вибратора 1 , т. е. создается однонаправленный прием электромагнитных волн.

В реальных условиях скорость прохождения волн токов вдоль собирательной линии ниже скорости распространения радиоволн в свободном пространстве. Наличие разности в скоростях распространения электромагнитных волн и прохождения токов в собирательной линии вызывает фазовые сдвиги токов и уменьшение уровня сигнала во входной цепи приемного устройства, а также оказывает влияние на направленные свойства антенны. Скорость прохождения токов в собирательной линии зависит также от нагрузки, которую вносят вибраторы в эту линию. Для ослабления шунтирующего действия вибраторов последние подключают к собирательной линии через элементы связи - резисторы R CB . Применение активных, а не реактивных элементов связи способствует работе антенны бегущей волны в широком диапазоне частот.

Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости имеет малые уровни боковых лепестков, а в главном лепестке концентрируется прием почти всей энергии электромагнитных волн.

На приемных радиостанциях применяются две типовые антенны:

применяется на линиях радиосвязи протяженностью 400 ...

1000 км, работает в диапазоне 18...135 м и состоит из двух параллельно соединенных полотен БС, выполненных каждое из 14 вибраторов с длиной плеча 11 м, присоединенных к собирательной линии через резисторы связи (200 Ом) с расстоянием между соседними вибраторами, равным 4,5 м, подвешенными над землей на высоте 11 м на шести мачтах.

К концам собирательных линий со стороны корреспондента подключаются четырехпроводные снижения с волновым сопротивлением 170 Ом. Снижения внизу закрепляются на опорах и подключаются к резисторам нагрузки (170 Ом) с грозоразрядниками. Другие концы собирательных линий нагружаются на снижения с волновым сопротивлением 170 Ом, соединенные внизу параллельно и подключенные к фидеру с волновым сопротивлением 208 Ом через согласующий экспоненциальный трансформатор 85/200 Ом.

(рис. 2.19, 2.20) применяется на линиях радиосвязи протяженностью 2000... 4000 км и работает в диапазоне 12,5 . . . 100 м. Она состоит из двух параллельно соединенных полотен БС /, каждое из которых содержит 21 вибратор 7 с длиной плеча 8 м. Собирательные линии 6 имеют волновое сопротивление 170 Ом и со стороны корреспондента через снижения 5 нагружаются на сопротивления 170 Ом мощностью 10 Вт. Вибраторы подключаются к собирательной линии через резисторы сопротивлением 200 Ом. Полотна БС подвешиваются на шести мачтах 8. Концы собирательных линий антенны, обращенных к приемному устройству, через снижения, выполненные в виде двух согласующих трансформаторов 170/200 Ом (вертикальных 2) и

двух 200/400 Ом (горизонтальных 3), соединяются параллельно и подключаются к фидеру 4 с волновым сопротивлением 208 Ом. На рис. 2.21 представлен узел крепления вибраторов к собирательной линии. Высота подвеса полотна 11,17 и 25 м выбирается в зависимости от угла наклона главного лепестка диаграммы направленности в вертикальной плоскости.

Существенное увеличение эффективности антенн бегущей волны может быть достигнуто путем применения систем, состоящих из двух, трех и более антенн БС2, установленных друг за другом (2БС2, ЗБС2 и др.). Чтобы напряжения от антенн на входе приемника были в фазе, длины фидеров антенн подбираются и подключаются к входу приемника через линейный фазовращатель. С помощью фазовращателя можно изменять в небольших пределах угол максимального приема.

Коэффициент направленного действия антенны ЗБС2 увеличивается по сравнению с антенной БС2 примерно в 3 раза, а коэффициент усиления - в 1,3 раза.

Прием декаметровых волн сопровождается глубокими замира­ниями сигнала и требует смены рабочих частот во времени в за­висимости от состояния ионосферы. Для повышения надежности радиосвязи применяют сдвоенный (реже строенный) прием на два (три) приемника, работающими с разнесенными в простран­стве антеннами. В результате число антенн на приемной станции оказывается достаточно большим. Для уменьшения числа антенн, фидеров и упрощения их коммутации приемные антенны должны быть широкодиапазонными. В этих антеннах можно допустить не­сколько пониженный КПД, поскольку уровни сигнала и внешних помех при этом уменьшаются одинаково и отношение сигнал-шум не изменится. В качестве приемных применяются симметричные и несимметричные антенны бегущей волны .

Симметричные антенны бегущей волны представляют собой систему горизонтальных симметричных вибраторов (рис.17,а), равномерно расположенных в пространстве и подключенных че­рез сопротивления связи к собирательной линии.

