Определение антенны
 Скачать 0.88 Mb.
|
|
4.3.2 Потери в свободном пространстве Для любого типа беспроводной связи передаваемый сигнал рассеивается по мере его распространения в пространстве. Следовательно, мощность сигнала, принимаемого антенной, будет уменьшаться по мере удаления от передающей антенны. Для спутниковой связи упомянутый эффект является основной причиной снижения интенсивности сигнала. Даже если предположить, что все прочие причины затухания и ослабления отсутствуют, переданный сигнал будет затухать по мере распространения в пространстве. Причина этого - распространение сигнала по всё большей площади. Данный тип затухания называют потерями в свободном пространстве и вычисляют через отношение мощности излучённого сигнала Р к мощности полученного сигнала Р R Для вычисления того же значения в децибелах следует взять десятичный логарифм от указанного отношения, после чего умножить полученный результат на 10. Следовательно, если длина волны несущей и их разнесение в пространстве остаются неизменными, увеличение коэффициентов усиления передающей и приёмной антенн приводит к уменьшению потерь в свободном пространстве. 4.3.3 Шум Для любой передачи данных справедливо утверждение, что полученный сигнал состоит из переданного сигнала, модифицированного различными искажениями, которые вносятся самой системой передачи, а также из дополнительных нежелательных сигналов, взаимодействующих с исходной волной во время её распространения от точки передачи к точке приёма. Эти нежелательные сигналы принято называть шумом. Шум является основным фактором, ограничивающим производительность систем связи. Шумы можно разделить на четыре категории: o тепловой шум; o интермодуляционные шумы; o перекрестные помехи; o импульсные помехи. Тепловой шум является результатом теплового движения электронов. Данный тип помех оказывает влияние на все электрические приборы, а также на среду передачи электромагнитных сигналов. Если сигналы разной частоты передаются в одной среде, может иметь место интермодуляционный шум. Интермодуляционным шумом являются помехи, возникающие на частотах, которые представляют собой сумму, разность или произведение частот двух исходных сигналов. Например, смешивание двух сигналов, передаваемых на частотах F1 и F2 соответственно, может привести к передаче энергии на частоте F1 + F2. При этом данный паразитный сигнал может интерферировать с сигналом связи, передаваемым на частоте F1 + F2. С перекрёстными помехами сталкивался каждый, кто во время использования телефона переменно слышал разговор посторонних людей. Данный тип помех возникает вследствие нежелательного объединения трактов передачи сигналов. Такое объединение может быть вызвано сцеплением близко расположенных витых пар, по которым передаются множественные сигналы. Перекрестные помехи могут возникать во время приёма посторонних сигналов антеннами. Несмотря на то, что для указанного типа связи используют высокоточные направленные антенны, полностью потерь мощности сигнала во время распространения избежать все же невозможно. Как правило, мощность перекрёстных помех равна по }{ Антенны GSM 14 из 43 порядку (или ниже) мощности теплового шума. Все указанные выше типы помех являются предсказуемыми и характеризуются относительно постоянным уровнем мощности. Таким образом, вполне возможно спроектировать систему передачи сигнала, которая была бы устойчивой к указанным помехам. Однако кроме вышеперечисленных типов помех существуют так называемые импульсные помехи, которые по своей природе являются прерывистыми и состоят из нерегулярных импульсов или кратковременных шумовых пакетов с относительно высокой амплитудой. Причин возникновения импульсных помех может быть множество, в том числе внешние электромагнитные воздействия (например, молнии) или дефекты ( поломки) самой системы связи. 4.3.4 Атмосферное поглощение Причиной дополнительных потерь мощности сигнала между передающей и принимающей антеннами является атмосферное поглощение, при этом основной вклад в ослабление сигнала вносят водные пары и кислород. Дождь и туман (капли воды, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе) приводят к рассеиванию радиоволн и, в конечном счете, к ослаблению сигнала. Указанные факторы могут быть основной причиной потерь мощности сигнала. Следовательно, в областях, для которых характерно значительное выпадение осадков, необходимо либо сокращать расстояние между приёмником и передатчиком, либо использовать для связи более низкие частоты. 