Разработка и исследование широкополосной трехдиапазонной рупорно-микрополосковой антенны

Выступы внутренней пластинки расположены в пазах, образованных выступами внешней пластинки таким образом, чтобы имелся определенный зазор между этими выступами. Выступы могут быть выполнены прямоугольной, квадратной, трапецеидальной формы. Вариант данной конструкции является следующее решение: пространство между проводящим экраном и внутренней и внешней пластинкой имеет воздушное заполнение, при этом внутренняя и внешняя пластинка размещены над проводящим экраном посредством диэлектрических проставок, выполняющих роль несущей опоры. Также пространство между проводящим экраном и внутренней и внешней пластинкой может быть заполнено диэлектриком. Внутренняя и внешняя пластинки выполнены в виде печатной платы и представляют собой проводящий слой, выполненный на несущем диэлектрическом основании. Еще одним вариантом данной конструкции, может быть следующее решение: вдоль внешнего периметра внешней пластинки расположены емкостные элементы. Емкостные элементы представляют собой два набора проводящих штырьков или пластинок, или зубцов. Элементы одного набора соединены с внешней пластинкой, элементы другого набора соединены с экраном, причем каждый элемент одного набора расположен напротив соответствующего элемента другого набора, что обеспечивает определенный зазор между ними.

Данная двухчастотная микрополосковая антенна может работать в режиме линейной поляризации, возбуждаемая соответствующими возбуждающими штырями, подключенными к внешней и внутренней пластинке. Для обеспечения работы в режиме круговой поляризации к возбуждающим штырями должна быть подключена соответствующая схема, обеспечивающая возбуждение электромагнитного поля с необходимыми фазовыми сдвигами.[21]

Расширение рабочего диапазона частот, достигается микрополосковой антенной, излучающий элемент которой расположен на диэлектрической подложке над экраном и состоит из нескольких полуволновых вибраторов, имеющих разные рабочие частоты и запитываемых коаксиальным фидером.

Особенность заключается в том, что плечи полуволновых вибраторов, расположенных на диэлектрическом основании с экраном симметрично, в две противоположные стороны от места запитки, и длины которых возрастают по мере удаления от центра, объединяются двумя собирающими полосками, середина одного из которых соединяется с центральной жилой питающего фидера, а центр второго заземляется. Питающий фидер возбуждает собирающие полоски. В зависимости от рабочей частоты возбуждается тот или иной вибратор, настроенный на данную частоту. По мере удаления от места запитки собственные резонансные частоты вибраторов уменьшаются. В совокупности вибраторы образуют многорезонансную систему, составные части которой имеют между собой не сильную связь, что обеспечивает достаточно высокий уровень согласования в промежутках между соседними резонансами. Так как из теории антенн известно, что микрополосковые вибраторы являются узкополосными излучающими устройствами, то для обеспечения широкополосного согласования, собственные резонансные частоты вибраторов должны отличаться друг от друга на величину не более 5-10%. Если частоты будут отличаться на большую величину, настройка согласования имеет характер отдельных узкополосных резонансов. Количество вибраторов может быть увеличено, но практически количество пар вибраторов берется не более пяти. Это связано с тем, что по мере удаления от точки запитки происходит затухание электромагнитной волны, и КПД антенны падает. Расстояние между соседними вибраторами не должно быть меньше чем 2-3 ширины отдельно взятого вибратора, для уменьшения влияния их друг на друга.

Данная широкополосная настройка полосковой антенны обеспечивается выбором количества дополнительных микрополосковых вибраторов, их резонансных частот. При использовании до пяти пар вибраторов, микрополосковая антенна может быть настроена в полосе частот с перекрытием примерно 2:1 (полоса частот до 50% при КСВ менее 2).[22]

Также известна МПА линейной поляризации, которая содержит излучатель, выполненный в виде проводящей пластины прямоугольной формы П-образного сечения, размещенной над металлическим экраном посредством диэлектрических стоек, и коаксиальный кабель, центральный проводник которого подключен к излучателюв точке, лежащей в плоскости симметрии МПА, на расстоянии (0,03-0,04) л, где л - рабочая длина волны, от его центра, а внешний проводник к металлическому экрану. Проводящая пластина П-образного сечения ориентирована боковыми участками к металлическому экрану, а ее средняя часть параллельна металлическому экрану, при этом длина средней части сечения излучателя выбирается в пределах (л/6 - л /4), а полная длина проводящей пластины 1 равна 0,5 л,

При подаче напряжения на вход коаксиального кабеля на металлической пластине П-образного сечения наводится электрический ток, который обеспечивает электромагнитное излучение в направлении нормали к плоскости металлического экрана, Согласование излучателя с возбуждающим коаксиальным кабелем обеспечивается соответствующим выбором точки подключения.

Отсутствие диэлектрика в пространстве между излучателем и металлическим экраном 2 и выбор величины расстояния между средней частью излучателя и металлическим экраном порядка 0,14 л обеспечивает расширение рабочего диапазона частот.[23]

Расширение рабочей полосы частот решается конструкцией микрополосковой щелевой антенны, которая содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен полосковый проводник, а на другой - металлический экран, в котором выполнены две прямоугольные щели. Полосковый проводник выполнен в виде разомкнутого отрезка и вместе с диэлектрической подложкой и металлическим экраном образует возбуждающую полосковую линию. Прямоугольные щели расположены симметрично относительно плоскости симметрии полоскового проводника 2 и выполнены длиной 1,15 л _е, где л _е = л_o/e^1/2 л_o -рабочая длина волны; е- относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической подложки.

Одна прямоугольная щель смещена на расстояние 0,4 л _е от разомкнутого конца полоскового проводника, а вторая прямоугольная щель расположена между первой прямоугольной щелью и разомкнутым концом полоскового проводника.