Собирательная линия выполняется многопроводной с пониженным волновым со­противлением W=160-200 Ом. С одного конца собирательная линия посредством фидера подключается к приемнику, а с друго­го - замыкается на сопротивление R = Wo. Число и длину виб­раторов желательно брать большими, при этом увеличивается мощность, принимаемая антенной. Однако увеличение длины пле­ча более значения 0.64λ нежелательно, поскольку приводит к уве­личению уровней боковых лепестков. Для работы в диапазоне волн 12,5... 70 м длину плеча вибратора выбирают равной l = 0,64λкор = 8 м. Длина полотна антенны L (собирательной ли­нии) определяет величину КНД. Из

конструктивных соображе­ний длину антенны ограничивают значением 90 ...100 м. С увели­чением числа вибраторов увеличивается действующая длина ан­тенны и уменьшается расстояние между вибраторами. При рас­стояниях между вибраторами меньше 0,5λ. дальнейшее уменьше­ние этого расстояния слабо сказывается на уровнях боковых ле­пестков, но увеличивается шунтирующее действие вибраторов на собирательную линию. Расстояние между вибраторами выбира­ют в пределах d= (0,3 ... 0,4) λкор, а число вибраторов n= 20-30.

В общем случае входное сопротивление вибратора является комплексным. Непосредственное подключение вибраторов к со­бирательной линии изменяет ее погонные параметры, изменится и фазовая скорость в ней. Всякое подключение к линии сосредо­точенного сопротивления нарушает однородность линии и вызы­вает некоторое отражение энергии от точек подключения. Чтобы уменьшить шунтирующее действие и отражения, вибраторы к со­бирательной линии подключаются через сопротивления связи. В качестве сопротивления связи может использоваться активное со­противление (рис.17,а), конденсатор (рис.17,6) или индук­тивность (рис.17,в). В соответствии с этим антенны бегущей волны обозначаются БС, БЕ или БИ.

Из эконо­мических соображении высоту антенн уменьшают до 17... 25 м.

На рис.18 приведены ДН антенны бегущей волны. В сравнении с синфаз­ными и ромбическими антенны БС имеют меньшие уровни боко­вых лепестков. Активные сопротивления связи исключают резонансные явления, позво­ляют увеличить длины вибраторов и получить значительно боль­шее перекрытие по диапазону. Одна антенна БС практически пе­рекрывает весь диапазон декаметровых волн. С увеличением со­противления связи уменьшается влияние вибраторов на собира­тельную линию, улучшается согласование, но из-за возрастания потерь ухудшается КПД. Низкий КПД позволяет использовать антенны бегущей волны только в качестве приемных.

Для сужения ДН и увеличения КНД два полотна антенны рас­полагают рядом и соединяют параллельно с помощью экспонен­циальных фидерных трансформаторов.

В практике радиосвязи большое распространение получили антенны типа БС-2 (21/8) (200/4,5)25. Данное обозначение имеет следующую расшифровку: антенна бегущей волны (Б) с актив­ными сопротивлениями связи (С) состоит из двух параллельно соединенных полотен (2). Каждое полотно имеет по 21 симмет­ричному вибратору с длиной плеча l= 8 м и расстоянием между ними d=4,5м. Сопротивление связи в каждом плече вибратора по 200 Ом. Полотна имеют высоту подвеса над землей 25м.

В условиях ограниченного по размерам антенного поля сдвоен­ный прием можно осуществить, используя антенны с взаимно перпендикулярными вибраторами (поляризационно-разнесенный прием). Если одна из антенн имеет горизонтальные вибраторы, например БС, то вторая должна иметь вертикальные вибраторы. Такой антенной может быть БСВН - вертикальная несимметрич­ная антенна бегущей волны, вибраторы которой связаны с соби­рательной линией через активные сопротивления (резисторы) свя­зи (рис.19,а). Число вибраторов, их длина и расстояния меж­ду ними выбираются из тех же соображений, что и для антенны БС Собирательная линия (рис. 19,6) выполняется несиммет­ричной, многопроводной с волновым сопротивлением 140 Ом. Вне­шние провода собирательной линии под каждым вибратором за­земляются. Вибраторы через сопротивления связи 350... 800 Ом подключаются к двум внутренним проводам. Антенны БСВН по сравнению с БС имеют меньшую стоимость.

Антенна БСВН2 по сравнению с БС2 в горизонтальной плос­кости имеет несколько большие уровни боковых лепестков, по­скольку вертикальный вибратор в горизонтальной плоскости не обладает направленными свойствами. Диаграмма направленности антенны БСВН в вертикальной плоскости существенно зависит от параметров почвы. При идеально проводящей почве максимум главного лепестка ДН совпадает с направлением вдоль земли. В условиях реальной проводимости почвы волна, распространяю­щаяся вдоль земной поверхности, испытывает поглощение и на­правление главного лепестка составляет с плоскостью земли угол 10...200.

