Панельные антенны базовых станций систем сотовой связи. Практикум № 102
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
Московский технический университет связи и информатики
Кафедра технической электродинамики и антенн
Гайнутдинов Т.А., Худяков К.Н.
Практикум № 102
ПАНЕЛЬНЫЕ АНТЕННЫ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ СИСТЕМ СОТОВОЙ СВЯЗИ
Москва 2016
План УМД на 2016/17 уч.г.
Практикум № 102
ПАНЕЛЬНЫЕ АНТЕННЫ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ СИСТЕМ СОТОВОЙ СВЯЗИ
Составители: Т.А.Гайнутдинов К.Н.Худяков
Издание утверждено советом факультета РиТ. Протокол № 7 от 17.03.2016 г.
Рецензент В.Г.Кочержевский, доцент
3
1.ЦЕЛЬ ПРАКТИКУМА
1.Изучение принципов построения панельных антенн.
2.Изучение направленных свойств панельных антенн.
3.Изучение диапазонных свойств панельных антенн.
2.УКАЗАНИЯ ПО ПОДГОТОВКЕ К ПРАКТИКУМУ
1.Изучить основные принципы построения антенн из связанных вибраторов над проводящим экраном [1].
2.Изучить основные методы расчета характеристик направленности панельных антенн [1; 2].
3.Изучить диапазонные свойства панельных антенн [2; 3].
4.Изучить методы конструктивной реализации панельных антенн [2; 3].
3.ЗАДАНИЕ, ВЫПОЛНЯЕМОЕ ПРИ ДОМАШНЕЙ ПОДГОТОВКЕ
1.Рассчитать геометрию панельной антенны для заданного диапазона волн. Диапазон частот (минимальная и максимальная частота), а также требуемая ширина ДН по половинной мощности в вертикальной плоскости
и в горизонтальной плоскости 
приведены в таблице 1.
При нахождении геометрии панельной антенны необходимо учитывать следующее. Панельной антенной называется совокупность вибраторов, располагаемых параллельно конечному металлическому экрану (рефлектору). Поскольку в сотовой связи используются электромагнитные волны вертикальной поляризации, то вибраторы в самом простом случае выполня-
ются в виде симметричных вертикальных |
вибраторов длиной |
. Тогда |
|
простейшей |
панельной антенной является одноэлементная панельная |
||
антенна, в |
которой на расстоянии h |
от рефлектора расположен |
|
симметричный электрический вибратор (СЭВ) длиной 
. При этом размеры рефлектора обозначим как A и B, где размер А - вертикальный размер экрана, а B – горизонтальный (рис. 1).
Для сужения диаграммы направленности (ДН) в вертикальной плоскости, и соответственно, увеличения коэффициента усиления антенны, увеличивают число вибраторов по вертикали Nв. Расстояние между центрами вибраторов (этажами) - d. При этом естественно, возрастает вертикальный размер антенны А. Вид четырехэлементной (четырехэтажной) панельной антенны приведен на рис. 2.
4
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|
№ варианта |
fmin [МГц] |
fmin [МГц] |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
870 |
960 |
105 |
30 |
2 |
870 |
960 |
120 |
15 |
3 |
870 |
960 |
90 |
10 |
4 |
870 |
960 |
65 |
40 |
5 |
870 |
960 |
65 |
20 |
6 |
870 |
960 |
90 |
15 |
7 |
870 |
960 |
120 |
10 |
8 |
870 |
960 |
105 |
6 |
9 |
870 |
960 |
105 |
10 |
10 |
870 |
960 |
65 |
15 |
11 |
1710 |
1880 |
120 |
12 |
12 |
1710 |
1880 |
105 |
10 |
13 |
1710 |
1880 |
90 |
8 |
14 |
1710 |
1880 |
65 |
6 |
15 |
1710 |
1880 |
65 |
14 |
16 |
1710 |
1880 |
90 |
16 |
17 |
1710 |
1880 |
120 |
10 |
18 |
1710 |
1880 |
105 |
8 |
19 |
1710 |
1880 |
65 |
10 |
20 |
1710 |
1880 |
90 |
14 |
21 |
2000 |
2200 |
120 |
8 |
22 |
2000 |
2200 |
105 |
4 |
23 |
2000 |
2200 |
120 |
10 |
24 |
2000 |
2200 |
90 |
6 |
25 |
2000 |
2200 |
65 |
4 |
26 |
2000 |
2200 |
65 |
6 |
27 |
2000 |
2200 |
90 |
8 |
28 |
2000 |
2200 |
120 |
4 |
29 |
2000 |
2200 |
105 |
4 |
30 |
2000 |
2200 |
65 |
10 |
5
Рис. 1
Рис. 2 |
Рис. 3 |
Число вибраторов в одном этаже определяется в основном угловым размером зоны обслуживания и сравнительно слабо влияет на усиление антенны. При широкой зоне обслуживания, т.е. значением ширины ДН в горизонтальной плоскости 
равной 105 или 120 градусов достаточно одного вибратора в этаже, и схематичная геометрия антенны указана на рис. 2 Для создания сравнительно узкой ДН в горизонтальной плоскости (
) в одном этаже размещают два вибратора на расстоянии D друг от друга. Вид четырехэтажной панельной антенны с удвоенным чис-
6
лом вибраторов в одном этаже приведен на рис. 3. Больше двух вибраторов одном этаже в современных панельных антеннах не используется.
