IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Антенны в мобильной телефонии занимают особое место. Именно они связывают телефонный аппарат с сотовой системой и обеспечивают соединение. У сотового телефона уже есть простая и удобная малогабаритная антенна. В большинстве случаев она обеспечивает устойчивую связь. Но бывают участки с неустойчивым приемом сигнала, иногда встречаются «мертвые зоны», где для потери или восстановления связи достаточно сделать 2-3 шага в сторону. Количество базовых станций в разных районах города полностью эту проблему в отдельно взятом месте не решает.

Находясь вдали от городов, пользователи сотовой связи нередко сталкиваются с неуверенным приемом базовых станций. Выходом из данного положения является использование для работы телефона внешней антенны.

Внешние антенны имеет смысл применять в том случае, если уровень принимаемого сигнала настолько мал, что связь становится не устойчивой. Можно выделить несколько ситуаций, когда целесообразно применение внешних антенн:

• связь внутри помещения с высокой степенью ослабления сигнала (подвалы и полуподвалы, металлические сооружения, здания, обшитые металлом и т.д.). Вынесенная наружу антенна существенно улучшает качество связи. Однако, наличие кабеля между антенной и телефонным аппаратом и, в некоторых случаях, дополнительных разъемов, приводит к потерям сигнала.
• работа внутри зоны покрытия, но в местах «радиотени» (складки рельефа, экранировка крупными естественными и искусственными сооружениями)
• разговор ведется на большом удалении от ближайшей базовой станции - на краю или за пределами зоны действия сотовой системы.

Использование наружных направленных антенн, хотя и актуально, но лишь для небольшого процента пользователей сотовой связью. Это, прежде всего, владельцы дач и загородных домов. Во многих случаях эти объекты расположены на границе зоны покрытия. Это владельцы и эксплуатанты различных объектов промышленности и сферы обслуживания, расположенные вдали от города (бензозаправки, станции техобслуживания, мотели, придорожные кафе и рестораны, базы и дома отдыха, цехи и склады). Это временные объекты, требующие связи (туристские лагеря, полевые станы, места слетов и других массовых мероприятий). Это персонал офисов, магазинов и других объектов, расположенных в подвалах/полуподвалах в городе и пригороде.

Основными разновидностями направленных антенн являются антенны типа «волновой канал» (рис.1) и логопериодические (рис.2) [1]. Наибольшее распространие получили первые. К достоинствам антенны можно отнести сравнительно высокое усиление при простоте конструкции.

Логопериодические антенны распространены меньше, они более сложны и дороги, однако они имеют большую полосу частот и не требуют дополнительной настройки.

Антенна типа «волновой канал» состоит из ряда параллельных вибраторов, расположенных в одной плоскости: полуволнового линейного или петлевого вибратора, к которому подключен кабель снижения (активный вибратор), рефлектора и директоров (пассивные вибраторы)

Длина рефлектора и его расстояние до активного вибратора выбраны, таким образом, что излучение рефлектора ослабляет излучение активного вибратора в обратном направлении и усиливает его в прямом направлении. Таким образом, рефлектор является своеобразным отражателем, обеспечивающим формирование однонаправленной характеристики излучения (приема). Нередко в качестве рефлектора используется система вибраторов или сетка. Усилению излучения способствуют директоры, которые возбуждаются, как и рефлектор, под воздействием излучения активного вибратора. Следовательно, казалось бы, усиление антенны тем больше, чем больше у нее директоров. Однако, чем больше количество директоров в антенне, тем меньше сказывается на ее усилении добавление каждого нового директора и тем сложнее добиться согласованной работы директоров. Одновременно это ведет к сужению полосы пропускания антенны.

К недостаткам этой антенны следует отнести сложность ее настройки при числе директоров более трех. Антенны, даже собранные по одному чертежу  на одной и той же линии, оказываются настроенными по-разному и не допускают дополнительной настройки.

Реальное усиление такой антенны значительно ниже указанного (в среднем 3-4 дБ). Кроме того, узкая полоса пропускания ведет к резкому снижению усиления в тех системах, где используют дуплексные частоты с большим разносом. Например, стандарт DAMPS использует частоты 824-840 МГц и 869-894 МГц и использование антенны типа «волновой канал», настроенной на середину этого диапазона, приводит к заметному ухудшению работы антенны на краях диапазона( то есть на рабочих частотах). То же самое относится к стандартам GSM-900, GSM-1800.

Логопериодическая антенна - это один из типов антенн с неизменной формой диаграммы направленности и постоянным усилением в широком диапазоне частот.

У такой антенны во всем диапазоне частот обеспечивается хорошее согласование антенны с фидером. Логопериодическая антенна образована собирательной линией в виде 2-х труб, расположенных параллельно, к которым поочередно через один крепятся вибраторы.

