1.1 Введение

При проектировании системы УКВ радиосвязи с подвижными объектами возникает необходимость в определении зоны, где будет обеспечена связь с заданными качеством и надежностью.

При решении этой задачи важно определение ожидаемой дальности связи, осуществляемой между стационарной базо­вой станцией (БС) и подвижными объектами (ПО);

Дальность действия системы связи с подвижными объектами (ССПО) или зона покрытия зависит от следующих факторов:

1. параметров антенно-фидерного тракта передающей аппаратуры:

• мощности передатчи­ка,

• потерь в антенно-фидерном тракте,

• усиления и неравномерности диаграммы направленности передающей антенны;

2. параметров антенно-фидерного тракта приемной аппаратуры:

• характеристики диа­граммы направленности приемной антенны,

• ее действующей высоты,

• потерь в антен­но-фидерном тракте;

2. уровня внешних и внутренних шумов на входе приемника и его чувствительности;

3. Статистических закономерностей распространения радиоволн в условиях пересеченной местности и городской застройки,

4. параметров радиоканала связи (характер местности, степень урбанизации и т.д.);

Стандарты (протоколы) систем связи с подвижными объектами отличаются большим многообразием. Ниже (см. табл.1) приводятся основные технические характеристики неко­торых стандартов ССПО, которые используются или использовались операторами систем сотовой связи в России.

2. Учет направленных свойств передающих антенн

Направленные свойства передающей и приемной антенн определяются их диаграммой направленностью (ДН) - т.е. зависимостью напряженности поля, создаваемого антенной в дальней зоне от углов наблюдения  и  (см. рис.1).

В дальнейшем будем полагать, что угол  отсчиты­вается в вертикальной плоскости, а угол  в гори­зонтальной плоскости, относительно поверхности земли.

Рисунок 1 - Система координат

Рассмотрим направленные свойства некоторых типов антенн, используемых в БС (базовых станциях) ССПО.

Конструкция этой антенны схематично показана на Рис.2. Она содержит: несимметричный вибратор длиною l , противовес, выполненный из 3 ÷6 рав­номерно ориентированных по азимуту проводников, и антенную мачту, внутри которой проходит воз­буждающий антенну коаксиальный кабель.

Диаграммы направленности такой антенны в разных плоскостях определяются с помощью выражения

Где λ– длина волны; (λ=с/f; где с- скорость света; f – частота стандарта ССПО (см. характеристики стандарта ССПО по заданию к КР);

l (ель)- длина несимметричного вибратора; (рекомендуется 0,5*λ);

Коэффициент направленного действия антенны (КНД) вычисляется по следующей формуле:

где Dнорм (φ ) и Dнорм(θ)- нормированные диаграммы направленности в соответствующих плоскостях.

Рис.3 Коллинеарная антенна

Коллинеарная антенна представляет собой по сути решетку из двух - трех λ/2 вертикальных вибраторов, которые разделены либо катушками, либо четвертьволно­выми короткозамкнутыми линиями. Электриче­ская длина катушек выбирается таким образом, чтобы ток, текущий в них, имел противоположное направление относительно тока, текущего в виб­раторах длиною l(ель). Питание антенны осуществля­ется с помощью коаксиального кабеля, проходя­щего внутри антенной мачты к нижнему вибрато­ру. Для защиты от климатических воздействий, антенна заключается в диэлектрический (обычно стеклопластиковый) корпус, являющийся опорной конструкцией.

Диаграмму направленности коллинеарной антенны можно определить с помощью следующей формулы:

где λ – длина радиоволны;

(λ=с/f; где с- скорость света; f – частота стандарта ССПО (см. характеристики стандарта ССПО по заданию к КР);

k – постоянная распространения k=2π/λ;

l- длина вертикального вибратора; (l=λ/2;)

d - расстояние между вибраторами (рекомендуется ( 0,5÷0,7)*λ;

Коэффициент направленного действия (КНД) коллинеарной антенны вычисляется по формуле:

где Dнорм (φ ) и Dнорм(θ)- нормированные диаграммы направленности в соответствующих плоскостях.

Рис.3 Вариант построения кольцевой антенны

Одна из конструкций кольцевой антенной решетки показана на рис.3. Антенна пред­ставляет собой вертикальную решетку из поперечных вертикальных полуволновых (т.е. 21 = λ/2, λ - рабочая длина волны) дивибраторов (шлейф вибраторов Пистоль- корса), размещенных на металлической мач­те, которая служит и как рефлектор и как опорная конструкция. Число дивибраторов на этаже - 4, остальные обозначения ясны из рис.3.

Диаграммы направленности в свободном пространстве решетки, возбуждаемой с оди­наковыми амплитудами и фазами, выражает­ся следующими уравнениями:

Где k=2*π/λ - постоянная распространения;

(λ=с/f; где с- скорость света; f – частота стандарта ССПО (см. характеристики стандарта ССПО по заданию к КР);

n - это число этажей антенны;

dреф =1,5*λ - расстояние между дивибраторами;

dэт = 0,35*λ - расстояние между этажами антенны;

В горизонтальной плоскости:

Коэффициент направленного действия (КНД) кольцевой антенной решетки определяется следующим выражением:

где Dнорм (φ ) и Dнорм(θ)- нормированные диаграммы направленности в соответствующих плоскостях .

4)

.

Рис. 4. Вариант построения панельной антенны

Одна из возможных конструкций панельной антенны изображена на рис.4. Металличе­ский кожух квадратного сечения, на каждой стороне которого размещены два симметрич­ных полуволновых вибратора, представляет собой панель антенны. С целью увеличения КНД панели монтируются на антенной мачте друг над другом на одинаковых расстояниях dэт. Число панелей на практике выбирается в пределах от 2 до 8. Металлический кожух иг­рает роль апериодического рефлектора и, кроме того, служит элементом крепления симметричных вибраторов. Питание антенны осуществляется коаксиальным кабелем, про­ходящим внутри антенной мачты.

Если предположить, что все симметричные вибраторы панельной антенны возбуждаются синфазно, то диаграммы направленности дан­ной антенны могут быть рассчитаны с помо­щью следующих выражений:

λ – длина радиоволны ;

(λ=с/f; где с- скорость света; f – частота стандарта в Мгц ССПО (см. характеристики стандарта ССПО по заданию к КР);

n- число этажей;

dэт – расстояние между этажами (рекомендуется брать 1,2*λ);

dреф- расстояние между вибратором и металлическим кожухом (рекомендуется брать 0,25*λ);

Максимальный коэффициент направленного действия(КНД) панельной антенны определяется с помощью следующего выражения:

где Dнорм (φ ) и Dнорм(θ)- нормированные диаграммы направленности в соответствующих плоскостях .

В заключении данного раздела рассмотрим расчет коэффициента усиления G антенн БС.

Коэффициент усиления (КУ) любой антенны в максимуме излучения определяется следующим соотношением:

Dнорм(θ) – нормированная диаграмма направленности:

Dнорм(θ)=D(θ)/D(θmax),

где θmax - направление максимального излечения антенны.

В курсовой работе следует принять КПД антенн БС равным 0,92÷0,96.