Высокочастотная энергия, поступающая от генератора через возбуждающую полосковую линию, возбуждает прямоугольные щели. Сдвиг последних на разные расстояния от разомкнутого конца полоскового проводника обуславливает несовпадение их резонансных частот, что приводит к расширению рабочей полосы частот, Максимальный положительный эффект достигается при выборе длин прямоугольных щелей и расстояния от них до разомкнутого конца полоскового проводника согласно формуле л _е = л_o/e^1/2.[24]

2.7 Повышение коэффициента полезного действия

Повышение коэффициента полезного действия микрополосковых антенн, позволяет решить микрополосковая антенна, содержащая металлический экран, на сторонах которого расположены диэлектрическая подложка и дополнительная диэлектрическая подложка. На свободной поверхности первой диэлектрической подложки расположена прямоугольная металлическая пластина,а на свободной поверхности дополнительной диэлектрической подложки - дополнительная прямоугольная металлическая пластина. Между металлическим экраном и первой узкой стороной прямоугольной металлической пластины включен активный элемент. В металлическом экране выполнена щель, при этом обей металлические пластины расположены симметрично относительно поперечной оси симметрии, а вторая узкая сторона прямоугольной металлической пластины смещена относительно продольной оси симметрии щели.

Микрополосковая активная антенна работает следующим образом.

На активный элемент подается напряжение питания, при выполнении условий самовозбуждения возбуждается объем резонатора автогенератора, заключенный между прямоугольной металлической пластиной и металлическим экраном, который возбуждает щель, а она, в свою очередь, возбуждает излучатель, которым является дополнительная прямоугольная, металлическая пластина.

Микрополосковая активная антенна имеет два самостоятельных резонатора, каждый из которых удовлетворяет необходимым требованиям генерации и излучения. Стабильность генерируемой частоты зависит от добротности резонатора автогенератора, поэтому для повышения добротности диэлектрическая подложка выберается с высокой диэлектрической проницаемостью (Э~10), малым тангенсом потерь (tg д~10^-3) и малой толщиной (d << 0,01 Л ). Размеры прямоугольной металлической пластины выбираются таким образом, чтобы длина ее узкой стороны была существенно меньше длины широкой стороны. Такой выбор размеров металлической пластины ведет к повышению добротности резонатора и снижает возможность генерации колебаний с ортогональной поляризацией. Длина прямоугольной металлической пластины близка к Л /4 и зависит от характера реактивной составляющей сопротивления активного элемента.

К излучателю предъявляются следующие требования - большие эффективность излучения и полоса пропускания. Для этого дополнительная диэлектрическая подложка выбирается с малой диэлектрической проницаемостью (<<2,8) и большей толщиной.(>0,01 Л), Для дополнительной металлической пластины наилучшие характеристики соответствуют длине сторон, параллельных продольной оси симметрии щели, близкой Л.

Положение щели относительно сторон дополнительной металлической пластины, параллельных продольной оси симметрии щели, с высокой точностью определяет выходное сопротивление. Расширение полосы и обеспечение совпадения частоты генерации и средней частоты полосы пропускания уменьшает искажение излучаемого сигнала.[25]

Сущность следующей конструкции антенны, позволяющей повысить КПД, заключается в том, что антенна выполнена на микрополосковой линии, с одной стороны которой сформирована возбуждающая структура. Вторая сторона является заземляющим проводником. Возбуждающая структура в виде отрезка линии, последовательно возбуждает две ортогональные щели. Щели расположены на заземляющем проводнике взаимоперпендикулярно по смежным сторонам квадрата. Сторона квадрата равна половине длины волны. Точки возбуждения щелей разнесены на четверть длины волны для обеспечения фазового сдвига и формирования излучения с круговой поляризацией.

Над щелями через два слоя диэлектрика располагается наиболее часто используемый в микрополосковых антеннах излучатель квадратной формы, сторона которого выбрана равной половине длины волны. Второй слой диэлектрика имеет диэлектрическую постоянную, в два раза больше диэлектрической постоянной первого слоя диэлектрика. Выполнение возбуждающей структуры в виде отрезка линии сокращает потери и обеспечивает повышение коэффициента полезного действия.

Размещение полуволнового квадратного излучателя через два слоя диэлектрика с указанным соотношением диэлектрических постоянных позволяет обеспечить возбуждение поля в слое первого диэлектрика и предотвратить рассеяние поля излучения за счет более высокой диэлектрической постоянной второго слоя диэлектрика в зоне полуволнового квадратного излучателя. Взаимодействие полей щелевых возбудителей и квадратного излучателя в зоне двухслойного диэлектрика антенны снижает потери на излучение и повышает коэффициент полезного действия антенны.[26]

Выводы к главе II

В главе рассмотрены основные задачи стоявшие перед разработчиками антенн, такие как: расширения рабочей полосы частот, уменьшение габаритных размеров антенны, уменьшение бокового излучения, повышение коэффициента полезного действия. Так же были приведены уже известные методы решения указанных задач, приведенных выше.

3. Разработка рупорно-микрополосковой антенны

На основе обзора тенденций развития антенн выявлено, что в настоящее время является актуальной задача создания компактных направленных антенн для приема и передачи сигналов в сетях связи с макро- и микросотовой структурой, использующих следующие полосы частот: 470-490 МГц, 810-1000 МГц и 1690-2400). Еще большую сложность представляет разработка компактной направленной сверхширокополосной антенны, обеспечивающей эффективный прием и передачу сигналов одновременно во всех названных поддиапазонах частот.

Поставленная задача решается за счет создания антенны, объединяющей положительные качества двух различных типов антенн: микрополосковой антенны и рупора. Излучатель микрополосковой антенны сконструирован в виде равнобедренного треугольника с добавлением симметрично выступающих полосковых элементов. Комбинация рупора коробчатого типа в виде прямого цилиндра с прямоугольным сечением и излучателя названной формы в совокупности с шунтом позволяет получить оптимальное распределение электромагнитного поля по апертуре антенны в трех поддиапазонах частот: 470-490 МГц, 850-1000 МГц и 1700-2100 МГц.

3.1 Характеристика программы Ansoft HFSS

HFSS (High Frequency Structure Simulator, рус. Симулятор высокочастотных структур) - это промышленный пакет программ для трехмерного электромагнитного моделирования, предназначенный в первую очередь для разработки высокочастотных и высокоскоростных компонентов. HFSS использует множество новейших вычислительных технологий. HFSS реализует мощь метода конечных элементов (finite element method FEM), используя методы типа автоматического адаптивного генерирования и деления ячеек, метод конечных элементов для векторов поля и адаптивную развертку (Adaptive Lanczos Pade Sweep, ALPS). HFSS автоматически вычисляет кратные адаптивные решения до определяемого пользователем критерия сходимости. Встроенный блок черчения пространственных моделей ACIS, в программе HFSS 100% совместимс AutoCAD.

