Определение антенны
 Скачать 0.88 Mb.
|
|
}{ Антенны GSM 1 из 43 Антенны GSM, для встроенных устройств беспроводной связи Ревизия 2 (февраль 2011) 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АНТЕННЫ Антенну можно определить как проводник, используемый для излучения или улавливания электромагнитной энергии из пространства. Для передачи сигнала радиочастотные электрические импульсы передатчика с помощью антенны преобразуются в электромагнитную энергию, которая излучается в окружающее пространство. При получении сигнала энергия электромагнитных волн, поступающих на антенну, преобразуется в радиочастотные электрические импульсы, после чего подаётся на приёмник. Как правило, при двусторонней связи одна и та же антенна используется как для приёма, так и для передачи сигнала. Такой подход возможен, потому что любая антенна с равной эффективностью поставляет энергию из окружающей среды к принимающим терминалам и от передающих терминалов в окружающую среду. 2. КЛАССИФИКАЦИЯ АНТЕНН РАДИОСВЯЗИ В настоящее время в России, как и во всем мире, наблюдается бурное развитие систем радиосвязи. Это в первую очередь сотовая связь стандартов GSM, DAMPS, CDMA, транкинговая связь, беспроводной абонентский доступ (WLL) на основе систем DECT, TANGARA, системы беспроводной передачи данных (WLN). Пока ещё сохраняет свои позиции и радиосвязь на основе домашних радиотелефонов. В Таблице 1 приведены диапазоны рабочих частот, основных используемых в России систем связи. Таблица 1 Диапазон частот Наименование системы связи Стандарт Прямой канал (от базы), МГц Обратный канал (к базе), МГц Профессиональная радиосвязь Транкинговые системы (SmarTrunk 11, MPT-1327, SMRLink) 138-174 815-821 860-865 Радиотелефонные системы большой дальности (Senao, Sanyo, Лес, Алтай) 250-385 Домашние радиотелефоны СТ-1 904-905 814-815 Сотовая связь NMT-450 CDMA DAMPS GSM-900 GSM-1800 453-457,5 828-831 869-894 935-960 1805-1880 463-467,5 873-876 824-849 890-915 1710-1785 Беспроводной абонентский доступ СТ-2 (Tangara) DECT 864-868,2 1880-1900 Беспроводная передача данных IEEE 802.11 2400-2483,5 5150-5250 5250-5350 5725-5850 Для функционирования всех без исключения систем радиосвязи необходимы те или иные антенно-фидерные устройства, от самых простых штыревых и низкопрофильных антенн, устанавливаемых в радиотелефонных трубках, до сложных антенных систем базовых станций и ретрансляторов. В отличие }{ Антенны GSM 2 из 43 от приёмных либо передающих радиовещательных и телевизионных антенных устройств, антенны для систем связи являются приёмопередающими. Общая упрощённая классификация антенн для систем связи представлена на Рис.1. Рис.1 3. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕНН Антенной может быть все, что получает радиочастотный сигнал, генерируемый передатчиком и излучаемый им в радиоэфир, или то, что принимает (захватывает) электромагнитные волны для приёмника. Обычно приёмные и передающие свойства эквивалентны; это означает, что такие параметры антенны, как коэффициент усиления, диаграмма направленности излучения, поляризация или частота, одинаковы. При рассмотрении параметров антенн, как правило, не делается различия между передающими и приёмными антеннами. Однако более наглядно изучать параметры на примере антенн, работающих в передающем режиме. 3.1. Поляризационные параметры антенн Антенны характеризуются ближней и дальней зонами излучения. Все параметры антенн относятся к дальней зоне излучения, где излучаемая антенной волна считается плоской волной с поперечными ортогональными составляющими электрического поля Ē и магнитного поля Ĥ Под поляризацией волны понимается ориентация в пространстве вектора электрического поля Ē В общем случае, если вектор Ē ( и, соответственно, вектор Ĥ ) при распространении волны остаётся параллельным самому себе, то поляризация поля линейна. В частном случае если вектор Ē расположен горизонтально ( параллельно земле см. Рис.2б), а вектор Ĥ вертикально (перпендикулярно земле), то волна является горизонтально поляризованной. В случае, если вектор Ē расположен вертикально (перпендикулярно земле см. Рис.2а), а вектор Ĥ горизонтально, то волна