Панельная антенна с режекторной ДН в горизонтальной плоскости

Панельная антенна с режекторной ДН в горизонтальной плоскости

Ключевые слова: режекторная диаграмма направленности в горизонтальной плоскости, панельная антенна, прямоугольный экран с щелевым отверстием, коробчатый экран, критерий эффективности подавления излучения.

В связи с наличием сложной электромагнитной обстановки в диапазоне частот 870-960 МГц возникает проблема электромагнитной совместимости систем сотовой связи и систем радиосвязи специального назначения. В качестве антенн базовых станций систем сотовой связи используются антенны с секторной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости. Антенны с секторной диаграммой направленности, как правило, реализуются на основе панельных антенн. Для исключения взаимных помех между антеннами базовых станций с секторной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и антеннами служб специального назначения с узкой угловой протяженностью рассмотрено использование электромагнитных экранов, расположенных вблизи антенн БС Для численной оценки применения экранов были использованы основные критерии эффективности подавления излучения, которые зависят от важности системы сотовой связи. Для реализации такого подавления были использованы 2 типа экранов устанавливаемых вблизи антенны базовой станции. Рассмотрены случаи подавления излучения панельной антенны в узком секторе углов с помощью прямоугольного металлического экрана с щелевым отверстием и коробчатого экрана с двумя щелями. Используя критерий о максимизации внутренней развязки, были найдены оптимальное расположение защитного экрана и геометрия щелей в нем для получения требуемого подавления. Для решения задачи о влиянии экрана на излучение первичной антенны использовался метод численного решения задач дифракции электромагнитных волн на незамкнутых поверхностях. Получены основные параметры диаграммы направленности модифицированной панельной антенны во всем частотном диапазоне.

Агафонова МА,

инженер Главного Радиочастотного центра

Гайнутдинов ТА,

доцент кафедры ТЭДиА МТУСИ

В связи с наличием сложной электромагнитной обстановки возникает проблема электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (РЭС) различного назначения. Достаточно часто встает вопрос об уменьшении взаимного влияния между антеннами базовых станций систем сотовой связи, обеспечивающими коммуникации тысяч потребителей и антеннами систем фиксированной связи специального назначения, как правило, военного или ведомственного. Антенна базовой станции системы сотовой связи должна обслуживать фиксированный сектор, который, как правило, составляет 60°, 90°, 120° или 180° в горизонтальной плоскости [1]. Обычно подобные устройства строятся на основе панельных антенн [2].

Типичный вид панельной антенны изображен на рис. 1. Данная антенна Ка1Ьге1п 735785 [3] имеет ширину сектора обслуживания 120° в горизонтальной плоскости, коэффициент усиления (КУ) не хуже 14 дБ и предназначена для работы в диапазоне 870-960 МГц.

Панельные антенны базовых станций систем сотовой связи выполняются в виде системы вертикальных симметричных вибраторов и экрана, расположенного рядом с ними; расположение и схема питания вибраторов определяют форму диаграммы направленности и величину КУ антенны. Диаграмма направленности (ДН) в горизонтальной плоскости в основном зависит от ширины экрана, а в вертикальной — от высоты экрана и количества вибраторов.

К важным достоинствам панельных антенн следует также отнести слабую зависимость входного импеданса панели от условий размещения (благодаря наличию достаточно массивного рефлектора, ближнее поле в основном определяется параметрами панели), а

1 03 мм

1 934 ММ

Рис. 2. Модель панельной антенны в среде XFDTD

также слабую связь между излучателями (по этим же причинам). Иначе говоря, панель является в достаточной мере "автономным" излучающим устройством, что позволяет без изменения конструкции использовать панели одного и того же типа при создании различных антенных решеток при самых разнообразных условиях размещения.

Модель панельной антенны КаїЬгеіп 737785 в среде XFDTD [4] изображена на рис. 2, а расчетная ДН антенны в горизонтальной плоскости приведена на рис. 3.

