Размещено на http://www.allbest.ru/

6

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к выпускной квалификационной работе

на тему:

Проектирование и расчет активного устройства wi-fi удлинителя



РЕФЕРАТ

Выпускная квалификационная работа (ВКР) содержит 81 страница текста, 28 рисунков, 13 таблиц, список источников информации включает 14 наименований. wi-fi сеть радиоудлинитель связь

Приведены вопросы теории, даны модели для радиоудлинителя, величины параметров электрических схем, рассчитанных в компьютерных средах, предназначенных для расчета микроволновых устройств. Сделаны соответствующие выводы по работе.

В первом разделе ВКР проводится анализ технического задания и теоретическое исследование работы WI-FI сетей.

• Во втором разделе рассмотрены вопросы применение радио удлинителя для обеспечения связи.
• В третьем разделе рассмотрены вопросы теории направленных антенн.
• В четвертом разделе выполнен расчет основных элементов антенны, рассчитан усилитель СВЧ и приведены результаты моделирования.
• Пятый и шестой разделы посвящены вопросам безопасности и экологичности работы и даны технико-экономические обоснования разработанного устройства.


ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время стремительно растет потребность в беспроводных соединениях, особенно в сфере IT технологий. Пользователи с беспроводным доступом к информации всегда могут работать гораздо более производительно и эффективно, чем их коллеги, которые привязаны к проводным телефонным и компьютерным сетям, так как существует привязанность к определенной инфраструктуре коммуникаций.

При современном этапе развития сетевых технологий, технология беспроводных сетей Wi-Fi является наиболее удобной в условиях, которые требуют мобильность, простоту установки и использования. Как правило, технология Wi-Fi используется для организации беспроводных локальных компьютерных сетей и для создания так называемых горячих точек высокоскоростного доступа в Интернет.

Беспроводные сети обладают, по сравнению с традиционными проводными сетями, немалыми преимуществами, главными из которых являются:

- Простота развёртывания.

- Гибкость архитектуры сети, когда обеспечивается возможность динамического изменения топологии сети при подключении, передвижении и отключении мобильных пользователей без значительных потерь времени.

- Быстрота проектирования и реализации.

- Так же, беспроводная сеть не нуждается в прокладке кабелей (часто требующей дробления стен).

Однако, беспроводные сети на современном этапе их развития не лишены серьёзных недостатков. Прежде всего, это зависимость скорости соединения и радиуса действия от наличия преград и от расстояния между приёмником и передатчиком. Для устранения этих недостатков необходима разработка устройства, способного значительно увеличить дальность действия передатчика и расширить границы сети, каковым является радио удлинитель. При создании таких сетей появляется возможность превратить несколько зданий в единую беспроводную зону и увеличить скорость соединения вне зависимости от количества стен (преград). Также решается и проблема масштабируемости сети, а использование внешних направленных антенн позволяет эффективно решать проблему препятствий, ограничивающих сигнал [7].



1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ WI-FI СЕТЕЙ

Wi-Fi это сокращение от английских слов «Wireless Fidelity». Дословно это словосочетание можно перевести как «Беспроводная точность». Термин Wi-Fi часто применяется в компьютерных сетях и зачастую характеризует беспроводные локальные сети с высокой степенью мобильности клиентов сети.

В понимании современного общества, Wi-Fi это наиболее лояльная к пользователю технология мобильного беспроводного широкополосного доступа в сеть, которая позволяет клиентам сети свободно перемещаться без обрыва соединения не только в пределах одного здания, но и в масштабах города.

Термин Wi-Fi не является техническим и активно применяется современными пользователями беспроводных сетей группы стандартов IEEE 802.11.

На данный момент, наибольшее распространение на рынке устройств получили следующие стандарты Wi-Fi (так выражаться корректно, так как спецификаций IEEE группы 802.11 (табл. 1) значительно больше тех, что ратифицировал WiFi Alliance) [12].

Таблица 1 - Стандарты IEEE

Стандарт IEEE	Название технологии на английском языке	Название технологии на русском языке	Частотный диапазон работы сетей, ГГц	Год ратификации Wi-Fi альянсом	Теоретическая пропускная способность, Мбит/с	Реальная скорость передачи данных, Мбит/с
802.11 b	Wireless b	Стандарт «Би»	2,4	1999	11	5
802.11 a	Wireless a	Стандарт «Эй»	5	2001	54	20
802.11 g	Wireless g	Стандарт «Джи»	2,4	2003	54	20
	Super G	Технология «Супер Джи»	2,4	2005	108	40
802.11 n	Wireless N, 150Mbps	Технология «Эн 150»	2,4	-	150	50
	Wireless N Speed	Технология «Эн Спид»	2,4	-	270	50-80
	Wireless N, 300Mbps	Стандарт «Эн 300»	2,4	2006	300	50-120
	Wireless Dual Band N	Стандарт «Дуал Бэнд Эн»	2,4 и 5	2009	300	50-120
	Wireless N, 450Mbps	Технология «Эн 450»	2,4/ 2,4 и 5	-	450	-

1.1 Частотные диапазоны стандартов Wi-Fi

Оба частотных диапазона (2,4 и 5 ГГц) разбиты на частотные каналы. Ширина каждого частотного канала составляет 20 МГц (в некоторых источниках 22 МГц для стандарта IEEE 802.11 b).

Сначала рассмотрим на рис. 1 каналы частотного диапазона 2,4 ГГц. Центральная частота первого канала 2412 МГц, второго 2417 МГц, третьего 2422 МГц. Все каналы смещены относительно центра предыдущего на 5 МГц. Каждый последующий канал не перекрывается с предыдущим на 5 МГц.

Рисунок 1 - Частотные каналы технологии Wi-Fi для диапазона 2,4ГГц

Однако, есть, так называемые, «чистые» или «неперекрывающиеся» частотные каналы с номерами 1, 6, 11 и 14 (для Японии). При настройке Wi-Fi сетей рекомендовано использовать именно эти частотные каналы. Эти каналы не перекрываются и не накладываются с соседними, следовательно, устройства, создающие Wi-Fi сети, не могут влиять на соседние сети, созданные другими устройствами. Многие производители выставляют данные частотные каналы в настройках по умолчанию.

