ВЧ-антенны бегущей волны типа РГ, РГД, БС, БС-2, ЗБС-2 громоздкие, дорогостоящие сооружения, занимающие большие земельные площади. На крупных стационарных радиоцентрах эти антенны стоят на ответственных связях и должны окупать затраты на их изготовление. Устойчивость и надежность ДKМ линий радиосвязи с ионосферным распространением радиоволн в существенной мере определяется и зависит как от типов применяемых антенн, так и от их состояния на данный момент времени. К общим недостаткам ромбических антенн и антенн типа БС можно отнести наличие мачт высотой в несколько десятков метров с разветвленным такелажем. Этот недостаток отмечается по причинам:
Ограничения возможности восстановления антенны силами центра при выходе из строя хотя бы одной из ее мачт;
а) вид сверху
б) вид сбоку
Рис. 7.42. Антенна БС-21/8.180/4,4.17
Ограничения возможности осмотра полотна антенны, проведения регламентных и профилактических мероприятий (спуск полотна ведет к потере связей на данном рабочем азимуте);
Удорожания и увеличения времени строительства и обслуживания антенн;
Ограничения возможности расстановки антенн на антенных полях.
К частным недостаткам антенн БС можно отнести наличие сопротивлений связи (резисторов), число которых может достигать нескольких сотен. Под воздействием грозовых разрядов резисторы могут сгорать. При этом антенна теряет свои первоначальные свойства, ухудшаются ее характеристики .
Сопоставление основных показателей антенн типа ОБ, РГ и БС-2 (η – КПД антенны, и D – КНД антенны)позволяет сделать несколько важных заключений. Сравним антенны , и ЗБС-2 . Из рис. 7.43 следует, что КПД ромбической антенны много больше КПД антенн типа ОБ и БС, т.е. ее целесообразно использовать как передающую антенну. КПД приемных антенн ДKМ диапазона не является для них определяющим показателем. Здесь на первый план из электрических параметров выдвигается значение КНД, связанного с направлением основного излучения антенны.
Рис. 7.43. К сравнительной оценке КПД антенн различных типов:
1 – ОБ, 2 - РГД; 3 - ЗБС-2
Из анализа рис. 7.43 следует, что по электрическим показателям антенны типа ОБ-2 и БС-2 примерно равноценны, если не считать более низкого КПД антенны БС-2 в длинноволновой области ДKМ диапазона. Ромбические антенны, как приемные антенны, не выдерживают конкуренции с антеннами типа ОБ-2 и БС-2 по диапазонности и направленности.
Сопоставим типовые антенны ЗБС-2 и (см. табл. 7.21) . При этом ограничимся сравнением только основных конструктивных параметров. Анализ показывает, что по конструктивным показателям, антенны типа ОБ-2 существенно превосходят антенны типа БС-2.
На рис. 7.44 приведены характеристики КНД названных выше антенн, а также антенны типа ОБ-2 и нескольких типов антенн РГД.
Рис. 7.44. К сравнительной оценке КНД антенн различных типов:
1 – , 2 – , 3, 4 и 5 – антенны РГД, 6 – ЗБС-2
Таблица 7.21
Конструктивные характеристики антенн 3БС-2 и ОБ-2
Антенна типа ОБ-2, в частности, с помощью изоляторов может быть установлена на такелаже антенны типа БС-2 (рис. 7.45) с весьма незначительными затратами сил и средств. При этом антенны могут работать независимо друг от друга, являясь взаимным резервом. Антенны имеют линейные взаимноортогональные поляризации, поэтому провода полотна и такелажа антенны БС почти не влияют на характеристики антенны ОБ. Антенны позволяют осуществить сдвоенный прием радиосигналов методом поляризационного разнесения.
Антенны типа ОБ имеют относительно широкий лепесток диаграммы направленности, что снижает их помехоустойчивость. Этого недостатка лишена антенна типа ОБ-Е.
Рис 7.45. Схема размещения антенны типа ОБ-2 на такелаже
антенны типа БС-2
Антенна типа ОБ-Е
При разработке антенна ОБ-Е предполагалась для использования на приемных радиоцентрах магистральной радиосвязи взамен антенн типа БС-2, 2 БС-2, 3 БС-2, лучших по эффективности из имеющихся, но громоздких, дорогих, ненадежных в эксплуатации и трудоемких в обслуживании. Антенна ОБ-Е обладает высоким коэффициентом эффективность/стоимость С .