В диапазоне декаметровых волн в качестве приемной антен­ны можно использовать провод диаметром 3 ... 4 мм длиной 100... ... 300 м, расположенный на высоте 2,5... 3,5 м над землей, вытя­нутый в направлении на корреспондента. К одному концу через согласующий трансформатор подключается приемный фидер, а к другому - через нагрузочное сопротивление, равное волновому сопротивлению провода,- заземление или противовес.

Вертикальные провода в начале и конце антенны могут су­щественно ухудшить ее направленные свойства. Чтобы уменьшить длины этих проводов, нагрузочное сопротивление в конце и на­ружный проводник фидера в начале антенны подключают не к заземлениям, а к приподнятым над землей противовесам. При работе на одной частоте противовес можно выполнить из трех лу­чей, расположенных в горизонтальной плоскости, расходящихся под углами 120° и имеющих длину 0,25 λ, каждый. При работе в диапазоне противовес выполняют многолучевым, длины лучей ко­торого выбирают по логопериодическому закону Противовес представляет систему из 15 лучей, расположенных в горизонтальной плоскости, расходящихся иод углами 360/15=24° друг к другу.

Для понижения волнового сопротивления провод антенны вы­полняют из нескольких проволок, разнесенных в пространстве. При работе на трассах небольшой протяженности углы прихода волны Δ≥40° и длина антенны оказывается малой. Например, при Δ = 40° Lопт = 2к, а при Δ = 60° Lопт = λ. Такие антенны об­ладают слабыми направленными свойствами. Для улучшения на­правленных свойств антенну выполняют в виде синфазной ре­шетки из двух и более проводов.

При работе с дальними корреспондентами, когда углы прихо­да волны в вертикальной плоскости Δ≤18°, оптимальная длина антенны Lопт≥10λ. Направленные свойства такой антенны луч­ше.

Антенна, представляющая собой синфазную решетку, состоя­щую из двух проводов, разнесенных на 20... 60 м, при длине каж­дого провода 100 ...300 м, может быть использована на магист­ральных линиях связи большой протяженности как временная или резервная.

На трассах протяженностью свыше 2000 км применяют сдво­енный прием на разнесенные в пространстве антенны. Если про­странственный разнос антенн осуществить затруднительно, при­меняют поляризационно-разнесенный прием с использованием ан­тенн БС2 и БСВН2, располагая вертикальные вибраторы БСВН2 непосредственно под собирательными линиями антенны БС2.

Сотовая связь с недавних пор так прочно вошла в нашу повседневную жизнь, что трудно представить современное общество без нее. Как и многие другие великие изобретения мобильный телефон сильно повлиял на нашу жизнь, и на многие ее сферы. Трудно сказать каким было бы будущее, если бы не этот удобный вид связи. Наверняка таким же, как и в фильме "Назад в Будущее-2", где есть летающие авто, ховерборды, и многое другое, но нет сотовой связи!

Но сегодня в специальном репортаже для будет рассказ не о будущем, а о том, как устроена и работает современная сотовая связь.

Для того, чтобы узнать о работе современной сотовой связи в формате 3G/4G, я напросился в гости к новому федеральному оператору Tele2 и провел целый день с их инженерами, которые объяснили мне все тонкости передач данных через наши мобильные телефоны.

Но расскажу вначале немного об истории возникновения сотовой связи.

Принципы работы беспрводной связи были опробованы почти 70 лет назад - первый общественный подвижный радиотелефон появился в 1946 г. в Сент-Луисе, США. В Советском союзе опытный образец мобильного радиотелефона был создан в 1957 году, потом ученые других стран создавали подобные устройства с различными характеристиками, и только в 70-х годах прошлого века в Америке были определены современные принципы работы сотовой связи, после чего и началось ее развитие.

Мартин Купер - изобретатель прототипа портативного сотового телефона Motorola DynaTAC весом в 1,15 кг и размерами 22,5х12,5х3,75 см

Если в западных странах к середине 90-х годов прошлого века сотовая связь была распространена повсеместно и ей пользовалась большая часть населения, то в России она только начала появляться, и стала доступной для всех чуть более 10 лет назад.

Громоздкие кирпичеобразные мобильники работавшие в форматах первого и второго поколений ушли в историю, уступив место смартфонам с 3G и 4G, лучшей голосовой связью и высокой скоростью интернета.

Почему связь называется сотовой? Потому что территория, на которой обеспечивается связь, разбивается на отдельные ячейки или соты, в центре которых располагаются базовые станции (БС). В каждой "соте" абонент получает одинаковый набор услуг в определенных территориальных границах. Это означает, что перемещаясь от одной "соты" к другой, абонент не чувствует территориальной привязанности и может свободно пользоваться услугами связи.

