WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

УДК 621.396.33:528.8

Тей За У

АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ СОТОВОЙ СВЯЗИ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ

Специальность 05.12.07 - «Антенны, СВЧ - устройства и их технологии»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2009

Работа выполнена на кафедре Радиофизики, антенн и микроволновой техники Московского авиационного института (государственного технического университета).

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор, Воскресенский Д. И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор, Каплун В. А.

кандидат технических наук

Ганицев А. Ю.

Ведущая организация: Союз участников рынка инфокоммуникационных услуг

Защита состоится «___»__________2009 г. в ­­­­____ часов на заседании

диссертационного Совета Д 212.125.03 Московского авиационного института.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Отзыв, заверенный печатью, просим направлять по адресу:

125993, ГСП – 3, А – 80, Москва, Волоколамское шоссе, д.4. Ученый Совет МАИ.

Автореферат разослан «___»__________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета, доцент,

к.т.н. ______________ Сычев М. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы

В настоящее время интенсивно развиваются телекоммуникационные системы и наметился значительный прогресс в сфере организации сетей мобильной связи. Можно выделить этапы развития систем подвижной связи первого, второго, третьего поколения и т.д. Качественные характеристики таких систем на каждом из этапов развития в значительной степени определяются антенными устройствами. Переход к антенным системам 3-ого поколения обусловлен необходимостью существенного расширения функциональных возможностей систем подвижной связи, таких как высокая скорость передачи данных, быстрый доступ к сети Internet, возможность проведения видеоконференций. Система подвижной связи третьего поколения 3G может включать в себя микроячейки для пешеходов, с радиусом обслуживания до 1 км, макроячейки для автомобилистов – до нескольких десятков км и гиперячейки до сотен и тысяч км для морских речных и воздушных судов, обслуживаемых спутниковой составляющей системы. Качественные характеристики универсальной системы подвижной связи третьего поколения в значительной степени определяются антенными устройствами базовых станций.

Особенностью антенных систем базовых станций сотовой связи третьего поколения является необходимость работы в трех частотных диапазонах в каждой соте. Сеть 3G является динамической сетью с изменяющейся зоной покрытия, так как изменение частоты в пределах каждой соты приводит к существенному изменению ее площади. Поэтому антенна базовой станции сотовой связи третьего поколения в отличии от антенн сетей первого и второго поколений с неизменными границами зон обслуживания, должна иметь возможность электрического управления лучом ДН в вертикальной плоскости, уменьшающего негативные эффекты от взаимного влияния соседних сот.

При проектировании сетей 3-го поколения необходимо изменять ДН в зависимости от вида предоставляемого сервиса, что предполагает организацию покрытия с четким очертанием ДН и достаточно гибкой системой управления этим покрытием.

В настоящее время для обеспечения работы базовой станции в трех диапазонах применяется несколько антенн, каждая из которых работает в одном частотном диапазоне. Размещение трех антенн для каждого диапазона имеет существенные недостатки и может привести к перегрузке несущей конструкции. Поэтому возникает необходимость перехода от узкополосных антенн к совмещенным или широкополосным антеннам.

Таким образом, рассматриваемые антенные системы должны состоять из малогабаритных и широкополосных элементов, таких, например, как микрополосковые излучатели. Следует также отметить, что излучатели Вивальди уже используются для построения антенных систем базовых станций сотовой связи третьего и четвертого поколения зарубежом, что отражено в обзоре литературы в диссертационной работе.

Из представленного многообразия серийно выпускаемых антенн отсутствует возможность подобрать антенны обеспечивающие работу базовой станции стандарта 3G, т.е. имеющие неизменные сектора обзора в горизонтальной плоскости 45°, 60° и 90° на всех частотах трех диапазонов. Можно отметить также относительно высокую стоимость антенн базовых станций, выпускаемых серийно. Представляет интерес создание унифицированного ряда современных широкополосных антенн, позволяющих строить на их базе многолучевые антенные системы для создания равномерной освещенности по дальности зоны обслуживания и косекансных ДН.

С учетом вышеизложенного можно сформулировать основные цели и задачи диссертационной работы.

