WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

Рис.3 Диаграммы направленности излучателя Вивальди в Н-плоскости для излучателя с сектором обзора в 90°

На рис.4 показаны диаграммы направленности в Е-плоскости и на рис.5 представлена зависимость КСВ на входе полоскового возбудителя от частоты.

Рис.4. Диаграммы направленности в Е-плоскости для излучателя с сектором обзора в 90°.

Рис.5.Зависимость КСВН на входе полоскового возбудителя от частоты

Далее решалась задача построения излучателя с шириной ДН в горизонтальной плоскости с 60°. Для получения ДН с шириной 60° в Н-плоскости кроме фокусирующей системы желательно применить решётку. Решетка из двух элементов с рефлектором показана на рис.6.

Рис.6. Общий вид излучателя с рефлектором

Рис.7.Диаграммы направленности в Е-плоскости для излучателя с сектором обзора в 60°

Рис.8.Диаграммы направленности в Н-плоскости для излучателя с сектором обзора в 60°

Далее решалась задача построения излучателя с шириной ДН в горизонтальной плоскости с 45°.

Рис.9. Общий вид излучателя с рефлектором обзора 45°

Рис.10.Зависимость КСВН на входе полоскового возбудителя от частоты

Рис.11. Диаграммы направленности в Е-плоскости для излучателя с сектором обзора в 45°

Рис. 12. Диаграммы направленности в Н-плоскости для излучателя с сектором обзора в 45°

Расчет антенны является важной частью ее разработки, поэтому целесообразно минимизировать связанные с ним временные и вычислительные затраты. Для более точного определения характеристик направленности применяются строгие методы расчета, в которых находится распределение поля вдоль щели на тонкой диэлектрической подложке с использованием тензорной функции Грина в спектральной области и применением метода Галеркина.

Наиболее простым приближенным методом расчета антенны на основе симметричной щелевой линии является метод, основанный на замене щели антенной решеткой из элементов, расположенных на месте щели рис.13.

Рис.13. К расчету ДН антенны Вивальди.

Векторная комплексная ДН системы излучателей имеет вид:

, (1)

Где - векторная комплексная ДН элемента, - множитель решетки.

Множитель решетки определяется как для линейного источника тока:

, где L – длина щели, - коэффициент замедления (2)

ДН элемента определяется по формуле:

(3)

При ступенчатой аппроксимации антенны Вивальди рис.8 необходимо, чтобы шаг увеличения ширины щели был намного меньше четверти длины волны. Для этого были разработаны программы, реализующие ступенчатую аппроксимацию экспоненциальных раскрывов и раскрывов, образованных путем изгиба щелевой линии по дуге окружности. На рис.14 показаны примеры ступенчатой аппроксимации экспоненциального раскрыва и раскрыва, образованного путем изгиба щелевой линии по дуге окружности.

Рис.14.Ступенчатая аппроксимация: а – экспоненциального раскрыва, б – раскрыва, образованного путем изгиба щелевой линии по дуге окружности.

Результирующее поле в дальней зоне будет определяться суммированием вклада в излучение, вносимого каждым регулярным участком:

(4)

Данный метод расчета был использован для решения тестовой задачи, в которой рассматривалась антенна на основе симметричной щелевой линии постоянной ширины. На рис.15 показаны результаты расчета ДН такой антенны и с помощью вышеизложенного метода, программы Microwave studio, а также результаты экспериментального исследования щелевой антенны.

Рис.15. Диаграммы направленности щелевого излучателя со щелью постоянной ширины (l=5, w=0,5).

Решение тестовой задачи показывает хорошее совпадение с решением в Microwave Studio и с экспериментальным результатом рис. 15. Однако, все вышеперечисленные методы громоздки для практического использования и представляют интерес как поиск подходов к решению электродинамической задачи об излучении антенны. Для инженерных задач подходят методы численного электродинамического моделирования, реализуемые в программных комплексах, предназначенных для расчета антенн и СВЧ устройств.

Третья глава посвящена разработке методик синтеза оптимальной формы диаграммы направленности антенной системы базовой станции сотовой связи в вертикальной плоскости.