Очень важно, чтобы была непрерывность соединения при перемещении. Это обеспечивается благодаря так называемому хэндовер (Handover), при котором соединение установленное абонентом как бы подхватывается соседними сотами по эстафете, а абонент продолжает разговаривать или копаться в соцсетях.

Вся сеть делится на две подсистемы: подсистема базовых станций и подсистема коммутации. Схематически это выглядит так:

В середине "соты", как было сказано выше находится базовая станция, которая обычно обслуживает три "соты". Радиосигнал от базовой станции излучается через 3 секторные антенны, каждая из которых направлена на свою "соту". Бывает так, что на одну "соту" направлены сразу несколько антенн одной базовой станции. Это связано с тем, что сеть сотовой связи работает в нескольких диапазонах (900 и 1800 МГц). Кроме того, на данной базовой станции может присутствовать оборудование сразу нескольких поколений связи (2G и 3G).

Но на вышках БС Tele2 стоит оборудование только третьего и четвертого поколения - 3G/4G, так как компания решила отказаться от старых форматов в пользу новых, которые помогают избегать обрывов голосовой связи и обеспечивают более стабильный интернет. Завсегдатаи соцсетей поддержат меня в том, что в наше время скорость интернета очень важна, 100-200 кб/с уже не достаточно, как это было пару-тройку лет назад.

Наболее привычным местом размещения БС является башня или мачта, построенная специально для нее. Наверняка вы могли видеть красно-белые вышки БС где-то в отдаленности от жилых домов (в поле, на холме), или там, где поблизости нет высоких зданий. Как вот эта, которая видна из моего окна.

Однако, в условиях городской местности трудно найти место под размещение массивного сооружения. Поэтому в крупных городах базовые станции размещаются на зданиях. Каждая станция ловит сигнал от мобильных телефонов на удалении до 35 км.

Это антенны, само оборудование БС находится на чердаке, или в контейнере на крыше, которое представляет из себя пару железных шкафов.

Некоторые базовые станции расположены там, где вы даже не догадаетесь. Как например на крыше этой парковки.

Антенна БС состоит из нескольких секторов, каждый из которых принимает/отправляет сигнал в свою сторону. Если вертикальная антенна осуществляет связь с телефонами, то круглая соединяет БС с контроллером.

В зависимости от характеристик, каждый сектор может обслуживать до 72 звонков одновременно. БС может состоять из 6 секторов, и обслуживать до 432 звонков, однако обычно на станциях устанавливают меньше передатчиков и секторов. Сотовые операторы, такие как Tele2, предпочитают ставить больше БС для улучшения качества связи. Как мне сказали, здесь используется самое современное оборудование: базовые станции Ericsson, транспортная сеть - Alcatel Lucent.

От подсистемы базовых станций сигнал передается в сторону подсистемы коммутации, где и происходит установление соединения с нужным абоненту направлением. В подсистеме коммутации есть ряд баз данных, в которых хранятся сведения об абонентах. Кроме того эта подсистема отвечает за безопасность. Если сказать проще, то коммутатор выполняет те же функции, что и девушки операторы, которые раньше руками соединяли вас с абонентом, только сейчас все это происходит автоматически.

Оборудование для этой базовой станции спрятано в этом железном шкафу.

Кроме обычных вышек есть также и мобильные варианты базовых станций, размещенные на грузовиках. Их очень удобно использовать во время стихийных бедствий или в местах массового скопления людей (футбольные стадионы, центральные площади) на время праздников, концертов и различных мероприятий. Но, к сожалению, из-за проблем в законодательстве широкого применения они пока не нашли.

Для обеспечения оптимального покрытия радиосигналом на уровне земли, базовые станции проектируются специальным образом, потому несмотря на дальность в 35 км. сигнал не распространяется на высоту полета самолетов. Однако некоторые авиакомпании уже начали устанавливать на своих бортах небольшие базовые станции, обеспечивающие сотовую связь внутри самолета. Такая БС соединяется с наземной сотовой сетью с помощью спутникового канала. Система дополняется панелью управления, которая позволяет экипажу включать и выключать систему, а также отдельные типы услуг, например, выключать голос на ночных рейсах.

Также я заглянул в офис Tele2, чтобы увидеть как специалисты контролируют качество сотовой связи. Если несколько лет назад такая комната была бы увешана до потолка мониторами показывающими данные сети (загруженность, аварии сети, и т.п.) то со временем надобность в таком количестве мониторов отпала.

Технологии со временем сильно развились и достаточно вот такой небольшой комнаты с несколькими специалистами, чтобы наблюдать за работой всей сети в Москве.

Немного видов из офиса Tele2.