Системы связи и локации используют средства излучения/приема электромагнитной энергии, ее пространственной канализации и преобразования. При проектировании антенн и их систем с помощью программного продукта ANSYS HFSS имеется возможность провести сквозной анализ изделий для получения антенных параметров, как например, диаграмм направленности, КУ, КСВ и.т.д. Так же, имеется возможность визуализации полей в дальней и ближней зонах, распределений токов по излучающим элементам, визуализация векторов потока мощности и коэффициентов объемного удельного поглощения. Инженер может более эффективно провести анализ отдельной антенны, так и их систем. Проектировщикам планарных излучающих систем предоставляет на выбор два решателя: HFSS и PlanarEM.

Процесс проектирования с помощью HFSS включает в себя ряд стандартных шагов:

1. Создание модели анализируемой структуры, в том числе:

- создание трехмерной графической модели структуры (чертежа);

- задание параметров материалов, из которых состоит структура.

2. Определение электродинамических параметров структуры, включающее:

- задание граничных условий на поверхностях, формирующих анализируемый объект;

- задание параметров решения.

3. Электродинамический анализ исследуемого объекта, в том числе:

- анализ объекта в полосе частот;

- параметрический анализ объекта;

- параметрическая оптимизация объекта.

4. Визуализация результатов электродинамического анализа, включающая:

- построение графиков в декартовых, полярных координатах, диаграмм направленности и т.д.;

- анимация распределений электромагнитного поля и электрического тока;

- сохранение результатов анализа в файлах данных. [31]

3.2 Разработка рупорно-микрополосковой антенны в программе HFSS

Первым этапом разработки рупорно-микрополосковой антенны в программе HFSS является черчение модели.

Общая стратегия черчения модели структуры состоит в том, чтобы сформировать модель как объединение трехмерных объектов. Каждый объект задается со своими свойствами: материалом, потерями и обрабатывается как отдельный. Модель может включать только поверхности, на которых будут заданы граничные условия.

Трехмерные объекты можно создать, используя команды создания трехмерных объектов, а можно начертить одномерные и двумерные объекты, и затем манипулировать ими, чтобы создать трехмерные объекты.

На рис. 3.1. представлена пластина резонатора рупорно-микрополосковой антенны. Так как пластина резонатора представляет собой хоть и двухмерный, но сложной формы объект, то имеется две возможности черчения данного объекта:

1) черчение всей поверхности линией, с последующем объединением в двухмерную фигуру.

2) создание путем объединения в одну нескольких фигур.

Следующем этапом построения рупорно-микрополосковой антенны является черчение рупора. Который чертится путем объединения четырех прямоугольников вокруг пластины резонатора (рис. 3.2 а, б).

Рис. 3.1 Пластина резонатора рупорно-микрополосковой антенны

Рис. 3.2а Рупорно-микрополосковая антенна. 1- резонатор, 2- рупор



Рис. 3.2б Рупорно-микрополосковая антенна. 1- резонатор, 2- рупор

На рис. 3.3. представлены габаритные размеры пластины резонатора.

После черчения конструкции, каждому объекту, или части его, необходимо придать материальные характеристики, т.е. задать диэлектрическую и магнитную проницаемость, потери и другие свойства. Это выполняется менеджером материалов, который позволяет использовать материалы из существующей базы данных материалов, а также создавать новые материалы с заданными характеристиками.

Менеджер материалов позволяет выбрать материал из базы данных или ввести новый материал. При этом параметры материала могут быть заданы в виде фиксированных чисел или в виде математических соотношений с помощью встроенных функций.



Рис. 3.3 габаритные размеры пластины резонатора

При моделировании данной антенны была выбрана медь, в качестве основного материала конструкции.

Следующим этапом в проектировании является задание границ излучения. Граница излучения используется, чтобы решить открытую задачу, в которой волны излучаются бесконечно далеко в пространство, например при анализе антенн. HFSS поглощает волну на границе излучения, по существу на сферической границе, расположенной бесконечно далеко от структуры.

Поверхность излучения может быть не сферической, но она должна быть выпуклой по отношению земляной поверхности, выпуклой по отношению к источнику излучения, и находиться, по крайней мере, на четверть длины волны от источника излучения. В некоторых случаях граница излучения может быть ближе, чем четверть длины волны, например для части границы излучения, где ожидается небольшое излучение.

Дальнейшим этапом в разработке конструкции антенны в программе HFSS является установка типа решения.

Типы решений в HFSS.

Если установлен метод решения Driven Modal, то HFSS вычисляет многомодовые S-параметры пассивных СВЧ структур типа микрополосковых линий, волноводов, и других линий передачи.

Решение для S-матрицы будет выражены в терминах падающих и отраженных мощностей волноводных мод.

Подпрограмма «Driven Solution» в Ansoft HFSS решает следующее матричное уравнение (для случая без потерь):

(3.1)

где:

S и T - матрицы, которые зависят от геометрии и разбиения.

x - волновое решение электрического поля.

k_o - волновое число свободного пространства.

b - величина источника, определенного для задачи.

Тип решения Driven Terminal выбирается, если необходимо, чтобы HFSS вычислил нормированные S-параметры многопортовой структуры, подключенной к нагрузкам. S-матрица будет выражаться в терминах напряжений на клеммах и токов.

Метод Eigenmode предназначен, чтобы рассчитать собственные типы волн, или резонансы структуры. Решающее устройство Eigenmode находит резонансные частоты структуры и полей в виде резонансных частот. Решающее устройство Eigenmode может находить собственные моды структур без потерь, структур с потерями, и может вычислять добротность резонатора.

Добротность - мера того, сколько энергии теряется в системе. Поскольку порты и другие источники отсутствуют в задачах, решаемых методом Eigenmode, расчет добротности не включает потери в этих элементах.

Чтобы найти резонансы структуры, решающее устройство «Eigenmode» устанавливает в b =0 и решает уравнение:

(3.2)

для определения (k₀, x), где ищется одно значение k_o для каждого x.