В условиях развития современных средств связи очень важно соблюдать электромагнитную совместимость как с уже существующими системами, так и внутри самой системы связи. Так же для базовой станции важно обеспечить однородность поля в зоне обслуживания. Для этого возможны следующие варианты покрытия зоны обслуживания в вертикальной плоскости:

  • применение многолучевых антенных систем рис.16;
  • применение адаптивных антенных систем, обеспечивающих динамическое перекрытие зоны обслуживания, в зависимости от концентрации абонентов;
  • применение фазированных антенных решеток, с электрическим или механическим управлением лучом в вертикальной плоскости;

а) б) а) б)

Рис.16. Перекрытие зоны обслуживания многолучевой антенной решеткой.

а) ДН антенны в горизонтальной плоскости, б) ДН в вертикальной плоскости

Одним из возможных способов обеспечения оптимального покрытия зоны обслуживания является формирование специальной формы ДН в вертикальной плоскости рис.17. На рис.18приведены результаты синтеза косекансной ДН восьмиэлементной линейной решетки при наличии фазовых ошибок. Из расчета видно, что оптимальной формой ДН в вертикальной плоскости является косекансная форма.

а) б)

Рис.17.Покрытие зоны обслуживания а) в горизонтальной и б) в вертикальной плоскости соответственно.

Рис.18.Диаграммы направленности восьмиэлементной антенной решетки с равномерным амплитудным распределением и с амплитудным распределением, соответствующим формированию косеканса при наличии фазовых ошибок

Четвертая глава посвящена разработке схем возбуждуния антенных систем базовых станций сотовой связи третьего поколения.

Разработанные варианты излучателей с заданным сектором зоны обслуживания в 90°, 60° и 45° по азимуту имеют соответствующую направленность в вертикальной плоскости. Ширина луча по уровню 3 дБ и коэффициент усиления излучателя Вивальди с рефлектором определены во второй главе. Это дает возможность увеличить увеличения КУ отдельного излучателя до 5,9-8,2 дБ на частоте 0,9 ГГц, 8,2-10,7 на частоте 1,8 ГГц, 9,2-11,4 на частоте 2,1 ГГц; что значительно превышает КУ используемых излучателей предшествующих поколения а также позволяет для формирования вертикальной ДН базовой станции использовать один излучатель Вивальди ( для одновременной работы на прием и передачу) или два излучателя для раздельной работы по прём и передачу рис.14. На рис.15 приведена система возбуждения одного излучателя на трёх частотах с использованием разделительных фильтров ( мультиплексоров ) со стандартным входом на РК с 50 Ом волновым сопротивлением.

а) б) в)

Рис.14. ДН излучателя Вивальди: а - с шириной ДН 90° в горизонтальной плоскости на частоте 2.1 ГГц, б - с шириной ДН 60° в горизонтальной плоскости на частоте 2.1 ГГц, в - с шириной ДН 45° в горизонтальной плоскости на частоте 2.1 ГГц и требуемая косекасная ДН в вертикальной плоскости.

Рис.15. Система возбуждения одного излучателя на трёх частотах с использованием разделительных фильтров

В современных системах сотовой связи обычно используются цифровые методы обработки сигнала, которые реализуются непосредственно в решетке и фидерном тракте. Основным недостатком ФАР и многолучевых систем является их узкополосность. В предложенном решении использованы широкополосные излучатели и отдельные системы возбуждения (питания) на три различные частоты рис.16, а также цифровые методы формирования луча c использованием излучателя Вивальди в вертикальной антенной решетке, что позволило устранить отмеченные недостатки.

Таким образом, разработанные излучатели для трёх вариантов антенн 3G позвояют построить решётку для формирования управляемой ДН базовой станции в вертикальной плоскости. Это управление можеть быть как например ФАР, многолучевых или адаптивных решетках и представляет самостаятельную задачу находяющуюся за приделам рассматриваемой проблемы.

Рис.16. а -система широкополосных излучателей с рефлектором, б- система возбуждения, формирующая косекансную ДН на трех частотах.