На совещании сотрудников компании обсуждаются планы по захвату столицы) С начала стройки до сегодняшнего дня Tele2 успел покрыть своей сетью всю Москву, и постепенно завоевывает Подмосковье, запуская более 100 базовых станций еженедельно. Так как я живу теперь в области, мне очень важно. чтобы эта сеть как можно быстрее пришла в мой городок.

В планах компании на 2016 г. обеспечение высокоскоростной связи в метро на всех станциях, на начало 2016 связь Tele2 присутствует на 11 станциях: связь стандарта 3G/4G на метро «Борисово», «Деловой центр», «Котельники», «Лермонтовский проспект», «Тропарево», «Шипиловская», «Зябликово», 3G: «Белорусская» (Кольцевая), «Спартак», «Пятницкое шоссе», «Жулебино».

Как я говорил выше, Tele2 отказалась от формата GSM в пользу стандартов третьего и четвертого поколения - 3G/4G. Это позволяет устанавливать базовые станции 3G/4G с большей частотой (например, внутри МКАД БС стоят на расстоянии около 500 метров друг от друга), чтобы обеспечивать более стабильную связь и высокую скорость мобильного интернета, чего не было в сетях предыдущих форматов.

Из офиса компании я в компании инженеров Никифора и Владимира отправляюсь на одну из точек, где им нужно замерить скорость связи. Никифор стоит напротив одной из мачт, на которой установлено оборудование для обеспечения связи. Если приглядитесь, то заметите чуть далее слева еще одну такую мачту, с оборудованием других сотовых операторов.

Как это ни странно, но сотовые операторы часто разрешают своим конкурентам использовать свои башенные сооружения для размещения антенн (естественно на взаимовыгодных условиях). Это вызвано тем, что строительство башни или мачты - дорогое удовольствие, и такой обмен позволяет сэкономить немало средств!

Пока мы замеряли скорость связи, Никифора несколько раз прохожие бабушки и дядьки спросили не шпион ли он)) "Да, глушим радио "Свобода"!).

Оборудование на самом деле выглядит необычно, по его виду можно предположить все что угодно.

У специалистов компании немало работы, если учесть, что в Москве и области у компании более 7тыс. базовых станций: из них порядка 5тыс. 3G и около 2тыс. базовых станций LTE, а за последнее время количество БС увеличилось еще примерно на тысячу.
Всего за три месяца в Подмосковье было выведено в эфир 55% от общего количества новых базовых станций оператора в регионе. В настоящий момент компания обеспечивает качественное покрытие территории, на которой проживает более 90% населения Москвы и Московской области.
Кстати, в декабре сеть 3G Tele2 была признана лучшей по качеству среди всех столичных операторов.

Но я решил лично проверить насколько хороша связь у Tele2, потому приобрел симку в ближайшем ко мне торговом центре на м.Войковская, с самым простым тарифом "Очень черный" за 299 р (400 смс/минут и 4 ГБ). Кстати, у меня был подобный билайновский тариф, который на 100 рублей дороже.

Проверил скорость не отходя далеко от кассы. Прием - 6.13 Mbps, передача - 2.57 Mbps. Учитывая, что я стою в центре торгового центра это неплохой результат, связь Tele2 хорошо проникает сквозь стены большого ТЦ.

На м.Третьяковская. Прием сигнала - 5.82 Mbps, передача - 3.22 Mbps.

И на м.Красногвардейская. Прием - 6.22 Mbps, передача - 3.77 Mbps. Замерил у выхода из метро. Если принять во внимание, что это окраина Москвы, очень даже прилично. Считаю, что вполне приемлемая связь, уверенно можно сказать, что стабильная, если учитывать, что Tele2 появилась в Москве всего пару месяцев назад.

В столице стабильная связь Tele2 есть, это хорошо. Очень надеюсь, что они побыстрее придут в область и я смогу в полной мере пользоваться их связью.

Теперь и вы знаете как работает сотовая связь!

Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите пишите мне - Аслан ([email protected] ) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта http://ikaketosdelano.ru

Подписывайтесь также на наши группы в фейсбуке, вконтакте, одноклассниках и в гугл+плюс , где будут выкладываться самое интересное из сообщества, плюс материалы, которых нет здесь и видео о том, как устроены вещи в нашем мире.

Жми на иконку и подписывайся!

И вновь немного общеобразовательного материала. На этот раз речь пойдет о базовых станциях. Рассмотрим различные технические моменты по их размещению, конструкции и дальности действия, а также заглянем внутрь самого антенного блока.

