Антенны мобильных станций

3.3. Антенны мобильных станций

Широкое использование в системах сотовой мобильной связи радиоволн дециметрового диапазона (300...3000 МГц) естественно выделяют определенный круг возможных антенных систем, используемых на базовых и мобильных станциях. Прежде всего это вибраторные антенны различной конструкции.

> Статья схожей тематики: Антенные системы сотовой связи-характеристики для приобретения
 
Сложные условия распространения радиоволн в системах сотовой мобильной связи, связанные с многократным их отражением, рассеянием, приводят к тому, что закономерности, справедливые для систем функционирующих в условиях прямой видимости, становятся несправедливыми, и направленные свойства антенн, которые были справедливыми для условий свободного пространства, значительно изменяются. Поэтому при проектировании антенн в системах мобильной связи учитываются статистические характеристики окружающей среды, в которых эти антенны используются, то есть городские условия, растительность, холмы и т.п.
 
Воспользуемся результатами научных исследований в данной области [3.1-3.3, 3.5, 3.7, 3.8] и рассмотрим конкретно антенны, широко используемые в мобильных станциях (антенны базовых станций будут рассмотрены ниже в гл. 5).
Особенности функционирования мобильных телефонов приводят к особенностям в требованиях, предъявляемых к используемым в них антеннах:
 
- очень малые размеры;
- относительно большая полоса рабочих частот (на частотах 900,1800 и 1900 МГц);
- эффективность при передаче и приеме радиоволн при различных пространственных ориентациях мобильных телефонов, при учете многолучевого распространения радиоволн в пределах соты;
- высокие механические свойства (например, ударопрочность).
 
В качестве антенн в мобильных телефонах сотовой связи в настоящее время нашли широкое распространение следующие типы [3.3]:
 
- симметричный вибратор с коаксиальным экраном в центральной части (sleeve dipole);
- спиральная антенна (helical antenna);
- четвертьволновый несимметричный диполь (quarter wavelength whip (monopole) antenna);
- комбинированная спиральная антенна (diversity helical antenna system).

Симметричный вибратор с коаксиальным экраном в центральной части
 
На рис. 3.4 показан мобильный телефон с антенной, представляющей симметричный вибратор с коаксиальным экраном в центральной части (sleeve dipole) и работающий в диапазоне частот (800.. .900) МГц.
Мобильный телефон с антенной
Это, по существу, полуволновый диполь, питаемый с одного конца с помощью коаксиальной линии. Антенна конструктивно представляет собой разноплечий полуволновый вибратор:
 
- верхнее плечо, длиной lx = Х/4, формируется из тонкой центральной жилы коаксиального фидера;
 
- нижнее плечо, длиной /2 ^ Х/4, формируется из металлической муфты (metal sleeve), диэлектрического наполнителя (dielectric insert) с диэлектрической проницаемостью е2 малой величины и коаксиального фидера.
 
Длина /2 муфты, равная Х/4, позволяет создать в сечении А-А короткое замыкание, так как в се-
 
чении В-В ZBXb b = jZ0tgkl = /Z0tg^y => oo ,
 
что вызывает в сечении А-А на /2 = Х/4 величину Zbxa-a =>0, то есть закорачивает металлическую муфту на оплетку коаксиальной линии в сечении А-А. Таким образом, формируется полуволновый (в реальном случае — разноплечий) излучатель с током ix (t). Разноплечий Х/2
 
вибратор позволяет расширить диапазон излучаемых и принимаемых частот. На рис. 3.5, а показана диаграмма направленности вибратора в вертикальной плоскости на частоте резонанса.
 
При изменении частоты /=/о ± 5% /0, то есть на 5% от несущей /0, диаграмма направленности изменяется (рис. 3.5, б), при этом направление главного лепестка опускается вниз.
Диаграмма направленности в вертикальной плоскости симметричного вибратора с коаксиальным экраном: а) на частоте резонанса; б) при изменении частоты на 5% от несущей f0
Рис. 3.5. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости симметричного вибратора с коаксиальным экраном: а) на частоте резонанса; б) при изменении частоты на 5% от несущей f0
Диаграмма направленности антенны MS в ближней зонеОчень интересен вид ближней зоны, исследованный в работе [3.3] и показанный на рис. 3.6.
 