На рис. 17 приведена схема возбуждения вертикальной решетки с излучателем Вивальди для формирования управляемой вертикальной ДН на 3х частотах. Это схема возбуждения позволяет построить многолучевую ДН, фазируемую антенную решетку, а также адаптивную антенную систему с цифровыми методами управления.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В диссертационной работе проведён обзор и анализ существующих антенн базовой станции 2-го поколения, даны некоторые сведения по антеннам для базовых станций 3-го поколения. В результате показана целесообразность разработки новых антенн для базовой станции 3-го поколения, которые позволили бы существенно уменьшить общее число антенн, находящихся на одной башне.

1. Путем параметрического синтеза с помощью численных методов электродинамики были проведены исследования влияния уголкового отражателя на характеристики направленности одиночного излучателя и решётки из двух излучателей при различном расположении излучателей и отражателя. В результате численных исследований были определены конструкции излучателей, имеющие хорошие массогабаритные характеристики и обеспечивающие допустимое изменение ширины луча в горизонтальной плоскости рабочих диапазонах частот базовой станции сотовой связи третьего поколения. Исследованы характеристики направленности излучателей антенных систем базовых станций сотовой связи третьего поколения. Определены зависимости характеристик направленности от частоты, иллюстрирующие возможность работы излучателей в трех рабочих диапазонах базовых станций сотовой связи третьего поколения.

2. Рассмотрены оптимальные формы диаграмм направленности в вертикальной плоскости. Выполнен синтез восьмиэлементной антенной решетки двумя методами: методом парциальных диаграмм и методом Фурье. Показано, что синтезированная ДН косекансной формы при наличии 10%-ных фазовых ошибок обеспечивает более равномерное распределение поля, чем антенна с равномерным амплитудным распределением и фазовыми ошибками. Определены «слепые» зоны, возникающие при использовании антенны с равномерным амплитудным распределением.

3. Предложено построение антенн базовых станций осуществлять на основе широкополосных антенных решеток из излучателей Вивальди, совмещенных с уголковыми модифицированными рефлекторами.

4. Предложены варианты схемы построения антенных решёток для формирования диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Применение цифровых методов обработки сигнала, принятых в системах сотовой связи, позволяет построить как ФАР, так и многолучевые адаптивные решётки для базовой станции на основе предложенных антенн.

5. Показаны схемы возбуждения излучателей базовых станций для различных вариантов при работе на трёх частотах.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

  1. Овчинникова Е. В., Тай За У.Антенны для базовых станций сотовой связи стандарта 3G. Труды научно-технической конференции молодых ученых «Информационные технологии и радиоэлектронные системы», посвященной 80-летию профессора П.А. Бакулева. Москва, 21 апреля 2008 г.
  2. Овчинникова Е. В., Тай За У.“Антенны для базовых станций сотовой связи стандарта 3 G”. Труды 4-й международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2008», Севастополь, апрель 21-25, 2008 г.
  3. Д. И. Воскресенский, Е. В. Овчинникова, Тай За У. “Антенны базовых станций третьего поколения” 18-я Международная Крымская Конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационые технологии», Севастополь, Украина 8-12 Сентября 2008г.
  4. Д. И. Воскресенский, Е. В. Овчинникова, Тай За У. “Антенные системы базовой станции системы сотовой связи стандарта GSM и 3G(обзор работ)”, Антенны, «РАДИОТЕХНИКА», № 6, 2008 г.
  5. Овчинникова Е. В., Тай За У. Широкополосные антенны телекоммуникационных систем с постоянной зоной покрытия. Труды научно-технической конференции молодых ученых «Информационные технологии и радиоэлектронные системы», посвященной 100-летию профессора Б.Ф. Высоцкого. Москва, 24 апреля 2009 г.
  6. Овчинникова Е. В., Тай За У. Широкополосные антенны телекоммуникационных систем с постоянной зоной покрытия. Труды 5-й международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2009», Севастополь, апрель 21-25, 2009 г.
  7. Д. И. Воскресенский, Е. В. Овчинникова, Тай За У. Антенны базовых станций третьего поколения. Труды 19-й международной конференции «СВЧ –техника и телекоммуникационные технологии », Севастополь, сентябрь 11-18, 2009 г.
  8. Овчинникова Е. В., Тай За У. Широкополосные антенны телекоммуникационных систем с постоянной зоной покрытия.
    Pages:     | 1 ||






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