Схема антенны ОБ-Е приведена на рис. 7.46. Она имеет маркировку ОБ-Е , где L – длина полотна антенны; h – высота подвеса полотна антенны. На рис. 7.46 обозначено: 1 – поверхность «земли»; 2, 8 – проводники противовесов; 3 – источник ЭДС (радиопередатчик, ГСС); 5 – проводник с бегущей волной; 7 – резистор – нагрузка.
Антенна получила маркировку ОБ-Е (однопроводная, бегущей волны), где литера Е указывает на присутствие еще одной волны на проводнике, похожей по структуре на волну Е 0 в круглом волноводе, если смотреть в торец проводника.
Антенна ОБ-Е имела длину L = 300 м.; эквивалентный диаметр проводника с бегущей волной d экв = 280 мм.; наминал нагрузочного резистора R н = 200 Ом; высота подвеса h = 3 м. Диапазон рабочих частот антенны ОБ-Е составляет Δf = 3 ÷ 30 МГц.
Рис. 7.46. Антенна ОБ-Е
Исследования выявили принципиальные расхождения в принципах работы антенн ОБ и ОБ-Е. Они позволяют полагать, что в околопроводном пространстве антенны ОБ-Е происходит перераспределение энергии излучения, что привело к созданию новой, простой по конструкции и очень компактной в поперечнике антенне для магистральных ДКМ радиосвязей, представляющей собой «рупорную антенну без видимых стенок».
Результаты расчетов ДН в горизонтальной и вертикальной плоскостях и экспериментальных исследований, полученных с помощью облета на одинаковых частотах, приведены на рис 7.47 и рис.7.48. Экспериментальные точки показаны крестиками.
Из анализа диаграмм направленности следует, что антенна ОБ-Е обладает высокой помехоустойчивостью.
Антенный комплекс ОБ-Е
Для приема сигналов, приходящих под разными углами в угломестной плоскости, создан антенный комплекс ОБ-Е . Он включает в себя три антенны ОБ-Е различной длины L = 60; 120; 240 м, которые ориентированы на местности в одном общем азимуте.
Рис. 7.47. Расчётные и экспериментальные диаграммы направленности антенны ОБ-Е в горизонтальной плоскости
Рис. 7.48. Расчётные и экспериментальные диаграммы направленности антенны ОБ-Е в вертикальной плоскости
Комплекс рассчитан на прием радиоволн в диапазоне 10 м £ λ £ 100 м, (3 ÷ 30 МГц) с ионосферным характером распространения на трассах большой протяженности R > 1000 км. Рекомендации по выбору приёмных антенн приведены в табл. 7.22. Параметры ионосферы нестабильны во времени и неоднородны в пространстве, поэтому в точке приема радиоволн, наблюдаются нестабильность углов q пр по отношению к горизонту и колебания уровней поля.
Антенна типа ОБ-2, в частности, с помощью изоляторов может быть установлена на такелаже антенны типа БС-2 (рис. 7.45) с весьма незначительными затратами сил и средств. При этом антенны могут работать независимо друг от друга, являясь взаимным резервом. Антенны имеют линейные взаимноортогональные поляризации, поэтому провода полотна и такелажа антенны БС почти не влияют на характеристики антенны ОБ. Антенны позволяют осуществить сдвоенный прием радиосигналов методом поляризационного разнесения.
Антенны типа ОБ имеют относительно широкий лепесток диаграммы направленности, что снижает их помехоустойчивость. Этого недостатка лишена антенна типа ОБ-Е.
Рис 7.45. Схема размещения антенны типа ОБ-2 на такелаже
антенны типа БС-2
Антенна типа ОБ-Е
При разработке антенна ОБ-Е предполагалась для использования на приемных радиоцентрах магистральной радиосвязи взамен антенн типа БС-2, 2 БС-2, 3 БС-2, лучших по эффективности из имеющихся, но громоздких, дорогих, ненадежных в эксплуатации и трудоемких в обслуживании. Антенна ОБ-Е обладает высоким коэффициентом эффективность/стоимость С .
