Содержание к диссертации
Введение
1 Антенны базовых станций систем сотовой связи 9
1.1 Антенные решетки базовых станций сотовой связи первого ивторого поколения 13
1.2 Антенные решетки базовых станций сотовой связи третьего поколения 22
1.3 Смарт антенны 26
1.4 MIMO антенны 3 5
1.5 Конструкции и характеристики антенн базовых станцийсотовой связи, применяемых на практике 42
2 Результаты численных исследований широкополосных излучателей антенной системы базовой станции сотовой связи 44
2.1 Выбор типа излучателя 44
2.2 Методы моделирования и расчета излучателей на основесимметричных щелевых линий 47
2.3 Применение численных электродинамических методов дляисследования характеристик направленности излучателя Вивальди с постоянной зоной покрытия в горизонтальной плоскости 48
2.4 Построение излучателя для базовой станции третьего поколения с сектором обзора 906 52
2.5 Построение излучателя для базовой станции третьегопоколения с сектором обзора 606 59
2.6 Построение излучателя для базовой станции третьего поколения с сектором обзора 456 64
2.7. Приближенные методы расчета антенн на основе симметричных щелевых линий 70
2.8 Выводы 77
3 Построение антенной системы базовой станции сотовой связи ' 78
3.1. Обоснование выбора формы диаграммы направленности антенной системы базовой станции сотовой связи 78
3.2. Методы синтеза ДН антенной системы 80
3.3 .Сравнение методов синтеза антенной решетки по заданной диаграмме направленности 81
3.4. Упрощенная аппроксимация 83
3.5.Выводы 84
4 Построение антенно-фидерной системы базовой станции сотовой связи третьего поколения 86
4.1. Требования к ДН станции в вертикальной плоскости 86
4.2. Упрощенный вариант АФУ базовой станции сотовой связи третьего поколения . 87
4.3 Антенно-фидерная система базовой станции сотовой связи третьего поколения с обработкой сигнала. 90
4.4. Выводы 91
Заключение 92
Литература 94
Приложения 106
- Антенные решетки базовых станций сотовой связи третьего поколения
- Методы моделирования и расчета излучателей на основесимметричных щелевых линий
- Методы синтеза ДН антенной системы
- Упрощенный вариант АФУ базовой станции сотовой связи третьего поколения
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
В настоящее время появилось большое количество различных систем подвижной связи: сотовые системы для автомобилистов, системы персонального вызова, системы безшнурового телефона для локального использования. Поэтому возникла необходимость создания универсальной системы подвижной связи (UMTS) или 3G. В отличии от системы первого поколения (1G), рассчитанной на облуживание национальных границ и использующей аналоговую частотную модуляцию для передачи речи и системы второго поколения (2G), спроектированной с учетом роуминга и использующей цифровые устройства с программным управлением, универсальная система подвижной связи позволяет абоненту пользоваться услугами связи в неограниченной области пространства и иметь доступ к ним с помощью любого терминала на основе присвоенного ему персонального номера. Система подвижной связи третьего поколения 3G может включать в себя микроячейки для пешеходов, с радиусом обслуживания до 1 км, макроячейки для автомобилистов - до нескольких десятков км и гиперячейки до сотен и тысяч км для морских речных и воздушных судов, обслуживаемых спутниковой составляющей системы. Качественные характеристики универсальной системы подвижной связи третьего поколения в значительной степени определяются антенными устройствами базовых станций.
Необходимость существенного расширения функциональных возможностей систем подвижной связи диктует требования к характеристикам антенн. Этим и обусловлен поиск путей создания антенных систем базовых станций сотовой связи, отвечающим требованиям стандарта 3G. Цифровые универсальные системы подвижной связи должны поддерживать высокую скорость передачи данных (до 2 Мбит/с), быстрый доступ к сети Internet, возможность проведения видеоконференций.