Базовые станции. Общие сведения

Так выглядят антенны сотовой связи, установленные на крышах зданий. Эти антенны являются элементом базовой станции (БС), а конкретно - устройством для приема и передачи радиосигнала от одного абонента к другому, и далее через усилитель к контроллеру базовой станции и другим устройствам. Являясь наиболее заметной частью БС, они устанавливаются на антенных мачтах, крышах жилых и производственных зданий и даже дымовых трубах. Сегодня можно встретить и более экзотические варианты их установки, в России их уже устанавливают на столбах освещения, а в Египте их даже "маскируют" под пальмы.

Подключение базовой станции к сети оператора связи может производиться по радиорелейной связи, поэтому рядом с "прямоугольными" антеннами блоками БС можно увидеть радиорелейную тарелку:

С переходом на более современные стандарты четвертого и пятого поколений, для удовлетворения их требований подключать станции нужно будет исключительно по волоконной оптике. В современных конструкциях БС оптоволокно становится неотъемлемой средой передачи информации даже между узлами и блоками самой БС. К примеру, на рисунке ниже показано устройство современной базовой станции, где оптоволоконный кабель используется для передачи данных от RRU (выносные управляемые модули) антенны до самой базовой станции (показано оранжевой линией).

Оборудование базовой станции располагается в нежилых помещениях здания, либо устанавливается в специализированные контейнеры (закрепленные на стенах или столбах), ведь современное оборудования выполняется довольно компактно и может запросто поместиться в системный блок серверного компьютера. Часто радиомодуль устанавливают рядом с антенным блоком, это позволяет уменьшить потери и рассеивание передаваемой в антенну мощности. Так выглядят три установленных радиомодуля оборудования базовой станции Flexi Multiradio, закрепленные прямо на мачте:

Зона обслуживания базовых станций

Для начала следует отметить, что бывают различные типы базовых станций: макро, микро, пико и фемтосоты. Начнем с малого. И, если кратко, то фемтосота не является базовой станцией. Это, скорее, Access Point (точка доступа). Данное оборудование изначально ориентируется на домашнего или офисного пользователя и владельцем такого оборудования является частное или юр. лицо, не относящееся к оператору. Главное отличие такого оборудования заключается в том, что оно имеет полностью автоматическую конфигурацию, начиная от оценки радиопараметров и заканчивая подключением к сети оператора. Фемтосота имеет габариты домашнего роутера:

Пикосота - это БС малой мощности, принадлежащая оператору и использующая в качестве транспортной сети IP/Ethernet. Обычно устанавливается в местах возможной локальной концентрации пользователей. Устройство по размерам сравнимо с небольшим ноутбуком:

Микросота - это приближенный вариант реализации базовой станции в компактном виде, очень распространено в сетях операторов. От "большой" базовой станции ее отличает урезанная емкость поддерживаемых абонентом и меньшая излучающая мощность. Масса, как правило, до 50 кг и радиус радиопокрытия - до 5 км. Такое решение используется там, где не нужны высокие емкости и мощности сети, или нет возможности установить большую станцию:

И наконец, макросота - стандартная базовая станция, на базе которой строятся мобильные сети. Она характеризуется мощностями порядка 50 W и радиусом покрытия до 100 км (в пределе). Масса стойки может достигать 300 кг.

Зона покрытия каждой БС зависит от высоты подвеса антенной секции, от рельефа местности и количества препятствий на пути до абонента. При установке базовой станции далеко не всегда на первый план выносится радиус покрытия. По мере роста абонентской базы может не хватить максимальной пропускной способности БС, в этом случае на экране телефона появляется сообщение "сеть занята". Тогда оператор со временем на этой территории может сознательно уменьшить радиус действия базовой станции и установить несколько дополнительных станций в местах наибольшей нагрузки.

Когда нужно увеличить емкость сети и снизить нагрузку на отдельные базовые станции, тогда и приходят на помощь микросоты. В условиях мегаполиса зона радиопокрытия одной микросоты может составлять всего 500 метров.

В условиях города, как ни странно, встречаются такие места, где оператору нужно локально подключить участок с большим количеством трафика (районы станций метро, крупные центральные улицы и др.). В этом случае применяются маломощные микросоты и пикосоты, антенные блоки которых можно располагать на низких зданиях и на столбах уличного освещения. Когда возникает вопрос организации качественного радиопокрытия внутри закрытых зданий (торговые и бизнес центры, гипермаркеты и др.) тогда на помощь приходят пикосотовые базовые станции.

За пределами городов на первый план выходит дальность работы отдельных базовых станций, так установка каждой базовой станции в удалении от города становится все более дорогостоящим предприятием в связи с необходимостью построения линий электропередач, дорог и вышек в сложных климатических и технологических условиях. Для увеличения зоны покрытия желательно устанавливать БС на более высоких мачтах, использовать направленные секторные излучатели, и более низкие частоты, менее подверженные затуханию.

Так, например, в диапазоне 1800 МГц дальность действия БС не превышает 6-7 километров, а в случае использования 900-мегагерцового диапазона зона покрытия может достигать 32 километров, при прочих равных условиях.

