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

Full Text

Abstract

Based on the analysis of the requirements for modern mobile radio networks, the design method was developed for designing multi-frequency multiple-pass antenna systems for linear radio centers. The design method includes the choice of implementation options, design of a radiating system, development of a beamforming scheme and a matching device. An antenna system has been designed using this method. The aforementioned antenna consists of two circular antenna array tiers with antenna elements of the type of a log-periodic antenna synthesized for diff erent subbands. Experimental studies of multi-frequency emitters for multi-pass antenna systems of linear radio centers were performed. The obtained results of experimental studies lead to the conclusion that characteristics of the antenna array designed using the presented method correspond to the specifi ed technical requirements, which, in turn, indicates the effi ciency of the method for multi-frequency multi-input antenna systems design.

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

  1. Веселовский К. Системы подвижной радиосвязи. М.: Горячая линия - Телеком, 2006. 536 с.
  2. Хансен Р.С. Фазированные антенные решетки. М.: Техносфера, 2012. 560 с.
  3. Варианты построения многочастотных многовходовых антенных решеток линейных станций подвижной радиосвязи / М.А. Бузова [и др.] // Радиотехника. 2018. № 4. С. 108-113.
  4. Дорощенко И.В., Салдаев С.В. Многочастотные антенные системы с различными видами поляризации для корпоративных сетей подвижной радиосвязи // Антенны. 2017. № 11. С. 18-24.
  5. Yang J. Periodicity of the input impedance of log-periodic array antennas // IET Microwaves Antennas & Propagation. 2012. Vol. 6. № 10. P. 1117-1122. doi: 10.1049/iet-map.2011.0599.
  6. Log-periodic dipole array antenna design for microwave imaging applications / Cafer Uyanik [et al.] // 2016 National Conference on Electrical, Electronics and Biomedical Engineering (ELECO). 2016. P. 554-557.
  7. Возможности построения диаграммообразующих схем для многочастотных кольцевых антенных решеток / М.А. Бузова [и др.] // Материалы XXVI Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов». Самара: ПГУТИ, 2019. С. 167.
  8. Банин А.А., Дорощенко И.В., Рубис А.А. Частотно-разделительные устройства для одновременной работы передатчиков на общую антенну // Радиотехника, электроника и связь (РЭиС-2017): материалы IV Международной научно-технической конференции. Омск, 2017. С. 309-315.
  9. Meng M., Hunter I.C., Rhodes J.D. The design of parallel connected fi lter networks with nonuniform resonators // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2013. Vol. 61. № 1. P. 372-381.
  10. Специальная радиосвязь. Развитие и модернизация оборудования и объектов: монография / под ред. А.Л. Бузова, С.А. Букашкина. М.: Радиотехника, 2017. 448 с.

Statistics

Views

Abstract: 48

Dimensions

Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX


Copyright (c) 2019 Doroschenko I.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies