Основы проектирования антенн. От чего зависит качество связи

Без излучающих систем в принципе невозможна работа любых радиосредств, поскольку они предназначены для преобразования энергии высокочастотных (ВЧ) токов (напряжений), создаваемых передатчиком, в энергию электромагнитных волн (ЭМВ). Это относится к режиму передачи. На приёмной стороне происходит обратное преобразование энергии ЭМП в энергию ВЧ токов (напряжений).

АФУ состоит из собственно излучателя и фидера-линии передачи энергии, соединяющей излучатель с ВЧ оборудованием.

В рассматриваемом диапазоне радиочастот в качестве фидеров используются радиочастотные кабели, полосковые линии, волноводы. В носимых средствах радиосвязи фидер отсутствует, т. к. антенна соединяется с аппаратурой непосредственно.

Характеристики всех элементов АФУ взаимосвязаны, поскольку реальный фидер, в отличие от идеального, немного излучает (принимает) ЭМВ. Значит, он тоже является излучателем. Это нежелательное явление стараются свести к минимуму на всех этапах создания АФУ, которые включают:

Исследования загрузки радиочастотного спектра (РЧС) показали, что в диапазоне УКВ мощность собственных тепловых шумов входных каскадов приёмника преобладает над мощностью внешних радиопомех природного происхождения, поэтому достижение максимального КПД приёмного АФУ становится первостепенной задачей.

Влиянием помех, создаваемых другими средствами связи, пренебрегают, т. к. оно исключается за счёт рационального распределения частот между радиостанциями. Поэтому в рассматриваемом диапазоне принимают во внимание только отношение мощности сигнала к мощности шума или соотношение сигнал-шум (с/ш), а другие помехи связи игнорируют.

Антенны классифицируют по многим отличительным признакам. Остановимся на важнейших из них:

Их можно разделить на 2 группы: параметры антенны как любой излучающей системы (например, светодиода) и как нагрузки (для передатчика) или генератора сигналов (для приёмника).

К первой группе относятся следующие.

Это зависимость мощности, излучаемой передающей антенной, от направления в пространстве. Она изображается в виде сечений объёмной ХН плоскостями, совпадающими с плоскостями векторов напряжённости электрического (Е) и магнитного (Н) поля. Наиболее наглядно изображение ХН в полярной системе координат (смотрите рисунок ниже)

На графике показаны:

В правой части графика имеется горизонтальная шкала уровня мощности в дБ, но чаще вдоль неё откладывается относительная мощность в диапазоне от 0 (в центре диаграммы) до 1 (соответствующая внешней окружности).

Направленные свойства оцениваются с помощью понятия ширины главного лепестка диаграммы направленности. Это угол, в пределах которого мощность излучения уменьшается в 2 раза, т. е. на 3 дБ. В данном случае рассматриваемая величина (2ϴ3_дБ=26⁰).

Чем больше мощность, излучаемая по главному лепестку по сравнению с остальными, тем лучше направленные свойства.

Аналогичный вид имеет ХН в режиме приёма, но при этом на диаграмме направленности будет откладываться не излучаемая мощность, а мощность принятого сигнала на выходе излучателя.

Таким образом, приёмная система обладает пространственной избирательностью сигнала — способностью принимать ЭМП с одних направлений эффективнее, чем с других.

Кроме того, она обладает поляризационной избирательностью, т. е. наиболее эффективно принимает сигнал с определённой поляризацией. Поляризации антенны определяется принципом формирования ЭМП, заложенным в её конструкцию.

Это отношение мощности излучения изотропной (абсолютно ненаправленной) антенны к аналогичному параметру для сравниваемого излучателя при условии, что мощность измерена в направлении максимального излучения. При этом на одинаковом расстоянии оба излучателя создают одинаковую напряжённость ЭМП.

D=P_∑0/P_{∑ при (R= const E= const),}

где D-к.н.д., P_∑0-мощность излучения изотропной (P_∑-аналогичная мощность для сравниваемого) излучателя.

Он определяется так же, как и к.н.д., но при этом сравнивается отношение подведённых мощностей, которые измерены на входах обеих излучающих систем

G=P_∑0/P_{A, при (R= const E= const),}

где P_∑0-мощность, подведённая к изотропному излучателю, P_A-мощность, подведённая к сравниваемой антенне.

Изотропных антенн не существует, поэтому зачастую эталоном служит СВ длиной λ/2. Здесь где λ-длина волны в метрах, соответствующая частоте излучения.

