Implementation of multi-frequency multiple-pass antenna systems design methodology for linear radio centers of professional mobile radio networks

Full Text

Системы и средства подвижной радиосвязи (СПРС) и радиодоступа являются важной неотъемлемой составной частью современных телекоммуникаций. Они обеспечивают радиосвязь с подвижными абонентами (и/или объектами и субъектами управления и контроля) и передачу информации самого различного вида и структуры, включая речь, мультимедиа, данные контроля (мониторинга), команды управления процессами и т. п. [1]. В настоящее время наиболее перспективным вариантом антенно-фидерных устройств (АФУ) линейных радиоцентров (ЛРЦ) СПРС являются многовходовые многочастотные антенные системы. К таким АФУ предъявляется ряд требований, среди которых можно выделить следующие: - обслуживание значительных по площади территорий; - обеспечение близкой к круговой диаграмме направленности (ДН) в азимутальной плоскости; - обеспечение достаточно узкой, с высоким КНД, ДН в меридиональной плоскости; - обеспечение многочастотности (многодиапазонности, широкополосности) системы. Выполнение первого требования возможно путем размещения антенных систем на достаточно высоких специализированных или приспособленных сооружениях. Для реализации следующих двух требований наилучшим образом подходят антенные системы в виде кольцевых антенных решеток (КАР) [2]. При этом повышение КНД обычно достигается за счет вертикального развития КАР (многоэтажность). Что же касается последнего требования, то для его выполнения в качестве излучателей для КАР необходимо использовать соответствующие широкополосные и/ или многополосные антенны. Еще одной современной тенденцией в данной области является обеспечение унификации составных частей, блоков и узлов АФУ СПРС различной канальной емкости и различных условий размещения АФУ. Аналогичные по принципу работы КАР могут отличаться количеством этажей и числом излучателей в этаже. Предполагается целесообразной унификация конструкции излучателя (для всех КАР данного диапазона), а также элементной базы и конструкции диаграммообразующей схемы (ДОС), в том числе с обеспечением возможности масштабирования, то есть реализации требуемой канальной емкости путем использования соответствующего числа однотипных элементов, узлов и блоков. В зависимости от диапазона и требуемой широкополосности излучатели в составе КАР могут быть различными: вибраторы с рефлектором, плоские симметричные вибраторы с рефлекторами; логопериодические антенны (ЛПА); спиральные антенны с рефлекторами; полосковые антенны. С точки зрения обеспечения широкополосности (многодиапазонности) излучателей КАР наиболее перспективными представляются следующие направления [3; 4]: - использование совмещенных КАР (с чередующимися излучателями различных диапазонов) на основе ЛПА; - использование излучателей КАР в виде ЛПА с изогнутой траверсой; - использование фрактальных антенн. Немаловажным требованием к перспективным антенным системам подвижной радиосвязи является обеспечение работы на нескольких частотах (требование многочастотности), поскольку современные тенденции накладывают требования к передаче в таких сетях не только текстовых сообщений или телефонии, но и также видеоданных и другой мультимедийной информации, причем с заданным качеством обслуживания, что предполагает гибкое использование выделенного частотного ресурса. В связи с этим возникает необходимость в разработке антенн, работающих на нескольких частотах, в том числе обеспечивающих (при необходимости) возможность приема и излучения волн нескольких поляризаций (линейных вертикальной и горизонтальной, левой и правой круговой) (рисунок 1). Рисунок 1. Блок-схема методики проектирования многочастотных многовходовых антенных решеток Рисунок 2. Внешний вид многодиапазонной широкополосной антенной системы Рисунок 3. График частотной зависимости импеданса Рисунок 4. График частотной зависимости КСВН большой ЛПА в составе решетки Рисунок 5. График частотной зависимости импеданса малой ЛПА в составе решетки Рисунок 6. График частотной зависимости КСВН малой ЛПА в составе решетки Методика проектирования многочастотных многовходовых антенных систем На основе проведенных теоретических и практических исследований была разработана методика проектирования многочастотных многовходовых антенных решеток. На рисунке 1 приведена укрупненная блоксхема предлагаемой методики. Синтез антенной решетки начинается с анализа требований к широкополосности (многополосности) АФУ, а также требований к характеристикам направленности. По результатам данного анализа осуществляются выбор типа антенного элемента, обоснование их количества и топологии антенной решетки. Так, если требуется организация широкополосных каналов связи, необходимо использовать широкополосные антенные элементы, например ЛПА и др. Однако в ряде случаев при организации нескольких каналов, не требующих высокой широкополосности, целесообразно использовать систему резонансных излучателей, настроенных на определенные частоты поддиапазонов. Взаимное расположение антенных элементов определяется в соответствии с требованиями к диаграмме направленности для каждого канала связи, а также в соответствии с требованиями к поляризационным характеристикам АФУ. Однако взаимное влияние антенных элементов в составе антенной решетки приводит к изменению частотных характеристик антенной системы [5]. В связи с этим выбранную конфигурацию и геометрические параметры АФУ следует использовать в качестве первоначального приближения, с последующей параметрической оптимизацией для достижения требуемых характеристик антенной решетки в целом [6]. В случае удовлетворительного исхода проведенной параметрической оптимизации на основании требований к ДН осуществляется синтез ДОС (например, в виде широкополосной матрицы Батлера [7]). Практическая реализация С использованием представленной методики была спроектирована и реализована двухдиапазонная широкополосная КАР с возможностью оперативного изменения ДН. В данной КАР излучатели равномерно расположены на цилиндрической опоре. В качестве излучателей используются ЛПА вертикальной поляризации двух частотных диапазонов - низкочастотного (900 МГц) и высокочастотного (1800 МГц), раз мещенные на опоре поочередно и подключенные к частотно-разделительным устройствам [8; 9], обеспечивающим разделение низкочастотного и высокочастотного диапазонов, имеющим каждое один вход и два выхода, так что к выходам каждого частотно-разделительного устройства подключены соответствующие входы двух смежных излучателей (один из состава верхней решетки, второй - из нижней), а входы частотно-разделительных устройств образуют входы решетки [10]. На рисунке 2 представлен общий вид разработанного АФУ. Для устранения влияния внешних факторов окружающей среды антенна закрыта радиопрозрачным защитным кожухом. Были проведены экспериментальные исследования составных частей спроектированной антенной системы. На рисунке 3 приведены результаты измерений входного импеданса большой ЛПА в составе решетки. На рисунке 4 изображен график частотной зависимости КСВН в тракте данного антенного элемента. На рисунках 5 и 6 приведены аналогичные характеристики для малой ЛПА в составе решетки для соответствующего поддиапазона. Заключение Полученные результаты экспериментальных исследований макета позволяют сделать вывод о соответствии характеристик АФУ, спроектированного с использованием представленной методики, заданным техническим требованиям.

About the authors

I. V Doroschenko

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Samara, Russian Federation

References

Supplementary files