является вертикально поляризованной. Если вектора Ē и Ĥ при распространении волны движутся по окружности (см. Рис.2в), то поляризация волны круговая. Различают правое и левое направление вращения. При правом направлении, вращение, например, вектора Ē для наблюдателя, смотрящего вслед волне, происходит по часовой стрелке, при левом направлении – против часовой стрелки. Полный оборот вектор Ē осуществляет при распространении на расстояние равное длине волны в свободном пространстве. }{ Антенны GSM 3 из 43 Рис.2 Вид поляризации электромагнитной волны, принимаемой или излучаемой антенной, определяется расположением и формой проводников антенны. Так, например, антенна в виде вертикально расположенных линейных проводников (см. Рис.3а) излучает (принимает) вертикально поляризованные волны. Соответственно антенна с горизонтально расположенными проводниками (см. Рис.3б) – горизонтально поляризованные волны. а) б) Рис.3 Использование антенн с различной поляризацией позволяет уменьшить взаимное влияние радиотехнических систем с близкими рабочими частотами на 10…20 дБ, что в ряде случаев может явиться единственным решением проблемы электромагнитной совместимости. На антеннах с поляризацией, на задней стороне есть указатель в виде стрелки, который и определяет необходимую поляризацию. 3.2. Диаграмма направленности Антенны излучают энергию во всех направлениях. Однако, в большинстве случаев, эффективность передачи сигнала в различных направлениях неодинакова. Одной из основных характеристик антенн является диаграмма направленности (ДН), характеризующая зависимость амплитуды излучаемого поля от угловых координат при неизменном расстоянии от антенны до точки наблюдения. Диаграммы направленности антенн представляются как двухмерное поперечное сечение трехмерной диаграммы. Обычно ограничиваются построением ДН в двух взаимно перпендикулярных E и H плоскостях. Пример ДН показан на Рис.4 а, б. По радиусу отложено значение амплитуды излучаемого поля, нормированное к значению амплитуды в главном максимуме. }{ Антенны GSM 4 из 43 а) Е-плоскость б) Н-плоскость Рис.4 ДН характеризуется следующими параметрами: o ширина главного лепестка в Е и Н плоскостях по уровню 3 дБ (в градусах); o максимальный уровень боковых лепестков А БОК ( дБ); o максимальный уровень заднего излучения А ЗД ( дБ). Наличие задних и боковых лепестков свидетельствует о том, что антенна излучает радиоволны не только в области главного лепестка, но и в иных направлениях, что может создавать помехи другим радиотехническим системам и снижает помехоустойчивость, если антенна работает на приём. Поэтому при проектировании антенн стремятся к уменьшению уровней бокового и заднего излучения. Размер диаграммы направленности может быть произвольным. Важно лишь, чтобы в каждом направлении были соблюдены пропорции. 3.3. Коэффициент усиления Антенна, являясь пассивным устройством, излучает в пространство несколько меньшую мощность Ризл, чем та, что поступает на вход антенны Рвх. Это связано с омическими потерями в элементах конструкции антенны. Существуют понятия, коэффициент полезного действия антенны η равный η = Р ИЗЛ / Р ВХ и коэффициент направленного действия G, характеризующий способность антенны концентрировать излучённую мощность в определённом направлении. Коэффициент направленного действия G - есть отношение среднего (во времени) значения плотности потока мощности, излучаемого антенной в данном направлении (характеризуемом углами ϕ о , θ о сферической системы координат), к плотности потока мощности изотропной антенны. При этом считается, что излучаемые мощности равны и точка наблюдения находится на одинаковом расстоянии от антенн. Изотропная антенна - воображаемая антенна, у которой полностью отсутствуют направленные свойства, то есть пространственная диаграмма имеет вид сферы. Из определения следует, что коэффициент направленного действия является функцией углов ϕ 0 , θ 0 и обозначается D( ϕ, θ), и не учитывает потерь мощности в антенне, поэтому вводится параметр G A , учитывающий эти потери и называемый коэффициент усиления антенны - G A = D ( ϕ,θ)•η Коэффициент усиления есть отношение среднего (во времени) значения плотности потока мощности, излучаемого антенной в данном направлении (характеризуемом углами ϕ 0 , θ 0 сферической системы координат) к плотности потока мощности изотропной антенны. При этом считается, что подводимые к }{ Антенны GSM 5 из 43 входам антенн мощности равны и точка наблюдения находится на одинаковом расстоянии от антенн. При этом предполагается, что G A изотропной антенны равен 1 (единице). Для практического использования коэффициент усиления обычно представляют графически в полярных координатах от углов ϕ,θ для Е и Н плоскостей. По радиусу диаграммы откладывают абсолютную величину коэффициента усиления в дБ, как показано на Рис.5а, б. В этом случае диаграмма несёт значительно бóльшую информацию, чем диаграмма Рис.3а, б. Окружность со значением 0 дБ представляет диаграмму направленности изотропного излучателя. а) Е-плоскость б) Н-плоскость Рис.5 С помощью диаграммы Рис.5 просто определить усиление антенны в зависимости от направления излучения. Коэффициент усиления - G A антенны показывает, во сколько раз количественно мощность сигнала, принятого данной антенной, больше мощности сигнала, принятого простейшей антенной – полуволновым вибратором (изотропным излучателем), помещённым в ту же точку пространства. Коэффициент усиления является мерой направленности антенны. Коэффициент усиления выражается в децибелах (dB или дБ). Единицы измерения для указания G A - это dBi, то есть в децибелах по отношению к изотропной антенне, или dBd, то есть G Ad в децибелах по отношению к антенне, называемой полуволновая (симметричная) антенна (или вибратор, иногда - диполь). Следует помнить, что при преобразовании одного значения в другое нужно добавить константу 2,2 к значению коэффициента усиления, выраженного в dBd, чтобы получить значение коэффициента усиления, выраженное в dBi. Важно знать это преобразование, поскольку, хотя многие поставщики указывают коэффициент усиления в dBi, некоторые все же указывают его в dBd. Желательно иметь антенну с большим усилением, однако увеличение усиления требует, как правило, усложнения её конструкции и габаритов. Не бывает простых малогабаритных антенн с большим G A 3.4. Единица измерения - децибел Единица измерения интенсивности сигнала децибел была названа так в честь Александра Грэма Бэлла. Значения в децибелах вычисляются по логарифмической шкале, что позволяет обеспечить спецификацию характеристик в широком диапазоне напряжений или мощностей - Б = Бел = log 10 P 1 /P 2 =2•log 10 U 1 /U 2 дБ = децибел = 10•log 10 P 1 /P 2 =20•log 10 U 1 /U 2 где, Р 1 - измеренная мощность (Вт); Р 2 - эталонная мощность (Вт); U 1 - измеренное напряжение (В); U 2 - эталонное напряжение (В). }{ Антенны GSM 6 из 43 Пример А: Если на входе линии передачи уровень мощности сигнала составляет 100 мВт, а на некотором расстоянии 50 мВт, то ослабление O сигнала можно выразить следующим образом: O дБ = log 10 50/100 = 3 дБ. В децибелах выражается относительное, а не абсолютное отличие сигналов. Ослабление сигнала с 10 Вт на 5 Вт также является ослаблением на 3 дБ или в 2 раза. В децибелах выражаются выигрыши и потери мощности сигнала на путях распространения радиоволн и в электрических цепях. Отношение двух мощностей задается следующим образом: G [дБ] = 10 • P 1 /P 2 где, G - усиление или ослабление сигнала, P1 и P2 - мощность сигнала. Так как мощность в цепи определяется величиной напряжения или тока, возведенной в квадрат, логарифм отношения этих величин должен быть умножен на 20 (а не на 10): G [дБ] = 20 • U 1 /U 2 или G [дБ] = 20 • I 1 /I 2 Чтобы избежать недоразумений, необходимо понимать, что независимо от того, имеем ли мы дело с напряжением, током или мощностью, отношение 6 дБ всегда есть 6 дБ для любого из этих параметров. Однако, если это мощность, то отношение 6 дБ означает уменьшение или увеличение почти в 4 раза, если напряжение или ток - почти в 2 раза. Пользуясь следующей Таблицей 2, можно с некоторым приближением переводить значения уровней децибел в числовые значения и наоборот. Например, для мощности 22 дБ = 20 дБ + 2дБ = 100•1,585 = 158,5 раз. Таблица 2 }{ Антенны GSM 7 из 43 Пример Б: Использование децибелов полезно при определении усиления или снижения мощности, происходящего на последовательности передающих элементов. Рассмотрим, например, последовательность элементов, на вход которой подаётся мощность 4 мВт, первый элемент является кабельной сборкой с затуханием Y 1 = 12 дБ, второй элемент - это усилитель с усилением G У = 35 дБ, а третий - ещё одна кабельная сборка с затуханием Y 2 = 10 дБ. Суммарное усиление тракта равно Y ∑ = Y 1 + G У + Y 2 = -12 + 35 - 10 = 13 дБ Вычисляем мощность на выходе: О дБ = 13 = 10•lg13 Р ВЫХ = 4•10 1,3 = 79,8 мВт Значения в децибелах связаны с относительными амплитудами или изменениями амплитуд, но никак не с абсолютными уровнями. Было бы удобно представить абсолютный уровень мощности также в децибелах, чтобы можно было легко вычислять усиление или снижение мощности по отношению к исходному сигналу. Поэтому в качестве эталонного уровня выбрана величина 1Вт, а абсолютный уровень мощности в дБВт или dBW ( децибелватт). Он определяется следующим образом: [ Мощность, дБВт] = 10•lg [мощность, Вт] Широко используется и другая производная единица - дБмВт (dBm) (децибел-милливатт). В этом случае за эталонный уровень мощности принимается 1 мВт. [ Мощность, дБмВт] = 10•lg [мощность, мВт] Увеличение мощности сигнала в одном направлении возможно лишь за счёт остальных направлений распространения. Другими словами, увеличение мощности сигнала в одном направлении влечёт за собой уменьшение мощности в других направлениях. Необходимо отметить, что коэффициент усиления характеризует направленность сигнала, а не увеличение выходной мощности по отношению ко входной (как может показаться из названия), поэтому данный параметр часто ещё называют коэффициентом направленного действия. 3.5. Импеданс Антенны - имеют характеристику, получившую названиеимпеданс, что означает отношение напряжения и тока на электрических выводах антенны. Если антенна соединяется с передатчиком посредством кабеля и её импеданс согласован с импедансами передатчика и линии передачи, то в антенну передаётся максимальная мощность. Однако, если импедансы не согласованы, часть энергии будет отражаться обратно к источнику, и лишь оставшаяся поступать на антенну. 3.6. Согласование антенны с фидерным трактом Количественной характеристикой согласования антенны с фидерным трактом является величина модуля коэффициента отражения по напряжению |Г|, численно равная отношению амплитуды напряжения отражённой волны U OTP к амплитуде напряжения падающей волны U ПАД : | Г| = U OTP / U ПАД | Г| - изменяется в пределах от 0 до 1. При |Г| = 0 тракт идеально согласован (нет отражённой волны). Вследствие наложения падающих и отражённых волн в фидерном тракте устанавливается некоторое распределение напряжения. Характер этого распределения повторяется по длине кабеля L с периодом L К/2 ( см. Рис.6), L К – длина волны в кабеле. Рис.6 }{ Антенны GSM 8 из 43 Отношение Uмакс/Uмин (см. Рис.6) называется коэффициентом стоячей волны (КСВ) - полный аналогSWR ( Standing Wave Ratio ). КСВ и |Г| связаны между собой простым соотношением - Отражения энергии в антенно-фидерном тракте характеризует коэффициент стоячей волны (КСВ, SWR). КСВ характеризует степень согласования антенны и фидера (также говорят о согласовании выхода передатчика и фидера). На что влияет рассогласование антенны с фидерным трактом? На практике всегда часть передаваемой энергии отражается и возвращается в передатчик. Отражённая энергия ухудшает работу передатчика и может его повредить. В идеальном случае КСВ = 1, это означает, что отражённая волна отсутствует. При появлении отражённой волны КСВ возрастает в прямой зависимости от степени рассогласования тракта и нагрузки. КСВ измеряется или рассчитывается в конкретном диапазоне длин волн. КСВ зависит от многих условий, например: o волновое сопротивление ВЧ кабелей; o неоднородности, спайки в кабелях; o качество разделки кабеля в ВЧ-соединителе (разъём); o наличие переходных соединителей; o сопротивление антенны в точке подключения кабеля; o качество изготовления и настройки источника сигнала и потребителя (антенны и др.). В реальности чаще используется |