Связь между частотой и длиной волны в свободном пространстве известна из курса физики:

λ=c/f,

где с-скорость света, f-частота. Все рассчитываемые величины (кроме λ) не имеют размерности, т. к. они являются относительными.

Вторая группа характеристик включает КПД, входной импеданс и полосу рабочих частот.

Служит для оценки потерь энергии в АФУ, как преобразователе энергии. Он рассчитывается по формуле

η= P_∑/P_A,

где P_∑-излучаемая, а P_A-подведённая к излучателю мощность. В данном случае речь идёт об одном и том же устройстве.

Состоит из активной и реактивной составляющих. Последняя может иметь индуктивный или ёмкостный характер, поэтому импеданс зависит от частоты:

Z_a= R_a+jX_a,

где Z_a-импеданс, R_a-активная и X_a-реактивные составляющие.

Доказано на практике, что все рассмотренные характеристики излучателей, которые не содержат активных элементов, в режиме передачи и приёма одинаковы.

Остановимся на подробнее на импедансе СВ.

На рисунке, размещенным ниже, изображён излучатель, состоящий из двух проводников, представленных в виде распределённых вдоль их длины индуктивностей. Между любыми точками этих проводников также существует распределённая ёмкость (показана на рисунке в виде конденсаторов). Излучатель подключён к передатчику, обозначенному как генератор напряжения.

Пунктиром показаны токи смещения, протекающие в пространстве и формирующие ЭМП, описываемое уравнениями Максвелла.

Такой колебательный контур имеет частоту собственного резонанса. Поскольку существует распределённая ёмкость между проводниками и окружающими предметами, то она тоже вносит свой вклад в параметры этого контура. Поэтому ближайшие тела, находящиеся вблизи любого излучателя, включая поверхность земли, значительно влияет на все его характеристики. Это относится и к телу оператора носимого радиосредства.

На рисунке ниже для примера показана зависимость составляющих импеданса СВ от частоты (или от отношения l/λ, что по смыслу одно и то же). Здесь l-длина одного плеча излучателя.

Цифры на рисунке соответствуют разным волновым сопротивлениям проводника, вычисляемым как L/d, где d-диаметр излучателя. Кривая 1 соответствует максимальному, а 3-минимальному волновому сопротивлению.

Из рисунков видно, что только на одной частоте импеданс представляет собой активное сопротивление, а реактивное равно 0. Это частота основного резонанса, поэтому вибратор называется резонансным (эта точка на горизонтальной оси обозначена 2l/λ=1). В области частот ниже резонансной импеданс имеет ёмкостной, а выше — индуктивный характер.

Для получения максимального КПД нужно компенсировать реактивную составляющую. Это достигается включением на входе антенны реактивности такой же величины, но противоположной по знаку. А именно — если импеданс излучателя имеет ёмкостной характер, включают индуктивность и наоборот.

Это частотная область, в которой реактивную составляющую ещё можно скомпенсировать при сохранении достаточного КПД излучателя.

Чем больше активная составляющая, тем больше излучаемая мощность, тем больше КПД. Таким образом, на частоте резонанса этот параметр максимален и он уменьшается по мере удаления от этой точки.

Поскольку СВ — простейший источник ЭМП, который используется как самостоятельно, так и входит в состав более сложных антенн, знание рассмотренных зависимостей имеет большое практическое значение.

Работа любого излучателя ЭМВ основана на создании в окружающем пространстве токов смещения, возбуждающих ЭМП. Простейший случай иллюстрировался на примере СВ.

Основываясь на этих знаниях, ознакомимся с принципом действия распространённой антенны для радиосвязи и телевидения «волновой канал» (АВК). Она широко применяется и как самостоятельный излучатель, и как составная часть сложных излучающих решёток.

АВК состоит из активного вибратора (АВ), рефлектора (Р) и директора (Д). Расстояние между всеми элементами-0.25λ (рис.4).

АВ соединён с приёмопередатчиком коаксиальным фидером. Токи в Д и Р возбуждаются полем, создаваемым АВ.

Принцип работы антенны можно пояснить с помощью векторных диаграмм (рис.5).Направление кругового движения по ним показано стрелками.

Остановимся на диаграмме АВК, на котором поясняется принцип формирования ХН системы из элементов «активный вибратор-рефлектор».

Ток, протекающий по АВ (I_a), совпадает по фазе с приложенным напряжением (U_a), т. к. АВ имеет резонансный размер (0.25λ) и реактивная составляющая его импеданса равна 0.

Созданная АВ ЭМВ с напряжённостью Е_а, при распространении в сторону Р достигнет этого элемента с отставанием по фазе на 900, поскольку расстояние между вибраторами 0.25λ (E_ap-поле АВ в точке Р).