Переменная x - решение электрического поля, и k_o - волновое число свободного пространства, соответствующее этому типу волны. Волновое число k_o связано с частотой резонансных мод следующим выражением:

(3.3)

где с - скорость света.

Чтобы вычислить S-матрицу конструкции с портами, HFSS выполняет следующее:

* Делит структуру на ячейки.

* Вычисляет типы волн в каждом порте, которые подключаются к волноводу, имеющему такое же сечение, как порт.

* Вычисляет все типы волн поля внутри структуры, считая, что один тип волн возбужден одновременно.

* Вычисляет обобщенную S-матрицу по величинам отражения и передачи.

Результирующая S-матрица позволяет рассчитать модули падающих и отраженных сигналов непосредственно из данного набора входных сигналов, приводя полное трехмерное электромагнитное характеристику структуры к набору S-параметров структуры.

Процесс генерирования сетки разбиения состоит из следующих шагов:

1. HFSS генерирует начальную сеть, которая включает установки аппроксимации поверхности.

2. Если требуется уплотнение сетки разбиения на основе длины волны (lambda refinement), HFSS выполняет это, используя рассчитанную в материале длину волны.

3. Задается режим разбиения, и степень уплотнения сетки.

4. Если заданы порты, HFSS итерационно совершенствует двумерную сетку в портах.

5. Используя полученную сетку разбиения, HFSS вычисляет методом конечных элементов электромагнитные поля, которые существуют внутри структуры, когда они возбуждаются на частоте решения. Тетраэдры в этом режиме имеют меньшие размеры.

6. HFSS генерирует другое решение, используя уплотненную сетку.

7. HFSS повторно вычисляет ошибку, и итеративный процесс (решение -- анализ ошибок -- адаптивное усовершенствование) повторяется, пока критерии сходимости не удовлетворены или не выполнено максимальное число адаптивных проходов.

8. Если задается расчет в диапазоне частот, то HFSS решает задачу на других частотах без дальнейшего уплотнения сетки разбиения. Адаптивное решение выполняется только на указанной частоте решения.

HFSS различает область решения задачи и область разбиения. Область задачи - это область, в которой получается решение, и сетка уплотняется. Область разбиения, которая включает область решения задачи, является областью, в которой генерируется начальная сетка разбиения. После того, как начальная сетка сгенерирована, сеть уплотняется только в области решения задачи.

Область задачи охватывает пространство, достаточно большое, чтобы включить всю конструкцию, но не больше. HFSS автоматически определяет область задачи во время решения.

После проведения программой расчета заданной антенны (процессорный этап), выполняется расчет всевозможных характеристик устройства (постпроцессорная обработка данных).

В результате процессорной обработки данных, и вывода данных выявлено, что данная антенна работает в полосах 450-470 МГц, 810-1000 МГц и 1690-2100 МГц. На рис 3.4 представлены площадь апертуры резонатора для каждого из поддиапазона частот.

а) б)



в)

Рис. 3.4 Площадь поверхности резонатора используемая в а) 450-470 МГц, б) 810-1000 МГц, в) 1690-2400 МГц, полосах частот

В программе HFSS имеется возможность выводить графики КСВ в зависимости от используемой антенной частоты рис. 3.5.



а)

б)



в)

Рис. 3.5 Значения КСВ в полосах частота) 450-470 МГц, б) 810-1000 МГц, в) 1690-2400 МГц, полосах частот

Для расчета поля излучения, и диаграммы направленности, HFSS вычисляет значения полей по поверхности излучения в пространстве, окружающем устройство. Исследуемое пространство обычно разбивается на две области -- ближняя зона и дальняя зона. Чтобы рассчитать параметры антенны, нужно создать сферическую поверхность в дальней зоне, задавая ее размер и шаг изменения углов phi и theta. Этим задаются направления, по которым будут рассчитываться излучаемые поля. После задания поверхности излучения, HFSS вычислить диаграмму направленности излучения антенны и параметры антенны.

При создании графиков диаграммы направленности в HFSS имеется возможность представления в двухмерном и трехмерном пространстве.

На рис. 3.6. представлены графики диаграммы направленности рупорно-микрополосковой антенны.

Коэффициент усиления в диапазоне 470-490 МГц составляет 6 dBi, в диапазоне 810-1000 МГц 7dBi, в диапазоне 1690-2100 МГц 10 dBi.



а)

б)

Рис. 3.6 Диаграмма направленности рупорно-микрополосковой антенны а) в двухмерной системе координат, б) в трехмерной системе координат

3.3 Применение широкополосной рупорно-микрополосковой антенны

Регламент радиосвязи предусматривает разделение мира на три района в части распределения частот. В Район 1 входят страны СНГ, Монголия, Африка, Европа, часть Азии. В Район 2 - весь Американский континент и Гренландия; в Район 3 - Австралия, Океания и та часть Азиатского континента, которая не вошла в район 1. [32]

Антенно-фидерный тракт базовых станций (БС) сотовых сетей является важнейшим элементом сетевой инфраструктуры, от которого во многом зависит качество связи. В свою очередь, антенны, как ключевой элемент этого тракта, практически определяют качество покрытия, которое все больше становится одним из основных маркетинговых аргументов в конкурентной борьбе операторов сотовой связи. В этой связи, представляет интерес обзор антенн для БС, поставляемых на рынок ведущими западными компаниями-производителями антенно-фидерных устройств (АФУ). Современные антенны БС, при внешней простоте конструкции, представляют собой достаточно сложные СВЧ-устройства, работающие на открытом вохдухе в условиях повышенной влажности и существенных перепадов температур, подверженные обледенению, повышенным ветровым нагрузкам, агрессивному воздействию городского смога. В этих условиях, обеспечение стабильности основных электрических параметров и механических свойств антенн в течение всего срока их службы представляет собой достаточно сложную инженерную задачу, решить которую под силу только компаниям, имеющим в своем арсенале самые современные технологии производства СВЧ-оборудования и контроля его качества, а также высококачественные конструкционные материалы, обеспечивающие высокую надежность и долговечность антенн, достигающую, как показывает практика, 10 и более лет.