Актуальность темы диссертации
В настоящее время появилось большое количество различных систем подвижной связи: сотовые системы для автомобилистов, системы персонального вызова, системы безшнурового телефона для локального использования. Поэтому возникла необходимость создания универсальной системы подвижной связи (UMTS) или 3G. В отличии от системы первого поколения (1G), рассчитанной на облуживание национальных границ и использующей аналоговую частотную модуляцию для передачи речи и системы второго поколения (2G), спроектированной с учетом роуминга и использующей цифровые устройства с программным управлением, универсальная система подвижной связи позволяет абоненту пользоваться услугами связи в неограниченной области пространства и иметь доступ к ним с помощью любого терминала на основе присвоенного ему персонального номера. Система подвижной связи третьего поколения 3G может включать в себя микроячейки для пешеходов, с радиусом обслуживания до 1 км, макроячейки для автомобилистов - до нескольких десятков км и гиперячейки до сотен и тысяч км для морских речных и воздушных судов, обслуживаемых спутниковой составляющей системы. Качественные характеристики универсальной системы подвижной связи третьего поколения в значительной степени определяются антенными устройствами базовых станций.
Необходимость существенного расширения функциональных возможностей систем подвижной связи диктует требования к характеристикам антенн. Этим и обусловлен поиск путей создания антенных систем базовых станций сотовой связи, отвечающим требованиям стандарта 3G. Цифровые универсальные системы подвижной связи должны поддерживать высокую скорость передачи данных (до 2 Мбит/с), быстрый доступ к сети Internet, возможность проведения видеоконференций.
Для выполнения этих функций необходимо создать антенны, работающие в трех частотных диапазонах стандарта 3G. Все это стимулирует появление на рынке серии антенн базовых станций сотовой связи с различными характеристиками. Разные условия распространения радиоволн в городе и сельской местности, рельефы местности и трафики загрузки, плотность размещения базовых станций и дальность действия одной соты — все эти факторы отражаются на характеристиках антенн: характеристиках направленности, поляризационных характеристиках, необходимом усилении и массогабаритных характеристиках. Для нашей страны с большой территорией играет значительную роль число базовых станций сотовой связи. Все вышеприведенное свидетельствует о значительном интересе к подобным антенным системам. Дальнейшее обеспечение надежности сотовой связи, устранение всякого рода помех, искажений, явлений эха и т.д., требует соответствующих изменений в характеристиках антенн базовых станций. В настоящее время осуществляется замена слабонаправленных антенн направленными антеннами, ФАР и адаптивными антенными решетками. Ведется поиск оптимальных поляризационных характеристик - замена вертикальной поляризации антенны базовой стации сотовой связи на круговую или две ортогональные линейные поляризации с различной ориентацией их в пространстве.
Отмеченное выше развитие систем сотовой связи с постепенным (из-
за высокой стоимости) переходом на стандарт 3G приводит к созданию
новых типов антенн базовых станций. Если на первых этапах развития
систем сотовой связи антенны базовых станций были одного типа, то для
третьего поколения следует иметь три и более типовых антенн. Переход на
три рабочие диапазона частот требует поиска оптимальных решений
построения антенн с изменяющимися в допустимых пределах
характеристиками направленности и поляризационными
характеристиками.
Из представленного многообразия серийно выпускаемых антенн трудно подобрать антенны обеспечивающие работу базовой станции стандарта 3G, т.е. имеющие неизменные сектора обзора в горизонтальной плоскости 45, 60 и 90 на всех частотах трех диапазонов. Можно отметить также относительно высокую стоимость антенн базовых станций, выпускаемых серийно. Представляет интерес создание унифицированного ряда современных широкополосных антенн, позволяющих строить на их базе многолучевые антенные системы для создания равномерной освещенности по дальности зоны обслуживания и косекансных ДН.
С учетом вышеизложенного можно сформулировать основные цели и задачи диссертационной работы.
Цель и задачи работы
Целью диссертационной работы является исследование характеристик направленности и частотных свойств антенных систем базовых станций сотовой связи третьего поколения. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решены следующие задачи:
исследование направленных свойств и частотных характеристик широкополосных излучателей, обеспечивающих требуемое изменение характеристик направленности в зоне обслуживания пользователей
разработка приближенных методик расчета диаграмм направленности широкополосных излучателей
синтез ДН антенной решетки, обеспечивающий оптимальные характеристики направленности в зоне обслуживания пользователей
Методы исследования: численные методы
электродинамики, теории антенн, численные методы математического
анализа, численное моделирование характеристик широкополосных
излучателей на ЭВМ.