Рабочая полоса частот антенны со стороны нижней частоты зависит от размеров наиболее длинных вибраторов, а со стороны верхней частоты - от размеров наиболее коротких вибраторов. Усиление антенны определяется количеством вибраторов, каждый из которых является активным. Следовательно, задав полосу частот (размеры максимального и минимального вибраторов), можно получить достаточно высокий коэффициент усиления во всем диапазоне за счет увеличения количества вибраторов.

Логопериодические антенны хорошо работают в широкополосных системах связи: DAMPS, GSM-900, GSM-1800 и в относительно узкополосных, например, в системе с кодовым разделением каналов CDMA (ширина полосы частот 1,5 МГц). Они не требуют дополнительной настройки, поскольку, все вибраторы являются активными и расстроены один относительно другого на постоянную величину, являющуюся характеристикой антенны.

К недостаткам этой антенны можно отнести ее более сложную конструкцию и повышенную трудоемкость в изготовлении по сравнению с антенной типа «волновой канал».

В системах сотовой связи стандартов CDMA, DAMPS, GSM-900/1800 целесообразно применять логопериодические антенны с необходимым для каждого конкретного случая усилением. На границе зоны покрытия наиболее эффективны антенны типа «волновой канал», однако, настройка этих антенн должна выполняться специалистом. Также следует обратить внимание на материал, из которого изготовлена антенна. На частотах 800-900 МГц, а тем более 1800МГц, несколько лучший результат дает использование материалов с высокой проводимостью - таких, как медь, латунь. Это повышает добротность антенны и сводит к минимуму потери.

GSM-900: цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 890 до 915 МГц (от телефона к базовой станции) и от 935 до 960 МГц (от базовой станции к телефону). В некоторых странах диапазон частот GSM-900 был расширен до 880-915 МГц (MS -> BTS) и 925-960 МГц (MS <- BTS), благодаря чему максимальное количество каналов связи увеличилось на 50. Такая модификация была названа E-GSM (extended GSM).

GSM-1800: модификация стандарта GSM-900, цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 1710 до 1880 МГц.

Активный ретранслятор (репитер) (рис.3) представляет собой антенный усилитель сотового сигнала для мобильного телефона, улучшает сотовую связь МТС, Билайн, Мегафон [2]. Помимо самого усилителя, в комплект оборудования входит внешняя антенна, одна или несколько внутренних антенн и делители мощности. Для коммутации оборудования используется коаксиальный кабель.

Усилитель сигнала сотового телефона (ретранслятор сотового сигнала) работает следующим образом. На крыше или на стене здания устанавливается внешняя антенна, направленная на ближайшую и менее загруженную базовую станцию оператора. Внешняя антенна подключается кабелем к усилителю сотового сигнала. Принятый антенной и уже усиленный сотовый сигнал по кабелю поступает на внутреннюю антенну. Крепятся такие антенны на потолке или на стене в помещении. Если площадь помещения большая, или есть серьёзные преграды для прохождения сигнала, в цепь ставят делитель мощности. Он позволяет подключить сразу несколько внутренних антенн. Крепятся такие антенны на потолке или на стене в помещении. Расстояние между внешней и внутренними должно быть не менее 20 метров, чтобы исключить влияние чувствительного оборудования.

Минусы существующих методов усиления сигнала:

1. Наружная антенна подключаемая через кабель очень не удобна, требуется механический контакт и из-за потерь в кабеле уменьшается усиление сигнала.
2. Цена наружной антенны подключаемой через репитер очень высока, из-за этого применение этого метода не распространено.

Поэтому целесообразней использовать пассивные ретрансляторы. Пассивный ретранслятор состоит из двух согласованных внешних антенн и объединяющих их соединительный кабель. Систему характеризует отсутствие активного усилительного компонента.

Наибольший эффект улучшения качества связи наблюдается, при соблюдении следующих условий:

•  прямая видимость внешней антенны (донорной) на базовую станцию оператора;
•  близость внешней антенны к базовой станции оператора (до 1 километра);
•  минимизация затухания сигнала в кабеле.

Экспертами отмечена малая эффективность использования "пассивного ретранслятора" как средства усиления мобильной связи.

Различают пассивные ретрансляторы трех типов: преломляющего, отражающего и препятствия.

Ретранслятор преломляющего типа в простейшем случае представляет собой комбинацию двух остронаправленных антенн, одна из которых ориентирована на антенну передатчика, а вторая направлена в точку приема. Таким образом, производится переизлучение сигнала в нужном направлении.

Ретранслятор отражающего типа выполняется в виде одного или двух плоских антенных зеркал, которые обеспечивают изменение направления распространения сигнала. Антенны ретрансляторов преломляющего и отражающего типов должны быть выполнены с высокой точностью рабочих поверхностей при больших размерах полотен этих антенн, доходящих до сотен квадратных метров в телевизионном диапазоне частот. Кроме того, должна быть обеспечена жесткая фиксация рабочих поверхностей антенн в пространстве, что требует использования сверхжестких опор. Поэтому ретрансляторы преломляющего и отражающего типов в последнее время редко находят применение на государственных линиях связи и совершенно неприемлемы в радиолюбительских условиях для приема телевизионных передач.