Схема антенны ОБ-Е приведена на рис. 7.46. Она имеет маркировку ОБ-Е , где L – длина полотна антенны; h – высота подвеса полотна антенны. На рис. 7.46 обозначено: 1 – поверхность «земли»; 2, 8 – проводники противовесов; 3 – источник ЭДС (радиопередатчик, ГСС); 5 – проводник с бегущей волной; 7 – резистор – нагрузка.
Антенна получила маркировку ОБ-Е (однопроводная, бегущей волны), где литера Е указывает на присутствие еще одной волны на проводнике, похожей по структуре на волну Е 0 в круглом волноводе, если смотреть в торец проводника.
Антенна ОБ-Е имела длину L = 300 м.; эквивалентный диаметр проводника с бегущей волной d экв = 280 мм.; наминал нагрузочного резистора R н = 200 Ом; высота подвеса h = 3 м. Диапазон рабочих частот антенны ОБ-Е составляет Δf = 3 ÷ 30 МГц.
Рис. 7.46. Антенна ОБ-Е
Исследования выявили принципиальные расхождения в принципах работы антенн ОБ и ОБ-Е. Они позволяют полагать, что в околопроводном пространстве антенны ОБ-Е происходит перераспределение энергии излучения, что привело к созданию новой, простой по конструкции и очень компактной в поперечнике антенне для магистральных ДКМ радиосвязей, представляющей собой «рупорную антенну без видимых стенок».
Конструктивные характеристики антенн 3бс-2 и об-2
Антенна типа ОБ-2, в частности, с помощью изоляторов может быть установлена на такелаже антенны типа БС-2 (рис. 7.45) с весьма незначительными затратами сил и средств. При этом антенны могут работать независимо друг от друга, являясь взаимным резервом. Антенны имеют линейные взаимноортогональные поляризации, поэтому провода полотна и такелажа антенны БС почти не влияют на характеристики антенны ОБ. Антенны позволяют осуществить сдвоенный прием радиосигналов методом поляризационного разнесения.
Антенны типа ОБ имеют относительно широкий лепесток диаграммы направленности, что снижает их помехоустойчивость. Этого недостатка лишена антенна типа ОБ-Е.
Рис 7.45. Схема размещения антенны типа ОБ-2 на такелаже
антенны типа БС-2
Антенна типа ОБ-Е
При разработке антенна ОБ-Е предполагалась для использования на приемных радиоцентрах магистральной радиосвязи взамен антенн типа БС-2, 2 БС-2, 3 БС-2, лучших по эффективности из имеющихся, но громоздких, дорогих, ненадежных в эксплуатации и трудоемких в обслуживании.Антенна ОБ-Е обладает высоким коэффициентом эффективность/стоимость С .
Схема антенны ОБ-Е приведена на рис. 7.46. Она имеет маркировку ОБ-Е , гдеL – длина полотна антенны;h – высота подвеса полотна антенны. На рис. 7.46 обозначено: 1 – поверхность «земли»; 2, 8 – проводники противовесов; 3–источник ЭДС (радиопередатчик, ГСС); 5 – проводник с бегущей волной; 7 – резистор – нагрузка.
Антенна получила маркировку ОБ-Е (однопроводная, бегущей волны), где литера Е указывает на присутствие еще одной волны на проводнике, похожей по структуре на волну Е 0 в круглом волноводе, если смотреть в торец проводника.
Антенна ОБ-Е имела длину L = 300 м.; эквивалентный диаметр проводника с бегущей волнойd экв = 280 мм.; наминал нагрузочного резистораR н = 200 Ом; высота подвесаh = 3 м.Диапазон рабочих частот антенны ОБ-Е составляет Δf = 3 ÷ 30 МГц.
Рис. 7.46. Антенна ОБ-Е
Исследования выявили принципиальные расхождения в принципах работы антенн ОБ и ОБ-Е. Они позволяют полагать, что в околопроводном пространстве антенны ОБ-Е происходит перераспределение энергии излучения, что привело к созданию новой, простой по конструкции и очень компактной в поперечнике антенне для магистральных ДКМ радиосвязей, представляющей собой «рупорную антенну без видимых стенок».
Результаты расчетов ДН в горизонтальной и вертикальной плоскостях и экспериментальных исследований, полученных с помощью облета на одинаковых частотах, приведены на рис 7.47 и рис.7.48. Экспериментальные точки показаны крестиками.