Научная новизна работы
заключается в следующем:
Определены конструкции излучателя, обеспечивающего допустимое изменение характеристик направленности в трех частотных диапазонах стандарта 3G
Разработана методика расчета характеристик направленности излучателя
Выполнен синтез характеристик направленности антенной системы базовой станции сотовой связи
Практическая значимость результатов
работы
Разработаны три варианта широкополосных секторных антенн базовых станций третьего поколения, обеспечивающие допустимое изменение ширины луча в пределах±1дБ для перекрытия зон обслуживания в горизонтальной плоскости в секторах 45, 60 и 90.
Развиты приближенные методики и программа расчета характеристик направленности широкополосных излучателей
Показана возможность построения фазированных антенных решеток и адаптивных антенных систем на основе широкополосных излучателей
Предложены варианты построения антенных систем базовых станций сотовой связи третьего поколения
Основные положения, выносимые на
защиту
Характеристики широкополосных излучателей на основе симметричных щелевых линий и возможности применения их для построения антенных решеток базовых станций сотовой связи стандарта 3G
Алгоритмы расчета широкополосных излучателей на основе симметричных щелевых линий
- Решение задач синтеза антенных систем базовых станций сотовой связи
Апробация результатов работы и публикации
Основные положения и результаты работы докладывались на 4 конференциях и опубликованы в 2-х статьях в журналах "Антенны" и "Информационно-измерительные и управляющие системы" и 6-й публикациях в форме тезисов к докладам.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 105 страниц текста. Список литературы включает 66 наименований на 7 страницах.
1.АНТЕННЫ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ СИСТЕМ СОТОВОЙ СВЯЗИ
Концепция построения радиосистем сотовой связи, состоит в том, что вся обслуживаемая площадь разбивается на районы, в каждом из которых устанавливается базовая станция для обеспечения связи между находящимися в этом районе мобильными абонентами. Характеристики базовых станций сотовой связи во многом определяются характеристиками антенн базовых станций. Практическая реализация антенн базовых станций зависит от зон обслуживания абонентов. Особенностью антенных систем базовых станций сотовой связи стандарта 3G является необходимость работы на трех частотах или в широком диапазоне частот в каждой соте. При эксплуатации таких сетей базовые станции имеют относительно низкий уровень мощности и достаточно большой процент абонентов находится в режиме постоянного переключения между 2-мя и более сотами. Уменьшение излишнего перекрытия между ними за счет регулировки покрытия в зависимости от нагрузки на соту (число абонентов, объем трафика данных и т.д.), во-первых, уменьшает интерференцию от соседних базовых станций (работающих на одной и той же частоте), а во-вторых, исключает избыточные переключения смежных базовых станций и дает возможность избежать общей хронической перегрузки сети.
Сеть 3G можно назвать динамической сетью с изменяющейся зоной покрытия, так как изменение частоты в пределах каждой соты приводит к существенному изменению ее площади рис.1. Размеры сот при использовании более высоких частот уменьшаются в силу физических ограничений в распространении радиоволн, соответственно, увеличивается количество базовых станций, сетевых интерфейсов и контроллеров для покрытия одной и той же территории. Например, переход от GSM к ІМТ-2000 требует увеличения количества базовых станций до 5 раз.
Зоны покрытия систем
Рис.1.Зоны покрытия систем сотовой связи.
Еще одной проблемой сетей сотовой связи третьего поколения является увеличение количества handover (переход абонента из зоны действия одной базовой станции в зону действия другой без потери разговора). Во время мягкой передачи [1], мобильная станция находится в перекрывающейся ячейке охвата двух смежных секторов базовой станции. Связь между станцией и абонентом осуществляется одновременно по двум каналам, по одному для каждого сектора рис.2.
Рис.2. Перемещение абонента в зоне охвата двух смежных секторов
базовой станции.
При перемещении абонентов в сети, работающей на более высоких частотах, происходит увеличение количества handover, что снижает вероятность успешного завершения соединения рис.3. Возрастают объемы и сложность оборудования, увеличиваются непроизводительные затраты ресурса сети сотовой связи на управление процессами соединения, handover, сигнализации и синхронизации.
umts 2100 МГц
Рис.З.Схема размещения handover в сети сотовой связи третьего поколения.