4.4 Отношение сигнал/шум в цифровых системах связи Очень важной характеристикой производительности цифровых систем связи является отношение сигнал/шум. Отношение сигнал/шум - это отношение энергии сигнала на 1бит к плотности мощности шумов на 1 Гц (£ b /N 0 ). Рассмотрим сигнал, содержащий двоичные цифровые данные, передаваемые с определённой скоростью - R бит/с. Учитывая, что 1 Вт = 1 Дж/с, и вычислим удельную энергию одного бита сигнала: E B = ST B ( где S - мощность сигнала; T B - время передачи одного бита). Скорость передачи данных R можно выразить в виде R = 1/T B Учитывая, что тепловой шум, присутствующий в полосе шириной 1 Гц, для любого устройства или проводника составляет N 0 = k•T ( Вт/Гц), (4) где, N 0 - плотность мощности шумов в ваттах на 1 Гц полосы; k - постоянная Больцмана, k = 1,3803•10 -23 Дж/К; T - температура в Кельвинах (абсолютная температура), то, следовательно, E B /N 0 →(S/R)/N 0 →S/k•T•R, (5) Отношение E B /N 0 имеет большое практическое значение, поскольку скорость появления ошибочных битов является (убывающей) функцией данного отношения. При известном значении E B /N 0 , требуемом для получения желаемого уровня ошибок, можно выбирать все прочие параметры в приведённом уравнении. Необходимо отметить, что для сохранения требуемого значения E B /N 0 при повышении скорости передачи данных R потребуется увеличивать мощность передаваемого сигнала по отношению к шуму. Довольно часто уровень мощности шума достаточен для изменения значения одного из битов данных. Если же увеличить скорость передачи данных вдвое, биты будут «упакованы» в два раза плотнее, и тот же посторонний сигнал приведёт к потере двух битов информации. Следовательно, при неизменной мощности сигнала и шума увеличение скорости передачи данных влечёт за собой возрастание уровня возникновения ошибок. 5. ВИДЫ АНТЕНН 5.1 Эффективность встроенных антенн сотовых телефонов Дискуссии о качестве работы сотовых телефонов с различными типами антенн довольно регулярно появляются в форумах, посвящённых мобильной связи, однако, как правило, все обсуждения заканчиваются ничем. Всё дело в том, что теория малогабаритных антенн очень сложна и сих пор не до конца изучена, несмотря на свой уже более чем полувековой возраст, и попытаться прийти к какому-либо однозначному выводу, не имея хотя бы поверхностного представления о фундаментальных основах проектирования антенн, совершенно нереально. }{ Антенны GSM 15 из 43 В этом документе сделана попытка обрисовать основные аспекты использования и различные технологии изготовления антенн для абонентского оборудования сотовой связи. Эта информация, безусловно, будет полезна тем, кто интересуется вопросами качества связи на более серьёзном уровне, нежели подсчёт количества сегментов на индикаторе силы сигнала в мобильном телефоне. Понимание некоторых терминов потребуют начальных знаний в области антенн, помощь можно поискать в разделе ссылок. 5.1.1 Экскурс в историю Первые системы сотовой связи появилась в восьмидесятых годах прошлого века. Это были европейские NMT (1981) и GSM (1982) и AMPS (1983), созданная в США. Уровень технологии того времени не позволял сделать телефонные аппараты достаточно компактными, во-первых, из-за несовершенства элементной базы, а во-вторых - из-за высокого энергопотребления и, соответственно, массивных аккумуляторов. В качестве антенн использовались хорошо известные и максимально эффективные полуволновые, а позже – и четвертьволновые (менее эффективные, но более короткие) антенны, которые на тот момент уже давно использовались в обычной связной технике. Аналоговые стандарты связи нуждались в высоком качестве приёмопередающих радиочастотных блоков, ибо покрытие площади базовыми станциями часто было недостаточным для устойчивой работы аппаратов в сложных условиях приёма. Прошло совсем немного времени - и вот уже цифровая и аналоговая части сотовых телефонов стали умещаться во вполне компактный корпус и потреблять относительно немного энергии. К девяностым годам цифровые системы сотовой связи (окончательно сформировавшийся GSM и свежепоявившийся цифровой вариант AMPS - DAMPS) почти вытеснили аналоговые стандарты и качество радиоприёмного тракта стало несколько менее важным. Новые виды модуляции, предназначенные для передачи цифрового сигнала, были значительно экономичнее обычной частотной и это привело к уменьшению требований к ёмкости аккумуляторов. Габариты телефонов стали стремительно уменьшаться. Антенны сначала стали выдвижными, а потом и вовсе превратились в так называемые stubby-антенны (“ пеньки”). Оба этих типа относятся к классу спиральных антенн с поперечным излучением (helical или NMHA - Normal-Mode Helical Antenna). Диаграмма направленности подобных антенн – круговая, но почти равна нулю по вертикали. Это наиболее подходящий вариант для сотового телефона, ибо в рабочем режиме он практически всегда находится в положении с вертикально расположенной антенной. Конец девяностых годов был отмечен двумя значительными нововведениями в области сотовой связи: началом активного дискутирования о вреде сотовых телефонов и появлением телефонов со встроенной антенной (в