Основные типы антенн БС, используемые в сетях GSM

Ведущие мировые производители АФУ предлагают сегодня антенны БС для любых стандартов и частотных диапазонов, в том числе и для действующих в настоящее время в Республики Узбекистан сетей GSM900, GSM1800, и.т.д. Данный обзор посвящен антеннам БС наиболее распространенного в Республики Узбекистан стандарта GSM, а также антеннам стандарта 3-го поколения (UMTS), сети которого будут, как правило, базироваться на действующих сетях GSM.

Эти антенны работают в диапазонах 900 МГц, 1800 МГц, 1710-2170 МГц как на открытом воздухе (outdoor), так и в закрытых помещениях (indoor). В зависимости от решаемой задачи по организации покрытия проектировщики сетей используют всенаправленные (omni) и секторные антенны с вертикальной поляризацией (Vpol) или с наклонной кросс-поляризацией (Xpol). Они могут быть однодиапазонные и двухдиапазонные, трехдиапазонные и широкополосные.

Антенны с вертикальной поляризацией Vpol для сетей GSM поставляются в outdoor и в indoor- исполнении. Они бывают как секторные, так и всенаправленные и используются там, где организация разнесенного приема с помощью Xpol антенн менее эффективна, т.е., в основном, для организации покрытия в условиях сельской местности и в пригородах, а также внутри помещений, где разнесенный прием, как правило, не используется. Кроме того, применение Vpol антенн может быть обусловлено спецификой организации покрытия в зонах действия радиосредств спецназначения, ограничивающих возможности использования антенн XPol. В таких случаях эффективным решением может быть использование комбинированных антенн Xpol/VPOl, использующих Xpol антенну для разнесенного приема, а Vpol антенну в качестве передающей.

Секторные антенны Vpol представляют собой совокупность излучателей, расположенных в прочном радиопрозрачном герметичном корпусе, защищающем их от внешней среды и механических воздействий. Все излучатели объединены общей системой подводки к ним излучаемой мощности. Для ограничения уровня мощности, излучаемого антеннами в направлении горизонта, и обеспечения более равномерного покрытия антенны выпускают с некоторым электрическим наклоном диаграммы направленности (ДН), обеспечиваемым с помощью специального фазирования вибраторов (антенны EDT - Electrical Down Tilt). В секторных антеннах этот наклон может обеспечиваться также механически, с помощью поставляемого дополнительно специального узла наклона. Электрический наклон ДН может быть фиксированным (устанавливаемым в заводских условиях) и регулируемым (AEDT - Adjustable Electrical Down Tilt). В последнем случае настройка наклона ДН производится пользователем с помощью специального устройства, управляющего фазированием излучателей. Преимуществом электрического наклона перед механическим является отсутствие искажения формы ДН в горизонтальной плоскости и азимутальной зависимости угла наклона и коэффициента усиления антенны.

Секторные антенны выпускаются компаниями в широком ассортименте коэффициентов усиления (от 6,5 до 22 dBi) и значений ширины ДН в горизонтальной плоскости (65-160 градусов), для диапазонов частот от 800 до 2170 МГц, что позволяет проектировщикам формировать сети любой нужной конфигурации. Габаритные размеры антенн варьируются в пределах от 10 см до 2,5-3 метров, вес антенн может составлять от 300 грамм до 20 кг. Большим спросом пользуются легкие плоские панельные антенны, которые можно монтировать даже на стенах зданий. Максимальная подводимая мощность составляет от 350 до 1000 Вт, однако в большинстве случаев при проектировании сетей такая мощность не требуется. Обычно, подволимая к антеннам мощность составляет не более 100-150 Вт, а для антенн indoor не более 10 Вт.

Логопериодические антенны Vpol характеризуются относительно малой шириной ДН в горизонтальной плоскости (22-65 градусов), имеют коэффициент усиления от 11-18 dBi и используются, в основном, для организации связи вдоль дорог. Всенаправленные антенны c вертикальной поляризацией (Vpol omni) представляют собой цепочку запитываемых синфазно полуволновых вибраторов внутри корпуса, имеющего вид трубки. Некоторые модели предлагаются с углами электрического наклона в диапазоне от 0 до 6 градусов. Антенны omni (outdoor) выпускаются как однодиапазонные для диапазонов частот 900 МГц, 1800 МГц, 1710-2170 МГц, так и двухдипазонные для диапазонов частот 900/1800 МГц, 900/1920-2170 МГц. Длина всенаправленных антенн определяет их ширину ДН в вертикальной плоскости и, соответственно, коэффициент усиления, который составляет от 2 до 11 dBi для однодиапазонных антенн и 2 dBi для двухдиапазонных антенн. Уровень допустимой подводимой мощности всенаправленных антенн варьируется от 60 до 500 Вт. Такие антенны используются операторами при необходимости организации покрытия в компактных зонах обслуживания с трафиком, локализованным вокруг БС, например, в коттеджных поселках, где установка секторных БС экономически нецелесообразна в условиях небольшого трафика. Другим примером использования антенн omni может быть их установка в городских условиях при организации микросот. Антенны с вертикальной поляризацией для использования внутри зданий (Vpol indoor) выпускаются как однодиапазонные для диапазонов частот 900 МГц, 1800 МГц, 1710-2170 МГц, так и двухдиапазонные антенны для диапазонов 900/1800 МГц, 900/1710-2170 МГц, а также широкополосные, перекрывающие диапазон от 800 МГц до 2500 МГц. Они могут быть как секторные, так и всенаправленные, имеют небольшие размеры и эстетичный внешний вид (форму «шляпы») и выпускаются, как правило, в потолочном исполнении для организации покрытия внутри помещений. Небольшие размеры антенн indoor определяют ширину ДН, которая может достигать 70-80 градусов в обеих плоскостях и коэффициент усиления в 5-7 dBi. Всенаправленные антенны indoor имеют коэффициент усиления 2 dBi. Предлагаются также двунаправленные антенны indoor-outdoor с шириной ДН 65 градусов и формой ДН, имеющей вид «восьмерки».