Поэтому антенна базовой станции сотовой связи стандарта 3G в отличии от антенн сетей стандартов 1G и 2G с неизменными границами зон обслуживания, должна иметь возможность электрического управления лучом ДН в вертикальной плоскости, обеспечивающего более четкие границы вдоль зоны покрытия и, тем самым, уменьшающего негативные эффекты от взаимного влияния соседних сот.
Первоначально для покрытия зон обслуживания в системах IG и 2G использовались всенаправленные антенны, имеющие широкую (180) ДН в горизонтальной плоскости [2]. Затем базовые стации систем сотовой радиосвязи стали использовать антенные устройства, имеющие 6 направленных антенн, которые располагались на гранях шестигранника [3]. Станция может иметь разнесенные передающую и приемную антенные системы. Антенная система, применяемая для передачи, показана в статье [4]. Она состоит из 6 антенн, каждая из которых обслуживает 60 сектор на местности. Таким образом обеспечивается передача сигналов на 360 по
Антенные решетки базовых станций сотовой связи третьего поколения
Разработка систем связи третьего поколения 3G направлена на решение проблем, возникающих в системах связи второго поколения 2G: глобального роуминга, а также поддержки мультимедийных приложений.
На рис.10 показана антенна базовой станции третьего поколения, поддерживающая, также диапазон для WCDMA. Из рис.10 видно, что такая антенная обеспечивает работу базовой станции в трех диапазонах, за счет увеличения числа антенн, каждая из которых работает в одном частотном диапазоне. ис.10. Антенна базовой станции третьего поколения. Для WCDMA диапазона в такой антенне используется дополнительная секторная антенна. На Рис.11 показана секторная антенна для WCDMA диапазона с усилением 17 дБ. На том же рис приведена таблица с основными характеристиками антенны. На рис.12 показаны ДН в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Рис.12. ДН в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Размещение трех антенн для каждого диапазона имеет существенные недостатки и может привести к перегрузке несущей конструкции. Поэтому возникает необходимость перехода от узкополосных антенн к совмещенным или широкополосным антеннам.
Поскольку сети 3G являются динамическими сетями с изменяющейся в процессе работы зоной обслуживания пользователей, то в таких сетях целесообразно применять антенны с изменяющимися характеристиками направленности в зоне обслуживания. Кроме изменения формы зоны обслуживания, связанного с перемещением абонентов, в процессе работы базовой станции возникают изменения границ зоны обслуживания, связанные с изменением частоты. Антенная система базовой станции сотовой связи должна отслеживать изменение границ зоны обслуживания. Поэтому в сетях стандарта 3G целесообразно использовать антенные решетки с управляемой ДН в вертикальной плоскости.
Системы регулирования угла наклона ДН претерпели существенную эволюцию в течение последних лет. Используемые достаточно широко механические системы MDT (Mechanical Down Tilt) имели существенные недостатки, выражающиеся в искажении при наклоне луча формы ДН антенны в горизонтальной плоскости и проявлении азимутальной зависимости угла наклона и коэффициента усиления антенны рис.9.
Одним из эффективных методов решения указанных выше проблем является, использование антенн базовых станций с электрически регулируемым углом наклона диаграммы направленности. Более четкая форма ДН позволяет частично решить проблему handover. Так, применение антенн с электрически регулируемым углом наклона диаграммы направленности позволяет, при расстоянии между базовыми станциями до 2 км, уменьшить зону handover на 200 м рис.13 [15]. Измерения проводились для 2 базовых станций, удаленных друг от друга на 2 км и использующих антенну Allgon EDT 7520.00 с управлением лучом в вертикальной плоскости в пределах от 0 до 8. Уменьшение зоны handover составило 200 м.
Таким образом, обеспечивается возможность централизованного (по сети TCP/IP через локальную сеть LAN или по Интернет) индивидуального управления электрическим наклоном луча каждой антенны, входящей в состав сети 3G.