Как следует из пространственной картины рис. 3.6:
 
1) наблюдаются два максимума в изменении £0(г,0,ф):
 
- в области тонкого излучающего проводника (примерно 1\ ~1\/2), при этом £е(ф) носит ненаправленный характер;
 
- в области муфты практически на /i - /2/2, при этом уровень £е(г,0,ф) близок к уровню верхнего проводника;
 
2) существует резкий спад £е(г,0,ф) в районе корпуса мобильного телефона.
 
Как следует из рис. 3.4 и 3.5, изменение частоты излучаемого/принимаемого сигнала резко сказывается на диаграмме направленности в вертикальной плоскости, изменяя направление главного лепестка, его форму, а значит в целом и распределение Eq и Яф в пространстве. В ме-ридианальной плоскости данная антенна изотропна (всенаправлена), при этом £е(ф) = const, jF(0) = 1.
 
Следует отметить, что на диаграмму направленности мобильного телефона достаточно сильно влияют рука абонента и положение антенны относительно его головы.
 
Спиральные антенны.
 
Широкое применение в качестве антенн мобильных телефонов в диапазоне 800... 900 МГц нашли также спиральные антенны.
 
К их достоинствам можно отнести:
 
- малые габариты (физическая длина укороченной спиральной антенны / = Х/12, то есть при X = 33,3 см, /-2,8 см);
- чувствительность в режиме приема по направленности электрического поля: Е - (21.. .29) дБ/мкВ/м;
- электрическая длина /Е = Х/2, то есть соответствует длине полуволнового диполя;
- диаграмма направленности в меридианальной плоскости ^Р(ф) = 1.
 
К недостаткам таких антенн можно отнести:
 
- относительно высокие потери (связанные с участием в формировании направленных свойств металлической части корпуса, как дополнительного излучателя, и потери в диэлектрике корпуса);
- изменение диаграммы направленности с изменением частоты;
- выполнение требования, чтобы металлическая часть корпуса (radio case) имела длину 1~Х/4, так как при /»Х/А резко меняется диаграмма направленности.
Рассмотрим кратко особенности такой спиральной антенны.
 
Уровни распределения поля в ближней зоне спиральной антенны и металлического корпуса мобильного телефона изменяются аналогочно распределению, показанному на рис. 3.6, то есть на расстоянии г = 5 см наблюдаются:
 
- высокий уровень излучения самой антенной;
- достаточно высокий уровень излучения корпуса мобильного телефона.
 
Как отмечено в работе [3.3], измерения, проведенные по определению уровня излучения мобильных телефонов, использующих укороченные спиральные антенны, показали, что по сравнению с обычным полуволновым вибратором, излучающим в свободном пространстве, уровень излучения укороченных антенн на 10... 12 дБ ниже.
 
Использование ударопрочного радиопрозрачного покрытия, позволяет создать условия высоконадежной эксплуатации мобильных телефонов.
 

Комбинированная спиральная антенна.
 
Мобильный телефон с комбинированной спиральной антеннойАльтернативный вариант укороченной спиральной антенны был разработан в виде комбинированной спиральной антенны рис. 3.7, представляющей собой следующую конструкцию [3.3]:
 
- первичная фиксированная спираль (primary fixed antenna), длиной l\ = 2 см и по электрической длине соответствующая Х/4;
 
- вторичная спиральная антенна на диэлектрическом стержне (collapsible secondary helican antenna on dielectric rod), длиной l2 = 10 cm, no электрической длине соответствующая Х/2;
 
- данная антенна может быть съемной или складываться вне корпуса телефона.
 
Когда вторичная антенна вытянута, она становится главным излучателем, так как свободна от потерь, вызываемых рукой абонента, держащего корпус телефона.

.


Основы сотовой связи стандарта GSM. 
       1. ВВЕДЕНИЕ В СТАНДАРТ GSМ.
       2. ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSМ.
       3. АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.

                3.1. Общие положения.
                3.2. Антенны в системах сотовой мобильной связи. 
                3.3. Антенны мобильных станций.
                3.4. Особенности антенных систем базовых станций.
                3.5. Особенности распространения радиоволн.
                3.6. Параметры систем радиосвязи.
                3.7. Влияние лесных массивов на распространение радиоволн.

       4. МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ
       5. БАЗОВЫЕ СТАНЦИИ.
       6. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM.
       7. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
       8. УСЛУГИ, ФРОД И БЕЗОПАСНОСТЬ В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
       9. УПРАВЛЕНИЕ СЕТЯМИ СВЯЗИ В СТАНДАРТЕ GSM.
      10. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.

 
   
Стол заказов: (067)194-45-55 | Киев