Расчет геометрии антенны тогда сводится к определению длины вибратора 2l, числа вибраторов в этаже - M (1 или 2), расстояние между этажами d, числа вибраторов по вертикали (число этажей) - Nв, расстояние между вибраторами в одном этаже D (в случае двух вибраторов в этаже), расстоянию между этажом и рефлектором h и габаритами экрана А и В.
Длина вибраторов 2l выбирается равной 0.5 , где |
- длина волны |
|
на средней частоте ( |
, |
. |
Число вибраторов в этаже определяется исходя из заданной в таблице 1 ве-
личины |
. Если |
|
равно 105° или 120°, то число вибраторов в |
|
этаже M = 1, а если |
= |
, 90 |
то M = 2. Расстояние между этажами |
|
d принимается |
равным |
, |
где |
- длина волны на максимальной |
частоте ( |
|
|
. |
Число этажей Nв выбирается по |
приближенной формуле |
|
|
|
, |
(1) |
где |
– операция округления до ближайшего натурального числа |
|
в большую сторону. В ходе выполнения п. 2 домашнего задания величина Nв в случае необходимости подлежит корректировке.
Расстояние h между вибраторами и рефлектором определяется исходя
из требований к ширине ДН в горизонтальной плоскости. Если |
|
рав- |
|||||
но 65°, 90° и 120° величина |
|
|
. При |
=10 |
|
. |
|
Расстояние между вибраторами в этаже D находится из следующих |
|||||||
соотношений: |
при |
= |
, |
, |
при |
= |
90 , |
|
. Размеры рефлектора |
А и В могут быть найдены |
как: |
||||
|
|
, |
где |
- длина волны на минимальной |
|||
частоте |
|
|
; размер B, если в этаже один вибратор, |
||||
равен |
, а если два - |
|
|
). |
|
|
|
2. Рассчитать диаграммы направленности панельной антенны в гори- |
|||||||
зонтальной и |
вертикальной |
плоскостях |
на средней |
частоте |
( |
по |
|
следующим формулам: |
|
|
|
|
|
|
|
Диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости |
|
||||||
F ( ) |
|
sin(Nkd sin / 2) |
х cos(kl sin ) cos kl |
|
, |
(2) |
|
|
|
N sin(kd sin / 2) |
|
1 cos kl cos |
|
||
|
|
|
|
|
|
||
где 
– волновое число.
7
Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости панельной антенны, у которой один вибратор в этаже, имеет вид
|
|
|
|
||
F ( ) |
sin(kh cos ) |
|
, |
(3) |
|
|
|
sin(kh) |
|
||
|
|
|
|
|
|
а если число вибраторов в этаже M = 2, то ДН в горизонтальной плоскости определяется, как
F ( ) |
sin(kh cos ) |
|
sin(kd sin ) |
. |
(4) |
||
|
|
sin kh |
|
2 sin(kd sin / 2) |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
При расчете ДН считать, что углы 
и 
меняются от -90° до 90°. Определить расчетную ширину ДН в вертикальной и горизонтальной плоскостях 
и 
. Сравнить полученные ширины с заданными в таблице 1. В случае отклонения расчетных ширин от заданных более чем на 5% скорректировать полученную в п. 1 геометрию антенны, а именно в случае несовпадения по ширине ДН в вертикальной плоскости изменить величину N, а при несовпадении ширины ДН в горизонтальной плоскости изменить величину h, а в случае M = 2 величину D. Добиться близости заданных и расчетных величин в пределах 5% от заданных.
