3.6. Всенаправленное в азимутальной плоскости антенное устройство (Omni)

Несмотря на наблюдающийся в последние годы бурный рост числа абонентов систем подвижной связи (в основном, сотовых систем), влекущий за собой необходимость принятия технических решений, повышающих ёмкость абонентской сети, в первую очередь, применение на базовых станциях (БС) антенных устройств с секториальной диаграммой направленности (ДН), остаётся ещё и будет, вероятно, оставаться в течение длительного времени немало обслуживаемых территорий с небольшой плотностью абонентов для которых применение на БС антенных устройств с круговой ДН будет целесообразным. В то же время, в таких системах, как всегда, актуальна проблема энергетики радиолинии, решить которую можно применением эффективных антенн, обладающих узкой ДН в вертикальной плоскости (20º и менее). Также, исходя из географии обслуживаемой территории, могут быть востребованы антенные устройства с ДН в азимутальной плоскости, отличающейся от круговой. Это могут быть, в частности, слабонаправленные антенны с ДН овальной формы, напоминающей круг, в котором БС расположена не в центре круга.

Применяемые в настоящее время методы сужения ДН в вертикальной плоскости сводятся, в основном, к использованию вертикальных решёток однотипных антенн или к применению решёток источников возбуждения (электрических вибраторов). Такие решётки представляют собой сложные конструкции со сложной системой питания источников возбуждения, требующей применения большого числа делителей мощности.

Альтернативным методом сужения ДН в вертикальной плоскости может стать метод формирования ДН, характерный для резонаторно-возбуждаемой антенны. Антенны такого типа могут представлять собой резонатор в виде системы проводников, расположенных на воображаемой вертикальной цилиндрической поверхности и окружающих источник возбуждения (электрический вибратор). При определенных геометрических соотношениях в такой структуре может иметь место распространение электромагнитной энергии вдоль структуры с частичным излучением через вырезы. При этом амплитудно-фазовое распределение напряженности электромагнитного поля в вырезах таково, что создаются благоприятные условия для сужения ДН в вертикальной плоскости. В азимутальной плоскости, в зависимости от геометрии резонатора, диаграмма может быть круговой либо иметь какие-то преимущественные направления.

Общий вид антенного устройства представлен на рис. 3.10 а). Резонатор в общем случае выполнен в виде проводников разной ширины, расположенных на разном расстоянии от источника возбуждения. Практически же, скорее всего, исходя из конструктивных и электрических соображений, проводники резонатора должны лежать на круговой цилиндрической поверхности на одинаковом удалении от источника возбуждения (рис. 3.10 б)). Такая конструкция резонатора более технологична в изготовлении, и антенна с таким резонатором легче в настройке.

Хотя для получения каких-то специальных эффектов, например, при работе одновременно на нескольких частотах, в случае резонатора из проводников, расположенных на разном удалении от источника возбуждения, можно получить на каждой частоте свою диаграмму, в том числе и в азимутальной плоскости.

Характеристики антенного устройства с резонатором из равноудалённых от источника возбуждения проводников при различных диаметрах структуры D показаны на рис. 3.11.

Из графика видно, что коэффициент направленного действия КНД имеет тенденцию к росту при увеличении числа элементов резонатора N в диапазоне диаметров D антенны от 0.6 λ до 0.7 λ.

Типичные диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях при числе проводников N = 4 показаны на рис. 3.12.

Для данного класса антенн есть ярко выраженная область допустимых значений диаметра D. Его значение в некоторой степени связано с числом элементов резонатора N .

Так, для получения максимального КНД при N = 4 следует выбирать D ~ 0.55 λ, при N = 6 D ~ 0.58 λ, при N = 8 D ~ 0.63 λ, и при N = 10 следует брать D ~ 0.65 λ. Причём, чем больше число элементов резонатора, тем выше требования к точности выбора диаметра антенны и тем уже диапазон частот, в котором ДН сохраняет приемлемую форму.

Что касается высоты антенны H, то увеличивать её на величину более 3 λ практически нет смысла.

Применением резонатора, состоящего из широких проводников можно заметно повысить КНД антенны. Антенна с резонатором из проводников с угловой шириной 30º, расположенных с угловым интервалом 30º имеет КНД около 9 дБ.