Антенны базовых станций. Заглянем внутрь

В сотовой связи чаще всего используют секторные панельные антенны, которые имеют диаграмму направленности шириной в 120, 90, 60 и 30 градусов. Соответственно для организации связи во всех направлениях (от 0 до 360) может потребоваться 3 (ширина ДН 120 градусов) либо 6 (ширина ДН 60 градусов) антенных блоков. Пример организации равномерного покрытия во всех направлениях показан на рисунке ниже:

А ниже вид типовых диаграмм направленности в логарифмическом масштабе.

Большинство антенн базовых станций широкополосные, позволяющие работать в одном, двух или трех диапазонах частот. Начиная с сетей UMTS, в отличие от GSM, антенны базовых станций умеют изменять площадь радиопокрытия в зависимости от нагрузки на сеть. Один из самых эффективных методов управления излучаемой мощностью - это управление углом наклона антенны, таким способом изменяется площадь облучения диаграммы направленности.

Антенны могут иметь фиксированный угол наклона, либо имеют возможность дистанционной регулировки с помощью специального программного обеспечения, располагаемого в блоке управления БС, и встроенных фазовращателей. Существуют также решения, позволяющие изменять зону обслуживания, от общей системы управления сети передачи данных. Таким образом, можно регулировать зону обслуживания всего сектора базовой станции.

В антеннах базовых станций применяется как механическое управление диаграммой, так и электрическое. Механическое управление проще реализуется, но часто приводит к искажению формы диаграммы направленности из-за влияния конструктивных частей. Большинство антенн БС имеет систему электрической регулировки угла наклона.

Современный антенный блок представляет собой группу излучающих элементов антенной решетки. Расстояние между элементами решетки выбирается таким образом, чтобы получить наименьший уровень боковых лепестков диаграммы направленности. Наиболее часто встречаются длины панельных антенн от 0,7 до 2,6 метров (для многодиапазонных антенных панелей). Коэффициент усиления варьируется от 12 до 20 dBi.

На рисунке ниже (слева) представлена конструкция одной из наиболее распространенных (но уже устаревающих) антенных панелей.

Здесь излучатели антенной панели представляют собой полуволновые симметричные электрические вибраторы над проводящим экраном, расположенные под углом 45 градусов. Такая конструкция позволяет формировать диаграмму с шириной главного лепестка 65 или 90 градусов. В такой конструкции выпускаются двух- и даже трехдиапазонные антенные блоки (правда, довольно крупногабаритные). Например, трехдиапазонная антенная панель такой конструкции (900, 1800, 2100 МГц) отличается от однодиапазонной, примерно в два раза большим размером и массой, что, конечно же, затрудняет ее обслуживание.

Альтернативная технология изготовления таких антенн предполагает выполнение полосковых антенных излучателей (металлические пластины квадратной формы), на рисунке выше справа.

А вот еще один вариант, когда в качестве излучателя используются полуволновые щелевые магнитные вибраторы. Линия питания, щели и экран выполняются на одной печатной плате с двухсторонним фольгированным стеклотекстолитом:

С учетом современных реалий развития беспроводных технологий, базовые станции должны поддерживать работу 2G, 3G и LTE сетей. И если блоки управления базовых станций сетей разных поколений удается вместить в один коммутационный шкаф без увеличения габаритного размера, то с антенной частью возникают значительные трудности.

Например, в многодиапазонных антенных панелях количество коаксиальных соединительных линий достигает 100 метров! Столь значительная длина кабеля и количество паяных соединений неизбежно приводит к потерям в линиях и снижению коэффициента усиления:

С целью снижения электрических потерь и уменьшения точек пайки часто делают микрополосковые линии, это позволяет выполнить диполи и систему запитки всей антенны по единой печатной технологии. Данная технологиях проста в производстве и обеспечивает высокую повторяемость характеристик антенны при ее серийном выпуске.

Многодиапазонные антенны

С развитием сетей связи третьего и четвертого поколений требуется модернизация антенной части как базовых станций, так и сотовых телефонов. Антенны должны работать в новых дополнительных диапазонах, превышающих 2.2 ГГц. Более того, работа в двух и даже трех диапазонах должна производиться одновременно. Вследствие этого антенная часть включает в себя довольно сложные электромеханические схемы, которые должны обеспечивать должное функционирование в сложных климатических условиях.

В качестве примера рассмотрим конструкцию излучателей двухдиапазонной антенны базовой станции сотовой связи Powerwave, работающей в диапазонах 824-960, МГц и 1710-2170, МГц. Ее внешний вид показан на рисунке ниже:

Этот двухдиапазонный облучатель состоит из двух металлических пластин. Та, что большего размера работает в нижнем диапазоне 900 МГц, над ней расположена пластина с щелевым излучателем меньшего размера. Обе антенны возбуждаются щелевыми излучателями и таким образом имеют единую линию запитки.