 Пассивный ретранслятор типа препятствия был предложен в 1954 г. Г. 3. Айзенбергом и А. М. Моделем. Такой ретранслятор представляет собой металлическую поверхность, расположенную между передатчиком и приемником, находящимся относительно передатчика в зоне тени (рис. 4). В отсутствие ретранслятора антенна передатчика, установленная в точке А, практически не создает в точке приема Б электромагнитного поля, так как точка приема затенена. При установке на пути распространения сигнала в точке В препятствия, в точке Б возникает поле. Это связано с тем, что

препятствие в соответствии с принципом Гюйгенса возбуждается падающей на него волной и становится источником вторичного излучения. При соответствующем выборе формы и размеров препятствия напряженность поля в точке Б может оказаться значительной и достаточной для уверенного приема телевизионного сигнала. Роль препятствия в том, что на трассе распространения сигнала образуются поверхность с нулевой напряженностью поля на той стороне, которая обращена к пункту приема [3].

Чтобы в экранированном помещении улучшить качество приема радиосигнала также применяется пассивный ретранслятор. Нужно установить антенну в том месте, где она уверенно принимает сигнал. Антенна должна быть рассчитана на работу именно в таком диапазоне, в каком вы планируете осуществлять прием сигнала в другом помещении. Необходимо обеспечить для антенны надежную защиту от попадания молнии и воздействия атмосферных осадков.

Далее, к антенне подключите кабель, который рассчитан на передачу высокочастотных импульсов в нужном диапазоне. Кабель с антенной должен согласоваться по волновому сопротивлению.

Кабель от антенны проводится в помещение, где будет осуществляться прием сигнала. Ко второму концу кабеля подключается еще одна антенна. Она также должна иметь возможность работать в необходимом диапазоне, и согласоваться с кабелем по волновому сопротивлению. Однако параллельно с пассивными ретрансляторами нельзя использовать передающие устройства большой мощности, даже с диапазоном Си-Би [4].

Для обеспечения связи в зонах неустойчивого приема можно использовать пассивный ретранслятор. Для этого предлагается две логопериодические антенны (рис.4), соединенные коротким кабелем, устанавливать на некоторой высоте (на крыше здания, на вышке  и т.п.). Эти антенны диапазона 890-960 МГц, т. е. сеть GSM-900. Одна антенна принимает слабый сигнал с базовой станции и через антенну, которая направлена под углом на поверхность земли, переизлучает принятый сигнал на сотовый телефон, а в силу взаимности антенн так же в обратном порядке. Такое устройство может быть доступно многим, из-за дешевизны  и простоты эксплуатации.

Расчет 5 элементной логопериодической антенны для диапазон частот 860-960 МГц. Используется кабель с сопротивлением 50 Ом, для того чтобы расстояние между траверсами была минимальна. Диаметр траверс задан 10 мм. Знаменатель геометрической длин вибраторов и расстояний между ними τ берем равной 0,8. Эти значения вводим в программу для расчета логопериодической антенны [5].

В результате расчета получаем. Расстояние между траверсами 14,23 мм. Длина траверс 24 см. Усиление 8,6 дБ. Из таблицы 1 видим, что получится 5-ти элементная антенна, с максимальной длиной вибратора 16,9 см, и с минимальной длиной вибратор 6,9 см.

Таблица1. Параметры логопериодической антенны

Элементы	Длина, м	Половина, м	От предыдущего  элемента м	От конца бума, м
5	0,169	0,084		0,042
4	0,135	0,067	0,048	0,090
3	0,108	0,054	0,039	0,129
2	0,086	0,043	0,031	0,160
1	0,069	0,035	0,025	0,185

Для изготовления такой антенны требуются две полоски из одностороннего фольгированного стеклотекстолита шириной 10мм, толщиной 1,5-2мм, и длинной - согласно расчетам. Также понадобятся обрезки "голого" медного провода диаметром 1-2мм, который можно извлечь скажем из кабеля для внутренней электропроводки и четыре кусочка двухстороннего фольгированного стеклотекстолита 10х15мм с отверстиями под коаксиальный кабель, причем на 3-х из них фольга частично удаляется с обеих сторон. Ну и соответственно, паяльник, канифоль, линейка и кусачки.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Устройства СВЧ и антенны. Д. И. Воскресенский, В. Л. Гостюхин, В. М. Максимов, Л. И. Пономарев / Изд. Радиотехника, 2006 г., 376 с.
2. Sitcom -URL: http://www.sit-com.ru/sat/usilitel_sotovogo_signala.html
3. Техническая библиотека lib.qrz.ru- URL: http://lib.qrz.ru/node/1101
4. http://remont-comp-pomosh.ru -URL: http://remont-comp-pomosh.ru/otvet_mastera/vopros-otvet/kak_sdelat_retranslyator.html
5. Гончаренко Игорь Викторович, DL2KQ-EU1TT. URL:http://dl2kq.de/mmana/logyagi.xls

Код для цитирования: Скопировать