Модель антенны состоит из экрана, размеры которого указаны на рис. 1, и 8 соосных симметричных вибраторов с длиной плеча

Рис. 1. Общий вид панельной антенны

Рис. 4. Варианты установки защитных экранов

Рис. 5. Идеальная режекторная ДН

Рис. 6. Реальная режекторная диаграмма направленности

8 см, расположенных на расстоянии 9 см от экрана. Расстояние между центрами вибраторов — 25 см. Все вибраторы возбуждены равноамплитудно и синфазно. Основные параметры расчетной ДН, приведенной на рис. 3: КУтах — 15,1 дБ, ширина сектора по уровню половинной мощности — 121°, уровень излучения назад -18 дБ, что вполне согласуются с паспортными данными антенны КаїЬгеіп 737785, приведенными в [3].

Для решения проблемы нежелательного взаимодействия между панельной антенной системы сотовой связи и антенной системы связи специального назначения в работе предлагается сформировать в исходной секторной ДН панельной антенны угловой участок, в котором наблюдается резкое подавление излучения. Конструктивная реализация такого подавления возможна за счет установки вблизи панельной антенны защитного металлического экрана с отверстием, обеспечивающий подавление излучения за счет компенсации в направлениях сектора подавления поля дифрагирующего на кромках экрана с полем проникающим сквозь отверстие. Примерные варианты! установки защитных экранов вблизи панельной антенны приведены на рис. 4

Антенну с ДН, в которой имеются направления практически нулевого излучения при исходном секторном излучении, по аналогии

с радиотехническими фильтрами, в дальнейшем будем называть антенной с режекторной ДН [5]. Идеальный вид режекторной ДН в полярной системе координат приведен на рис. 5, а реальная режекторная ДН представлена на рис. 6

Как видно из рис. 6 антенна с режекторной ДН должна обеспечивать уровень ДН не более и0тах в пределах сектора подавления и уровень ДН не менее Штт вне этого сектора. Таким образом, эти три величины, а также крутизна спада полностью описывают режек-торную ДН. Заметим, что конкретные значения этих величин зависят от степени загрузки диапазона и соответственно для каждого конкретного случая могут быть разными. Для численного критерия эффективности подавления в заданном секторе углов возможна как и минимизация конкретной величины максимального значения ДН в этом секторе, т.е минимизация и0тах, так и максимизация внутренней развязки, т.е максимизация разности между Штт и и0тах (максимизация (Штт — и0тах).

Выбор того или иного критерия зависит от важности системы связи специального назначения. Если у системы небольшой приоритет, целесообразен второй критерий, а если система входит в число первичных — первый. Во всех дальнейших расчетах, связанных с оптимизацией положения защитного экрана и формой отверстия в нем, применялся критерий максимизации внутренней развязки.

Для решения задачи о влиянии экрана на излучение первичной антенны использовался метод численного решения задач дифракции электромагнитных волн на незамкнутых поверхностях [6, 7]. Метод основан на численном решении интегрально-дифференциальных уравнений первого рода относительно токов, текущих по экрану [2]. Все конкретные расчеты по оптимизации вида экрана, положения отверстия в нем и расстояния от антенны до экрана производились в среде XFDTD [4].

Для формирования режекторной ДН были использованы два типа экранов, устанавливаемых вблизи панельной антенны. Рассмотрены случаи подавления излучения с помощью прямоугольного металлического экрана с щелевым отверстием и коробчатого экрана с двумя щелями.

Модель антенны и плоского защитного экрана со щелевым отверстием представлена на рис. 7, а антенна с двухщелевым защитным коробчатым экраном изображена на рис. 8

Путем численной оптимизации были получены следующие геометрии защитных экранов и отверстий в них, обеспечивающих приемлемое подавление поля в узком секторе углов:

Прямоугольный металлический экран со щелевым отверстием (рис. 4): расстояние от антенны до защитного экрана составляет 4 см. Главный и защитный экраны имеют одинаковые размеры 193,4х25,8 см. Размеры щели равны 189,4х6 см.

Рис. 7. Модель антенны с плоским защитным экраном

Рис. 8. Модель антенны с коробчатым двухщелевым экраном

Рис. 9. Диаграмма направленности исследуемой антенны с плоским экраном на частоте 915 МГц

ДН антенны в горизонтальной плоскости с таким экраном на центральной частоте 915 МГц (рис. 9).

