4. Антенны для телерадиовещания и базовых станций систем подвижной связи.

К антеннам телерадиовещательных центров и базовых станций систем подвижной связи предъявляются во многом аналогичные требования. Для увеличения зоны обслуживания они устанавливаются на специальных вышках или крышах высотных зданий. При этом увеличиваются механические нагрузки, создаваемые ветром и осадками, что повышает требования к механической прочности антенн. Значительная вероятность попадания молний обуславливает необходимость обеспечения высокой электрической прочности и использования специальных защитных мер.

Как правило, передающие центры и базовые станции располагаются в центрах обслуживаемых территорий, поэтому их антенны не должны иметь направленности в горизонтальной плоскости. В тех же случаях, когда передатчик располагается на краю территории, возникает необходимость в секторных по азимуту диаграммах направленности антенн с низким уровнем задних и боковых лепестков. Ширина сектора, при этом, достаточно большая и обычно составляет 30180. В вертикальной плоскости, в свою очередь, диаграмма направленности должна быть такой, чтобы уровень поля вблизи передатчика не превышал допустимого предела и был сравнительно постоянным на обслуживаемой территории. Исходя из этого, антенны должны иметь высокую направленность в вертикальной плоскости. Максимум излучения направлен горизонтально или, при большой высоте фазового центра, смещен на несколько градусов в сторону земной поверхности.

Поляризационные характеристики таких антенн зависят от принятой в конкретной системе поляризации поля. Общим для них является то, что круговая поляризация практически не находит применения. Данный факт объясняется тем, что использование сравнительно сложных антенн с круговой поляризацией в сетях с большим числом абонентов не оправданно ни по затратам, ни по достижимому эффекту. В диапазонах частот 50200 Мгц, выделенных в большинстве стран мира для телевизионного вещания в метровом диапазоне, основная доля помех имеет преимущественно вертикальную составляющую электрического поля. По данной причине для телевизионного вещания используется линейная горизонтальная поляризация. Такую же поляризацию используют для высококачественного УКВ ЧМ радиовещания в диапазоне 70 МГц, при этом часто используют антенны одинаковых конструкций. В свою очередь, на транспортных средствах удобнее эксплуатировать вертикальные вибраторные антенны, поэтому в большинстве профессиональных систем подвижной связи и радиовещания ФМ на частотах около 100 МГц применяется вертикальная поляризация поля, хотя в последнем случае иногда допускается и горизонтальная. В сотовой связи стандартаGSMдля увеличения плотности сети используется поляризационная развязка каналов. Антенна базовой станции, при этом, должна излучать на двух ортогональных поляризациях. При малых размерах абонентских устройств и произвольным их расположением в пространственных координатах используются линейные наклонные поляризации с углом к поверхности земли ±45или вертикальная и горизонтальная, соответственно.

Антенны телерадиовещания и базовых станций должны быть достаточно широкополосными, чтобы пропускать без искажений требуемую полосу сигналов. Особенно высокие требования предъявляются к телевизионным антеннам, которые должны быть согласованы в полосе телевизионного канала с КБВ выше 0,95 для исключения эффекта «фидерного эха». Он проявляется в виде «многоконтурности» изображения из-за наложения отраженных от входов антенны и передатчика сигналов. В стандарте, принятом в Российской Федерации, полоса телевизионного канала и относительная рабочая полоса наиболее низкочастотного первого метрового канала ()15%, что налагает особые требования к выбору конструкции антенны. Достаточно высокие требования предъявляются и к частотным характеристикам антенн базовых станций. Так в стандартеGSMиспользуется две частотных полосы по 25 МГц на прием и передачу разнесенных на 20 МГц. Общая полоса для стандартаGSM-900 равна 70 МГц, что составляет 7,6 %.