Эта волна наведёт в Р напряжение (e_p), под воздействием которого в нём будет протекать ток (I_p). Этот ток отстаёт по фазе от напряжения на 900, поскольку импеданс Р носит индуктивный характер.

Ток в рефлекторе создаст поле переизлучения (Ер), которое (как видно на векторной диаграмме), будет в противофазе с полем АВ (Ea), поэтому эти ЭМП в направлении Р компенсируют друг друга. Так в направлении рефлектора создаётся минимум излучения.

С помощью диаграммы рис.5 б поясняется принцип формирования ХН системы из элементов «активный вибратор-директор».

ЭМП, созданное АВ, придёт в точку Д (E_aд) с отставанием по фазе от поля Е_а на 900, поскольку расстояние между ними 0.25λ.

Оно наведёт в Д напряжение (e_д), под воздействием которого в Д потечёт ток (I_д), опережающий по фазе eд на 900. Опережение будет иметь место, т. к. импеданс директора будет иметь ёмкостной характер, а ток через ёмкость опережает напряжение.

Этот ток создаст поле переизлучения Д (E_д), которое будет в фазе с полем АР в точке Д. Эти поля суммируются, поэтому в направлении Д формируется максимум излучения АВК.

Аналогичным способом формируются ХН более сложных АФУ.

Их несколько: это технические характеристики оборудования связи, специфика РРВ и помеховая обстановка.

К первой группе относятся мощности передатчиков, чувствительности приёмников, виды модуляции сигналов, коэффициенты усиления АФУ и КПД фидеров. Все эти параметры входят в уравнение для расчёта энергетического баланса радиосвязи.

Важным обстоятельством, влияющим на качество связи, служит соблюдение рекомендаций производителя телекоммуникационного оборудования по выбору частот и антенн, а также мест размещения последних в случаях, когда это возможно.

РРВ рассматриваемого диапазона происходит преимущественно вдоль прямой линии, соединяющей фазовые центры приёмного и передающего излучателей. При этом наблюдаются следующие физические явления:

Ниже приведено краткое описание этих процессов.

Рефракция зависит от электрических характеристик атмосферы, которые определяются погодными и климатическими условиями.

Многолучёвость особенно проявляется при РВВ в городах и сильнопересечённой местности. В результате в любой точке пространства происходит сложение (интерференция сигналов) прямой, отражённой от земли и местных предметов ЭМВ, а также дифракционной и рефракционной волн.

При этом амплитуда, фаза и поляризация этих волн изменяется по случайному закону. Она сложным образом зависит от местности, погодных и климатических условий.

Дифракция зависит от соотношения размеров препятствия и длины волны, а также от его формы и расположения на трассе РРВ. Чем это соотношение меньше, тем амплитуда дифракционного поля больше. Влияние этих явлений можно уменьшить путём оптимизации мест размещения стационарных радиосредств и изменения высот подвеса и типов применяемых АФУ.

При увеличении этих высот можно минимизировать потери энергии сигнала, если местные препятствия не будут попадать в область, существенную для РРВ.

Это относится к радиолиниям привязки базовых станций к сетевой инфраструктуре оператора связи или к беспроводным соединениям между базовыми станциями и стационарными абонентскими терминалами.

Если речь идёт о связи с подвижными терминалами, учесть эти факторы влияния на связь и её качество невозможно, т. к. условия РРВ непрерывно меняются.

Замирания делятся на быстрые (с периодом до 1 сек.) и медленные (с периодом до 1 мин.). При неблагоприятных условиях глубина замираний может достигать 40дБ (что соответствует отношению мощностей в 10 000 раз). Первые имеют интерференционную природу. Вторые определяются непрерывными изменениями электрических параметров среды РРВ.

Для борьбы с замираниями используют методы разнесённого приёма: пространственного, временного, частотного и поляризационного. Они основаны на некоррелированности замираний, происходящих в разных точках пространства, в разные моменты времени, на разных частотах и для ЭМВ с различными видами поляризации.

Исследования показывают, что минимальная величина пространственного разноса АФУ должна быть не менее nλ_мин., где n-целое число.

Если передачу и приём сигналов вести с пользованием нескольких приёмопередающих устройств, работающих на разных частотах, то в каждый момент времени можно автоматически выбрать радиоканал, в котором качество принимаемого сигнала будут на приемлемом уровне.

При ухудшении связи в выбранном канале произойдёт мгновенное переключение на другой, в котором качественные характеристики сигнала лучше.