Рис. 7.47. Расчётные и экспериментальные диаграммы направленности антенны ОБ-Е в горизонтальной плоскости
Рис. 7.48. Расчётные и экспериментальные диаграммы направленности антенны ОБ-Е в вертикальной плоскости
Из анализа диаграмм направленности следует, что антенна ОБ-Е обладает высокой помехоустойчивостью.
Антенный комплекс ОБ-Е
Для приема сигналов, приходящих под разными углами в угломестной плоскости, создан антенный комплекс ОБ-Е . Он включает в себя три антенны ОБ-Е различной длины L = 60; 120; 240 м, которые ориентированы на местности в одном общем азимуте.
Комплекс рассчитан на прием радиоволн в диапазоне 10 м λ 100 м, (3 ÷ 30 МГц) с ионосферным характером распространения на трассах большой протяженности R > 1000 км. Рекомендации по выбору приёмных антенн приведены в табл. 7.22. Параметры ионосферы нестабильны во времени и неоднородны в пространстве, поэтому в точке приема радиоволн, наблюдаются нестабильность углов пр по отношению к горизонту и колебания уровней поля.
Таблица 7.22
| " |
МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ IНАУКИ УКРАЇНИ
ХАРКIВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНIВЕРСИТЕТ РАДIОЕЛЕКТРОНIКИ
Кафедра ТАВР
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по предмету
"ТЕХНОЛОГИИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ"
екстерн спец. ТЗТе-08
Фесюніна Л.І.
Перевірив: доц. каф. ТАВР Стародубцев Н.Г.
Харків 2009
1. ВЛИЯНИЕ ВЫСОТЫ УСТАНОВКИ АНТЕННЫ БС НА УРОВЕНЬ ПРИНИМАЕМОГО СИГНАЛА
При расчете уровня сигнала в точке приема необходимо учитывать волны, отраженные от земной поверхности. Влияние отраженных от поверхности земли лучей на устойчивость связи можно учесть на основании двулучевой модели (рис. 1.1).
Рисунок 1.1 – Двулучевая модель распространения сигнала БС
Множитель ослабления относительно поля свободного пространства можно представить следующим образом
, (1.1)где α - коэффициент отражения от поверхности земли; Ф - фазовый сдвиг между прямым лучом и отраженным от Земли. Обычно принимают α = -1, поскольку угол падения обычно мал. В этом случае выражение (1.1) можно записать следующим образом
(1.2)В свою очередь
(1.3)где Δr=r 1 -r 2 - разность хода лучей; α -длина волны.
На основании построений на рис 1.1 можно записать
(1.4) и , (1.5)где h 1 и h 2 - высоты установки антенн БС и МС соответственно; d-расстояние от БС до МС.
Выражение (1.4) и (1.5) можно переписать в виде
На практике обычно d >> h 1 +h 2 ,поэтому можно применить известное приближенное равенство
, где α << 1. (1.6)Подставляя (1.6) в (1.3) и (1.2), получаем
(1.7)Мощность сигнала на входе МС приемника может быть рассчитана по формуле
(1.8)где Р 1 - мощность передатчика БС; G 1 ,G 2 - коэффициенты усиления антенн БС и МС соответственно;
- затухание энергии в свободном пространстве.Подставляя (1.7) в (1.8), находим
(1.9)Если ΔФ < 0,6 рад, то sin(ΔФ/2)
ΔФ/2 и формула (1.9) принимает вид (1.10)Выражение (1.10) позволяет установить, что потери энергии на участке распространения будут составлять 40 дБ/дек.
В самом деле, если d 1 =l км и d 2 =10 км, то при прочих равных условиях
(1.11)Таким образом, мощность сигнала на входе приемника обратно пропорциональна d 4 , т.е.
где а - коэффициент пропорциональности.
При расчетах потерь энергии в свободном пространстве действует другое правило, а именно20 дБ/дек, т.е.
Для реальных городских радиотрасс имеем
где γ=2...5.
Величина γ не может быть меньше 2, т.к. это значение соответствует свободному пространству.
Из (1.10) также следует, что увеличение высоты установки антенны БС приводит к увеличению уровня сигнала на входе приемника МС примерно на 6 дБ/окт.