Антенны с наклонной кросс-поляризацией представляют собой, в отличие от антенн с вертикальной поляризацией со строго вертикальным расположением излучателей, совокупность излучателей, симметрично расположенных вдоль вертикальной оси антенны и наклоненных к ней под углом +/- 45 градусов. В одном корпусе такой антенны могут располагаться две (Xpol), четыре (XXPol), и даже шесть (XXXPol) независимых антенн. Каждая пара антенн с кросс-поляризацией обслуживает один из рабочих диапазонов - 900 МГц, 1800 МГц, или 1710-2170 МГц. Такая конструкция антенн упрощает их размещение (на крышах домов, башнях, стенах зданий), что особенно важно в условиях дефицита места, а также позволяет снизить затраты на аренду площади. Некоторые такие многодиапазонные антенны имеют встроенные фильтры, позволяющие обеспечить их работу всего через 2 разъема. Симметричное расположение систем излучателей относительно оси антенны гарантирует симметричность и идентичность ДН в горизонтальной плоскости. Очень важно, что ДН полностью ортогональны друг другу, а требуемая поляризационная развязка между двумя антеннами и коэффициент кросс-поляризации сохраняются в заданном секторе азимутальных углов и обеспечивают условия для эффективного разнесенного приема. Однодиапозонные антенны с кросс-поляризацией выпускаются для диапазонов частот 900 МГц, 1800 МГц, 1710-2170 МГц, Ширина ДН в горизонтальной плоскости составляет у них 65 и 90 градусов, коэффициент усиления колеблется от 5 до 22 dBi. Двухдиапазонные антенны XXPol выпускаются для диапазонов частот 900/1800 МГц, 900/1710-2170 МГц, 1710-2170/1710-2170, их коэффициент усиления составляет от 12 до 19 dBi. Строенные антенны XXXPol (900/1710-2170/1710-2170 МГц) предполагают их совместное сипользование в сетях GSM900/1800 и UMTS. Группа излучателей, обеспечивающая работу антенны в сетях UMTS, имеет. как правило, более высокий, по сравнению с антеннами GSM, коэффициент усиления (18-22 dBi) и, соответственно, более узкую ДН в вертикальной плоскости для компенсации высоких потерь при распространении сигналов UMTS. Трехдиапазонные антенны, работающие сразу в нескольких диапазонах, имеют независимые системы электрической регулировки угла наклона ДН для каждого из диапазонов, что обеспечивает необходимую гибкость при оптимизации сетей.

Конструктивные особенности антенн БС для сетей GSM

Конструкция антенн БС играет исключительно важную роль в обеспечении стабильности основных электрических параметров антенн при их эксплуатации в сложных климатических условиях. Используемые компаниями современные прецизионные технологии изготовления элементов антенн (рефлекторов, системы излучателей и схем их запитки, корпуса антенны) и способов их соединения (минимизация числа внутренних соединений), позволяют обеспечить высокую повторяемость параметров в условиях серийного производства. Уровень интермодуляционных искажений современных антенн составляет не более -150 dBс.

При производстве антенн одни компании (Kathrein) предпочитают, в основном, традиционную дипольную конструкцию излучателей (в качестве излучателей используются диполи из металлических проводников - латунь, алюминий) и кабельную схему подводки мощности с помощью отрезков полужесткого кабеля. Компания LGP Allgon использует в ряде антенн также щелевые (печатные) излучатели, мощность к которым подводится с помощью микрополосковых линий. Это позволяет, по заявлению производителей, уменьшить потери, увеличить коэффициент усиления антенны, упрощает процесс изготовления и обеспечивает лучшую воспроизводимость электрических параметров при серийном производстве антенн. Как видно, и та и другая технологии имеют определенные преимущества, которые компании используют при совершенствовании конструкции антенн.

Среди новых конструктивных решений можно отметить выпускаемые в последние годы модели антенн с асимметричной ДН. В этих антеннах, для уменьшения паразитного излучения в горизонтальном направлении, четко выражен провал между 1-м верхним боковым и главным лепестками ДН, а также сглажены провалы нижних боковых лепестков с целью обеспечения лучшего покрытия непосредственно под антенной.

Еще более впечатляющим примером прогресса в области создания современных антенн БС являются антенны с возможностью дистанционного изменения угла электрического наклона ДН (антенны RET - Remote Electrical Down Tilt). Такие антенны имеют специальный блок дистанционного управления с высокоточным шаговым электродвигателем, соединенным с приводом, управляющим установленными в корпусе антенны фазовращателями, что позволяет подстраивать электричсекий наклон ДН без выезда специалистов на место установки антенны. Антенны RET будут особенно востребованы при развертывании сетей GSM/UMTS, где организация совместной работы двух стандартов становится возможной только с помощью ручной подстройки углов электрического наклона.

При развертывании сетей UMTS операторы, поставленные в условия обеспечения быстрого запуска сетей в соответствии с выделенным объемом финансирования, сталкиваются с рядом организационных и технических проблем.

Основные из них - совместимость с имеющейся инфраструктурой и действующей в сети системой управления, обеспечение требуемого качества покрытия для предоставления услуг UMTS в полном объеме, удобство инсталляции и технического обслуживания, возможность дистанционного мониторинга основных параметров, эстетичный внешний вид, обеспечение надежности и долговечности.

Совместимость с инфраструктурой GSM

Эта проблема вызвана растущей сложностью поиска новых сайтов в связи с дефицитом подходящих свободных зданий и сооружений, получением необходимых частотных разрешений, согласованием площадок с местными органами власти и жителями. Операторы, естественно, стремятся максимально использовать имеющуюся сетевую инфраструктуру, размещая узлы сети UMTS на действующих базовых станциях (БС) сетей GSM. Такое совмещение БС (co-siting), однако, вызывает необходимость обеспечения требуемого уровня разделения частотных диапазонов при гарантированном качестве покрытия фрагментов сетей 2G/3G для исключения возникающих интермодуляционных помех и интерференции между БС. Использование новейших двух- и трехдиапазонных панельных антенн с кроссполяризацией в целом обеспечивает требуемый уровень развязки между сетями GSM/UMTS.