Цель работы

Целью диссертационной работы является исследование характеристик направленности и частотных свойств антенных систем базовых станций сотовой связи третьего поколения и изыскание возможности их построения на основе широкополосных антенн. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решены следующие задачи:

  • исследование направленных свойств и частотных характеристик широкополосных излучателей, обеспечивающих требуемое изменение характеристик направленности в зоне обслуживания пользователей
  • разработка приближенных методик расчета диаграмм направленности широкополосных излучателей
  • построение ДН антенной решетки, обеспечивающий оптимальные характеристики направленности в зоне обслуживания пользователей

Методы исследования: вычислительные методы электродинамики, теории антенн, численные методы математического анализа, численное моделирование характеристик широкополосных излучателей на ЭВМ.

Научная новизна заключается в следующем:

  • Определены конструкции излучателя, обеспечивающего допустимое изменение характеристик направленности в трех частотных диапазонах стандарта 3G с секторами обзора в 90°,60° и 45°
  • Разработана методика расчета характеристик направленности излучателя
  • Построеные характеристики направленности антенной системы базовой станции сотовой связи

Достоверность основных результатов работы подтверждается решением тестовой задачи и сравнением полученных результатов с известными из литературы теоретическими данными, а также соответствием полученных результатов с общей теорией антенн. Приведенные теоретические данные согласуются с известными экспериментальными результатами

Практическая значимость результатов работы
  1. Разработаны три варианта широкополосных секторных антенн базовых станций третьего поколения, обеспечивающие допустимое изменение ширины луча в пределах±1дБ для перекрытия зон обслуживания в горизонтальной плоскости в секторах 45°, 60° и 90°.
  2. Развиты приближенные методики и программа расчета характеристик направленности широкополосных излучателей
  3. Показана возможность построения фазированных антенных решеток и адаптивных антенных систем на основе широкополосных излучателей
  4. Предложены варианты построения антенных систем базовых станций сотовой связи третьего поколения

Внедрение

Результаты диссертационной работы были использованы в учебном процессе при проведении практических занятий по дисциплине «Проектирование антенн и СВЧ устройств» на кафедре радиофизики, антенн и микроволновой техники Московского авиационного института (государственного технического университета).

Апробация результатов работы и публикации

Основные положения и результаты работы докладывались на 4 конференциях и опубликованы в 2-х статьях в журналах “Антенны” и “Информационно-измерительные и управляющие системы” и 6-и публикациях в форме тезисов к докладам.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 107 страниц текста. Список литературы включает 66 наименований на 7 страницах.

Основные положения, выносимые на защиту :

  • Характеристики широкополосных излучателей на основе симметричных щелевых линий и возможности применения их для построения направленных антенных решеток базовых станций сотовой связи стандарта 3G
  • Алгоритмы расчета широкополосных излучателей на основе симметричных щелевых линий
  • Решение задач построения антенных систем базовых станций сотовой связи

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дан обзор состояния вопроса, сформулированы цель и основные задачи исследования, описаны состав и структура работы, показаны ее научная новизна и практическая ценность, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы приведен обзор работ, посвященных антенным системам базовых станций сотовой связи. Рассмотрены антенные решетки базовых станций сотовой связи первого, второго и третьего поколения, многолучевые и адаптивные антенные системы, антенны MIMO систем, а также конструкции и характеристики антенн базовых станций сотовой связи, применяемых на практике.

Первоначально для покрытия зон обслуживания в системах 1G и 2G использовались всенаправленные антенны, имеющие широкую (180) ДН в горизонтальной плоскости. Затем базовые стации систем сотовой радиосвязи стали использовать антенные устройства, имеющие 6 направленных антенн. Станция может также иметь разнесенные передающую и приемную антенные системы. Пространственный разнос приёмной и передающей антенн уменьшает интерференционные помехи и обеспечивает необходимую устойчивость связи.