Учитывая диапазоны частот и широкополосность, для питания антенн телерадиовещания и базовых станций обычно используют коаксиальные линии передачи. При этом, для антенн телевизионного вещания, где используются мощности до нескольких десятков кВт, а длина фидера составляет 200 м и более, чаще применяют коаксиальный волновод с шайбовой или на металлических изоляторах изоляцией. Антенны базовых станций или радиовещательные питаются коаксиальным кабелем со сплошной или пенисто-полиэтиленовой изоляцией, так как длина фидера чаще всего не превышает 100 м, а мощности 1 кВт. Волновое сопротивление фидера обычно выбирают 50 Ом исходя из максимума электрической прочности и пропускаемой мощности.

Коаксиальная линия, использующаяся на волне Т-типа, имеет структуру поля, приведенную на рис 4.1. Волновое сопротивление определяется по известной формуле

=ln=lg(4.1)

где - относительная диэлектрическая проницаемость заполнения. Электрическое поле в поперечном сечении линии распределено неравномерно. Максимум напряженности поля, как видно по густоте силовых линий на рис.4.1, находится на поверхности центрального проводника. Амплитуда поля в максимуме определяется соотношением:

Е_max=, (4.2)

где Р – мощность в коаксиале.

Рис. 4.1 Структура поля коаксиальной линии на волне типа –Т

Из формулы 4.2 можно получить оптимальное соотношение между Dиd, при котором пропускаемая мощность Р будет максимальной. Оно определяется какD/d=e=2,72 при воздушном заполнении (=1). Подставив это значение в формулу 4.1, получим оптимальное волновое сопротивление 60 Ом.

Другим фактором, определяющим соотношение диаметров, является вероятность пробоя коаксиала из-за превышения разности потенциалов между проводниками критического значения. Он дает оптимальное соотношение D/d=1,65, что соответствует=30 Ом. Исходя из этого, в качестве стандартного, для кабелей используемых для передачи больших уровней мощности (в том числе и для питания передающих антенн), выбрано волновое сопротивление 50 Ом.

При проектировании питающего коаксиала необходимо обеспечить Е_max=0,10,3Е_пр, где Е_пр– напряжение пробоя диэлектрика, заполняющего коаксиал. Значения Е_пр для проводников, часто применяемых в коаксиальных линиях передачи и кабелях, приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Диэлектрики				Плотность , [г/см3]
Воздух t=200Cр=1 атм. Воздух t=200Cр=1,5 атм Полиэтилен Полиэтилен вспененный Фторопласт - 4	1,000576 1,000850 2,3 1,3 2,1	10-8 10-8 5·10-4 1,1 2·10-4	3,2 4,8 20,0 10 30,0	1,3·10-3 1,3·10-3 0,92 0,35 1,85

Помимо электрической прочности и пропускаемой мощности важнейшей характеристикой линии передачи является затухание. Для коаксиальной линии затухание определяется двумя факторами: потерями на нагрев проводников из-за не бесконечной их проводимости и потерями в диэлектрике из-за наличия в них токов проводимости. Обычно эти потери считают взаимно независимыми, и коэффициент затухания записывается в виде суммы =_М+_Д, где_М– коэффициент затухания в металле, а_Д– коэффициент затухания в диэлектрике.

Для частот выше 5 МГц коэффициент затухания можно рассчитать по формуле:

=, (4.3)

где fчастота в Гц;d₁=d– диаметр центрального проводника,d₂=D– диаметр внешнего проводника, заданные в мм;- относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;- тангенс угла потерь диэлектрика;- относительные магнитные проницаемости проводников; σ₁, σ₂-удельные проводимости проводников в Сим/м.

Если оба проводника медные (, σ₁=σ₂=5,710⁷Сим/м) из формулы (4.3) получим:

,

. (4.4)

Как видно из формул 4.3, уменьшить затухание можно не только путем увеличения размеров Dиdили применением проводников с максимальными удельными проводимостями, но и подбирая соотношение диаметров. Оптимум этого соотношения зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика. При воздушном заполнении (=1) (D/d)_ОПТ=3,6, что соответствует волновому сопротивлению 75 Ом. При увеличениидо 2,02,5 (фторопласт, полиэтилен) оптимальное волновое сопротивление уменьшается до 6055 Ом (см. формулу 4.1). Исходя из сказанного следует, что если получение малого затухания является решающим фактором, то следуем применять коаксиал с воздушно-пластмассовой изоляцией (диэлектрические шайбы, кордель, баллонная и др.). Волновое сопротивление, при этом, должно быть равно 75 Ом. Оно выбрано в качестве стандартного для магистральных кабелей связи.