Сравнивая полученную ДН и исходную (см. рис.3), можно сделать вывод, что применение защитного экрана привело к подавлению излучения в направлении 0 на 8 дБ. При этом, однако, сильно выросло излучение назад и уменьшился КУ в зоне обслуживания на 2,7 дБ. Коробчатый защитный экраном с двумя щзлями (рис. 8): экран расположен от антенны! на расстоянии 15см. Размеры1 каждого экрана составляют 193,4 х 25,8 см. Размеры1 щзлей 189,4 х 6 см. Щели расположены ближе к центру защитного экрана. Размеры сторон коробки 193,4 х 1см. ДН такой антенны! в горизонтальной плоскости с таким экраном на центральной частоте 915 МГц (рис. 10).

Исходя из полученной ДН видно, что подавление в направлении 0° составляет 20 дБ, усиление — 15 дБ, заднее излучение составило — 5дБ. Таким образом, применение коробчатого шелевого экрана позволяет получить очень серьезное подавление внутри сектора обслуживания. К негативным аспектам применения подобного экрана следует отнести расширения главного лепестка ДН антенны! в горизонтальной плоскости. Фактически наличие коробчатого защитного экрана превращает 120°-ный сектор обслуживания в 180°-ный. Также были проведены расчеты! характеристик направленности и входного сопротивления панельной антенны! в присутствии экрана во всей рабочей полосе частот от 870до 960 МГц. Расчеты1 показали, что как качество подавления, так и согласование антенны! с защитным экраном ос-

таются практически неизменными во всей полосе частот.

На основании проведенной работы можно сделать вывод о том, что при использовании плоского защитного экрана с щелевым отверстием возможное подавление в направлении 00 составляет 8 дБ. При этом максимальное усиление в зоне обслуживания составляет 12,5 дБ. Использование коробчатого защитного экрана позволяет получить более существенные результаты: в направлении 0° подавление составляет 20 дБ, а максимальное усиление в зоне обслуживания равно 15 дБ. При этом качество согласования передающей антенны не ухудшается.

Литература

1. Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами. — М.: Радио и связь, 2002. — 356 с.

2. Бузов АЛ. УКВ антенны радиосвязи с подвижными объектами, радиовещания и телевидения. — М.: Радио и связь, 1997. — 293 с.

3. http://www.kolhrein.de

4. http://wwwremcom.com.

5. Агафонова МА, Гайнутдинов ТА Антенна с режекторной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости // Электросвязь, 2011. — №8. — С.47-51.

6. Ильинский АС., Смирнов Ю.Г. Дифракция электромагнитных волн на проводящих тонких экранах. — М.: Радиотехника, 1996. —166 с.

7. Давыдов АГ, Захаров Е.В, Пименов Ю.В. Метод численного решения задач дифракции электромагнитных волн на незамкнутых поверхностях произвольной формы. Доклады АН СССР, 1984. — Т.276, в.1. — С. 96-100.

THE PANEL ANTENNA WITH REJECT PATTERN IN GORIZONTAL PLANE Agafonova M.A., engineer, General RadioFrequency Centre ph.

Gainutdinov TA., docent, Cathedra of Technical Electrodynamics and Antennas, MTUCI

Abstract

The problem of electromagnetic compatibility between cellular system and special destination communication system is appeared according to the difficult electromagnetic condition in the frequency band of 870 — 960 MHz. The base station antennas of cellular system are used antennas with sector pattern in horizontal plane. Antennas with such pattern, as rule, are implemented on the basis of panel antennas. The use of electromagnetic shields which located nearly base stations antennas was considered for interference exception between antennas base station with sector pattern in horizontal plane and special destination system antennas with narrow sector. The main criterias of effectiveness of suppression radiation were used for numerical evaluation application of shield. The criteria depend on importance of cellular system. Two types of shield construction of antenna were used for realization of necessary suppression. The cases of radiation suppression of panel antenna were considered using rectangular metallic shield with slot and box'ng shield. The optimal protective shield location and shape hole in it for getting required pattern was found using the criteria of maxmization of inside cross coupling. The method of computational solution for diffraction electromagnetic wave on open-loop surface is used for as a solution for shield effect on radiation of initial antenna. The main pattern's parameters for modification panel antenna were obtained for whole frequency band.

Keywords: reject pattern in horizontal plane, panel antenna, rectangular shield with slot, boxing shield, criteria of radiation suppression effectiveness.