В тропосферной УКВ радиосвязи военного назначения применяются все перечисленные выше виды разнесённого приёма одновременно, но это технически сложно и дорого.

В системах мобильной связи общего применения пространственный и поляризационный разнесённый приём реализован в технологии абонентского радиодоступа MIMO (Multiple Input and Multiple Output-множественный вход и множественный выход). Она будет рассмотрена ниже.

Организация-эксплуатант стационарного радиосредства не может повлиять на ситуацию с наведёнными радиопомехами (т. е. помехами от других радиостанций), т. к. она использует оборудование связи, частоты и виды поляризации, места размещения оборудования и высоты подвеса АФУ, выделенные ей соответствующим разрешением контролирующих органов.

В этом случае единственный способ борьбы с любыми помехами, приходящими с определённого направления, заключается в ориентации направленной приёмной антенны минимумом характеристики направленности на источник мешающего сигнала.

Техник, устанавливающий абонентскую точку доступа, не связан административными требованиями к месту её установки, поэтому он может выбирать места размещения антенн и ориентировать их так, как считает нужным.

В таком случае, кроме вышеописанного способа подавления, можно попытаться подавить радиопомеху, повернув приёмную антенну в плоскости поляризации на 90⁰ .

Точка размещения излучателя выбирается с учётом того, что при высоте подвеса в 5–10 раз больше минимальной рабочей длины волны влиянием поверхности земли на характеристики АФУ можно пренебречь.

После этого оценивают качество связи и делают выводы об эффективности использованного способа. Например, с помощью специальных приборов можно измерить EVM (Error Vector Magnitude-модуль вектора ошибки) — комплексную характеристику, дающую интегральную оценку качества работы цифровой системы связи без применения нескольких критериев.

На этом простые антенные способы подавления помех будут исчерпаны. Другие, такие как применение адаптивных излучающих решёток, здесь не рассматриваются по причине их технической сложности, дороговизны и физической недоступности для широкого круга пользователей.

С целью уменьшения потерь энергии в АФУ производители используют качественные материалы для изготовления антенн и фидеров: диэлектрики с малой проводимостью и проводники с большой.

В специальной технике снижение потерь достигают покрытием поверхности излучателей серебросодержащим сплавом. На этом пути достигнут определённый технологический потолок.

Последние несколько лет в системы мобильной связи 4G LTE и Wi-Fi 802.11b/g/ac активно внедряется технология передачи данных MIMO. Цель этой инновации в телекоммуникациях — увеличение пропускной способности абонентских терминалов доступа в условиях ограничений на загрузку РЧС. Принцип её работы иллюстрируется рисунке ниже.

На вход передатчика поступает высокоскоростной поток данных, который не может быть передан в узкой полосе частот, выделяемой на один абонентский канал. Далее он делится на N низкоскоростных потоков, каждый из которых передаётся отдельной антенной системой в узкой полосе частот с использованием разных поднесущих.

На приёмной стороне происходит восстановление исходного высокоскоростного сигнала, который поступает на оконечное абонентское устройство: модем или роутер.

Для борьбы с замираниями ЭМВ использован пространственный и поляризационный разнесённый приём, обсуждавшийся выше. Поэтому на каждый абонентский терминал доступа использует систему, состоящую не менее чем из двух независимых источников поля, которая часто выполнена как единая конструкция.

Они соединяются с оборудованием отдельными радиочастотными кабелями. Аппаратура MIMO имеет как минимум 2 входа для подключения АФУ. Так реализован двухкратный приём, обозначаемый как 2х2 (2 излучателя на передающей стороне и столько же на приёмной). Уже реализована организация связи по схеме 4х4. Прорабатываются и более сложные варианты.

В антенной решётке MIMO могут использоваться все известные типы узконаправленных антенн, работающих в диапазонах 900, 1800 и 2600 МГц:

Главное отличие таких решёток от традиционных в том, что большинство из них излучают (принимают) ЭМВ так называемой Х-поляризации. Этот термин появился по мере внедрения рассматриваемой технологии.

Х-поляризация это разновидность традиционной линейной поляризации, при которой вектора напряжённости электрического поля (Е), излучаемого и принимаемого ЭМП лежат во взаимоперпендикулярных друг другу плоскостях.

Каждая плоскость составляет с поверхностью земли угол в 450. Это сделано для того, чтобы влияние земли на свойства каждой антенны, входящей в систему излучателей, было одинаковым. Выпускаются устройства MIMO и с классической вертикальной и горизонтальной поляризацией.