Не рекомендуется использовать эти частотные каналы, так как на практике они оказываются чрезмерно перегруженными, особенно в городах с высокой плотностью населения. В таких городах, интернет есть практически в любой квартире и очень вероятно, что в квартирах установлены Wi-Fi роутеры «послушных» производителей, которые создают Wi-Fi сети. Эти сети расположены достаточно близко и зачастую работают на этих «чистых» частотных каналах, создавая чрезмерную интерференцию (перегруженность). Помимо этого, рекомендуется не оставлять в настройках устройств, создающих Wi-Fi покрытие (активное Wi-Fi оборудование точки доступа и роутеры), автоматический выбор частотного канала «Auto Chanel», а выставлять канал вручную. Это связано с тем, что на российском рынке можно встретить активное Wi-Fi оборудование с различным количеством частотных каналов.

Часть устройств поддерживает 11 частотных каналов технологии Wi-Fi. На данное оборудование установлено микропрограммное обеспечение (если речь идет об активном WiFi оборудовании) или драйверы (если речь о клиентских адаптерах) для домена или набора частотных каналов FCC.

FCC (англ. Federal Communications Commission) федеральная комиссия по связи, США.

Домен или диапазон FCC технологии Wi-Fi характерен для «прошивок», драйверов и устройств, предназначенных для северной Америки и России.

Кроме устройств с «прошивками» и драйверами для диапазона FCC, в России можно обнаружить устройства с поддержкой 12 и 13 частотного канала. Это Wi-Fi оборудование поддерживает диапазон или домен ETSI.

ETSI (англ. European Telecommunications Standards Institute) Европейский институт по стандартизации в области телекоммуникаций.

Добавление двух «дополнительных» каналов было вызвано тем, что в Испании и Франции на тех же частотах, на которых находится диапазон FCC с одиннадцатью частотными каналами, работает полиция. Для того чтобы не мешать правоохранительным органам и не создавать помех, были добавлены два дополнительных высокочастотных канала, использование которых законодательно разрешено [13].

В тех случаях, когда в настройках активного Wi-Fi оборудования, которое создает Wi-Fi сеть, частотный канал номер 13 выставлен вручную, у пользователей возникают проблемы: подключение к сети производится посредством Wi-Fi адаптера с драйверами для домена FCC и адаптер просто не может обнаружить сеть на «невидимом» для него 13-ом частотном канале. Поэтому не рекомендуется выставлять этот канал вручную.

Подобная проблема может возникнуть, когда в настройках активного Wi-Fi оборудования выставлен автоматический выбор частотного канала («channel auto»). В этом случае устройство должно автоматически выбрать наименее загруженный частотный канал для работы. Зачастую, для устройств домена ETSI это «невидимые» многим адаптерам домена FCC 12-й и 13-й каналы.

Поэтому, при настройке оборудования, рекомендуется выставлять номер канала «вручную», избегая каналов с номерами 1, 6, 11, а также 12 и 13 (если это устройство диапазона ETSI).

Помимо ETSI существуют так называемые японские «прошивки» и драйвера для Wi-Fi устройств. В них существует поддержка 14 частотного канала, который недоступен в домене ETSI.

Этот канал тоже является так называемым «чистым» и не перекрывается с соседними.

Неперекрывающиеся частотные каналы нужны для создания роуминга в сетях Wi-Fi. В частотном диапазоне 5 ГГц таких каналов 23 [6].



1.2 Дальность устройств стандарта IEEE 802. 11g

Стоит обратить внимание на график зависимости теоретической пропускной способности от расстояния для устройств стандарта IEEE 802.11 g (рис. 2).

При соблюдении прямой оптической видимости и отсутствии помех, максимальное расстояние, на котором способны работать устройства данного стандарта, составляет «всего» 60 метров. Пропускная способность (рассчитанная теоретически) будет составлять примерно 5,5 Мбит/с, а реальная скорость будет составлять примерно 30 % от «теоретической», т.е. около 2 3 Мбит/с. Радиус зоны покрытия с пропускной способностью 54 Мбит/с (не путать с реальной скоростью она в данном случае 18 24 Мбит/с) достигает 20 метров максимум при тех же «идеальных» условиях.

Для устройств стандарта IEEE 802.11 n (300 Мбит/с), использующих антенную технологию MIMO, радиус зоны покрытия может быть увеличен на 40 % если подключение к этой сети происходит посредством адаптера стандарта IEEE 802.11 n, также использующего технологию MIMO [11].

Рисунок 2 - Дальность устройств стандарта IEEE 802. 11g



1.3 Совместимость стандартов IEEE

Все актуальные стандарты Wi-Fi, работающие на одном частотном диапазоне, являются обратно совместимыми. При этом, в спецификациях таких устройств пишут следующее: IEEE b/g/n это означает, что данное оборудование соответствует спецификациям стандарта IEEE 802.11 n и способно работать с устройствами более старых стандартов (Табл. 2) на максимальных пропускных способностях (54 и 11 Мбит/с соответственно) [6].

Таблица 2 - Совместимость стандартов IEEE

Частотный диапазон	2,4 ГГц	5 ГГц
Стандарты IEEE и их совместимость	802.11 b	802.11 a
	802.11 b/g
	802.11 b/g/n
	802.11 a/b/g/n/Dual Band N

1.4 Режимы работы Wi-Fi оборудования

Все Wi-Fi оборудование можно разделить на два класса: активное Wi-Fi оборудование (в него входят точки доступа Wi-Fi и Wi-Fi роутеры) и Wi-Fi адаптеры.

Режим AP

Это основной режим работы активного Wi-Fi оборудования. Устройства (точки доступа WiFi и WiFi роутеры) создают вокруг себя радиопокрытие, находясь в котором, можно подключиться к сети Wi-Fi.

Разница между Wi-Fi роутером и точкой доступа Wi-Fi

По сути, и Wi-Fi роутеры и точки доступа WiFi выполняют одни и те же функции создают радиопокрытие (режим AP), находясь в котором, любое устройство может подключиться к сети в режиме AP-Client. На этом сходства устройств заканчиваются.