В работе [16] рассматриваются характеристики интегральной адаптивной антенны, имеющей ДОС для связи подвижных объектов с базовой станцией системы 3-го поколения типа IMT—2000 с существенно увеличенной ёмкостью и ДОС для связи базовой станции с пользователями.
В работе [17] приведены результаты разработки низкопрофильной АР для базовых станций сетей связи, обеспечивающей двойную поляризацию и обладающей хорошими эстетическими характеристиками. Антенна, предназначена для использования в сетях 3-ого поколения и содержит субрешетки с размерами 127x12,7 см, закрытые обтекателями. Излучающие элементы имеют форму меандров, напечатанных на подложках и обеспечивающих возможность переключения с правосторонней на левостороннюю круговую поляризацию, при работе на частоте 1907 МГц. Общие размеры антенны составляют 254x12,7см.
Перспективным направлением является разработка широкополосных конформных антенных решеток с возможностью адаптации характеристик в зависимости от концентрации абонентов в зоне обслуживания по горизонтали и отслеживания границ зоны обслуживания по вертикали. На рис. 14 показан фрагмент цилиндрической антенной решетки с микрополосковыми излучателями.
Рис.14.Фрагмент цилиндрической антенной решетки. Цилиндрические решетки обеспечивают работу базовой станции сотовой связи благодаря широкому сектору обзора (360) в горизонтальной плоскости без изменения характеристик направленности при сканировании. Однако, печатные излучатели имеют узкую рабочую полосу частот и не позволяют работать в трех диапазонах.
Типовая конфигурация базовой станции предполагает использование 3- 6 беспроводных устройств и 6 секторных антенн, имеющих характерный коэффициент усиления не более 16 дБ и угол охвата основного лепестка 60. Широкая диаграмма направленности секторной антенны создает условия для захвата помех от соседних систем на приеме и способствует рассеянию мощности при передаче. Дальнейшему же увеличению усиления антенн базовой станции, т.е. сужению угла каждого сектора и увеличению их количества препятствует сильное удорожание всей системы, а также неоправданно высокие требования к частотному ресурсу.
Описанная конфигурация соты, покрывающая полный круг 360 по азимуту, требует использования не менее Зх частотных каналов для исключения взаимных наводок между секторами, создания взаимных помех. Поскольку подавление соседнего канала на высоких скоростях модуляции осуществляется неэффективно, выделенные частоты должны идти не подряд, а с промежутком в 20 — 40 МГц. Еще более высокие требования к развязке могут потребовать географического разнесения каждой антенны со своим оборудованием на некоторое расстояние друг от друга. Часто сектора размещают по разные стороны здания, используя естественное экранирование. Все эти факторы, в конечном счете, удорожают инсталляцию.
Методы моделирования и расчета излучателей на основесимметричных щелевых линий
На начальных этапах моделирования излучателей на основе щелевых линий применяются приближенные методы расчета, которые заключаются в том, что излучатель рассматривается как нерегулярная линия передачи, согласующая регулярную линию передачи со свободным пространством. Основным критерием согласования является минимизация коэффициента отражения на входе согласующего устройства, который, в свою очередь зависит от волнового сопротивления и длины перехода. При этом достигаются хорошие частотные характеристики излучателя Вивальди, так как в щелевых линиях могут распространяться Т- или квази-Т- волны [44]. Для более точного определения характеристик направленности и частотных характеристик применяются строгие методы расчета, в которых [45-49] находится распределение поля вдоль щелевой антенны бегущей волны. Приближенность метода состоит в том, что к расширяющейся щели по экспоненциальному или другому закону применяется ступенчатая аппроксимация секциями, представляющими отрезки щели постоянной ширины. Для таких секций известно распределение поля, полученное методом Галеркина в спектральной области. Поле всей щелевой антенны определяется суммированием полей каждой секции. Вторая часть метода содержит определение поля излучения щелевой антенны с амплитудным распределением поля (магнитного тока) в щели, полученным в первой части. В работах [45-47] учтено наличие диэлектрической подложки и дифракция электромагнитной волны на ребрах излучателя бесконечной высоты. Усовершенствование электродинамической модели в работе [50] и применение численного метода моментов в спектральной области позволяет определить поле излучения антенны с учетом ребер излучателя конечной высоты.