3. Оценить диапазонные свойства панельной антенны, рассчитав диаграммы направленности панельной антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях на минимальной частоте (
и максимальной частоте (
по формулам (2, 3, 4). Определить расчетную ширину ДН в вертикальной и горизонтальной плоскостях 
и 
на нижней и верхней частотах. Полученные результаты свести в таблицу 2. Форма таблицы представлена ниже
Таблица 2
Частота [МГц]
fmin
fср
fmax
4. Нарисовать все расчетные ДН, при этом ДН в горизонтальной плоскости представить в полярной системе координат, а ДН в вертикальной плоскости - в декартовой системе координат. Используя полученную в п. 1 и скорректированную, в случае необходимости, в п. 2 геометрию антенны, изобразить конструкцию антенны в отчете в разумном масштабе.
8
4. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Блок-схема установки приведена на рис. 4. Она состоит из высокочастотного генератора 1, подключаемого через измерительную линию 2 к исследуемой панельной антенне 4, закрепленной на поворотном устройстве 3. При измерении ДН сигнал снимается непосредственно с панельной антенны 7 и через детектор 5 подается на измерительный прибор 6. При измерении согласования сигнал снимается с индикаторной головки измерительной линии и через детекторную секцию 5 подается на измерительную линию 6.
Рис. 4
5.ЗАДАНИЕ, ВЫПОЛНЯЕМОЕ В ЛАБАРОТОРИИ
1.Измерить КБВ панельной антенны на частотах 890, 925, 960, 1710, 1790,
1880 МГц.
2.Измерить диаграммы направленности панельной антенны 890, 925, 960, 1710, 1790, 1880 МГц.
6.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ
1.Для измерения КБВ антенн необходимо собрать схему, изображенную на правой части рис. 4. Высокочастотный генератор 1 подключить через коаксиальный разъем к измерительной линии 2. С индикаторной головки линии вывести сигнал на измерительный прибор 6. К другому концу измерительной линии через переходник подключить исследуемую антенну. Включить питание генератора 1 и установить на нем частоту, на которой предполагается измерение КБВ. На резонаторной секции индикаторной головки произвести настройку на ту же частоту. Достаточно, чтобы показания измерительного прибора в этом случае составляли примерно четверть всей шкалы (20-40 делений). В случае, если уровень сигнала меньше вышеуказанного,
9
необходимо повысить выходную мощность генератора 1, а если уровень сигнала серьезно больше, а то и наблюдается зашкаливание, необходимо отстроиться по частоте на резонаторной секции. Произвести передвижение индикаторной головки по измерительной линии и найти минимальное αмин и максимальное αмакс значения на измерительном приборе. Значение КБВ тогда
можно найти по формуле КБВ = 
. Повторить эти измерения для всех указанных частот.
2. Для измерения ДН антенн необходимо собрать схему, изображенную на левой части рис. 1. Подключите исследуемую антенну непосредственно к измерительному прибору 6. С помощью преподавателя включите генератор, обеспечивающий передачу ВЧ мощности на эталонную антенну. Установите на этом генераторе заданную частоту. С помощью регулировки выходной мощности генератора добейтесь того, чтобы максимальное значение сигнала не превышало 50-80 делений. Измерить уровень сигнала для различных угловых положений исследуемой антенны в диапазоне от 0 до 180°. Отнормировать полученные значения, разделив их на максимальное значение и выполнив операцию взятия квадратного корня из полученного нормированного уровня. Аналогично повторить измерения ДН для других частот.
7. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет должен содержать результаты домашнего расчета и результаты лабораторных экспериментов по измерению КБВ и ДН панельной антенны. Отчет должен также содержать выводы по проделанной работе.
8.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Объяснить принцип работы панельной антенны базовой станции системы сотовой связи.
2.Чем определяются диапазонные свойства панельной антенны?
3.От чего зависит вертикальный размер панельной антенны?
4.От чего зависит горизонтальный размер панельной антенны?
5.Почему панельные антенны можно устанавливать непосредственно на фасаде дома?
6.Каким образом в панельной антенне можно регулировать угловое положение максимума ДН в вертикальной плоскости?
7.Как конструктивно реализуется схема питания внутри панельной антенны?
8.Какова поляризация поля излучения панельной антенны базовой станции системы сотовой связи?
10
9.От чего зависит величина входного сопротивления панельной антенны?
10.Из каких соображений выбирается материал заполнения между вибраторами и рефлектором в панельной антенне?
11.Вывести выражения для ДН в плоскостях Е и Н симметричного электрического вибратора, расположенного параллельно бесконечному идеально проводящему экрану.
12.Почему ширина ДН в вертикальной плоскости существенно меньше ширины ДН в горизонтальной плоскости у панельной антенны системы сотовой связи?