Если в качестве излучателей используются дипольные антенны, то необходимо ставить отдельный диполь для каждого диапазона волн. Отдельные диполи должны иметь свою линию запитки, что, конечно же, снижает общую надежность системы и увеличивает энергопотребление. Примером такой конструкции является антенна Kathrein для того же диапазона частот, что и рассмотренная выше:

Таким образом, диполи для нижнего диапазона частот находятся как бы внутри диполей верхнего диапазона.

Для реализации трех- (и более) диапазонного режимов работы наибольшей технологичностью обладают печатные многослойные антенны. В таких антеннах каждый новый слой работает в довольно узком диапазоне частот. Такая "многоэтажная" конструкция изготавливается из печатных антенн с индивидуальными излучателями, каждая антенна настраивается на отдельные частоты рабочего диапазона. Конструкция поясняется рисунком ниже:

Как и в любых других многоэлементных антеннах в такой конструкции происходит взаимодействие элементов, работающих в разных диапазонах частот. Само собой это взаимодействие оказывает влияние на направленность и согласование антенн, но данное взаимодействие может быть устранено методами, применяемыми в ФАР (фазированных антенных решетках). Например, одним из наиболее эффективных методов является изменение конструктивных параметров элементов путем смещения возбуждающего устройства, а также изменение размеров самого облучателя и толщины разделительного диэлектрического слоя.

Важным моментом является то, что все современные беспроводные технологии широкополосные, и ширина полосы рабочих частот составляет не менее 0,2 ГГц. Широкой рабочей полосой частот обладают антенны на основе взаимодополняющих структур, типичным примером которых являются антенны типа "bow-tie" (бабочка). Согласование такой антенны с линией передачи осуществляется подбором точки возбуждения и оптимизацией ее конфигурации. Чтобы расширить полосу рабочих частот по согласованию "бабочку" дополняют входным сопротивлением емкостного характера.

Моделирование и расчет подобных антенн производят в специализированных программных пакетах САПР. Современные программы позволяют моделировать антенну в полупрозрачном корпусе при наличии влияния различных конструктивных элементов антенной системы и позволяют тем самым произвести достаточно точный инженерный анализ.

Проектирование многодиапазонной антенны производят поэтапно. Сначала рассчитывают и проектируют микрополосковую печатную антенну с широкой полосой пропускания для каждого рабочего диапазона частот отдельно. Далее печатные антенны разных диапазонов совмещают (наложением друг на друга) и рассматривают их совместную работу, устраняя по возможности причины взаимного влияния.

Широкополосная антенна типа "бабочка" может быть удачно использована как основа для трехдиапазонной печатной антенны. На рисунке ниже изображены четыре различных варианта ее конфигурации.

Приведенные конструкции антенн отличаются формой реактивного элемента, который применяется для расширения рабочей полосы частот по согласованию. Каждый слой такой трехдиапазонной антенны представляет собой микрополосковый излучатель заданных геометрических размеров. Чем ниже частоты - тем больше относительный размер такого излучателя. Каждый слой печатной платы отделен от другого с помощью диэлектрика. Приведенная конструкция может работать в диапазоне GSM 1900 (1850-1990 МГц) - принимает нижний слой; WiMAX (2,5 - 2,69 ГГц) - принимает средний слой; WiMAX (3,3 - 3,5 ГГц) - принимает верхний слой. Подобная конструкция антенной системы позволит принимать и передавать радиосигнал без использования дополнительного активного оборудования, не увеличивая тем самым габаритных размеров блока антенны.

И в заключении немного о вреде БС

Порой, базовые станции операторов сотовой связи устанавливают прямо на крышах жилых домов, чем конкретно деморализуют некоторых их обитателей. У хозяев квартир перестают "рожать кошки", а на голове у бабушки начинают быстрее появляться седые волосы. А тем временем, от установленной базовой станции жители этого дома электромагнитного поля почти не получают, ибо "вниз" базовая станция не излучает. Да и, к слову сказать, нормы СаНПиНа для электромагнитного излучения в РФ на порядок ниже, чем в "развитых" странах запада, и поэтому в черте города базовые станции никогда на полную мощность не работают. Тем самым, вреда от БС нет, если только вы не устраиваетесь позагорать на крыше в паре метров от них. Зачастую, с десяток точек доступа, установленных в квартирах жителей, а также микроволновые печи и сотовые телефоны (прижатые к голове) оказывают на вас намного большее воздействие, нежели базовая станция, установленная в 100 метрах за пределами здания.

Похожие статьи