Однако, все вышеперечисленные методы громоздки для практического использования и представляют интерес как поиск и исследование подходов к решению электродинамической задачи об излучении антенны на основе симметричных щелевых линий. Для инженерных задач подходят приближенные методы решения этой задачи и методы численного электродинамического моделирования, реализуемые в программных комплексах, предназначенных для расчета антенн и СВЧ устройств. К таким программным комплексам можно отнести: EMC Studio, EMSS FEKO, Super NEC, Ansoft, CST, Zeland, Remcom, Sonnet и др.
В настоящее время для численного электромагнитного моделирования антенно-фидерных и СВЧ устройств находят широкое применение спе циализированные программные комплексы - системы электромагнитного моделирования [51-61]. Решающие модули этих систем реализуют различные вычислительные методы для моделирования электромагнитных устройств во временной и частотной области. Для широкополосных антенных и волноводных устройств с преимущественно трехмерными сложными конструкциями, целесообразно использовать системы на основе различных реализаций конечно-разностного метода во временной области. Одной из таких систем является CST Microwave Studio. В системе реализован метод конечных интегралов. Этот численный метод обеспечивает универсальную пространственную схему дискретизации, применимую к различным электромагнитным задачам, от вычисления статических полей до высокочастотных вычислений во временной и частотных областях. В отличие от большинства численных методов, дискретизация метода конечных интегралов соответствует интегральной форме уравнений Максвелла, а не дифференциальной:
Для численного их решения определяется ограниченная область вычислений, содержащая исследуемую область. С помощью создания соответствующей сетки эта область разбивается на некоторое количество маленьких кубиков, называемых ячейками сетки. Это первичная сетка, кроме которой определяется вторая, или, дуальная сетка, ортогональная первой. Как показано на рис. 25, напряжения е ребер и магнитные потоки bграней расположены на первичной сетке G, а диэлектрические потоки d граней и магнитные эдс ребер h - на дуальной сетке G . Для численного решения уравнений Максвелла, любая сложная структура разбивается сеткой на подструктуры в одной из плоскостей. В других плоскостях осуществляется разделение с помощью линий, ортогональных линиям разбиения первой плоскости. Дискретизация структуры показана на рис.25.
Методы синтеза ДН антенной системы
Задача синтеза антенн является обратной задачей электродинамики. Ее решение состоит в определении координат размещения элементов, а также амплитуд и фаз токов (полей) возбуждения элементов, формирующих заданное распределение поля излучения системы в дальней зоне. В большинстве практических случаев размещение излучателей бывает задано или на него накладываются определенные ограничения, вытекающие из условий изготовления и эксплуатации. Поэтому требуется определить только амплитуды и фазы токов (полей) возбуждения элементов.
Рассмотрим два метода синтеза заданной ДН: метод парциальных диаграмм и метод интеграла Фурье для 8-й элементной решётки. Метод парциальных диаграмм обеспечивает большую точность аппроксимации, чем амплитудный метод. Диаграммы, полученные обоими методами, приведены на рис. 49. диаграмме направленности. Метод парциальных диаграмм хоть и даёт большую точность аппроксимации ДН, но только на центральной частоте рабочего диапазона. На крайних частотах в раскрыве будут появляться существенные фазовые ошибки при одной возбуждающей системе на средний частоте, разваливающие ДН. Амплитудный метод лишён этого недостатка, Рис. 5. Разница синтезируемой и исходной ДН Как видно из рис. 50, поле, создаваемое амплитудно-фазовым методом в диапазоне углов от 20 до 75 градусов, превышает заданный уровень, что обеспечивает устойчивый приём во всей зоне обслуживания. Поле амплитудного метода ниже уровня 0.707 в диапазоне углов от 45 градусов, что неприемлемо. При использовании метода парциальных диаграмм создаваемое им амплитудное распределение затрудняет реализацию схемы деления и существенно снижает коэффициент использования поверхности. Можно упростить задачу, воспользовавшись равномерным амплитудным распределением. 3.4 Упрощённая аппроксимация На рис.51 показано амплитудное распределение для восьмиэлементной антенной решетки с синтезированной косекансной ДН и ДН при равномерном амплитудном распределении.Рис. 51. Амплитудные распределения Как видно из рис. 51, основной вклад в поле для косекансных ДН вносят только центральные элементы раскрыва, что конструктивно неудобно при реализации схемы деления. Но при синтезе косекансной ДН получается более равномерное распределение поля в зоне обслуживания.
