Современные антенны микроволнового диапазона

Министерство образования и науки Российской Федерации

Новосибирский Государственный Технический Университет



Реферат





Тема: «Современные антенны микроволнового диапазона».



Выполнил:

Факультет: 		    РЭФ

Студент:	Карацюпа Д. В.



Проверил:

Синельников А.В.











Новосибирск, 2010

Антенны для базовых станций сетей сотовой связи

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 российский 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 российских 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 РФ сетей GSM900/1800, DAMPS 800, CDMA-800, NMT 450. Данный обзор посвящен антеннам БС наиболее распространенного в РФ 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.Однодиапазонны 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.

Основные электрические параметры антенн

В качестве основных электрических параметров в таблице 1 приведены частотный диапазон, ширина диаграмм направленности (ДН) в горизонтальной и вертикальной плоскостях, коэффициент усиления (КУ) антенны, угол электрического наклона главного лепестка ДН, максимально допустимая входная мощность, коэффициент стоячей волны (КСВ), коэффициент развязки по поляризации, коэффициент подавления 1-го верхнего бокового лепестка (1-st upper side lobe suppression), отношение значений ДН в направлениях «вперед-назад» (front-to-back), коэффициент заполнения провала между основным лепестком и 1-м нижним боковым лепестком (null fill), коэффициент развязки между входами, коэффициент кросс-поляризации.

Значения параметров взяты из каталогов компаний Kathrein, LGP Allgon AB, RFS Celwave, Andrew-Decibel и охватывают диапазон между минимальным и максимальным значениями каждого из параметров.

В табл.2 приведены также детальные параметры антенн БС, наиболее популярных, на данный момент, по мнению авторов обзора, среди российских операторов GSM, а именно, Xpol 900, Xpol 1800, XXPol 900/1800, Vpol 900-65, Vpol 900-90. Как видно из табл.2, технические параметры антенн трех наиболее продвинутых в России производителей достаточно близки, что свидетельствует о высоком уровне производства, не позволяющем отдать однозначное предпочтение той или иной технологии.

Рынок антенн БС

Российский сегмент мирового рынка оборудования для БС сетей GSM, в том числе антенн БС, характеризуется достаточно быстрыми темпами роста – по экспертным оценкам, три ведущих российских оператора GSM – МТС, ВымпелКом и Мегафон, устанавливают в год до 2000-3000 базовых станций каждый. Региональные операторы, СМАРТС, Теле2 и др, также активно развивают свои сети, прибавляя к указанной выше цифре до 1000 БС в год. При установке, в среднем, на одной БС до 4-5 антенн общий объем продаж антенн БС составляет сегодня до 40000-50000 в год.

Наиболее активно работающими на российском рынке компаниями-производителями антенн БС являются, на данный момент, Kathrein (Германия), LGP Allgon AB (Швеция), RFS Celwave (Германия), Andrew - Decibel (США), предлагающие операторам практически полный ассортимент антенн, необходимых для развития сетей GSM. Менее известны антенны таких компаний, как Huber&Suhner (Швейцария), Telewave (США), Cushcraft (Великобритания), MAT JAYBEAM (Франция), “XAHT” (КНР), Racal (Великобритания) и др. Антенны российских производителей, таких как компания «Московские микроволны», «Радиал» пока не занимают на нашем рынке сколько-нибудь заметного места.

Среди российских дистрибьюторов антенн указанных выше компаний можно отметить компанию RayCom Wireless (антенны LGP Allgon), компании РКК и РК Телеком (антенны Kathrein), компанию “T-Helper” (антенны RFS Celwave), обеспечивающие до 90% всех продаж. Заканчивая краткий обзор антенн БС производства ведущих западных компаний, получивших наибольшее распространение среди российских операторов сетей GSM, хотелось бы отметить. что в целом антенны всех четырех компаний имеют примерно одинаковый уровень электрических и механических параметров, что не позволяет сделать однозначный вывод о предпочтительности антенны того или иного производителя.

При выборе производителя антенн проектировщикам приходится учитывать целую гамму факторов, среди которых на первом месте стоит ассортимент наиболее востребованных антенн на российском рынке, т.е. наличие у поставщика антенн с популярными углами раскрыва ДН в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Далее следует набор доступных типов антенн, различающихся по виду поляризации, частотному диапазону, коэффициентам усиления, углам электрического наклона ДН. Большое значение имеет также наличие линейки антенн с расширенными функциональными возможностями, например, антенн с малошумящими усилителями (LGP Allgon), сдвоенных антенн, перекрывающих диапазоны GSM и UMTS (RFS, Kathrein, LGP Allgon), комбинированных антенн Xpol/Vpol (Andrew-Decibel). Далее по приоритету следуют опыт использования антенны в российских условиях (статистика наработки на отказ в различных регионах) и наличие опытного дистрибьютора, обеспечивающего весь комплекс мер по сертификации антенны, сроков ее доставки к заказчику и послепродажному обслуживанию. В функции дистрибьютора входят также и вопросы обеспечения тесного информационного взаимодействия заказчика с производителем, позволяющего последнему вносить необходимые коррективы в конструкцию антенн, и даже создавать новые типы антенн, (например, упоминавшиеся выше комбинированные антенны Xpol/Vpol), имеющих определенную нишу на российском рынке (и рынке стран СНГ) в связи со спецификой развития сетей в условиях частотного дефицита и ограничений по использованию частот.

Дальнейшее развитие российского рынка антенн и его динамики будет во многом определяться стратегией и тактикой развития сетей GSM ведущих операторов в условиях обостряющейся конкурентной борьбы на внутреннем рынке и набирающей силу экспансии в направлении стран бывшего союза. Начало развертывания сетей UMTS, появление нового конкурирующего стандарта CDMA450 внесут в этот процесс дополнительную интригу. Конкуренция среди производителей антенно-фидерных устройств также нарастает. Вчерашние аутсайдеры и новые игроки делают все более настойчивые попытки проникновения на рынок СНГ.

Авторы обзора выражают признательность компаниям, представившим фактический материал для заполнения таблиц и надеются, что представленная информация поможет заинтересованному читателю составить некоторое представление о сложившейся структуре рынка антенн БС.

Новейшие антенные комплексы для сетей GSM/UMTS

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.

Качество покрытия

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), обес-

РАДИОПОКРЫТИЕ

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.