Данные устройства различаются как визуально, так и структурно. У классической точки доступа Wi-Fi имеется только один Ethernet-порт. У классических Wi-Fi роутеров их 5. При этом, отдельно выделен WAN-порт, который служит для подключения кабеля провайдера. Остальные Ethernet-порты маркируются как LAN они служат для подключения по витой паре клиентов локальной сети, которую создает роутер.

В заводских настройках у точки доступа отключен DHCP-сервер и для подключения к ней по Enternet или по Wi-Fi, сетевому адаптеру необходимо присвоить статический IP-адрес, который лежит в той же подсети, что и заводской IP-адрес точки доступа.

У роутеров DHCP-сервер в заводских настройках включен, и любой клиент роутера может получить от данного сервера IP-адрес автоматически. Для этого необходимо настроить службу DHCP-клиент адаптера, с помощью которого производится подключение к роутеру, на автоматическое получение IP-адресов.

Кроме включенного в заводских настройках DHCP-сервера, роутеры оснащены программно-аппаратным файерволом, который минимизирует вероятность хакерских атак и хищения конфиденциальной информации у клиентов локальной сети, которую он создает, но не гарантирует 100 % защиты.

Точки доступа могут быть подключены своим Ethernet-портом к провайдерам, которые используют протокол подключения DHCP или Static IP (узнать свой протокол). В то время, как Wi-Fi роутеры (помимо протоколов DHCP/ Static IP) могут «поднимать» VPN-туннели по протоколам PPPoE, PPTP, L2TP и работать с российскими интернет-провайдерами, использующими технологию VPN. В том случае, когда Wi-Fi роутер поддерживает эти протоколы, но с приставкой «Russia», говорят о том, что данная модель оптимизирована под корректную работу с сетями российских интернет-провайдеров. Именно на поддержку протоколов Russian PPPoE, Russian PPTP и Russian L2TP стоит обратить внимание в первую очередь, при выборе той или иной модели. Данная информация, как правило, отсутствует в техническом паспорте и в спецификациях к оборудованию, однако её можно найти на официальном сайте компании-производителя, в каталоге продукции.

Зачастую, Wi-Fi роутеры называют шлюзами или маршрутизаторами. Роутеры действительно выполняют роль шлюза доступа в сеть интернет, так как они «стоят на стыке» двух и более сетей (WAN сеть провайдера, LAN проводная локальная сеть, которую он создает и WLAN беспроводная локальная сеть технологии Wi-Fi). Такую возможность дает роутеру реализованный в нем протокол трансляции сетевых адресов, называемый NAT (в точках доступа не реализован). Благодаря протоколу NAT, роутер преобразует один IP-адрес, полученный от провайдера для работы в сети интернет в несколько локальных IP-адресов (зачастую, это адреса класса «С» вида 192.168.0.0-192.168.255.255). Роутеры позволяют заключать один контракт с провайдером и использовать нескольким клиентам один канал одновременно. Таким образом, роутеры позволяют абонентам провайдеров экономить на количестве контрактов, а провайдерам на IP-адресах.

Wi-Fi роутер это более функциональное и универсальное устройство для построения домашней Wi-Fi сети или сети небольшого офиса. Точки доступа, имеющие более богатый функционал в плане различных настроек Wi-Fi сети, чаще используются для создания Wi-Fi сетей с большими площадями [7].

Режим AP-client

Наиболее типичным устройством, работающим в режиме AP-client является Wi-Fi адаптер, хотя некоторые точки доступа (зависит от модели и аппаратной версии) также могут работать в этом режиме. Wi-Fi адаптер это устройство, позволяющее компьютерам, ноутбукам и прочим устройствам подключаться к Wi-Fi сети, созданной другими устройствами, такими как Wi-Fi точки доступа и Wi-Fi роутеры (активное Wi-Fi оборудование, работающее в режиме АР).

Режим Ad-Hoc, характерный всем без исключения Wi-Fi адаптерам.

Все Wi-Fi адаптеры помимо режима AP-client, поддерживают еще один режим работы Ad-Hoc. Данный режим позволяет объединить 2 компьютера во временную одноранговую сеть типа «компьютер-компьютер» и организовать обмен данными между ними всего за несколько минут.

Поддержка устройством режима AP-client свидетельствует о возможности подключения данного устройства к уже существующей Wi-Fi сети, созданной устройством, настроенным или работающим в режиме AP [7].

Режим Bridge или режим Wi-Fi моста

Данный режим необходим для объединения по радиосвязи двух удаленных сегментов сетей Ethernet в тех местах, где прокладка кабеля не представляется возможной или попросту нерентабельна. После объединения двух точек доступа в мост, Wi-Fi сеть, которую они образовали, соединившись в мост, становится невидимой, что значительно повышает уровень безопасности, защищая сеть от несанкционированного подключения.

Альтернативой режиму Bridge может служить схема из двух устройств на одной стороне схемы устройство с поддержкой режима AP, на другой точка доступа в режиме AP-client.

Данная схема подобие режима Bridge обеспечивает наивысшую производительность, но SSID сети будет транслироваться в радиоэфир и сеть не будет невидимой [7].

Режим WDS

Данный режим позволяет воссоздать практически любую топологию сети. WDS бывает нескольких видов:

WDS типа «Точка-Точка» (Point-to-Point);

WDS типа «Точка-Многоточка» (Point-to-Multi-Point) (рис. 3).



Рисунок 3 - WSD типа «Точка - Многоточка»

Возможны самые различные комбинации различных типов WDS, следовательно, возможна любая сетевая топология [7].

Режим Repeater или режим Ретранслятора

Зачастую существует необходимость повысить уровень сигнала в какой-либо точке сети Wi-Fi или расширить покрытие уже существующей сети. Для этого есть устройства с поддержкой режима Repeater (рис. 4).

Ретрансляторы (иначе называют: "репитер", "повторитель" прямой перевод с англ. repeater) представляют собой комплекс радиотехнических устройств, предназначенных для приема сигнала от некоторого узла связи и последующей передачей, как правило, с некоторой обработкой (фильтрацией шума и усилением) сигнала, другому узлу связи, которым может быть как конечная (приёмная) станция, так и другой репитер. 

Рисунок 4 - Иллюстрация режима ретранслятора

Выстраивая ретрансляторы в последовательную цепочку, можно добиться получения канала связи в крайне сложных условиях (в горах, между перевалами, в сложных городских условиях и т.п. см. рис. 5).

Рисунок 5 Установка простейшего ретранслятора в третьей точке, имеющей прямую видимость с конечными точками

Ретрансляторы бывают активные и пассивные. В данной работе рассматриваются только активные ретрансляторы.

Ретрансляторы, последовательно работающие на приём или на передачу, называют эхо-репитерами. Следует учитывать, что скорость передачи данных точки доступа в режиме ретранслятора падает ровно в два раза. Физически процесс ретрансляции выглядит следующим образом: точка доступа, установленная в режиме "REPEATER", в одну единицу времени принимает пакет от базовой станции, а в следующую передаёт его же в эфир. То есть точка доступа повторяет все действия основной базовой станции, только с задержкой.

Чаще всего ретрансляторы применяют в том случае, когда нет прямой видимости между конечными узлами связи. Иногда возникают ситуации, когда установить канал связи не удается, не смотря на высокое усиление антенн, малые расстояния и отсутствие электрических помех от посторонних сетей. Применение ретрансляторов оправдано также при большом удалении конечных точек друг от друга. Из-за большого расстояния между объектами невозможно организовать устойчивый радиоканал.

Репитер может решить задачу получения качественной связи. Ретранслятор в промежуточной точке позволит реализовать дешёвый и устойчивый канал связи, применяя недорогое оборудование.

Простым наращиванием мощности, попытками поднять антенны выше или увеличением коэффициента усиления антенн решить задачу не удается. Поэтому целесообразно не тратиться на дорогостоящее оборудование, продавцы которого обещают невозможное. Достаточно организовать небольшой (можно даже вообще автономный, необслуживаемый) репитер, состоящий из точки доступа (способной работать в режиме повторителя) и всенаправленной антенны нужного усиления. Единственная задача, которую нужно будет решить установить его в защищенном от вандалов месте и найти источник питания (2 10 Вт). Но на сегодняшний день такая задача может решаться достаточно просто (установка приёмо-передатчика в соседнем поселении; в придорожном кафе, на автозаправке), вплоть до установки солнечной панели с аккумулятором. Такие системы значительно подешевели в последние годы и их активно применяют там, где нет централизованной электросети (например, устанавливая автономные светофоры, телефоны-автоматы, светящиеся дорожные указатели и т.д.).

По отношению к базовой станции, репитер является просто клиентом. И когда сигнал передаётся ретранслятором, основная базовая станция находится в простое. Из-за этого скорость при работе через ретранслятор и падает ровно вдвое.

При нахождении в эфире сигнала от ретранслятора, он будет передавать SSID основной базовой станции. Подключение к ретранслятору ничем не отличается от подключения к основной базовой станции. (Вы вводите все свои данные, точно так же, как если бы Вы подключались к основной базовой станции напрямую.)

Ретранслятор на всенаправленной антенне простейший Wi-Fi эхо-репитер.

Основное условие расположения репитера прямая видимость до ретранслятора с обоих точек.

Расстояние от конечных точек до репитера, даже если оно больше расстояния между самими точками, не является ограничением. В отсутствие помех, передать сигнал на большое расстояние, значительно проще, чем в густонаселённом городе в соседний дом.

Из-за экранировки высотными зданиями, зачастую единственным способом доставить канал связи потребителю, можно через ретранслятор. Прокладка оптического или медного кабеля бывает в этих случаях экономически не оправданна. Правда, и организовать репитер в городских условиях проще, ведь точка доступа клиента может одновременно работать и ретранслятором сигнала для другого клиента.

Ретрансляторы имеют разную производительность, скорость передачи данных и количество подключаемых клиентов, в зависимости от типа и конфигурации используемого активного оборудования [2].

Двухканальные ретрансляторы Wi-Fi сигнала

Двухканальные (или, по-другому, двухчастотные) репитеры Wi-Fi представляют собой более сложные повторители сигнала, которые осуществляют прием на одной частоте, а передают на другой. За счет этого достигается увеличение скорости обмена данными, т.к. прием и передача ведутся на разных частотах, а, следовательно, могут осуществляться одновременно и независимо друг от друга [10].

1.1. 

2. ПРИМЕНЕНИЕ РАДИО УДЛИНИТЕЛЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СВЯЗИ

Радио удлинитель линии комплекс оборудования для телефонизации удаленных объектов (чаще всего стационарных) с использованием радиотелефонной связи. Обычно это объекты, к которым прокладка проводной линии связи невозможна (по техническим или другим причинам). Через радио удлинители можно подключать стационарные телефоны, учрежденческие мини АТС, факсы и другую стандартную телефонную аппаратуру.

Радио удлинитель может быть использован в качестве радиомодема. При подключении модема компьютера к телефонной линии через радио удлинитель максимальная скорость достигает 21 Мбит/с (при хороших условиях связи). Средняя скорость на уровне 12 16 Мбит/с. Большое влияние на скорость оказывает тип применяемого в радиомодеме (радио удлинителе) радиотелефона. Факсы, с учётом использования более низких скоростей, работают без каких-либо проблем.

На рис. 6 представлена схема построения радио удлинителя на основе бесшнурового телефона.

Рисунок 6 - Схема построения радио удлинителя

Базовый блок бесшнурового телефона (1) подключается к телефонной линии, которую требуется "удлинить". Обычно это стандартная линия ГТС, либо одна из абонентских линий мини АТС. Базовый блок не подвергается практически никаким переделкам, за исключением случаев, когда в него требуется установить разъем для подключения внешней антенны (2).