В самом деле, удвоение высоты установки антенны БС дает
(1.12)По вполне понятным причинам высота установки антенны МС не превышает 3 м, поэтому влияние ее высоты на энергетику линии обычно не рассматривают.
В формуле (1.9) не учтены многие факторы, влияющие на распространение радиоволн, а именно: шероховатость поверхности Земли, тропосферное отражение, рельеф местности и многие другие. Поэтому при расчетах часто прибегают к материалам, полученным на основании измерений и статистического усреднения результатов наблюдения.
2 МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ
Эффективность ССПР зависит от большого числа параметров и может служить показателем соответствия системы своему назначению, указывая степень ее технического совершенства и экономической целесообразности. Для количественной оценки эффективности сети подвижной радиосвязи можно использовать: пропускную способность; достоверность передачи информации; количество каналов, в выделенной полосе частот; размеры обслуживаемой территории; стоимость эксплуатации; статистические параметры трафика и другие факторы.
Обычно эффективность ССПР оценивают числом абонентов, приходящихся на выделенную полосу частот. Такой метод оценки достаточно нагляден и позволяет сравнивать различные системы подвижной радиосвязи.
Допустим, что МС равномерно распределены на территории обслуживания, имеющей вид круга радиуса R 0 с площадью
. Каждая сота представляет собой шестиугольник с радиусом описанной окружности R, имеющий площадь (2.1)Количество БС на территории обслуживания
(2.2)Размерность кластера К является частотным параметром системы, т.к. определяет минимально возможное число каналов в ССПР. Если на каждой БС набор состоит из п с с шириной полосы каждого канала F к, то общая полоса частот для ССПР (с учетом повторяемости частот) в направлении передачи составит
Число активных абонентов на всей территории обслуживания равно
В этом случае эффективность использования выделенной полосы частот (2.3)Из (2.3) следует, что эффективность ССПР не зависит от числа каналов на БС и возрастает с уменьшением радиуса ячейки R. В сущности это указывает на то, что уменьшая размеры ячеек можно повысить повторяемость частот, т.е. их одновременное использование в сети. Кроме того, из соотношения (2.3) следует целесообразность уменьшения размерности кластера К. Рассмотрим более подробно влияние размерности кластера на характеристики ССПР, в частности на уровень взаимных помех, возникающих вследствие повторного использования рабочих частот (рис.2.1). Взаимные помехи можно разделить на два вида.
Во-первых, мобильные станции в ячейках с совпадающими частотами создают помехи в каналах приема базовой станции соты номер один, находящейся в центре рис. 2.1 Отношение сигнал/помеха на входе приемника БС определяется выражением
(2.4)где Р пр.б – мощность сигнала МС центральной соты на входе приемника собственной БС;
Р ш.б – мощность тепловых шумов приемника БС;
Р п. м. i – мощность помехи от МС в совпадающей соте i-го кластера первого круга;
К 1 – число совпадающих сот первого круга.
Во-вторых, базовые станции всех совпадающих ячеек в первом круге создают помехи мобильным станциям, находящихся в центральной соте. Отношение сигнал/помеха в этом случае
(2.5)где Р пр.м – мощность сигнала БС центральной соты на входе приемника МС этой же соты;
Р ш.м – мощность тепловых шумов приемника МС;
Р п.б1 – мощность помех от БС совпадающей ячейки i-го кластера первого круга.
| Ячейки, создающие помехи на совпадающих частотах |
Рисунок 2.1 – Влияние размерности кластера на уровень взаимных помех
Для получения количественной оценки уровня взаимных помех сделаем ряд естественных предположений. Считаем, что Р ш.б и Р ш.м можно пренебречь, поскольку уровень шумов ниже уровня взаимных помех. Полагаем, что
, т.е. будем рассматривать сбалансированную систему. Кроме того, принимаем в расчет, что передатчики всех МС имеют одинаковую мощность. То же самое относится и к передатчикам БС.Тогда имеем
(2.6)где (2.7)
При любой размерности кластера в первом кругу располагается шесть совпадающих ячеек, т.е. К 1 =6. Кроме того, все относительные расстояния повторного использования частотных каналов равны, т.е.
С учетом этого выражение (2.7) можно представить в виде