действительности эти два нововведения были отчасти связаны между собой). Кроме того, сотовый телефон к этому времени уже перестал быть дорогой, малодоступной вещью и появилось расслоение на различные классы аппаратов – бюджетные, бизнес и имиджевые модели. Инфраструктура базовых станций становилась всё более и более совершенной, количество пользователей увеличивалось и к качеству радиочасти телефонов стали относиться с всё меньшим вниманием. Основной упор в разработке телефонов начал делаться (да и по сей день делается) уже на функциональность, дешевизну проектирования и изготовления, и эргономичность, что привело к массовому распространению встроенных антенн. Почти все новые модели телефонов крупнейших разработчиков и брендов сотовых аппаратов уже снабжаются встроенной антенной. Пока абстрагируемся от коммерческих аспектов дизайна мобильного телефона без внешней антенны, рассмотрим плюсы и минусы встроенных решений с технической точки зрения. 5.1.2 Встроенные антенны – технологии Первые классические работы по дизайну малогабаритных антенн датированы концом пятидесятых годов прошлого века. Тем не менее, встроенные антенны для гигагерцевого диапазона – это очень молодое направление практических инженерных разработок. Резкое увеличение популярности таких антенн связано не столько с сотовой связью, сколько с беспроводными компьютерными технологиями. Встраивание Bluetooth и различных модификаций радиоэзернета в ноутбуки и PDA инициировало начало активной разработки маленьких антенн. Помимо внутренних технологических групп крупных корпораций (Motorola, Siemens, различные разработчики Wi-Fi оборудования), которые имеют большие финансовые возможности для R&D и разрабатывают технологии в основном для использования в собственных продуктах, за последние несколько лет появлись несколько независимых компаний, занимающихся аутсорсинговыми разработками встраиваемых антенн, в частности Centurion Wireless Technologies ( http://www.centurion.com ), SkyCross ( http://www.skycross.com ) и Ethertronics ( http://www.ethertronics.com ). }{ Антенны GSM 16 из 43 В отличие от крупных компаний, которые не очень афишируют характеристики своих разработок, молодые фирмы вовсю воюют на фронте пиара, хвалясь высокой эффективностью антенн и военным прошлым разработок. К сожалению статистики по использованию таких антенн пока нет, поскольку применения их в серийных моделях телефонов ещё не видно, а лабораторные исследования самого разработчика, представленные в рекламных материалах – это крайне ненадёжный источник информации. Исходя из вышесказанного, рассмотрим только те антенны, которые уже ставятся в мобильные телефоны сегодняшнего поколения. Сейчас в сотовых аппаратах используются всего несколько типов встроенных антенн. Наиболее простые из них имеют эффективность (отношение между излучаемой и подводимой мощностью) около 30-40 процентов. Наиболее совершенные – так называемые PIFA (Planar Inverted-F Antenna) – около 65 процентов (для сравнения – обычная антенна часто имеет эффективность более 90 процентов). Заметим, что имеется в виду эффективность в свободном пространстве (часто называемая FS – Free Space, т.е. в идеальных условиях, без человека, держащего трубку в руках). Антенны класса PIFA при этом применять в малогабаритных телефонах довольно проблематично, поскольку конструктив имеет достаточно большую толщину и площадь. В реальных условиях (TP - Talk Position, когда человек держит телефон рукой) характеристики антенн могут ухудшиться в несколько раз. Любые встроенные антенны имеют несколько фундаментальных проблем, которые для обычных спиральных не столь актуальны, и которые вынуждены решать все разработчики в равной мере. Прежде всего это – сложность моделирования под конкретный корпус и внутренний конструктив телефона. Влияние внутренней компоновки на встроенную антенну может быть очень значительным, не говоря уж о том, что часто телефон держат при разговоре почти в кулаке, закрывая рукой всю его заднюю часть. Вторая проблема – это использование специальных диэлектрических материалов для регулировки коэффициента укорочения (при плотном контакте проводника с диэлектриком длина волны в нём меняется в зависимости от коэффициента диэлектрической проницаемости последнего – этот эффект используется для уменьшения физических размеров резонатора). Подобная методика приводит к появлению паразитных утечек (в спиральных антеннах эта проблема гораздо менее критична – там излучающая часть находится почти в свободном пространстве). Все встроенные антенны имеют проблемы с ёмкостью и индуктивностью излучателя – согласование с выходом усилителя является непростой задачей и также неизбежно ведёт к потерям мощности. Крайне сложной является проблема эффективности при работе в нескольких частотных полосах. Не вдаваясь в подробности, отметим, что