Антенны метрового диапазона устанавливаются на самом верху телевизионной башни. Для уменьшения ветровой нагрузки и увеличения механической прочности при сохранении электрических характеристик вибраторы выполняют не сплошными, а из отдельных горизонтальных стержней. Учитывая высокие требования к широкополосности, антенны выполняют в виде турникетных на основе плоскостных (вибраторов Брауде) или Ж-образных, эскизы которых приведены на рис.4.2.

Рис. 4.2 Турникетные излучатели

Каждый этаж такой антенны выполняется из двух взаимно перпендикулярных вибраторов, питаемых со сдвигом фаз /2, что обеспечивает практически круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости.

Главным недостатком турникетных антенн является требование малого диаметра опоры по сравнению с размерами плеч –. При разносе плеч из-за увеличения сечения не удается получить равномерную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Малый диаметр стойки опоры ограничивает её длину 1015 м, так как дальнейшее увеличение приведет к ветровому раскачиванию, а это, в свою очередь, к смещению диаграммы направленности в вертикальной плоскости. На указанной длине не удается разместить большего числа этажей антенны, что не позволяет получить узкую в вертикальной плоскости диаграмму направленности и, соответственно, коэффициента усиления больше 310 (по сравнению с полуволновым вибратором).

В верхней части метрового телевизионного диапазона (с VI поXIIканалы, частоты с 174 по 230 МГц) используются панельные излучатели одиночные или сдвоенные (рис.4.3). Они располагаются по сторонам опоры квадратного сечения или в виде правильного многоугольника. Для получения круговой в горизонтальной плоскости диаграммы направленности вибраторы питаются синфазно. Используя достаточное число этажей можно получить усиление до 2050 по сравнению с полуволновым вибратором.

Рис. 4.3 Панельные излучатели:

б) одиночные, в) сдвоенные

Антенны для радиовещания в метровом и более коротковолновых диапазонах, как правило, реализуются в виде решетки из вертикальных симметричных вибраторов, закрепляемых на вертикальной стойке. Исходя из необходимой механической прочности и широкополосности вибраторы выполняются достаточной толщины или петлевыми. Постоянство поля в азимутальной плоскости, в данном случае, обеспечивается характеристиками излучения вибраторов.

На базовых станциях сотовой связи применяют панельные антенны, представляющие собой линейные антенные решетки вибраторных, полосковых или щелевых излучателей. Они выполняются в виде конструкций закрытых от осадков с помощью пластикового обтекателя и имеющих металлический корпус, заземляемый по постоянному току для защиты от молний. Дополнительная молниезащита обеспечивается тем, что панели устанавливаются на технических площадках, выше которых располагаются металлические конструкции для установки фонарей светоограждения и специальных молниеотводов.

Базовые станции, располагающиеся в центре соты, должны иметь антенны с диаграммой направленности близкой к круговой в горизонтальной плоскости. Для получения такой диаграммы направленности используют 3 или 4 панели, которые запитываются синфазно. Из-за значительной стоимости панели, учитывая питающие кабели, обычно ограничиваются тремя, допуская неравномерность диаграммы до 0,5 от максимума.

Так как фазовые центры антенны подняты на достаточно большую высоту, требуется иметь главный максимум ДН «наклоненным» к поверхности земли. Угол наклона (см. рис.4.4) зависит от радиуса Земли, высоты фазового цента и может быть определен по соотношению:

, (4.5)

где h- высота фазового центра;

R- радиус Земли.

Рис. 4.4 – Угол наклона панели.

Наклон диаграммы направленности турникетных антенн обеспечивается обычно фазировкой излучателей, а антенн сотовой связи путем механического наклона панели относительно плоскости горизонта.