Равномерное амплитудное распределение создает ДН с большими провалами в зоне боковых лепестков. При этом покрытие динамической зоны обслуживания осуществляется при помощи механического или электрического управления лучом антенны. Для компенсации провалов также можно ввести фазовую ошибку в амплитудно-фазовом распределении. На рис.52 представлены фазовые распределения в антенной решетке с косекансной ДН и с равномерным амплитудным распределением при наличии фазовых ошибок.
Найдём относительную ДН для определения поля на поверхности в зоне обслуживания (рис.54).
Рассмотрены оптимальные формы диаграмм направленности в вертикальной плоскости. Выполнен синтез восьмиэлементнои антенной решетки двумя методами: методом парциальных диаграмм и методом Фурье. Показано, что синтезированная ДН косекансной формы при наличии 10%-ных фазовых ошибок обеспечивает более равномерное распределение поля, чем антенна с равномерным амплитудным распределением и фазовыми ошибками. Определены «слепые» зоны, возникающие при использовании антенны с равномерным амплитудным распределением. Выше были рассмотрены требования к ДН базовой станции сотовой связи третьего поколения в горизонтальной плоскости. В соответствии с ними были разработаны 3 варианта широкополосных излучателя, обеспечивающих как согласование с фидерным трактом, так и направленные свойства в горизонтальной плоскости с помощью одного излучателя. Это обстоятельство в значительной мере расшило возможности оптимизации характеристики направленности в вертикальной плоскости, позволив применить не одну антенну, а решётку для всех вариантов и диапазонов, что необходимо для построения адаптивной антенной системы.
При построении антенно-фидерной системы ( АФС ) базовой станции сотовой связи, как было рассмотрено выше, для ДН в горизонтальной плоскости, возникает необходимость использования АФС с различными характеристиками. Аналогично возникает необходимость построения ряда вариантов антенны базовых станций с различными ДН в вертикальной плоскости. Следует отметить, что выбор того или иного варианта АФС с различными формами диаграмм направленности в вертикальной плоскости является общесистемной задачей оптимизации сотовой связи, исходя из допустимых затрат, рельефа местности, на которой устанавливаются антенны базовых станций, плотности застройки, трафика работы и.т.д. Поэтому в рамках поставленной задачи рассмотрим построение и приведём характеристики нескольких вариантов АФС базовых станций, построенных на разработанных излучателях типа Вивальди. При построении таких антенных систем исходными данными являются результаты предшествующей главы по оптимизации вертикальной ДН базовой станции сотовой связи.
Упрощенный вариант АФУ базовой станции сотовой связи третьего поколения
Разработаные варианты излучателей с заданным сектором зоны обслуживания в 90, 60 и 45 по азимуту имеют соответствующую направленность в вертикальной плоскости. Ширина луча по уровню 3 дБ и коэффициент усиления излучателя Вивальди с рефлектором определены во второй главе. Это дает возможность увеличить увеличения КУ отдельного излучателя до 5,9-8,2 дБ на частоте 0,9 ГГц, 8,2-10,7 на частоте 1,8 ГГц, 9,2-11,4 на частоте 2,1 ГГц; что значительно превышает КУ используемых излучателей предшествующих поколения. Это позволяет для формирования вертикальной ДН базовой станции использовать один излучатель Вивальди ( для одновременной работы на прием и передачу) или два излучателя для раздельной работы по прём и передачу. При этом общее число излучателей будет зависеть от секторов зоны обслуживания, и будет составить от 4 до 16 элементов. Для оптимизации зоны обслуживания в вертикальной плоскости излучатель следует повернуть относительно вертикали на угол 0, определяемый из соотношения:
Здесь Н - высота подвеса, Rm дальность зоны обслуживании соты. На рис.55-57 приведены ДН излучателя Вивальди в вертикальной плоскости на частоте 2.1 ГГц и требуемая косекасная ДН в вертикальной плоскости.