на данный момент развития технологии встроенных антенн приходится делать несколько антенн на разные диапазоны, а не одну, если аппарату необходимо работать с приёмлемой эффективностью более, чем в двух диапазонах. Ещё одной проблемой встроенных антенн является их направленность. С одной стороны это хорошо – максимум излучения всегда направлено от головы разговаривающего, если он говорит не по гарнитуре (как уже говорилось выше – это очень хорошее маркетинговое подспорье для телефонов со встроенной антенной). С другой стороны, при не очень хорошем покрытии и при неодинаковом качестве связи с базовыми станциями во всех направлениях (в городах, к примеру в Москве, таких мест достаточно много, по крайней мере - пока) это часто приводит к выпадению голоса разговаривающего по сотовому аппарату с встроенной антенной для абонента на другом конце линии. Самое забавное, что в обратную сторону эффект почти незаметен (ибо передатчики базовых станций значительно мощнее и антенны, используемые в них, достаточно эффективны), поэтому, как правило, все говорят о нормальном качестве работы своего аппарата, поскольку сами собеседника слышат почти всегда без проблем. Но, несмотря на всё вышесказанное, у встроенных антенн есть одно большое достоинство – они нравятся покупателям. 5.1.3 Коммерческие аспекты проектирования сотовых телефонов Немного отвлечёмся от разговора непосредственно о сотовых телефонах и поговорим о современной высокотехнологичной индустрии вообще. Необходимо признать, что уже около десяти лет основополагающим фактором, который необходимо учитывать производителю при проектировке высокотехнологичных изделий, является не качество конкретного изделия, а возможность быстрой разработки, дешёвой сборки и высокой частоты смены моделей. Это касается не только сотовых телефонов, но и любой другой непрофессиональной аудиоаппаратуры – аудиотехники, видеотехники и т. п. Лишь очень немногие фирмы в состоянии оплачивать разработку высококачественной бытовой радиоаппаратуры, как, к примеру, Matsushita Electric (торговые марки Panasonic и Technics), Kenwood, Pioneer, Aiwa, которые полностью или почти полностью прекратили выпуск качественных бытовых звуковоспроизводящих и радиоприёмных аппаратов за последние десять лет, заняв более коммерчески выгодную нишу аппаратуры на год-два эксплуатации с очень дешёвой }{ Антенны GSM 17 из 43 схемотехникой и комплектацией и это при том, что аппараты этих фирм восьмидесятых годов являются достаточно совершенными инженерными разработками. Заметим, что фирма Sony, которая помимо бытовой техники выпускает очень много профессиональной студийной аппаратуры, в состоянии оплачивать разработку и выпускать грамотные конструкции (в частности часть аппаратуры серии ES), но даже у этой фирмы просматривается тенденция к сильному упрощению своих изделий. Спасает только общий высокий уровень разработки собственной используемой в конструкциях элементной базы. На рынке сотовых телефонов всё то же самое. Базовый набор компонентов для сотовых телефонов даёт возможность спроектировать основную часть конструкции очень быстро, высокая степень интеграции позволяет собрать аппарат буквально из десятка микросхем с несколькими десятками дискретных элементов. Удешевление производства уже дошло до критического минимума. В конце двадцатого века можно было наблюдать уход с рынка, смену приоритетов и объединения компаний-производителей сотовых телефонов – конкурентная борьба привела к катастрофическому снижению цен и те, кто выжили, сделали это за счёт двух факторов: либо максимальное удешевление конструкций телефонов (Siemens, Motorola) или удачное позиционирование своих телефонов как имиджевых (все корейские фирмы) с призывом менять телефоны как можно чаще. В первом случае снижение себестоимости достигается крайней дешевизной корпусов, стандартизацией электроники для всего модельного ряда и экономией на разработке радиочасти, ибо последнее - наиболее сложная и дорогостоящая часть проектирования сотового телефона после написания firmware. Во втором случае основная часть стоимости аппарата – это камера, цветной дисплей, гонорары дизайнерам и т.п. и качество радиочасти в подавляющем большинстве случаев просто не интересует потенциального покупателя, поэтому тратиться на это нет никакого смысла. При завоевании покупательского спроса рекламой играют роль лишь те характеристики изделия, которые понятны среднестатистическому потенциальному его пользователю, а параметры радиочасти никак не входят в их число. Эргономическое же удобство телефона со встроенной антенной очевидно, поэтому Nokia, по словам одного пожелавшего остаться неизвестным сотрудника компании, приняла стратегическое решение вообще не делать сотовых аппаратов с внешними антеннами, несмотря на явный технический проигрыш по характеристикам. |