Интерфейс (3) в комплекте с антенной (4) образуют абонентский комплект. Интерфейс формирует на выходе параметры стандартной телефонной линии, управление состоянием которой осуществляется микропроцессором. Сигналы "трубка поднята/опущена", набор номера в импульсном или тональном режиме микропроцессор транслирует в сигналы управления радио трубкой, установленной внутри интерфейса. При поступлении вызова АТС, интерфейс формирует вызывной сигнал. Предусмотрена организация внутренней связи между "базой" и "трубкой" без использования телефонной линии [9].

Своеобразный радиоудлинитель можно смонтировать также на базе пары шлюзов GSM: DC-21 и DC-05. Преимущество этого способа удлинения отсутствие ограничения на расстояние.

Дальность действия радио удлинителя зависит от совокупности физических факторов и параметров оборудования:

· Высота подъема антенн.

Она обычно является решающим фактором в обеспечении дальности и особенно критична при частотах выше 100 МГц.

· Рельеф местности и характер застройки.

Не обязательно, чтобы антенны всегда были в зоне оптической видимости, но они не должны быть скрыты плотной застройкой или перепадами высот рельефа местности. Антенну радио удлинителя, работающего на частотах выше 300 МГц, желательно располагать не ниже 30 м, а в условиях высотной застройки 100 м.

· Эффективность антенн

Антенны, входящие в комплект поставки радио удлинителя обладают достаточно высоким коэффициентом усиления (12 14 дБ) и имеют узкую диаграмму направленности, что влечет за собой усиление требований к погрешности в юстировке антенн. Она не должна превышать 10 15 градусов. Предпочтительно применение горизонтальной поляризации антенн. При использовании малоэффективных, до 5 дБ, круговых антенн большая часть энергии излучается не в нужном горизонтальном направлении, а в небо и землю. Прирост каждых 3 дБ усиления антенны равносильно удвоению мощности и улучшению чувствительности. И если мощность можно увеличить с помощью усилителя, то чувствительность определяет усиление антенны. Очень важно, чтобы антенна точно соответствовала рабочим частотам телефона.

· Затухание сигнала в антенном кабеле

При попытке достичь максимальной высоты подвеса антенн, не следует забывать о том, что антенный кабель вносит затухание в радиосигнал, которое увеличивается при увеличении длины кабеля. Можно попытаться расположить интерфейс ближе к антенне (например, на чердаке или техническом этаже здания) тем самым сократив длину антенного кабеля.

· Используемый частотный диапазон

При выборе частотного диапазона радио удлинителя следует учитывать, что радиосигнал частотного диапазона 900 МГц практически не огибает препятствия, а оборудование диапазона 300 МГц чаще всего значительно дороже.

· Зашумленность эфира

В ряде случаев, вблизи от места расположения антенны могут находиться источники мощных радиопомех, для борьбы с которыми приходится устанавливать в радиотракты дополнительное оборудование (фильтры) либо переходить на другой частотный диапазон.

· Выходная мощность передатчиков радио удлинителя

Увеличение выходной мощности наименее эффективный способ увеличения дальности. В пределах дальности "до горизонта" обычно 15...40 км, прирост от увеличения мощности примерно равен корню четвертой степени из прироста мощности. Например, имея дальность в 5 км при мощности 1 Вт, для удвоения дальности до 10 км, потребуется мощность в 16 Вт. Подобный расчет весьма приблизителен и не может использоваться при планировании, но весьма показателен при финансовой оценке проекта.

Если проанализировать статистику монтажа радио удлинителей, то при применении оборудования диапазона 900 МГц достигалась дальность до 7…10 км, для оборудования диапазона 300 МГц достигалась дальность 10...15 км [1].



3. НАПРАВЛЕННЫЕ АНТЕННЫ

Известно, что простейший способ получения направленной антенны с пространственной избирательностью одновременно в азимутальной и угломестной плоскостях состоит в использовании системы из нескольких ненаправленных антенных элементов, расположенных и запитываемых по определенному закону. Примером такого рода является антенна типа «волновой канал», которую по именам предложивших ее более 80 лет назад японских создателей чаще называют антенной Уда-Яги. Она состоит из ряда параллельных вибраторов, расположенных перпендикулярно антенной оси. Если бы все вибраторы были активными, то для получения максимального излучения вдоль оси антенной системы и минимального излучения в противоположном направлении достаточно было бы расположить вибраторы на расстоянии четверти длины волны друг от друга. При этом их следует возбуждать так, чтобы ток в каждом последующем вибраторе (в сторону максимального излучения) отставал по фазе от тока в предыдущем антенном элементе на 90° при равенстве токов по амплитуде. Такая запитка (с точки зрения фазовых соотношений) может быть получена, если подключить вибраторы к двухпроводной линии через 0,25. В антенне типа «волновой канал» активным является лишь один из вибраторов, а остальные пассивные. Те из них, что расположены вдоль направления излучения, именуются директорами, а с противоположной от активного вибратора стороны рефлекторами. Расстояние между активным вибратором и первым директором, как и расстояния между соседними директорами, выбирается примерно 0,1 0,2. Для антенны Уда-Яги характерен одиночный рефлектор, который устанавливается на расстоянии около 0,15 0,2 от активного вибратора. Длина рефлектора составляет около 0,53. Директоры предназначены для формирования узкой диаграммы направленности, от них происходит еще одно название рассматриваемого типа антенн директорные. Ток в директорах должен отставать по фазе от тока в активном вибраторе, по этой причине они делаются несколько короче 0,5. Число директоров может колебаться от 3 до 10, дальнейшее увеличение их количества не приводит к уменьшению ширины диаграммы направленности уже 15 20°.

Расчет антенны типа «волновой канал» сводится, прежде всего, к определению геометрических размеров антенны и токов в вибраторах. Такой расчет проводится для нескольких вариантов с выбором предпочтительного из них по критерию максимума КНД. Если же КНД антенны задан, то общую длину антенны, а по ней и число необходимых вибраторов можно найти из приближенного соотношения

G = 8L/, (1)

где L длина антенны.

Взаимные сопротивления Z_mn вибраторов определяются расстояниями между ними и их длиной. При числе директоров не больше трех расстояния между вибраторами следует все так же выбирать от 0,1 до 0,2, а длины вибраторов задавать такими, чтобы реактивное сопротивление рефлектора лежало в пределах от 0 до 40 Ом, а реактивное сопротивление директоров в пределах от 0 до 40 Ом.