На рис.58 приведена система возбуждения одного излучателя на трёх частотах с использованием разделительных фильтров ( мультиплексоров ) со стандартным входом на РК с 50 Ом волновым сопротивлением.системах сотовой связи третьего поколения используют или могут применяться многолучевые антенны, фазированные антенны решётки, адаптивные антенны ( глава 1), относящиеся к антеннам с обработкой сигнала [65]. Большой радиус одной соты ( 5км ) и существенное затухание на трасе сигнала на высокой частоте приводит к необходимости поднять усиление антенны, а значит сузить луч и соответственно, ввести управление им. Таким образом, для улучшения характеристик антенн базовых станций третьего поколения желательно применять решётки из предложенных излучателей, разместив их в виде вертикальной линейки, чтобы увеличить направленность в вертикальной плоскости. При существующих ограничениях на излучаемые мощности, соотношение сигнал к шуму на входе приёмного канала, затухание на трассе, число излучателей в линейке N определяется как величина, в которую нужно увеличить усиление одиночного излучателя Вывальди в предложенном варианте построения АФС БС. При замене одного излучателя на линейку с N = 2.. .8 элементов общее число излучателей на вершим башни БС возрастет соответственно до N=8....64 при одновременной работе каждого излучателя на прием и передачу. Разделение функций еще удваивает число элементов. Здесь необходимо подчеркнуть, в предлагаем варианте один элемент обеспечивает одновременную работу антенны на Зх частотах, что в 3 раза сокращает число элементного в АР 8 из широкополосных излучателей.
Как известно [65], антенные решётки с обработкой сигнала аналоговыми методами имеют существенные отличия в электрических характеристиках и конструктивном исполнении от систем с цифровой обработкой сигнала. В современных системах сотовой связи обычно используются цифровые методы обработки сигнала, которые должны бытьреализованы в АФС антенной системы базовой станции. Тогда каждый фидер, идущий от излучателя подсоединен к АЦП (для приемной решетки) или к ПАП (для передающей решетки), и все различия обработки сигнала в решетке сводятся к тем или иным программным средствам сбора и обработки информации.
Однако, следует остановиться на обсуждении внешних характеристик АР и ФАР, к которым относится рабочая полоса частот, ширина луча, шаг излучателей, УБЛ, взаимодействие излучателей в решетке и т.д. Основным недостатком АР, ФАР, АФАР и многолучевых систем является их узкополосность. В предложенном решении использованы широкополосные излучатели и отдельные системы возбуждения (питания) на три различные частоты и цифровые методы формирования луча, чем устраняются отмеченные недостатки. При большом расстоянии между излучателями, возникающие побочные максимумы ослабляются направленностью элемента решетки.
Каждый выходной канал в зависимости от схемы построения базовой станции сотовой связи на частоте 0.9ГГц, 1.8ГГц и 2.1ГГц оканчивается соответствующим устройством разделения приёма передачи. Если используется одна антенна для приёма и передачи, то применяется дуплексный фильтр, или циркулятор, или другое разделительное устройство [66].
Определены требования к фидерной системе антенны базовой станции сотовой связи. Разработана схема построения распределительной системы при использовании одного широкополосного излучателя для покрытия зоны обслуживания в вертикальной плоскости. Определена структура системы возбуждения антенной решетки базовой станции сотовой связи при использовании цифрового диаграммообразования.
В диссертационной работе исследованы антенные системы базовых станций сотовой связи, рассмотрены возможные схемы возбуждения антенных решеток и предложена системы возбуждения а также выявлен ряд преимуществ для практического использования, связанных с расширением рабочей полосы, минимизацией числа элементов, уменьшением взаимного влияния элементов. В том числе получены следующие результаты:1. Проведён обзор и анализ существующих антенн базовой станции 2-го поколения, даны некоторые сведения по антеннам для базовых станций 3-го поколения. В результате показаны целесообразность разработки новых антенн для базовой станции 3-го поколения, которые позволили бы существенно уменьшить общее число антенн, находящихся на одной башне. Обзор показывает целесообразность построения широкополосных