Необходимость оптимизации покрытия обусловлена динамическим характером сетей UMTS, зоны покрытия которых изменяются в зависимости от нагрузки. Небольшие размеры этих зон при обслуживании абонентов вызывают проблему организации хэндовера, т.е. перехода абонента из зоны действия одной БС в зону действия другой без потери разговора. Без оптимизации покрытия абонент, находясь в зоне действия нескольких БС, использует ресурс нескольких сот. В результате уменьшается общая емкость сети, снижаются уровень обслуживания и качество предоставляемых услуг.

Проблемы организации качественного покрытия в условиях динамически меняющейся нагрузки во многом решаются при использовании антенн с регулировкой угла наклона диаграммы направленности (ДН).

Задача оптимизации радиопокрытия в сетях 3G, в условиях ограниченного частотного ресурса, имеет решающее значение для обеспечения высокого качества передачи голоса и данных. В предыдущем номере мы подробно остановились на особенностях новейших панельных антенн с кроссполяризацией (X-Pol) для сетей UMTS. В продолжение этой темы мы бы хотели предложить читателям журнала небольшой обзор антенных комплексов, создаваемых на базе этих антенн. Дело в том, что при развертывании сетей UMTS операторам приходится решать проблемы совместимости с имеющейся инфраструктурой сетей GSM и действующей в сети системой управления, проблемы возможности дистанционного управления основными параметрами, обеспечения эстетичного внешнего вида. Ведущие мировые производители антенного оборудования для сотовой связи активно предлагают на российском рынке антенные системы на базе панельных антенн X-Pol. Эти системы не только позволяют размещать базовые станции (БС) UMTS на сайтах GSM, но и существенно упрощают монтаж элементов антенно-фидерного тракта за счет их интеграции в корпус антенны. Одновременно улучшается внешний вид антенной системы, повышается ее общая надежность. Встроенный механизм электрического управления углом наклона диаграммы направленности антенны придает комплексам дополнительную очень важную функциональность, связанную с возможностью обеспечения дистанционного управления площадью радиопокрытия. [33,34,35]

3.4 Сравнение характеристик рупорно-микрополосковой антенны с современными видами антенн

Направленная антенна "Polaris 900-10" используются для работы в составе стандартов сотовой связи в качестве абонентских приемопередающих антенн для обеспечения высокого качества работы сотовых телефонов внутри помещений, в офисах, подвалах, ангарах или других местах с неблагоприятными условиями приема сигнала сотовой станции (Рис. 7)

Рис. 3.7 антенна "Polaris 900-10"

Технические характеристики:

-рабочий диапазон частот 890-960 МГц

-коэффициент усиления 15 дБ

-КСВ 1.5

Направленная антенна " ACV26 CARANT " используются для работы в составе стандартов сотовой связи в качестве абонентских приемопередающих антенн в офисах, подвалах, ангарах или других местах с неблагоприятными условиями приема сигнала сотовой станции

Технические характеристики:

-рабочий диапазон частот 800-960МГц

-коэффициент усиления 15 дБ

-КСВ 2

Многодиапазонная, двунаправленная антенна стандартов сотовой связи KATHREIN 738 446, для установки внутри помещений (рис. 3.8.)

Рис. 3.8 Антенна KATHREIN 738 446

Технические характеристики:

-рабочий диапазон частот 1) 806-960, 2) 1710-2110 МГц

-коэффициент усиления 1) 5, 2) 6 дБ

-КСВ 1) 1.7, 2) 1.5

Секторная антенна KATHREIN 80010204V02, для сотовой связи LTE, GSM900



Рис. 3.9 секторная антенна KATHREIN 80010204V02

Технические характеристики:

-рабочий диапазон частот 790-960 МГц

-коэффициент усиления 14 дБ

-КСВ 1.5

Всенаправленная антенна для внутреннего и внешнего использования

KATHREIN 800 10147 (рис. 3.10).

Технические характеристики:

-рабочий диапазон частот 1) 824 - 960, 2) 1805 - 2170 МГц

-коэффициент усиления 2 дБ

-КСВ 2



Рис. 3.10 антенна KATHREIN 800 10147

Всенаправленная антенна KATHREIN K7515641для внутреннего и внешнего использования, 890-960 МГц,

Технические характеристики:

-рабочий диапазон частот 1) 890 - 960 МГц

-коэффициент усиления 5 дБ

-КСВ 1.5

Антенна секторная панельная KATHREIN 80010304 806-960 МГц (рис. 3.11)

Технические характеристики:

-рабочий диапазон частот 1) 806 - 960 МГц

-коэффициент усиления 16 дБ

-КСВ 1.5 [36]

Рис. 3.12 Антенна секторная панельная KATHREIN 80010304

Таблица 1 сравнения технических характеристик современных и разработанной антенны

Таблица 1

Название	Диапазон 1	Диапазон 2	Диапазон 3	КСВ/КУ 1	КСВ/КУ 2	КСВ/КУ 3
Антенна 1	470-490 МГц	850-1000 МГц	1700-2100 МГц	2.5/6	2.5/7	2.5/10
80010202V02	790-960 МГц	-	-	1.5/14
738 446	806-960 МГц	1710-2110 МГц		1.7/5	1.5/6
80010204V02	790-960 МГц			1.5/14
Polaris 900-10	890-960 МГц			1.5/15
ACV26 CARANT	800-960МГц			2/14
800 10147	824 - 960 МГц	1805 - 2170 МГц		2/2	2/2
K7515641	890-960 МГц			1.5/5
80010304	806 - 960 МГц			1.5/16

На основе сравнительной таблицы характеристик антенн видно, что однадиапазонные антенны по своим качественным характеристикам могут превосходить разработанную нами антенну, однако при сравнении с антеннами, работающими в двух и более диапазонах, наглядно видно что разработанная нами антеннами успешно конкурирует с современными видами антенн от известных фирм производителей (KATHREIN).

Выводы к главе III

В данной главе приведена разработка широкополосной рупорно-микрополосковой антенны. В проектирования рупорно-микрополосковой антенны велось в программе Ansoft HFSS, даны основные характеристики и раскрыты возможности программы Ansoft HFSS. Кроме того, проведен сравнительный анализ основных характеристик разработанной антенны, с антеннами известных конструкций широко используемых в настоящее время.