При расчете диаграммы направленности антенна типа «волновой канал» она условно рассматривается как антенна с бегущей волной тока. Такой подход связан с тем, что приближенно сдвиг фаз между токами в соседних вибраторах можно считать постоянным (в сторону запаздывания), а запитку антенны рассматривать как возбуждение волной, скорость распространения которой вдоль оси антенны несколько меньше скорости распространения в окружающем пространстве (сдвигу фаз в 90° в свободном пространстве соответствует расстояние 0,25, а здесь это расстояние меньше около 0,2). Именно поэтому антенна названа «волновой канал».

Наряду со сложностью расчета подобного типа антенны обладают некоторыми недостатками. Один из них связан с малой диапазонностью, которая проявляется в резком росте максимумов боковых лепестков ДН и уменьшении КНД даже при небольшом изменении частоты несущей. С увеличением количества вибраторов диапазонность антенны ухудшается.

Еще один недостаток антенны Уда-Яги обусловлен тем, что благодаря влиянию рефлектора и директоров входное сопротивление активного вибратора может уменьшаться почти до 10 Ом, что затрудняет согласование его с питающим фидером, имеющим, как правило, волновое сопротивление в пределах от 50 до 75 Ом. По этой причине вместо обычного вибратора в антеннах типа «волновой канал» часто используются так называемые бивибраторы или шлейф-вибраторы, предложенные А.А. Пистолькорсом в 1936 году. Такой антенный элемент состоит из симметричного диполя (несколько короче полуволны), к которому в плоскости, перпендикулярной оси излучения, подключен второй вибратор такой же длины. Зачастую данный элемент именуют петлевым вибратором. Расстояние между его параллельными составляющими берется весьма небольшим около 0,025. Концы вибраторов соединяются перемычками, а питающий фидер подключается к клеммам диполя.

Другим вариантом директорной антенны, состоящей из вибраторных элементов, является логопериодическая антенна. Она отличается тем, что длины директоров по мере удаления от рефлектора убывают по логарифмическому закону.

Открытые на конце волноводы прямоугольного или круглого сечения могут рассматриваться как один из наиболее простых типов антенн с плоским излучающим раскрывом. Действие таких антенн сводится к тому, что поле волны, набегающей к открытому концу волновода, частично излучается в окружающее пространство. Небольшие размеры поперечного сечения волновода (по сравнению с длиной волны) приводят к тому, что диаграмма направленности таких антенн оказывается сравнительно широкой. Данное обстоятельство ограничивает использование волно-водов в качестве самостоятельных антенн, но в то же время они довольно часто применяются в сложных антеннах в качестве облучателей.

Недостатки волноводных излучателей, связанные с широкой диаграммой направленности, могут быть в значительной степени устранены, если часть волновода, в котором происходит излучение, сделать расширяющейся. В результате этого получается так называемый пирамидальный рупор, который обладает лучшими направленными свойствами и выполняет роль согласующего устройства при переходе от обычного волновода к окружающему пространству.

Наряду с рупорами пирамидальной формы находят применение также секториальные рупоры. Если волновод прямоугольного сечения расширяется в плоскости вектора напряженности электрического поля (здесь и далее считается, что в волноводе прямоугольного сечения распространяется основная волна типа H₁₀), то рупор называется Е-секториальным. Если расширение волновода производится в плоскости вектора напряженности магнитного поля, то рупор будет Н-секториальным. Как правило, волновод расширяют симметрично. Применяются, хотя и менее часто, рупоры круглого сечения, которые именуются коническими.

Расчет диаграммы направленности рупорных антенн производится по распределению поля в раскрыве рупора.

К достоинствам рупорных антенн следует отнести хорошие диапазонные свойства, которые определяются диапазонными свойствами волновода, запитывающего рупорную антенну. На практике достигается почти двукратное перекрытие по длине волны.

Кроме самостоятельного применения, рупорные антенны широко используются в качестве облучателей зеркальных, линзовых и других сложных антенн, а также в составе антенных решеток с управляемой диаграммой направленности.

Антенны поверхностных волн представляют собой плоские или стержневые направляющие системы ограниченной длины, вдоль которых могут распространяться поверхностные электромагнитные волны. В качестве направляющих структур применяются диэлектрические пластины, диэлектрические пластины на металлической подложке, плоские либо стержневые ребристые структуры, диэлектрические стержни или трубки т.д. В зависимости от соотношения между геометрическими размерами направляющей структуры и длиной волны, можно получить различную по ширине диаграмму направленности. Общим свойством этих диаграмм является то, что главный лепесток направлен вдоль оси антенны или несколько отклонен от нее (в несимметричных антеннах). По этой причине антенны поверхностных волн следует отнести к антеннам осевого излучения. Действие таких антенн во многом определяется свойствами поверхностных электромагнитных волн, которые также делятся на Е- и Н-волны. Соотношения между их полями определяются параметрами диэлектрического волновода, длиной волны и способом возбуждения.

Диэлектрическая антенна (рис. 7) состоит из диэлектрического стержня (чаще всего круглого сечения) и возбуждающего устройства, которое представляет собой отрезок волновода круглого сечения. Внутри волновода находится несимметричный вибратор, подключенный к коаксиальному кабелю. В качестве материала для изготовления стержней используется высокочастотный диэлектрик (полистирол, фиберглас и т.п.). Одним из основных требований к материалу являются малые потери.

Рисунок 7 - Диэлектрическая стержневая антенна

В отрезке волновода с помощью несимметричного вибратора возбуждается волна типа Н₁₁. В диэлектрическом стержне эта волна превращается в волну смешанного типа НЕ₁₁. Подобного типа волны могут распространяться в диэлектрическом волноводе независимо от соотношения между диаметром стержня, длиной волны и показателем преломления диэлектрика. Однако, как показывает опыт, оптимальные размеры площади поперечного сечения диэлектрического стержня, исходя из условий возбуждения и необходимого замедления, должны лежать в пределах:

(2)

где S площадь поперечного сечения стержня; длина волны в свободном пространстве; N показатель преломления диэлектрика [4].