Как было отмечено выше, специфика сетей 3G заключается в необходимости организации динамического покрытия, которое бы позволило оптимизировать энергетическое параметры сети в зависимости от нагрузки. Такое покрытие предполагает использование принципиально новых антенн с дистанционным управлением углом наклона, позволяющих поддерживать оптимальный уровень мощности за счет динамического изменения площади покрытия в процессе эксплуатации, в частности, адаптировать мощность к нагрузке на отдельных участках покрытия в течение дня в часы «пик», а также подстраивать покрытие при существенном увеличении нагрузки без выезда специалистов на место.

На рис.1 показана антенна базовой станции третьего поколения. Из рисунка видно, что такая антенная обеспечивает работу базовой станции в трех диапазонах, за счет увеличения числа антенн, каждая из которых работает в одном частотном диапазоне. Размещение трех антенн для каждого диапазона имеет существенные недостатки и может привести к перегрузке несущей конструкции. Поэтому возникает необходимость перехода от узкополосных антенн к совмещенным или широкополосным антеннам.

Рис.1. Антенна базовой станции третьего поколения

При проектировании сетей 3-го поколения необходимо изменять ДН в зависимости от вида предоставляемого сервиса, что предполагает организацию покрытия с четким очертанием ДН и достаточно гибкой системой управления этим покрытием. Перспективным направлением, реализующим гибкую систему управления покрытием зоны обслуживания является разработка смарт-антенн с цифровым диаграммообразованием.

Одним из способов повышения скорости и дальности передачи данных в беспроводных системах является применение нескольких антенн на входе и выходе микросхемы, реализующей беспроводное подключение к локальной сети. Эта технология получила название multiple-input multiple-output (MIMO). Технология позволяет согласованно извлекать информацию, поступающую по нескольким каналам с помощью разделенных в пространстве антенн. Недостатком таких систем является ухудшение качественных характеристик в случае отсутствия переотражений, например, на открытых пространствах с неплотной застройкой.

Во второй главе рассмотрены строгие и приближенные методы расчета широкополосных излучателей на основе симметричных щелевых линий и приведены результаты численных исследований широкополосных излучателей антенной системы базовой станции сотовой связи. Исследование и разработка антенных систем базовых станций сотовой связи были проведены первоначально для горизонтальной плоскости.

Для расширения функциональных возможностей антенных систем современных базовых станций сотовой связи возникает необходимость в исследовании и разработке широкополосных антенн, обладающих высоким усилением и малыми массогабаритными характеристиками. Как показано в обзоре литературы, наилучшими массогабаритными и частотными характеристиками обладают излучатели Вивальди и находят широкое применение в телекоммуникационных системах зарубежом.

Однако, направленные свойства излучателя Вивальди не позволяют использовать его для построения антенн с малым изменением ширины ДН в горизонтальной плоскости. Синтез геометрии щелевой антенны существенно уменьшает значение коэффициента отражения волн на входе антенны, но слабо влияет на ширину ДН в Н-плоскости. Поэтому в Н-плоскости необходимо проанализировать возможности построения фокусирующей системы или решётки и оптимизировать ее геометрию таким образом, чтобы в пределах трех частотных диапазонов, ширина ДН менялась в пределах 3дБ±1дБ.

Первоначально проводилось исследование и разработка излучателя для трёх частот с шириной луча в горизонтальной плоскости 90° на основе излучателя Вивальди. Трудность решения такой задачи заключалась в изменении направленности такой антенны при изменении рабочей частоты более чем в два раза.

Методом параметрического синтеза излучателя были рассмотрены различные варианты построения излучателя и излучатель с отражателем для того чтобы обеспечить требуемые частотные свойства. В диссертации приводится таблица различных вариантов антенн для проведенных исследований. Методом параметрического синтеза были определены варианты, которые удовлетворяют поставленной задаче. Это достигнуто соответствующим выбором самого излучателя отражателя и их взаимного расположения.

Исследование и разработка антенны базовой станции сотовой связи 3G с сектором обзора в горизонтальной плоскости были начнаты для более простого варианта с шириной луча в горизонтальной плоскости в 90. На рис.2 показан общий вид антенны с шириной луча 90° в горизонтальной плоскости.

а) б)

Рис.2. а- общий вид излучателя с рефлектором, б - чертеж рефлектора

На рис.3 приведены диаграммы направленности такого излучателя Н-плоскости.

.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»