Заключение

Развитие инфраструктуры информационно-коммуникационных технологий является одной из главных задач, поставленных правительством Республики Узбекистан перед разработчиками новой техники. Одной из составляющих такой инфраструктуры являются средства связи, обеспечивающие качество, расширение функциональных и сервисных возможностей, уменьшение массогабаритных показателей, увеличение надежности их работы и повышение экономического эффекта.

В связи с этим актуальной является разработка и исследование широкополосной трехдиапазонной рупорно-микрополосковой антенны.

В данной диссертационной работе рассмотрены конструкции и принципы работы рупорных и микрополосковых антенн, приведена их классификация, раскрыты преимущества и недостатки.

Рассмотрены основные задачи, стоящие перед разработчиками антенн, такие как: расширение рабочей полосы частот, уменьшение габаритных размеров антенны, уменьшение бокового излучения, повышение коэффициента полезного действия. Приведены известные методы решения указанных задач.

Приведена разработка новой широкополосной рупорно-микрополосковой антенны. Проектирование рупорно-микрополосковой антенны велось в программе Ansoft HFSS, при этом даны основные характеристики и раскрыты возможности данной программы. Кроме того, проведен сравнительный анализ основных характеристик разработанной антенны, с антеннами известных конструкций, широко используемых в настоящее время.

Значимость полученных результатов заключается в возможности практического использования при производстве широкополосных антенн и внедрении их в эксплуатацию.

Список использованной литературы

I. Законы Республики Узбекистан.

1. Закон Республики Узбекистан «О связи». Ведомости Верховного совета Республики Узбекистан, 1992г., №3, ст. 159; Ведомости Олий Мажлиса Республики Узбекистан, 1998г., №3, ст. 38; 2000г., №5-6, ст.153; 2003г., №5, 67.

2. Закон Республики Узбекистан «О телекоммуникация». Ведомости Олий Мажлиса Республики Узбекистан, 1999г., №9, ст. 219; Собрание законодательства Республики Узбекистан, 2004г., №37 ст. 408; 2005г. №37-38 ст.279; 2006г., №14, ст. 113; 2007г., №35-36, ст. 353; 2011., №52, ст. 557.

3. Закон Республики Узбекистан «О радиочастотном спектре» Ведомости Олий Мажлиса Республики Узбекистан, 1999г., №1, ст. 16; 2003г., №5, ст. 67.

4. Закон Республики Узбекистан «Об информатизации». Ведомости Олий Мажлиса Республики Узбекистан, 2004 г., №1-2, ст.10.

II. Указы и постановления Президента Республики Узбекистан, Постановления Кабинета Министров

5. Постановление Президента Республики Узбекистан «О мерах по дальнейшему внедрению и развитию современных информационно-коммуникационных технологий». 21 марта 2012 г., «ПП-1730. Собрание законодательства Республики Узбекистан, 2012г., №13, ст. 139.

6. программа дальнейшего внедрения и развития информационно-коммуникационных технологий в Республике Узбекистан на 2012-2014 годы. Постановление Президента от 21.03.2012 г., №ПП-1730.

III. Произведения Президента Республики Узбекистан И.А. Каримова 7. мировой финансово-экономический кризис, пути и меры по его преодолению в условиях Узбекистана / И.А. Каримов. Т.: Узбекистан, 2009. 48 с.

8. Каримов И. А. Обеспечить поступательное и устойчивое развитие страны - важнейшая наша задача. Т. 17. Т. «Узбекистан». 2009. 184.

IV. Основная литература

9. Электромагнитные волны в волноводах. МФТИ Москва 2006.

10. Цалиев Т.А. Розрахунок мікросмужкових випромінювачів та антен. Навчальній посібник з курсового та дипломного проектування. Одеса, 2003.

11. Панченко Б.А. Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны М.: Радио и связь, 1986.

12. Патент Российской Федерации RU 2427060. Открытое акционерное общество "Центральное конструкторское бюро автоматики" 20.08.2011г.

13. Патент Российской Федерации RU 2220483. Семейкин Николай Павлович, Помозов Валерий Владимирович, Титов Алексей Никитич, Титов Алексей Алексеевич 27.12.2003г.

14. Патент Соединенных Штатов Америки US 3438040. MARCONI CO LTD 1969г.

15. Авторское свидетельство СССР SU 1125682 Предприятие П/Я Г-4493: 23.11.1984г.

16. Авторское свидетельство СССР SU 1608767. Севастопольский приборостроительный институт 23.11.1990г.

17. Авторское свидетельство СССР SU 985863. Рязанский радиотехнический институт 30.12.1982г.

18. Авторское свидетельство СССР SU 1166205. Войсковая часть 44388-Р/1 07.07.1985г.

19. Авторское свидетельство СССР SU 1103316. Московский авиационный институт им.Серго Орджоникидзе 15.07.1984г.

20. Авторское свидетельство СССР SU 1363343. Предприятие П/Я В-2190, Предприятие П/Я В-8751 30.12.1987г.

21. Патент Российской Федерации RU 2471272. Татарников Дмитрий Витальевич (RU), Астахов Андрей Витальевич (RU), Степаненко Антон Павлович (RU) 27.12.2012.

22. Патент Российской Федерации RU 64437. Федеральный научно-производственный центр Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Марс" 27.06.2007.

23. Авторское свидетельство СССР SU 1684836. Предприятие П/Я В-8246 07.02.1991.

24. Авторское свидетельство СССР SU 1626292. Предприятие П/Я А-3325 07.02.1991.

25. Авторское свидетельство СССР SU 1401530. Уральский политехнический институт им. С.М М.КИРОВА 07.06.1988.

26. Патент Российской Федерации RU 2251768 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Агама" 10.05.2005.

V. Периодические издания, статистические сборники и отчеты

27. Писецкий Ю.В., Бубенцов С.В. «Использование широкополосной антенны» Сборник докладов. ТУИТ. 2013г.

Интернет сайты

28. http://slovari.yandex.ru (Словарь поисковой системы Яндекс).

29. http://ru.wikipedia.org (Википедия- свободная энциклопедия).

30. http://dic.academic.ru/Фазированная антенная решётка (Словарь «Академик»).

31. http://ansoft.com/hfss (официальный сайт программного комплекса Ansoft HFSS).

...