ВСЕНАПРАВЛЕННАЯ КОЛЬЦЕВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в качестве антенны базовой станции сотовой сети стандарта McWILL.
Известна всенаправленная кольцевая антенная решетка, включающая N идентичных антенных элементов, размещенных по кольцу с одинаковым угловым шагом относительно центральной оси, при этом равное количество идентичных антенных элементов, размещены вдоль соответственно внутренней и внешней окружностей кольца, радиус внутренней окружности выбирается равным 0,19λ, радиус внешней - 0,44λ, где λ - максимальная длина волны рабочего диапазона антенны, а антенные элементы размещены на коллинеарных радиусах внешней и внутренней окружностей [1]. Недостатком ее при использовании в качестве антенны базовой станции сотовой сети является недостаточно высокая пропускная способность обеспечиваемого радиоканала между множеством распределенных в пространстве абонентов и обслуживающей базовой станцией.
Задачей, которая решается в предлагаемой полезной модели, является увеличение пропускной способности радиоканала.
Требуемый технический результат заключается в увеличении предельной пропускной способности радиоканала за счет оптимального сочетания радиуса всенаправленной кольцевой антенной решетки и ширины диаграммы направленности отдельного антенного элемента.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что во всенаправленной кольцевой антенной решетке, включающей N идентичных антенных элементов, размещенных по кольцу с одинаковым угловым шагом относительно центральной оси, согласно полезной модели, антенные элементы размещены на цилиндрической поверхности с радиусом R=(1.1-1.2)λ, где λ - длина волны на центральной частоте рабочего частотного диапазона всенаправленной кольцевой антенной решетки, на одинаковом расстоянии от центральной оси и имеют диаграмму направленности с шириной горизонтального сечения в диапазоне значений 85°-95°, a N=8.
На фиг. 1 схематически изображена всенаправленная кольцевая антенная решетка, на фиг. 2 - график зависимости производительности радиоканала базовой станции McWILL от величины радиуса расположения антенных элементов всенаправленной кольцевой антенной решетки, выраженной в единицах λ.
Устройство содержит цилиндрическую поверхность 1, на которой по кольцу с радиусом R размещены идентичные антенные элементы 2 с одинаковым угловым шагом относительно центральной оси и на одинаковом расстоянии от центральной оси. У всенаправленной кольцевой антенной решетки McWILL количество антенных элементов равно восьми.
Антенные элементы 2 могут быть выполнены в виде логопериодических антенн [2], директорных (волнового канала) антенн [2, 3], спиральных антенн [3], рупорных антенн [2, 3], рефлекторных антенн [2, 3], вибраторов [2, 3] или микрополосковых антенн [4, 5], в зависимости от рабочего диапазона.
Устройство работает следующим образом. Антенные элементы 2 излучают/принимают сигнал от разделенного на группы множества абонентов-источников. При этом, если количество групп будет слишком большим, то при разделе общего ресурса радиоканала каждой группе будет выделена сниженная ресурсная доля. Может оказаться и так, что количество групп будет небольшим, но в рамках одной группы всенаправленная кольцевая антенная решетка окажется не способной к пространственной селекции лучей даже в режиме адаптивной настройки диаграммы, и качество связи снизится.
Оптимально распределить ресурс можно путем правильного выбора радиуса размещения антенных элементов и ширины диаграммы направленности отдельных антенных элементов в горизонтальном сечении.
Для множества значений радиуса R кольца цилиндрической поверхности 1 (0.45λ, 0.5λ, 0.6λ, далее с шагом 0.1 λ до 2.2 λ) подбиралась экспериментально ширина диаграммы направленности λϕ° антенного элемента 2 (и соответствующая конструкция антенны), при которой пропускная способность радиоканала, обеспечиваемого восемью антеннами элементами 2 базовой станции стандарта McWILL достигала максимального значения.
На фиг. 2 приведены полученные в ходе испытаний нормированные значения максимумов пропускной способности е радиоканала для базовой станции стандарта McWILL при различных значениях радиуса R (сплошная кривая, значения которой показаны по левой вертикальной оси) и значения ширины диаграммы направленности Δϕ° отдельного антенного элемента 2, при которых наблюдался максимум пропускной способности (штриховая кривая, значения которой показаны по правой вертикальной оси). Параметры эксперимента были следующие. Число активных абонентов равнялось 30, среднее значение сигнал/шум, наблюдаемое при приеме на один антенный элемент 20 дБ, 25 дБ и 30 дБ, глубина логнормальных замираний - 3 дБ. В качестве допустимого был принят уровень 5% абонентов с уровнем сигнал/(шум + помеха) в радиоканале ниже критического порога. Если для некоторого из проверяемых вариантов конструкции всенаправленной кольцевой антенной решетки наблюдалась ситуация с большим процентом абонентов, имеющих в линии связи уровень сигнал/(шум + помеха) ниже критического порога, то такой вариант конструкции всенаправленной кольцевой антенной решетки забраковывался. Оценка процента абонентов с уровнем сигнал/(шум + помеха) ниже критического порога осуществлялась по всей выборке серий испытаний, проводимых для выбранного варианта конструкции.
Абсолютно наилучшие показатели были зафиксированы в интервале значений R=(1.1-1.2)λ, где λ - длина волны на центральной частоте рабочего диапазона всенаправленной антенной решетки, при ширине горизонтального сечения диаграммы направленности антенных элементов 2 в интервале значений 85°-95°.
Таким образом, результаты эксперимента показали, что правильный выбор радиуса всенаправленной кольцевой антенной решетки и ширины диаграммы направленности антенных элементов позволяет обеспечить пропускную способность радиоканала близкую к максимальной.
Источники информации, принятые во внимание:
[1] Патент RU №141252 кл. H01Q 21/06 приоритет 09.01.2014.
[2] Ротхаммель К. Антенны. - М.: Энергия, 1979. - 320 с.
[3] Айзенберг Г.З. Антенны ультракоротких волн. - М.: Гос. Издательство литературы по вопросам связи и радио, 1957. - 704 с.
[4] Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. - М.: Радио и связь, 1986. - 144 с.
[5] Chen Zhi, Chia М. Broadband Planar Antennas. Design and Applications. John Wiley & Sons, Ltd., 2006. - 243 p.