Если диэлектрический волновод ограничить по длине, то набегающая к его концу волна будет в основном излучаться в окружающее пространство, но частично будет и отражаться, распространяясь в сторону возбуждающего устройства. Наличие отраженной волны связано с резким переходом от условий распространения вдоль диэлектрического стержня с замедленной скоростью к условиям распространения в окружающем пространстве. Для уменьшения отражения от конца стержня его делают конусообразным с закруглением на конце. В этом случае по мере приближения к краю стержня фазовая скорость распространения волны увеличивается, чем обеспечивается плавный переход от распространения вдоль диэлектрического стержня к излучению в воздушном пространстве. Вместе с уменьшением отражения наблюдается некоторое сужение диаграммы направленности и понижение уровня боковых лепестков. Диэлектрические стрежневые антенны в системах связи применяют, как правило, на частотах от 2 ГГц и выше.

К современным антенным устройствам широкополосной связи предъявляются весьма жесткие требования по электродинамическим характеристикам, габаритам, массе, стоимости, технологичности и т.д. Из-за необходимости создания не выступающих, а также простых и технологичных антенн широкого назначения возник большой интерес к микрополосковым и печатным антеннам СВЧ. Использование планарной технологии обеспечивает высокую воспроизводимость размеров антенн, технологичность, низкую стоимость, малые габариты и массу. Методами планарной технологии могут быть выполнены не только излучатели, но и линии передачи, согласующие элементы, фазовращатели, переключатели.

Под плоскостными (планарными) антеннами СВЧ следует понимать как одиночные микрополосковые и печатные излучатели, так и об-разованные из них антенные решетки. Антенны СВЧ могут излучать волны линейной, круговой и эллиптической поляризации, обеспечивать работу в многочастотных режимах.

Элементы печатных излучающих структур могут иметь самую разнообразную геометрическую форму: прямоугольную, круглую, треугольную, эллиптическую, кольцевую. Эти структуры способны работать как в резонансном, так и в нерезонансном режиме с возбуждением от полосковой линии, коаксиального кабеля, за счет электромагнитной связи. Недостатками планарных антенн являются узкополосность, малые предельно допустимые мощности, трудность конструирования перестраиваемых устройств и изменения параметров печатных элементов.

Антенной решеткой называется система идентичных излучающих элементов, расположенных по определенному закону.

Такие конструкции используются для получения высокой направленности излучения с помощью системы слабонаправленных антенн типа вибраторов, щелей, открытых концов волноводов, возбуждаемых токами с заданным соотношением амплитуд и фаз. В этом случае общая направленность, особенно при большом числе излучателей, определяется в основном габаритными размерами всей системы и в гораздо меньшей степени индивидуальными направленными свойствами отдельных излучателей.

Антенные решетки создаются для получения диаграмм направленности с главным лучом малой ширины, угловое положение которого можно менять каким-либо способом (механическим, электромеханическим или электрическим). Целесообразность использования антенной решетки становится особенно ясной тогда, когда требуется перемещать один или несколько главных лучей в пространстве достаточно быстро и в порядке, определяемом перемещением абонентских терминалов.

В зависимости от расположения антенных элементов, различают линейные, поверхностные и объемные решетки. Наибольшее распространение получили прямолинейные и плоские антенные решетки. Иногда излучающие элементы располагаются по дуге окружности или на криволинейных поверхностях, совпадающих с формой объекта, на котором расположена антенная решетка. Такие антенные решетки называются конформными.

Простейшей является линейная антенная решетка, в которой излучающие элементы расположены вдоль прямой, называемой осью решетки, на равных расстояниях друг от друга (эквидистантная антенная решетка). Расстояние d между фазовыми центрами парциальных излучателей называют шагом решетки. Линейная антенная решетка помимо самостоятельного значения зачастую является основой при анализе других типов антенных решеток. В современных базовых станциях сотовой связи второго поколения для обеспечения круговой работы используются, как правило, три вертикальные решетки излучателей. Принцип работы всякой решетки излучателей сводится к созданию таких фазовых сдвигов в питающих токах (при работе на передачу), при которых волны, формируемые антенными элементами, в некотором направлении складываются синфазно в дальней зоне. При работе на прием выходные сигналы на элементах решетки изменяют по фазе таким образом, чтобы они оказались синфазными на входе суммирующего устройства для заданного направления приема.

Рассмотрим принцип действия антенной решетки на примере простейшей системы ненаправленных излучателей, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга вдоль одной линии эквидистантной антенной решетки. Предположим, что на решетку падает плоская волна, направление прихода которой перпендикулярно раскрыву антенны.

Поле в месте расположения элементов одинаковое, следовательно, напряжения на выходах антенных элементов также будут иметь одинаковые амплитуды и фазы, а напряжение на выходе сумматора будет постоянным.

При изменении направления прихода волны амплитуда поля по раскрыву антенны не меняется, но появляются фазовые сдвиги, величина которых зависит от угловой координаты источника излучения, расстояния между элементами и длины волны. Межэлементный набег фазы определяется величиной

, (3)

где и угол между направлением на источник излучения и нормалью к решетке.

Для того чтобы антенная решетка имела максимальную направленность по углу и, необходимо либо механически довернуть ее, либо ввести с помощью фазовращателей фазовые сдвиги в напряжения, подаваемые на сумматор.

. (4)

Ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности определяется выражением:

. (5)



Диаграмма направленности к-го антенного элемента диаграммы (и) эквидистантной линейной антенной решетки после синфазного суммирования напряжений по выходам R излучателей имеет вид:

. (6)

Если межэлементное расстояние меньше или равно половине длины волны излучения, то дифракционные максимумы отсутствуют при любых положениях главного лепестка.

Электрическое управление положением главного луча может осуществляться фазовым либо частотным методом. При фазовом методе управления используются фазовращатели, с помощью которых обеспечивается изменение сдвига по фазе между токами в излучающих элементах. Изменение фазового сдвига может быть плавным или дискретным. В тех случаях, когда требуются большие скорости изменения фазы, применяются электрические фазовращатели на полупроводниковых диодах или ферритах. Чаще всего используются диоды с рп полупроводниковой структурой.

При частотном управлении лучом меняется частота питающего решетку генератора. Это приводит к изменению сдвига фаз между токами в излучателях решетки, в результате которого меняется положение антенного луча. Частотное управление является наиболее простым с точки зрения технического выполнения, но требует перестройки частоты передатчика в сравнительно широких пределах (не менее 6 % от несущей частоты). Поэтому в системах связи оно не используется [14].

Фазированные антенные решетки это антенные системы, которые состоят из элементов с независимым управлением фазой. В решетке подобного типа используется самый распространенный способ электрического сканирования фазовый.

Наиболее широко применяемым типом фазированные антенные решетки в системах связи являются линейные и плоские решетки. В большинстве случаев плоская фазированная антенная решетка состоит из идентичных излучателей, расположенных в узлах плоской координатной сетки с прямоугольными или треугольными (гексагональными) ячейками.

Различают активные и пассивные фазированные антенные решетки. В активных фазированных антенных решетках каждый элемент возбуждается от отдельного генератора или усилителя мощности.

В пассивных фазированных антенных решетках все излучатели запитываются от общего генератора или работают на общий приемник. Различают фазированные антенные решетки с фидерным и пространственным питанием (пространственное питание состоит в том, что энергия на антенную решетку поступает от облучателя, например, рупора). Фидерное питание может осуществляться по последовательной или параллельной схеме. Применяются также их комбинации.

При большом количестве излучателей фидерные схемы питания отличаются сложностью и громоздкостью и в основном находят применение в диапазонах дециметровых и более длинных волн. Однако в системах связи они стали использоваться и в сантиметровом диапазоне, где прежде предпочтение отдавалось пространственной схеме питания.

Высокие требования, предъявляемые в цифровых антенных решетках к величине мгновенного линейного динамического диапазона аналоговых приемных каналов (например, при использовании многочастотных OFDM-сигналов), делают весьма проблематичной их реализацию на практике. Среди возможных путей решения этой проблемы важная роль отводится специализированным схемотехническим приемам, позволяющим при проектировании ультра линейных усилителей добиваться величины мгновенного линейного динамического диапазона в 70 дБ и более. В числе указанных схемотехнических решений следует рассмотреть так называемые «двухтактные» или Push-Pull-усилители. Отличительной особенностью данной схемотехнической концепции является двухканальное противофазное усиление сигналов с последующим объединением откликов подканалов в выходном сумматоре. При этом происходит подавление высших паразитных гармоник в спектре сигнала. Для формирования противофазных сигналов на входе усилителя используется специальный трансформатор «расщепитель фазы» [3].

Преимущества двухтактного усилителя:

· Четырехкратный прирост в величине входного импеданса устройства по сравнению с импедансом обычного несимметричного усилителя с той же самой выходной мощностью. В результате, двухтактная схема упрощает согласование.

· Наличие «виртуальной» земли, что позволяет использовать большое количество компактных и более простых согласующих устройств.

· Отсутствие в выходном сигнале четных гармоник , и т.п., а также их комбинаций типа , и т.д.

Недостатки двухтактного усилителя:

· Использование симметричных трансформаторов в качестве противофазных расщепителей фазы не устраняет паразитных отражений мощности на входе и выходе устройства.

· Изоляция между двумя противофазными частями усилителя теоретически составляет только 6 дБ. Такая низкая межэлементная развязка может вызывать проблемы неустойчивости.

· Применение симметричных трансформаторов создает технологические сложности: вручную сделанный коаксиальный трансформатор прост в изготовлении только при использовании в экспериментальных лабораториях, но в серийном производстве это требует наличия дополнительной рабочей силы, что делает массовые поставки достаточно сложной задачей. Симметричные трансформаторы в виде микросборок хотя и доступны на рынке, но имеют более высокую стоимость и, как правило, занимают больше места, чем эквивалентные квадратурные расщепители фазы.

· Традиционной конфигурацией усилителей для СВЧ-приложений является балансный усилитель. В нем используются 90-градусные разделитель сигналов (на входе) и объединитель (на выходе).

Преимущества балансного усилителя:

· Хорошая изоляция между двумя половинами устройства, что улучшает стабильность усилителя в широкой полосе частот.

· Хорошая согласованность входа и выхода благодаря использованию 50-Омной резисторной нагрузки, поглощающей возможные отражения сигналов.

· Отсутствие гармоник типа 2F₁ + F₂, ... и ослабление на 3 дБ комбинационных частот типа ...

· Простота проектирования и интегрирования квадратурных расщепителей фазы.

К недостаткам балансного (симметричного) усилителя можно отнести следующее:

· Требует использования нагрузки 50 Ом. Резисторы большой мощности могут быть дороги и требуют надлежащего охлаждения.

· Отсутствие виртуальной земли.

Сравнение характеристик двухтактного и балансного усилителей позволяет сделать следующие выводы.

В узкополосных (5 10 %) приложениях показатели двух типов усилителей практически эквивалентны. Внешние согласующие цепи, разделители и объединители сигналов имеют схожие потери. Вследствие того, что четные гармоники находятся за пределами полосы пропускания согласующих цепей (внутренней и внешней) и симметричных трансформаторов, исключение этих гармоник в случае узкой полосы несущественно, и, следовательно, для узкой полосы двухтактная конфигурация не более эффективна, чем балансная. Линейность передаточной характеристики обоих типов усилителей в полосе час тот, меньшей октавы по ширине, одинакова.

Двухтактная конфигурация предоставляет двукратное преимущество в коэффициенте трансформации импеданса. Это может упростить задачу согласования усилителей.

Балансные усилители имеют существенное преимущество во внешнем согласовании, они более устойчивы из-за хорошей изоляции между двумя каналами устройства.

Виртуальная земля в двухтактной конфигурации может рассматриваться как преимущество, поскольку она позволяет использовать подстроечные конденсаторы между двумя подканалами усилителя для его быстрой настройки.

...